Атом

АтомATOM. Общие понятия. Атомом называются частицы, из которых состоят материальные тела, представляющие объект изучения физики и химии. Представление об атоме возникло у античных греческих и индийских философов, причем это представление явилось продуктом философской спекуляции, а не систематического опытного исследования. Роберт Бойль (1661 г.) впервые отчетливо сформулировал понятие о химическом элементе как о совокупности одинаковых атомов в отличие от химического соединения, состоящего из атомов разных сортов. При этом Бойль отверг представление о неразрушимости атома. В начале 19 в. Д. Дальтон развил атомистическую теорию в той форме, в которой она и до сих пор служит основой химии. Признавая, что материальные тела состоят из атомов и что главной характеристикой каждого сорта атома является вес, Дальтон категорически отрицал возможность разложения элементов и их превращение друг в друга. Важнейшим аргументом в пользу атома у Дальтона был открытый им «закон простых кратных отношений»: количества химического элемента А, вступающие в химическое соединение с одним и тем же количеством химического элемента В, относятся друг к другу, как небольшие целые числа. Дальтон (1808 г.) насчитывал 20 сортов атомов.

Дальнейший прогресс химии в 19 в. сопровождался открытием большого количества новых химических элементов и измерением их атомного веса. Гипотеза В. Праута (1815 г.) о том, что веса всех атомов, измеренные по отношению к весу атома водорода, являются целыми числами, была опровергнута И. Берцелиусом, который стал первый определять точные атомные веса; однако тот факт, что атомные веса большинства легких элементов близки к целым числам, не мог быть объяснен одной лишь случайностью. Это побуждало многих химиков к поискам связей между химическими элементами и к установлению естественной классификации атомов (Доберейнер, Петенкофер, Одлинг, Гладстон, Бегюэ де-Шанкуртуа, Ньюлэндс). Завершением этих работ является открытие периодической системы элементов, сделанное около 1869 года Д. И. Менделеевым и Лотаром Мейером и сыгравшее огромную роль в развитии атомистической теории.

В последней четверти 19 в. атомистическая теория подверглась нападкам со стороны философов и идеалистически философствующих физиков (Max, Оствальд, Дюгем и др.). Исходным пунктом для этих нападок была кажущаяся невозможность определения абсолютного веса атома. Однако в то же время атомистическая гипотеза получила сильное подтверждение в том, что применение ньютоновской механики к движению отдельных атомов позволило объяснить тепловые явления (Гельмгольц, Больцман и Гиббс). Спор о реальном существовании атомов был разрешен благодаря экспериментальным открытиям, которые подтвердили реальность атома, вместе с тем опровергнув их элементарную природу, неразложимость и непревращаемость. К этим открытиям привело изучение прохождения электрического тока через разреженные газы (катодные лучи, 1869 г.). В 1874 году В. Крукс впервые высказал гипотезу о том, что катодные лучи состоят из частиц, которые входят в состав атомов материальных тел. Дж. Дж. Томсон (1897 г.) произвел первое измерение отношения заряда е к массе m для частиц катодных лучей и обнаружил, что это отношение e/mво много раз больше, чем аналогичное отношение для водородного иона, непосредственно находимое из опытов электролизом. Так возникло учение об электроне - отрицательно заряженной частице, входящей в состав атомов. Более точные измерения отношения e/mдля электронов, выделяющихся из атомов при самых разнообразных физических явлениях, показали, что масса электрона в 1840 раз меньше массы самого легкого атома - водородного. Непосредственное измерение заряда электрона (Милликен) позволяет определить и массу водородного атома (mH = 1,662·10-24 г), а это дает базис для определения абсолютного веса всех атомов вообще. Совершенно независимый от этого способ определения веса атомов дает теория броуновского движения, развитая Эйнштейном (1905 г.). Измерения среднего квадрата перемещения взвешенной в жидкости микроскопической частицы, подвергающейся ударам со стороны молекул жидкости, позволили Ж. Перрену вычислить на основе теории Эйнштейна число атомов в грамматоме (число Авогадро), и это привело к абсолютным весам атомов, совпадающим с теми, которые были вычислены другими способами. К таким же значениям атомных масс приводят и другие пути, основанные на физических теории (теория равновесного излучения, развитая Планком, теория спектральных линий по Бору и т. д.). Совпадение результатов, полученных столь разнообразными методами, является убедительным доказательством реальности атомов. Но вместе с этим доказательством было получено и доказательство того, что атомы являются сложными системами, из которых сравнительно легко м. б. выделены электроны, впрочем, без изменения химической индивидуальности атомов: при таком отделении или прибавлении электронов атома данного химического элемента превращается в ион того же самого элемента (т. е. в заряженный атом). Дальнейшим шагом было открытие радиоактивности в 1896 г. Изучение сложных соотношений, имеющих место в явлениях радиоактивности, привело Резерфорда и Содди (1903 г.) к гипотезе трансмутации элементов: отдавая α- или β-частицы, атом радиоактивного химического элемента превращается в атом какого-нибудь другого (радиоактивного или нерадиоактивного) элемента.

