Избранные научные труды
Шрифт:
Фундаментальное отличие нашей модели от статической модели Лэнгмюра состоит в том, что мы рассматриваем конфигурации электронов, движущихся один около другого с большими скоростями, так что электроны «внешних» групп проникают во время своего обращении в область орбит электронов «внутренних» групп. Независимо от этого мы видим, что порядок следования электронных групп атома, который мы получаем, прослеживая последовательное присоединение электрона, существенно отличен от расположения групп в теории Лэнгмюра. Аналогично приёму, применённому для объяснения различия свойств элементов четвертого периода но сравнению с элементами предыдущих периодов, Лэнгмюр объясняет свойства элементов шестого периода тем, что в атоме кроме слоёв соответственно с 2, 8, 8, 18 и 18 электронами, использованных для интерпретации элементов предыдущих периодов, имеется ещё слой с 32 местами для электронов; этот последний слой полностью заполняется у радона 1.
1 Следующий абзац добавлены в сб.: «Drei Aufs"atze…».— Прим. peд.
[В связи с вопросом о расположении групп в атоме, затронутом в докладе, интересно указать, что недавно в Journal of the American Chemical Society появилась работа Бэри, в которой пересматриваются химические свойства элементов на основании представлений, аналогичных взглядам Льюиса и Лэнгмюра. Бэри подчёркивает, что объяснение свойств элементов последующих периодов может быть значительно проще, чем у Лэнгмюра. Нужно предположить — подобно тому, как это делает Ладенбург,— что возникновение четвертого и пятого периодов связано с завершением заполнения внутренних электронных групп; появление семейства редких земель в шестом периоде также объясняется подобным же завершением заполнения внутренней группы атома. Такое воззрение уже высказывал Вегард в связи с его исследованиями рентгеновских спектров. Бэри упоминает о моей первой заметке в «Nature», в которой в общих чертах излагается развиваемая здесь картина атома, однако не высказывается по вопросу о причине возникновения и устойчивости различных электронных групп в атоме.]
Переходя, наконец, к седьмому и последнему периоду системы элементов, мы вправе ожидать появления семиквантовых орбит в нормальном состоянии атома. В нейтральном атоме радия кроме конфигурации электронов, соответствующей радону, появляются два электрона на 71– орбитах. Эти электроны во время своего обращения будут не только проникать в области орбит с меньшим главным квантовым числом, но и на такие расстояния от ядра, которые меньше радиусов внутренних одноквантовых орбит. Свойства элементов седьмого периода очень напоминают свойства элементов пятого периода. В противоположность шестому периоду в начале седьмого нет элементов, аналогичных редким землям. В полном соответствии с тем, что мы говорили об отношении свойств элементов четвертого периода к элементам пятого периода, приведённое выше обстоятельство объясняется тем, что эксцентрическая 54– орбита соответствует более слабой связи 79-го электрона в атоме элемента седьмого периода, чем связь 47-го электрона на круговой орбите элемента шестого периода; разница в прочности связи этих электронов на 61– орбите и на 51– орбите остаётся незначительной.
Таблица
Элемент
Атом
ный
номер
Число электронов на орбитах
n
k
1
1
2
1
2
2
3
1
3
2
3
3
4
1
4
2
4
3
4
4
5
1
5
2
5
3
5
4
5
5
6
1
6
2
6
3
6
4
6
5
6
6
7
1
7
2
7
3
Гелий
2
2
Неон
10
2
4
4
Аргон
18
2
4
4
4
4
–
Криптон
36
2
4
4
6
6
4
4
–
–
Ксенон
54
2
4
4
6
6
6
6
6
6
–
4
4
–
–
–
Радон
86
2
4
4
6
6
6
8
8
8
8
6
6
6
–
–
4
4
–
–
–
–
?
118
2
4
4
6
6
6
8
8
8
8
8
8
8
8
–
6
6
6
–
–
–
4
4
–
Как известно, седьмой период до сих пор остаётся доконченным, так как мы не знаем ни одного элемента с атомным номером более 92; по всей вероятности, это связано с радиоактивностью последних элементов системы. По-видимому, атомные ядра с зарядом, большим 92e, недостаточно устойчивы и не могут наблюдаться в тех условиях, в которых мы изучаем свойства элементов. Довольно заманчивая задача — набросать картину строения атомов с порядковым номером больше 92, образующихся путём присоединения и связывания электронов в поле ядра, и отсюда определить химические свойства этих гипотетических элементов. Я не предполагаю, однако, останавливаться на этом вопросе, так как развитая мной интерпретация свойств фактически наблюдаемых веществ делает для вас и без того ясным способ подхода к решению такой задачи. Лучшей сводкой результатов наших соображений, может быть, послужит таблица, содержащая символическое представление строения атомов благородных газов, замыкающих первые шесть периодов системы элементов. Чтобы яснее оттенить общую тенденцию, в таблице приведена также предполагаемая конфигурация электронов атома следующего элемента с теми же свойствами, что и остальные благородные газы.
