Пока дело касалось модели простого атома водорода, теория Бора действовала безотказно. Введение квантовых идей Планка в теорию строения атома позволило Бору объяснить образование молекул химических соединений и в дальнейшем рассмотреть с атомных позиций структуру всей периодической системы элементов.
В лекции, прочитанной им по случаю получения Нобелевской премии в 1922 году, он говорил: «Известно, что элементы в соответствии с их обычными физическими и химическими свойствами могут быть расположены в виде естественной системы, которая наиболее полно раскрывает своеобразную взаимосвязь между различными элементами. Менделеев и Лотар Мейер впервые показали, что при расположении атомов в некотором порядке, практически совпадающем с порядком их атомных весов, их химические и физические свойства обнаруживают ярко выраженную периодичность».
Казалось бы, чего больше? А все-таки полного триумфа не получалось. И дело было не в том, что многие из физиков не могли простить Бору попытку ниспровергнуть господство привычной классической теории. Модель Бора только наполовину была квантовой. Второй своей половиной она оставалась верной классической механике. Может быть, причина несовершенства заключалась в общем правиле, гласящем, что ни один гибрид, собранный из несовместимых элементов, не жизнеспособен?
Сам Бор тоже чувствовал несовершенство своей теории. Он никак не мог четко объяснить, почему эта смесь из классической электродинамики и гипотезы квантов дала результаты, так хорошо совпадающие с опытными данными. И должно было пройти более десяти лет, прежде чем дальнейшее развитие квантовой механики сумело окончательно объяснить полученные им результаты.
В 1914 году исследователи обнаружили, что красные, синие и фиолетовые линии спектра водорода являются двойными. Это открытие явилось неожиданностью даже для Бора. Уж казалось, что водородный-то атом, состоящий из одного протона и одного электрона, полностью подчинился новой теории. Ан, нет! Но если модель его, созданная Резерфордом и Бором, правильна, то при любых переходах единственного электрона с орбиты на орбиту в спектроскопе должна появляться только одна цветная линия. Откуда же бралась другая? Похоже было, что пришло время Бору снова садиться за расчеты.
А. Зоммерфельд — выдающийся теоретик периода становления науки об атоме
Однако даже в мире, занятом войной, не одного создателя новой атомной теории волновали ее теоретические проблемы. Осенью 1916 года, когда Бору уже казалось, что он нашел объяснение расщепления спектральных линий, почтальон доставил ему пакет с оттисками статей из немецких журналов. Среди них была работа и письмо Зоммерфельда. Мюнхенский теоретик не возражал против утверждения Бора, что ближайшая к ядру орбита вращающегося электрона является круговой. Но он предлагал дополнить вторую боровскую орбиту еще тремя эллиптическими. Все они характеризовались одной и той же энергией, и электрон мог выбрать любую из них, не меняя своего энергетического уровня или состояния. Это предложение снимало недоумение по поводу расщепления спектральных линий. К третьей боровской орбите Зоммерфельд предлагал прибавить восемь эллиптических. Теперь модель атома уже теряла свой простой планетарный характер, представляя собой довольно сложную комбинацию из окружностей и эллипсов, собранных в группы или оболочки.
Эти оболочки, в порядке удаления от ядра, Зоммерфельд обозначил большими буквами латинского алфавита: К, L, М, N, O, Р, Q. Одна оболочка от другой отделялась энергетическими ступеньками, каждой из которых должна была соответствовать своя определенная спектральная линия.
Это была прекрасная мысль. Она была не только высказана, но и подкреплена основательными расчетами. А поскольку в Мюнхенском университете на кафедре физики не было в ту пору хорошего спектроскопа, я уж не говорю о том, что сам Зоммерфельд вряд ли справился бы с таким прибором, — он был профессором математики и прирожденным теоретиком, — Зоммерфельд написал в Тюбинген профессору Ф. Пашену. Он просил того проверить, подтверждаются ли его теоретические расчеты на опыте.
Орбиты Зоммерфельда
Пашен очень тщательно подготовил и провел исследование. Предположения Зоммерфельда подтвердились.
Успех Зоммерфельда вызвал настоящее ликование в рядах физиков. «Уж теперь-то, — убеждали они друг друга, — теория атома наверняка получила свой окончательный и законченный вид. Можно от структуры простейшего атома перейти к более сложным и там попробовать, наконец, объяснить и периодичность элементов с «нормальных» физических позиций атомного строения…». Но не тут-то было. Постепенно ликующие крики раздавались все тише. Теория Бора с дополнениями Зоммерфельда давала неплохие результаты, но по-прежнему только для одноэлектронных систем. Спектры сложных атомов со многими электронами расчетам так и не поддавались. А значит, и описать более сложные, чем водород, атомные структуры эта комбинированная теория, как и раньше, не могла. Обнаружились у нее и другие недостатки. Теория Бора не могла ответить — почему одни спектральные линии ярче других. Ведь это означало, что переходы между одними орбитами происходят с большей вероятностью, чем между другими.
Но самый главный недостаток теории заключался в том, что она оказывалась бессильной объяснить, как отдельные атомы взаимодействуют друг с другом, образуя вещество со всеми присущими ему химическими и физическими свойствами. Здесь предстояло еще немало работы. Но теория Бора была первой брешью, пробитой в стене неведения, которая отгораживала человека от микромира. Она знаменовала собой решительный поворот в научном мышлении и показывала, что для построения полной атомной теории к микроявлениям требуется новый и более общий подход.
Рассказывают, что летом 1922 года Бора пригласили в Геттинген прочесть цикл лекций. Послушать его приехал из Берлина профессор Зоммерфельд и привез с собой двух своих лучших студентов — Вернера Гейзенберга и Вольфганга Паули. На одной из дискуссий, часто возникавших после лекций, Гейзенберг заявил, что в расчетах, которыми пользовался Бор, кроется ошибка. Он вышел к доске и показал ее лектору. Бор пришел в восторг. Он пригласил ретивого студента пойти вместе погулять, чтобы без помех закончить спор. По пути к ним присоединился Паули, который тоже включился в дискуссию.
Бор был так доволен этой беседой, что пригласил обоих молодых людей к себе в Копенгаген в свой институт в качестве сотрудников. Оба приехали. И оба вместе с Бором стали участниками возведения основ квантовой механики.
Рассматривая строение многоэлектронных атомов, Бор предположил, что они имеют многослойный вид, состоят как бы из нескольких оболочек. При этом электроны по оболочкам располагаются вовсе не как попало, а в определенном порядке. Изучая химические и физические свойства различных элементов, Бор пришел к выводу, что на первой оболочке могут находиться не больше, чем два электрона, на второй и третьей — по восемь, на четвертой — восемнадцать и так далее. Он чувствовал, что предположение правильное, но убедительно объяснить его на должном теоретическом уровне не мог. Пришлось вводить его в теорию также в виде постулата.
Но теория, построенная на слишком большом количестве необъяснимых допущений — постулатов, доверием не пользуется. И чем меньше в фундаменте теории допущений, тем ближе она к действительности.
Ученым предстояло во что бы то ни стало найти объяснения постулатам, угаданным Бором, и превратить их из «произвольных» допущений в новые законы природы, законы нового, только что открытого микромира.