Реклама на сайте (разместить):



Реклама и пожертвования позволяют нам быть независимыми!

Атом

Материал из Викизнание
Перейти к: навигация, поиск

Атом (от греч. atomos — неделимый), частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. (БСЭ). Соединяясь атомы образуют (^) молекулы. См.также:Категория:Атомы

Характеристики атома[править]

Массаот 1.008 (атом водорода)до 208 (атом свинца)а.е.м.
Размерот 32 (атом гелия)до 225 (атом цезия)пм

А.е.м.-атомная единица массы,-1.66 10 в минус 24 степени г.

Строение атома[править]

Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Размеры атома в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами _ядра атома (линейные размеры атома ~ 10~8см, его ядра ~ 10" -10" 13 см). Электронное облако атома не имеет строго определенных границ, поэтому размеры атома в значит. степени условны и зависят от способов их определения (см. Атомные радиусы). Ядро атома состоит из Z протонов и N нейтронов, удерживаемых ядерными силами (см. Ядро атомное). Положит. заряд протона и отрицат. заряд электрона одинаковы по абс. величине и равны е= 1,60*10-19 Кл; нейтрон не обладает элек-трич. зарядом. Заряд ядра +Ze - осн. характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному хим. элементу. Порядковый номер элемента в периодич. системе Менделеева (атомный номер) равен числу протонов в ядре.

Источник

молекулы,кристаллы
V
атомы
V V
атомные ядраэлектронные оболочки атомов
VV
-->.электроны
-->нуклоны (протон и нейтрон)
Микрообъекты-->элементарные частицы-->

Атом изучет Атомная физика

Эфиро динамическое представление[править]

В эфиродинамике нуклоны и злектроны представляются вихрями эфира,что позволяет объяснять многие явления с позиций законов макромира.

Протон – тороидальный винтовой вихрь эфира – образует вокруг себя тороидальные винтовые потоки слабо сжатого эфира, которые воспринимаются как магнитное и электрическое поля протона. Такая система устойчива и может существовать достаточно долго. Если вокруг протона образовался дополнительный пограничный слой, локализующий кольцевое движение, то такая система – нейтрон – в составе ядра тоже устойчива. Однако вырванный из ядра и предоставленный сам себе нейтрон оказывается менее устойчив и распадается на протон и электрон с периодом полураспада 11,7±0,3 мин.Материалом для создания электрона является эфир пограничного слоя, который коллапсирует в частицу, будучи оторванным от протона. Однако весьма вероятен и вариант, при котором пограничный слой рассасывается в эфире, не образуя электрон. Существует еще и третье устойчивое состояние протона, при котором вокруг протона организуется вторичный вихрь – так называемый «присоединенный вихрь» (термин, введенный в аэродинамику Н.Е.Жуковским). Такой вихрь получается, если внешние потоки эфира, ранее замыкавшиеся через центральное отверстие протона, будут замыкаться вовне. В таком вихре кольцевое движение будет иметь то же направление, что и кольцевое движение протона, а тороидальное – противоположное, поэтому знак винтового движения и присоединенного вихря будет противоположен знаку винтового движения протона, что и будет восприниматься как отрицательная полярность электрического заряда всего присоединенного вихря – электронной оболочки атома. Поскольку кольцевое движение целиком замыкается внутри этой внешней оболочки и не проникает во внешнюю область, вся система в электрическом отношении оказывается нейтральной. Так образовался атом водорода Эфиродинамика предлагает простую интерпретацию квантовых чисел в атоме: n – главное квантовое число; l– орбитальное квантовое число; m – магнитное квантовое число в волновой функции в полярных координатах. эти числа определяют положение присоединенных вихрей (электронных орбиталей) в атоме. Четвертое квантовое число s – спин определяет, вероятно, ориентацию присоединенного вихря (направление вектора момента количества движения) относительно других присоединенных вихрей. Если невозбужденное состояние атомов поддерживается энергией, исходящей из ядра, то возбужденное состояние возникает за счет энергии, поступающей в электронную оболочку извне, например, в результате соударения атомов, поглощения энергии фотонов и т.п. Поглощение внешней энергии приводит к реконфигурации вторичных вихрей и даже к появлению новых вторичных вихрей или уничтожению части существующих, в результате чего внутренние потоки, исходящие непосредственно из ядра, прорываются наружу, что создает эффект ионизации атома. Atom H.JPG

См.также[править]

Ссылки[править]


В статье использованы материалы из Большой советской энциклопедии.

Содержание:

I. Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым и проблема строения атома.......394

II. Квантование внутриатомных процессов. Постулаты Бора.....................398

III. Квантово-механическая теория атома......405

IV. Строение атомов и их свойства..........410

Атом (греч. атоцос - неделимое) - мельчайшая частица химич. элемента. Начиная с древних времён и до середины, 19 в. А. представляли как аб-солктно недолимую и неизменную частицу вещества. Новые открытия, сделанные физиками в конце 19 и начале 20 вв., опровергли этот метафизический взгляд на А. Было доказано, что А. неделим лишь в химическом отношении: не существует меньшей доли данного химич. элемента, чем атом. А. - сложная материальная система, он разлагается на ядро и электроны. В известных пределах, даже не изменяя своей химической индивидуальности, А. может изменять свои свойства в зависимости от физических условий - в зависимости от того, в какую более сложную систему он входит. Может быть разложено и ядро А.; при этом происходит превращение А. данного химич. элемента в А. другого химического элемента.

Взгляд на А., как на качественно своеобразную материальную систему, обладающую определённой индивидуальностью и вместе с тем изменчивую, способную к превращениям, был формулирован Ф. Энгельсом и в дальнейшем развит В. И. Лениным. Идеалисты отрицали самое существование материальных А. Развитие современной физики полностью подтвердило взгляд диалектич. материализма на А. и доказало несостоятельность и реакционность идеа-листич. утверждений. Учение об А. стало основой физики и всего естествознания, оно лежит в основе и современной техники.

I. Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым и проблема строения атома.

Значение менделеевского открытия для учения

об А. Теория А., ставящая целью раскрыть строение А. и объяснить его свойства, могла быть создана только после открытия периодич. закона Д. И. Менделеевым. Однако еще задолго до появления теории А. существовали определённые пред ставления об А. и его свойствах, игравшие существенную роль в развитии химии и физики.

Большая заслуга в формулировке научной атомной гипотезы принадлежит М. В. Ломоносову (см.). В высказываниях Ломоносова в общей форме содержались положения: А. характеризуется определённой массой; А. обладает определёнными химич. свойствами; А. соединяются в молекулы в определённых количественных отношениях; свойства молекулы зависят не только от числа различных составляющих её А., но и от их порядка, от структуры молекулы. Точная формулировка и экспериментальное обоснование этих положений потребовали вековой работы химиков.

Научная гипотеза об А. как носителе химич. индивидуальности элемента, разработанная Ломоносовым, была конкретизирована английским химиком Дж. Дальтоном (1803), Авогадро, Берцелиусом и др. Подробнее см. Атомистика.

Учение об А. оказалось особенно плодотворным в теории строения, созданной А. М. Бутлеровым (см.). Теория строения, или структурная теория, показала, что свойства тел зависят не только от состава, т. е. от того, из каких видов А. и из скольких А. состоит молекула, но и от характера связи А. друг с другом, в частности от пространственного расположения А. в молекуле. Структурная теория, позволившая классифицировать множество органических соединений и предсказать их свойства, полностью подтвердила идеи Ломоносова и явилась подлинным торжеством атомной гипотезы. Большое значение для развития последней имело также создание кинетической теории газов (см.) и открытие характеристических спектров излучения (см. Спектры оптические).

А. предстал как качественно своеобразный микрообъект, обладающий определённым весом (массой), специфическими химическими (валентность) и физическими (спектр излучения) свойствами. И вместе с тем А. представляли себе как абсолютно неизменную и неделимую частицу материи, как шарик неизменного объёма (радиусом порядка 10~8 см) и веса, наделённый известными силами, в частности загадочной «силой сродства», определяющей валентность. Естественно, что при таком взгляде о каком-либо объяснении свойств А. не могло быть и речи - они рассматривались как извечно присущие данной частице, как особенности, не могущие быть объяснёнными. Такой взгляд на А. приводил к заключению о случайности различных видов А. в природе; число этих видов также рассматривалось, как случайное. Существование органической связи между разными элементами даже не предполагалось. Отдельные попытки построения системы элементов имели искусственный характер. Однако развитие химических знаний об элементах в середине 19 в. всё больше вступало в противоречие с этим представлением. Постепенно выяснилось, что существуют группы элементов, обладающих сходными химическими свойствами (одинаковой максимальной валентностью), а также сходством физич. свойств.

Д. И. Менделеев (см.) был первым естествоиспытателем, усмотревшим существование внутренней закономерной связи между химич. элементами. Исторической заслугой Менделеева явилось открытие закономерности, устанавливающей связь между всеми химич. элементами, именно - периодического закона. Менделеев формулирует суть периодического закона в следующих словах: «если все элементы расположить в порядке по

величине их атомного веса, то получится периодическое повторение свойств. Это выражается законом периодичности: свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической в а в и с и-мости(или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от величины а т о м 75

70

сматривался; считалось, что каждому телу всегда присущи определённые значения плотности, упругости, теплоёмкости, теплопроводности, электропроводности, преломления, магнитной восприимчивости и т.д. В последней четверти 19 в. быстрое развитие промышленности, в особенности металлургии и хи-мич. производств, выдвинуло в качестве важнейшей проблемы объяснение физич. свойств тел. Так,

02 4 е 8 Ю 12 14 № 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 К 44 46\48 50\52 54 56 58 КО 62 64 66 6S

Не Be С 0 NeMgSi S Аг Са Ti Сг Fe Ni Zn Ge SB Kr Sr If Mo Ru PdlCd SnlTe Xe Ba Ce Nd Sm Gd Dy Er Yb Hf W Os Pt Hg Pb Po Rn Ra Th U H Li В N F NaAi P Cl К Sc V Mn CoCu Ga As Br Rb Y NbTc RhAg In Sb J Cs La Pr - Eu Те Но Tu Та Re Ir AuTl Bi At Fa Ac Pa

Puc. 1. Периодичность физических свойств. Зависимость атомного объёма от атомного номера.

н ы х весов элементов» (Менделеев Д. И., Основы химии, т. 2, 13 изд., 1947, стр. 80-81). Выражением закона периодичности Менделеева является периодическая система элементов Д. И. Менделеева (см.).

Открытие периодической системы элементов было поворотным пунктом в истории химии и физики; было доказано единство различных видов вещества и создана прочная основа для раскрытия их природы. Менделеев вложил новое содержание в понятие элемента, связав его с определённым местом в периодической системе. Но из этого вытекало, что А.- материальный носитель свойств элемента-не есть мёртвый, неизменный комочек вещества, обладающий случайным значением атомного веса и неизменными свойствами: А. различных элементов, отличаясь друг от друга, должны в то же время иметь нечто общее. Это означало, что А. должен иметь какое-то строение, что А. есть сложная материальная система. Проблема строения А. как сложной системы становилась всё более актуальной. Этот вопрос ставился не только химией, но и физикой.

Проблема строения А. Со времени открытия закона сохранения и превращения энергии главный интерес физиков был сосредоточен на связи различных форм энергии, на их переходах; вопрос о взаимной связи свойств, присущих телам, почти не рас 50*

например, до этого времени выплавление металла имело в значительной мере эмпирический характер. Возросшая потребность в качественных сплавах, обладающих определёнными заданными свойствами, привела к возникновению металлургии как технич. науки, к-рая, в свою очередь, поставила ряд проблем перед химией и физикой. В этих условиях объяснение свойств тол стало важнейшей задачей физики. Физич. и химия, исследования этого времени показывали, что, во-первых, свойства тела органически связаны друг с другом, и, во-вторых, что они определяются материальной структурой тела - его химическим составом и молекулярным строением. Такие свойства вещества, как температура плавления, сжимаемость и в особенности спектральный состав излучения оказались зависящими от места элемента в периодической системе (рис. 1 и 2). Стало ясно, что периодическую систему Менделеева следует считать основным законом не только химии, но ц физики. Таким образом, н в физике конца 19 в. встал вопрос о внутреннем строении самого А.

Однако мысль о сложном строении А.-химия.индивидуума - разделялась немногими учёными. Причина этого в значительной мере коренилась в консервативности мышления физиков и химиков.

Новый взгляд на А. был развит Ф. Энгельсом, давшим глубокое обобщение результатов химии и

физики 19 в., он подверг критическому анализу мировоззрение естествоиспытателей и правильно наметил дальнейшие пути развития науки.

40 50 60

Атомный номео

80

Рис. 2. Периодичность физических свойств. Зависимость от атомного номера: величины обратной температуры плавления =-X 101 (верхняя кривая); коэфици ента линейного расширения зХЮ> (средняя кривая); коэфициента сжимаемости *ХЮ5 (нижняя кривая).

Энгельс указывал, что физика идёт по пути по-внания материальных тел как единых, целостных, качественно своеобразных объектов. С этой точки зрения он по-новому, гораздо глубже естествоиспытателей своего времени, даже самых передовых, трактует проблему атомизма. «Новая атомистика отличается от всех прежних тем, что она... не утверждает, будто материя только дискретна, а признает, что дискретные части различных ступеней... являются различными узловыми точками, которые обусловливают различные качественные формы существования всеобщей материи» (Энгельс Ф., Диалектика природы, 1949, стр. 236). Следовательно, А. является узловой точкой в развитии материи, определённым качественным образованием. А. неделимы только химически, однако они «отнюдь не являются чем-то простым, не являются вообще мельчайшими известными нам частицами вещества» (т а м ж е, стр. 216). «Таким образом, мы видим, что чисто количественная операция деления имеет границу, где она переходит в качественное различие: масса состоит из одних молекул, но она представляет собою нечто по существу отличное от молекулы, как и последняя в свою очередь есть нечто отличное от атома» (т а м ж е, стр. 40).

Однако атомистич. идеи Энгельса, выражающие его диалектико-материалистич. взгляд на природу, остались неизвестными физикам. Сами же буржуазные учёные не сумели сделать те выводы, к-рые навязывались фактами. Больше того, часть естествоиспытателей конца 19 в. поддалась влиянию реакционной энергетич. школы Оствальда, субъективно идеалистич. философии Маха и Дюгема, отрицавших само существование А. Разработка теории А. началась лишь после того, как факты воочию показали сложность структуры А.

