Избранные научные труды. Том 2

Таким образом, проблема строения атома получила, казалось, большое сходство с проблемами небесной механики. Но ближайшее рассмотрение этого вопроса показало вскоре, что имеет место и существенное различие между атомом и планетной системой. Атом должен обладать устойчивостью, которая имеет черты, чуждые механической теории. Законы механики допускают возможность непрерывных изменений движения, а это противоречит тому обстоятельству, что каждый элемент имеет совершенно определённые свойства. Различие между атомом и электродинамической моделью становится очевидным, если рассмотреть структуру испускаемого излучения. В моделях такого рода, в которых, согласно классической теории, частота обращения непрерывно изменяется вместе с энергией, частота излучения должна непрерывно изменяться во время испускания. Такое излучение не имеет ничего общего с линейчатыми спектрами элементов.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА

Попытки найти более точную формулировку для представлений теории квантов и при этом такую формулировку, которая могла бы преодолеть указанные нами затруднения, привела к установлению следующих постулатов.

1. Атомная система обладает некоторым многообразием состояний, «стационарных состояний», которым соответствует дискретный ряд значений энергии и которым присуща специфическая устойчивость. Это выражается в том, что каждое изменение энергии атома вызвано «переходом» атома из одного стационарного состояния в другое.

2. Возможность испускания и поглощения излучения атомом обусловлена возможностью изменения энергии атома, причём частота излучения связана с разностью значений энергии в начальном и конечном состояниях с помощью такого соотношения:

ℎν

=

𝐸

₁

-𝐸

₂

.

Эти постулаты, которые не могут быть объяснены на основе классических представлений, дают, по-видимому, достаточное основание для общего описания наблюдаемых физических и химических свойств элементов. В частности, они дали непосредственное объяснение фундаментальной черты эмпирических спектральных законов. Принцип комбинации спектральных линий — принцип Ритца — устанавливает, что частота каждой линии спектра может быть представлена в виде разности двух термов из многообразия спектральных термов, характеризующего данный элемент. Действительно, мы видим, что эти термы могут быть отождествлены со значениями энергии стационарных состояний атома, разделёнными на ℎ. Кроме того, это описание происхождения спектров даёт также непосредственное объяснение существенного различия между спектрами поглощения и испускания. Согласно постулатам условие для частоты избирательного поглощения, соответствующей комбинации двух термов, заключается в том, что атом должен находиться в состоянии с меньшей энергией, в то время как для испускания он должен находиться в стационарном состоянии с большей энергией. Короче говоря, описанная картина находится в очень хорошем согласии с результатами опыта по возбуждению спектров. Особенно ясно это доказывается открытием Франка и Герца, относящимся к столкновениям электронов с атомами. Франк и Герц нашли, что передача энергии электрона атому может происходить только в количествах, которые в точности равны разностям значений энергии стационарных состояний, вычисленным из спектральных термов. Возбуждение атома, который затем излучает, происходит вообще мгновенно. С другой стороны, возбуждённый атом может, согласно Клейну и Росселанду, потерять свою излучающую способность при соударении с электроном, энергия которого увеличивается на соответствующую величину.

Как показал Эйнштейн, эти постулаты дают также достаточное основание для рациональной разработки статистических проблем, в частности для очень ясного вывода закона излучения Планка. В теории Эйнштейна допускается, что атом, который может совершить переход между двумя стационарными состояниями и находится в более высоком состоянии, обладает известной «вероятностью», зависящей только от атома, спонтанно перейти в данный промежуток времени в нижнее состояние. Кроме того, допускается, что при освещении атома извне излучением с частотой, соответствующей переходу, атом имеет вероятность, пропорциональную интенсивности излучения, перейти из нижнего состояния в верхнее. Существенной особенностью теории является также допущение, что если атом освещается таким излучением, находясь в нижнем состоянии, то он имеет, кроме своей спонтанной вероятности, ещё добавочную вероятность ¹ перехода в нижнее состояние.

¹ Эта последняя вероятность, называемая вероятностью индуцированного перехода, пропорциональна интенсивности излучения. — Прим, ред.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