Эта гипотеза была уточнена в «правиле сдвига» Фаянса и Содди: испускание α-частицы уменьшает атомный вес на 4 и перемещает элемент на 2 места ближе к началу периодической системы; испускание β-частицы не меняет атомный вес и отодвигает элемент на одно место дальше от начала системы. Одновременно с этим (1907—1913 гг.) Содди ввел понятие об изотопах, которые сперва определялись как разновидности одного и того же химического элемента, занимающие одно и то же место в периодической системе и неотделимые друг от друга химическими методами несмотря на различие в атомных весах. Изотопы были сперва обнаружены только среди радиоактивных элементов, но в 1912 г. Дж. Дж. Томсон обнаружил при анализе пучков положительных ионов в разрядной трубке, что неон (атомный вес 20,18) является смесью двух изотопов с атомными весами 20 и 22. Ф. В. Астон продолжил исследования Томсона, и в настоящее время уже изучена изотопическая структура очень большого количества нерадиоактивных элементов. Разработан также ряд способов отделения изотопов друг от друга, основанных на различной величине массы атомов (различие в массе атомов двух изотопов одного и того же элемента приводит к различной скорости диффузии, испарения и т. д.). Однако для огромного большинства изотопов это различие в массе так невелико (относительно), что практически оказывается возможным только частичное разделение. Исключение составляет открытый в 1932 г. изотоп водорода, масса атома которого в два раза больше, чем масса атома обыкновенного водорода. Этот изотоп, называемый диплогеном, сравнительно легко отделяется от обыкновенного водорода, причем такое разделение м. б. произведено и химическими, а не только физическими способами (естественно, что между «химическими» и «физическими» методами разделения изотопов невозможно провести строгого разграничения). В настоящее время под химическим элементом понимают совокупность атомов, занимающих одно и то же место в периодической системе (независимо от прочих возможных различий этих атомов и от возможности отделить их друг от друга). Под изотопами понимают разновидности одного и того же элемента. Большинство изотопов не имеет специальных названий, и их отличают друг от друга только массой, которая всегда оказывается (в единицах, в которых вес наиболее распространенного кислородного изотопа принят за 16) близкой к какому-нибудь целому числу. Это целое число называют массовым номером данного сорта атомов и обозначают буквой М. Точную массу атомов в тех же единицах обозначают буквой А; порядковый (атомный) номер элемента в периодической системе - буквой Z (о точном смысле этого числа см. ниже). Числа M и Z - целые, А может быть дробным числом, которое сравнительно мало отличается от М. Обыкновенно изотопы обозначаются прибавлением числа М к символу химического элемента: например, изотопы лития обозначаются Li7 и Li6, изотопы кислорода - О16, О18, О17 и т. д. В некоторых случаях по практическим соображениям обозначают изотопы специальными символами, например, АсХ, ТhХ и MsTh1 все являются изотопами элемента Ra; «диплоген» D является изотопом элемента Н; в этих случаях сам элемент обозначается так же, как наиболее распространенный или (в случае радиоактивных элементов) как наиболее медленно распадающийся изотоп. Изотопы одного и того же элемента всегда обладают одинаковым Z (по определению), но они могут обладать и одинаковым М (например, UZ и UX2 оба имеют М=234, Z=91 и отличаются друг от друга только быстротой β-распада).

Тот факт, что точный вес А любого атома (в названных единицах) всегда близок к целому числу M, по существу является подтверждением гипотезы Праута (см. выше); отступления химического атомного веса от целочисленности сводятся к тому, что простые тела, с которыми имеет дело химик, являются смесями еще более простых тел - изотопов - и для этих изотопов подтверждается гипотеза Праута, которая оказалась неверной для химических элементов. Целочисленность атомных весов изотопов наводит на мысль, что все атомы построены из весьма небольшого количества сортов структурных элементов (... «все атомы состоят из атомов водорода», - как думал Праут). Следует заметить, что неточная целочисленность атомного веса изотопов не является возражением против этой мысли, т. к. при соединении друг с другом элементарных частиц, образующих атомы, небольшая часть общей массы м. б. потеряна на излучение. Однако в настоящее время окончательные структурные элементы, из которых построены атомы всех веществ, еще не м. б. названы, несмотря на огромные успехи, достигнутые в изучении структуры атома.

Строение атома (общий обзор). Представление о том, что в состав атома входят электроны, которые м. б. сравнительно легко отделяемы от атома и прибавляемы к нему вновь, возникло в начале последней четверти 19 в. (Крукс, см. выше). В 1881 г. Гельмгольц обосновал это представление, указав на то, что ионы, выделяющиеся при электролизе, являются атомами, потерявшими или присоединившими к себе один или несколько атомов электричества (электронов). Вскоре возникло представление, что именно электроны, а не что-либо другое, ответственны за испускание атомом спектральных линий. К этому представлению привело открытие явления Зеемана (1896 г.), объясненного Лоренцом: известно, что магнитное поле Н действует на заряд е, движущийся со скоростью v, с силой е [vH] (если е измерено в электромагнитных единицах). Известно также из механики, что в системе отсчета, вращающейся с угловой скоростью а, действует сила Кориолиса, равная 2m[va], где m - масса частицы. Отсюда видно, что магнитное поле Н в известном смысле эквивалентно вращению atom f1. Поэтому если без магнитного поля электрон двигался в атоме с частотой w (частотой мы называем число периодов в 2π сек.), то теперь к этой частоте прибавляется или отнимается (в зависимости от первоначального направления вращения) частота atom f2 где Н - величина магнитного поля; наряду со спектральной линией с частотой w теперь можно наблюдать и частоты atom f3. Таково данное Лоренцом объяснение дублетов и триплетов явления Зеемана. Сравнение формулы Лоренца с опытом позволило вычислить отношение для частицы, движение которой в атоме вызывает испускание спектральной линии, и это вычисление дало то же самое значение e/m, какое получил Томсон для электронов катодных лучей. Это было подтверждением идеи Крукса и вместе с тем триумфом классической электродинамики. Дальнейшее развитие, однако, не оправдало надежд на успешное применение электродинамики к задаче строения атома. Не говоря уже о том, что в явлении Зеемана во многих случаях вместо предсказываемых теорией Лоренца дублетов и триплетов появляются мультиплеты, само существование устойчивых атомов, обладающих определенными физическими и химическими свойствами и в частности испускающих определенные спектральные линии, противоречит классической электродинамике, согласно которой движение электронов в пределах атома неминуемо должно сопровождаться непрерывным уменьшением энергии атома вследствие излучения и следовательно, вообще говоря, столь же непрерывным изменением свойств атома. Столь же непонятным представлялось и то обстоятельство, что при подсчете числа степеней свободы макроскопических тел необходимо было игнорировать существование электронов внутри атомов и даже существование электронов проводимости, для того чтобы получить на основе классической статистики правильные значения теплоёмкостей этих тел. Все это с ясностью показывает, что классическая механика и классическая электродинамика неприменимы к вопросам атомной структуры.