Открытии электронов и радиоактивности. Важнейшими открытиями, подготовившими создание теории А., явились открытия электронов и радиоактивности. При исследовании катодных лучей (см.) было обнаружено, что они несут отрицательный элек-трич. заряд и проявляют свойства цотока частиц,

названных электронами. Электроны испускаются также поверхностью металла при нагревании (термоэлектронная эмиссия, см.), при освещении (явление фотоаффекта, см.). Во всех случаях электроны обладают тождественной природой, независимо от способа получения и от природы вещества, испускающего электроны. Поток электронов отклоняется в электрическом и магнитном поле, может быть ускорен или замедлен; электрон имеет массу, равную 9,1060-10 ~2в г.

Многочисленными опытами было установлено, что электрон несёт определённый электрический заряд. Согласно последним, наиболее точным измерениям, величина этого заряда (являющегося наименьшим известным зарядом и поэтому называемого элементарным) составляет 4,8024-Ю"10 электростатических единиц. Величина любого заряда может быть только кратной элементарного заряда; следовательно, электрон является «А. электричества». Если условно представлять электрон в виде заряженного шарика, то его размер можно вычислить на основании данных по рассеянию рентгеновских лучей, а также из значений массы и заряда электрона; согласно таким расчётам радиус электрона оказывается величиной порядка 10~13 см, т. е. в 100000 раз меньше размера А.

Наконец, корпускулярные свойства электрона доказываются локальностью его действий; отдельный электрон даёт «точечную» вспышку на люми-несцирующем экране, оставляет тонкий туманный след в камере Вильсона (см. Вильсона камера).

Таким образом, электрически-нейтральное вещество при известных условиях выбрасывает поток электронов; из этого было сделано заключение, что они входят в состав А. любого вещества. Следовательно, в А. должен содержаться и положительный заряд, в обычном состоянии нейтрализующий заряд электронов. Это полностью согласовалось с ялектромагнитной теорией света, согласно к-рой свет есть поток электромагнитных волн, испускаемый колеблющимися электрическими системами, состоящими из положительных и отрицательных зарядов и, в свою очередь, действующий на элек-трич. системы. Такими системами и являются А. вещества. Так разрешалась проблема излучения света. Более того, отношение заряда к массе заряженных частиц, входящих в состав атомных систем, оказалось равным отношению заряда электрона к его массе, откуда непосредственно следовало наличие электронов в А.

Электроны способны присоединяться к различным нейтральным А., образуя отрицательные ионы (см.). Наоборот, при удалении одного или нескольких электронов из нейтрального А. возникают положительные ионы с зарядом, кратным элементарному заряду, и с массой, мало отличающейся от массы исходного А. Простейшие положительные ионы-это ион водорода Н+-протон и ионы гелия-• Пе + и Не++. Последний носит название альфа-частицы (см.) (число крестиков обозначает кратность ионизации, т. е. число отщеплённых от А. электронов).

Теория электронов дала бесспорное свидетельство сложности А. Открытие радиоактивного распада наиболее тяжёлых А. окончательно доказало, что А.- сложная система, к-рая может превращаться в другую систему,- в А. другого элемента. Представление о неизменности и неразрушимости А. было опровергнуто.

Было обнаружено, что радиоактивные вещества испускают лучи трёх родов, названных о-, р- и

•у-лучами. Все эти лучи обнаруживают себя тем, что вызывают почернение фотопластинки, ионизируют молекулы газов, сквозь которые они проходят; а-лучи дают вспышки на экране из сернистого цинка. В настоящее время применяются самые разнообразные методы для их изучения: камера Вильсона, счётчики заряженных частиц, толстослойные фотопластинки (последний метод принадлежит советскому физику Л. В. Мысовскому). а-лучи окапались потоком ионов гелия, [i-лучи - быстрыми электронами, а ^-лучи - электромагнитным излучением очень большой частоты.

При выбросе а-частицы А. радиоактивного элемента превращается в А. другого элемента, расположенного на две клетки выше в периодической системе Менделеева, а при испускании р-электро-на - в А. элемента, расположенного па одну клетку ниже от исходного элемента.

В результате таких превращений вес А. новообразовавшегося элемента может оказаться отличным от атомного веса того элемента, в клетку к-рого он попадает. Отсюда следует существование разновидностей одного и того же химич. элемента, различающихся массой А.; эти разновидности получили название изотопов (т. е. занимающих одно и то же место в таблице Менделеева). Впервые изотопы были открыты в группе радиоактивных элементов; последующие исследования показали, что изотопия широко распространена и среди обычных элементов. Особенно возросло число известных изотопов после открытия искусственно-радиоактивных изотопов. Представления 19 в. об абсолютной тождественности всех А. данного химич. элемента оказались неверными. С установлением изотонии элементов выяснилось весьма существенное обстоятельство, а именно: оказалось, что атомные веса изотопов сравнительно мало отличаются от целых чисел (за единицу химич. шкалы атомных весов принимается Vle среднего атомного веса естественной смеси изотопов кислорода, в отличие от физнч. шкалы, в к-рой за единицу принимается 1/1в атомного веса наиболее распространённого изотопа кислорода-О16, см. Атомный вес). С открытием изотопии стало ясно, что основным признаком хцмич. элемента, определяющим его место в таблице Менделеева, является заряд положительной части А., называемой ядром атома. Порядок расположения Менделеевым элементов полностью оправдался и нолучил фиаич. обоснование.

Первоначальные модели А. Результаты, полученные при исследовании свойств электрона и явлений радиоактивности, дали возможность строить конкретные модели А. В модели А., предложенной Дж. Томсо-ном (см.) в 1903, А. представлялся в виде положительно за-.ряженной сферы, в к-рой расположены незначительные по размеру (по сравнению с А.) отрицательные электроны (рис. 3). Томсоновская модель давала известное объяснение самой воз-Рис. 3. Модель атома можности испускания, рассея-Дш. Томсона. Точ- ния и поглощения света А. При ии изображают элск- смещении электронов из положе-троны, «вкраплен- пяпноврсия ппчиикает «vn ные» в положительно ня Равновесия возникает «уп-заряжснную сферу, ругая» сила, стремящаяся восстановить равновесие. Эта сила пропорциональна величине смещения электрона из равновесного положения, и, следовательно, диполь-ному моменту. Под действием электрических сил в

падающей электромагнитной волне А. поляризуется, величина электрического момента диполя колеблется с той же частотой, что и электрическая сила в световой волне; колеблющиеся электроны, в свою очередь, испускают свет той же частоты. Так происходит рассеяние электромагнитных волн атомами вещества. Из величины ослабления лучей в толще вещества можно узнать общее число рассеивающих электронов, а зная число А. в единице объёма, можно определить число электронов в каждом А. Это число для лёгких элементов оказалось равным половине атомного веса. Т. к. приблизительно в таком же отношении (1 : 2) находятся между собой порядковые номера элементов, расположенных п начале таблицы Менделеева, и их атомные веса (исключением здесь является водород), то из этого следовало, что число электронов в А., - а значит и заряд ядра,-равны порядковому номеру элемента. Исходя из расположения элементов в таблице Менделеева и факта периодической повторяемости химич. свойств,Томсон предположил,что электроны в А.рас-полагаются слоями и что химич. свойства элемента определяются внешним слоем электронов. Это предположение полностью подтвердилось в дальнейшем.

Однако вскоре выяснилось, что модель Томсона неудовлетворительна. Опыты Резерфорда по поглощению и рассеянию а-ча-стиц атомами различных веществ доказали её несостоятельность. Каждая а-части-ца пролетает в воздухе 5- 10 см', за это время она испытывает сотни тысяч столкновений с атомами, но отклоняется большей частью на очень малые углы; следовательно, встречные А. оказываются проницаемыми для быстрой и массивной а-частицы; лишь в редких случаях а-частица испытывает отклонение на большой угол - 120-150°, очевидно, при столкновении с положительным ядром А., несущим почти всю массу А. (рис. 4). Значит, А. почти «пустой», он имеет дискретное строение, причём ядро А. занимает ничтожную долю его объёма (радиус ядра

порядка 10~12 см). - Исходя из своих опытов, Ре-зорфорд создал модель А., получившую название планетарной. Сама идея о некотором сходстве между возможным строением А. и солнечной системы была высказана еще Менделеевым. Согласно планетарной модели, строение А. представляется в следующем виде. В центре А. находится положительно заряженное ядро, масса которого почти равна массе А. Величина заряда ядра возрастает от одного химического элемента к другому на элементарную единицу заряда, равную заряду электрона (но с положительным знаком). Численно заряд ядра А., выраженный в единицах элементарного заряда, равен номеру соответствующего элемента в периодической системе. Вокруг ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг солнца; число электронов также равно номеру А., так что их совокупный заряд нейтрализует положительный за Рис. 4. Рассеяние а-ча-стиц в кислороде.

ряд ядра. Электроны Должны двигаться потому, что иначе они упали бы на ядро. Различие между А. и планетной системой состоит в том, что в последней действуют силы тяготения, а в А. - электрич. силы (кулоновские).

В соответствии с законом Кулона, сила, связывающая электрон с ядром А., равна -^-, где е заряд электрона, Z - порядковый помер А. в таблице Менделеева, Ъе - заряд ядра, ;----расстояние

электрона от ядра. Для того, чтобы движение электрона вокруг ядра происходило по определённой орбите, необходимо, чтобы эта сила уравновешивалась центробежной силой т- (т - масса электрона, v - его скорость):

? = =?. (1)

Резерфорд подсчитал, как должны распределяться по углам а-частицы, рассеянные таким ядром - центром кулоновых сил, и затем проверил это распределение экспериментально, измеряя число а-частиц, рассеянных под различными углами. Опыт подтвердил теорию, тем самым подтвердив предположение, что ядро и электрон взаимодействуют по закону Кулона, как «точечные» заряды. Из этой теории, далее, следовало, что число рассеянных а-частиц пропорционально квадрату заряда ядра Ze, где Z-число элементарных зарядов ядра. Сравнение теории с опытом показало, что число Z равно порядковому номеру рассеивающего элемента в таблице Менделеева.

Дальнейшее изучение рассеяния а-частиц различными элементами показало, что при больших углах рассеяния (близких к 180°) наблюдается отклонение измеренного числа рассеянных частиц от вычисленного по формуле Резерфорда, особенно значительное в случае лёгких элементов. Так как на большие углы должны рассеиваться а-частицы, пролетающие на близких расстояниях от ядра, то естественно было предположить, что это аномальное рассеяние связано с невыполнимостью закона Кулона на малых расстояниях. Это дало возможность оценить порядок величины радиуса ядра, для к-рого была получена следующая приближённая формула:

7-0=1,3-10-13 У А см (2)

(А - атомный вес). Из этой формулы следует, что радиус ядра - величина порядка 10~13-10~12 см.

Естественная радиоактивность тяжёлых ядер, а также доказанная в дальнейшем возможность искусственного осуществления различных ядерных превращений свидетельствуют о сложном строении не только А., но и атомных ядер (см. Атомное ядро).

При ближайшем рассмотрении планетарной модели А. физики натолкнулись,однако, па принципиальные трудности. Действительно, согласно допущению Ре-верфорда, электроны движутся вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, т.е. по обычным законам механики. Согласно же электронной теории, электроны при ускоренном движении должны излучать электромагнитную энергию. В данном случае, при движении их по круговым или эллиптическим орбитам, они должны были бы потерять в ничтожную долю секунды всю свою кинетическую энергию и упасть на ядро. Если принять (вместе с классической электродинамикой), что частота излучаемого электроном света равна частоте колебаний электрона в А. (т. е. числу оборотов, совершав мых им по своей орбите в одну секунду) или имеет кратное ей значение, то излучаемый свет по мере приближения электрона к ядру должен был бы изменять свою частоту. Но это противоречит опыту. Еще в 60-х гг. 19 в. было установлено, что А. вещества в газообразном состоянии (т. е., когда связи между А. слабы, и их можно рассматривать как независимые друг от друга) излучают характерный для данного вещества спектр, состоящий из отдельных дискретных линий. Другими словами, А. излучает световые волны вполне определённой длины, типичные для данного химпч. элемента.

Этому факту постоянства спектров в корне противоречит вывод, неизбежно вытекающий из гипотезы Резерфорда, что каждый А. по мере приближения электрона к ядру должен испускать свет с изменяющейся длиной волны, т. е., по существу, сплошной спектр. Устойчивое состояние А. с этой точки зрения оказывается невозможным. Но опыт учит, что А. может оставаться в устойчивом состоянии миллиарды лет. Остаётся допустить, что обычные законы механики и электродинамики неприменимы к внутриатомным процессам.

Таким образом, к началу второго десятилетия 20 в. физика, опираясь на периодический закон Менделеева, твёрдо установила, что А.- сложная система. Предсказание Энгельса о сложности и изменчивости А. полностью оправдалось. Но представления классич. физики о движениях, происходящих в А., оказались явно несостоятельными. Перед физикой встала новая задача - создать теорию процессов в А.

II. Квантование внутриатомных процессов. Постулаты Бори.

Устойчивость А. Первая попытка создать теорию, к-рая объясняла бы особую («сверхмеханическую») устойчивость А., была сделана датским физиком Н. Бором (1913). Ко времени создания теории Бора было установлено, что энергия может поглощаться и испускаться А. лишь определёнными порциями - квантам и. Это, прежде всего, следовало из строго экспериментально обоснованных законов излучения абсолютно чёрного тела (Плат;) и из явления фотоэлектрического эффекта. Квантовый характер взаимодействия света с А. с особенной наглядностью явствует из явления фотоэффекта - испускания электронов поверхностью металла при освещении её; исследование фотоэффекта составляет большую заслугу А. Г. Столетова (см.).

Оказалось, что максимальная скорость и, следовательно, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависят не от интенсивности падающего света, как можно было бы ожидать согласно волновой теории света, а исключительно от его частоты. Количество же вылетающих электронов зависит от интенсивности освещения. Объяснение этих законов фотоэффекта можно дать только на основе предложенной Эйнштейном гипотезы, что свет взаимодействует с веществом как поток своеобразных частиц-квантов, или фотонов; энергия каждого кванта пропорциональна частоте света. Это можно записать так: Е -/jv; е - энергия кванта, v - частота, a h - т. н. постоянная Планка, равная 6,624-10~~27 эрг/сек. Каждый квант (порция) световой энергии расходуется на то, чтобы выбить из металла один электрон, причём кинетическая энергия последнего пропорциональна величине кванта, т. е. частоте света. - Дискретная природа электромагнитного излучения с особой наглядностью доказывается опытом А. Ф. Иоффе

'и Н. И. Добронравова. Миниатюрная рентгенова трубка (диаметром в 8 .им) помещалась вблизи заряженной пылинки, неподвижно «висевшей» между обкладками конденсатора под действием электрических сил. Трубка испускала короткие импульсы (1000 раз в секунду) рентгеновых лучей, которые изредка (в среднем 1 раз в 2 часа) вырывали из пылинки электрон. При этом энергия выброшенного пылинкой электрона всегда оказывалась равной энергии рентгеновского импульса. Из этого следовало, что пылинка поглощает сразу всю энергию импульса. Результат опыта явно противоречит классической волновой теории излучения и подтверждает квантовую: испускание и поглощение света А. вещества должно происходить отдельными порциями - квантами.

