Чтение онлайн

Другой путь, по которому может идти образование нейтральной молекулы водорода,— это объединение одного положительно заряженного атома и одного отрицательно заряженного. Согласно теории, положительно заряженный атом водорода представляет собой просто ядро с пренебрежимо малыми размерами и зарядом e, тогда как отрицательно заряженный атом является системой, состоящей из одного ядра и окружающего его кольца с двумя электронами. Как показано в части II, такую систему следует считать возможной, потому что выделенная при её образовании энергия больше, чем соответствующая энергия для нейтрального атома водорода. Представим себе теперь, что, как и прежде, благодаря медленному смещению ядер положительно и отрицательно заряженные атомы соединяются. Мы должны допустить, что если ядра сблизились до расстояния, равного принятому для конфигурации молекулы водорода, то электроны расположены так же, как в единственно устойчивой для данного расстояния конфигурации, при которой момент импульса электронов обладает предписанным теорией значением. Но состояние движения электронов при смещении ядер не будет меняться непрерывно, как это имеет место при соединении двух нейтральных атомов. При определённом расстоянии между ядрами конфигурация электронов становится неустойчивой и резко претерпевает некоторое конечное изменение; это вытекает непосредственно из того обстоятельства, что, как было показано выше, движение электронов при соединении двух нейтральных атомов пробегает непрерывный ряд устойчивых конфигураций. Поэтому в случае соединения одного положительно и одного отрицательно заряженных атомов работа, произведенная системой против внешних сил, действующих на ядро, не будет равняться разности энергий первоначальной и конечной конфигураций; при прохождении через неустойчивые конфигурации должно испускаться излучение, соответствующее тому, которое испускается при связывании электронов одним ядром, которое рассматривалось в частях I и II.

Из изложенного выше следует, что при распаде молекулы водорода в результате медленного увеличения расстояния между ядрами получаются два нейтральных атома, а не один положительно и один отрицательно заряженные атомы. Это согласуется со следствиями, вытекающими из опытов над положительными лучами 1.

1 Ср.:J. J. Thomson. Phil. Mag., 1912, 24, 248.

Теперь представим себе вместо двух атомов водорода два атома гелия, т. е. системы, каждая из которых состоит из одного ядра с зарядом 2e и окружающего его кольца из двух электронов, и осуществим процесс, подобный рассмотренному на стр. 141. Примем, что в начале этого процесса атомы гелия также ориентированы друг относительно друга, как и атомы водорода, с той лишь разницей, что фазы электронов в атоме гелия отличаются на четверть оборота, вместо половины оборота у водорода. Как и в предыдущем случае, при смещении ядер плоскости электронных колец сближаются быстрее, чем ядра, и при определённом расстоянии между ядрами плоскости колец сливаются. В ходе дальнейшего сближения ядер электроны располагаются в одном кольце на равных угловых расстояниях. Как и в предыдущих случаях, можно показать, что в ходе этой операции в любой момент времени система остаётся устойчивой относительно смещения электронов перпендикулярно плоскости кольца. Но в противоположность тому, с чем мы встретились в случае водорода, внешние силы, которые необходимо будет применять, чтобы держать систему в равновесии, постоянно действуют в направлении уменьшения расстояния между ядрами, и система никогда не пройдет через равновесную конфигурацию; атомы гелия в ходе этого процесса взаимно «отталкиваются». Эти соображения объясняют, почему атомы гелия не расположены к соединению в молекулу при их сближении.

Вместо двух атомов водорода или гелия рассмотрим теперь один атом водорода и один гелия, ядра которых медленно сближаются подобным же образом. В этом случае в противоположность предыдущим электроны не стремятся располагаться в одном кольце. Вследствие большой разницы в радиусах орбит электронов в водороде и гелии следует ожидать, что электрон атома водорода всегда будет вращаться вне кольца гелия, и, если ядра будут приведены на очень близкое расстояние, конфигурация электронов будет совпадать с принятой в части II для лития. Внешние силы, действующие на ядра в ходе этого процесса, будут иметь направление, уменьшающее расстояние. Поэтому таким путём нельзя осуществить соединение атомов.

