Идеи о происхождении спектров

Но расшифровка таинственных знаков влекла исследователей. Сам Ритц пытался объяснить комбинационный принцип и найденные им спектральные закономерности на основе определенной гипотезы о строении атома. В модели Ритца электрон описывает круговую орбиту в магнитном поле, которое производится от элементарных магнитов, расположенных определенным образом на оси орбиты. Подбирая соответствующее число магнитов, Ритц получил серию Бальмера.

Вычисление постоянной Ридберга из заряда и массы электрона и постоянной Планка, было проделано А. Гаазом в 1910 г. на основе томссновской модели атома. Наконец, мы уже упоминали о попытке Газенорля в 1911 г. интерпретировать формулу Бальмера на основе определенной зависимости периода колебаний осциллятора от излучаемой энергии. Но все эти попытки только подчеркивали трудность задачи и, по существу, оставались безуспешными.

Прежде всего, отсутствовало правильное понимание о механизме излучения. Вот, например, что писал в 1909 г. известный спектроскопист Г. Кайзер о механизме лучеиспускания: "Как представляем мы себе возникновение светоиспускания? В вездесущий мировой эфир вкраплены атомы и молекулы. Когда в них совершаются движения, то они вызывают в световом эфире волны, которые распространяются во все стороны и воспринимаются нами в виде лучей независимо от того, совершают ли колебания сами молекулы или меньшие части их или же колеблются электрические заряды, так называемые электроны, находящиеся на них или внутри них. Длины волн лучей, очевидно, находятся в прямой зависимости от движений колеблющихся частичек, центров излучения, и по длине волны спектра мы можем непосредственно определить число колебаний соответствующих частичек".

При этом Кайзер обращает внимание на большое число спектральных линий, которое у некоторых элементов (железа, урана и др.) достигает нескольких тысяч, а в полосатых спектрах - десятков тысяч: "Невозможно допустить,- пишет Кайзер,- чтобы в одном атоме находилось такое множество различных частиц, из которых каждая излучает одну линию; мы должны предположить, что каждый центр излучения совершает сложное движение и последнее, будучи разложено призмой или решеткой, дает целый ряд спектральных линий".

Такова типично классическая концепция происхождения спектральных линий. Говоря об открытии сериальных законов Бальмером, Ридбергом, Кайзером, Рунге, Пашеком. Кайзер полагает, что эти закономерности дают надежду "получить на этом пути выводы относительно строения и их внутренних сил". В этом отношении Кайзер, безусловно, прав, как прав и в том, что такое применение спектроскопии "будет совершенно иной важности, чем химический анализ или открытие нового химического элемента". Он прав и в том, что считает вопрос уже созревшим, и, "чтобы сорвать созревший плод, недостает главным образом теоретических изысканий". В связи с этим он указывает на теоретические работы Ритца и сожалеет о его преждевременной смерти.

Как бы подтверждая мысль Кайзера, "что исследователи деятельно работают в этом направлении", в годы, непосредственно следующие за выходом его статьи, появились интересные исследования, указывающие новое направление. Уже в 1907 г. профессор университетского колледжа в Дублине Артур Уильям Конвей высказал совершенно новую идею относительно происхождения спектральных линий. Вопреки процитированному выше мнению Кайзера об одновременном излучении атомом как сложной системой всего набора спектральных линий, Конвей утверждал, что в каждый данный момент атом испускает только одну линию и набор линий обусловлен одновременным излучением большого числа атомов. При этом атом, способный излучать, должен находиться в особом, возбужденном состоянии.

Эту идею высказал снова в 1910 г. Бевэн. Он так же, как и Кайзер, понял, что последовательное применение идей Лоренца к излучающему атому требует невообразимо большого числа излучающих частиц в атоме, и поэтому пришел к выводу, что спектры возбуждаются большим числом атомов, могущих находится в любой данный момент в различных состояниях. При этом каждый атом излучает в данный момент по большей части только одну линию. В следующие годы (1911-1912) Джон Уильям Никольсон воспользовался для описания спектроскопических явлений моделью атома Резерфорда и вместе с тем привлек теорию квантов. Теория квантов входит в его построения в виде утверждения, что обмен энергией между атомами происходит согласно Планку дискретными порциями, а также принципа, что угловой момент атома может изменяться только на дискретные значения. Вместе с тем, следуя Конвею и Бевэну, Никольсон принимает, что сериальные линии испускаются не одним и тем же атомом, а совокупностью атомов, у каждого из которых внутренний угловой момент изменяется на дискретное значение от нормального его значения. Поэтому, например, среди атомов излучающего водорода имеются атомы, тождественные по своим химическим свойствам, но различные по своему внутреннему состоянию. Но Никольсон в отличие от Конвея допускал наличие в атоме многих излучающих электронов, располагающихся по кольцам, вроде колец Сатурна, и отождествлял излучаемые частоты с ?частотами обращения электронов в .атоме.

В 1912 г. Нильс Бьеррум применил квантовые идеи к молекулярным полосатым спектрам поглощения. Он объяснил отделенные друг от друга полосы поглощения в инфракрасной части вращением молекул и колебанием их заряженных частей. Длинноволновая часть полосы поглощения обусловлена, по мнению Бьеррума, вращением молекул, а коротковолновая - колебаниями в молекулах. Следуя идее, высказанной Нернстом в 1911 г., он предположил, что энергия вращения молекул квантуется и, таким образом, выполняется равенство

где I - момент инерции молекулы, v - частота вращения. Отсюда

Таким образом, полосы в инфракрасной части прерываются эквидистантными линиями, которым соответствуют частоты

Теория Бьеррума была проверена экспериментально рядом исследователей. В 1913 г. Ева фон Бар в Берлинском университете, проверяя на опыте теорию Бьеррума, пришла к выводу, что согласие теории с опытом в общем удовлетворительное. 27 мая 1913 г. в журнал Немецкого физического общества поступила статья Павла Сигизмундовича Эренфеста "Замечания, относящиеся к удельной теплоемкости двухатомного газа". Здесь Эренфест вводит гипотезу, что энергия вращающейся двухатомной молекулы является кратной величине ^hv/₂:

(Эренфест обозначает момент инерции молекулы через L.) Отсюда он выводит, что момент количества движения молекулы

Таким образом, на фазовой плоскости q, р, где q - угол вращения, а р - момент количества движения, дозволенная область лежит между отрезками q = ±π и пар отрезков

Энергия ротатора, соответствующая этим фазовым областям, будет

Эренфест указывает в примечании при корректуре, что к аналогичному выражению для энергии ротатора пришел Штарк в неопубликованной статье.