С этой точки зрения существование характерных для А. данного элемента линий испускаемого или поглощаемого спектра, т. е. способность А. данного элемента испускать и поглощать электромагнитные волны только определённых частот, означает, что энергия А. может изменяться не на сколь угодно малые величины, а скачками, на определённые дискретные величины; следовательно, в стационарном, устойчивом состоянии А. должен обладать определёнными дискретными значениями, или уровнями энергии.

Дискретность возможных значений энергии А. и квантовый характер его взаимодействия со светом совершенно не укладываются в рамки классич. физики. Они противоречат и классической ньютоновой механике, и классической электродинамике. Классическая механика также обосновывает устойчивость систем, напр, солнечной системы, однако она принимает, что при любом, сколь угодно слабом, внешнем воздействии энергия системы изменяется, хотя и на очень малую величину.

А. ведёт себя иначе, он проявляет устойчивость иного рода. Несмотря на то, что А. в газе испытывает сотни миллионов столкновений в секунду с другими А., его внутренняя энергия в громадном большинстве случаев остаётся неизменной. Следовательно, А.- система, обладающая сверхмеханической устойчивостью, т. е. устойчивостью, не присущей механич. движениям обычных больших тел, и не объяснимой классич. механикой. Таковы важнейшие экспериментальные данные из области атомной физики, которые предстояло объяснить на основе единой теории.

Постулаты Бора. Бор сформулировал в виде постулатов некоторые правила, характеризующие те особенности движения электронов в Л., которые не укладываются в рамки классич. физики. Эти правила были им формально присоединены к законам классич. механики; электрон в А., двигаясь по законам классич. механики, в то же время подчиняется правилам, ограничивающим эти законы, а по сути дела - противоречащим им.

Постулаты Бора таковы:

1) А. может находиться только в дискретных устойчивых состояниях, характеризуемых определёнными значениями энергии. В этих состояниях электроны движутся вокруг ядра по определённым орбитам, по законам классической механики; радиусы «дозволенных» орбит соответствуют возможным значениям энергии А. По каким-либо другим орбитам стационарное движение электронов невозможно, вопреки классич. механике.

2) При движении по «дозволенным» орбитам электрон вопреки классич. электродинамике не излучает света. Излучение может происходить только при

переходе электрона с одной «дозволенной» орбиты на другую.

3) Энергия излучаемого света (фотона) пропорциональна частоте и равна разности энергии электрона в начальном (WJ и конечном (W2) состоянии движения:

е = Ь=И^! - W2. (3)

Так как «дозволенные» стационарные состояния движения электрона образуют дискретный ряд, то каждый А. может излучать и поглощать только фотоны определённых энергий, а тем самым и волны света определённых частот. Этим объясняется то обстоятельство, что каждый А. испускает только характерные для него линии спектра. Третий постулат Бора представляет собой применение закона сохранения энергии к внутриатомным процессам.

Таким образом,согласно постулатам Бора, частота излучаемого света вовсе не равна частоте обращения электрона по орбите, как этого требует классич. электродинамика; она пропорциональна разности энергий электрона на двух возможных орбитах.

Поскольку в теории Бора проводится резкое различие между дозволенными и недозволенными орбитами, требовалось отыскать общий признак, выделяющий дозволенные орбиты. Решение этой проблемы было найдено П. С. Эренфестом путём аналогии с макроскопическими (большими) механич. системами.

Во всякой механич. системе, в которой совершаются периодические процессы, можно найти такие интегральные величины - характеристики движения в целом,-которые не изменяются при медленном воздействии на систему извне (путём изменения её связей). Например для колеблющегося маятника, подвешенного на нити, таким воздействием является медленное удлинение или укорочение нити; при этом воздействии соответственно уменьшается или увеличивается энергия колебания маятника, причём существенно то, что энергия изменяется пропорционально частоте колебаний. Таким образом, отношение энергии колебания к частоте есть величина постоянная, не изменяющаяся при медленных внешних воздействиях на нить, т. е. на связь (такие воздействия называются адиабатическими). Величина, представляющая собой отношение энергии к частоте или (что то же самое) произведение энергии на период колебаний, называется действием. Действие и есть интегральная величина, не изменяющаяся при адиабатических воздействиях, или, как говорят, действие есть адиабатический инвариант.

При относительно слабых воздействиях состояние А. не изменяется. Естественно принять, по аналогии с макроскопическими системами, что в стационарном состоянии А. значение действия остаётся неизменным; при достаточно сильных быстропе-ременных воздействиях оно изменится и притом на конечную величину. Это допущение было сделано П. С. Эренфестом и принято в боровской концепции.

Согласно теории Бора, каждое стационарное состояние А. характеризуется определённым значением действия, могущим принимать лишь дискретную последовательность значений: h, 2h, ЗЛ..., вообще nh, где п - целое число. Величина h есть наименьшее значение действия, или квант действия. Действие, имеющее размерность энергии, умноженной на время, тем самым имеет размерность произведения импульса на соответствующую координату. В простейшем случае - движения

электрона по круговой орбите - действие равно произведению импульса mv на длину орбиты 1г. г, те оно пропорционально моменту количества движения электрона mvr. Значит, в данном случае, поскольку момент количества движения электрона квантован, он может принимать лишь значения,

равные ~, 2 ~ .... я-^ , или

nh ,,*

Число п называется главным квантовым числом; значение радиуса орбиты г также зависит от числам. Квантование величины действия приводит, т. о., к отбору возможных, или дозволенных, орбит, по к-рым электрон может устойчиво двигаться; такими орбитами являются только те, для к-рых момент импульса равен целому кратному <^-. Напр, для водорода (если орбиты принимать за круговые) из уравнений (1) и (4) получим значения радиусов

na hs дозволенных орбит: г = j^r^r , где /г - ряд целых

чисел 1,2, 3... Если сюда подставить n=i, то, зная величины h, т я е, получим значение радиуса наименьшей (ближайшей к. ядру) орбиты А. водорода, равное 0,529 А (1А=10-8 см).

А. обладает дискретными значениями энергии, следовательно энергия также квантована. Она определяется значением главного квантового числа. Каждой дозволенной орбите соответствует определённое возможное значение энергии А. Если энергия является наименьшей, то А., как говорят, находится в низшем или нормальном состоянии; при большем значении энергии А. называется возбуждённым. Значения энергии отдельных уровней можно легко вычислить. Они равны:

Наименьшая энергия А. водорода Wm[n--13,53 за (в атомных процессах энергию принято измерять в электрон-вольтах; 1 эв = 1,6-10-12 эрга). Величина И7т1пчисленно равна потенциалу ионизации А.,т. е. работе вырывания электрона из А. В возбуждённом состоянии А. находится очень короткое время; самопроизвольно излучив энергию в виде фотона, электрон «падает» на другую орбиту с меньшей энергией. Таким образом,каждый А. в акте излучения испускает или поглощает свет определённой частоты, вопреки классической электродинамике, которая полагала, что каждый А. сразу испускает весь спектр линий данного элемента. Испускание всего спокт-ра газом объясняет вольты

15

Рис. 5. Опыт Франка и Герца. Изменение силы электронного тока в зависимости от напряжения. -cf{ тем^ что различ.

ные А. испускают линии разных частот, а совокупность всех А. даёт все линии спектра. ^Таковы основные положения боровских воззрений на А.

Эти положения получили особенно наглядное подтверждение в опыте Франка и Герца. Суть опыта

такова. Поток электронов, энергией к-рых можно управлять, попадает в сосуд, содержащий пары ртути при очень малом давлении. Электронам сообщает-ж энергия, которая постепенно повышается. По юре увеличения энергии электронов ток в гальванометре, включённом в электрическую цепь, усиливается; когда же энергия электронов оказывается равной 4,9 эв, ток резко падает (рис. 5). Одновременно можно обнаружить, что пары ртути испускают ультрафиолетовые лучи определённой длины волны, именно в 2537 А.

Изложенные факты допускают только одно истолкование. Пока энергия электронов меньше 4,9 эв, электроны при столкновении с А. ртути не теряют энергии, столкновения имеют упругий характер. Когда же энергия оказывается равной определенному значению, именно 4,9 эв, электроны передают свою энергию А. ртути, к-рые затем излучают ее в виде квантов ультрафиолетового света. Расчет показывает, что энергия этих фотонов равна той энергии, к-рую первоначально теряют электроны.

Существуют еще и другие значения энергии электронов, при к-рых падает сила электронного тока. Это - значения 6,7 и 10,4 эв. Но при этих значениях А. ртути испускают уже другие спектральные линии, частоты которых соответствуют данным значениям энергии.

Аналогичные опыты были проделаны и с другими веществами (см. рис. 6). Эти опыты доказывают, что внутренняя энергия атома может иметь только определённые дискретные значения, что А. поглощает энергию извне и излучает её сразу целыми квантами, наконец, что А. каждый раз испускает свет не всех возможных частот, а лишь определённой частоты, соответствующей величине теряемого А. кванта энергии.

Воззрения Бора, несмотря на отсутствие в них целостной, единой концепции атомных процессов, дали возможность объяснить ряд явлений, представлявших загадку для классич. физики. К этим явлениям прежде всего относятся нек-рые закономерности спектров, испускаемых атомами. Установив связь между частотами спектральных линий, к-рые испускает А. данного элемента, и внутренней энергией А., можно было сделать спектральный анализ важнейшим средством исследования строения и внутренних процессов в А. (а также в молекуле). Прежде всего была выяснена сущность закономерностей спектра водорода, к-рые ранее были найдены эмпирически и смысл к-рых был совершенно непонятен.

Еще в конце 19 в. Бальмер открыл, что линии в видимой части спектра водорода образуют некоторую закономерную последовательность, или серию (лшши серии были обозначены как На, Н3, Н7 и т. д.). Длины волн линий этой серии подчиняются определённой эмпирически найденной Бальмером закономерности. Переходя от длин волн к частотам, эту закономерность можно выразить, по Рнд-бергу, следующей формулой:

(6)

для серии Бальмера п=2. По формуле Ридберга, частота v равна разности двух величин, или термос.

2852

Рис. 6. Наверху спектр паров магния, возбуждаемый алектронами с энергией 3,2 эв; внизу спектр паров магния, возбуждаемый электронами с энергией 6,5 эв.

Значение константы Л было вычислено из спектроскопия, данных и оказалось равным 109-6~8см~1 (в спектроскопии обычно пользуются волновыми числами - числом волн, укладывающихся на одном

Нб

Рис. 7. Серия Бальмера. Над линиями II,, HJJ Н, Щ указаны длины волн.

сантиметре); т - целые числа, равные 3, 4, 5 и т. д. Таким образом линии серии образуют сходящуюся последовательность, стремящуюся к определённому пределу при т= со (см. рис. 7).

.STS"

- я ? ' '

" S . | | a 1 - ____ i 1 1 1 1 I ' II ^. -,_.ci.-

e gg •» louon

•feS ' *. 14 « a ~ "• » ~= e

II и g- 5' ~ g" §" 55' S" S' я § 1 I » 1 * гоооп

Ю. 11 , f Т 1 Т 1 1 . Палёно &

to На Нр Ну HS HI Н^ Ну HV HI 30000 Серия Нальмеро

в

ьпппо

a

50ПОО

7

вп/юа

• в

-3 ? 8gj jonoo

•i»

80000 -3

еоооо •

г

/00000

-i

Гяриа Лаймони

Рис. 8. Уровни энергии атома водорода (горизонтальные линии) и переходы между ними; слева отложена шкала энергии, справа - шкала термов. Вертикальные линии показывают переходы с одного уровня на другой, числа дают длины волн соответствующих спектральных линий.

В дальнейшем удалось обнаружить серии линий, испускаемых водородом в невидимых частях спектра и соответствующих значениям п= 1, 3, 4,....

51 Б. С. Э. т. 3.

Эти серии получили названия: серия Лапмана (га = =1), серия Пашена (га = 3), серия Брекэтта (п = 4) и другие.

В свете теории Бора смысл этих закономерностей стал ясен. Частота испускаемого А. света

w, W,

  • =-- - > W

где Wl - энергия более высокого уровня, а И'3 - более низкого; при переходе электрона с более высокого уровня энергии на более низкий происходит испускание кванта света Av. Частота пропорциональна разности дв}'х уровней, или двух термов

Рис. 9. Возможные орбиты электрона в А. водорода.

Цифры обозначают главные квантовые числа, индексы азимутальные (см. ниже).

энергии. Естественно отождествить термы энергии в формуле Бора с термами в формуле спектроскопии; так объясняется физич. смысл членов в правой части формулы (6). Напр, линия серии Бальмера На испускается при переходе электрона с третьей орбиты на вторую, Яч - при переходе с четвёртой орбиты на вторую и т. д. Сравнивая формулы (5), (6) и (7) и учитывая, что для водорода Z=l, получим для R величину 109-740 см-1, с большой точностью совпадающую со спектроско-пич. значением. Уровни энергии А. водорода и переходы между ними можно представить в виде, показанном на рис. 8, а соответствующие им бо-ровские электронные орбиты (для га = 1, 2, 3, 4) иллюстрируются рис. 9.

Можно было бы предположить, что часть линий спектра однократно ионизированного гелии Не1' (в А. гелия - 2 электрона, в результате же однократной ионизации А. остаётся 1 электрон) должна совпадать с линиями водорода. В самом деле, для гелия 2=2 и второй терм Не+ должен совпадать с первым термом водорода, четвёртый терм Не* совпадает со вторым термом водорода и т. д. Однако опыт показал, что между спектральными линиями водорода и ионизированного гелия есть небольшое расхождение, порядка 1 А. Значит, картина движения в А. была представлена не совсем точно. Действительно, в ранее набросанной картине внутриатомных процессов ядро А. считалось неподвижным, между тем оно, в соответствии со своей значительно большей массой, должно описывать очень малую (сравнительно с электронами) окружность вокруг общего центра тяжести. При уче'те движения ядра поправка приблизительно равна - для водорода и • длягелия. Вне-1ооО 7400

сение этой поправки устранило в данном пункте расхождение теории с опытом. Этот пример показывает, какую огромную роль играли спектроскопии, данные при разработке теории процессов в А.: совпадение этих данных с вычисленными на основе теории подтверждало теорию, а расхождения теории с данными опыта указывали на её неполноту и ограниченность.

