Атомная теория

Атомная теория

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ считает, что все тела состоят из отдельных тождественных друг другу частиц, называемых молекулами, которые в свою очередь состоят из еще более мелких частиц - атомов. Молекулы находятся в непрерывном движении, сталкиваются друг с другом и своим движением обусловливают тепловую форму энергии, воспринимаемую организмом.

Средняя скорость движения молекул тела пропорциональна квадратному корню из его температуры. Средний свободный пробег молекулы приблизительно обратно пропорционален плотности тела.

Даже при низкой температуре скорость теплового движения молекул громадна по сравнению с их размерами; молекула газа пролетает расстояние, равное своему диаметру, за промежуток времени порядка 10-13 сек. Среднее расстояние между молекулами газа при нормальных условиях равно около 3,3·10-7 см. При этих условиях молекулы занимают только 0,001 пространства, занимаемого газом. Расстояние между молекулами раз в десять больше их поперечника. Это расстояние изменяется обратно пропорционально кубическому корню из давления газа. Однако и в твердых телах расстояния между молекулами довольно значительны. Слово «атом» значит «неделимый». Атом представляет собой мельчайшую частицу материи, которая до последнего времени считалась неразложимой на основные части. Масса отдельного атома ничтожна; так, например, масса водородного атома равна 1,65·10-24 г. Поэтому массу атомов измеряют в относительных единицах, принимая условно массу молекулы кислорода = 16. Масса атома, выраженная в этих единицах, называется атомным весом или, правильнее, атомной массой данного вещества. Молекулярным весом данного тела называется сумма атомных весов всех элементов, из которых составлена данная молекула. В связи с этим определением, грам-молекулой данного тела называют такое количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна его молекулярной массе. В каждой молекуле может заключаться только целое число атомов. Поэтому массы, приходящиеся в химических соединениях на долю отдельных элементов, не м. б. произвольными, но относятся между собой, как числа, кратные атомным весам этих элементов. Это и есть закон кратных отношений, или закон Дальтона. Кинетическая теория газов приводит к заключению, что в равных объемах всех газов при одинаковых условиях температуры и давления содержится одно и то же число молекул. Это заключение называется законом Авогадро, который можно формулировать так: грам-молекула любого газа при одинаковом давлении и одинаковой температуре занимает один и тот же объем. Следовательно, в грам-молекуле любого газа заключается одинаковое число молекул. Оно называется числом Авогадро (N). Тщательные измерения, построенные на самых разнообразных опытах, дали для этого числа значение = 6,06·1023. Грам-молекула любого газа занимает при 760 мм и при 0° объем в 22,4 л. В 1 см3 любого газа заключается при этих условиях 2,77·1019 молекул (число Лошмидта, обозначаемое N0).

Чрезвычайно важным оказалось распространение закона Авогадро на растворы: при одинаковых объеме и температуре растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление, содержат одинаковое количество молекул растворенного вещества. Пользуясь этим законом, удалось определить молекулярный вес тел, которые трудно было бы получить в газообразном виде. Определение атомной массы твердых тел м. б. произведено на основании закона Дюлонга и Пти, по которому атомная теплоемкость твердых тел (произведение атомной массы на удельную теплоемкость) для всех химических элементов равна 6,4. Этот закон получил в настоящее время теоретическое обоснование, однако он имеет только приближенное значение. Атомные массы всех известных элементов по данным интернациональной комиссии приведены в «Справочнике важных физических, химических и технологических величин». Сокращенные обозначения атомов составлены из одной или двух букв их латинского названия. Все тела образованы из атомов химических элементов путем соединения этих атомов в молекулы, которые построены либо из атомов одного и того же элемента (простые тела), либо из атомов двух или многих элементов (химические соединения). Иногда каждая молекула химического соединения содержит в своем составе десятки и даже сотни атомов. Такие сложные молекулы встречаются в органических соединениях. Даже имея одинаковый химический состав и формулу, тела могут обладать различными физическими свойствами, что объясняется различным пространственным расположением атомов в молекуле. Структуру молекул и пространственное расположение атомов изучает стереохимия. Мощным орудием для исследования структуры молекул явился рентгеновский анализ. Первые попытки обнаружить преломление или дифракцию рентгеновских лучей не удались. Это и не удивительно, ибо длина волны рентгеновских лучей - порядка 10-9 см. Понятно, что самая тонкая дифракционная решетка была слишком грубой для столь коротких волн. Лауэ пришла в голову мысль воспользоваться естественной пространственной решеткой, кристаллом, у которого отдельные атомы правильно расположены в пространстве на расстоянии друг от друга порядка 10-13 см. Пропуская рентгеновские лучи через кристаллы, Лауэ удалось получить интерференцию этих лучей, но только не в виде полос, а в виде правильно расположенных пятен. Открытие Лауэ, подтвердившее атомную структуру кристаллов, дало вместе с тем возможность анализировать спектр рентгеновских лучей и, наоборот, просвечиванием при помощи лучей определенного спектра исследовать структуру различных тел.

