Глава 6. Про постулаты Нильса Бора.

 

Физик-писатель Анна Михайловна Ливанова в своей книге про Ландау, пытаясь донести до читателей гениальность Льва Давидовича, приводит в пример «гениальность» Нильса Бора (см. «Ландау», изд. 2-е, доп., Москва, Знание, 1983, стр. 162-163):

«А Бор? Может, следует сказать, что это было озарение, что Бора просто осенило, когда он, строя модель атома, высказал один из своих знаменитых постулатов. Или что ему надо было каким угодно образом найти выход из безвыходного положения – и тогда возникла его «безумная идея» об электроне, который вращается по орбите вокруг атомного ядра и при этом не излучает электромагнитной энергии. Двигается и не излучает! Постулат Бора, во-первых, противоречил незыблемому закону физики, гласящему, что всякий движущийся заряд (или заряженное тело) обязательно излучает электромагнитную энергию. А во-вторых, как и всякий постулат, он был недоказуем, не подлежал обоснованию. Не излучает – и все! Ведь энергия излучающего тела уменьшается, и непрерывно излучающий электрон в конце концов просто упал бы на ядро, чего в действительности не происходит. Так Бор открыл один из удивительнейших законов микромира. Вот что значит – интуиция гения. И смелость его мышления...»

Чувствуете, как мало в теоретической физике надо, чтобы тебя признали гением? Надо только выдвинуть нелепый постулат, который, во-первых, никоим образом не согласуется с наблюдаемыми физическими явлениями (противоречил незыблемому закону физики, гласящему, что всякий движущийся заряд … обязательно излучает электромагнитную энергию), а во-вторых, как и всякий постулат, был недоказуем, не подлежал обоснованию. О как! И на таких вот книгах воспитывались новые легионы физико-теоретиков.

Мне же, как инженеру, очень любопытно знать, что же это за незыблемый физический закон, если незыблемость этого закона тут же отвергается недоказуемым и не подлежащим обоснованию постулатом, проще сказать, догматом новой, «отквантованной» веры. Разве это наука?

Давайте попробуем вместе разобраться с постулатами Нильса Бора.

 

История рождения постулатов.

 

В 1911 году 25-летний свежеиспеченный доктор наук Нильс Хенрик Давид Бор получил от фонда Карлсберга (да-да, тех самых, кто ныне владеет почти всем пивным промыслом как в Европе, так и в России – слышали про «Carlsberg», «Tuborg», «Kronenbourg», «Балтику»?) стипендию в размере 2500 крон для стажировки за границей (возможно, тут пригодились матушкины связи, но не в этом дело). И в сентябре 1911 он прибыл в Кембридж, в Кавендишскую лабораторию Джозефа Джона Томсона (Joseph John Thomson), знаменитого первооткрывателя электрона.

Однако молодой Бор не сошелся с Томсоном, так как с ходу ткнул пальцем в какую-то ошибку мастера – то ли в расчетах, то ли в выводе формулы, и поэтому уже в марте 1912 году перебрался в Манчестер, в лабораторию к ученику Томсона Эрнесту Резерфорду (Ernest Rutherford).

Буквально за полгода до этого Резерфорд, вслед за Томсоном, опубликовал свою собственную модель атома. Томсон в 1904 году выдвинул «изюмно-пудинговую» модель атома, plum pudding model, согласно которой в положительно заряженном ядре, как изюм в пудинг, внедрены махонькие отрицательно заряженные электроны (см. рис. 3). Томсон полагал, что атомы состоят из множества отрицательно заряженных корпускул (частиц), заключенных в равномерно заряженную положительным электричеством сферу (... the atoms of the elements consist of a number of negatively electrified corpuscles enclosed in a sphere of uniform positive electrification ...).

Эрнст Резерфорд, основываясь на результатах своих экспериментов, предложил планетарную модель, наподобие Солнечной системы – вокруг массивного положительно заряженного ядра вращаются по кольцевым орбитам электроны. Надо сказать, что еще в 1904 году аналогичную модель атома, в которой электроны вращались вокруг ядра как кольца вокруг планеты Сатурн, выдвинул японский физик Хантаро Нагаока.

 

Рис. 3. Изюмно-пудиговая модель атома Томсона (слева)

и планетарная модель атома Резерфорда (справа).

 

 

 

Была только одна небольшая проблема. Ни одна из этих моделей не могла толково и обстоятельно обосновать дискретность спектральных линий. Томсон полагал, что электроны могут свободно двигаться внутри сферы по кольцевым орбитам, а спектры получаются за счет разности энергий различных орбит. (Кстати, в этом последнем предположении есть определенный смысл.) Не очень ладилось с объяснением спектральных линий и у Резерфорда.

Нильс Бор поступил с этой проблемой так же, как некогда небезызвестный Александр Филиппович Македонский поступил с Гордиевым узлом. Вот как об этом писал сам Бор: «…it must be remarked, that the theory in the form given dies not seem to be able to account for the well-known laws of Balmer and Rydberg connecting the frequencies of the lines in the line- spectra of the ordinary elements.» То есть «…следует отметить, что теория в предложенном виде не жизнеспособна, так как не в состоянии объяснить хорошо известные законы Бальмера и Ридберга в отношении частот линий в спектрах обычных элементов.»

