С открытия Бальмера начинается целая эпоха в науке об атоме. По существу, вся теория атома начинается с его формулы. Тогда ещё этого не знали, но, вероятно, почувствовали. Уже в 1886 году Рунге заметил, что формула Бальмера становится прозрачнее, если в неё вместо длины волны λ поставить частоту ν=c/λ,
ν=c/b[(1/n2)−(1/k2)]
А в 1890 году шведский физик Иоганн Роберт Ридберг (1854–1919) предложил записывать формулу в том виде, который она сохранила до сих пор:
ν=c∙R[(1/n2)−(1/k2)]
Здесь: c — скорость света, n и k — знакомые нам целые числа, а число R=109677,576 см−1 называется с тех пор «постоянной Ридберга» для атома водорода. Полагая в этой формуле n=2, можно вычислить всю серию Бальмера, измеренную впоследствии вплоть до k=31.
Тогда же возникла мысль записывать частоту ν в виде разности двух чисел-термов Tn и Tk:
ν=[(c∙R)/n2]−[(c∙R)/k2]=Tn−Tk
Пока что в такой записи не видно глубокого смысла, да и особых преимуществ тоже. Однако в 1908 году молодой, рано умерший швейцарский учёный Вальтер Ритц (1878–1909) объяснил преимущества такой формы записи. Продолжая работы Ридберга, он сформулировал так называемый комбинационный принцип: частоту ν произвольной линии в спектре любого атома можно представить как разность двух термов Tn и Tk:
νnk=Tn−Tk
даже в том случае, когда отдельный терм Tn уже нельзя записать в таком простом виде, как для атома водорода.
На первый взгляд в этом нет никакого выигрыша: просто от набора частот мы перешли к набору термов. Однако это не так: попытайтесь прочесть книгу, в которой нет промежутков между словами, и вы сразу почувствуете разницу. Особенно если эта книга на неизвестном языке. Кроме того, чисел стало значительно меньше: чтобы определить частоты 50 линий водорода, которые были известны в начале века, достаточно знать десяток термов.
Неожиданно в хаосе чисел обнаружилась система. Беспорядочный набор линий распался на серии. В непонятной книге стали различать отдельные слова. В простейшем случае — в атоме водорода — удалось разглядеть даже буквы, из которых они составлены. Однако смысл слов и происхождение букв по-прежнему оставались неизвестными: иероглифы ещё не заговорили, хотя и не казались теперь столь загадочными.
Стремление осмыслить структуру спектра и в самом деле напоминало попытку почти вслепую расшифровать незнакомый текст. Утомительная работа длилась больше четверти века, и отсутствие общей идеи отталкивало от неё многие глубокие умы. Необходимо было найти ключ к шифру.
Это сделал Нильс Бор в 1913 году.
КВАНТЫ
Излучение возникает внутри атома, однако, покинув его, существует независимо. Иногда оно состоит из волн одинаковой длины — такое излучение называют монохроматическим. Линейчатый спектр атома состоит из набора монохроматических лучей, и наборы эти различны для разных атомов.
До сих пор нас большей частью интересовала только одна характеристика волн — их частота ν. Однако лучи — сложное явление, и свойства их нельзя свести только к частоте излучения. Солнечный луч прозрачен, но вполне материален — он даже имеет вес: каждую минуту на квадратный сантиметр поверхности Земли падает 2∙10−15 г света. На первый взгляд неощутимо мало, но это означает, что за год на нашу планету падает 80 тысяч тонн солнечных лучей. Эти тонны лучей осуществляют круговорот веществ в природе, так что в конечном итоге вся жизнь на Земле возможна только под Солнцем.
