Нильс Бор – теоретик и практик науки

Нильс Бор

Нильс Бор, один из величайших ученых XX столетия, родился в Копенгагене 7 октября 1885 г. В годы, предшествовавшие первой мировой войне, он создал на основе новых квантовых представлений первую плодотворную модель, описывающую строение и функционирование атомов, а в 20-е годы первым применил ее для объяснения периодической системы элементов Менделеева. Радикально новый подход сделал квантовую теорию краеугольным камнем современной физики, а сам Бор сыграл решающую роль в разработке так называемой «копенгагенской интерпретации», которая и по сей день служит основой для перевода квантово-механических понятий на обыденный язык. Он принимал участие в работе над Манхэттенским проектом по созданию первой атомной бомбы, однако в 50-х годах выступил за установление действенного контроля над ядерным оружием. За свою деятельность в области использования атомной энергии в мирных целях он был назван в 1957 г. первым лауреатом американской премии «Атомы на службе мира».

Бор вырос в семье ученого. Его отец, Кристиан Бор, был профессором физиологии Копенгагенского университета, его младший брат Харальд, всю жизнь остававшийся его другом, был видным математиком, а сын Нильса Бора, Oгe, сменил отца на посту директора Института теоретической физики в Копенгагене и так же, как и он, стал впоследствии лауреатом Нобелевской премии по физике.

В начале своей научной карьеры Бор поражал не столько блестящей одаренностью, сколько упорством в работе. Это проявилось в 1906 г., когда он осуществил тщательные измерения коэффициента поверхностного натяжения воды, и позднее — при изучении поведения электронов в металле, за что получил в 1911 г. ученую степень доктора наук. И лишь после завершения этой работы и переезда сначала в Кембриджский, а затем Манчестерский университет (март 1912 г.) Бор начал проявлять ставший характерным для него подход к решению научных проблем.

Гениальность Бора — а в то время атомной физике, чтобы совершить рывок вперед, необходим был именно гений — заключалась в умении соединять, казалось бы, несовместимые идеи, порождаемые совершенно разными источниками, для создания модели атома (набор уравнений, описывающий физическую картину), хотя бы приблизительно соответствовавшей тем представлениям, которые возникали в процессе практической работы. Когда у Бора появлялась общая идея, он мог «поиграть» с различными предположениями, чтобы теснее увязать их друг с другом, и так до тех пор, пока не получалась более полная картина. В 20-е годы иначе, пожалуй, и быть не могло, ибо знания физиков об атоме были крайне разрозненными и неполными.

Да и сам электрон, являющийся, как мы теперь знаем, составной частицей атома, был открыт только в 1897 г., и лишь в 1911 г. известный физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) на основании экспериментов, проводившихся в Манчестере, предположил, что каждый атом имеет небольшое центральное ядро с положительным зарядом, заключающее в себе основную массу атома и окруженное облаком отрицательно заряженных частиц — электронов.

Последующие эксперименты подтвердили его предположение — ядро действительно составляет всего лишь одну стотысячную от общего объема атома. Обычно ядро, имеющее в поперечнике около 10-13 см, заключено в электронном облаке с поперечником 10-8 см. Для сравнения представьте себе миллиметровую булавочную головку в центре купола собора св. Павла (диаметром 35 м), по стенам которого расположилось облако из микроскопических пылинок. Булавочная головка — это ядро, а пылинки — электроны. Как мы видим, атомы — это в основном незаполненное пространство.

Но в начале 1912 г. предложенная Резерфордом модель атома была весьма противоречива. Поскольку противоположные электрические заряды притягиваются, физики не могли объяснить почему электроны в атоме не падают на ядро, высвобождая при этом энергию в виде излучения. Как раз в это время в Манчестер приезжает Нильс Бос, которого влекло туда желание разгадать вместе с Резерфордом и его коллегами загадку атома.

