Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

букв l = s, р, d, f, ... Поэтому уровень с квантовыми числами n = 3, l = 0 обозначают 3s, а уровень с n = 3, l=1 обозначают 3р.

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 3р. 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 3р должен расщепиться на 3 компоненты 2l + 1 = 2∙1 + 1 =3, а нижний останется без изменения. В итоге каждая из D1 и D2 -линий должна расщепиться на 3 компоненты.

Опыт противоречит такому заключению: в действительности D1-линия расщепляется на 4 компоненты, a D2-линия — 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 D1 и D2?

Мучительно размышляя над этим вопросом, ученик Зоммерфельда Вольфганг Паули (1900—1958) пришел в 1924 г. к открытию спина электрона. Он рассуждал примерно так: обе D1 и D2 - линии соответствуют одному и тому же переходу с уровня n = 3, l = 1 на уровень n = 3, l = 0. Но их все-таки две! Значит, существует не один, а два верхних уровня 3р 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 l электрону присущ внутренний момент враще-

ния, или спин s (от англ, spin — веретено), равный по величине s=1/2. Складываясь с орбитальным моментом l, этот внутренний момент s может его увеличить или уменьшить. В результате возникает полный момент j, равный либо j1 = l-1/2, либо j2 = l+1/2 — в зависимости от взаимной ориентации векторов l и s. Если l = 0, то полный момент и спин совпадают (l=s = 1/2).

Теперь все встало на свои места: с учетом спина электрона уровень 3s в атоме натрия останется без изменения, так как соответствует моменту l = 0, но уровень 3р с моментом l=1 расщепится на два: 3p1/2 и 3р3/2, энергии которых немного различны. (Значения j=l+s и j=l-s условились писать справа внизу у символа терма, поэтому 3p1/2 соответствует полному моменту l = 1/2, а 3р3/2 — моменту l = 3/2.) В соответствии с этим вместо одной D-линии натрия мы увидим две тесно расположенные спектральные линии, причем линия D1 соответствует переходу 3p1/2→3s1/2, а линия D2 —переходу 3р3/2 → 3s1/2.

В магнитном поле каждый из уровней с полным моментом j, как и в случае момента l, расщепляется еще на 2j+1 компонент, которые различаются значениями магнитного квантового числа m. Таким образом, каждый из уровней 3p1/2

и 3s1/2 расщепится еще на 2 подуровня, а уровень Зp3/2 — 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 с n = 3. Когда приняли во внимание теорию относительности, он расщепился на два: 3p (n = 3, l = 1) и 3s (n = 3, l = 0). С учетом спина электрона уровень Зp расщепляется еще на 2 подуровня: 3p1/2 (n = 3, l = 1, j = 1/2) и 3p3/2 (n = 3, l = 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 n, l, 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 представить наглядно без привлечения хотя бы простейших формул. И тем не менее вы, вероятно, ощутили ее силу: с ее помощью можно объяснить и предсказать довольно тонкие особенности спектров. Она помогла привести в относительный порядок то устрашающее количество спектральных линий, которое было накоплено за полвека. Теперь, чтобы однозначно определить любую линию в спектре атома, достаточно было задать 8 квантовых чисел: 4 для исходного уровня излучающего электрона (ni, li, si) и 4 для конечного (nk, lk, mk, sk). К 1925 г. эта героическая работа была закончена. Иероглифы были расшифрованы, что позволило нарисовать первую и пока еще грубую картину внутреннего строения атома.

Конечно, расшифровать