История и методология физики

Открытия, предшествовавшие созданию квантовой механики 
Многие удивительные свойства атомов были открыты при исследовании их 
поведения в магнитном поле. В 1896 г. нидерландский физик Питер Зееман (1865-
1943) впервые обнаружил, что в магнитном поле две D-линии излучающего атома 
натрия «отчетливо уширялись». 
На основании проведенных экспериментов Зееман пришел к выводу: 
«представляется весьма вероятным, что период натриевого излучения изменяется в 

---

магнитном поле». Зееман сообщил Лоренцу о своих результатах до их опубликования, 
и Лоренц тут же дал им объяснение на основе электронной теории. (Удивительно, что 
в то время еще оспаривалось само существование атомов, а Лоренц (и большинство 
физиков) уже не сомневался в том, что атом имеет структуру!) Лоренц разложил 
движение квазиупруго связанной заряженной частицы в атоме на линейное колебание, 
происходящее в направлении магнитного поля, и два круговых движения, 
происходящих в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной 
магнитному полю. Используя эти соображения, Лоренц предсказал, что излучение от 
краев уширенной линии при наблюдении в продольном направлении должно быть 
поляризовано по кругу, а в поперечном направлении - линейно поляризовано. Этот 
вывод Зееман немедленно подтвердил с помощью четвертьволновой пластинки и 
анализатора. При объяснении эффекта Зеемана Лоренц исходил из уравнения 
равновесия вращающегося в атоме электрона, совершающего малые колебания и 
испытывающего действие силы Лоренца в магнитном поле с напряженностью Н. : ту
2
 
/ г = 1сг + (е / с)уН , где ^ - коэффициент квазиупругости.
Считая, что 1с = 4я-
2
сти/д
2
и 
V 
= 2яуу, для частоты двух круговых движений он 
получил формулу: у=Уо±еН/4тпс. Вскоре после объяснения Лоренца выяснилось, что 
его результат является частным случаем теоремы английского физика Джозефа 
Лармора. Согласно этой теореме, которая была доказана в 1897г., влияние магнитного 
поля на вращающиеся заряженные частицы состоит в том, что на их орбитальное 
движение накладывается прецессия вокруг направления магнитного поля с угловой 
частотой й^ =еН/2тс. Эту частоту называют ларморовской частотой. Таким образом, 
Лоренц показал, что при наблюдении поперек магнитного поля линия излучения атома 
с частотой ω
0
расщепляется на три линии с частотами . ω
0 
– ω
L
, ω
0
. ω
0
+ ω
L
. Эти 
линии получили название лоренцевский триплет. При наблюдении вдоль магнитного 
поля возникает дублет - средняя линия отсутствует. Наблюдаемые линии излучения в 
продольном и поперечном направлениях имеют разную поляризацию. Триплетные 
линии поляризованы линейно. Смещенные линии дублета имеют круговую 
поляризацию в противоположных направлениях. Интересно, что вначале Зееман 
ошибся в определении направления круговой поляризации в компонентах дублета и 
поэтому сделал неправильный вывод о том, что подвижные частицы в атоме заряжены 
положительно. 
Однако, как показал опыт, триплетное (или дублетное) расщепление 
спектральных линий наблюдается далеко не всегда. Чаще возникает более сложная 
картина расщепления, связанная с аномальным, или сложным эффектом Зеемана. 
Начиная с 1898 г. многочисленные попытки объяснения этого эффекта были 
безуспешными, пока не был открыт спин электрона. 
В 1902 г. Зееману и Лоренцу была присуждена Нобелевская премия за 
исследования влияния магнетизма на процессы излучения. 
Пользуясь картиной пространственного квантования и теоремой Лармора о 
прецессии магнитного момента вокруг внешнего магнитного поля, Зоммерфельд, а 

---

также Дебай в 1916 г. дали объяснение эффекта Зеемана с квантовой точки зрения. 
Однако оказалось, что квантовый расчет Зоммерфельда и Дебая не объясняет 
сложного эффекта Зеемана и приводит лишь к простой картине расщепления, как и в 
классических расчетах Лоренца. А аномальный Зееман-эффект еще немало будоражил 
умы физиков того времени. 
Тщательные исследования эффекта Зеемана проводили немецкие физики-
экспериментаторы Фридрих Пашен (1865-1947) и Эрнст Бак (1881-1959). Они 
показали, что расщепление спектральных линий всегда пропорционально напряженно-
сти магнитного поля, оно имеет различный характер для синглетов, дублетов, 
триплетов и т.д. и зависит от того, является ли магнитное поле сильным или слабым. В 
слабом магнитном поле синглетные термы всегда дают лоренцевский триплет, а 
дублетные, триплетные и т.д. термы приводят к более сложной картине расщепления. 
С увеличением магнитного поля расщепленные линии вначале диффузно расплыва-
ются, а затем при достижении определенного значения магнитного поля, характерного 
для каждого элемента, они превращаются в обычный триплет Лоренца независимо от 
мультиплетности термов. Это явление, открытое Пашеном и Баком в 1912г., называют