Нильс Бор

Начатая Э. Резерфордом работа по изучению строения атомов, вершиной которое стала предложенная им модель атома, была продолжена его учеником Нильсом Бором. Применив квантовую теорию к модели, предложенной Э. Резерфордом, Н. Бор углубил представления о строении электронной оболочки атомов. Как следствие Н. Бор разработал модельное представление о строении атома - атомную модель Резерфорда - Бора. В ней нашла отражение структура Периодической системы элементов, и эта модель была положена в основу создания классической теории химической связи.

Нильс Бор¹⁴ родился 7 ноября 1885 г. в Копенгагене. Его отец был известным в Дании физиологом. Многочисленные физические эксперименты, проводившиеся отцом, вызвали интерес Нильса Бора уже в юном возрасте. С 1903 по 1908 г. Нильс Бор учился в Копенгагенском университете. Преподаватели университета быстро заметили выдающиеся способности юноши, и Н. Бор вскоре стал помощником ассистента в университете. В 1911 г. он защитил докторскую диссертацию за работу по электронной теории металла. После этого Н. Бор стал работать в Кембриджском университете, а затем в лаборатории Резерфорда в Манчестере.

Нильс Бор (1885-1962)

В 1920 г. Бор стал руководителем созданного им Института теоретической физики в Копенгагене. Этот институт вскоре превратился в центр притяжения для многих талантливых молодых физиков из различных стран мира. Во время своих лекционных поездок Бор неоднократно посещал Москву и Ленинград.

Нильс Бор был удостоен многих академических наград, среди которых особенно надо отметить присуждение Нобелевской премии в 1922 г. С 1929 г. Бор - иностранный член Академии наук СССР. Германская Академия наук в Берлине избрала Бора 6 июля 1961 г. членом-корреспондентом и наградила медалью Гельмгольца. В обосновании этого награждения было между прочим сказано: "Он смог первым во всей глубине осознать то новое, с чем мы сталкиваемся при изучении квантовых явлений в природе. С 1922 г. Нильс Бор выступает с фундаментальными работами, посвященными основным вопросам квантовой теории атомов, молекул и атомных ядер, без чего было бы невозможным построение удивительного здания современной квантовой физики" [104].

Луи де Бройль (род. в 1892 г.); один из основателей квантовой механики; в 1924 г. выдвинул представление о принципиальном дуализме волны и частицы; лауреат Нобелевской премии по физике в 1929 г.