Рассмотренная в § 3 устойчивая конфигурация из трёх электронов и двух ядер с зарядами e и 2e не может быть образована в результате такого процесса; следовательно, электронное кольцо с самого начала было связано одним из двух ядер. Однако ни ядро водорода, ни ядро гелия не способны связать кольцо из трёх электронов, поскольку такой конфигурации будет соответствовать большая суммарная энергия, чем энергия, отвечающая связыванию ядром только двух электронов (ср. часть II, стр. 118, 119). Как указано в § 3, подобная конфигурация не может рассматриваться как возможное соединение водорода и гелия, несмотря на то, что значение W больше, чем сумма значений W для атомов водорода и гелия. Но как мы увидим в следующем параграфе, эта конфигурация может дать указания относительно возможного строения молекул определённого класса химических соединений.

§ 5. Системы, содержащие большее число электронов

Из рассуждений предыдущих параграфов мы приходим к указаниям о конфигурации электронов в системах с большим числом электронов, согласующимся с изложенными в § 2.

Представим себе, что мы даём возможность сблизиться двум атомам с большим числом электронов, подобно тому, как это делалось на стр. 140 для двух атомов водорода. В начале этого процесса влияние внутренних колец на конфигурацию весьма ограничено по сравнению с влиянием внешних колец, так что конечный результат будет зависеть в основном от числа электронов в этих кольцах. Если, например, внешнее кольцо у обоих атомов содержит только по одному электрону, можно ожидать, что эти оба электрона при сближении ядер образуют одно кольцо, как и в случае водорода. При дальнейшем сближении ядер система придёт в состояние равновесия прежде, чем расстояние между ядрами становится сравнимым с радиусом внутренних электронных колец. Если расстояние продолжает уменьшаться, то отталкивание ядер будет преобладать, стремясь препятствовать сближению систем.

Таким способом мы приходим к возможной конфигурации молекулы, состоящей из двух одноатомных веществ, например молекулы HCl, у которой электронное кольцо, представляющее химическую связь, ориентировано подобно тому, как это имеет место в молекуле водорода. Однако, поскольку, как и в случае водорода, выделяющаяся при связывании атомов энергия составляет лишь небольшую долю кинетической энергии внешних электронов, следует ожидать, что небольшие отличия в расположении электронов в кольцах, вызванные наличием в атомах внутренних колец, окажут большое влияние на теплоту образования и химическое родство веществ. Как упоминалось в § 2, детальное обсуждение этих вопросов приводит к трудоёмким численным расчётам. Однако мы можем произвести приближённое сравнение теории с экспериментом, если рассмотрим относительную частоту колебаний двух атомов в молекуле. В § 3 (стр. 139) мы вычислили эту частоту для молекулы водорода. Если только предположить, что связь атомов подобна связи атомов в молекуле водорода, то частоту другой молекулы легко вычислить, зная отношение масс данного ядра и ядра водорода. Обозначая частоту водородной молекулы через 0, а атомные веса веществ, осуществляющих упомянутую связь, через A1 и A2 соответственно, для частоты получаем

=

0

A1+A2

A1A2

1/2

.

Если атомы одинаковы, то молекула строго симметрична, и мы не можем ожидать поглощения излучения, соответствующего упомянутой частоте. Для газа HCl в инфракрасной области наблюдалась полоса поглощения1 соответствующая частоте около 8,5·1013. Если в последней формуле положить A1 = 1 и A1 = 35 и использовать для 0 значение, приведённое на стр. 139, то получим = 13,7·1012. Учитывая характер использованного приближения, получающееся соответствие можно считать удовлетворительным.

