[
вернуться к содержанию сайта]Вопрос о составе реальных объектов занимал умы ещё древних греков. Они сформировали философскую концепцию неделимой частицы — атома — как мельчайшей составляющей реальных объектов. Однако на этой стадии гипотезы они остановились; они не провели экспериментальное исследование, а потому им не удалось получить окончательный результат.
Умы германских народов устроены иначе. В качестве отправной точки они использовали опыт химической работы с матерней, установили существование некоторого количества основных веществ, или химических элементов, которые невозможно разделить далее, и выдвинули гипотезу о том, что химический элемент состоит из однородных составляющих, или атомов, которое отвечают за конкретные свойства данного элемента и которые с помощью химических методов нельзя ни разложить далее, ни отличить один от другого.
Ближе к концу прошлого века эта концепция химического атома несколько закостенела. Подтверждение, которое она получила в процессе опытов, привело к убеждению, что химический атом не только невозможно разложить на более мелкие части с помощью известных химических методов, но он, в принципе, целиком и полностью неделим. Более того, изобилие химических сложных веществ и их важность в повседневной жизни мешала химику исследовать вопрос о том, в чём же всё-таки состоит индивидуальность атомов различных элементов. За три последних десятилетия концепция химического атома освободилась от этого оцепенения благодаря нашим физическим опытам. Открытие различных явлений привело к признанию того, что химический атом обладает индивидуальностью и состоит из нескольких единиц, объединённых в единое целое.
Во главе этих новых открытий и обретённого понимания стоит установление того, что электричество состоит из дискретных частиц равного размера, или квантов, а свет является электромагнитным волновым движением. Из этого с необходимостью следовало, что в составе химического атома должны присутствовать отдельные кванты электричества, так как при определённых условиях химические атомы испускают световые волны характерной длины или частоты колебаний, — знакомые характеристические спектры, — а они могут исходить в виде электромагнитных волн исключительно из ускоренных квантов электричества.
Более того, фундаментальную важность имело открытие того, что отрицательный электрон является составляющим химического атома. В катодных лучах физик узнал способные к независимому движению свободные отрицательные электрические кванты, масса которых оказалась меньше тысячной доли массы атома водорода. В процессе ионизации физик наблюдал высвобождение таких отрицательных квантов, или электронов, из химических атомов Подвергнув влиянию магнитного поля спектральные линии химических элементов, Зееман и Лоренц сумели обнаружить отрицательный электрон даже внутри атома, составляющим которого он является.
В эти три последних десятилетия великих физических открытий, как никогда ранее в истории, природа подняла занавес, скрывавший от глаз физика третью тайну, раскрыть которую он даже не мечтал. Открытие и исследование радиоактивности доказало даже самым отъявленными скептикам способность атома не только разделяться на части, но также его химическую и физическую индивидуальность, — особенно исходного атома, но. в равной степени, и тех атомов, которые возникают в результате его распада.
Признав, что химический атом состоит из отдельных электрических квантов, которые можно отделить друг от друга, человечество сделало огромный шаг вперёд в исследовании мира природы. Однако это достижение поставило перед нами новую, даже более серьёзную проблему, — проблему структуры атома. Сколько электрических квантов присутствует в атоме химического элемента? Каковы их силовые поля? На каких расстояниях друг от друга они расположены? Как они движутся? Какие силы начнут в них действовать, если внешнее вмешательство выведет их из состояния равновесия?
В течение полутора десятков лет перед нами стоят эти вопросы. Маловероятно, что в ходе размышлений мы получим ответ на эти вопросы одним махом, внезапно представив всю картину. Скорее всего, пройдёт более века, прежде чем мы познаем структуру атомов так же основательно, как мы знаем нашу Солнечную систему. Путь к этой цели, как это было и ранее, будет проходить через сложности и сюрпризы экспериментальных исследований. Многим учёным придётся сделать свой вклад в решение этой великой проблемы; им придётся следить за всеми явлениями, в которых явно выражается структура атома, и проводить соответствующие измерения.