И, не мудрствуя лукаво, Бор изобрёл два допущения (которые ныне возвели в ряд догматов-постулатов):

It will now be attempted to show that the difficulties in question disappear if we consider the problems from the point of view taken in this paper.

… The principal assumptions used are:

(1) That the dynamical equilibrium of the systems in the stationary states can be discussed by help of the ordinary mechanics, while the passing of the systems between different stationary states cannot be treated on that basis.

(2) That the latter is followed by the emission of a homogeneous radiation, for which the relation between the frequency and the amount of energy emitted is the one given by Planck's theory.

Перевод:

Теперь продемонстрируем, что трудности данного вопроса исчезают, если мы рассмотрим проблему с точки зрения, принятой в данной работе. … Вот основные допущения:

(1) Динамическое равновесие системы в стационарных состояниях может быть описано посредством обычной механики, а вот переход системы из одного стационарного состояния в другое – нет, не может.

(2), Указанный выше переход (из одного стационарного состояния в другое) сопровождается испусканием монохроматического излучения, для которого соотношение между частотой и количеством выделенной энергии в соответствует теории Планка.

 

То есть Бор по своей прихоти взял да и отменил «незыблемый», как писала А.М. Ливанова, физический закон – именно «так Бор открыл один из удивительнейших законов микромира». А так как тогдашним физико-теоретикам сильно надоело ломать голову над моделью атома, возможно, и потому, что фантазия Бора открыла им путь ко вседозволенности – после этого можно было аналогичным образом «постулировать» любую глупость – то идеи Бора были приняты на вооружение.

А так ли необходимо было делать? Может, надо было просто немного подумать? Давайте вспомним рассмотренное нами в предыдущих главах явление «пропадания» магнитного поля (магнитного излучения) в антенных фидерах и в соленоидах из двух разнонаправленных катушек.

Исходя из этого явления, применительно к современной модели атома, которая представляет собой массивное атомное ядро, вокруг которого имеется некое «электронное облако», объяснить факт отсутствия излучения атома в «стационарном состоянии» можно следующим образом.

Рассмотрим в качестве примера одноатомную молекулу гелия (He), состоящего, как нам сегодня известно, из атомного ядра – два протона плюс два нейтрона – и двух электронов (см. рис. 4). Если предположить, что электроны вращаются по одинаковым параллельным орбитам, с одинаковой скоростью, на разнонаправлено, то становится совершенно понятно, почему молекулы в стационарном состоянии (вспомнив терминологию радиоинженеров, я бы даже сказал – в «согласованном состоянии») не излучают.

Скорее всего, орбиты электронов – не чисто круговые, электроны могут выписывать в рамках электронного облака восьмёрки и другие кренделя, важно лишь, чтобы «парный» электрон двигался по аналогичной траектории – но только в другом направлении.

 

Рис. 4. Эскизная модель одноатомной молекулы гелия.

 

К этой же мысли нас подталкивает осознание того факта, что в реальном мире «чистые атомы» практически не встречаются, за исключением, разве что, инертных газов. Так, газообразные тела состоят из газовых молекул, причем, вопреки теории валентности, в газовой среде весьма часто наблюдается некая «гомосексуальность» – тот же водород (H2), кислород (O2), азот (N2), фтор (F2), хлор (Cl2).

Соединения азота с кислородом тоже весьма своеобразны. Так, сегодня химикам известны:

- закись азота, он же веселящий газ N2O;

- моноксид азота NO, бесцветный газ;

- азотистый ангидрид, он же триоксид диазота N2O3, жидкость при нормальных условиях);

- бурый газ, диоксид азота, NO2, газ красно-бурого цвета с резким запахом;

- азотный ангидрид, он же нитрат нитроила или пентаоксид диазота, N2O5;

- и недавно открытый в Швеции тринитрамид N(NO2)3.

 

Исходя из закона Авогадро, согласно которому в равных объёмах различных газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул, а также из «широкополосных» спектров газовых молекул можно предположить, что в газовых молекулах двух- и многоатомных газов электронные облака отдельных атомов объединяются (см. рис. 5). Именно таким образом и происходит образование молекул из отдельных атомов. Стремление к объединению отдельных атомов в молекулы вызвано, скорее всего, неуравновешенным магнитным моментом, который индуцируется одним «неуравновешенным» электроном.

 

 

 

Рис. 5. Эскизная модель двухатомной молекулы водорода.

 

А теперь предлагаю оценить мои постулаты:

1. Излучают газовые молекулы либо в момент своей ионизации, либо, согласно идее Томсона, когда парные электроны в облаке двигаются по орбитам с разными диаметрами и с разными скоростями.

2. Ширина спектральных полос двух- и многоатомных молекул, по идее, зависит от эллипсообразности электронного облака.

3. Газовые молекулы практически никогда не находятся в стационарном состоянии. Они излучают практически постоянно – только в нижнем инфракрасном диапазоне. Это излучение тут же перехватывается соседними газовыми молекулами.

 

Это можно считать и окончанием. Но если будут высказаны пожелания, то данную тему можно продолжить.