Строение атома. Уже давно накоплялись признаки, находившиеся в противоречии с неделимостью атомов. Электропроводность жидкостей, ионизация газов, радиоактивные излучения (см. Радиоактивность) - все эти явления и привели к той мысли, что атомы построены из электрических частиц. Применение катодных ламп основано на испускании раскаленными телами атомов электричества - электронов. Масса одного электрона = 0,903·10-27 г, т. е. приблизительно в 1800 раз меньше массы атома водорода. Электрон имеет отрицательный заряд, равный 1,591·10-19 кулонов. Заряд электрона т. о. = 1,769·10-8 кулонов на г. Кроме отрицательных элементарных зарядов, существуют еще равные им положительные заряды, но они более тесно связаны с массой атома. Масса водородного атома, заряженная одним положительным зарядом, называется протоном. По современным воззрениям каждый атом представляет собою планетную систему, в центре которой помещается ядро, состоящее из протонов, причем в строения ядра иногда кроме протонов могут принимать участие несколько электронов. Вокруг ядра, имеющего всегда положительный заряд, вращаются электроды, притягиваемые к ядру по закону Кулона, подобно тому, как планеты притягиваются к солнцу по закону Ньютона. Разница только та, что электроны взаимно отталкиваются, тогда как планеты притягиваются друг к другу. В нейтральном атоме число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно разности между числом протонов и числом электронов в ядре, т. е. в точности компенсирует результирующий положительный заряд ядра. Однако атомы могут с большей или меньшей легкостью отдавать или принимать электроны, превращаясь в заряженные атомы, которые называются ионами. Если у них не хватает электронов для компенсации заряда ядра, то это - ионы положительные; если у них электронов больше, чем требует заряд ядра, то это - ионы отрицательные. Простейшим является атом водорода, состоящий из одного протона, вокруг которого вращается один электрон. Если каким-либо способом отклонить этот электрон с его пути, то останется положительно заряженное ядро - ион водорода или протон. Следующим по сложности является атом гелия. Его ядро состоит из четырех протонов и двух электронов и имеет, т. о., двойной положительный заряд. Атомный вес гелия равен 4, тогда как он должен был бы равняться учетверенному атомному весу водорода, т. е. 4,03. Уменьшение атомного веса гелия объясняется излучением энергии при уплотнении четырех протонов и двух электронов в одно ядро: по теории относительности масса тела пропорциональна заключенной в нем энергии. Т. о. излучению энергии Е соответствует потеря в массе Δmпо формуле Δm = ΔE/c2, где с = 3·1010 см/сек. При образовании атома гелия излучается громадное количество энергии; этим объясняется чрезвычайная устойчивость атома гелия. Ядро гелия имеет двойной положительный заряд. Поэтому в нейтральном атоме гелия вокруг ядра вращаются два электрона. Если удалить эти два электрона, то получится ион гелия с двумя свободными положительными зарядами. Этот ион гелия получил название α-частицы. Такие частицы излучаются радиоактивными телами. Еще более сложным является атом лития, состоящий из ядра с тремя свободными положительными зарядами. Вокруг этого ядра вращаются три электрона. Остальные элементы имеют еще более сложную структуру. Так, например, в нейтральном атоме железа вокруг ядра вращаются 26 электронов, а в атоме тория 90 электронов. Таким образом, орбиты электронов в сложных атомах образуют весьма запутанную систему кривых. Исследование этих орбит может привести к объяснению многих основных физических и химических свойств элементов. С точки зрения обыкновенной электродинамики непонятно, каким образом могут электроны вращаться вокруг ядра, потому что вращение есть движение ускоренное, а всякое ускорение электрона связано с излучением энергии. Приходится поэтому искать объяснения, почему электроны не излучают энергии. Это объяснение находят в теории квант, по которой энергия может переходить только определенными порциями, кратными некоторой основной величины, называемой квантом энергии. Скорость устойчивого движения электрона на любой орбите определяется равновесием между центробежной силой и притяжением электрона к ядру. Каждой скорости соответствует определенная энергия движения. Поэтому электрон в атоме не может двигаться по любой орбите, а только по таким орбитам, при которых энергия движения электрона кратна определенной величине, т. е. удовлетворяет квантовым условиям. Каждый электрон в атоме может вращаться только по определенным орбитам, причем наиболее устойчивым движением будет то движение, которое соответствует наименьшей потенциальной энергии, т. е. орбите, наименее удаленной от ядра. Однако по каждой орбите может двигаться только ограниченное количество электронов. На первой их м. б. не более двух. Если в атоме имеется больше двух свободных электронов, то остальные должны вращаться уже по второй, более удаленной от ядра орбите. На второй орбите может вращаться не более восьми электронов. Следующие должны попасть на третью орбиту, на которой может разместиться 8 электронов, на последующей 18 и т.