Помня об этом, лет двадцать назад я поставил перед собой конкретную задачу — экспериментально исследовать связь, существующую между изменением в структуре и изменением в спектре химических атомов. Прежде всего, здесь можно задаться двумя вопросами.
Первый вопрос связан с явлением изменения в структуре поверхности атома. Для того чтобы ясно представить себе все возможности, которые могут существовать в этом отношении, мы начнём с одного атома, все части которого находятся во взаимном равновесии. Из опыта нам известно, что, когда электрический луч сталкивается с поверхностью атома, от него может отделиться электрон, а при некоторых обстоятельствах — второй и даже третий. Тогда вместо нейтрального атома мы получаем одно-, двух- или трёхвалентный ион соответствующего атома. Мы спрашиваем себя: каковы те два спектра, которые принадлежат двум структурам атома — нейтральным атомам и положительным ионам атома? Этот вопрос может быть также дополнен ещё одним: испускается ли характерный спектр, если положительный ион атома меняется на нейтральный атом?
На эти вопросы я дал совершенно определённые ответы, сначала после предварительного исследования известных мне всех предыдущих исследований в форме рабочих гипотез, чтобы получить возможность придумать специальный ряд опытов для их проверки.
Ответ на первый вопрос был таким: спектральные серии химических элементов принадлежат исключительно положительным ионам и наблюдаются, главным образом, в дугах и искрах, а их линии, как это лучше всего показал Ридберг, можно объединить в группы, причём линии, составляющие каждую группу, являются функциями целых чисел.
Вторая гипотеза была такова: в процессе захвата отрицательных электронов положительными ионами атомов химических элементов излучаются их тонкоструктурные полосатые спектры в виде потенциальной энергии связи множества различных орбит, испускаемой порциями, кратными квантовой постоянной Планка.
Двум этим рабочим гипотезам были уготованы совершенно разные судьбы. Вскоре после того как я постулировал вторую гипотезу, я понял, что она ошибочна, и не стал проверять её на опыте. Однако в теоретическом плане оказалось чрезвычайно плодотворным ядро этой гипотезы, т. е. допущение о том, что энергия испускается согласно квантовому закону Планка благодаря изменению электроном своих орбит относительно положительного заряда. Это допущение образует отправную точку теории Бора излучения серий линий. Несмотря на то, что я сам стоял на пороге этой теории и несмотря на то, что окончательные формулы дают ряд соотношений для частот спектральных серий, которые полностью согласуются с наблюдаемыми фактами, я всё же не могу в неё поверить, потому что в своих предсказаниях она выдвигает некоторые гипотезы, противоречащие не только теории Максвелла, но и слитому духу физики. Эта критика относится не ко кванту действия Планка, а к связанным с ним гипотезам Бора.
Но вернёмся и гипотезе о том, что положительные ионы отвечают за спектральные серии. Вскоре после формулировки этой гипотезы мне удалось получить от неё экспериментальные плоды благодаря следующему умозаключению.
Пропуская положительные ионы через электрическое поле и сообщая тем самым им некоторую скорость, их можно отделить от нейтральных неподвижных атомов. Если из испускаемых ими спектральных линий можно вывести их скорость, то этот вывод требует приписать смещённые спектральные линии движущимся ионам как их источникам. Движение источников спектральных линий можно вывести на основе принципа Доплера.
Во-первых, мы можем поместить пучок лучей движущихся положительных ионов в плоскость, перпендикулярную оси, в направлении которой мы наблюдаем испущенные ими спектральные линии. Тогда они появляются только в тех местах спектра, где обычно находятся, когда их источники неподвижны. Во-вторых, мы можем сделать так, чтобы пучок положительных ионов приближался к нам вдоль оси наблюдения, тогда их спектральные линии будут казаться нам смещёнными из своего нормального положения в спектре в сторону более коротких волн на величину, пропорциональную скорости движения испускающей их системы. И, в-третьих, если мы заставим ионы удаляться от нас вдоль оси наблюдения, то их спектральные линии будут казаться нам смещенными из своего нормального положения в противоположную сторону.