Созданием атомной модели Бор внес выдающийся вклад в теоретическое объяснение природы химических связей. Бор понял, что существует противоречие между представлениями Резерфорда о строении атома, с одной стороны, и положениями классической электродинамики, а также определенными экспериментальными данными - с другой. На примере атома водорода Бор констатировал, что излучение электрона, движущегося вокруг ядра, не представляет непрерывного спектра и, значит, не описывается законами классической электродинамики. По этим законам электроны вследствие своего ускоряющегося движения непрерывно теряли бы электромагнитную энергию и должны бы были в конце концов упасть на ядро. Для устранения этого противоречия Бор предпочел опереться на данные эксперимента, а не на положения классической науки, которая не могла здесь предложить никакого объяснения. Бор ввел постулаты, основанные на квантовой теории М. Планка. Благодаря этому Бору удалось составить более правильный взгляд на строение атомных оболочек по сравнению с представлениями Резерфорда. В соответствии с постулатами Бора, электрон в свободном атоме водорода может вращаться вокруг ядра не по произвольной траектории, а по такому пути, который не связан с излучением энергии. Образование линейчатого спектра водорода объясняется тем, что электрон, поглощая фотон, переходит на более высокую орбиту. При потере энергии, согласно Бору, электрон вновь переходит на более низкую орбиту. Эта теория объясняла также потерю электронов при образовании положительных ионов. Бору впервые удалось вычислить с помощью элементарных констант с, h и m спектральные серии водорода и таким образом объяснить экспериментально установленные ранее закономерности. Полученные им выводы о строении электронной оболочки в атоме водорода Бор обобщил на атомы и других элементов. Руководствуясь Периодической системой, Н. Бор объяснил электронную структуру элементов и сформулировал представление об атоме в виде атомной модели Резерфорда-Бора¹⁵. Тем самым Н. Бор связал периодический закон с изменением в строении электронных оболочек элементов. Плодотворность предложенной Н. Бором атомной модели для химии вскоре проявилась при открытии гафния¹⁶. Н. Бор указал на то, что неизвестный элемент с порядковым номером 72, хотя он и расположен в Периодической системе рядом с лантанидами, следует искать не среди них, а вблизи циркония. Бор следующим образом теоретически обосновал свое предположение. Для того чтобы перейти от любого из элементов в Периодической системе к его соседу справа, следует число электронов в атоме увеличить на единицу. Но отдельные электроны располагаются на определенных оболочках, которые обозначаются как K-, L-, М- и N-оболочки. Формула для определения максимального числа электронов, которые могут располагаться на каждой оболочке, такова: 2n² (n = 1, 2, 3...). На основании этих рассуждений Бор установил, что на элементе с порядковым номером 71 заканчивается ряд лантанидов, а элемент с порядковым номером 72 относится уже к другой группе. Поэтому в Периодической системе он должен располагаться под цирконием. Лишь в речи при получении Нобелевской премии, произнесенной в 1922 г., Бор мог, наконец, сообщить, что двое его сотрудников обнаружили элемент с порядковым номером 72 в циркониевых минералах. Так впечатляющим образом подтвердилось предсказание Н. Бора.

В 1915-1916 гг. представления Резерфорда и Бора о строении атома были применены к изучению химических связей. Кос-сель объяснил природу гетерополярных, а Льюис - гомеополярных связей. При этом они приняли, что атомы "стремятся" превратить свои электронные оболочки в такие же, как у благородных газов.

С помощью атомной модели Резерфорда - Бора химики теперь могли теоретически объяснить многочисленные свойства элементов, например валентность, металлический или неметаллический характер, образование ионов, молекулярное строение газа. Благодаря этому атомная модель Резерфорда - Бора нашла быстрое признание в химии. Однако дальнейшие исследования выявили и ее слабые стороны.

Эрвин Шрёдингер (1887-1961); один из основателей волновой механики, которая нашла свое математическое выражение в основополагающем 'уравнении Шрёдингера'; лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г.

Во втором десятилетии нашего века А. Зоммерфельд ввел представления о главных и побочных квантовых числах и заключил, что электроны движутся вокруг атомного ядра по эллиптическим орбитам. В атомных моделях Бора и Зоммерфельда электроны рассматривались как бесструктурные материальные частицы. В 1924 г. Л. де Бройль предложил трактовку природы электронов на основе волновой механики. В дальнейшем эти взгляды развивал Э. Шрёдингер. Такая трактовка объясняет природу химической связи в различных веществах, например двойных связей в органических соединениях, лучше, чем атомная модель Резерфорда - Бора. В атомной модели Бора не получали объяснения введенные им постулаты, тогда как модель де Бройля могла их объяснить. При разработке этой проблемы вызвала трудности хотя и зафиксированная экспериментально, но еще не получившая теоретического истолкования "двойственная природа излучения". Она связана с тем фактом, что атомарные процессы могут проявляться то в корпускулярной, то в волновой форме.

Помимо де Бройля и Шрёдингера в создании квантовой механики участвовали В. Гейзенберг, М. Борн, а также П. Дирак. Исходя в противоположность волновой из корпускулярной точки зрения на электрон и используя специальные математические методы, Гейзенберг пришел к дальнейшему расширению и уточнению атомной теории.

Вернер Гейзенберг (1901 - 1976); в 1925 г. предложил матричный вариант квантовой механики; в 1927 г. сформулировал принцип неопределенности; лауреат Нобелевской премии по физике 1932 г.