Отметим следующее весьма существенное обстоятельство. Вследствие зависимости постоянной Л от массы ядра (получающейся при учите движения последнего) энергетич. уровни (термы) различных изотопов данного элемента

Рис. 10. Прецессия орбиты.

должны различаться между собой. Этот эффект (изотопич. смещение) имеет наибольшее значение в случае водорола, где относительное различие масс изотопов максимально. Действительно, изотопич. смещение линии в серии Баль-мера, обусловленное тяжёлым изотопам водорода - дейтерием, достигает величины порядка 1 А, что и привело к открытию этого изотопа (Юри, 1932).

Модель А. в теории Бора. Квантовые числа. Спектры А., однако, сложнее, чем это получается соглаено изложенной элементарной теории. Это доказывало, что картина движения электронов в А, гораздо сложнее и что тео-рия А. нуждалась в дальнейшей разработке. Прежде всего, можно было обобщить теорию, допустив, что электроны в А. движутся не только по круговым, но и по эллиптическим орбитам (Зоммерфельд), имеющим различные значения эксцентриситета (степени вытпнутости эллипса). Но в кулоновеком поле энергия электрона на эллиптической орбите зависит только от большой полуоси, следовательно, вытянутость эллипса не играет роли. Энергия различных состояний электрона, движущегося по разным эллипсам с одинаковой большой полуосью, будет одинакова. Такие состояния (с одинаковой энергией) называются вырожденными.Однако Зоммерфельд показал,что если учесть зависимость массы электрона от скорости, установленную в теории относительности, то эллиптическая орбита электрона будет не замкнутой, а похожей на розетку (см. рис. 10). Это движение электрона можно рассматривать как состоящее из двух: движение по эллипсу сопровождается одновременным вращением эллипса (прецессией). Поскольку оба движения не могут быть любыми, а должны Квантоваться, то, помимо главного квантового числа п, определяющего возможные значения большой полуоси, было введено еще другое квантовое число h (т. н. азимутальное квантовое число), определяющее эксцентриситет орбиты

hh

(воаможные значения момента импульса равны -^-). Однако для А. водорода скорость прецессии орбити оказалась очень малой.

В более сложных А., напр, в А. щелочных металлов, внешний электрон - наиболее удалённый от ядра - движется в поле ядра и других электронов, экранирующих действие ядра (внутренние электроны отталкивают внешний электрон и тем самым ослабляют и «искажают» притягательное действие ядра; в свою очередь, внешний электрон деформирует, поляризует атомный «остаток»). Здесь элект-рич. поле, действующее на внешний электрон, уже не является кулоновским, сферически симметричным; в таком поле не может быть движения по замкнутым эллипсам; в данном случае энергия прецессии уже сравнима по величине с энергией движения электрона по эллипсу. Поэтому энергия электрона в стационарном состоянии будет зависеть не только от главного квантового числа п, но и от числа ft.

Следовательно, энергия испущенного фотона и частота спектральной линии, зависящие в теории Бора от того, с какой орбиты и на какую «перескочил» электрон, определяются как значениями п, так и значениями h для обеих орбит. Так были объяснены особенности спектров А. щелочных металлов и более сложных А.

Сперва полагали, что k может принимать значения от 1 до п. Значение 0 исключалось потому, что в этом случае вллипс вырождается в прямую, проходящую через ядро, что считалось невозможным; при h=n орбита становится круговой. Однако дальнейшие исследования привели к противоречию с принятыми для ft значениями. По непонятной, с точки зрения боровской теории, причине пришлось принять, что воаможные значения момента импульса

равны l=ft -1 (в единицах-^).

Опыт показал, что в природе существуют только такие спектральные линии, при испускании к-рых А. изменяет свой состояние так, что I изменяется только на 1 (в отличие от п, к-рое может изменяться на любое целое число). Объяснения этому «правилу отбора» спектральных линий теория Бора дать не могла.

Если состояния, к-рым соответствуют значения 1 = 0;

1; 2; 3..., обозначить буквами а, р, d, /..... то термы можно

обозначить символами Is, 2s... ns, 2р, Зр,..., пр, nd... (первая цифра дает значения п). При таком обозначении, согласно правилу отбора, возможны следующие серии спектральных линий:

np-t-ls, ns->-2p, nd-*-2p, n/-»-3d и т. д.

Каждому значению п и 1 соответствует ряд возможных пе реходов и, следовательно, спектральных яинвй. На рис. 11 дана схема термов калия; переходы между различными уровнями определяют длины волн спектральных линий.

Вольты

4

' п

и

з/г, з/2

г7/

. я/г

5000

10000

15000

гоооо

гзооо

зоооо 35000

Рис. 11. Схема термов калия.

Необходимо отметить, что для построения схемы термов щелочных элементов в области высоких квантовых чисел большое значение имели экспериментальные работы Д. С. Рождественского.

Опыт потребовал дальнейшего усложнения картины движений в А. -Пока рассматривалось только движение А. в одной плоскости. Но под действием магнитных полей положение плоскости орбиты не сохранится. Действительно, движение электрона можно рассматривать как замкнутый электрический ток; как всякий ток, он взаимодействует с магнитным полем и обладает определённым магнитным моментом (аи.). Наименьшая величина орбитального магнитного

момента i*D= -. а

называется магнетоном Бора. Если под вергнуть А. действию однородного магнитного поля, то

поле Судет стремиться

ориентировать орбиту

электрона так, чтобы „

направление магнитно- "

го момента (перпенди кулярного плоскости

орбиты) совпало с на правлением поля; это му противодействует

инерция вращательно го движения электро на. В результате орби та электрона и, следо вательно, магнитный

момент атома начинают

прецессировать вокруг

направления внешнего

поля, подобно вращаю щемуся волчку (см. ри сунок 12). Это - тре тий тип периодическо го движения, который

совершает электрон, н,

как всякое стационар ное движение в ато ме, оно также кванто вано; угол между пло скостью орбиты и на правлением внешнего

поля принимает дис кретные значения. Это

явление называется пространственным квантованием:

квантуется проекция магнитного момента на направление

внешнего поля. Таким образом вводится третье квантовое

число mi, определяющее величину проекции орбитального

магнитного момента; это число может принимать следую Рис. 12. Пространственное квантование.

Шйе значений: -!,-I | ),...,(),1,2....I, т. е. всего 21+1 значений. Следовательно, энергии электрона, движущегося в магнитном поле, при одних и тех ;ие значениях п и I будет несколько различаться и зависимости от значения магнитного квантового числа mi, в результате чего уровень энергии А. в магнитном поле расщепляется на подуровни. Это должно сказаться па частотах испускаемых спектральных линий; в магнитном поле каждая спектраль. ная линия действительно расщепляется на несколько линии. Теория Бора объяснила расщепление линии только п простейших, сравнительно редко наблюдающихся случаях, когда линия расщепляется на три компоненты - триплет (т. н. нормальный эффект Зеемаяа, с.м. Зеемаиа аффект). Расщепление линий на большее число компонент, наблюдающееся в подавляющем большинстве случаев, было с исчерпывающей полнотой объяснено только квантовой механикой.

Наконец, было обнаружено, что спектральные линии часто оказываются расщеплёнными на то или иное число компонент (дублеты, триплеты и т. д.) и при отсутствии внешнего магнитного поля (т. н. естественное расщепление). Естественное расщепление линий удалось объяснить только в 1925 на основе допущения (Гаудсмит и Юленбгн), что электрон сам по себе является маленьким магнитиком, и, следовательно, обладает собственным магнитным моментом, независимо от своего движения по орбите. Это положение нашло также экспериментальное подтверждение в эффекте Штерна-Герлаха(ем. ниже). Электрону т. о. приписывается собственное движение, или спин (см.), которое характеризуется механическим н соответствующим ему магнитным моментами. Особенностью спиновых моментов является то, что отношение магнитного момента к механическому здесь вдное больше, чем для орбитальных.

Спин электрона s татке квантован. Однако он обладает единственно возможным значением, равным >/, (п единицах h .

s-), причем возможны только две ориентации по отношению к магнитному полю: по направлению поля и против этого направления. Следовательно, проекции енина на заданное направление т, принимают значения -f>/= и -'/г.

Энергия А. 'зависит от ориентации спина электрона относительно магнитного поля, созданного движением электрона по орбите, т. е. от связи между орбитальным магнитным моментом и спиновым. Это приводит и тому, что при одних и тех же значениях квантовых чисел п, k и т; энергия А. принимает несколько различающиеся значения, в зависимости от ориентации спина. Так было объяснено естественное расщепление спектральных липни.

Полный вращательный момент алектрона является суммой его орбитального п спинового моментов и характеризуется квантовым числом )', которое п зависимости от ориентации спина по отношению н орбитальному моменту может принимать либо значение !+'(«, либо 1- '/.>.

Опыт показывает, что возможны переходы только между такими состояниями движения электрона в А., для к-рых 1 изменяется на ± 1, а квантовое число полного момента j меняется на ± 1, либо не изменяется.

• Логически последовательного объяснения этим «правилам перехода» теория Вира не сумела дать. Четырьмя квантовыми числами п, (, т;, т^ (или равнозначными им числами п, I, j и s) полностью определяются возможные состояния электрона в А.

Таким образом, исследуя оптические спектральные линии, испускаемые А., и определяя на основании измеренных частот этих линий возможные значения энергии А., теория Бора сделала попытку создать картину движения электронов в А., т. е. построить модели А. Электрон движется по эллипсу, величина к-рого не произвольна; большая полуось эллипса может иметь лишь определённые значения- такие, что энергия движения электрона, зависящая прежде всего от величины большой полуоси, квантована; так получается главное квантовое число п, определяющее размер эллипса. Но эллине, по к-рому движется электрон, не фиксирован в пространстве; он, в спою - очередь, вращается с определённой скоростью, так что орбита электрона похожа на розетку. Таков второй тип движения электрона в А. Это движение также не может быть произвольным; момент количества движения может принимать лишь дискретные, квантованные значения; так получается азимутальное квантовое число /с. Изменение k также приводит к изменению возможного значения энергии.

Далее, о;>"ита электрона (в магнитном поле) может быть раеполонюш не в любой плоскости, 61*

а лишь в нск-рых плоскостях, наклонённых к на-., правлению ноля иод вполне определёнными углами. Движения электрона пространственно квантованы. Так получается третье квантовое число т,; и оно иногда влияет на возможные значения энергии А. Наконец, электрон «вращается» вокруг оси, обладает т. н. с п и н о м. И это собственное движение квантовано. Так получается четвёртое квантовое число s.

Этими четырьмя числами полностью определяется возможное движение электрона в А. Каждый электрон в А. характеризуется своей четвёркой чисел, причём у любых двух электронов не может быть совершенно одинаковых значений этой четвёрки чисел; хотя бы одно из них должно быть различным (принцип Паули). Руководствуясь этими положениями, теория разрабатывала модели различных А.

Объяснение рентгеновских спектров. Теория Бора пролила свет и на структуру спектров рентгеновского, т. н. характеристического излучения. Рентгеновские лучи, испускаемые А., также имеют дискретное, линейчатое строение, характерное для данного элемента (отсюда и название). Частоты рентгеновских лучей в сотни и тысячи раз превосходят частоты видимых лучей; следовательно, энергия рентгеновского кванта (фотона), испускаемого А., во столько же раз превосходит энергию кванта видимого света. Поэтому рентгеновские фотоны могут освобождать пз атомов электроны, прочно связанные с ядром. Таковы электроны, расположенные близко к ядру; напр, энергия сия-зи электронов, расположенных в наиболее близком к ядру слое Кв А. урана, достигает 100000 аз, между тем как энергия связи внешнего

электрона измеряется единицами вольт. Наоборот, при переходе внешнего электрона во внутренний слой освобождается очень большая энергия, к-рая испускается в виде рентгеновского кванта. Поэтому исследования спектров рентгеновских лучей, испускаемых А. вещества, исключительно важны для выяснения строения внутренних слоев электронной оболочки.

Характеристические рентгеновские лучи делятся на серии К, L, M, N,... . .йТ-серия - наиболее жёсткая (т. е. обладающая наибольшей способностью проникать сквозь вещество) - имеет и наибольшие частоты. Значит, фотоны .йГ-сории несут наибольшую энергию. Исследуя поглощение линий .йГ-серии различными элементами, англ, физик Мрзли открыл следующую закономерность: квадратные корни из частот испускаемых линий равномерно возрастают от элемента к элементу по всей периодической системе Менделеева, пропорционально номеру элемента в таблице (см. рис. 13). Особый интерес представляет то обстоятельство, что закон

Рис. 13. Рентгеновские спектры. Серия К некоторых элементов.

Мозли полностью подтвердил правоту Д. И. Менделеева, нарушившего в нек-рых случаях принцип размещения элементоп в таблице по возрастающему атомному весу и поставившего нек-рые более лёгкие элементы впереди более тяжёлых. Теория Бора даёт простое объяснение закону Мозли. Частота v испускаемого света, согласно формуле (5), пропорциональна Z2, следовательно ]Л< пропорционален Z.

Ограниченность концепции Бора. Возможности теории Бора в основном были исчерпаны объяснением некоторых закономерностей спектров. К этому можно еще прибавить некоторое объяснение химических взаимодействий в так называемых гетерополяр-ных молекулах (состоящих из различных А.), данное Косселем (1916) на основе теории Бора. Например в молекуле поваренной соли соединение натрия с хлором в молекулу NaCl объяснялось тем, что единственный внешний, слабо связанный электрон Na легко отщепляется и присоединяется к элементу VII группы - С1, у которого во внешней группе нормально имеется 7 электронов и который поэтому легко «отбирает» электрон, образуя замкнутую внешнюю группу из 8 электронов. Положительный ион Na и отрицательный ион С1 притягиваются друг к другу, образуя устойчивую молекулу. Таким образом, теория Косселя сводит силы химич. взаимодействия А. к чисто электростатическим силам. Это ограничивает применимость теории Косселн сравнительно небольшим классом ге-терополярных, или ионных, соединений. Теория Косселя оказалась бессильной объяснить химическое взаимодействие в гомеополярных соединениях (где молекулы состоят из одинаковых А.), представляющих подавляющее большинство известных химич. соединений. Эта теория не могла дать ответа и на вопрос, почему электроны «стремятся» дополнить электронную оболочку до 8 (до октета). Загадка химических сил была успешно разрешена лишь на базе новой, квантовой теории.