Решающий успех в этом направлении был достигнут только в 1911 г. благодаря опытам Резерфорда и его учеников. Резерфорд показал, что при прохождении быстрых α-частиц через тонкие слои разных веществ иногда наблюдаются весьма резкие отклонения движущейся α-частицы от первоначального направления движения, которые м. б. объяснены только тем, что α-частица попадает внутри атома в электрическое поле чрезвычайно большой силы. Существование внутри атомов таких электрических полей Резерфорд объяснил тем, что весь положительный заряд атома сосредоточен в ядре атома, обладающем весьма небольшими размерами (по сравнению с размерами атома); отрицательно заряженные электроны находятся вне ядра, образуя электронную оболочку атома. Эта модель атома, предложенная Резерфордом (нуклеарная, или ядерная, модель), явилась основой для всего дальнейшего развития учения о строении атома. Представление о том, что атом состоит из Z отрицательных электронов и из ядра, обладающего зарядом +Ze, приводит к закону рассеяния α-частиц, который действительно был подтвержден опытами Резерфорда, и это дало возможность измерить (приближенно) число Z для многих химических элементов. В 1913 году ван-дер-Брук (van der Broek) на основании этих измерений высказал ту гипотезу, что число Z совпадает с номером элемента в периодической системе. Эта гипотеза была полностью подтверждена всем дальнейшим развитием атомной теории. Заметим, что для всех химических элементов и их изотопов (если не считать водорода, а также нескольких открытых в 1934 г. неустойчивых элементов) выполняется неравенство M≥2Z. В частности, оно приводит к тому, что масса всех электронов, вместе взятых, составляет не больше, чем 0,0003 всей массы атома. В ядре, следовательно, сосредоточена почти вся масса атома. Подтверждением гипотезы ван-дер-Брука явилось прежде всего «правило сдвига» Фаянса и Содди (см. выше). Его можно трактовать в том смысле, что α- и β-частицы, выделяющиеся при радиоактивном распаде, вылетают из атомного ядра: т. к. α-частица, как показывают непосредственные измерения, обладает зарядом +2е и массой в 4 единицы атомного веса, то при α-распаде свойства ядра должны изменяться по схеме ZàZ—2, МàМ—4; при вылете же из ядра электрона (β-частицы) д. б. ZàZ+1, МàМ (последнее потому, что массой электрона можно пренебречь). Кроме того, α-частица должна ничем не отличаться от ядра атома гелия, у которого атомный вес равен 4 и порядковый номер 2. Это подтверждается непосредственными опытами: спектр эманации радия, помещенной в закрытый сосуд, постепенно превращается в спектр гелия. Радиоактивные явления, следовательно, сводятся к распаду атомных ядер. Это указывает на то, что ядра атомов состоят из протонов и электронов: ядро, характеристиками которого являются числа М и Z, состоят из М протонов и М—Z электронов. Эта простая гипотеза, которая удерживалась в такой простой форме вплоть до 1932 г., побуждала к экспериментальному исследованию структуры ядер прежде всего путем попытки искусственно заставить нерадиоактивные ядра распадаться на части (см. ниже). Энергии, выделяемые или поглощаемые в процессах, связанных с изменением структуры ядер, настолько велики по сравнению с энергиями соответственных процессов в электронной оболочке, что все явления, происходящие с электронными оболочками, не оказывают практически никакого влияния на ядра. В частности, это значит, что обыкновенные химические процессы не м. б. связаны с изменением заряда ядра Z и, следовательно, с изменением химической индивидуальности атомов. Этим резко ограничивается та область явлений, к которой применима точка зрения Дальтона на химический атом; развитие физики не разрушило эту точку зрения, а только указало ей ее естественные границы применения. Тем самым и вопрос о строении атома достаточно резко распадается на две части: вопрос о строении электронной оболочки и вопрос о строении ядра.

Строение электронной оболочки. Важнейшим основанием для наших познаний о строении электронной оболочки атома служит тот огромный материал, который был собран при изучении атомных спектров. В 1908 г. В. Ритц сформулировал т. н. комбинационный принцип, который гласит, что волновые числа (т. е. числа, обратные длине волны) всех спектральных линий данного атома могут быть получены в результате попарного вычитания друг из друга т. н. термов; для каждого сорта атомов существует свой определенный набор таких термов. Простейшим случаем является случай атомного спектра водорода; как показал Бальмер (в последней четверти 19 в.), термы водородного атома могут быть представлены в виде –R/n2, где n - целое число (n= 1, 2, 3,...), a R - т. н. постоянная Ридберга (R = 109677,7 cм-1). Комбинационный принцип Ритца получил простое физическое толкование благодаря тому, что в 1900 г. Планк ввел представление о квантах, впоследствии (1905 г.) развитое Эйнштейном; атомная система обладает в противоречии с классической механикой и электродинамикой определенным дискретным рядом «дозволенных» значений энергии; переход от одного такого значения энергии к другому, меньшему, происходит с излучением кванта энергии hv = ћw, где w=2πv - частота (число периодов в 2π сек.) спектральной линии, ћ = h/2π - квантовая постоянная, равная 1,04·10—27 эрг. сек., h - постоянная Планка. В 1913 г. это представление о дискретных дозволенных значениях энергии получило непосредственное подтверждение в опытах Франка и Герца: поток электронов определенной энергии пускался через пространство, наполненное парами ртути. Пока энергия электронов была меньше, чем 4,9 электрон-вольт, поглощение пучка электронов было очень невелико. При увеличении энергии электронов поглощение увеличивалось скачком, как только энергия переходила за значение 4,9 электрон-вольт, причем в то же время пары ртути начинали испускать линию λ = 2537 Ӑ. Это значение длины волны в точности соответствует энергии 4,9 электрон-вольт, если пересчитать по формуле ћw.

