Строение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева?

|5 |Бор В |10,811 |41 |Ниобий Nb |92,906 |

|6 |Углерод С |12,011 |42 |Молибден Мо |95,94 |

|7 |Дзот N |14,007 |43 |Технеций Те |98,906 |

|8 |Кислород 0 |15,9994 |44 |Рутений Ru |101,07 |

|9 |Фтор F |18,998 |45 |Родий Rh |102,905 |

|10 |Неон Ne |20,179 |46 |Палладий Pd |106,4 |

|11 |Натрий Na |22,990 |47 |Серебро Ag Кадмий Cd|107,868 |

|12 |Магний Mg |24,305 |48 | |112,40 |

|13 |Алюминий AI |26,981 |49 |Индий In |114,82 |

|14 |Кремний Si |28,086 |50 |Олово Sn |118,69 |

|15 |Фосфор Р |30,974 |51 |Сурьма Sb |121,75 |

|16 |Сера S |32,06 |52 |Теллур Те |127,60 |

|17 |Хлор С1 |35,453 |53 |Йод I |126,905 |

|18 |Аргон Аг |39,948 |54 |Ксенон Хе |131,30 |

|19 |Калий К |39,098 |55 |Цезий Cs |132,905 |

|20 |Кальций Са |40,08 |56 |Барий Ва |137,33 |

|21 |Скандий Sc |44,956 |57 |Лантан La |138,906 |

|22 |Титан Ti |47,90 |58 |Церий Се |140,12 |

|23 |Ванадий V |50,941 |59 |Празеодим Рг |140,908 |

|24 |Хром Сг |51,996 |60 |Неодим Nd |144,24 |

|25 |Марганец Мп |54,938 |61 |Прометий Рш |146 |

|26 |Железо Fe |55,847 |62 |Самарий Sm |150,4 |

|27 |Кобальт Со |58,933 |63 |Европий Ей |151,96 |

|28 |Никель^ Ni |58,70 |64 |Гадолиний Gd |157,25 |

|29 |Медь Си |63,546 |65 |Тербий ТЬ |158,925 |

|30 |Цинк Zn |65,38 |66 |Диспрозий Dy |162,50 |

|31 |Галлий Ga |69,72 |67 |Гольмий Но |164,930 |

|32 |Германий Ge |72,59 |68 |Эрбий Ег |167,26 |

|33 |Мышьяк As |74,922 |69 |Туллий Тш |168,934 |

|34 |Солен Se |78,96 |70 |Иттербий Yb |173,04 |

|35 |Бром Вг |79,904 |71 |Лютеций Lu |174,97 |

|36 |Криптон Кг |83,80 |72 |Гафний Hf |178,49 |

Заметим все же, что очень многие атомные массы, особенно в начале

таблицы, весьма близки к целым числам, иногда в точности им равны,

например, у фтора и углерода, а иногда отличаются от них меньше чем на

0,01, например, у водорода, гелия, азота, натрия и т. д. Это странное

обстоятельство заставляет как будто отнестись с некоторым вниманием к

гипотезе Праута, так как трудно себе представить, чтобы это могло быть

результатом чистого случая, но тем не менее такие атомные массы, как у

магния или хлора, не говоря уже о многочисленных элементах с большими

атомными массами, все-таки принуждают отбросить предположение о том, что

все атомы состоят из атомов водорода.

Поэтому в XIX столетии совершенно укрепилось и распространилось

представление о том, что все тела в мире состоят из этих нескольких

десятков сортов атомов которые являются совершенно независимыми друг от

друга основными элементами мироздания. Атомы вечны и неразрушимы и не могут

превращаться друг в друга.

И все же, несмотря на все это, среди физиков и химиков продолжало жить

смутное убеждение в том что между атомами различных химических элементов

имеются какие-то связи, что эти атомы образуют какую-то естественную

систему.

В 1786 году немец Н. Г. Марне напечатал книгу, озаглавленную «О числе

элементов». В этой книге мистической и странной, он выражает свое глубокое

убеждение в том, что «от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего

серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений» и что атомы химических

элементов тоже являются ступенями этой лестницы.