Теория Бора была первой попыткой объяснения химич. и физич. свойств вещества на основе определённых представлений о внутриатомных процессах. В этом заключается её большое значение.

Однако теория Бора далеко не справлялась с задачей объяснения спектров; она позволяла получать лишь правильные значения частот излучаемых А. спектральных линий. Интенсивность же этих линий и поляризация их оставались необъяснёнными; непонятными были также правила отбора. Для их объяснения постулаты Бора оказались недостаточными. В связи с этим Бор выдвинул принцип соответствия.

Согласно принципу соответствия, в предельных случаях, для больших квантовых чисел, или, что то же самое, для наиболее удалённых от ядра электронов, когда разности энергии электрона на смежных «дозволенных» орбитах достаточно малы, результаты квантовой теории должны совпадать с данными классич. теории. Руководствуясь принципом соответствия, т. е. аналогией с классич. теорией, Бор вычислил интенсивность спектральных линий.

Когда же пришлось перейти к объяснению движений электронов в более сложных А., чем А. водорода, теория Бора оказалась в тупике. Уже А. гелия, в к-ром вокруг ядра движутся два электрона, не поддавался теоретич. интерпретации на основе теории Бора.

Но трудности, в данном случае, не исчерпывались количественными расхождениями с опытом. Теория оказалась бессильной в решении такой проблемы, как проблема соединения А. в молекулу.

Почему два нейтральных А. водорода соединяются в молекулу водорода? Как вообще объяснить природу валентности? Что связывает А. твёрдого тела? Эти вопросы оставались без ответа. Теория Бора даже не могла найти подхода к их решению.

Ограниченность боровской теории А. коренилась в ограниченности классич. представлений о движениях мельчайших частиц, которые Бор сохранил в качестве основы своей теории. Ибо классич. механика частиц принципиально не может ответить на основной вопрос: как возможна «сверхмеханическая» устойчивость А., взаимная «согласованность» движений электронов. Квантовые же постулаты были присоединены внешним образом к законам классич. механики.

Трудности в физике и, в частности, формальный характер постулатов Бора идеалисты пытались использовать в своих целях. Примером может служить такой «вывод». Известно, что при переходе электрона на низшую орбиту часть энергии А. излучается в виде кванта света. Частота излучённого света, согласно теории Бора, зависит не только от начальной орбиты, с которой электрон «сошёл», но и от той орбиты, на к-рую он «перешёл». Но классич. физика принимает, что излучение зависит только от ускорения электрона в данный момент, а но от последующего движения. Однако в момент отрыва электрона от своей первоначальной орбиты нет никаких данных, к-рые позволили бы определить, на какую орбиту электрон перейдёт и какова будет частота излучения электрона. Теория Бора не давала ответа на этот вопрос. Это дало повод нек-рым идеалистам и мистикам заявить, что электрон обладает свободой воли и сразу «решает», до какой орбиты он дойдёт.

Эта мистика, являвшаяся типичным порождением духовной реакции в капиталистич. странах, свидетельствовала лишь о слабости и ограниченности научной теории А., к-рая существовала в то время. Теория Бора не содержала никаких указаний на значение вероятностей перехода А. из одного состояния в другое. Эта ограниченность теории была использована идеалистами как доказательство якобы полного господства случайности в мире А.

Однако положение в физике этого времени характеризовалось не только тем, что проповедники мистики использовали слабые стороны теории, но и сползанием на позиции идеализма части самих физиков, в т. ч. и самого Бора. Об этом свидетельствует временный отказ Бора и его сотрудников-Крамерса и Слэтера - от признания безусловной справедливости закона сохранения энергии в каждом акте взаимодействия в А. Поводом для отказа от закона сохранения энергии послужили трудности квантовой теории электромагнитного поля.

Антинаучный «вывод» Бора был опровергнут в следующем же году рядом бесспорных опытов, доказавших факт сохранения энергии в каждом акте взаимодействия фотона с частицей вещества - напр, с электроном. Бор вынужден был отказаться от своего ложного утверждения.

Ленинский аваля» кризиса физики. Этот факт свидетельствовал о продолжающемся кризисе физики, сущность к-рого была вскрыта В. И. Лениным еще в 1909 в его «Материализме и эмпириокритицизме». В. И. Ленин, выступив против русских махистов и подвергнув уничтожающей критике субъективно-идеалистич. философию их зарубежных учителей - Маха, Авенариуса и др., показал гносеологические и классовые корни кризиса физики. Революция в науке - ломка старых, метафизических пред ставлений о материи, движении, пространстве и времени, происходящая в условиях роста идеология, реакции в странах империализма, приводит к тому, что часть буржуазных физиков скатынает-ся на позиции идеализма. Не зная (или не желая знать в силу своего классового положения) диалектического материализма, они не понимают, что объективный ход развития науки приводит к необходимости замены метафизических представлений о неизменности частиц материи и свойств её элементов (напр. А.) диалоктико-материалистически-ми представлениями и понятиями, что физика «рожает диалектический материализм» (Ленин В. И., Соч., 4 изд., т. 14, стр. 299). Поэтому перестройка физических теорий происходит стихийно, причём многие старые физические понятия переплетаются с новыми. Происходит «математизация» физических теорий, причём физический смысл формулируемых математических соотношений и вводимых величин не всегда ясен даже их авторам. В новую физику проникают идеи философского релятивизма, к-рые при незнании диалектики ведут к субъективному идеализму. Так создаётся почва для идеалистич. интерпретации физических законов и явлений и для всевозможных лжеучений.

В. И. Ленин в своей работе не только разгромил «физический» идеализм. «Книга Ленина является вместе с тем защитой теоретических основ марксизма - диалектического и исторического материализма - и материалистическим обобщением всего важного и существенного из того, что приобретено наукой и, прежде всего, естествознанием за целый исторический период, за период от смерти Энгельса до появления в свет книги Ленина „Материализм и эмпириокритицизм"» [История ВКП(б). Краткий курс, стр. 98].

Развивая положения Энгельса об атомизме, Ленин выдвинул положение о неисчерпаемости не только А., но и электрона. Ленин писал: «...и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня - дальше электрона..., то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна, но о'на бесконечно существует» (Соч., 4 изд., т. 14, стр. 249).

В этом положении В. И. Ленина содержатся важ-нейп!ие указания на отсутствие в природе простейших бесструктурных частиц материи - «последних кирпичей» мироздания, и на необходимость пересмотра взглядов физиков на природу элементарных частиц. Однако большинство физиков в буржуазных странах не приняло эти замечательные по глубине и прозорливости указания Ленина. Физич. теория в буржуазных странах не вышла из состояния кризиса.

Только наиболее передовые физики, оставшиеся верными материализму, стремились найти выход из трудностей на этом пути. К этой, крайне немногочисленной группе передовых учёных принадлежал франц. физик П. Ланжевен.

Ланжевен понимал, что для дальнейшего развития теории А. необходимо критически пересмотреть основные представления о движении и взаимодействии микрочастиц.

Именно в школе Ланжевона была высказана идея (Л. де Бройлем, к-рый впоследствии отошёл от материалистич. линии Лаижевена) о двойственной природе движения микрообъектов, в частности и электрона. Эта идея лвгла в основу квантовой механики и созданной на её основе теории А.

III. Квантово-механичсская теория атома.

Двойственная природа микрообъектов. Исторически исходным пунктом квантовой механики явилась гипотеза де Бройля (1924). В ней была провозглашена мысль, что все без исключения микроскопические объекты имеют двойственную природу- они обладают некоторыми свойствами дискретных частиц и нек-рыми свойствами волн.

К этому времени двойственная природа света была твёрдо установлена прямыми опытами. Выше уже были изложены некоторые опыты, доказавшие дискретность энергии спета (рентгеновских лучей). В 1923 Комитон на опыте показал, что взаимодействие фотона с электроном подобно столкновению двух упругих частиц; при столкновения сохраняется не только общая энергия, но и импульс; отдавая электрону часть своей энергии и импульса, фотон соответственно теряет энергию и импульс и превращается при этом в другой фотон меньшей энергии и, следовательно, меньшей частоты.

Таким образом, была окончательно доказана двойственная природа света. С одной стороны, свет обладает волновой природой, он распространяется подобно потоку волн; об этом свидетельствуют хорошо известные явления интерференции и диффракпип света. Достаточно взглянуть на фотографию диффрак-ционных колец, получающихся после прохождения пучка рентгеновских лучей через кристаллический порошок или через щель, чтобы убедиться в этом (см. рис. 14 и 15). На фотографии виден ряд правильных чередующихся кругов. Это значит, что в этих местах рентгеновские лучи, отражённые от кристалликов, накладываются друг на друга так, что получается максимум интенсивности (максимум почернения фотопластинки). Между кругами рентгеновские лучи ослабляют друг друга

Рис. 14. Диффракция рентгеновских лучей от алюминие* вого листка.

Рис. 15. Диффракция рентгеновских лучей при прохождении через узкую шель шириной 0,006 мм.

(«гребень» одной волны попадает на «впадину» другой) и «гасят» друг друга. В этих местах их действие на фотопластинку практически равно нулю. По фотографии можно измерить длину волны, частоту лучей. С другой стороны, «сталкиваясь» с электронами, рентгеновские лучи ведут себя как поток частиц, фотонов, к-рые взаимодействуют с элек тронами подобно «частицам», обладающим определённой энергией и импульсом.

Казалось бы, что свет обладает противоречащими друг другу свойствами: поток независимых частиц не может быть волной, так как не обладает свойством интерференции или диффракции (частицы не могут гасить действия друг друга); волны же не могут сталкиваться, подобно частицам.

Выход из этого противоречия заключается в том, что фотоны являются частицами лишь в нек-рых отношениях. Они отнюдь не являются неизменными корпускулами, с ограниченным объёмом. Их область действия в разных случаях различна. Но свет не есть и поток обычных волн, так как на электрон действует не какая-то часть волны, а фотон в целом. Больше того, между корпускулярными свойствами света - энергией и импульсом фо--тона, и волновыми свойствами-частотой и длиной волны - существует прямая зависимость.

Между энергией дискретной порции света-фотона е и частотой световых воли v существует соотношение: s = Л'/, где h - уже известная постоянная Планка.

Де Бройль предположил, что двойственная природа присуща не только фотонам, но любым микрочастицам, в том числе и электронам. Электроны, по его гипотезе, - не обычные неизменные частицы, а «частицы-волны», причём между характеристикой движущейся частицы -её энергией Е - и частотой соответствующей волны v имеется связь, определённое соотношение е-/г/.

Это соотношение и было принято де Бройлсм как выражение универсальной связи между энергией любого микроскоцич. объекта и частотой связанной с этим объектом волны. В частности, по де Брой-лю, электрону с определённой энергией Е соответствует «электронная волна» с числом колебаний в

секунду, равным v = -^-.

На основании зависимости между энергией п импульсом, получающейся в теории относительности, де' Бройль вывел второе соотношение-между импульсом любой корпускулы и длиной соответствующей волны: p = hk, из которого следует, что импульс р пропорциона-I лен волновому вектору k, величина которого рав-| на числу волн на единице длины, или обрат-| но пропорционален дли . п

не волны /, т. е. р= у .

Это второе соотношение де Бройля можно проверить опытным путём. Если электроны обладают волновыми свойствами, то, пройдя через кристаллическую решётку, они, подобно рентгеновским лучам, должны дать на люминесциругощем экране или на фотопластинке диффракционную картину. Несколько лет спустя после опубликования работы де Бройля диф-фракция электронов была обнаружена (рис. 10) ц изучена многими физиками-Девиссоном и Джср-мером, Г. Томсоном, советским физиком П. С. Тар-таковским и др. Соотношение де Бройля блестяще оправдалось на опыте. Следовательно, и первое соотношение де Бройдя - между энергией и час Рис. 16. Диффракпия электронов откристаллич. порошка NaCl.

тотой, из которого второе вытекает, также должно быть верно.

Легко понять, почему волновые свойства частиц не были обнаружены ранее. Длина волны, соответствующая движущейся частице, тем меньше, чем больше импульс частицы; следовательно, она зависит также от массы частицы. Для электронов, энергия к-рых равна 100 эз (а импульс для небольших энергий пропорционален корню квадратному из энергии), ).= 1,23 • 10 ~8 см. Для массивных же макроскопических частиц длина волны на много порядков меньше, и волновые свойства не играют роли. В дальнейшем удалось также наблюдатьдпффракцию протонов, нейтронов и даже атомов и молекул при рассеянии их кристаллами. - Исходя из волновых представлений, де Бройль предложил такое объяснение квантопания электронных орбит в атоме: стационарными могут рис. 17. Объяснение, данное быть только движения де Бройлем квантованию двп •ПРКТПОНОВ ппонсхопя- Н{ений -'лектронов в атоме: на d.ioKiponou, происходи едозноленной„ 0,)бите уклады щие по орбитам, вдоль вается целое число длин волн, которых укладывается

целое число длин волн (см. рис 17), т. е. должно иметь место соотношение 2.т=п>., где п - целое число. В противном случае волна будет сама себя гасить. А так как ), = •- , то 2ет= ^- , или mvr= -~,

следовательно, момент количества движения квантован (см. выше, стр. 400).

Де Бройль вначале полагал, что волны существуют наряду с частицами; они «несут» частицу, направляют её движение («волна-пилот»). Но что же связывает волну с частицей? С чем именно связана энергия движения - с волнами или частицами? Дать ответ на эти вопросы на основе представления о «волне-пилоте» невозможно.

Вскоре утверждение о раздельном существовании частицы и волны было отвергнут!} как ошибочное, не отвечающее опыту. На иную точку зрения стал Шродингер. Уже давно было известно, что при наложении многих гармонических волн с несколько

Рис. 18. Волновой пакет.

различающейся длиной волны, в т. п. «пакете волн», возникают места с максимальной амплитудой и, следовательно, с максимальной энергией, в остальных же частях пространства волны почти гасят друг друга (рис. 18). Если составляющие гармонические волны распространяются с различ ной скоростью, зависящей от длины волны, то место, где находится максимум энергии, в целом распространяется с иной скоростью, нежели любая составляющая гармоническая волна.

Отметим одну особенность волнового пакета: «ширина» пакета, его пространственный размер может быть различным. Пакет занимает тем меньший объём, чем больше диапазон частот образующих его гармонических волн.

Шрёдингер показал, что если рассматривать электрон как пакет плоских гармонических волн с несколько различающимися частотами, то скорость этого пакета как раз будет равна скорости электрона как частицы.

