Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Отправным пунктом для Паули послужила работа одного аспиранта из Кембриджа. Эдмунд Клифтон Стонер, хотя ему исполнилось уже тридцать пять, еще продолжал под руководством Резерфорда работу над диссертацией, когда в октябре

1924. года в “Философикал мэгэзин” появилась его статья “Распределение электронов по атомным уровням”. Стонер утверждал, что число энергетических состояний, в которых может находиться внешний, или валентный, электрон атома щелочи, равно числу электронов на последней замкнутой оболочке атома того благородного газа, который является первым после атома щелочи в периодической таблице. Например, валентный электрон лития может занимать одно из восьми энергетических состояний — ровно столько, сколько электронов содержится во внешней заполненной оболочке атома неона. Согласно Стонеру, главное квантовое число п определяет электронную оболочку Бора, которую можно полностью заполнить, “замкнуть”, если число электронов на ней будет вдвое больше числа допустимых энергетических состояний.

Если каждому электрону атома ставятся в соответствие квантовые числа п, к и т и каждый набор этих чисел отмечает определенную электронную орбиту (энергетический уровень), то, согласно Стонеру, число возможных энергетических состояний, скажем, при п = 1, 2 и 3 будет соответственно 2, 8 и 18. Для первой оболочки п = -\, к = 1 иш = о. Только такие значения могут принимать три квантовых числа при п = 1. Они отвечают энергетическому состоянию (1,1, 0). Но, по Стонеру, первая оболочка замкнута, когда она содержит 2 электрона — удвоенное число допустимых энергетических состояний. При п = 2 либо к = 1 и т = 0, либо к = 2, а т = -1, 0,1. Следовательно, для второй оболочки существуют четыре возможных набора квантовых чисел, которые можно связать с валентным электроном и энергетическим состоянием, в котором он находится. Это состояния (2,1,0), (2,2, -1), (2,2,0) и (2,2,1). Поэтому заполненная оболочка с п = 2 вмещает 8 электронов. Третья оболочка, п = 3, имеет 9 возможных электронных энергетических СОСТОЯНИЙ: (3, 1, 0), (3, 2, -1), (3, 2, 0), (3, 2, 1), (3, 3, -2), (3, 3, -1), (3, 3, 0), (3, 3,1) и (3, 3, 2)29. В соответствии с правилом Стонера, максимальное число электронов на третьей оболочке равно 18.

Паули видел октябрьский номер “Философикал мэгэзин”, однако не обратил внимания на статью Стонера. Но когда он наткнулся на упоминание о ней в предисловии Зоммерфель- да к книге “Строение атома и спектры”, то, хотя никогда прежде не был замечен в пристрастии к спорту, побежал в библиотеку30. Он понял, что при данном значении п число возможных энергетических состояний N, в которых может находиться электрон в атоме, то же, что и число всех возможных значений чисел к и т, и равно оно п2. Правило Стонера правильно определяло число элементов в данном ряду периодической таблицы. Получался набор чисел 2, 8,18, 32 и так далее. Но почему число электронов в замкнутой оболочке равно удвоенному значению N, то есть 2л2? Ответ, найденный Паули, гласил: электронам в атоме надо приписать четвертое квантовое число.