Введение кванта действия в атомную механику является заслугой Нильса Бора. В 1913 г. он опубликовал теорию водородного спектра, в которой сделал попытку ввести квант действия в механику посредством т. н. правила квантования: электрон водородного атома (Z=1) движется по кругу так, что момент количества движения mvr оказывается равным целому числу постоянных атомов. Итак, mvr = nh (n=1, 2, 3, ...). Механика дает кроме того

atom f4

Из обеих формул получаем

atom f5

откуда кинетическая энергия равна

atom f6

Имеем кроме того

atom f7

откуда потенциальная энергия равна

atom f8

Полная энергия равна atom f9 откуда для терма получается значение atom f10 и, следовательно, подтверждается формула Бальмера при условии, что atom f11. Подставляя сюда m = 9,03·10-28 г, е = 4,77·10-10 CGSE, с = 3·1010 см/сек, h = 1,04·10-27 эрг. сек., получаем R = 1,09·105 см-1, т. е. реконструируем постоянную Ридберга с помощью основных постоянных атомной теории. Дальнейшим успехом теории Бора было объяснение спектра водородоподобных атомов (например, гелиевого иона), т. е. ионов, у которых всего лишь один электрон находится в поле ядра с зарядом +Ze. Для терма получается значение atom f12 (R - та же постоянная Ридберга), n - квантовое число. Более точная теория дает для постоянной Ридберга значение, в котором вместо m стоит «эффективная» масса электрона atom f13 где М - масса ядра. Поэтому для спектра гелиевого иона постоянная Ридберга несколько отличается от постоянной Ридберга для водородного спектра. Это отличие было количественно подтверждено опытом.

Теория Бора знаменует собой целую эпоху в развитии атомной теории (1913—1925 гг.). Она была развита Зоммерфельдом и др. Целый ряд следствий теории Бора прекрасно оправдывается на опыте. В частности, она предсказывает правильные размеры атома (порядка ћ2/me2 ≈ 10-8 см). Зоммерфельд разработал правила квантования для более широкого класса случаев, чем это было первоначально сделано Бором (эллиптические орбиты). Опыты Штерна и Герлаха (1921 г.) подтвердили предсказанные теорией Бора значения магнитных моментов атома. Зоммерфельд сумел также ввести в теорию Бора релятивистские поправки (поправки, связанные с теорией относительности) и объяснить с помощью этих поправок «тонкую структуру» спектральных линий водорода и ионизованного гелия. Спектры атома с одним валентным электроном (атом щелочных металлов) также получили естественное качественное объяснение. То же относится и к рентгеновским спектрам тяжелых атомов: теория, развитая Мозли (Moseley, 1914   г.), дает для термов волновых чисел спектральных линий рентгеновских К-, L- и т. д. серий приближенное выражение atom f14 где Zeff (эффективный порядковый номер) меняется для каждой данной серии приблизительно на 1 при переходе от каждого химического элемента к следующему за ним в таблице. Теория Мозли сыграла огромную роль для атомной теории, т. к. она дала физикам возможность непосредственного определения порядкового номера данного химического элемента по его рентгеновским сериям. Целый ряд химических элементов был обнаружен по их рентгеновским спектрам. Среди других важных успехов теории Бора упомянем и объяснение явлений Зеемана (расщепление спектральных линий в магнитном поле) и Штарка (расщепление линий в электрическом поле).

Особенно важным является данное Бором объяснение периодической системы элементов. Согласно теории Бора орбита электрона определяется квантовыми числами n, I и m, причем 0 ≤ l < n, |m| ≤ l. Каждому, «главному» квантовому числу n соответствует определенный энергетический слой в атоме: n=1 соответствует K-слою, n=2 - L-слою, n=3 - М-слою и т. д. Бор постулировал, что в каждом слое не м. б. больше, чем 2n2 электронов, где n - главное квантовое число, т. е. не больше 2 электронов в K-слое, не больше 8 - в L-слое, не больше 18 - в М-слое, не больше 32 - в N-слое и т. д. Если мы будем все время увеличивать Z на 1, то сперва получим атом водорода (Z=1, один электрон в K-слое), затем атом гелия (Z=2, два электрона в K-слое), затем при Z=3 придется посадить третий электрон в L-слой, т. к. К-слой уже заполнен. Получается атом лития (Z=3) с одним валентным электроном в L-слое, затем атом бериллия (Z=4) с двумя такими электронами и т. д. вплоть до неона (Z=10) с восемью электронами в L-слое. Т. о. L-слой уже заполнен, и следующий атом (Z=11) должен вновь оказаться щелочным металлом с одним валентным электроном в наружном слое (М-слое). Так и оказывается (натрий, Z=11). Дальше должен идти элемент с двумя электронами в М-слое (Z=12, магний), аналогичный элементу с 2 электронами в L-слое (Z=4, бериллий) и т. д. Когда в М-слое оказывается 8 электронов (Z=18, аргон), получается благородный газ, вполне аналогичный неону (Z=10), и, хотя М-слой еще не вполне окончен (он может еще принять 18 – 8 = 10 электронов), тем не менее следующий электрон в атоме (Z=19) идет в наружную N-оболочку, так как система из 8 электронов, сидящая в М-слое, обладает высокой степенью устойчивости и неохотно принимает к себе еще электроны. Получается щелочной металл калий (Z=19). Дальше снова, идет щелочноземельный металл кальций (Z=20) с двумя валентными электронами, но при дальнейшем прибавлении электронов постепенно заполняется и оставшийся незаполненным М-слой. Поэтому в конце концов мы приходим к элементу Z=36, в котором K-, L- и М-слои заполнены целиком, и в N-слое имеется 8 электронов. Этот элемент д. б. тоже благородным газом, как и элемент Z=18. После криптона (Z=36) идет щелочной металл рубидий (Z=37) с одним валентным электроном в О-слое, затем щелочноземельный металл стронций и т. д. Потом электроны снова начинают садиться в незаполненный слой и заполняют его до тех пор, пока не получится в нем устойчивая конфигурация из 18 электронов (после этого он еще может принять в себя 32 – 18 = 14 электронов). Атом серебра (Z=47) состоит из вполне законченных K-, L- и М-слоев, из полузаконченного N-слоя и одного электрона в О-слое. Это вполне соответствует химическому поведению серебра (одновалентность). Дальнейшие прибавленные электроны тоже садятся в О-слой, пока не получится благородный газ ксенон (Z=54). Затем один прибавленный электрон садится в Р-слой (щелочной металл цезий, Z=55), после него идет двухвалентный барий (Z=56), а за ним лантан (Z=57), у которого добавленный электрон садится в О-слой и который поэтому аналогичен элементу Z=39, следующему за щелочноземельным стронцием. Дальнейшие прибавленные электроны садятся в N-слой, пока он не будет окончен. Пока идет эта достройка N-слоя, поведение самых наружных (валентных) электронов меняется очень мало, а поэтому получается группа химически близких друг к другу элементов (т. н. редких земель). Число редких земель должно равняться 14, откуда вытекает, что последней редкой землей д. б. элемент Z=71 и что элемент Z=72 должен оказаться аналогичным элементу Z=40 (цирконию). Т. к. элемент Z=72 (гафний) в момент опубликования боровской теории периодической системы еще не был известен, то Хевеши и Костер в 1923 г. стали искать его в минералах, содержащих цирконий, и действительно обнаружили его с помощью его рентгеновского спектра, подтвердив тем самым правильность теории Бора. Элемент Z=73 оказывается аналогичным элементу Z=41 и т. д.; элемент Z=79 (золото) д. б. аналогичен серебру (Z=47). Элемент Z=86 д. б. благородным газом (законченные K-, L-, М-, N-слои, 18 электронов в О-слое и 8 в Р-слое). Таким газом и оказывается радон. После него идет обычная последовательность: щелочной металл Z=87 (на открытие такого элемента претендует Ф. Эллисон, который назвал его виргинием), щелочноземельный металл радий (Z=88) и следующие за ним элементы, у которых происходит достройка P-слоя. Так как наибольший известный порядковый номер есть 92 (уран), то описание структуры электронной оболочки на этом оканчивается.