Шрёдингер пытался отождествить электрон с пакетом, т.е. рассматривал электрон как совокупность наложенных волн. Можно подобрать такой «размер» пакета (для этого надо подобрать подходящие гармонические волны, составляющие пакет), чтобы он совпал с т. н. классическим радиусом электрона, имеющим величину порядка 10-13c,w. Таким образом, согласно допущению Шрёдпнгера, свободный электрон нужно рассматривать как некоторое заряженное «облачко». Точно так же электрон в А. оказывается как бы «размазанным» по всему пространству А., причём максимальная плотность электронного «облака» распределяется вблизи линий, к-рые в боровской модели считались орбитами. Распределение плотности электрона в А. и даётся квадратом амплитуды волновой функции - величины, характеризующей волну.

Однако шрёдингеровское допущение, что электрон - пакет волн, сводившее корпускулы к волнам, его мысль о «первичности» волн также не выдержали критики. Пакет волн обладает тем свойством, что он со временем «расползается». Поскольку образование пакета обусловлено совпадением в очень ограниченной пространственной области максимумов амплитуд отдельных, независимых волн, которые распространяются с немного различающейся фазовой скоростью (см.), то естественно, что постепенно совпадение максимумов амплитуд всё более нарушается, пакет становится менее резким и определённым. Далее, на границе раздела двух сред, в к-рых волны распространяются с различной скоростью, волны частично отражаются, а частично проходят во вторую среду. Пакет распадается. Сведение электрона к пакету гармонических волн не согласуется с фактом устойчивости электрона.

Правильное понимание двойственной природы электронов и вообще микрообъектов нужно было искать в другом направлении. Электрон всегда обладает одновременно и чертами корпускулярными и чертами волновыми. Корпускулярные черты проявляются втом, что частица действует как единое целое; однако это не значит, что электрон есть твёрдое неизменное тельце, переносящееся с места на место, подобно обычной макроскопической частице, напр, подобно пуле или пылинке. Он обладает вместе с тем и волновыми чертами, о чём свидетельствует диф-фракция электронов. Они проявляются в том, что движение электрона определяется физическими условиями не в какой-либо одной точке пространства, а оно согласовано с условиями во всей системе, к которой электрон в данное время принадлежит; напр, электрон взаимодействует с решёткой в целом. На движение электрона в каждый момент времени влияют условия, имеющие место, напр., в А. в целом. Эта согласованность приводит к тому, что не всякое движение электрона возможно в А., а

лишь нек-рые движения, к-рые могут происходить устойчиво. Этим объясняется квантование процессов в А.

Представления квантовой теории о движении электронов в А. коренным образом отличаются от представлений старой теории Бора. Согласно квантовой механике, электрон в А. отнюдь не движется по траектории, подобно твёрдому шарику; А. есть колебательная система (т. е. система, в к-рой происходят периодич. процессы) гораздо более сложного типа. В каждом стационарном состоянии А. характер этого колебательного процесса различен; он определяется при помощи т. н. волновой функции, характеризующей ход этого процесса в пространстве и во времени.

Устойчивые (стационарные) состояния А. в квантовой механике также характеризуются определённым электронным «облаком», однако это «облако» представляют себе в ином смысле, нежели в первоначальной теории Шрёдингера. В теории Шрёдин-гера, напр., предполагалось, что разные части «облака» имеют различную плотность в том смысле, что в местах большей плотности находится бблыпая «часть» электрона, в них происходит наиболее интенсивное колебание. Если с А. сталкивается быстрая частица (электрон или жёсткий фотон), то с падающей на А. частицей взаимодействует лишь «доля» электрона; но это неверно.

Согласно квантовой механике, падающая частица в действительности может взаимодействовать лишь с электроном как целым. Следовательно, хотя на движение электрона в каждый момент влияет поле во всей области А., но место столкновения атомарного электрона с быстрой падающей частицей следует относить лишь к небольшой части А.; атомарный электрон при освобождении его из А. как бы «локализуется» в определённой области внутриатомного пространства. В таком представлении квантовой механики находит отражение мысль о двойственной природе электрона. Локализация электрона при столкновениях происходит в нек-рых областях А. чаще всего, в других - весьма редко. Каждая область пространства А. (в данном его состоянии) характеризуется определённым значением вероятности для локализации в ней электрона. Распределение плотности электронного «облака» в А. и характеризует распределение вероятностей локализации электрона при его освобождении из А. «Облако», как было отмечено, обладает известной пространственной симметрией (см. рис. 20). Вид электронного «облака» характеризует определённое состояние А., т. е. те процессы, к-рые в этом состоянии происходят.

Таким образом, квантовая механика характеризует стационарное состояние А. совокупностью определённых проявлений - распределением возможных мест «локализации» атомного электрона под воздействием внешнего агента. Более детальной картины этих процессов квантовая механика не даёт, т.к. она не может объяснить ту двойственность черт, к-рая выражена в соотношениях де Бройля. Причина заключается в том, что квантовая механика еще не раскрыла природы элементарных частиц, она вообще не рассматривает образования элементарных частиц и сущности их свойств - заряда, спина и др., она не даёт объяснения целостности частиц и атомизма их действия. Квантовая механика изучает лишь особенности движения «готовых» микрообъектов, в этом её ограниченность. Поэтому она с ограниченной точки зрения исследует и движение микрочастиц. Ясно лишь одно: электрон не есть ни твёрдый «комочек материи», как его представляли себе ранее,

ни совокупность обычных волн. В А. в данном стационарном состоянии происходит сложный процесс, к-рый характеризуется всей совокупностью возможных действий электрона, находящегося в этом состоянии, например всей совокупностью возможных «локализации» электрона при его освобождении из А., т. е. соответствующим «облаком». Чтобы определить вид «облака», в квантовой теории А. находят сначала волновую функцию, характеризующую колебательный процесс в А. Квадрат амплитуды волновых функций даёт вид «облака».

При переходе А. из одного состояния в другое, определяемое другим «набором» квантовых чисел, т. е. другими значениями энергии, момента количества движения, проекции этого момента и проекции спина, происходит перестройка «облака», оно принимает другую форму. При этом изменяется энергия А., он поглощает (или испускает) фотон. При сближении двух А. при нек-рых условиях может произойти слияние «облаков» их электронов, электроны «обобществляются», т. е. принадлежат уже не одному А., а обоим сразу. А. соединяются в молекулу. На основе этой своеобразной картины процессов в А. квантовая механика сумела объяснить многие факты, к-рые невозможно было понять с точки зрения старой теории Бора. Квантовая механика объяснила закономерности спектров, испускаемых и поглощаемых А,; она раскрыла природу химич. связи; впервые дала объяснение и многих свойств макроскопических тел - тепловых, электрических, оптических.

Квантовая теория внутриатомных процессов. Квантовая теория внутриатомных процессов характеризует различные состояния движения электрона в А. при помощи волновых функций. Чтобы получить более ясное представление о физическом смысле волновых функций, целесообразно сначала рассмотреть, как квантовая механика характеризует движение свободного электрона.

Выше уже было подчёркнуто, что микрообъекты действуют как целое. Рассмотрим прохождение электрона через диффракционную решётку. Когда электрон пройдёт через кристалл и попадёт на фотопластинку, то на ней может получиться только изолированное пятнышко. Следовательно, при действии одного электрона особенности его движения не проявляются полностью. Чтобы полнее обнаружить эти особенности, нужно направить на фотопластинку много электронов, находящихся в одинаковом состоянии, т. е. обладающих одинаковым импульсом. Только тогда на фотопластинке появятся диффрак-ционные кольца или полосы, т. е. выявится волновой характер движения электронов. При этом безразлично, как электроны будут двигаться - сразу ли большим потоком, или же очень слабым. Различие сводится лишь к большей или меньшей экспозиции (длительности фотосъёмки). Последний факт доказывает, что волновые черты присущи движению каждого электрона.

Таким образом, волновые свойства движения электрона - в силу того, что рассматриваются результаты его действия как целого,- находят своё выражение лишь при «испытании» многих одинаковых экземпляров, в статистич. коллективе. Поэтому, чтобы определить состояние электрона в данных условиях, нужно произвести опыт над совокупностью одинаковых частиц. Таким путём квантовая механика и исследует различные состояния электрона (микрообъекта) и изменения этих состояний, следовательно, она является статистической теорией.

Закономерности движения отдельного электрона (напр, в А.), согласно квантовой механике, проявляются при изучении действия многих одинаковых частиц. Отсюда следует, что квантовая механика даёт (для ряда величин) лишь статистические предсказания о результатах каждого отдельного акта взаимодействия микрочастиц.

Типичные черты движения каждого свободного (т. е. не связанного с определёнными А. или молекулами) электрона в данных физич. условиях характеризуются поведением потока электронов, имеющих одинаковый импульс. Такой поток распространяется подобно плоской гармонич. волне, с длиной волны, обратно пропорциональной импульсу. Следовательно, состояние свободного электрона задаётся волновой функцией для плоской волны, амплитуда к-рой выражается формулой fy-Aeikx

(k - волновое число, пропорциональное импульсу, х-координата точки пространства, i = V"-1). Таким образом, волновая функция характеризует состояние движения каждого отдельного электрона, типичные черты его движения.

Это не значит, что сам по себе электрон представляет собой плоскую волну. Выше уже было сказано, что квантовая механика еще не знает природы «элементарных» частиц. Плоская волна, являющаяся в данных условиях волновой функцией свободного электрона, лишь передаёт типичные черты его движения и этих условиях. Если, напр., свободный электрон испытывает на своём пути столкновение е рассеивающим центром, напр, с ядром А., и отклонится после столкновения на некоторый угол, то его волновой функцией будет сферическая расходящаяся волна (точнее, сумма падающей плоской и рассеянной сферической волны). Попутно отметим, что закон рассеяния в квантовой механике во многих случаях иной, нежели в классич. механике. Опыт полностью подтверждает выводы квантовой механики.

Из сказанного следует, что понятие состояния в квантовой механике принципиально иное, нежели в механике Ньютона. В последней состояние движения определяется скоростью частицы (тела) в данной точке пространства. Это - величина, характеризующая движущуюся частицу в данное мгновение, независимо от условий, в к-рых частица существует.

В квантовой механике состояние не определяется случайным прохождением частицы через некоторую точку с данной скоростью, оно не задаётся «точечной» величиной. Состояние частицы - это характер движения частицы в данных физических условиях; оно описывается волновой функцией.

Для свободного электрона, как уже было отмечено, волновой функцией может быть плоская волна. В силовом же поле, например в поле ядра, движение электрона уже не характеризуется плоской волной.

Дифференциальное уравнение для движения электронных волн в поле сил носит название уравнения Шрёдингера: оно имеет вид:

Здесь величина <|>, называемая амплитудой волновой функции, и представляет собой ту колеблющуюся величину, к-рая отображает волновые свойства движущегося электрона; её изменение в пространстве характеризуется величиной дф (Лапласов оператор функции ф), W - полная энергия и V потенциальная энергия электрона в силовом поле. Уравнение Шрёдингера является частным случаем уравнения распространения волны; последнее всегда устанавливает связь между пространственными и временными изменениями волновой функции (напр, дифференциальное уравнение для волны, бегущей вдоль струны, связывает изменение скорости смещения каждой точки струны с изгибом этой точки струны, т. е. с характером смещений соседних точек). В случае гармонич. колебаний общее волновое уравнение переходит в т. н. уравнение амплитуд, из к-рого с помощью соотношений де Бройля и получается уравнение Шрёдингера.

При "решении волнового уравнения находят зависимость волновой функции от координат пространства и от времени, т. е. определяют значение волновой функции в каждой точке и в каждый момент времени. Волновая функция, характеризующая состояние электрона (точнее квадрат её абсолютного значения), даёт значение плотности электронного «облака» в каждой точке А.

Квадрат модуля волновой функции, т. е. |ф|2, и даёт распределение плотности вероятности локализации электрона на различных расстояниях от ядра и в различных направлениях.

Следовательно, «облако» характеризует места и направления преимущественного действия электронов, т. е. в среднем - распределение плотности заряда. Форма «облака» определяется квантовыми числами п, I, m;; значения, к-рые они могут принимать, указаны выше (стр. 402, 403).

Главная особенность уравнения Шрёдингера для движения электрона в постоянном поле состоит в том, что из него естественно вытекает существование (при нек-рых условиях) дискретных состояний А., дискретных значений возможной энергии А. в стационарных состояниях. Эти особые значения энергии, называемые собственными зна „ ,„ fyfme'Z1

чениями, выражаются формулой Wn ---,^5-' i

совпадающей с формулой (6), получающейся в теории Бора.

Квантовая механика, подобно боровской теории, приводит к квантованию не только энергии А., но и вращательного момента: каждому состоянию, характеризующемуся квантовыми числами I и тог, свойственно определённое значение момента количества движения и его проекции.

Эти величины в волновой механике имеют следующие выражения:

Р, = f-/z7TfI7 (9)

и проекция

Каждому значению энергии, момента импульса и ею проекции соответствуют определённые расстояния максимумов величины |-}|2, т. е. максимумов плотности электронного «облака» от ядра и распределения максимумов по углам.

Максимальная плотность в области боровских орбит означает, что в этих областях А. электрон проявляет своё действие гораздо чаще, нежели в других частях А.

Такая интерпретация волновой функции позволяет составить известное представление о волновой модели А. Из вычислений Щ2 прежде всего следует, что электронное «облако» во всех устойчивых стационарных состояниях А. имеет симметрию тела вращения. Далее, нормальным состояниям А. (Z=0) отвечает сферически-симметричное «облако».

52 Б. с. э. i. а.

Это значит, что величина |&|2 зависит только от расстояния г электрона от ядра, в отличие от остальных состояний А., характеризующихся I > 0.

15 о, г

Рис. 14. Вероятность локализации электрона в атоме водорода на разных расстояниях от ядра.

Результаты вычислений для различных состояний А. представлены на рис. 19, где жирной чертой указаны также средние радиусы соответствующих боровских орбит. На этом рисунке даны два сорта кривых: кривые зависимости величины |ф|2 от г (для заданного направления) - пунктир и кривые зависимости величины D = 4п;-2|^|2 (отмечены штриховкой), характеризующие вероятность локализации электрона в сферическом слое площадью 4гт2;

Рис. 20. Электронное «оОлако» атома водорода в различных состояниях атома.

яг - радиус первой боровской орбиты А. водорода. Из рис. 19 видно, что положение максимумов величины D приблизительно соответствует средним

радиусам боровских орбит. На рис. 20 показано также, каким должно было бы казаться электронное «облако» в различных состояниях А. водорода, если бы мы могли его видеть (эти модели А. получены путём фотографирования специальных вращающихся механических моделей, совершающих движение, распределённое в пространстве по закону распределения величины |'}|2).