Действие излучения легче всего сопоставлять с морскими волнами, набегающими на берег: после работ Христиана Гюйгенса (1629–1695) и Огюстена Жана Френеля (1788–1827) такая аналогия стала бесспорной. Каждый год приносил новые этому доказательства в явлениях интерференции и дифракции света. В 1873 году Джемс Клерк Максвелл (1831–1879) теоретически предсказал, что свет, падая на поверхность тел, должен оказывать на них давление (также в полном согласии с нашей аналогией). Световое давление — очень тонкий эффект, но Пётр Николаевич Лебедев (1866–1912) в 1899 году всё-таки обнаружил его экспериментально. Казалось, теперь волновая природа света доказана настолько надёжно, что всякие дальнейшие опыты для её проверки не имеют смысла.
К счастью, опыты в физике ставят не только для проверки теорий. И в то время, когда Лебедев завершал свой знаменитый эксперимент, уже существовал другой, столь же тщательный, но более непонятный. В 1887 году Генрих Рудольф Герц (1857–1894) (тот самый, который доказал волновую природу электромагнитного излучения и тем самым справедливость всей электродинамики Максвелла) обнаружил явление, впоследствии названное фотоэффектом. Суть его в следующем.
Если свет ртутной лампы (теперь мы такие лампы называем кварцевыми) направить на металл натрий, то с поверхности его полетят электроны.
В конце века большая часть физиков уже ясно сознавала, что атом сложен, и потому само по себе это явление никого не удивило. Довольно быстро все согласились с тем, что электроны в опыте Герца вылетают из атомов натрия под действием излучения кварцевой лампы.
Странно и непонятно было другое — законы этого явления. Установлены они были Филиппом Ленардом (1862–1947) и Александром Григорьевичем Столетовым (1839–1896) на рубеже XX века. Эти учёные измеряли число выбитых электронов и их скорость в зависимости от интенсивности и частоты падающего излучения.
Мы уже знаем, что лучи, возникающие внутри атомов, различаются между собой не только длиной волны λ (или что то же, частотой ν), но также интенсивностью. Это ясно видно на спектрограммах: некоторые линии там значительно ярче других, например в жёлтом дублете натрия линия D2 вдвое ярче линии D1.
Наш предыдущий опыт и знания о волнах подсказывают нам, что действие волн тем заметнее, чем больше их амплитуда. Чтобы убедиться в этом, достаточно выйти на берег моря во время шторма. Значит, увеличивая амплитуду, мы тем самым увеличиваем интенсивность лучей. Интенсивность излучения можно увеличить и по-другому: увеличивая число излучающих атомов. Поэтому, если вместо одной ртутной лампы взять две, три, десять, то интенсивность излучения возрастёт во столько же раз. Естественно ожидать, что и энергия выбитых электронов вырастет в такой же пропорции.
Но энергия электронов оставалась прежней, менялось лишь число их.
Такова первая несообразность, которая ожидала учёных в конце опытов. Зато энергия зависела от частоты падающего излучения, и притом сильно.
Кварцевая лампа излучает фиолетовые и ультрафиолетовые лучи. Оказалось, что если вместо них на поверхность натрия направить пучок красных лучей, то электроны не вылетят вообще.
— Если излучение — волновой процесс (а это строго доказано), такого не может быть, — утверждали одни.
— Но ведь это происходит! — возражали другие.
Если бы несколько прибрежных утёсов неожиданно обрушились на ваших глазах, почти наверное вы бы стали искать внешние причины такой катастрофы. Конечно, волны моря постепенно размывают берег, и время от времени утёсы рушатся, но все знают, как редко это бывает. Но если, обернувшись к морю, вы обнаружите там военный корабль, который ведёт по берегу пальбу из орудий главного калибра, вы сразу догадаетесь, что причина внезапных разрушений не волны, а снаряды, хотя их энергия и меньше, чем общая энергия морских волн. Однако энергия волн равномерно распределена по всему побережью, и нужны века, чтобы мы увидели результаты их ежедневной работы. По сравнению с этой работой энергия снаряда ничтожна, зато она сосредоточена в малом объёме и выделяется мгновенно. Если к тому же снаряд достаточно велик — он разрушит утёс. Последнее важно: действительно, все свойства снаряда, кроме размеров, присущи и пуле, однако сокрушить скалу ей не под силу.