[Для дальнейшей иллюстрации результатов, изложенных в докладе, на рис. 4 даётся такое расположение периодической системы элементов, в котором делается попытка наглядного изображения связи между периодами и ступенчатым образованием электронных групп в атоме с возрастанием атомного номера. Это развитие электронных групп отмечается на таблице рамками, в которые заключается ряд элементов, в атомах которых постепенно образуется «внутренняя» электронная группа. В четвертом и пятом периодах имеются, например, простые рамки, указывающие на полное завершение группы электронов на трёхквантовых орбитах и на предпоследнюю ступень развития группы четырёхквантовых орбитах. В шестом периоде понадобилось ввести две рамки, охватывающие одна другую; внутренняя рамка соответствует последней ступени развития группы четырёхквантовых орбит, сказывающейся в появлении редких земель; это происходит в том месте системы, где начинается уже третья ступень развития группы пятиквантовых орбит, отмеченная внешней рамкой. В связи с этим нужно отметить, что число элементов, заключённых во внутреннюю рамку, меньше, чем общее число элементов, относящихся к редким землям. Относительно конца этого семейства, как известно, существует неопределённость, проистекающая от того, что элемент с атомным номером 72 с достоверностью неизвестен. Однако теория позволяет заключить, как это и отмечено на схеме, что электронная группа с четырёхквантовыми орбитами полностью сформирована уже у лютеция (атомный номер 71). Этот элемент должен быть поэтому последним в ряду веществ с аналогичными свойствами в первой половине шестого периода; на месте элемента с порядковым номером 72 следует ожидать элемент, по своим физическим и химическим свойствам являющийся гомологом циркония и тория. Этот пункт указан уже Бэри в связи с его соображениями, изложенными выше. В седьмом, незаконченном периоде рамка, начерченная сплошной чертой, указывает на третью ступень развития электронной группы с шестиквантовыми орбитами, которая начинает заполняться у актиния. Пунктирная рамка отмечает предпоследнюю ступень развития группы с пятиквантовыми орбитами, не наблюдавшуюся до сих пор, но относительно которой можно предполагать, что она начинает заполняться вскоре после урана, если уже не в самом уране. Линии, соединяющие элементы различных периодов, указывают на сходство химических и физических свойств соответствующих элементов. Подобное изображение периодической смены свойств элементов предложено более 20 лет назад Юлиусом Томсеном; такое представление даёт большую свободу сравнения свойств элементов с представлениями о строении атомов, чем обычные способы изображения.
Рис. 4
Исключительное положение элементов, заключённых в рамки, в отношении гомологичности отмечается на рис. 4 тем, что ни одна соединительная линия не проведена между такими элементами, которые занимают неодинаковое положение относительно рамок, несмотря на большое сходство многих из таких веществ в различных отношениях. В обычных изображениях периодической системы, например, отмечается прямо или косвенно большое сходство в химическом отношении алюминия и скандия: оба элемента определённо электроположительны и трёхвалентны. Это объясняется сходным строением трёхвалентных ионов этих элементов; на основании наших более детализированных представлений о строении атомов следует, однако, ожидать существенной разницы во многих физических свойствах алюминия и скандия, так как характер связи трёх последних электронов в обоих случаях весьма различен. Таким образом, например, непосредственно объясняется большое различие сериальных спектров алюминия и скандия. Несмотря на то, что спектр скандия ещё недостаточно изучен, можно утверждать, что указанное различие значительно более резко, чем, например, между дуговыми спектрами натрия и меди; эти последние спектры обладают совершенно аналогичной структурой, если только не обращать внимание на абсолютное значение спектральных термов, как это уже ранее отмечено в докладе.
В этой связи интересно указать, что при сравнении спектров двух элементов дальнейших периодов, занимающих различные положения в рамках или расположенных внутри одной и той же рамки, следует ожидать характерных отклонений от различных простых правил, описывающих изменения структуры спектров в пределах первых трёх периодом системы. Интересные данные по этому вопросу содержатся в статье Каталина, недавно появившейся в Proceedings of Royal Society. Ему удалось обнаружить как в дуговых, так и в искровых спектрах марганца системы серий с отклонениями от тех законов, которые имеют силу для остальных, разобранных до сих пор спектров. Подобные отклонения и следует ожидать на основании тех соображений, которые приведены для объяснения происхождения группы железа в четвертом периоде; наличие этих отклонений можно рассматривать как веское подтверждение развитых воззрений.]1
1 Предшествующие три абзаца добавлены в сб.: «Drei Aufs"atze...».— Прим. ред.
Прежде чем оставить вопрос об истолковании химических свойств элементов на основании нашей модели атома, мне хотелось бы ещё раз напомнить, что изложенные соображения основаны на изучении с помощью квантовой теории тех процессов, которые связаны с образованием атома путём последовательного присоединения электронов. Исходная точка зрения, положенная в основу этого исследования, находит свое выражение в так называемом принципе соответствия. За применениями квантовой теории этот принцип позволяет подозревать внутреннюю связь того же типа, что и внутренняя связь в классической электродинамике; несмотря на обширность области применения электродинамики, она не в состоянии объяснить устойчивость атома, проявляющуюся в свойствах элементов. Изложенные здесь соображения, конечно, можно углубить во многих пунктах дальше. Но мы ещё не можем утверждать, что результаты, содержащиеся в приведённой выше таблице, должны рассматриваться во всех деталях как единственный возможный результат применения принципа соответствия. С другой стороны, изложенные соображения настолько объясняют эмпирические данные, что едва ли возможна существенно отличная интерпретация свойств элементов на основании постулатов квантовой теории. Сказанное относится не только к сериальным спектрам и их тесной связи с химическими свойствами элементов, которую мы получили при рассмотрении образования атомов, но также в большой степени и к рентгеновским спектрам, анализ которых приводит к изучению внутриатомных процессов совершенно иного рода. Надо думать, как мы уже говорили, что излучение рентгеновских спектров связано с процессами перестройки уже сформированного атома, происходящими в результате возмущений, вызываемых внутри атома внешними силами.