Над решением корпускулярно-волновой проблемы в Копенгагене под руководством Бора работало немало физиков. Данное ими объяснение этой проблемы получило название "копенгагенской интерпретации". На состоявшемся вскоре Сольвеевском конгрессе сторонники "копенгагенской интерпретации" сумели успешно защитить предложенную ими трактовку¹⁷.

Но наиболее резкое столкновение мнений на этом конгрессе произошло по вопросу о содержании квантовой механики. Квантовую механику можно рассматривать как законченную и не имеющую противоречий теорию, которая может быть успешно применена для описания электронных оболочек атомов; поэтому она необходима для объяснения результатов химических исследований. Оценка ее теоретико-познавательного значения привела, однако, к расхождению во мнениях. Согласно Бору, "новая квантовая теория преподала физикам необычный урок в теории познания". Центральным событием этого заседания была полемика между Эйнштейном и Бором [105, с. 500].

Поль Адриен Морис Дирак (род. в 1902 г.); разработал теорию атомной физики, которую подтвердил в 1932 г. открытием позитрона; лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г.

Если попытаться кратко охарактеризовать основное во взглядах Бора, то следует указать на диалектический характер его хода мыслей. Основу понимания им квантовомеханических явлений составляет "принцип дополнительности". Понятием "дополнительность" выражается понимание противоречий в их единстве. Так, согласно Бору, полное описание процессов движения в области микрофизики возможно лишь с помощью обеих картин природы - волновой и корпускулярной. В дуализме частицы - одновременно волны и корпускулы - находит отражение диалектическое единство противоположностей. Истолковывая противоречие корпускулярной и волновой картин мира как указание на существование объективного противоречия и выдвигая в этом случае подход "так же как" вместо однозначности "или-или" Н. Бор смог глубже понять закономерности природы.

В годы фашистской диктатуры в Германии многие знаменитые ученые и молодые исследователи вынуждены были покинуть свою родину. Нильс Бор был одним из тех, кто заблаговременно и самым настойчивым образом заботился о материальном обеспечении эмигрантов. Но утром 29 сентября 1943 г. сам Н. Бор получил секретное сообщение, что фашисты собираются насильственно вывезти его в Германию. Благодаря связи с антифашистским движением Сопротивления Н. Бору и его жене в последнюю минуту удалось ускользнуть от лап гестапо. Ночью тайно они покинули родину на борту рыбацкого судна.

Развитие общества и науки ставило ученых уже в начале нашего века перед необходимостью принимать ответственные решения относительно своей общественной позиции.

После того как капитализм вступил в высшую стадию своего развития, когда с победой Великой Октябрьской революции начался всеобщий кризис мировой капиталистической системы, последние достижения естествознания все интенсивнее стали использоваться для военно-технических целей. Для проведения агрессивной внешней политики в капиталистических странах был создан невиданный ранее военный потенциал, предназначенный для массового уничтожения людей. В связи с этим ответственность перед обществом такого ученого, как Нильс Бор, особенно возросла. Он, обогативший физику выдающимися научными достижениями, видел, как эти открытия, сделанные во имя мира и прогресса, используются в качестве средств массового уничтожения людей. Величие Бора ярко проявилось в том, что он одним из первых ученых включился в борьбу против злоупотребления результатами научных открытий. В июле 1944 г. Бор составил меморандум против использования результатов исследований для уничтожения человечества, который он направил президенту США Ф. Рузвельту. Н. Бор считал, что все достижения в этой области должны быть использованы для длительного и благотворного развития человечества. Он пытался добиться заключения международного договора о запрещении производства и применения атомного оружия. Однако сил Бора и других физиков оказалось недостаточно, чтобы воспрепятствовать совершению бесчеловечной акции - атомной бомбардировки двух японских городов. Для современных ученых поведение Бора является образцом и одновременно призывом к тому, чтобы вместе с миролюбивыми силами во всех странах, и в первую очередь социалистических, обратить человеческий разум против империалистических военных авантюр.