| Bohr: na skrzydłach motyla |
|
|
| Bohr: na skrzydłach motyla
|
|
|
| wego odkrycia Rutherford dokonał już po kilku innych eksperymentach, których wyniki wyraźnie przeczyły fizyce klasycznej; był to zatem dla niej ostatni gwóźdź do trumny. W nieustającym współzawodnictwie między doświadczeniem a teorią byłaby to odpowiednia dla eksperymentatorów chwila, by rzec: „Co jeszcze mamy wam, teoretykom, udowodnić, zanim wreszcie pojmiecie, że potrzeba czegoś nowego?” Wydaje się, że Rutherford nie zdawał sobie sprawy, jak wielkich zniszczeń miał dokonać w fizyce klasycznej jego nowy atom.
|
| I wtedy pojawił się Niels Bohr, który miał przy Rutherfordzie odegrać tę samą rolę, jaką Maxwell pełnił przy Faradayu, a Kepler – przy Brahem. W Anglii Bohr trafił najpierw na Uniwersytet w Cambridge, gdzie współpracował z wielkim J. J. Thomsonem. Niestety, dwudziestopięciolatek wciąż irytował mistrza, wytykając mu błędy w jego książce. Jesienią 1911 roku, gdy studiował w Laboratorium im. Cavendisha jako stypendysta wytwórni Carlsberg Beer, Bohr usłyszał wykład Rutherforda poświęcony nowemu modelowi atomu. W swej pracy doktorskiej Bohr podjął temat „swobodnych” elektronów w metalach i zdawał sobie sprawę, że nie wszystko jest w porządku z fizyką klasyczną. Wiedział oczywiście o Plancku i o bardziej dramatycznym odstępstwie od klasycznej ortodoksji popełnionym przez Einsteina. Innym faktem wskazującym na kwantową naturę atomu były linie widmowe emitowane przez niektóre pierwiastki, gdy je podgrzewano. Wykład Rutherforda zrobił na Bohrze tak wielkie wrażenie, że w roku 1912 zorganizował sobie czteromiesięczny staż w Manchesterze.
|
| Bohr dostrzegł prawdziwe znaczenie nowego modelu. Zdawał sobie sprawę, że aby pozostawać w zgodzie z równaniami Maxwella, elektrony poruszające się po kołowych orbitach musiałyby wypromieniowywać energię tak samo, jak elektrony drgające w antenie. Zgodnie z prawem zachowania energii orbita musiałaby się wówczas zmniejszać. Elektron w mgnieniu oka skończyłby swą podróż po spiralnym torze i wylądowałby na jądrze. Gdyby wszystkie te warunki były spełnione, mielibyśmy niestabilną materię. Planetarny model prowadził do klasycznej katastrofy, a przecież nie było żadnej alternatywy.
|
| Bohr nie miał wyboru, musiał spróbować czegoś zupełnie nowego. Najprostszy jest atom wodoru. Bohr zabrał się więc do studiowania wszystkich dostępnych danych – na przykład jak wodór spowalnia cząstki a – i stwierdził, że atom wodoru zawiera jeden elektron krążący po orbicie wokół dodatnio naładowanego jądra. Jeszcze inne niespodziewane własności pomogły mu zdecydować się na zerwanie z klasyczną teorią. Zauważył na przykład, że w fizyce klasycznej nie ma żadnych reguł determinujących wielkość promienia, po jakim elektron miałby się poruszać wokół jądra wodoru. W gruncie rzeczy Układ Słoneczny stanowi dobry przykład na to, że dozwolone są dowolne orbity planetarne. Zgodnie z prawami Newtona można sobie wyobrazić zupełnie dowolną orbitę, trzeba tylko ją odpowiednio „zapoczątkować”. Promień orbity jednoznacznie określa prędkość ruchu planety i okres obiegu wokół Słońca (rok). Ale wszystkie atomy wodoru są, jak się zdaje, identyczne. Atomy nie wykazują różnorodności obserwowanej w Układzie Słonecznym. Bohr sformułował sensowne, choć absolutnie antyklasyczne twierdzenie, że w atomie dozwolone są tylko niektóre orbity. Postawił także tezę mówiącą, że elektron na tych szczególnych orbitach nie emituje energii. Biorąc pod uwagę historyczny kontekst, była to niewiarygodnie bezczelna hipoteza. Maxwell obracał się w grobie, ale Bohr tylko próbował jakoś zrozumieć fakty. Jeden istotny fakt dotyczył linii widmowych odkrytych przez Kirchhoffa parędziesiąt lat wcześniej. Rozżarzony wodór, tak jak i inne pierwiastki, emituje charakterystyczną serię linii widmowych. Bohr zrozumiał, że aby je otrzymać, musi pozwolić atomowi na swobodę wyboru między kilkoma rozmaitymi orbitami, odpowiadającymi różnym poziomom energetycznym. Przydzielił więc jedynemu elektronowi atomu wodoru zbiór dozwolonych promieni reprezentujących coraz wyższe stany energetyczne. Próbując wyjaśnić linie widmowe, zaproponował (ni stąd, ni zowąd), że do wypromieniowania energii dochodzi wtedy, gdy elektron „przeskakuje” z jednego poziomu energetycznego na drugi, niższy, przy czym energia wypromieniowanego fotonu równa jest różnicy energii tych dwóch poziomów. Potem zaproponował zupełnie skandaliczną regułę, która miałaby określać te specjalne promienie orbit związane z poszczególnymi poziomami energetycznymi. Dozwolone są te orbity, powiedział, na których moment pędu – dobrze znana wielkość, mierząca orbitalny pęd elektronu – mierzony w nowych, kwantowych jednostkach przyjmuje wartość wyrażającą się liczbą całkowitą. Kwantowa jednostka Bohra nie była niczym innym jak tylko stałą Plancka h. Bohr powiedział później, że „to było nieuniknione, aby spróbować wykorzystać już istniejące pojęcia kwantowe”.