Волновая функция, характеризующая то или иное состояние электрона в А., находится путём решения уравнения Шрёдингера.

Уравнение Шрёдингера, как уже было отмечено выше, связывает изменения волновой функции в пространстве с полем, в к-ром электрон движется. В данных физических условиях, в данном поле существует лишь дискретное число возможных стационарных состояний связанного электрона. При этом предполагается, что волновая функция удовлетворяет ряду требований: непрерывности, однозначности и конечности во всех точках пространства. Амплитуда волновой функции должна удовлетворять условию, чтобы вероятность пребывания электрона в А. равнялась единице.

Решая уравнение Шрёдингера, мы получаем все возможные значения энергии электрона, возможные значения его момента и проекции момента, т. е. получаем всю совокупность возможных состояний связанного электрона, все отвечающие этим состояниям волновые функции.

Задача строго разрешена лишь в простых случаях. В более сложных случаях применяются приближённые методы, в особенности методы, разработанные В. А. Фоком (см.). Решение уравнения Шрёдингера на основе этих методов приводит, в частности, к возможности относить к каждому электрону в сложном А. определённые квантовые числа. Таким путём удаётся найти квантовые числа всех электронов, что имеет большое принципиальное значение, утверждая законность перенесения результатов систематики электронных состояний, устанавливаемых для одноэлектронного А., на А. с любым числом электронов.

Квантовое представление о физической системе. Новое понятие состояния, созданное квантовой механикой, привело к глубокому изменению и других основных понятий физики. Существенно изменились, по сравнению с классическим, и представления о физич. системе.

Классическая физика не могла объяснить возникновения физической системы как целостного, нераздельного образования. Система рассматривается как скопление частиц, всегда сохраняющих неизменными свои свойства, даже тогда, когда они взаимодействуют друг с другом. Поэтому классич. физика не была в состоянии объяснить длительное существование А., его «сверхмеханическую» устойчивость, образование твёрдого (кристаллического) макроскопич. тела, возникновение молекулы.

Квантовая механика трактует систему как целостное образование. Как было показано при анализе квантового понятия состояния, движение электрона в стационарном связанном состоянии определяется системой в целом, характером поля во всей системе, а не значением напряжённости поля в данном месте, как предполагалось в классич. физике; наконец, решающую роль играет также наличие других электронов и занятость возможных состояний (принцип Паули, см. ниже).

Эта согласованность движения электрона со всеми физич. условиями в системе в целом и есть характерное проявление целостного характера физич.

системы, выражение того факта, что её нельзя рассматривать как конгломерат независимых единиц, как случайное скопление составляющих её индивидуальных частиц. Благодаря новому представлению о физич. системе, квантовая механика впервые сумела сделать значительный шаг к объяснению возможности возникновения сложных систем, напр., соединения одинаковых атомов в молекулу.- В свете квантовой механики положительные результаты боровской теории получили новый смысл и подверглись существенным изменениям. В отличие от боровской теории, квантовая механика даёт правильное значение I и правильную зависимость орбитального момента количества движения от этого числа. Так, для нормальных состояний («-состояний) ? = 0 и орбитальный момент количества движения также равен нулю, в боровской же теории

он равен ^ Резко различаются и получаемые в

обеих теориях значения орбитальных магнитных моментов, пропорциональных механическим. Орбитальный магнитный момент водорода в нормальном состоянии равен нулю, вопреки теории Бора и в полном согласии с опытом.

IV. Строение атомов и их свойства.

Современной теории А. удалось раскрыть внутреннее строение А., расположение в нём слоев электронов и число электронов в каждом слое. Теория объясняет также и различные физико-химич. свойства А. В основном эти свойства определяются строением электронной оболочки А., однако они в сильной степени зависят также и от тех физич. условий, в которых находится А. Это в большей или меньшей мере относится ко всем свойствам А., как будет видно из дальнейшего.

Структура электронных оболочек. Слоистое расположение электронов в А. естественно вытекает из построения таблицы Менделеева. Непосредственные доказательства были даны рентгеновскими спектрами и измерениями потенциалов ионизации (рис. 21), т. е. энергии, необходимой для отрыва электрона от А. Наличие скачкообразных изменений в коэфициенте поглощения рентгеновских лучей доказывало, что разные группы электронов обладают различной энергией связи, т. е. их связь с ядром обладает различной прочностью. О том же свидетельствуют значения потенциалов ионизации; напр, литий имеет 3 значения потенциалов ионизации, соответственно различной степени связи его трёх электронов с ядром, именно: 5,36; 75,26 и 121,84 в. Эти данные показывают, что один электрон лития очень слабо связан с ядром по сравнению с двумя остальными электронами. Следовательно, электроны лития разбиваются на две группы - близкую к ядру, или внутреннюю, состоящую из двух электронов, и на внешний электрон, принадлежащий ко второй группе. Электроны в А. подразделяют на группы К, L, Мит. д.

Распределение электронов в группах в разных А. удалось определить только после того, как швейцарским физиком Паули был найден новый принцип, к-рый был положен в основу квантовой механики многих частиц. Согласно принципу Паули, в каждом возможном состоянии, характеризуемом квантовыми числами п, I, mi и ms, может находиться только один электрон. Следовательно, если данное состояние уже занято электроном, то другой электрон может находиться лишь в другом состоянии, отличающемся значением какого-либо квантового числа. Однако этот принцип квантовой механики

еще недостаточен для объяснения всех деталей строения электронной оболочки тяжёлых А. При этом должно еще соблюдаться условие, чтобы в нормальном состоянии энергия А. была минимальной.

-А Не

?s Ne

V

го Г" 4

г

/

1f} /

Jo п

и j п 1

4 ? i

19 А А

ю ^S н« Rn

Ше W In v 1 9

ТР •~~п ) i / Ч Т /У 2

Ид/ Л ^ 2 V

e :| ~р"!' р* W ^ сО «1 {,

V и О- '

К ifl i |« I .р

1 Л f fl

г Q Rh Гп

и ^ 1 1 в 7

иод f ериоО периоо период период ле/>.

1

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 SO 84 88 Й Атомный номер Рис. 21. Зависимость ионизационных потенциалов от атомного померз.

Принцип Паулп есть физическое выражение тождественности электронов, частичной потери ими индивидуальности при соединении в систему, например в А. (см. Паули принцип, Квантовая механика).

Для примера рассмотрим структуру электронных оболочек А. первых двух периодов. В А. водорода - один электрон; в нормальном состоянии (при наименьшей энергии) его квантовые числа имеют наименьшие возможные значения, они равны: п=1, 1 = 0, mj = 0, ms= -Н/2., либо - V2. Это состояние обозначается символом Is. В А. гелия два электрона; для обоих электронов возможны значения п=1, i -0, т;=0, но ms в состоянии наименьшей энергии должно иметь значение +Vj у одного и - V2 у другого электрона. Таким образом, оба электрона находятся в состоянии Is. Два электрона А. гелия образуют замкнутую А*-группу. У А. лития третий электрон уже должен перейти в следующую группу (L), с квантовыми числами п=2, 1=0, гог=0, ws=+1/2 или -1/2 (состояние 2s); следовательно, в данном случае п увеличивается на единицу. Важно подчеркнуть, что п увеличивается на 1 в начале каждого периода таблицы Менделеева.

Первые два электрона в атоме бериллия входят в Я-группу. Остальные два - в L-группу; их состояние 2s. Пятый электрон бора «вынужден» занять более высокий энергетический уровень 2/> (п = 1, 1 = 1, пг3=.±1/2). Нетрудно подсчитать, что в состоянии 2р может находиться всего 6 электронов; действительно при 1 = 1 (р-состояние) щ может принимать значения -f-1; 0; -1; в состоянии с заданным щ могут находиться два электрона, различающиеся проекцией спина (знаком mg), следовательно, всего 6 электронов. Таким образом, у А. неона 2 электрона составляют .К-груп-ну, 2 электрона входят в первый слой i-груипы (2s). 6 электронов - во второй слой L-группы (2/i). А. неона замыкают второй период. С натрия начинается заполнение третьей группы (М), Таким образом, число состояний для данного п равно 2 и2.

Мы видим, что у элементов, обладающих одинаковыми хш,шч. свойствами, число электронов во

62»

внешней группе одинаково. Очевидно, именно эти электроны определяют химические свойства А., поскольку - благодаря их относительно слабой связи с ядром - они легко вступают во взаимодействие. Одним из наиболее убедительных доказательств этого положения является тот факт, что оптические спектры молекул (в отличие от рентгеновских спектров, связанных с внутренними электронами), как правило, резко отличаются от спектров А., образующих молекулу, что свидетельствует о том, что как в оптических переходах, так и в химическом взаимодействии А. участвуют одни и те же внешние электроны. Эти электроны поэтому часто называют валентными. У инертных элементов валентные электроны отсутствуют.

Валентность А. естественно связать с числом его внешних электронов. Однако ото далеко не всегда имеет место, и валентные электроны, т. е. электроны, определяющие химическую валентность А., часто составляют лишь часть внешних электронов. Обычно различают валентность по отношению к водороду, пли положительную, и валентность по отношению к кислороду, или отрицательную. Положительная валентность количественно определяется числом А. водорода, к-рые данный элемент способен заместить в том или ином соединении. Отрицательная валентность определяется удвоенным числом замещаемых А. кислорода. Рассматривая максимальную положительную валентность различных элементов, можно заметить, что, как правило, эта валентность в точности соответствует номеру того вертикального столбца таблицы Менделеева, в к-ром стоит данный элемент, т.-е. изменяется строго периодически. С другой стороны, этому же номеру равно также и число внешних электронов в А. Отсюда можно заключить, что максимальная положительная валентность элемента равна числу его внешних электронов. Нетрудно далее заметить, что максимальная отрицательная валентность равна разности между числом 8 и числом внешних электронов.

Строение электронных оболочек Л. дальнейших элементов по таблице подчиняется указанной выше закономерности. Однако в ряде случаев заполнение следующего слоя начинается раньше, чем заполнен предыдущий слой; это имеет место тогда, когда состояние с большим п и малым 1 энергетически выгоднее, нежели состояние с меньшим п и большим I. Так, максимальное число электронов в М-груп-пе равно 18 (2s-, 6р- п lOd-электронов), однако из химпч. инертности Аг следует, что его неполная М-группа, состоящая из 38- и Зр-подгрупп (2-J-6 электронов), имеет свойства замкнутой группы.

В соответствии с закономерной последовательностью заполнения электронных подгрупп закономерно изменяется и валентность первых 18 элементов. За одновалентным водородом следует «безвалентный» гелий с его законченной К-грунпой. В следующих двух периодах (за исключением О и Г) максимальная положительная валентность равномерно растёт от 1 у первого элемента каждого периода (Li и Na) до 7 (С1) и падает до нуля у последних элементов этих периодов (Ne и Аг). Энергетич. условия в следующих за Аг элементах таковы, что нижние уровни N-группы (п=4) перекрываются с верхними Sd-уровнями М-группы. Это явствует из того факта, что нормальным уровням следующих за Аг элементов К и Са отвечают не состояния 3d, а 4з. Начиная со следующего за Са-Sc, происходит постепенное, и не всегда регулярное, заполнение 3<2-подгруш!Ы, чем объясняются все те аномаляи, к-рые наблюдаются в элементах от So до Си. Согласно свект роскопич. данным, внешние электроны в этой группе элементов являются Sd-электронами. В Си 18-электронная М-группа впервые получает своё полное завершение. За Си всё протекает нормальным образом вплотьдо Кг, имеющего две завершённые подгруппы (4s и 4р) JV-группы. В связч с нормальным заполнением этих подгрупп находится регулярное изменение максимальной положительной валентности у элементов ряда от Си до Кг, подобное тому, какое наблюдается в третьем периоде менделеевской таблицы. После Кг дальнейшее заполнение JV-группы временно прекращается, и внешние электроны следующих за Кг элементов Rb и Sr располагаются на уровне 5s (вместо 4d). Далее мы имеем опять ряд аномальных элементов, в к-рых идёт заполнение подгруппы id, завершающейся в Pd. Дальнейший рост JV-группы, максимальное число электронов к-рой равно 2 . 4-=32, временно прекращается за счёт закономерного роста 0-группы (п=5), насчитывающей в Ag один электрон (5s) и в Хе (2 = 54) - 8 электронов (два 5s и шесть 5р).

Нормальное заполнение 0-группы снова даёт нормальный ход валентности в ряду Ag-Хе. В дальнейшем 0-группа также, как иЛГ-группа, временно «замораживается» и в следующих за Хе-Cs и Ва внешние электроны находятся уже на уровне 6s (Р-группа). Далее, начинается ряд новых аномалий, к-рые особенно характерны для элементов группы редких земель (2 = 58-71), где постепенно заполняется подгруппа 4/JV-rpynnu. В Ср (2 = 71) мы имеем уже вполне законченную JV-rpynny (32 электрона). В дальнейшем идёт заполнение 5й-подгруппы 0-группы, к-рая в Pt набирает 18 электронов (2s-, 6р- и Юй-электронов). Это число далее остаётся неизменным вплоть до Ра(2=91), имеющего, повидимому. кроме законченных К-, L-, М-и ЛГ-групп и 18-электронной 0-группы, ещё 11 электронов в группе Р и 2 электрона в группе Q.

И' только с и начинается постепенное заполнение 5/-подгруппы группы Р. Распределение электронов по группам и подгруппам даётся в таблице элементов (см. вклейку, стр. 396).

Принимая распределение электронов по группам, описанное еще в теории Бора, квантовая механика тем не менее не индивидуализирует абсолютно каждый электрон, а рассматривает электроны как тождественные. Электроны периодически обмениваются своими состояниями (напр, спинами). Это явление обмена играет особенно большею роль у электронов, занимающих близкие уровни энергии в атоме или близких один к другому пространственно.

Этот эффект можно легко иллюстрировать на А. гелия. Здесь два электрона движутся в поле ядра с зарядом, равным 2. Согласно принципу Паули, оба электрона могут образовывать одинаковые электронные «облака» вокруг ядра, если их спины направлены противоположно-антипараллельны (суммарный спин равен нулю). В противном случае - если спины параллельны, давая в сумме единицу,- электроны могут находиться только в разных состояниях. А. гелия, в котором электроны обладают параллельным спином, находится в т. н. состоянии ортогелия; при антипараллель-ности спинов возможен другой ряд состояний с несколько различной энергией - уровни парагелия. Самопроизвольные переходы ортогелия в парагелий и обратно мало вероятны.

