Чтение онлайн

Общая картина строения атомов

Современное состояние теории атома характерно тем, что мы не только считаем несомненно доказанным существование атомов, но мы даже полагаем, что нам достаточно хорошо известны составные части отдельных атомов. Здесь я не имею возможности дать полного обзора научных достижений, которые привели к этому выводу. Я только упомяну об открытии электрона в конце прошлого века, которое привело к прямому подтверждению и убедительной формулировке концепции атомистической природы электричества, развивавшейся со времени открытия Фарадеем фундаментальных законов электролиза и создания электрохимической теории Берцелиусом и достигшей своего триумфа в теории электролитической диссоциации, созданной Аррениусом. Открытие электрона и выяснение его свойств было результатом работы большого числа исследователей, среди которых особенно следует отметить Ленарда и Дж. Дж. Томсона. Последний из них внёс особенно важный вклад в этом направлении своими оригинальными попытками развить идеи атомного строения на основе электронной теории. Однако современного состояния наши знания элементов атомной структуры достигли после открытия Резерфордом атомного ядра. Деятельность Резерфорда по изучению открытых в конце прошлого века радиоактивных веществ существенно обогатила физическую и химическую науки.

Согласно нашим современным представлениям, атом каждого элемента состоит из ядра, которое обладает положительным электрическим зарядом и в котором сосредоточена большая часть массы атома, и некоторого числа электронов, обладающих одинаковым отрицательным зарядом и массой и движущихся от ядра на расстояниях, очень больших по сравнению с размерами как ядра, так и самих электронов, В такой картине мы немедленно обнаруживаем необычайное сходство с планетной системой, примером которой может служить наша солнечная система. Простота законов, управляющих движениями в солнечной системе, непосредственно связана с тем обстоятельством, что размеры движущихся объектов малы по сравнению с размерами их орбит. Точно так же соответствующие соотношения в теории строения атомов позволяют нам объяснить существенные черты тех явлений, происходящих в природе, которые связаны со свойствами элементов. Отсюда ясно, что эти свойства могут быть чётко разделены на два класса.

К первому классу принадлежит большинство обычных физических и химических свойств веществ, таких, как их агрегатное состояние, цвет и реакционная способность. Эти свойства зависят от движения системы электронов и от того, каким образом это движение меняется под влиянием различных внешних воздействий. Вследствие того, что масса ядра велика по сравнению с массой электронов, а размеры ядра много меньше размеров электронных орбит, движение электронов лишь весьма слабо зависит от массы ядра и определяется в достаточно хорошем приближении только полным электрическим зарядом ядра. В частности, внутреннее строение ядра и характер распределения заряда и массы между составляющими его отдельными частицами будут оказывать только пренебрежимо малое влияние на движение системы электронов, окружающих это ядро. С другой стороны, строение ядра будет ответственно за второй класс свойств, которые проявляются при радиоактивном распаде веществ. В процессах радиоактивности мы сталкиваемся с распадом ядра, при котором положительно или отрицательно заряженные частицы, так называемые - и -частицы, вылетают с очень большими скоростями.

Таким образом, наши представления о строении атома позволяют очень просто объяснить полнейшее отсутствие взаимосвязи между этими двумя классами свойств, которое наиболее ярко проявляется в факте существования веществ, обладающих с достаточно высокой, степенью точности одинаковыми обычными физическими и химическими свойствами и отличающихся лишь своими атомными весами, но проявляющих совершенно разные свойства в отношении радиоактивного распада. Такие вещества, первое доказательство существования которых было дано в работах Содди и других исследователей химических свойств радиоактивных элементов, называются изотопами в связи с классификацией элементов по их обычным физическим и химическим свойствам. Нет смысла напоминать здесь о том, как в последние годы было доказано, что изотопы существуют не только среди радиоактивных элементов, но и среди обычных стабильных элементов 1. Действительно, как было показано хорошо известными исследованиями Астона, огромное число таких элементов, каждый из которых считался состоявшим из одинаковых атомов, на самом деле оказались смесью изотопов с различными атомными весами.

1 В том же 1922 г. Нобелевская премия по химии была присуждена Содди и Астону за открытие и изучение изотопов.— Прим, перев.

Вопрос о внутренней структуре ядра всё ещё недостаточно ясен, хотя эксперименты Резерфорда по распаду атомных ядер при бомбардировке их -частицами предлагают путь для её изучения. В самом деле, эти эксперименты, можно сказать, открывают новую эпоху в естественных науках, поскольку впервые удалось искусственным образом преобразовать один элемент в другой. Однако в дальнейшем мы ограничимся рассмотрением обычных физических и химических свойств элементов и теми попытками, которые предпринимались для объяснения их на основе только что изложенных представлений.