В 1905 году я попытался экспериментально доказать только что описанное явление. Состояние исследования на тот момент означало, что в качестве положительных ионов следует взять каналовые лучи, которые приближаются к катоду тлеющего разряда и появляются на другой его стороне через отверстия в нём Я направил ось коллиматора своего спектрографа сначала перпендикулярно оси пучка каналовых лучей водорода, а во второй раз — параллельно этой оси. При сравнении двух спектрограмм, полученных таким образом, в линиях водородной серии появился предвиденный эффект Допплера, а впоследствии тот же результат был получен в линиях серий многих других химических элементов.
Таким образом, в начале 1906 года казались установленным фактом то, что источниками спектральных серий химических элементов являются их положительные ионы. Такая интерпретация моего наблюдения вскоре действительно подверглась сомнению. Дело в том, что, как показали, в частности, В. Вин н Дж. Дж. Томсон, каналовые лучи помимо лучей положительных ионов обычно содержат также нейтральные лучи, так что совершенно невозможно точно определить, первым или вторым лучам следует приписать эффект Допплера в спектральных линиях. Однако позднее были выявлены случаи, когда каналовые лучи, состоящие исключительно из положительных ионов, проявляли эффект Допплера в испущенных ими спектральных линиях. Несмотря на то, что даже сегодня я по-прежнему считаю положительные ионы химического элемента источниками его спектральных серий, я уже не думаю, что эта концепция так ограничена, кал я полагал ранее, когда рассматривал только свободные положительные ионы, которые благодаря своему положительному заряду ускоряются электрическим полем. Сейчас я, скорее, думаю, что серии линий серии также могут испускаться из положительного иона, который не является свободным и к которому уже начал присоединяться отрицательный электрон; только электрон, должно быть, ещё не успел приблизиться к иону настолько, что эмиссия из последнего уже стала бы чувствительной к электрическому полю этого электрона и была бы разрушена его действием.
В этой связи можно упомянуть ультрафиолетовый непрерывный спектр водорода. Я ожидал, что непрерывный спектр будет испускаться, когда в ходе присоединения отрицательного электрона к положительному иону водорода его вторжение зайдёт так далеко, что эмиссия линий серии заметно нарушится. Именно поэтому я искал — и нашёл – непрерывный спектр в каналовых лучах водорода.
Со времени открытия эффекта Допплера на каналовых лучах с этим явлением было проделано множество экспериментов. Из них можно вывести следующие основные результаты.
Источниками спектральных серий, без исключений, являются отдельные атомы, а не соединения атомов. Спектры ионов более высокой валентности отличаются от спектров ионов этого же элемента, но более низкой валентности.
Полосатые спектры — например, спектры водорода и азота, – как правило, не проявляют эффект Доплера на каналовых лучах. Поскольку я, с одной стороны, ожидал, что их источниками являются положительные молекулярные ионы, состоящие из более чем одного атома и поскольку, с другой стороны, положительные молекулярные ионы также являются каналовыми лучами при низком давлении, я объяснил отсутствие эффекта Доплера в полосатых спектрах тем, что, когда при столкновении происходит возбуждение, вследствие которого испускается свет, молекулярные ионы, состоящие из более чем одного атома, после короткого периода существования диссоциируют. Эта идея также говорит о том, что в полосатых спектрах эффект Доплера на каналовых лучах возможен при маленьких скоростях и низком давлении. И, действительно, недавно мистеру Рау из Вюрцбургского физического института удалось доказать это для полос отрицательного азота. Более того, все его наблюдения привели к выводу о том, что источниками этих полос являются положительные двухатомные ионы молекулы азота.
Объявление об этом новом шаге вперёд обязывает нас признать, что исследовательская работа по эффекту Допплера на каналовых лучах ни в коем случае не завершена, и вопрос о том, что является источником спектров химических элементов, ещё не получил окончательного ответа.