1 См.: Н. Кауsег. Handb. d. Spektr., 1905, 3, 366.

Рассматриваемые молекулы могут возникнуть и в результате соединения двух атомов, из которых один заряжен положительно, а другой —-отрицательно. Однако, как и в случае водорода, следует ожидать, что при распаде молекулы получаются два нейтральных атома. Но могут существовать и молекулы другого типа, для которых это не имеет места, например молекулы, построенные подобно рассмотренной в предыдущем параграфе системе из кольца с тремя электронами и двух ядер с зарядами соответственно e и 2e. Как мы видели, необходимым условием образования такого рода конфигурации является способность одного из атомов связывать три электрона во внешнем кольце. Согласно нашей теории, это условие не удовлетворяется для атомов водорода или гелия, тогда как для кислорода оно имеет место. С помощью использованных в части II обозначений конфигураций предположенная для кислорода конфигурация обозначалась как 8(4, 2, 2). С помощью расчёта, проделанного и в части II, получаем для этой конфигурации W = 228,07W0, а для конфигурации 8(4, 2, 3) W = 228,18W0. Поскольку последнее значение W больше первого, конфигурацию 8(4, 2, 3) можно считать способной к существованию; она представляет однократно отрицательно заряженный атом кислорода. Если только ядро водорода приблизится к системе 8(4, 2, 3), можно ожидать образования устойчивой конфигурации, в которой внешние электроны расположены примерно так же, как в упомянутой выше системе. При распаде этой конфигурации кольцо из трёх электронов останется с атомом кислорода.

Эти рассуждения ведут к возможной для молекулы воды конфигурации, состоящей из ядра кислорода с небольшим кольцом из четырёх электронов и двух ядер водорода, расположенных на оси кольца на равных расстояниях от первого ядра и удерживаемых в равновесии двумя большими кольцами с тремя электронами в каждом; последние вращаются вокруг оси системы в параллельных плоскостях и расположены так, что электроны в одном кольце находятся как раз напротив промежутков между электронами в другом. Если представить себе, что такая система распадается вследствие медленного взаимного удаления ядер водорода, то мы должны получить два положительно заряженных атома водорода и атом кислорода с двойным отрицательным зарядом. В последнем внешние электроны должны располагаться в двух трёхэлектронных кольцах, вращающихся в параллельных плоскостях. Принятие такой конфигурации для молекулы воды даёт возможность объяснить сильное поглощение водой инфракрасных лучей и большую величину её диэлектрической постоянной.

До сих пор мы рассматривали только системы, имеющие ось симметрии, вокруг которой по круговым орбитам вращаются электроны. Но в таких системах, как молекула CH4, мы не можем предполагать существование оси симметрии и поэтому должны отказаться от строго круговых орбит. Требуемая теорией конфигурация молекулы CH4 является конфигурацией обычного тетраэдрического типа: в центре тетраэдра — атом углерода с очень узким кольцом из двух электронов, а в каждом углу — атом водорода. Химические связи представлены четырьмя двухэлектронными кольцами, вращающимися вокруг отрезков, соединяющих центр с углами. Более детальное обсуждение такого вопроса лежит далеко за рамками представленной здесь теории.

Заключительные замечания

В настоящей работе была сделана попытка развить теорию строений атомов и молекул на основании представлений, введённых Планком для расчёта излучения черного тела, и теории строения атома, предложенной Резерфордом для объяснения рассеяния -частиц веществом.

Теория Планка рассматривает испускание и поглощение излучения атомным вибратором постоянной частоты независимо от энергии, которой обладают системы в рассматриваемый момент. Но предположение о таком вибраторе включает предположения о квазиупругих силах и несовместимо с теорией Резерфорда, согласно которой все силы, действующие между частицами в атомной системе, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними. Поэтому, чтобы иметь возможность использовать основные результаты Планка, необходимо вводить новые предположения об испускании и поглощении излучения атомными системами.