Известно, что элементы в соответствии с их обычными физическими и химическими свойствами могут быть расположены в виде некоторой естественной системы, которая наиболее полно раскрывает своеобразную взаимосвязь между различными элементами. Менделеев и Лотар Мейер впервые показали, что при расположении атомов в некотором порядке, практически совпадающем с порядком их атомных весов, их химические и физические свойства обнаруживают ярко выраженную периодичность. Диаграммное представление этой так называемой периодической таблицы приведено на рис. 1, где, однако, элементы располагаются не обычным, образом, а в несколько модифицированной форме таблицы, впервые предложенной Юлиусом Томсеном, который сделал существенный вклад в развитие этой области науки. В таблице элементы обозначены их обычными химическими символами. Различные вертикальные столбцы соответствуют так называемым периодам. Элементы, располагающиеся в соседних столбцах и обладающие соответственными химическими и физическими свойствами, соединены линиями. Смысл прямоугольников, заключающих, в себе некоторые группы элементов в последних периодах, свойства которых обнаруживают типичные отклонения от простой периодичности, элементов в первых периодах, будет обсуждаться позже.

Рис. 1

В процессе развития теории строения атомов, характерные черты этой естественной системы элементов получили поразительно просто истолкование. Именно, мы пришли к выводу о том, что порядковый номер элемента в периодической таблице, так называемый атомный номер, точно равен числу электронов, движущихся в нейтральном атоме вокруг ядра. Этот закон, хотя и в несовершенной форме, был сформулирован впервые Ван ден Бруком. Однако он был почти предопределён проведёнными Дж. Дж. Томсоном исследованиями числа электронов в атоме и измерениями заряда атомного ядра, выполненными Резерфордом. Как мы увидим, с тех пор названный закон получил убедительные подтверждения с различных сторон, в особенности в знаменитых исследованиях рентгеновских спектров элементов, осуществлённых Мозли. Можно, пожалуй, отметить ещё, что простая связь атомного номера с зарядом ядра приводит к непосредственному пониманию законов, управляющих изменениями химических свойств элементов при излучении ими - или -частиц и выражающихся весьма просто в виде так называемого закона радиоактивного смещения.

Устойчивость атома и классическая электродинамика

Пытаясь проследить более тесную связь свойств элементов и строения атома, мы наталкиваемся на заметные трудности, поскольку, несмотря на указанную ранее аналогию, имеется существенное различие между атомом и планетной системой.

Движения тел в планетной системе, хотя они и подчиняются общему закону тяготения, не полностью определяются лишь этим законом, а существенно зависят от предыстории системы. Так, например, продолжительность года определяется не только массами Солнца и Земли, но зависит также от условий образования солнечной системы, о чем мы имеем очень мало сведений. Если бы в какой-то момент времени через нашу солнечную систему прошло достаточно большое постороннее небесное тело, то нам следовало бы ожидать, что продолжительность года начиная с этого момента станет отличаться от прежней.

Совершенно иначе обстоит дело в атомах. Определённые, неизменные свойства атомов требуют, чтобы состояние атома не испытывало необратимых изменений под влиянием внешних воздействий. Как только атом вновь предоставляется самому себе, движение составляющих его частиц должно снова полностью определяться только электрическими зарядами и массами этих частиц. Наиболее веские доказательства этого мы обнаруживаем в спектрах, т. е. в свойствах излучения, испускаемого веществами при определённых условиях и доступного для исследования с помощью соответствующих приборов. Известно, что длины волн спектральных линий элементов, которые во многих случаях могут быть измерены с точностью, большей, чем одна миллионная, при одинаковых внешних условиях остаются в пределах точности наблюдений теми же самыми совершенно независимо от предшествующей обработки вещества. Именно благодаря этому факту спектральный анализ приобретает столь большое значение. Он оказал неоценимую помощь химикам в их поисках новых элементов и показал нам, что даже на самых отдалённых объектах Вселенной имеются элементы с совершенно теми же свойствами, как и на Земле.

Таким образом, с помощью нашей картины строения атомов не удается воспроизвести характерной устойчивости атомов, требуемой для объяснения свойств элементов, до тех пор, пока мы опираемся только на законы обычной механики.

Положение отнюдь не становится благоприятнее, если привлечь известные законы электродинамики, сформулированные Максвеллом на основании великих открытий Эрстеда и Фарадея, сделанных в первой половине прошлого века. Теория Максвелла оказалась способной не только объяснить все характерные черты известных к тому времени электрических и магнитных явлений; её наивысшим триумфом было предсказание существования электромагнитных волн, которые впоследствии были открыты Герцем и применяются теперь в столь широких масштабах в радиосвязи.

Одно время казалось, что эта теория сможет послужить основой детального объяснения свойств элементов. Эти надежды окрепли особенно после того, как она получила развитие в трудах Лоренца и Лармора и приобрела форму, согласующуюся с атомистической концепцией электричества. Мне достаточно напомнить только тот общий интерес, который был проявлен к данному Лоренцом, непринуждённому и простому объяснению основных черт явления, открытого Зееманом и состоящего в характерном изменении спектральных линий, наблюдаемом при воздействии магнитного поля на излучающее тело. Лоренц предполагал, что излучение, наблюдаемое в виде спектральной линии, испускается электроном, совершающим гармоническое колебание около некоторого положения равновесия точно так же, как электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, излучаются вследствие электрических колебаний в антенне. Он также показал, что изменение спектральных линий, замеченное Зееманом, точно соответствует изменениям движения колеблющегося электрона, вызываемым магнитным полем.