Перечисленные факты рисуют плодотворность теории Бора, объяснившей в удовлетворительном согласии с опытом целый ряд явлений, в которых структура электронной оболочки играет роль, - как явлений, связанных с периферическими областями оболочки и поэтому обнаруживающих периодичность (например, атомный объем, химические свойства), так и явлений, обусловленных внутренними частями оболочки и не обнаруживающих периодичности (рентгеновские спектры). Но следует подчеркнуть, что в целом ряде случаев теория Бора не приводила к количественному согласию с опытом (например, она привела к неправильному значению ионизационного потенциала гелия, не сумела как следует разобраться в строении спектральных мультиплетов и т. д.). В некоторых случаях теория Бора приводила и к резким качественным противоречиям с опытом. Так например, хотя она хорошо объясняла гетерополярные молекулы, исходя из того, что элементы, следующие за благородными газами, охотно отдают свои валентные электроны, а элементы, предшествующие благородным газам, охотно их приобретают, превращаясь в ионы, у которых наружные слои приобретают «благородный» характер, тем не менее эта же теория не сумела хотя бы качественно объяснить существование гомеополярных молекул, не состоящих из ионов. Все это привело к тому, что в теории наступил (около 1923 г.) кризис и некоторое время продолжался застой. Отдельные немногочисленные успехи (к их числу принадлежит введение Гаудсмитом и Юленбеком представления о вращающемся электроне) не могли вывести теорию из тупика. Наконец критика теории Бора привела к тому, что взамен искусственного введения «квантовых условий» в классическую механику, как это делалось в теории Бора, была построена рациональная механика, содержащая понятие о кванте действия и представляющая обобщение классической механики - волновая механика.

В вопросе о строении электронной оболочки волновая механика сыграла решающую роль. В настоящее время благодаря волновой механике все принципиальные вопросы, связанные с электронной оболочкой атома, уже решены. Волновая механика устранила наглядные модели, связанные с электронными орбитами (понятие орбиты электрона противоречит принципу неопределенности Гейзенберга), и отменила представление об атоме как о миниатюрной планетной системе. Зато она ликвидировала все противоречия с опытом и все внутренние несообразности прежней теории Бора, сумела вычислить энергетические уровни, моменты количества движения, магнитные моменты атома, интенсивности и поляризацию спектральных линий и т. д. Она сумела объяснить и взаимодействие атомов друг с другом. Во всех этих успехах волновой механики важную роль сыграли понятие о спине электрона и принцип Паули.

Для волновой механики атома весьма важна задача об электроне, находящемся во внешнем поле, обладающем шаровой симметрией. Простейшим примером такого поля является поле, в котором находится электрон в атоме водорода: это кулоновское поле ядра. В атоме элементов большего порядкового номера Z можно считать хотя бы приближенно, что каждый электрон находится в поле, обладающем шаровой симметрией и исходящем от ядра и остальных электронов. Волновая механика позволяет определенным образом классифицировать стационарные состояния электрона, находящегося в таком поле с шаровой симметрией. Каждое состояние характеризуется заданием четырех величин: 1) энергии, 2) орбитального момента количества движения, 3) проекции этого момента количества движения на некоторую выбранную в пространстве ось и 4) проекции на ту же ось «спинового» момента количества движения. Эти четыре величины зависят от четырех целых т. н. квантовых чисел. Проекция спинового момента количества движения на какую-то ось (ось z-ов) может равняться или +1/2ћ или —1/2ћ, где ћ - квантовая постоянная. Поэтому говорят, что эта проекция равна 1/2ћσz, где σz - целое число, способное принимать только два значения: +1 и —1 (спиновое квантовое число). Что касается проекции орбитального момента количества движения на ту же ось z-ов, то она равняется mћ, где m может быть каким угодно целым числом (магнитное квантовое число). Величина орбитального момента количества движения равняется