Если физик-экспериментатор уже проделал в этой области огромную работу, то физик-теоретик ещё едва только начал оценивать экспериментальный материал, который может привести его к каким-то выводам относительно структуры атома. Однако мы уже установили, что превращение структуры нейтрального атома в структуру иона включает фундаментальные изменения колебаний электрических квантов, остающихся в этой структуре. Но вопрос о том, какие из этого можно сделать выводы относительно структуры нейтрального атома и иона, остаётся без ответа.
Удаление электрона с поверхности атома, — то есть ионизация атома, — является фундаментальным структурным изменением его поверхностного слоя. С самого начала следовало ожидать, что это будет сопровождаться не менее фундаментальным изменением в спектре поверхностного слоя. Однако в случае структурного изменения второго рода, которое я сделал предметом своего экспериментального исследования, дела обстоят иначе.
Мы всегда должны твердо помнить, что химический индивидуальной, замкнутой структурой, состоящей из положительных и отрицательных электрических квантов. Внешнее электрическое поле, в которое попадают и через которое проходят кванты, влияет как на положительные, так н на отрицательные кванты атома, направляя их в противоположные стороны. Это смещение скоро прекращается под действием противоположно направленных сил, которые оно создаёт в квантах, смещённых друг относительно друга, оно всё же происходит и вызывает деформацию — изменение структуры атома по сравнению с его состоянием в отсутствии внешнего электрического поля. Соответственно, возникает вопрос: проявляется ли это изменение структуры атома, эта деформация электрическим полем, в изменении спектра атома. Другими словами, встает вопрос влияния электрического поля на спектральные линии.
В то время, когда я заинтересовался этим вопросом, Фойгт уже создал теорию электрического аналога эффекта Зеемана и разработал его математическую формулировку. Результат этой теории был обескураживающим, так как он предполагал, что изменение частоты колебания, или длины волны, спектральных линий под действием электрического поля настолько мало, что измерить его будет невозможно. Судя по всему, этот вывод подтверждался абсолютной безрезультатностью многолетних исследований, связанных с попытками обнаружить этот эффект.
Однако я не видел возможности согласиться с предпосылкой данной теории, а именно: допущением того, что эмиссия спектральной линии со стороны атома является делом лишь одного электрона, независимо движущегося в атоме. На мой взгляд, структура всего атома является целостной, а все его части связаны между собой, так что эмиссия спектральной линии представлялась мне результатом связи и взаимодействия нескольких электрических квантов. Соответственно, я ожидал, что вследствие изменения структуры атома под влиянием внешнего электрического поля в спектре этой структуры также появится какое-то изменение. Тогда я попытался решить эту проблему, создав в светящемся газе сильное электрическое поле. Я достиг этого, пропуская каналовые лучи через отверстие в катоде, за которым они попадали в сильное электрическое поле, существующее между катодом и вторым дополнительным электродом, расположенным напротив него.
Моя самая первая спектрограмма каналовых лучей в водороде и гелии выявила влияние электрического ноля на некоторые спектральные линии и подсказала, что во вновь открытой области существует множество неизвестных явлений. Более того, это открытие ещё раз показало, насколько более богаты и оригинальны творения природы в сравнении с идеями человека. Для случая, когда ось наблюдения излучения перпендикулярна направлению электрического поля, теория постулировала, что под влиянием этого поля каждая отдельная спектральная линия будет расщепляться на две компоненты, каждая из которых будет смещённой от положения нормальной линии в сторону более длинных волн, причём одна из этих компонент будет совершать колебания параллельно электрическому полю, а другая – перпендикулярно. Насколько же иной оказалась реальность! Например, красная линия водорода расщепляется симметрично нормальной линии на девять компонент, электрические колебания шести из которых параллельны, а трёх других – перпендикулярны внешнему полю.
Со времени открытия влияния электрического поля на спектральные линии, которое произошло в 1913 году, по этому эффекту было проделано множество экспериментов. Наиболее распространённый и наиболее важный результат этих экспериментов заключается в том, что природа и сила влияния поля на соответствующие серии различных элементов главным образом выражают особенность их атомной структуры или, по крайней мере, структуры их поверхности. Таким образом, влияние поля на серию водорода, на серию одно- и двухвалентных положительных ионов атомов гелия, на серию лития, ртути и алюминия характерным образом отличается друг от друга.
Следующие результаты могут быть интересны во всех подробностях.
Вдоль серии линий, идущих от более длинных волн к более коротким, влияние электрического поля возрастает по мере увеличения номера серии, то есть по мере уменьшения длины волны.
Доля интенсивности различных серий, входящих в одну систему, в случае нескольких элементов зависит от силы деформирующего электрического поля. Так, под его влиянием могут стать видимыми новые серии, которые без электрического поля обладают столь малой интенсивностью, что наблюдать их невозможно.
Уширение и смещение спектральных линий, сопровождающие увеличение давления газа или плотности ионов, берёт начало во влиянии электрического поля отдельных атомов на соседние, испускающие свет атомы. Именно с этим связана многообещающая идея Габера о возможности выяснить происхождение гетерогенного катализа на твёрдых поверхностях, начиная с деформации молекулярной структуры под воздействием молекулярного электрического поля. Возможно, такие электрические поля удастся точно исследовать с помощью спектрального анализа.
Но оставим эти подробности и вернёмся к проблеме структуры атома. Мы должны спросить себя, можно ли из влияния электрического поля на линии серий элементов сделать вывод о структуре атома или, по крайней мере, о процессе эмиссии этих линий. Бор и Эпштейн разработали теорию рассматриваемого эффекта, которая предсказывает количество компонент н промежутки между ними в электрических полях, причём эти данные удивительно точно соответствуют наблюдениям, по крайней мере, в случае серии одновалентного иона атома водорода и двухвалентного иона атома гелия — или, даже скорее, в случае присоединения к этим ионам электрона. Это соответствие является веским аргументом в пользу теории Бора об эмиссии спектральных линий, а также в пользу его предположения, впервые высказанного Резерфордом, о структуре атомов водорода и гелия.
Несмотря на то, что я высоко ценю это теоретическое достижение, я все же не могу принять его как окончательное. Дело даже не в том, что я не могу поверить в некоторые его предпосылки, просто оно не вполне соответствует нашему опыту. Оно не способно объяснить следующее наблюдение, которое мне представляется очень важным для исследования структуры атома.
Пучок светящихся водородных каналовых лучей из-за своей скорости имеет то же направление, что и электрическое поле, в котором его можно заставить двигаться. Если ось пучка расположить перпендикулярно оси поля, то интенсивности компонент каждой отдельной линии, которая расщепляется, симметричны относительно нормальной линии, как и промежутки, на которых они располагаются относительно неё, смещаясь в правую и левую сторону. С другой стороны, если направление лучей совпадает с направлением поля, то интенсивность тех компонент, которые находятся ближе к длинным волнам, возрастает.
Если же каналовые лучи движутся в направлении, противоположном направлению поля, то всё происходит наоборот: компоненты, которые оказываются ближе к коротким волнам, обладают большей интенсивностью. Вследствие этого может показаться, будто атом водорода, или его ион, в электрическом поле обладает полярностью вдоль оси этого поля, т.е. в этой оси можно выделить две стороны. Это явление настолько же замечательно, насколько оно важно. Мы вполне обоснованно можем ожидать, что, исходя из его теоретических следствий, нам удастся сделать вывод о структуре атома водорода. Этот вывод имеет все шансы на успех, если мы будем учитывать не только влияние на отдельный электрон на поверхности атома, как это было прежде, а примем в качестве отправной точки своих выводов, сделанных на основе наблюдений, связь между частями атома, которые составляют индивидуальную структуру.
Это замечание возвращает нас к проблеме структуры атома. Лишь оглянувшись на то, что мы уже сделали, мы тут же поймём необъятность этой проблемы. Исследования изменений спектра химических атомов в результате изменений их структуры раскрыли целый ряд новых явлений. Удаление электрона из поверхности атома — или его повторное присоединение — приводит к фундаментальным изменениям в спектре составляющих атома, способных совершать колебания; и деформация атомной структуры электрическим полем тоже выражается различными видами воздействия на колебание этих составляющих атома. Но даже несмотря на то, что эти новые явления уже принесли столь богатые экспериментальные плоды, даже несмотря на то, что теории, которые начинают возводиться на их основе, выглядят столь многообещающими, они всё же почти не начали прояснять огромную проблему, разве что пролили свет на небольшую часть экспериментальной работы, тогда как для теории они не сделали даже этого. Исследование этих явлений может сделать лишь небольшой вклад в решение грандиозной проблемы структуры атома. Чтобы получить это решение, потребуется работа многих поколений. Наш переход от умозрительной гипотезы атома, сформированной греками, к открытию электрической природы его структуры через германские исследования, проведённые в последнее столетие, должен стать вдохновением и уроком для будущего века.
Йоханнес Штарк родился 15 апреля 1874 года в Шиккенхофе (Бавария) в семье землевладельца. Образование мальчик получил в Байрейтской гимназии (средняя школа), а затем в Регенсбурге, после чего в 1894 году поступил в Мюнхенский университет, чтобы заниматься физикой, математикой, химией и кристаллографией. В 1897 году Штарк закончил университет, защитив докторскую диссертацию по электрохроническим кольцам Ньютона в мутной среде определённого типа. С 1897 по 1900 год он работал ассистентом фон Ломмеля в Физическом институте Мюнхенского университета, а затем стал бесплатно читать лекции по физике в Гёттингенском университете. В 1906 году его назначили внештатным профессором в Высшей технической школе в Ганновере, а в 1909 он согласился стать профессором в Высшей технической школе в Аахене. В 1917 году Штарка пригласили на подобную должность в университет Грейфсвальда. Три года спустя он перешёл в Физический институт Вюрцбургского университета, где оставался до 1922 года.
Научная деятельность Штарка охватывает три крупные области: электрические токи в газах, спектроскопический анализ и химическая валентность. Его работа по спектроскопии заключалась в исследовании связи между изменением структуры и спектра химических атомов В 1919 году Штарк получил Нобелевскую премию по физике “за открытие эффекта Допплера на каналовых лучах и эффекта расщепления спектральных линий в электрическом поле”. Эта премия дала ему возможность создать свою собственную частную лабораторию.
В 1933 году Штарка избрали президентом Physikalisch-Technische Reichsanstalt (Физико-технический институт); на этой должности он сменил фон Пашена и оставался до ухода на пенсию в 1937 году. В то же время он занимал пост президента Deutsche Forschungsgemeinschait (Германская ассоциация исследователей).
Штарк был плодовитым писателем и опубликовал более трёхсот научных работ. В 1902 году была издана его книга Die Elektrizität in Gasen (Электричество в газах). За этой книгой последовали работы по элементарному излучению и электрическому спектроскопическому анализу химических атомов. В связи со своей работой по химической валентности он написал книгу Die Elektrizität im chemischen Atom (Электричество в химическом атоме). Штарк основал Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik (Ежегодник радиоактивности и электроники) и с 1904 по 1913 г. был его редактором.
Йоханнес Штарк был членом-корреспондентом академий наук Гёттингена, Рима, Лейдена, Вены и Калькутты; в 1910 году ему присудили премию Баумгартнера Венской академии наук, а в 1914 году — премию Вальбруха Гёттингенской академии наук. Он также был награждён медалью Маттеучи Римской академии наук.
В последние годы жизни Штарк исследовал эффект отклонения света в неоднородном электрическом поле. Эти исследования он проводил в частной лаборатории у себя в поместье Эппенштатт, недалеко от Траунштейна в Верхней Баварии.
Штарк был женат на Луизе Юплер. У них было пятеро детей. Ему нравилось заниматься лесоводством и выращивать плодовые деревья.
Штарк умер 21 июня 1957 года.
Дата установки: 08.06.2010
[