Простейшая модель атома, полученная Резерфордом, напоминала структуру Солнечной системы: в центре, на месте Солнца, расположено ядро, a вокруг него, подобно планетам, вращаются по своим орбитам электроны. Картина, конечно, была весьма упрощенной, однако она представляла собой первый шаг на пути к познанию атома. Согласно взглядам физиков того времени, вращающиеся вокруг ядра заряженные частицы должны были испускать электромагнитную энергию (свет, рентгеновские лучи или радиоволны) и двигаться по спирали внутрь. Таким образом, модель имела явные недостатки. Бор решил дилемму, разработав на основе достижений физики того периода совершенно иную концепцию и применив ее к планетарной модели атома Резерфорда.

В основу этой концепции легло открытие, сделанное на рубеже XIX и XX столетий немецким физиком Максом Планком (1858—1947), из которого следовало, что электромагнитное излучение (световое или иное) может испускаться поглощаться атомом в виде дискретных порций — квантов. В соответствии с квантовой теорией они могут испускать только строго определенные порции энергии, а для этого электроны должны мгновенно «перепрыгивать» с одной орбиты на другую (как если бы Марс невиданно перепрыгнул на орбиту Земли). Существуют устойчивые орбиты, утверждал Бор, соответствующие фиксированным значениям энергии; их можно сравнить со ступенями лестницы. Однако промежуточных орбит нет, и электрон может опуститься по спирали на ядро, поскольку это подразумевает выделение дробных порций энергии.

Модель Бора содержала, однако, ряд погрешностей. Идея орбит покоилась на классической физике, законах Ньютона, а идея устойчивых состояний электрона, которые соответствуют определенным порциям энергии (впоследствии получившим название энергетических уровней), была заимствована из квантовой физики. Создание модели, в которой противоречиво совмещались положения различных теорий, не прояснило особенностей функционирования атома, однако послужило необходимым отправным пунктом для научной деятельности Бора на протяжении следующего десятилетия.

Успешная работа Бора продолжалась в Копенгагене, где датские власти создали для него специальный институт. В 1920 г. он стал директором Института теоретической физики, который под его руководством превратился в один из крупнейших научных центров, где над проникновением в тайны атома и кванта трудились физики-теоретики из разных стран мира. В начале 20-х годов Бор сделал свое величайшее открытие, создав теорию атома, которая давала, по крайней мере в общих чертах, объяснение всей химической науке.

В 60-х годах XIX в. русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834— 1907) разработал периодическую систему химических элементов, показав, что они могут быть систематизированы в таблице в соответствии с величиной их атомного веса, причем элементы, обладающие сходными свойствами, попадают в одни и те же вертикальные столбцы. Однако периодический закон не объяснял, почему элементы с совершенно разным атомным весом имеют аналогичные химические свойства. Ответ на этот вопрос дала разработанная Бором в годы после первой мировой войны теория атома. Для Бора и его современников было очевидно, что химические свойства атомов почти полностью зависят от числа имеющихся в них электронов. Количество электронов в свою очередь связано с числом протонов (положительно заряженных частиц) в ядре и, таким образом, с атомной массой. Но электроны сами по себе — это видимое «лицо» атома, которое он являет миру, своеобразный «механизм» его взаимодействия с другими атомами. Тогда почему атом лития, имеющий 3 электрона, обладает сходными химическими свойствами с атомом натрия, который имеет 11 электронов, и с атомом калия, имеющим 19 электронов?

И вновь Бор, не дожидаясь фундаментальных разработок, развивает модель атома для объяснения результатов наблюдений. Представим себе электронные орбиты, окружающие ядро не как планеты — Солнце, а как плотно прилегающие друг к другу шкурки луковой кожуры. Внутренняя орбита, или, говоря словами Бора, «оболочка», может содержать только два электрона. Бор не задумывался над причинами этого явления, для него было достаточно того, что эта особенность его модели соответствовала наблюдаемым проявлениям химических свойств элементов. В следующей оболочке от ядра могут располагаться уже восемь электронов. Поэтому атом, имеющий в своем ядре, например, шесть протонов и потому «нуждающийся» в шести электронах для нейтрализации своего электрического заряда, расположит два электрона во внутренней оболочке и четыре — во второй. В атоме с 11 протонами (натрий) два электрона остаются во внутренней оболочке, восемь во второй, насыщенной оболочке, а одиннадцатый электрон уходит в новую оболочку, третью от ядра.