atom f15

где I - целое число, которое никогда не м. б. меньше абсолютной величины m (азимутальное квантовое число); отсюда видно, что I может принимать только целые положительные значения или значение нуль. В зависимости от значения I состояние электрона получает различные, употребляемые спектроскопистами названия: s-состояние (l=0), р-состояние (l=1), d-состояние (l=2) и т. д. Наконец последняя из четырех рассмотренных величин – энергия - зависит от азимутального числа I и еще от целого числа n, которое д. б. обязательно больше, чем I (главное квантовое число); оно может поэтому принимать только значения 1, 2, 3, ... Заметим, что в случае водородного атома волновая механика приходит к заключению, что энергия зависит только от n (зависимость от l в этом частном случае отпадает), причем зависимость от n такая же самая, какая получалась и в теории Бора (через постоянную Ридберга). Т. о. получается и в волновой механике объяснение спектральной формулы Бальмера. Однако не все следствия волновой механики даже и в частном случае водородного атома совпадают со следствиями теории Бора. Так, например, в нормальном состоянии водородного атома (т. е. в состоянии с наименьшей энергией, когда n=1) число I должно равняться нулю, т. к. оно всегда меньше n и не м. б. отрицательным. Отсюда следует, что в этом нормальном состоянии момент количества движения должен равняться нулю (если речь идет только об «орбитальном» моменте), и это находится в связи с тем обстоятельством, которое находит себе подтверждение также и в опыте, что в s-состоянии (l=0) волновая функция электрона должна обладать шаровой симметрией. Весь момент количества движения электрона в s-состоянии связан исключительно с его спином. Этот спиновый момент количества движения ћ/2 приводит по свойствам электронного спина к такому же самому магнитному моменту, какой предсказывала для s-состояния теория Бора, исходившая из неверного предположения о том, что и в s-состоянии имеется орбитальный момент количества движения. Таким образом впервые волновая механика сумела прийти к правильному истолкованию опытов Штерна и Герлаха (см. выше). Для остальных атомных свойств волновая механика также приводит к правильным результатам, удовлетворительно объясняя спектральные линии с их мультиплетной структурой, ионизационные потенциалы, электрические и магнитные свойства атома.

Особенно простым является объяснение периодической системы, основанное на принципе Паули, который в применении к данному случаю может быть сформулирован так: в каждом стационарном состоянии может находиться только один электрон. Объяснение периодической системы в принципе не отличается от того, которое дала и теория Бора (см. выше), с тем лишь существенным дополнением, что принцип Паули позволяет не просто постулировать, но и объяснить, почему в К-слое (n=1) не может содержаться больше 2 электронов, в L-слое (n=2) не больше 8, в M-слое (n=3) не больше 18 и т. д. Объяснение таково: если главное квантовое число равно n, то азимутальное может принимать значение l= 0, 1, 2,..., n - 1. Каждому азимутальному числу I соответствует 2l+1 возможных значений для магнитного квантового числа m [а именно m= —I, —(l—1), ..., —1, 0, 1,..., (I—1), l], а т. к. каждое из них еще может комбинироваться с двумя значениями спинового квантового числа, то при данном n каждому I соответствует 2(2l+1) состояний. Поэтому каждому n соответствует atom f16 состояний. Вычисляя эту сумму по правилу арифметической прогрессии (начальный член 2, разность прогрессии 4, число членов n), находим, что она равна 2n2, чем и объясняются свойства периодической системы (в слое с главным квантовым числом n не м. б. больше, чем 2n2 электронов, согласно принципу Паули).

Не менее значительных успехов достигла волновая механика и в объяснении химических свойств атома. В отличие от теории Бора она сумела объяснить не только гетерополярные молекулы (состоящие из ионов разного знака), но и гомеополярные (состоящие из нейтральных атомов). Простейшим примером является молекула водорода, теория которой была построена Хайтлером и Лондоном. Изучение поведения двух электронов в поле двух водородных ядер указывает на существование таких состояний, в которых энергия такой системы двух электронов в поле есть функция расстояния ядер друг от друга, обладающая минимумом. Расстояние, на котором энергия минимальна, и есть то расстояние, на котором будут находиться друг от друга ядра в равновесии. Аналогичное объяснение получено и для более сложных гомеополярных молекул. Заметим, что применение волновой механики к проблеме строения электронной оболочки атома встречает только вычислительные, но не принципиальные трудности: в принципиальном отношении все вопросы строения электронной оболочки разрешены, если не считать только некоторых деталей, связанных с релятивистскими поправками (в случае внутренних электронов тяжелых атомов) и с взаимодействием между оболочкой и ядром (впрочем и в этом случае теория Дирака, представляющая нечто вроде предварительного варианта будущей теории, объединяющей теорию квантов с теорией относительности, дает достаточно надежные указания на решение многих вопросов). Заметим, что многие чисто вычислительные трудности, встречающиеся в задаче об электронной оболочке атома, успешно разрешаются применением приближенных приемов вычисления. В этом направлении особенно важную роль сыграла приближенная статистическая модель атома, предложенная Ферми и Томасом, а также метод «самосогласованного поля», предложенный Хартри и усовершенствованный Фоком и Дираком.

Строение атомного ядра. Важнейшим экспериментальным материалом, на котором основаны наши знания о строении атомного ядра, являются те факты, которые были добыты опытами с искусственным расщеплением ядер. Из явлений радиоактивности было известно только, что в состав ядер входят α-частицы (ядра гелия) и электроны. В 1919 г. Резерфорд показал, что при обстреле быстрыми (2·109 см/сек) α-частицами ядра азота могут быть разбиты на составные части, а именно из них выбиваются протоны (водородные ядра). Эта первая изученная Резерфордом ядерная реакция, происходящая по формуле N14+He4àО171, сопровождается поглощением энергии в 1,8·10-6 эрга на каждое распавшееся ядро азота (несколько больше 1 млн. электрон-вольт). Дальнейшие исследования показали, что α-частицами м. б. выбиты протоны также из ядер целого ряда других элементов (бор, фтор, натрий, алюминий, фосфор, неон, магний, кремний, сера, хлор, аргон, калий); некоторые из этих реакций сопровождаются поглощением, другие выделением энергии (например, реакция Al27+He4àSi30+H1, т. е. расщепление алюминия α-частицей сопровождается выигрышем энергии в 3 млн. электрон-вольт). Лишь очень небольшой процент α-частиц, столкнувшихся с данными атомами, может вызвать расщепление их ядер. Это иллюстрируется исследованием элементарных процессов ядерного расщепления, которое произвел Блэккет (1925 г.) с помощью наполненной азотом камеры Вильсона (прибора для визуального наблюдения и фотографирования путей отдельных очень быстрых заряженных частиц): из 415000 путей α-частиц, заснятых Блэккетом, только 8 соответствовали расщеплению ядер азота. Впрочем, число и энергия выбиваемых протонов сильно зависят от энергии применяемых α-частиц: в азоте при увеличении энергии α-частиц от 6 до 8,8 млн. электрон-вольт энергия выбиваемых протонов растет от 4,8 до 7,2 млн. электрон-вольт, а число их увеличивается во много раз. В алюминии, как показали опыты Позе (1929 и 1931 гг.), наблюдается явление резонанса: при некоторых значениях энергии α-частиц число выбиваемых протонов оказывается особенно большим.

В 1932 г. Чадвик открыл новый вид искусственного расщепления: изучая открытые до него Боте и Беккером лучи, испускаемые ядрами бериллия при их облучении α-лучами полония, Чадвик доказал, что эти лучи состоят из частиц, масса которых близка к массе протона, а заряд равен нулю. Эти частицы были названы нейтронами. Нейтроны испускаются при бомбардировке α-частицами ядер бериллия, бора, лития, фтора, алюминия, натрия, магния. Масса нейтрона еще в точности неизвестна. Чадвик, исходя из реакции В11+Не4àN14+n (где n обозначает нейтрон), определил массу нейтрона в 1,0065 (в единицах, в которых вес α-частицы принят за 4). Возможность определения массы нейтрона основана на соображениях о «дефекте массы» (см. ниже), т. е. на применении теоремы эквивалентности между массой и энергией. Наиболее точное значение массы нейтрона, вычисленное до сих пор, основано на изучении реакции расщепления диплона (Н2) на протон и нейтрон γ-лучами («ядерный фотоэффект», открытый Чадвиком и Гольдхабером); масса диплона оказывается меньше суммы масс протона и нейтрона на величину, энергетический эквивалент которой - 2 млн. электрон-вольт. Т.к. нейтроны не обладают электрическим зарядом, то они почти не взаимодействуют с электронами атомных оболочек и поэтому, проходя через вещество, не производят в нем непосредственно никакой ионизации. Поэтому они м. б. обнаружены только благодаря тому обстоятельству, что, сталкиваясь с атомом, они иногда сообщают большие количества движения атомным ядрам и, следовательно, выбивают их из атомов и молекул. Эти выбитые нейтронами ядра уже м. б. обнаружены по своим ионизационным и иным действиям. Иногда такое столкновение нейтронов с атомными ядрами приводит к расщеплению этих ядер. Фезер наблюдал с помощью камеры Вильсона расщепление нейтронами ядер азота. Вероятность распада при столкновении с нейтроном значительно превышает вероятность распада при столкновении с заряженными частицами (например, с α-частицами): не обладая зарядом, нейтрон входит в ядра, не успев растерять свою кинетическую энергию на преодоление отталкивания со стороны ядра.

Значительные успехи были достигнуты в искусственном расщеплении ядер при помощи ионов, искусственно разогнанных в сильных электрических полях. Ионами, употребляемыми для расщеплений других ядер, являются обыкновенно ядра водорода (протоны и диплоны), а также ядра гелия. Впервые в 1932 г. расщепление ядер искусственно разогнанными протонами было осуществлено Коккрофтом и Уолтоном, которые наблюдали ядерную реакцию Li7+H1à2Не4 (расщепление ядра лития). Они же наблюдали и расщепление протонами ядер многих других элементов, Сооружение специальных высоковольтных установок, основанных на самых разнообразных принципах, весьма сильно способствовало успехам ядерной физики. Весь экспериментальный материал, полученный с помощью такого рода опытов, позволяет сформулировать ту общепринятую теперь среди физиков гипотезу, согласно которой ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов (ядро массы М и заряда Z состоит из Z-протонов и М—Z-нейтронов), α-частицы тоже могут считаться сложными (α-частица равна 2 протонам + 2 нейтронам).