Эта идея Марне не могла привести ни к каким последствиям, пока химические

элементы не были в достаточной мере выделены и изучены. Но после того, как

Каннипцаро опубликовал (в 1858 году) свою таблицу атомных масс, стремление

к естественной классификации химических элементов должно было принести свои

плоды.

В 1863 году англичанин Дж. А. Ньюлендс, воспользовавшись атомными массами

Канниццаро, нашел, что если расположить элементы в порядке возрастания их

атомных масс, то такой список элементов естественно разлагается на октавы,

т. е. на строчки по семь элементов в каждой, где каждый элемент обладает

большим сходством с одинаковым по номеру элементом предыдущей и последующей

октав. Приведем первые три октавы Ньюлендса:

Н, Li, Be, В, С, N, О;

F, Na, Mg, Al, Si, P, S;

С1, К, Са, Сг, Ti, Mn, Fe.

Аналогия проявляется в том, что все элементы, стоящие на втором месте в

своей октаве (литий, натрий, калий), являются так называемыми щелочными

металлами, образующими соединения по одному и тому же типу, например

дающими соли LiCI, NaCl, KC1; элементы, стоящие на третьем месте в октаве

(бериллий, магний, кальций), являются так называемыми щелочноземельными

металлами, дающими тоже похожие друг на друга, но уже иного типа

соединения, например соли BeCl,MgCl, CaCl. Фтор весьма похож по своей

химической природе на стоящий под ним хлор, азот обнаруживает некоторые

аналогии с фосфором, кислород — с серой и т. д. Заметим, впрочем, что все

получается так хорошо и убедительно лишь в первых октавах Ньюлендса: в

дальнейших октавах было гораздо больше путаницы, и в некоторых случаях для

ее устранения Ньюлендс позволил себе отступить от принятого им плана и

располагать элементы не совсем в порядке возрастания атомной массы.

Через несколько лет после этой попытки Ньюлендса она была повторена

двумя другими учеными, работавшими над вопросом естественной классификации

элементов совершенно независимо друг or друга. Одним из них был Юлиус

Мейер, другим—Дмитрий Иванович Менделеев, профессор университета в Санкт-

Петербурге. И Мейер, и Менделеев сообразили, что могут существовать и

элементы, еще не открытые химиками, а поэтому, если этого требует

классификация, можно оставлять в таблице пропуски, соответствующие еще не

открытым элементам.

Кроме того, они сочли схему Ньюлендса с ее одинаковыми строчками чрезмерно

узкой и допустили, что строчки (периоды) могут становиться длиннее к концу

таблицы.

Уже в четвертой строке таблицы классификация потребовала оставления

пустых мест. На этих пустых местах должны находиться какие-то еще не

открытые элементы. Три таких элемента Менделеев заочно точно описал и позже

они были открыты.

Также нет ничего невозможного в существовании в природе элементов с

атомной массой, большей урана. В наши дни такие «трансурановые» элементы

были получены искусственно.

Вполне можно утверждать, что предела таблицы не существует и получение

или нахождение других трансурановых элементов – это дело будущего.

Таково, в общих чертах, учение об атомах химических элементов, созданное

Дальтоном и определившее все дальнейшее развитие химии в XIX столетии.

, с помощью которого в итоге был расшифрован периодический закон.

Испускание а-частицы приводит к смещению радиоэлемента на два места влево в

периодической системе (в направлении уменьшения массы). Но прохождение

радиоактивных рядов через периодическую систему не прямолинейное, а

зигзагообразное, так что превращающийся радиоэлемент часто возвращается

назад—на то же место, которое занимал ранее в периодической системе его

материнский продукт. Когда это происходит, то оказывается, что материнский

радиоэлемент и его последующий продукт распада — изотоп (занимающий то же

с, мое место в периодической системе) имеют одинаковые химические свойства,

несмотря на различие в их атомных массах.

Интерпретация периодического закона

В 1911 г. был сформулирован закон радиоактивных смещений (периодический

закон), который в его законченной формулировке оказался чрезвычайно простым

и не допускающим никаких исключений. Он стал подлинным фундаментом.

