ФОРМАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА
Популяризация, как и всякий жанр, имеет свои границы. Как правило, они определяются тем, что с некоторого момента для объяснения научных фактов становится невозможным использовать понятия и образы повседневной жизни. Для того чтобы эту границу преодолеть, нужно перейти на язык формальных понятий науки, для начала хотя бы примитивный. При всех попытках уйти от этого шага неизбежны потери информации и искажение ее смысла, а самая суть науки остается скрытой. Наоборот, преодолев минимальные затруднения, вы можете почувствовать силу логических построений науки и оценить красоту их следствий. Как правило, эти технические затруднения ничуть не больше тех, с которыми сталкивается любой школьник при изучении химии: довольно быстро он убеждается в том, что проще (а главное —понятнее) написать формулу Н2О, чем каждый раз говорить: «молекула, которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода».
Нечто похожее на химические формулы принято и в теории спектров, где главное квантовое число п обозначают цифрами: п = 1, 2, 3, ..., а орбитальный момент / — буквами, причем ряду чисел / = О, 1, 2, 3, ... поставлен в соответствие ряд букв I = s, p, d, f, ... Поэтому уровень с квантовыми числами п = 3, I = 0 обозначают 3s, а уровень с п = 3, 1=1 обозначают Зр.
В невозбужденном атоме натрия электрон находится в состоянии 3s. А темная D-линия возникает в том случае, если при возбуждении атома электрон переходит в состояние Зр. При обратном переходе 3p->3s он излучает энергию и возникает ярко-желтая D-линия.
А что произойдет, если излучающий натрий поместить в магнитное поле? Вначале, следуя Зоммерфельду, предполагали, что при этом верхний уровень Зр должен расщепиться на 3 компоненты 2/ + 1 = 2-1 + 1 =3, а нижний останется без изменения. В итоге каждая из D\ и D2^hhhA должна расщепиться на 3 компоненты.
Опыт противоречит такому заключению: в действительности Di-линия расщепляется на 4 компоненты, a D2^hhhh — на 6. Это явление — частный случай так называемого аномального эффекта Зеемана. Чтобы понять его причину, необходимо немного возвратиться назад и уяснить себе вопрос, которого мы раньше сознательно избегали: почему даже без магнитного поля D-линия натрия состоит из двух тесно расположенных компонент D\ и D2?
Мучительно размышляя над этим вопросом, ученик Зом-мерфельда Вольфганг Паули (1900—1958) пришел в 1924 г. к открытию спина электрона. Он рассуждал примерно так: обе Di- и D2- линии соответствуют одному и тому же переходу с уровня п = 3, I = 1 на уровень п = 3, I = 0. Но их все-таки две! Значит, существует не один, а два верхних уровня Зр и еще какое-то дополнительное квантовое число, их различающее. Свойство, которому соответствует это четвертое квантовое число s, он назвал «неклассической двузначностью электрона» и предположил, что оно может принимать только два значения: +1/2 и —1/2. Паули считал, что наглядное представление этого свойства невозможно.
Но уже в следующем году Джордж Юджин Уленбек (р. 1900 г.) и Сэмюэл Абрахам Гаудсмит (1902—1978) придумали наглядную модель для объяснения этого свойства электрона, предположив, что он вращается вокруг своей оси. Такая модель прямо следовала из аналогии между атомом и Солнечной системой: ведь Земля вращается не только по эллипсу вокруг Солнца, но еще и вокруг своей оси (эту аналогию отмечал Комптон уже в 1921 г., но Паули резко против нее восстал).
Уленбек и Гаудсмит утверждали: кроме орбитального момента I электрону присущ внутренний момент враще-
+ 1/2
| I |
|---|
|
ния, или спин s (от англ, spin — веретено), равный по величине s=l/2. Складываясь с орбитальным моментом /, этот внутренний момент 5 может его увеличить или уменьшить. В результате возникает полный момент j, равный либо /1 = = /—1/2, либо j2 = /+l/2 — в зависимости от взаимной ориентации векторов I и 5. Если / = 0, то полный момент и спин совпадают (/=5 = 1/2).