Но нормальный эффект Зеемана представляет скорее исключение, чем норму. На опыте встречается более сложный эффект: расчленение на не­сколько компонентов (мультиплетов). Мультиплетами оказываются и линии спектров элементов. Аномальный эф­фект и мультиплетная структура спект­ров не укладывались в рамки обычной теории Бора.

С вопросом о сложной структуре линий был тесно связан вопрос о маг­нитных свойствах атома. Еще Д. С. Рож­дественский в своем докладе 15 декаб­ря 1919 г. предполагал, что дублеты п триплеты спектральных линий обуслов­лены действием магнитных сил, вы званных движением электронов. «Маг­нитная задача должна лежать в основе задачи об атомах»,—говорил Рождест­венский.

О.Штерн (1888-1969) и В. Герлах (род. в 1889 г.) в 1921 г. пропустили молекулярный пучок через неоднород­ное магнитное поле и неопровержимо доказали наличие у атомов магнитного момента. Но детали опыта (расщепле­ние пучка на два) опять не уклады­вались в теорию Бора — Зоммерфельда.

В том же, 1921 г. А.Ланде (1888-1975) дал формальную схему описания мультиплетов с помощью векторной модели и ввел связанный с квантовыми числами k и s множитель Ланде. Он также получил «двойной магнетизм»: отношение между магнитным и враща­тельным моментом атомного остова (т.е. ядра и всех электронов, кроме оптического) оказалось вдвое больше того, который следует из теории Бора — Зоммерфельда. Противоречия с теори­ей Бора в ее первоначальном варианте накапливались на каждом шагу, и кван­товое описание спектроскопических фактов все более и более усложнялось.

Особенно тягостное положение со­здалось в теории света. Эйнштейн в своей классической работе 1917 г. о световых квантах сделал дальнейший шаг в сторону корпускулярной теории света. Он предположил, что атом излу­чает, «выстреливая» квант света в том или ином направлении (игольчатое излучение). При этом квант света об­ладает всеми свойствами материаль­ной частицы: энергией Е = hv, массой m.

Эта идея нашла блестящее под­тверждение в открытии, сделанном американским физиком Артуром Комптоном. В 1922 г. Комптон, изучая рассеяние рентгеновских лучей веществом, содержащим слабо связан­ные электроны (графитом), установил, что частота (длина волны) рассеянных рентгеновских лучей изменяется в зави­симости от угла рассеяния. С увеличе­нием угла рассеяния она уменьшается (длина волны увеличивается), излуче­ние становится более «мягким».

В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П.Дебай дали теорию «эффек­та Комптона». Теория была основана на идее Эйнштейна: квант света сталки­вается с электроном по закону упругого удара. Применяя законы сохранения энергии и импульса, Комптон и Дебай получили формулу для изменения дли­ны волны рассеянного излучения:

Дебай написал эту формулу в несколько изме­ненном виде. Это простое и наглядное объяснение эффекта в сильной степени способствовало укреплению представ­ления о кванте света как частице, для которой Комптоном был предложен термин «фотон», ставший общеупотре­бительным.

К 1924 г. в науке о свете создалось тягостное положение, которое очень наглядно охарактеризовал О. Д. Хвольсон. Разделив мелом доску на две части Л и В, он вписал на одной стороне факты, объясняемые волновой теорией света, на другой— факты, объясняемые квантовой теори­ей. «Ни волновая, ни квантовая тео­рии,—говорил в связи с этим принимав­ший участие в съезде Эренфест,—не в состоянии охватить все области свето­вых явлений». Всеобъемлющей теории света, как это констатировал Хвольсон, не было.

В поисках выхода из тяжелого поло­жения авторы предложили даже отка­заться от требования применения зако­на сохранения энергии к отдельным актам излучения и поглощения света атомом. Однако гипотеза Бора, Крамерса и Слэтера была опровергнута экспериментами, в которых доказы­валось, что каждый акт взаимодей­ствия света с веществом подчиняется закону сохранения энергии.

Идеи де Бройля

В 1923 г. в докладах Парижской Академии наук были опубликованы три статьи французского физика Луи де Бройля: «Волны и кванты», «Кванты света, дифракция и интерференция». «Кванты, кинетическая теория газов и принцип ферма», в которых выдви­галась совершенно новая идея, перено­сящая дуализм в теории света на сами частицы материи.

Де Бройль рассматривает некоторый волновой процесс, связанный с телом. движущимся со скоростью v = bс. Эта волна обладает частотой, определяемой соотношением E= hv = mc2, и движется в направлении движения тела со ско­ростью u=cb.

«Мы будем рассматривать ее лишь как фиктивную волну, связан­ную с перемещением движущегося те­ла». Де Бройль показывает далее, что для электрона, движущегося по замкну­той траектории с постоянной ско­ростью, меньшей скорости света, траек­тория будет устойчива, если на ней укладывается целое число таких волн. Условие это совпадает с квантовым усло­вием Бора. Скорость частицы v = ре является скоростью группы волн, обладающих частотами, мало отличающимися друг от друга и соот­ветствующими частоте — Эта волна, которую де Бройль называл «волной фазы», пилотирует движение частицы, несущей энергию те2, сама же фазовая волна энергии не несет. Гипотеза де Бройля позволяет «осуществить синтез волнового движения и квантов». Де Бройль утверждает наличие в природе волновых явлений и для частиц веще­ства. Он пишет: «Дифракционные явления обнаруживаются в потоке электронов, проходящих сквозь доста­точно малые отверстия. Быть может, экспериментальное подтверждение наших идей следует искать в этом направлении ».

Де Бройль указывает, что его новая механика относится к прежней механи­ке, классической и релятивистской, «так же как волновая оптика относится к геометрической». Он пишет, что пред­ложенный им синтез «представляется логическим венцом совместного раз­вития динамики и оптики со времени XVII в.».

Открытие спина

В 1925 г. в физику было введено новое фундаментальное понятие спина. Это понятие было введено Уленбеком и Гаудсмитом, работавшими летом 1925 г. у Эренфеста в Лейдене. К этому времени В. Паули опубликовал свою ра­боту, содержащую формулировку прин­ципа запрета, носящего его имя. Паули показал, что квантовое состояние элект­рона характеризуется четырьмя (а не тремя) квантовыми числами и что в этом состоянии может быть только один электрон. Статья Паули, содержа­щая формулировку его принципа, была опубликована весной 1925 г. Еще ранее Паули указал, что для характерис­тики состояния электрона необходимо четыре квантовых числа: главное кван товое число п, азимутальное квантовое число I и два магнитных числа т, и nif. Гаудсмит рассказал Уленбеку об этой работе Паули. Узнав это, Уленбек высказал такую мысль, что электрон обладает еще одной степенью свободы, которая соответствует вращению элект­рона (спину).

«После его замечания о спине,— писал Гаудсмит,—мы сразу увидели, что полностью выясняется, почему т, всегда равно +1/2 или —1/2. Далее мы увидели, что все случаи расщепления Зеемана могут быть объяснены, если приписать электрону магнитный мо­мент, равный одному целому магнето­ну Бора. Кроме того, стало ясно, что спин находится в полном соответствии с нашим новым толкованием спектра водорода».