Согласно этому закону, испускание (-частицы ведет к смещению радиоэлемента

на одно место вправо в периодической системе, а испускание а-частицы — к

смещению радиоэлемента на два места в обратном направлении. Поскольку

многие а-распады сопровождаются двумя последующими ((-распадами, то в таких

случаях третий продукт распада всегда возвращается — на фоне периодической

системы — на место исходного а-излучателя, являясь химически тождественным

с ним, несмотря на разницу в четыре единицы в их атомных массах. В 1913 г.

они были названы изотопами или изотопными элементами; этот термин означает,

что они занимают одно и то же место в периодической системе. Изотопы двух

разных элементов могут иметь одинаковую атомную массу, и тогда их называют

изобарами. Реже изотопы одного и того же элемента могут иметь одинаковую

атомную массу, но разную стабильность, т. е. один из них радиоактивен, а

другой— нет.

Поскольку а-частица обладает зарядом в две положительные единицы, а заряд

(-частицы равен единице со знаком минус, то сразу стало очевидным, что

периодический закон отражает связь между химическими свойствами н

внутриатомным зарядом, но не массой. В настоящее время периодический закон

является in cxtcnto (повсюду) выражением, во-первых, атомной (дискретной)

природы электричества и, во-вторых, нового вида атомистики.

Aтом Резерфорда-Бора

Модели atоma до бора

Но вернемся к последовательному изложению развития представлений о

строении атома.

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и

квантовой теории — с другой, привели к созданию квантовой модели атома

Резерфорда — Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить

модель атома на основе представлений классической электродинамики и

механики. В 1904 г. появились публикации о строении атома, принадлежащие

одна японскому физику Хантаро Нагаока, другая— английскому физику Д.

Томсону.

Нагаока исходил из исследований Максвелла об устойчивости колец Сатурна и

представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль

Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг

которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся

«планеты»—электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают

электромагнитные волны, периоды которых, по расчетам Нагаоки, того же

порядка, что и частоты спектральных линий некоторых элементов.

В атоме Томсона положительное электричество «размазано» по сфере, в

которую вкраплены, как изюм в пудинг, электроны. В простейшем атоме

водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. При

смещении из центра на электрон действует квазиупругая сила

электростатического притяжения, под действием которой электрон совершает

колебания. Частота этих колебаний определяется радиусом сферы, зарядом и

массой электрона, и если радиус сферы имеет порядок радиуса атома, частота

этих колебаний совпадает с частотой колебания спектральной линии атома. В

многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым

конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую

конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял пытку

теоретически объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.

Эту попытку Бор позднее назвал «знаменитой» и указал, что со времени этой

попытки «идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным

пунктом и более новых воззрений». Отметив, что теория Томсона оказалась

несовместимой с опытными фактами, Бор тем не менее считал, что эта теория

«содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие

атомной теории».

В 1905 г. В. Вин выступал с докладом об электронах на съезде немецких

естествоиспытателей и врачей в Мюнхене. Здесь он, в частности, указывал на

трудность объяснения линейчатых спектров атомов с точки зрения электронной

теории. Он говорил: «Проще всего было бы понимать каждый атом как планетную

систему, которая состоит из положительно заряженного центра, вокруг

которого обращаются электроны как планеты. Но такая система не может быть

устойчивой вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены

обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое

или обладают ничтожными скоростями, хотя такое представление содержит много

сомнительного».

Такой статической моделью был атом Кельвина — Томсона. И эта модель была

общепринятой по причинам, указанным Вином.

В конце концов оказалось, что новые опытные факты опровергают модель

Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели, факты эти

были открыты Резерфордом.

24 мая 1907 г. в Манчестере Резерфорд развернул огромную, привлекая

молодых ученых из разных стран мира. Одним из его деятельных сотрудников

был немецкий физик Ганс Гейгер, создатель первого счетчика элементарных

частиц — счетчика Гейгера. В Манчестере с Резерфордом работали Э. Марсден,

К. Фаянс, Г. Мозли, Г. Хевеши и другие физики и химики.