|
| Co też ten Bohr robi po nocach w swoim pokoju na poddaszu z plikiem czystych kartek, ołówkiem, scyzorykiem, suwakiem logarytmicznym i paroma książkami? Poszukuje praw przyrody, zasad, które będą zgodne z faktami wymienionymi w książkach leżących na jego biurku. Jakim prawem wymyśla reguły rządzące zachowaniem niewidzialnych elektronów, które krążą wokół jąder (też niewidzialnych) atomów wodoru? Powodzenie w wyjaśnianiu danych doświadczalnych stanowiło ostateczne usprawiedliwienie dla jego poczynań. Bohr zaczyna od najprostszego atomu, wodoru. Zdaje sobie sprawę, że formowane przez niego reguły muszą mieć swe źródło w jakiejś głębszej zasadzie, ale zaczyna od reguł. Tak pracują teoretycy. Bohr w Manchesterze, by zacytować Einsteina, próbował poznać umysł Boga.
|
| Bohr wkrótce powrócił do Kopenhagi, by pozwolić swej zarysowującej się teorii wykiełkować i okrzepnąć. Wreszcie w trzech artykułach opublikowanych w kwietniu, czerwcu i sierpniu 1913 roku (wielka trylogia) przedstawił światu swą kwantową teorię atomu wodoru: mieszaninę praw klasycznych i zupełnie arbitralnych twierdzeń, zestawionych najwyraźniej w ten sposób, by pozwalały otrzymywać poprawne wyniki. Manipulował swym modelem atomu tak, by wyjaśnić znany układ linii widmowych. Tabele zawierające te linie, serie liczb, zostały pracowicie zestawione przez następców Kirchhoffa i Bunsena, sprawdzone i potwierdzone w Sztrasburgu, Getyndze, Londynie oraz Mediolanie. Jakie liczby? Oto parę przykładowych dla atomu wodoru: l1 = 4100,4, l2 = 4339,0, l3 = 4858,5, l4 = 6560,6. (Żałujesz, że pytałeś? Nie martw się, nie ma potrzeby ich zapamiętywać).
|
| Skąd się biorą te widmowe drgania? I dlaczego właśnie te, niezależnie od tego, ile energii dostarczono atomowi wodoru? Co dziwne, Bohr później minimalizował znaczenie linii widmowych: „Wydawało się, że widma są cudowne, ale nie można było dzięki nim pójść naprzód. To tak, jakby ktoś miał skrzydło motyla. Oczywiście, jest ono bardzo piękne ze swymi regularnymi wzorami, ale nikomu przecież nie przyjdzie do głowy przypuszczać, że można określać zasady biologii na podstawie ubarwienia skrzydła motyla”. A jednak okazało się, że linie widma atomu wodoru – to motyle skrzydło – dostarczyły istotnej wskazówki.
|
| Teoria Bohra została skonstruowana tak, by pozwalała otrzymywać liczby zgodne z danymi eksperymentalnymi. Podstawowym elementem analiz Bohra było nadrzędne pojęcie energii, zdefiniowane już za czasów Newtona, a potem jeszcze dopracowane i rozszerzone. Wykształcona osoba koniecznie musi mieć pojęcie o energii. Poświęćmy więc jej dwie minuty.
|
|
