В 1922 году в Геттингене Бор читал цикл лекций, посвященный анализу периодического закона Д. И. Менделеева. И снова возник вопрос: почему же не все электроны заполняют самую нижнюю оболочку атома? Ведь там они имели бы наименьшую энергию, а значит, и система атома в таком состоянии была бы наиболее устойчивой.
Помните критерий устойчивости? Он гласит, что положение равновесия любой механической системы устойчиво, если в этом положении потенциальная энергия системы минимальна.
В школе на уроках физики достаточно говорят об энергии взаимодействия тел, будь то планеты или звезды, взаимодействующие друг с другом в поле тяготения, или заряды в электрическом поле. Чем больше запас энергии у электрона, тем дальше от ядра проходит его орбита. Чем меньше энергии, тем ближе орбита к ядру. Почему же электроны располагаются не только на ближней, но и на других орбитах? Бор не смог ответить на этот вопрос. Он чувствовал, что должно было существовать какое-то общее правило заполнения электронных оболочек в атомах, которое не пускало лишних жильцов на нижний этаж, но в чем это правило заключалось?.. Без него электронные оболочки никак не построить, а значит, и не объяснить до конца порядок следования элементов в периодической системе.
В. Паули-младший, замечательный ученый, человек, обладавший железной логикой и мягкой, нежной душой
С этой же трудностью столкнулся два года спустя молодой физик Вольфганг Паули (1900—1958). Коллеги называли его «Паули-младший». Поскольку его отца — профессора Венского университета — тоже звали Вольфгангом.
Паули-младший в 1921 году окончил Мюнхенский университет и целый учебный год проработал в Геттингене преподавателем физики. Любили ли его студенты? Пожалуй, да, хотя и побаивались. Молодой преподаватель был очень увлекающимся человеком, с необычайно острым умом и ясностью мысли. Особенно ярко эти качества проявлялись в спорах. Победить его на дискуссии было практически невозможно. Он полемизировал с «железной» логикой. После года работы в Геттингене Паули уехал в Копенгаген к Бору. А в 1923 году ученый совет Гамбургского университета избрал его приват-доцентом.
По традиции большинства учебных заведений, вступая в новую должность, каждый претендент должен читать оригинальную лекцию по собственному выбору. Эта лекция играет не столько роль экзамена, сколько является заявкой на научные интересы. Имеет она всегда и престижное значение.
Паули выбрал темой своего сообщения периодическую систему элементов. Лекцию прочел, но… остался весьма ею недоволен, потому что, как понимал сам, не смог ни на шаг продвинуться в решении проблемы, сформулированной Бором: вывести правило заполнения электронами оболочек в атомах.
А теперь, прежде чем продолжать рассказ об устойчивости электронных систем, давайте сделаем отступление и поговорим… о фруктах.
Скажите, если бы перед вами положили два яблока, по каким свойствам стали бы вы их различать? Ну, по величине — раз. По запаху — два. По цвету — три. Наконец, по вкусу — главный критерий.
А как различать между собой электроны?.. Эти частицы не увидишь, не взвесишь, не понюхаешь и, уж конечно, не попробуешь. Вообще-то все они одинаковые. Одинаковые по величине и по массе покоя. Все электроны имеют одинаковый электрический заряд. Отличаются они только состоянием, в котором находятся, пребывая в той или иной атомной оболочке. Для характеристики этих состояний физики ввели так называемые квантовые числа. Они определяли собой энергию, орбитальный момент количества движения или импульса, орбитальный магнитный момент и, предложенное Паули, особое внутреннее свойство «двухзначности» электрона, названное позже спином. Все эти характеристики многие из вас знают из школьного курса физики.
Паули пришел к выводу, что в атоме не может существовать двух электронов, характеризующихся одинаковыми квантовыми числами.
Это правило, оказавшееся справедливым для всех атомов, назвали «принципом запрета Паули», и физики получили из него множество следствий. Главное же заключалось в том, что именно принцип запрета Паули дал ключ к окончательному теоретическому объяснению такого наифундаментальнейшего закона природы, каким является периодический закон элементов, выведенный Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Атомная теория Бора — Зоммерфельда, модель атома и принцип Паули позволили построить весьма рациональную теорию распределения электронов по различным оболочкам и прекрасно объясняли химические и спектроскопические свойства элементов.
Но система оставалась по-прежнему устойчивой только у атома водорода. Теория Бора — Зоммерфельда позволяла достаточно точно рассчитывать спектры водорода и подобных ему одноэлектронных атомов. Но уже в расчетах спектральных линий гелия — второго элемента в периодической таблице — она не давала таких же точных результатов. Еще хуже обстояли дела с более сложными атомами.
Главная неприятность заключалась в том, что гипотеза Бора не удовлетворяла основному критерию, который он сам сформулировал и который получил название «принципа соответствия». Он гласил: «теории, справедливость которых установлена для той или иной предметной области, с появлением новых теорий, более общих, не должны устраняться как ложные. Они должны сохранять свое значение для прежней области и входить в новую теорию как частный случай».
Эту идею использовал еще великий русский математик Николай Иванович Лобачевский при создании своей геометрии. Но возвел ее в ранг абсолютно необходимого принципа Нильс Бор.
Впрочем, он сам неоднократно подчеркивал временный характер своей теории, считая ее скорее первоначальным сводом законов, надерганных из классической механики, электродинамики и теории квантов и приспособленных лишь пока к миру атомов. Тем не менее разработанная им теория дала направление дальнейшим поискам, дала основу для развития нового учения об атоме. Очень скоро были разработаны новые теории, основанные на ином подходе к микромиру. И как бы они ни отличались от боровской — все они могли рассматриваться как ее дальнейшее усовершенствование. Но для этого понадобились новые представления, новый взгляд на природу атома, на материю.