В Манчестер в 1912 г. приехал Нильс Бор.

В этой атмосфере коллективного научного творчества родились крупные

научные достижения Резерфорда, из которых в первую очередь следует отметить

разгадку природы а-частиц и открытие ядерного строение атома.

Сюда же следует присоединить знаменитые статьи Бора по квантовой теории

планетарного атома. В Манчестере было положено начало квантовой и ядерной

физике.

Открытие атомного ядра

Уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX в. Но

эту модель было трудно совместить с законами электродинамики, и она была

оставлена, уступив место модели Томсона. Однако в 1904 г. начались

исследования, приведшие к утверждению планетарной модели.

Одна из тем, выдвинутая Резерфордом в Манчестере,—рассеяние а-частиц. Она

была поручена Гейгеру и Марсдену.

Метод, применявшийся для исследования, заключался в следующем: а-частицы,

испускаемые источником, диафрагмировались щелью попадали на экран из

сернистого цинка. на котором получалось изображение щели в виде узкой

полоски. Затем между щелью и экраном помещали тонкую металлическую

пластинку, изображение щели размывалось, что указывало на рассеяние а-

частиц веществом пластинки. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что

наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно

пропорционален кубу скорости частицы.

Но наиболее поразительным оказался факт, открытый Гейгером и Марсденом в

1909 г., — существование больших углов рассеяния. Некоторая, очень

небольшая часть а-частиц (примерно 1/8000) рассеивается на угол, больший

прямого, отбрасываясь, таким образом обратно к источнику. Тонкая пластине

отбрасывала частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же, 1909

году Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что а-частицы являются

дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся

частиц рассеивание на углы большие прямого, казалось весьма невероятным.

Резерфорд говорил, что это так же невероятно, как если бы пуля отскакивала

от листа папиросной бумаги.

Одно из возможных объяснений аномального рассеяния состояло в том что оно

складывается из многих небольших углов отклонений, вызванные атомами

рассеивающего вещества.

Исходя из модели Томсона, Резерфорд подсчитал, что это не может давать

больших отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь

Резерфорд обратился к планетарной модели.

Когда а-частица проходит мимо заряженного ядра, то под воздействием

кулоновской силы, пропорциональной заряду ядра и заряду а-частицы и обратно

пропорциональной квадрату расстояния между ними, она движется по гиперболе,

удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь,

таким образом, искривляется, и она отклоняется на угол рассеяния ф.

1 марта 1911 г. Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере

доклад «Рассеяние а- и (-лучей и строение атома». В докладе он говорил:

«Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой

атом, который состоит из центрального электрического заряда,

сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим

распределением противоположного электричества равной величины. При таком

устройстве атома а- и (-частицы, когда они проходят на близком расстоянии

от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого

отклонения мала».

Резерфорд рассчитал вероятность такого отклонения и показал, что она

пропорциональна числу атомов п в единице рассеивающего материала, толщине

рассеивающей пластинки и величине b2, выражаемой следующей формулой:

[pic]

где Ne— заряд в центре атома, Е—заряд отклоняемой частицы, т—ее масса,

и—ее скорость. Кроме того, эта вероятность зависит от угла рассеяния ф, так

что число рассеянных частиц на единицу площади пропорционально cosec4

(Ф/2).

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного

центра, который Резерфорд положил равным ± Ne. Заряд оказался

пропорциональным атомному весу.

В 1913 г. Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку

формулы Резерфорда, подсчитывая рассеяние частиц по производимым ими

сцинтилляционным вспышкам. Из этих исследований и возникло представление о

ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и

обладающей положительным зарядом. При этом число элементарных зарядов

оказалось пропорциональным атомному весу.

