Чтение онлайн

2 Е. Rutherford. Phil. Mag., 1912, 24, 453.

Примечательно, что теория даёт почти правильное значение энергии, необходимой для удаления электрона не только из внешнего кольца, но и из внутреннего. Это приблизительное согласие между вычисленными и экспериментальными значениями тем более поражает, если вспомнить, что необходимые в обоих случаях энергии для элемента с атомным весом 70 различаются в 1000 раз.

В связи с этим нужно особо подчеркнуть, что поразительная монохроматичность характеристического рентгеновского излучения, установленная в опытах как по поглощению лучей, так и по их интерференции, недавно наблюдавшейся в опытах по дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, согласуется с основным предположением, использованным в части I (см. стр. 89) при рассмотрении линейчатых спектров. Оно состоит в том, что излучение, испускаемое при переходе системы между различными стационарными состояниями, монохроматично.

Полагая F = N в формуле (4), для диаметра самого внутреннего кольца получаем приближённо 2a = (1/N)·10– 8 см. Отсюда при N = 100 находим 2a = 10– 10 см, т.е. величину, очень малую по сравнению с обычными атомными размерами, но всё ещё большую по сравнению с размерами, которые нужно ожидать для ядра. По расчётам Резерфорда размеры последнего оказываются порядка 10– 12 см.

§ 6. Радиоактивные явления

Согласно излагаемой здесь теории, образование роя электронов, окружающего ядро, сопровождается испусканием энергии; их расположение будет определяться условием, чтобы испущенная энергия была максимальной. Устойчивость, обусловленная этим предположением, кажется соответствующей общим свойствам материи. Но она находится в явном противоречии с явлениями радиоактивности, и согласно теории, следовательно, происхождение этих явлений надо искать не в распределении электронов вокруг ядра.

Необходимым следствием теории строения атома по Резерфорду является внутриядерное происхождение -частиц. На основании предлагаемой теории надо считать, что и быстрые -частицы испускаются ядром. Во-первых, спонтанное испускание -частицы из роя электронов, окружающего ядро, совершенно чуждо принятым свойствам системы. Во-вторых, вряд ли можно ожидать, что испускание -частицы окажет существенное воздействие на устойчивость электронного роя. Воздействие испускания может быть двоякого рода. С одной стороны, при прохождении через атом частицы могут соударяться со связанными электронами. Это воздействие будет одинаковым с тем, которое оказывает облучение -частицами других веществ; нельзя ожидать, что оно вызовет последующее испускание -частиц. С другой стороны, испускание частиц вызовет изменение в расположении связанных электронов, поскольку остающийся у ядра заряд будет отличаться от первоначального. Чтобы рассмотреть последний процесс, представим себе одно единственное кольцо электронов, вращающихся вокруг ядра с зарядом Ne и допустим, что -частица выбрасывается в направлении, перпендикулярном плоскости кольца. Выбрасывание частицы, очевидно, не вызывает изменения момента импульса электронов и, если скорость -частицы мала по сравнению со скоростью электронов (а это осуществляется для внутренних колец атома с большим атомным весом), кольцо постепенно расширяется, а после выбрасывания занимает положение, требуемое теорией для устойчивого кольца, вращающегося вокруг ядра с зарядом (N - 2)e. Рассмотрение этого простого случая ясно указывает на то, что испускание -частицы не оказывает продолжительного воздействия на устойчивость внутренних электронных колец в оставшемся атоме.

Вопрос о происхождении -частиц может быть рассмотрен и с другой точки зрения, основанной на изучении химических и физических свойств радиоактивных веществ. Общеизвестно, что многие радиоактивные вещества имеют очень близкие химические свойства, и поэтому до сих пор не удавалось разделить их химическим путём. Имеются также некоторые данные, что упомянутые вещества имеют одинаковый линейчатый спектр 1. Многие авторы высказали предположение, что эти вещества различаются только по своим радиоактивным свойствам и атомному весу и идентичны по всем остальным физическим и химическим свойствам. Согласно теории, это означает, что заряд ядра, как и расположение окружающих электронов, в некоторых элементах будет одинаковым, и единственное различие будет заключаться в массе и внутренних свойствах ядра. Согласно рассуждениям § 4 это предположение подтверждается тем фактом, что число радиоактивных веществ больше, чем число находящихся в нашем распоряжении мест в периодической системе. Если это предположение верно, то тот факт, что два кажущихся идентичными элемента испускают -частицы с разной скоростью подтверждает внутриядерное происхождение как -лучей, так и -лучей.

1 См.: A. S. Russell, R. Rossi. Ргос. Roy. Soc., 1912, А87, 478.

Этот взгляд на происхождение - и -лучей очень просто объясняет связь характера изменения химических свойств радиоактивных веществ с природой испускаемых частиц. Результаты опытов могут быть выражены двумя правилами 2.