д. Движение электронов не слишком устойчиво и по этим орбитам не является обязательным; электроны могут, под влиянием внешних воздействий, перемещаться на более отдаленные орбиты. Такое смещение электрона называется возбуждением атома, а самая орбита, на которую переместился электрон, - орбитой возбужденного атома. Возбуждение атомов может происходить от самых разнообразных причин, например от воздействия на атомы электромагнитной волны, т. е. видимого света или рентгеновских лучей. Слишком сильное возбуждение соответствует отрыву электрона, т. е. ионизации атомов. При первом удобном случае, однако, электроны возвращаются с возбужденных орбит к своим прежним, более устойчивым орбитам. Это перескакивание электрона с одной орбиты на другую, а, следовательно, уменьшение его энергии на некоторое количество квант, сопровождается излучением энергии. Датский физик Бор предположил, что частота v этого излучения определяется по формуле hv = W2 — W1, где h - универсальная постоянная Планка (h = 6,55·10-27 эрг/сек.), а W2 и W1 - энергии электрона на более отдаленной (возбужденной) и на более близкой (устойчивой) орбите. Это предположение Бора блестяще оправдалось на опыте: рассчитывая все возможные перескакивания электронов, можно по формуле Бора заранее определить частоту, а следовательно и длину волны всех колебаний, которые может излучать данный атом. Теория Бора позволяет предсказывать спектры света, излучаемого различными атомами. Эти предсказания оправдались с совершенно исключительной точностью. Перескакивания в области внешних орбит соответствуют видимому свету. Перескакивания на внутреннюю орбиту, наиболее близкую к ядру, создают излучения весьма большой частоты, т. е. короткие волны, относящиеся уже не к видимому свету, а к рентгеновским лучам. Поразительное совпадение во всех деталях между предсказаниями теории и действительным спектром (видимым и рентгеновским) не только блестяще подтверждает теорию, но и дает возможность изучать строение отдельных атомов. Здесь надо учесть еще то обстоятельство, что расположение электронов в атоме определяется свободным зарядом его ядра. Поэтому мы можем пронумеровать все атомы, называя атомным номером, или атомным числом, число свободных положительных зарядов их ядер. Если к ядру с определенным атомным номером присоединить один протон, то атомный номер ядра увеличится на единицу; если, однако, одновременно присоединить к ядру один электрон, то отрицательный заряд электрона будет компенсировать положительный заряд протона, и атомный номер ядра не изменится, несмотря на то, что его масса увеличилась. Такие атомы, у которых ядра имеют различную массу и одинаковый атомный номер, называются изотопами. Все их внешние свойства - химические и физические - совершенно одинаковы, и потому смесь двух изотопов нельзя разделить химическим способом. Таких изотопов существует большое количество. Например, существуют атомы Сl оба с атомным номером 17, но с атомными массами 35 и 37. Их смесь образует обыкновенный элемент Сl с атомной массой 35,458. Этим смешением изотопов объясняется, что атомные массы некоторых тел так сильно отличаются от целых чисел, тогда как все атомы, будучи составлены из протонов и электронов, должны были бы иметь атомные массы, выражаемые целыми или близкими к целым числами. Еще Менделеев заметил, что свойства элементов являются периодической функцией их атомных масс. Ему удалось построить периодическую систему элементов, состоящую из восьми столбцов, причем элементы каждого столбца обладают аналогичными свойствами. По этой таблице Менделеев предсказал даже существование еще не найденных элементов и приблизительно указал их свойства. И действительно, найденные элементы - галлий, скандий, германий - вполне оправдали предсказание Менделеева. В настоящее время естественная система химических элементов классифицирует их по атомным номерам. Периодическая таблица, в которой указаны атомные массы и атомные номера, а также перечень всех известных элементов и таблицы изотопов, помещены в «Справочнике важнейших физических, химических и технологических величин».

Свойства атомов, расположенных в таблице, м. б. объяснены рассмотрением орбит их электронов. Так, например, наиболее устойчивыми являются атомы нулевой группы. У этих атомов электроны расположены т. о., что по внешней электронной орбите вращается такое количество электронов, которое соответствует наибольшей электромеханической устойчивости системы всего атома. Поэтому- то элементы нулевой группы, благородные газы, не вступают в соединение с другими элементами, т. е. обладают нулевой валентностью. Так, например, гелий имеет 2 электрона, вращающихся по единственной (первой) орбите. Далее, неон имеет 2 электрона на первой орбите, остальные же 8 вращаются вокруг ядра, занимая на своих орбитах положение, соответствующее двуквантовому количеству энергии, причем в этом случае наибольшей устойчивостью обладает как раз система из 8 электронов. Аргон имеет 2 электрона на одноквантовой орбите, 8 на двуквантовых и 8 на трехквантовых орбитах. Атомы первого столбца имеют на внешнем поясе всего по 1 электрону и склонны легко терять этот электрон, уступая его другим атомам при столкновении с ними. Литий имеет 2 одноквантовых электрона и 1 двуквантовый. Натрий имеет 2 одноквантовых электрона, 8 двуквантовых и 1 трехквантовый. Атомы второго столбца тоже склонны отдавать электроны своей внешней орбиты, причем у них имеется по 2 таких неустойчивых электрона. Этим объясняется, что атомы первого столбца одновалентны, образуют ионы с одним положительным зарядом, замещают в соединениях один атом водорода, а атомы второго столбца двувалентны и замещают в соединениях два атома водорода. У атомов седьмого столбца не хватает 1 электрона до устойчивого числа электронов внешних орбит (до 2,8 и т. д.). Это тоже одновалентные элементы, но они являются одновалентными уже по другой причине: они склонны присоединять один электрон, причем это присоединение соответствует не электрической нейтрализации, а электромеханической стабилизации атома. Целый ряд других физических и химических свойств атомов м. б. объяснен расположением их электронных орбит: магнитные свойства, теплоемкость и т. д.

Мы видим, т. о., что вся материя состоит из электричества, причем этим электричеством заполнена только ничтожная часть пространства, занимаемого видимыми телами. Все остальное - пустота, через которую передаются электромагнитные воздействия. Физические и химические свойства тел объясняются игрой движения электронов по их орбитам. Т. о. химия в значительной мере сводится к электромеханике электронов. Ядра атомов почти не участвуют в превращениях вещества. Изменение состава ядра соответствует превращению одного элемента в другой. Первые попытки в этом направлении были сделаны Резерфордом, разложившим азот и целый ряд других элементов, причем им был выделен в качестве составной части атомов этих элементов - водород. Пока в этой области сделано еще очень мало. Энергия, связанная с разрушением или соединением атомных ядер, громадна, но в настоящее время еще рано говорить о перспективах, связанных с использованием этой энергии.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 - 1927 г.