В 1913 г. Ван ден Брук показал, что заряд ядра совпадает с номером

элемента в таблице Менделеева. В том же1913 г. Ф. Содди и К. Фаянс пришли

закону смещения Содди—Фаянса, ее гласно которому при а-распаде

радиоактивный продукт смещается в менделеевской таблице на два номера выше

а при (-распаде—на номер ниже. К этому же времени Содди пришел

представлению об изотопах как разновидностях одного и того же элемент ядра

атомов которых имеют одинаковый заряд, но разные массы.

В богатом событиям 1913 г. были опубликованы три знаменитые статьи Бора

«О строении атомов и молекул», открывшие путь к атомной квантовой механике.

Томас Рис Вильсон (1869-1959) изобрел замечательный прибор, известный

ныне под названием «камера Вильсона». Этот прибор позволяет видеть

заряженную частицу по оставляемому ею туманному следу.

Позднее ученик и сотрудник Резерфорда Блэккет (1897—1974) получил

вильсоновскую фотографию расщепления ядра азота а-частицей, первой ядерной

реакции, открытой Резерфордом.

В этом же году Бор, имевший возможность поработать с автором первой

модели атома, а затем с автором планетарной модели, на основе последней

создает свою теорию атома Резерфорда-Бора.

Знаменитая статья Бора, в которой были заключены основы этой теории,

начиналась с указания на модели Резерфорда и Томсона и обсуждения их

особенностей и различий.

Резерфорд сразу понял революционный характер идей Бора и высказал

критические замечания по самым фундаментальным пунктам теории Бора. После

длительных дискуссий статья Бора и две его последующие статьи были

опубликованы. Однако окончательный ответ на возражения Резерфорда был дан

только созданием квантовой механики.

В 1915 г. Бор опубликовал работы «О сериальном спектре водорода и

строении атома» и «Спектр водорода и гелия», «О квантовой теории излучения

в структуре атома». Он развил исследования, выполненные им в Манчестере в

августе 1912 г., и опубликовал их под названием «Теория торможения

заряженных частиц при их прохождении через вещество».

В декабре 1915 и январе 1916 г. Арнольд Зоммерфельд (1868—1951) развил

теорию Бора, рассмотрев движение электрона по эллиптическим орбитам и

обобщив правила квантования Бора. Зоммерфельд дал также теорию тонкой

структуры спектральных линий, введя релятивистское изменение массы со

скоростью. В его расчеты вошла безразмерная универсальная постоянная тонкой

структуры:

[pic]

Теория атома после открытия Зоммерфельда стала называться теорией Бора —

Зоммерфельда.

Продолжая развивать свои идеи, Бор сформулировал принцип соответствия

(1918), означавший шаг вперед в ответе на вопросы, поставленные

Резерфордом.

В 1922 г. Бор получил Нобелевскую премию по физике. В нобелевском докладе

он развернул картину с стояния атомной теории к этому времени. Одним из

наиболее существенных успехов теории было нахождения. ключа к периодической

системе элементов, которая объяснялась наличие электронных оболочек,

окружающих ядра атомов.

В 1925 г. работой Гейзенберга началось создание квантовой механики. В том

же году Уленбек и Гаудсмит, работавшие у Эренфеста, открыли спин электрона,

а Паули открыл принцип, носящий ныне его имя. После открытия Гейзенбергом в

1927 г. принципа неопределенности Бор выдвинул в качестве основной

теоретической идеи квантовой теории принцип дополнительности.

В 1936 г. Бор выступил со статьей «Захват нейтрона и строение ядра», в

которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром.

Ядерной физике была посвящена также работа 1937 г. «О превращении атомных

ядер, вызванных столкновением с материальными частицами».

В конце 1938—начале 1939 г. было открыто деление урана.

Atom бора

Бор, как и Томсон до него, ищет такое расположение электронов в атоме,

которое объяснило бы его физические и химические свойства. Бор уже знает о

модели Резерфорда и берет ее за основу. Ему известно также, что заряд ядра

и число электронов в нем, равное числу единиц заряда, определяется местом

элемента в периодической системе элементов Менделеева. Таким образом, это

важный шаг в понимании физико-химических свойств элемента. Но остаются

непонятными две вещи: необычайная устойчивость атомов, несовместимая с

Страницы: 1, 2, 3