Возбуждает большие споры вопрос о том, нужно ли рассматривать нейтроны и протоны как элементарные частицы или же следует их считать сложными. Наиболее простой гипотезой была бы та, согласно которой нейтрон есть сложная частица, состоящая из протона и электрона. К этой гипотезе непосредственно приводит явление β-распада, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон и вместе с этим из ядра вылетает электрон: простейшая трактовка этого явления гласит, что нейтрон распадается на протон и электрон и последний вылетает из ядра. Однако сделанное в 1932—33 гг. открытие позитронов заставило пересмотреть эту точку зрения. Позитронами называются частицы, обладающие массой электрона, но зарядом +е (а не —е, как у электрона), открытые Андерсоном, а также Блэккетом и Оккиалини среди различных частиц, связанных с космическими лучами. Механизм связи возникновения позитронов с космическими лучами до сих пор неясен. Вслед за открытием позитронов при изучении космических лучей было показано (Жолио и др., 1933 г.), что те же самые позитроны возникают и при действии γ-лучей на ядра, а именно, что фотоны (кванты) γ-лучей, уничтожаясь в присутствии ядер, превращаются в т. н. «пары» (каждая «пара» состоит из электрона и позитрона). Было показано также, что, сталкиваясь с электронами, позитроны могут уничтожаться, причем электрон + позитрон превращаются в фотоны γ-лучей. Дальнейшее исследование обнаружило огромное значение открытия позитронов для всего вопроса о ядерной структуре. В 1934 г. Жолио обнаружил, что при столкновении α-частицы с ядром алюминия образуется ядро изотопа фосфора (по формуле Аl27+Не4àР30+n) и что этот неизвестный до сих пор изотоп фосфора (радиофосфор) распадается с испусканием позитрона, причем соответствующий период полураспада равен 3 мин. 15 сек. Таким же образом Жолио осуществил и некоторые другие случаи такой же «позитронной активности». Заметим, что наряду с искусственно созданной повитронной активностью возможна и искусственная электронная активность: так, Ферми создал посредством реакции F19+nàN16+Не4 β-активный изотоп азота N13. Явление позитронной активности показывает, что наряду с процессами типа «нейтрон àпротон + электрон» возможны и процессы типа «протон àнейтрон + позитрон». Первые как будто заставляют считать протон простой частицей, а нейтрон - состоящей из протона и электрона, вторые же заставляют, напротив, считать элементарной частицей нейтрон и трактовать протон как соединение нейтрона с позитроном. Получается своеобразное противоречие, из которого будущая физическая теория вероятно выйдет только ценой отказа от наглядных представлений. Сточки зрения существующей физической теории протоны и нейтроны должны трактоваться как элементарные частицы, хотя эти частицы в некоторых случаях могут и превращаться друг в друга с испусканием электрона (при превращении нейтрона в протон) или позитрона (при превращении протона в нейтрон).

В настоящее время еще нет удовлетворительной теории атомного ядра. Это связано с тем обстоятельством, что существующая волновая механика применима только к тем случаям, когда скорости движения частиц очень малы по сравнению со скоростью света. Обобщение волновой механики на случай скоростей, сравнимых со скоростью света, еще не достигнуто. Так как тяжелые составные части ядра (протоны и нейтроны) движутся со скоростями, очень малыми по сравнению со скоростью света, то волновая механика м. б. с успехом применена к изучению их движений и вообще всех явлений, в которых и протон, и нейтрон могут быть рассматриваемы как нечто элементарное и целое, обладающее неизменной структурой. Так, например, статистика, которой подчиняется атомное ядро, неизменно оказывается статистикой типа Бозе или Ферми в зависимости от того, является ли полное число частиц (протонов и нейтронов, образующих атом) четным или нечетным числом. Так и должно быть по волновой механике, если считать протоны и нейтроны элементарными частицами, подчиняющимися статистике Ферми. Заметим, что трактовка ядра по волновой механике с той точки зрения, что элементарными частицами являются протоны и электроны, приводит к противоречиям, например, в случае ядра азота N14, которое, как показывает опыт, подчиняется статистике Бозе; аналогичные противоречия получаются и с вопросом о механическом моменте ядра. Далее и явление α-распада м. б. описано с помощью волновой механики: в 1928 г. Гамов, Герней и Кондон вывели с помощью волновой механики связь между вероятностью испускания α-частицы и ее энергией. Применимость волновой механики к испусканию α-частиц подтверждается и той связью, которая, как указал Гамов, существует между тонкой структурой α-спектров и γ-лучами.

Но применение волновой механики к явлениям, в которых структура нейтронов и протонов не остается неизменной и поэтому играет существенную роль, оказывается уже невозможным. Это относится в первую очередь и к испусканию β-лучей. В этом случае не может помочь делу и релятивистская формулировка волновой механики (предварительная и не решающая еще всех задач будущей «релятивистской теории квантов»), предложенная Дираком. В частности, и непрерывный характер спектра β-лучей по-видимому противоречит основным положениям волновой механики. В 1927 г. Эллис и Вустер показали, что непрерывный характер β-спектра является первичной чертой β-распада, т. е. что уже в самый момент вылета из ядра β-лучи обладают самыми разнообразными скоростями. Т. к. при β-распаде ядро переходит из некоторого вполне определенного начального состояния в некоторое вполне определенное конечное, то по мнению Бора непрерывный характер β-спектра доказывает неприменимость закона сохранения энергии к β-распаду. Из того, что известно о моментах количества движения нейтрона, протона и электрона, вытекает, что к β-распаду как будто неприменим и закон сохранения момента количества движения. Паули указал, однако, на то, что законы сохранения остаются в силе при допущении, что вместе с β-частицами из ядер вылетают и т. н. нейтрино - гипотетически незаряженные частицы, обладающие ничтожно малой массой по сравнению с массой обыкновенного нейтрона. До настоящего времени не получено непосредственных доказательств существования нейтрино. Есть, однако, ряд косвенных фактов, указывающих на вероятность их существования. Вопрос о формах проявления закона сохранения энергии в ядерных процессах, а также и целый ряд других нерешенных вопросов (в частности объяснение измеренного в 1933 г. Штерном магнитного момента протона) может быть решен лишь после того, как будет достигнуто обобщение теории относительности и теории квантов и их слияние в единую «релятивистскую теорию квантов».

В таблице приведены сведения об атомах химических элементов: атомный номер, средний атомный вес по химическим измерениям, изотопическая структура элементов, точные веса изотопов (все сведения об изотопах, помещенные в таблице, взяты из масс-спектрографических измерений). Все веса относятся к нейтральным атомам и измерены в единицах системы О16 = 16. Менее надежные данные приведены в скобках.

Таблица элементов и изотопов

Таблица элементов и изотопов

Таблица элементов и изотопов

Таблица элементов и изотопов

Таблица элементов и изотопов

Таблица элементов и изотопов

Таблица элементов и изотопов

Во многих случаях атомные веса могут быть вычислены из ядерных реакций. Приведем табличку таких весов, вычисленную Бете:

Атомные веса, вычисленные Бете

Это наиболее достоверные из вычисленных до сих пор атомных весов.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.

Атом анимация