При каждом испускании -частицы номер группы периодической системы, к которой принадлежит конечное ядро, на две единицы меньше номера группы, к которой принадлежит исходное ядро.

При каждом испускании -частицы номер группы конечного элемента на единицу больше, чем первоначального.

2 См.: A. S. Russеll. Chem. News, 1913, 107, 49; G. v. Hevesy. Phys. Zeitschr., 1913, 14, 49; K. Fajans. Phys. Zs., 1913, 14, 131; Verh. d. D. Phys. Ges., 1913, 15, 240; F. Sоddy. Chem. News, 1913, 107, 97.

Как будет видно далее, это как раз то, что следовало ожидать согласно изложенному в § 4.

При выходе из ядра -лучи могут сталкиваться со связанными электронами во внутренних кольцах. Это приведёт к испусканию характеристического излучения того же типа, что и характеристическое рентгеновское излучение, испускаемое элементами с более низкими атомными весами под действием катодных лучей. Предположение, что -излучение вызвано соударениями -лучей со связанными электронами, было предложено Резерфордом 1 для объяснения большого числа групп моноэнергетических -лучей, выбрасываемых определёнными радиоактивными веществами.

1 Е. Rutherford. Phil. Mag., 1912, 24, 453, 893.

В настоящей работе была сделана попытка показать, что применение планковской теории излучения к атомной модели Резерфорда путём введения гипотезы об универсальном постоянстве момента импульса связанных электронов ведёт к результатам, которые кажутся согласующимися с опытами.

В последующей части работы эта теория будет применена к системам, содержащим два и больше ядер.

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ

СИСТЕМЫ С НЕСКОЛЬКИМИ ЯДРАМИ

§ 1. Введение

Согласно теории строения атома Резерфорда, различие между атомом элемента и молекулой химического соединения заключается в том, что первый состоит из электронного роя, окружающего единственное ядро, обладающее крайне малыми размерами и большой по сравнению с электронами массой, тогда как последняя содержит по крайней мере два ядра, разделённых расстоянием, сравнимым с расстояниями между электронами окружающего роя.

Руководящая идея предыдущих частей работы состояла в том, что атомы образуются постепенным связыванием ядром некоторого числа электронов, первоначально почти покоящихся. Но такое представление неприменимо при рассмотрении системы, состоящей из более чем одного ядра, поскольку в последнем случае нет ничего, что могло бы удержать ядра вместе во время связывания электронов. При этом нужно заметить, что если единственное положительно заряженное ядро в состоянии связать небольшое число электронов, то, напротив, два ядра с большим зарядом не могут удерживаться вместе парой электронов. Следовательно, мы должны предположить, что конфигурации с несколькими ядрами образуются при встрече систем (каждая из которых содержит одно ядро), ранее уже связавших некоторое число электронов.

В § 2 рассматривается строение и устойчивость уже связанных систем. Мы будем рассматривать только простейший случай, когда система состоит из двух ядер и одного кольца электронов, вращающихся вокруг прямой, соединяющей ядра. Результат расчёта даст, правда, указания на то, какие конфигурации следует ожидать в сложных случаях. Как и в предыдущих частях работы, мы предположим, что условия равновесия можно получить с помощью обычной механики. Но при определении абсолютных размеров и устойчивости системы мы воспользуемся основной гипотезой, установленной в части I. Согласно этой гипотезе, момент импульса каждого электрона относительно центра своей орбиты имеет универсальное значение h/2, где h — постоянная Планка. Кроме того, принимается условие устойчивости: общая энергия системы при заданной конфигурации меньше, чем при любой другой близкой конфигурации, удовлетворяющей тому же условию для момента импульса электронов.

В § 3 обсуждается ожидаемая конфигурация молекул водорода.

В § 4 рассматриваются способы образования системы. Будет предложен простой способ, дающий возможность проследить шаг за шагом соединение двух атомов при образовании молекулы. Будет показано, что получаемое расположение удовлетворяет условиям, использованным в § 2. Роль, которую играет момент импульса электрона в этих рассуждениях, является сильным доводом в пользу основной гипотезы.

Наконец, § 5 содержит некоторые указания на то, какого рода конфигурации можно ожидать для систем с большим числом электронов.

§ 2. Конфигурации системы и её устойчивость

Рассмотрим систему, состоящую из двух ядер одинакового заряда и одного кольца электронов, вращающихся вокруг прямой, соединяющей ядра. Пусть n — число электронов в кольце, -e — заряд одного электрона, Ne — заряд каждого ядра. Как легко показать, система будет находиться в равновесии, если ядра равноудалены от плоскости кольца и справедливо соотношение

b=a

4n

N