Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв

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).

Теперь все встало на свои места: с учетом спина электрона уровень 35 в атоме натрия останется без изменения, так как соответствует моменту / = 0, но уровень Зр с моментом /=1 расщепится на два: 3pi/2 и Зрз/2, энергии которых немного различны. (Значения / = /-|-5 и j = 1— 5 условились писать справа внизу у символа терма, поэтому 3pi/2 соответствует полному моменту / = 1/2, а Зрз/2 — моменту / = 3/2.) В соответствии с этим вместо одной D-линии натрия мы увидим две тесно расположенные спектральные линии, причем линия Di соответствует переходу 3pi/2 З51/2, а линия D2 —

переходу Зр3/2 -> 35i/2.

В магнитном поле каждый из уровней с полным моментом /, как и в случае момента /, расщепляется еще на 2/+ 1 компонент, которые различаются значениями магнитного квантового числа т. Таким образом, каждый из уровней 3pi/2

и 3$i/2 расщепится еще на 2 подуровня, а уровень Зрз/2 — на 4. В результате возникает та схема уровней и переходов между ними, которая изображена на рисунке.

Из рисунка видно, как постепенно усложнялась первоначальная модель Бора, в которой существовал только один уровень сп=3. Когда приняли во внимание теорию относительности, он расщепился на два: 3р(п=3, /=1) и 3s (п = 3, 1 = 0). С учетом спина электрона уровень Зр расщепляется еще на 2 подуровня: 3pi/2 (п = 3, / = 1, / = 1/2) и Зрз/2 (п = 3, /= 1, j = 3/2). И, наконец, в магнитном поле мы получим систему уровней и переходов между ними, которая объясняет картину спектральных линий, наблюдаемую на опыте.

Гипотеза о спине электрона — одна из самых глубоких в физике, и вполне осмыслить ее значение не удалось до сих пор. Паули был, конечно, прав, предостерегая от прямолинейных попыток представлять электрон как вращающийся волчок. И дело даже не в том, что в этом случае скорость вращения на «экваторе» электрона должна превышать скорость света. (На это обстоятельство сразу же обратил внимание Лоренц, когда ему принесли на отзыв рукопись статьи Уленбека и Гаудсмита.) Дело в том, что влияние спина на физические процессы в атоме и на его строение проявляются иногда самым неожиданным образом. Одна из таких особенностей спина составляет содержание знаменитого принципа запрета Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами п, I, m, s. В дальнейшем мы увидим, что только этот принцип позволил найти рациональную основу периодической системы элементов Менделеева и объяснить суть периодического закона.

Даже по стилю изложения вы, наверное, сейчас заметили, насколько формальная модель атома беднее образами по сравнению с первоначальной моделью Бора, насколько труднее рассказать о ней привычными словами и