Существенный вклад в эту проблему был сделан вскоре после этого Косселем, который, рассматривая механизм возникновения излучения Баркла K-, L- и M-типов, указал на процесс удаления электрона из какого-либо кольца или оболочки, последовательно окружающих ядро. В частности, он приписал K- и K- компоненты спектра Мозли отдельным процессам перехода, в которых электрон, недостающий в K-оболочке, замещается одним из электронов, ранее находившихся в L- и M-оболочках соответственно. На этом пути Коссель смог проследить дальнейшие связи между различными спектральными частотами, измеренными Мозли; эти связи позволили ему представить полный высокочастотный спектр элемента в виде комбинационной схемы, в которой произведение любого из термов на постоянную Планка может быть приравнено энергии, необходимой для удаления электрона из какой-либо оболочки атома на такое расстояние от ядра, когда он находится уже за пределами любой из оболочек.
Кроме того, идеи Косселя позволяли объяснить тот факт, что поглощение проникающего излучения по мере возрастания длины волны практически начинается на краю поглощения, соответствующего полному удалению электрона из какой-либо оболочки за один прием. Отсутствие промежуточных возбуждённых состояний было отнесено за счёт того, что в основном состоянии атома все оболочки полностью заполнены. Как это хорошо известно, указанная точка зрения в конце концов нашла свое окончательное выражение в 1924 г., когда Паули сформулировал общий принцип исключения для электронов в связанных состояниях; формулировка Паули была навеяна выводами Стонера, касающимися тонких деталей структуры оболочек в атоме Резерфорда, полученными из анализа закономерностей оптического спектра.
V
Осенью 1913 г. новый переполох среди физиков был вызван открытием Штарка, обнаружившего неожиданно сильное действие электрического поля на структуру линий водородного спектра. Всегда очень внимательный ко всем достижениям физики, Резерфорд, получив от Прусской академии статью Штарка, немедленно написал мне: «Я думаю, что в настоящее время скорее всего Вам следует написать что-нибудь по поводу эффекта Зеемана и действия электрического поля, если эти эффекты возможно согласовать с Вашей теорией». Откликнувшись на призыв Резерфорда, я попытался разобраться в сути вопроса и мне вскоре стало ясно, что, рассматривая действие электрического и магнитного полей, мы по существу имеем дело с двумя совершенно различными проблемами.
Сущность объяснения знаменитого открытия Зеемана (сделанного в 1896 г.) Лоренцем и Лармором заключалась в том, что оно непосредственно относилось к движению электронов как источнику линейчатого спектра; это объяснение в широких пределах не зависело от конкретных предположений относительно механизма связи электронов в атоме. Даже в том случае, если возникновение спектра приписывать отдельным переходам между стационарными состояниями, принцип соответствия с учётом общей теоремы Лармора приводит к тому, что нормальный эффект Зеемана следует ожидать для всех спектральных линий, испускаемых электронами, связанными полем с центральной симметрией, как это имеет место в атоме Резерфорда. Скорее открытие так называемого аномального зееман-эффекта принесло с собой новые загадки, которые оказалось возможным разрешить только более чем 10 лет спустя, когда сложная структура линий в спектральных сериях была объяснена наличием электронного спина. Самый увлекательный исторический очерк этого периода, за который важнейшие вклады были внесены с самых различных направлений, содержится в хорошо известной книге, посвящённой памяти Паули и недавно вышедшей из печати 1.
1
«Теоретическая физика 20 века.
Сборник статей, посвящённых памяти В. Паули». М., ИЛ, 1962.
—
В случае же электрического поля, наоборот, не следовало ожидать для излучения, испускаемого гармоническим осциллятором, никаких эффектов, пропорциональных величине поля, поэтому открытие Штарка совершенно определённо исключало обычное представление об упругих колебаниях электрона как источнике линейчатых спектров. Однако для кеплеровского движения электрона вокруг ядра даже сравнительно слабое внешнее электрическое поле через секулярное возмущение может вызывать значительное изменение в форме и ориентации орбит. Изучая частные случаи, в которых орбита остаётся чисто периодической и во внешнем поле, оказывается возможным (используя аргументы того же самого типа, как и для стационарных состояний невозмущённого водородного атома) определить порядок величины эффекта Штарка и в особенности объяснить его быстрый рост от линии к линии в спектральных сериях водорода. Вместе с тем эти рассуждения со всей ясностью обнаружили, что для объяснения тонких деталей явления методы классификации стационарных состояний атомных систем развиты явно недостаточно.