СЛОВАРЬ ЮНОГО ФИЗИКА

НИЛЬС ХЕНРИК ДАВИД БОР (1885— 1962)

Датский физик Нильс Бор родился в Копенгагене в семье ученого-физиолога. Окончив Копенгагенский университет, Бор после защиты докторской диссертации в 1911 г. уехал на стажировку в Англию. Уже в своей диссертационной работе, посвященной электронной теории металлов, он пришел к мысли о недостаточности представлений классической физики для объяснения электронных и атомных процессов, явлений электромагнитного излучения. Эта мысль превратилась в твердое убеждение, когда Н. Бор в 1912 г. стал работать у известного английского физика Э. Резерфорда. Незадолго до этого Резерфорд прямым экспериментом доказал, что атом можно уподобить микроскопической солнечной системе с «планетами» — электронами, обращающимися вокруг «Солнца» — тяжелого положительно заряженного ядра. Резерфордовская модель атома шла вразрез с канонами классической физики, и мало кто из ученых отнесся к ней достаточно серьезно. Но Бор понял, что исходя из этой модели можно построить новую физику — квантовую физику атома.

Эта задача была решена им в трех фундаментальных работах, опубликованных в 1913 г. Введя свои знаменитые квантовые постулаты, определяющие строение атома и условия испускания и поглощения им электромагнитного излучения, Бор дал блестящее объяснение строгим закономерностям расположения спектральных линий атомов и молекул.

Теория Бора была подлинной революцией в физике и вообще в представлениях человека об окружающем мире: она показала, что атомы «живут» по законам, совершенно не похожим на те, которые управляют поведением макроскопических тел. Со временем стало ясно, что резерфордовская модель — лишь приближенная схема реального атома, который «устроен» несравненно сложнее. Но угаданные Бором, благодаря его необыкновенной интуиции, квантовые постулаты поколеблены не были и легли в основу современной теоретической физики.

Важное значение имели и дальнейшие работы Бора по строению атома и атомного ядра, взаимодействию частиц с веществом. Но, наверное, не менее значительны заслуги Бора в открытии и осмыслении новых фундаментальных принципов квантовой механики и их превращении в достояние и рабочий инструмент науки. На протяжении почти полувека Бор был признанным лидером квантовой теории, а основанный им в 1920 г. в Копенгагене Институт теоретической физики в 20 — 30-е гг. по праву считался международным центром этой новой и бурно развивающейся науки. Большинство ученых славной плеяды создателей квантовой механики с гордостью причисляли себя к ученикам Н. Бора, и в том числе советский физик, академик Л. Д. Ландау.

В 1922 г. Н. Бор стал лауреатом Нобелевской премии.

Имя Бора приобрело всемирную известность, он был избран членом многих научных организаций мира.

В годы второй мировой войны, когда Дания была оккупирована гитлеровцами и стало известно о готовящемся аресте Н. Бора, организация Сопротивления помогла ему уехать сначала в Швецию, а затем — в США.

После войны Н. Бор активно включился в борьбу за мир, за запрещение атомного оружия. Большую роль сыграл он и в налаживании международного сотрудничества ученых в вопросах мирного использования атомной энергии, путь к овладению которой был проложен его научными трудами.

Надо, однако, иметь в виду, что аналогия с планетными системами весьма условна. Дело в том, что в микромире нельзя пользоваться законами Ньютона, здесь действуют специфические законы квантовой механики. Движущийся по орбите электрон можно рассматривать, с одной стороны, как некую корпускулу (с определенными массой, энергией, зарядом), а с другой — как некую волну, длина которой укладывается на длине орбиты целое число раз (это число есть как раз главное квантовое число п). Если п относительно невелико, то длина электронной волны оказывается того же порядка, что и длина орбиты. Ясно, что в этом случае вообще не имеет смысла говорить об электронных орбитах.

Квантовая механика, отказываясь от наглядного образа электрона, предлагает представлять электрон в атоме в виде своеобразного электронного облака, более плотного в тех точках пространства, где более вероятно обнаружить этот электрон. Форма и эффективные размеры электронных облаков зависят от квантовых чисел пи/, определяющих состояние электрона в атоме.

В многоэлектронных атомах картина электронных облаков оказывается более сложной. В связи с этим рассматривают не само облако, а лишь расстояние до ядра, на котором наиболее вероятно обнаружить электрон, описываемый тем или иным набором чисел ли/. Это расстояние называют радиусом электронной оболочки, отвечающей данным значениям пи/. Если п ■--- 1, / = 0, то говорят о ls-оболочке; п = 2, 1 = 0 — 2$-оболочке; п = 2, / = 1 — 2р-оболочке и т. д. Следует отметить, что на каждой электронной оболочке можно «поселить» не более строго определенного числа электронов: 2 — для s-оболочек, 6—для р-оболочек, 10 — для rf-оболочек. Это есть проявление принципа Паули.

По мере увеличения атомного номера элемента электроны постепенно заселяют электронные оболочки; последовательно заселяются оболочки: Is, 2s, 2р, 3s, 3р, 4s, 3d, Ар,... Например, в атоме лития (рассматривается невозбужденный атом) полностью заселена ls-оболочка и сверх того имеется один электрон в следующей s-оболочке (2$-оболочка). В атоме натрия полностью заселены оболочки Is, 2s, 2р и имеется один электрон в Ss-оболочке. В атоме калия полностью заселены оболочки Is, 2s, 2р, 3s, 3р и имеется один электрон в 45-оболочке. Единообразие конфигураций внешней электронной оболочки атомов щелочных металлов объясняет и общность их свойств. На данном примере можно видеть, каким образом картина заселяющихся электронных оболочек атома способна объяснить закономерности периодической системы химических элементов.