Аналогично обстоит дело с литием, у которого два электрона находятся во внутренней оболочке, а третий имеет свою собственную оболочку. У калия будет уже три электронных оболочки (два, восемь и восемь электронов), а последний электрон окажется в собственной, четвертой оболочке.

С химической точки зрения самым важным в строении атома является число электронов во внешней оболочке. Разрабатывая модели электронных оболочек все более и более тяжелых атомов, содержащих все большее число электронов, Бор сумел дать объяснение связям элементов в периодической таблице Менделеева с точки зрения их атомной структуры. И хотя у него не было представления о том, почему оболочка с восемью электронами должна быть насыщенной и закрытой для других электронов, он использовал само это явление для объяснения взаимодействия и соединения атомов.

Бор не стремился к строгим математическим доказательствам, он просто был уверен, что явления должны происходить именно так, а не иначе. В своих «Автобиографических записках», опубликованных в 1949 г., Эйнштейн писал о работе Бора и раннем этапе развития квантовой теории: «…Эта ненадежная и противоречивая основа дала такому человеку, как Бор, с его уникальной интуицией и одаренностью, возможность открыть основные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов и показать их значение для химической науки; это обстоятельство казалось и до сих пор кажется мне чудом».

В 1922 г. Бор получил за эту работу Нобелевскую премию по физике. Тогда же был открыт и назван гафнием ранее неизвестный элемент, существование которого, однако, предсказывала его теория атома. Но только в 1926—1927 гг. физики смогли разработать твердую основу квантовой теории, открыв связи и законы, объясняющие специфику поведения электронов и причины ограниченности их числа в электронных оболочках атома. Выдвинутые в то время идеи и по сей день кажутся фантастическими. Электрон из мельчайшей частицы превратился в некую целостность, которая одновременно может быть и волной, и корпускулой. Любой эксперимент, ставящий своей задачей обнаружение частицы, продемонстрирует, что электрон ведет себя как корпускула, но поставьте эксперимент с целью определения волновых свойств, и электрон поведет себя как волна. Так что же происходит на самом деле?

К концу 20-х годов была создана законченная теория и разработана система стройных уравнений, описывающих поведение атомов, электронов и излучения. Единственная беда была в том, что она не поддавалась осмыслению. И вновь на помощь пришел Бор. Здесь и не надо искать «смысла», посоветовал он. Единственное, что нам достоверно известно, — это результаты эксперимента, а пока мы в состоянии их предсказать, не стоит беспокоиться о поведении частиц (или волн), когда мы за ними не наблюдаем. Такова — в несколько упрощенном виде — суть так называемой «копенгагенской интерпретации» квантовой механики, но упрощение это, отметим, очень невелико.

На протяжении более чем полувека после появления теории Бора физики используют квантовую механику для объяснения поведения молекул, в том числе таких биологических молекул, как ДНК, для проектирования атомных электростанций (и бомб), создания компьютеров, часов на жидких кристаллах и лазеров. И по сей день никто точно не знает, что же представляют из себя частицы квантового мира, что они «делают», когда с ними не экспериментируют. Однако результаты всех опытов, проведенных в последние пятьдесят лет, согласуются с предсказаниями квантовой теории.

Величайшее достижение Бора, несомненно, заключается в его объяснении периодической системы элементов, а его практический подход к противоречивой квантовой теории (дескать, до тех пор пока она «работает», не так уж и важно знать, почему это происходит) оказал свое влияние на целое поколение физиков и имеет большое значение для многих современных ученых. Но и после создания этой теории Бор продолжал играть выдающуюся роль в науке; особенно значителен его вклад в изучение ядерного деления, а также в создание Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), который открылся в 1951 году. Бор скончался в Копенгагене 18 ноября 1962 г. на семьдесят восьмом году жизни.

Автор: Джон Гриббин.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что для всех ученых физиков было бы необычайно полезным почитать труди Нильса Бора в оригинале на английском языке. Правда для этого необходимо отличное знание этого самого английского языка, выучить который в наше время не так уж и сложно, можно это сделать, например, с помощью школы Glory School, и как бы там ни было, но постичь законы английской грамматики куда легче нежели премудрости квантовой физики и механики.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *