книги / Неорганическая химия

сону, равномерно распределен по всему объему атома, и электронов, которые как бы вкраплены в «море положительного заряда» и нейтрализуют его.

Модель атома Томсона была сугубо элементарна и вскоре же была опровергнута последующими экспериментальными ис­ следованиями Э. Резерфорда. Выдающийся английский ученый Э. Резерфорд (1871 — 1937), исследуя траектории движения а-частиц при прохождении их через газы и тонкие металличе­

структуру атома (рис. 11). Поэтому он предложил так называе­ мую ядеркую (или нуклеарную) теорию строения атома. По этой теории, в центре атома должно находиться положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся основная масса атома и которое занимает ничтожно малый объем. Вокруг ядра по орбитам должны вращаться электроны, подобно планетам вокруг Солнца. Число электронов должно соответствовать поло­ жительному заряду ядра, так как а гом в целом электронейтрален.-

Дальнейшее развитие атомной физики хотя и подтвердило правильность основных представлений Резерфорда, но при бо­ лее глубоком изучении свойств атома обнаружился ряд фак« тов, не объяснимых его теорией. Так, по Резерфорду, электро­ ны должны вращаться вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Но вращательное движение электрона вокруг ядра по замкнутой орбите, согласно законам классической электродина­ мики, должно сопровождаться возникновением электромагнит­ ных волн, т. е. убылью энергии электрона. Следовательно, дви­ жение электрона должно постепенно замедляться, электрон дол­

к ядру должно непрерывно изменять свою частоту, следователь­ но, спектр излучения должен состоять из непрерывного ряда лу­ чей различных волн, т. е. быть сплошным. Между тем факты про­ тиворечат и тому, и другому выводу: атом в нормальном состоя­ нии представляет собой очень устойчивую систему, а излучае­ мый им спектр имеет линейчатую (прерывную) структуру, при­ чем линии в спектре элемента соответствуют определенным дли­ нам волн, характерным для данного химического элемента (рис. 12).

Оставалось допустить, что обычные законы механики и элек­ тродинамики к внутренним процессам в атоме не приложимы. Перед наукой об атоме встала задача — создать такую теорию строения атома, которая, устраняя указанные противоречия, бо­ лее удовлетворительно объясняла бы сущность процессов, про­ текающих в атоме.

Но для создания такой научно обоснованной теории строе­ ния атома необходимо было располагать представлениями о ве­ личине заряда ядра атома и о числе электронов в атомной обо­ лочке. В разрешении этой задачи большую роль сыграло изуче­ ние спектров рентгеновских лучей отдельных элементов, прове­ денное английским физиком Г. Мозли.

Рентгеновские спектры и закон Мозли. Генри Мозли, изучая рентгеновские спектры атомов разных элементов, установил (1913 г.) следующую закономерность, связывающую частоты ко­ лебаний рентгеновских лучей с порядковым номером соответ­ ствующих элементов в периодической системе Менделеева:

корни квадратные из частот колебаний, отвечающих одним и тем же характерным линиям в рентгеновских спектрах элемен­ тов, находятся в линейной зависимости от атомных (порядко­ вых) номеров элементов, или: корни квадратные из обратных значений длины волн находятся в линейной зависимости от по­

к другому в направлении увеличения их порядковых номеров в периодической системе, как это, например, видно в ряду метал­ лов IV периода от И к 2п (рис. 14).

Значение открытой Мозли закономерности оказалось очень велико. Ему впервые удалось показать,, что порядковый номер

впериодической системе есть не простая нумерация элементов,

ачто он выражает определенное внутреннее свойство атома.

Мозли дал экспериментальный метод проверки правильнос­ ти порядкового номера любого элемента периодической систе­ мы. Он полностью подтвердил правоту Д. И. Менделеева, нару* шившего в некоторых случаях принцип размещения элементов в периодической системе по возрастанию атомного веса и по­ местившего некоторые элементы в своей системе впереди более, легких по атомному весу (Со впереди N1, Те впереди Л, Аг впе­ реди К). Кроме того, закон Мозли позволил установить общее Число мест в каждом периоде и направил усилия ученых на отыскание еще не открытых» но предусмотренных этой систе-

мой элементов. Анализ рентгеновских спектров позднее привел к открытию таких элементов, как гафний Н! (№ 72), рений Не (№ 75) и др.

Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследова­ ния ряда ученых (Ван-дер-Брэк, Резерфорд, Чэдвик и др.) по­ казали, что порядковый номер элемента периодической системы равен числу элементарных* положительных зарядов ядра.

28N1

29Си

Рис. 14. Линии серии К рентгеновских спектров

Все это привело к выводу, что положительный заряд ядра (или число электронов на оболочках атома) соответствует по­ рядковому номеру этого элемента в периодической системе Мен­ делеева. Таким образом, эти открытия оказались органически связанными с периодической системой Д. И. Менделеева (см. гл. VI), которая явилась исходной для выяснения строения атома и создания его модели.

3. ТЕОРИЯ Н. БОРА

Установление заряда ядра и числа электронов в атоме дало возможность вплотную подойти к вопросу о создании теории строения атома, более полно объяснить его свойства в соответ­ ствии с новыми научными данными. Первая попытка создания такой теории, которая устраняла бы недостатки теории Резер­ форда, была сделана в 1913 г. знаменитым датским физиком Нильсом Бором. Бор, принимая в основном ядерную модель ато­ ма Э. Резерфорда, предложил новую теорию строения атома, которая ставила задачей объяснить устойчивость атома и линей­ чатую структуру спектров элементов. За основу Бор взял неко­ торые выводы квантовой теории излучения, предложенной в на­

* Элементарным электрическим зарядом называют заряд, равный заряду электрона.

в атоме, которые не укладывались в рамки обычной классиче­ ской физики.

П о с т у л а т 1. Электрон в атоме может вращаться вокруг ядра только по орбитам стационарным, отвечающим опреде­ ленным квантовым условиям, на которых его момент количест­ ва движения равен целому числу квантов действия к, деленно-

Из бесчисленного множества возможных орбит, или, как те­ перь их называют, энергетических уровней, только некоторые отвечают стационарному состоянию атома. Рассчитанные Бором для водорода радиусы возможных стационарных орбит отно­ сятся друг к другу как квадраты целых чисел: I2 : 22: 32: 42... га2, т. е. 1 : 4 : 9 : 16... га2.

Величина га, характеризующая положение электрона по от­ ношению к ядру, его энергетическое состояние, получила на­ звание главного квантового числа. С изменением главного кван­ тового числа изменяется и энергия электрона в атоме; чем боль­ ше га, тем больше радиус орбиты и тем больше энергия элект­ рона. Вычисленный радиус ближайшей к ядру орбиты электро­

на в атоме водорда 0,53*10“ ®сл«, или 0,53А, а для орбиты любо­ го квантового слоя г„0,53 . 10~8га2 см.

Было вычислено, что скорости движения электрона по ста­ ционарным орбитам относятся как величины, обратные кванто­ вым целым числам:

Электрон на первой орбите совершает вокруг ядра 1015 обо­ ротов в секунду, а скорость его движения 2200 км}сек, по вто­ рой дозволенной орбите 1035 км/сек, по третьей 729 км/сек и т. д. Огромная скорость вращения электрона вокруг ядра приводит к тому, что он как бы «размазывается» по оболочке.

энергии. Излучение происходит только при переходе электрона с дальней стационарной орбиты на другую, более близкую к яд­ ру, а поглощение энергии — при переходе -с ближней на даль­ нюю орбиту.

Когда электрон находится на ближайшей к ядру стационар­ ной орбите, запас его энергии минимальный, прочность связи с ядром максимальная* и атом находится в устойчивом (нормаль­ ном) состоянии. Из этого состояния электрон можно вывести, подведя к атому извне достаточное количество энергии (тепло­ вой, электрической, световой и т. д.). В результате электрон перемещается на одну из более отдаленных стационарных ор­ бит, запас его энергии возрастает, а связь с ядром уменьшает­ ся. Атом при этом переходит в неустойчивое, «возбужденное», состояние, в котором может находиться только ничтожные до­

ли секунды (порядка 10~8— 10—1° сек) и затем снова возвраща­ ется в нормальное состояние.

Общее количество энергии, требующееся для полного отры­ ва электрона от атома, находящегося в нормальном состоянии, так называемая энергия ионизации выражает максимальную энергию связи электрона с ядром. Для атома водорода эта энергия равна 13,6 эв (или 312 ккал). Энергию связи электро­ на с ядром атома на любом энергетическом уровне можно рас­ считать по формуле:

При отрыве электрона от атома последний превращается в положительно заряженный ион (рис. 15).

П о с т у л а т 3. Электромагнитная энергия (в виде фотона),

излучаемая или поглощаемая атомами при переходе электрона

и изменяется скачками на определенные дискретные величины, равные разности энергии электрона в начальном и конечном состоянии движения, т. е

ДЕ = Ек — Еп = Ь = Н ~ ,

где: Е к — энергия конечного состояния,

Еа — энергия начального состояния,

С— . скорость света.

Разным переходам соответствуют разные частоты V и, следо­ вательно, разные линии излучения, совокупность которых обра­ зует оптический спектр элемента.

Таким образом, второй и третий постулаты Бора объясняют механизм излучения и происхождение разных спектральных ли" нйй, которые не могли быть объяснены с помощью законов классической физики.

В современной квантовомеханической теории атома электрон уже не рассматривается как материальная точка, движущаяся по законам классической физики. Квантовая механика атома

основана на признании, что атомные частицы как микрочастиц цы ^обладают одновременно; и корпускулярными и волновыми свойствами. Волновые свойства частиц могут не учитываться лишь в тех случаях, когда их размеры велики по сравнению с длиной волны. Наряду со свойствами электрона как частицы, должны учитываться его волновые свойства.

Поэтому современной квантовомеханической моделью элект­ рона в атоме является модель электрона, заряд которого определен в пространстве с некоторой плотностью, образуя так на­ зываемое электронное облако. Электроны в атоме располагают-* ся как бы слоями. Эти слои принято обозначать символами:

К , Ь, М, Ы, О, Р, <2

или порядковыми номерами 1, 2, З.и т. д.

Чем ближе к ядру концентрируется электронная плотность, тем прочнее связан электрон с ядром; с уменьшением п проч­ ность связи возрастает. У внутреннего слоя п = 1 (К-слой), за-* тем идут слои с п = 2, 3, 4 и т. д. (К, Ь, М, Ы, О, Р, ф-слои).

Теория Бора, убедительно раскрывшая картину строения ато­ ма водорода, водородного спектра, движения электрона вокруг ядра, оказалась недостаточной для объяснения всех особеннос­ тей движения электронов в более сложных атомах. Недостаточ­ ной она оказалась и для решения таких вопросов, как выясне­ ние сущности соединения атомов в молекулы, природы валент­ ности и ряда других явлений.

4. ДАЛЬНЕЙ Ш ЕЕ РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ АТОМА

Теорию Бора развил немецкий физик А. Зоммерфельд (1916). Принимая в основном постулаты Бора, он высказал предположение, что электроны, по аналогии с путями движения планет вокруг Солнца, должны вращаться около ядра по эллип­ тическим орбитам; вращение по окружности — лИшь частный случай такого движения. Одному и тому же уровню энергии, отвечающему главному квантовому числу п, может соответст­ вовать столько возможных эллиптических орбит, сколько единиц в главном квантовом числе.

Круговая орбита определяется величиной ее радиуса и ха­ рактеризуется главным квантовым числом п; положение эллип­ са характеризуется величиной его большой и малой полуосей. Величина большой полуоси определяется главным квантовым числом п, а малой — побочным, или орбитальным, квантовым числом I, которое, по Зоммерфельду, подчинено главному и так­ же численно меняется (квантуется). Оно может принимать зна­ чения всех целых чисел, начиная от нуля и кончая числом на единицу меньше главного квантового числа. Например, при главном квантовом числе 4 орбитальное квантовое число мо­