В проблеме строения атома мы встречаемся с впечатляющим примером указанного дуализма. Несмотря на замечательную силу шредингеровской волновой функции при описании свойств стационарных состояний, она всё же не смогла объяснить необычную стабильность этих состояний, что весьма существенно при интерпретации атомных явлений. Действительно, мы здесь имеем дело с весьма характерной чертой — дискретностью, или вернее «индивидуальностью», — которая как раз и отдаляет квантовую механику от идей классической физики, и в которой мы имеем, возможно, наиболее убедительный пример существования самих индивидуальных частиц. Кроме того, дуализм квантовой теории приводит к выводу, что использование идеи стационарных состояний исключает возможность одновременного прослеживания поведения отдельной частицы в атоме. Эта ситуация находит адекватное отражение в характеристических колебаниях, получаемых при решении задачи Шредингера. В этой задаче мы фактически имеем дело не с тремя измерениями, как при обычном пространственном описании, а с числом измерений, равным числу всех степеней свободы атома. Этот факт нашёл важное применение при интерпретации некоторой необычной дублетности в структуре спектра, особенно заметной для гелия. Эта дублетность, остававшаяся долгое время непонятной, была объяснена Гейзенбергом, который показал, что здесь мы имеем дело с эффектом взаимодействия между электронами в атоме. Это взаимодействие полностью соответствует классической резонансной задаче, но оно не может быть учтено простым приемом, при котором поведение отдельных электронов характеризуется квантовыми числами. То, что этот прием нашёл свое оправдание в многочисленных применениях, связано с малостью, в общем, резонансного эффекта, поскольку влияние различных электронов друг на друга с хорошим приближением может аппроксимироваться полем консервативных центральных сил.
Здесь трудно дать нечто большее, чем беглое описание того богатства деталей, касающихся физических и химических свойств элементов, которое было выяснено с помощью новых методов квантовой теории. Нужно отметить, что важный вклад, внесённый Смитом и Стонером в интерпретацию периодической таблицы элементов, может быть связан с так называемым принципом исключения Паули и идеей магнитного электрона. Кроме того, изучение тонкой структуры полосатых спектров привело к выводу, что протон, т. е. ядро атома водорода, также обладает механическим и магнитным моментами. Дираком даже был предпринят успешный анализ фундаментальной проблемы о происхождении так называемого спина электрона. Эта работа открывает совершенно новые перспективы.»
33 Зоммерфельд и теория атома [47]
Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд (1868—1951) был одним из наиболее выдающихся физиков периода перехода от классической к современной физике. Родился в Кенигсберге, образование получил там же. Его первые работы полностью основаны на концепциях науки XIX века, но он был одним из первых физиков старшего поколения, полностью признавших правильность и плодотворность идей теории относительности и квантовой механики, и внёс существенный вклад в их развитие. Под влиянием знаменитой работы Бора [5] Зоммерфельд заинтересовался проблемами квантовой теории строения атома и спектров; этими проблемами он успешно занимался многие годы. Он ввёл в рассмотрение эллиптические орбиты, характеризуемые двумя квантовыми числами, дал теорию тонкой структуры спектров, развил методы для построения теории многократно периодических систем, ввёл понятие пространственного квантования, подтвердившееся в опытах Штерна и Герлаха. Квантовые условия Зоммерфельда, применённые им отдельно к различным степеням свободы системы, позволили применить квантовую теорию даже в её старой формулировке к исследованию тончайших деталей движения электронов. Его книга «Строение атома и спектры», написанная в 1919 г. и многократно переиздававшаяся с учётом новых достижений науки, на протяжении полувека служила и продолжает служить своеобразной энциклопедией для всех работающих в этой области. Зоммерфельд создал блестящую школу физиков-теоретиков, из которой вышли многие видные учёные (Гейзенберг, Паули, Полинг, Дебай, Бете, Гайтлер, Кондон, Раби, Эпштейн, Хёнль, Бриллюэн и др.).
34 Квант действия и описание природы [49]
35 Теория атома и принципы описания природы [51]