Различие энергии ортогелия и парагелия объясняется так: электронные «облака» не только взаимно отталкиваются, как если бы каждый электрон двигался независимо от другого, но между ними происходит еще и другое взаимодействие, вызванное тем, что каждый электрон как бы находится в обоих возможных состояниях, которое каждый из них может занимать. Другими словами, нужно предположить, что электроны как бы обмениваются своим спином, с определённой частотой. Этот эффект получил название обменного.

В результате такого тождества электронов, энергия А. гелия принимает значения, несколько отличающиеся от тех, которые А. гелия имел бы при отсутствии обменного эффекта; в состояниях оргогелая энергия ниже, чем в состояниях

парагелия. Получается расщепление спектральных линий, излучаемых атомами разных видов гелия; расчёты хорошо оправдываются опытом. Таким образом, обменный эффект показывает, что принцип тождественности электронов в А. верен, что мы должны рассматривать А. как целостное образование, элементы к-рого «ведут» себя в зависимости от физич. условий, действующих во всей системе.

Объяснение природы химических сил. Современная теория А. даёт своё объяснение и химич. связыванию одинаковых А. в молекулу и тем самым делает крупный шаг вперёд в выяснении природы химич. сил и химич. валентности А.

Вопрос о природе химических сил был рассмотрен Гейтлером и Лондоном (1927), решившими приближённо волновомеханическую задачу молекулы водорода. Наглядная интерпретация решения этой задачи заключается в том, что при сближении двух А.водорода их электронные «облака» начинают всё больше перекрываться. Такое «проникновение» «облаков» даёт себя знать уже на расстоянии порядка двух ангстрем, когда становится заметным новый эффект. Электроны обоих атомов,- если их спины противоположны,- «обобществляются», совершая сов Ряс. 22. Соединение двух атомов в молекулу. Общее электронное «облако» молекулы.

местное движение в поле обоих ядер, т.е. каждый из электронов принадлежит уже обоим ядрам сразу. Общее электронное «облако» обоих ядер деформируется, большая доля этого «облака» оказывается между ядрами, связывая их воедино (рис. 22). Квантовая механика рассматривает этот процесс методами последовательных приближений; этим способом удаётся точно рассчитать не только энергию связи молекулы водорода, но и расстояние ядер в стационарном состоянии, и другие, характерные для молекулы величины. Для более сложных молекул расчёты труднее и поэтому приходится удовлетворяться лишь приближёнными оценками.

Если спины электронов в обоих А. параллельны, то эти А. не могут слиться в молекулу (рис. 23). В этом случае энергия системы была бы больше суммы энергий образующих её частей, следовательно, система не может быть устойчива.

Таким образом, оказывается, что устойчивому состоянию молекулы Н2 соответствует суммарный

электронный спин молекулы S=0 (одиночное состояние), неустойчивому же состоянию S =1 (сингу-лснтное состояние). В первом случае («5=0) Рис. 23. Электронное «облако» спины имеют проти-при отталкивании двух атомов „„„nnrneHvm нчппчп-(с параллельными спинами), воположную направ

ленность, и мы получаем пару электронов с взаимно скомпенсированными моментами. Обобщая этот результат на любой А. и учитывая тот факт, что в состав каждой пары, как правило, входят электроны, принадлежащие различным А., можно заключить, что валентность A. (F) должна определяться числом его непарных электронов. Так как этим числом

Определяется также и суммарный спиц А., равный S =V2F, то между валентностью А. и его спи-ном или мультиплетностыо соответствующего терма M - 2S-\-l должно иметь место соотношение V = M - 1, т. е. валентность А. в данном состоянии должна быть на 1 меньше мультиплетности соответствующего терма.

Истолкование валентных связей на основе квантовой механики позволяет также понять и факт насыщения этих связей, т. е. объяснить, почему, напр., в молекулу водорода могут соединяться только два А., а не три или четыре.

Проверка соотношения F=M-1 на опыте показывает, что вычисляемая из него валентность в большом числе случаев совпадает с наблюдающейся валентностью. Таковы одновалентные А. щелочных элементов, нормальным термом к-рых является терм *S и, следовательно, теоретическая валентность F=2-1 = 1. Танов F с его валентностью, равной 1 (нормальный терм 2/)), или О с валентностью 2 (нормальный терм ЯР). Однако в большом числе других случаев теоретическая валентность оказывается меньше наблюдаемой. Так, из тою факта, что нормальным термом атомов С и S является терм 3Р, для валентности углерода и серы получается число 2, между тем углерод известен как 4-валентный элемент, а сера - как 2-, 4- и 6-валентный. Эти и подобные им расхождения теории с опытом показывают, что заключение о равенстве числа валентных электронов числу непарных электронов не всегда соответствует дей-С1вительности.

Для правильного решения вопроса о валентности А., невидимому, нужно исходить из того соображения, что валентность каждого данного А. не является ыек-рым абсолютным свойством, присущим ему вне зависимости от свойств других А., с к-рыми он взаимодействует, так как в результате взаимодействия может измениться число непарных электронов, которое может оказаться больше, чем у изолированного А. С таким своеобразным возбуждением валентности, видимо, нужно связать существование 4-валентного углерода, 6-валентной серы и т. д.- все те случаи, когда валентность А. оказывается больше теоретической, к-рую с этой точки зрения нужно рассматривать как минимальную валентность данного элемента. К сказанному нужно добавить, что при образовании молекулы из А. также соблюдается принцип Паули, играющий в формировании электронной оболочки молекулы не меньшую роль, чем в формировании электронной оболочки А. Энергия, выделяющаяся при образовании молекулы из А., очевидно равна сумме изменений энергии всех электронов (и ядер). При этом, если общий баланс выделяющейся энергии положителен, то образующаяся молекула устойчива. В противном случае, образование устойчивой молекулы невозможно.

Наряду с выяснением природы химических сил, современная теория А. приводит к представлениям, имеющим фундаментальное значение для понимания особенностей структуры и энергетики молекул. К числу таких предстаплепий относится представление о направленной валентности (см.).

Спектральные свойства атомов. Спектральные закономерности. Современная теория А. легко справилась с теми задачами, к-рые оказались не иод силу боровской теории А.: она объяснила тонкую структуру спектральных линий; определила вероятности перехода А. из одного состояния в другое; следовательно, современная теория А. объяснила интенсив ность спек'тральных линий. Она разъяснила также «правила отбора».

Тонкая структура термов. Опыт показывает, что чем больше электронов имеет А. вне замкнутых групп или под. групп, тем сложнее структура его термов и его спектра. Этим, например, объясняется тот факт, что спектр А. железа, с ею 26 электронами, из которых 8 входят в состав незамкнутой <1.полгруппы М-грунпы, неизмеримо сложнее спектра А. ртути, обладающего 80 электронами, распределёнными, однако, в замкнутых группах и подгруппах. Термы любого А., а следовательно, и его спектр, могут быть получены из совокупности квантовых чисел всех его электронов.

Рассматривая состояния или термы А. с одним внешним электроном и законченными внутренними электронными группами, мы можем каждому из этих термов приписать определённые значения квантового числа г=1± -^ , а именно:

Термы

g 0 '/1

р 1 , '/,

,d 2 'и "и

1 3 '/, '/„

В отличив от псех остальных (дублетных) термов з-термы оказываются простыми. В случае эти*х термов полный момент количества движения А. равен моменту снина.

Дублетная структура термов с ! > о (р, d и т. д.) связана с магнитным взаимодействием спина (;->(•) и орбитального момента (ц;). Благодаря этому взаимодействию А. получает пек-рую дополнительную энергию (пропорциональную произведению магнитных моментов с-в-и). различную для двух возможных взаимных ориентации моментов v-i и |t|. Вследствие этого каждое состояние А., кроме з-состонний (для к-рых ц=0), расщепляется на два состояния (дублеты). Таково происхождение дублетной структуры энергетических уровней А.

Вычисление энергии взаимодействия моментов v-g и v-i на основе волновой механики показывает, что обусловленная этим взаимодействием величина дублетного расщепления термов в полном количественном согласии с опытом быстро возрастает с увеличением порядкового номера элемента и уменьшается с увеличением главного квантового числа п. Так, расщепление низших р-термов А. щелочных элементов, являющихся термами 2р (Li), Зр (Na), 4р (К), 5р (Rb) и 6р (Cs), соответственно оказывается равным 0,34, 17,18, 57,71, 273,6 и 554,1 см-'. Кроме того, величина дублетного расщепления уменьшается с увеличением квантового числа I. В соответствии с этим np-термы расщеплены сильнее чем nd, последние сильнее чем п/ и т. д.

Мультиплетную (тонкую) структуру термов А. с несколькими внешними электронами можно получить из рассмотрения магнитного взаимодействия орбитальных и спиновых моментов всех внешних электронов. При этом для большинства практически важных случаев оказывается достаточным следующее упрощение. Рассматривая взаимодействие всех орбитальных моментов между собой, получают результирующий орбитальный момент А. Последний характеризуется квантовым числом L, слагающимся из квантовых чисел отдельных электронов (lj) по правилу L-l,J-li+.... lt+l,+...-l, t,-fl,+...-2. ... 0. Точно также взаимодействие всех электронных спинов даёт результирующий спин А., характеризующийся квантовым числом S. При V внешних электронах это число может принимать одно из следующих значений: ^ , -=-1,

4 ? V 2 -2..... причём минимальное значение S равно 0 при

чётном V и '/.- при нечётном. Наконец, сложение орбитального и спинового моментов А. приводит к результирующему моменту количества движении (и пропорциональному ему полному магнитному моменту) атома. Этот момент характеризуется квантовым числом J, к-рое может принимать следующие значения: L+S, L+S-1. L+S-2, ... |L- S| (абсолютное значение разности L-S), т. е. всего 2S-M значение при L>S и 2L-|-1 - при L<S.

На основании вышеизложенного нетрудно получить вою совокупность термов любого А. Так, например, в случае А. с двумя внешними электронами и законченными внутренними электронными группами получаются следующие термы:

Система одиночных

термов (S = 0).

Термы L J

•S 0 0

>Р 1 1

'D 2 2

if 3 3

Система триплетных термов (8 = 1).

Термы L J

•S 0 1

,р 1 0 1 2

Ч) 2 1 2 3

'F 3 2 3 4

Здесь для обозначения атомных термов применены символы S, P, D... в отличие от символов s, p, d..., применявшихся ранее для обозначения термов А. с одним внешним электроном или различных состояний одного электрона в А.

Индекс (слева вверху) у приводимых здесь символов термов обозначает мультиплетность соответствующей системы термов и численно равен M=2S-f-l. Отдельные компоненты мультиплетного терма различаются значениями числа J, ставящегося в виде индекса справа внизу, напр. •Ро, "Р,, -Р„ "D,, *D,, 'D, и т. д.

При определении совокупности термов данного А. необходимо учитывать ограничения, налагаемые принципом Паули. Так, напр., рассматривая термы А. с двумя а-влектронами (!, = !,=0), характеризующимися одинаковыми главными квантовыми числами (n, = n,= n), мы получаем два терма (ns)' 'S0 и (ns)a 'S, (символы в скобках обозначают состояния электронов), из к-рых последний, как противоречащий принципу Паули, должен сыть отброшен. Действительно, в то время как в случае те.рма 'So квантовые числа 1, т; и т, электронов равны соответственно О, О, '/1 и О, О-Vi(S = 0 получается в результате противоположной ориентации спинов, к-рой отвечают различные знаки числа ms), терм'8, получается в случае одинаковых ms и, следовательно, при существовании этого терма мы имели бы одни и те же значения квантовых чисел n, I, mi и т, для обоих электронов.

Наряду с тонкой структурой спектральных линий, обусловленной магнитным взаимодействием орбитального и спинового моментов А., наблюдается также т. н. сверхтонкая структура отдельных линий, обнаруживаемая с помощью оптических приборов высокой разрешающей силы и заключающаяся в том, что ряд одиночных линий или отдельные компоненты спектрального мультиплета в действительности оказываются, в свою очередь, состоящими из определённого числа компонентов. Сверхтонкая структура наблюдается в спектрах элементов, ядра к-рых обладают механическими (ядерный спин) и магнитными моментами. Поэтому естественно связать наличие сверхтонкой структуры с магнитным взаимодействием ядерного спина и момента электронной оболочки А. Это взаимодействие даёт полный момент А. (с учётом ядерного спина), к-рый характеризуется квантовым числом F, принимающим значения J+i, ,/-Н-1.....(J-i), где г - квантовое число,

Соответствующее спину ядра. Отсюда для числа компонентов сверхтонкой структуры данного терма получаем 2J-fl значение при i>j и 2i+l-при t<J. Определяя из анализа сверхтонкой структуры число этих компонентов, часто удаётся однозначно установить для каждого А. величину ядерного момента.

Измерения механических моментов ядер показывают, что они имеют, как и моменты электронных оболочек

А., порядок -;р- . Что же касается магнитных моментов

ядер, то последние по порядку величины оказываются в 1000 раз меньшими, чем моменты электронных оболочек, имеющих порядок (j.^, с чем и связана малая величина

сверхтонкого расщепления атомных термов.

Интенсивности спектральных линий ц правила отбора. Волновая функция, статистически характеризующая состояние движения электрона в А., своеобразно выра. жает волновые черты, присущие движению отдельного электрона в А. Полная волновая функция содержит не только амплитуду, но и фазу, периодически зависящую от времени. Частота изменения фазы пропорциональна энергии А. в данном состоянии. Периодичность фазы волновой функции проявляется, однако, не в стационарном состогшип, а при переходах А. из одного стационар. ного состояния в другое. При этих переходах существенную роль играет разность частот начального и конечного состояний А.

Вероятность перехода зависит от значения электрического момента А. для данного перехода, т. е. от степени «перекрытия» волновых функций для начального и конечного состояний. Это значит, что мы должны в каждой точке умножить момент электрона на произвела. ние обеих волновых функций в этой точке и получен ные результаты для всех участков А. просуммировать (проинтегрировать) по всему объёму. Если вычисленный таким способом электрич. момент для данного перехода равен нулю, то и вероятность поглощения пли испускания света также равна нулю -переход «запрещён». Из вычисления моментов следует, .что они отличны от нуля лишь при определённых изменениях квантовых чисел, характеризующих начальное и конечное состояние А. Из получающихся таким путём правил отбора, кроме указанных ранее (стр. 403) правил для квантовых чисел I и ) (существуют аналогичные правила и для чисел L и J), от. метим еще правило, к-рому подчиняется спиновое кван-> товое число S: 45=0 (тгатеркомОинационный запрет). Согласно последнему, переходы между уровнями различной мультиплетцости (2S-M) не должны иметь места.

Экспериментальная проверка правил отбора показывает, что эти правила, в основном, оправдываются на огромном количестве спектров, хотя квантовые запреты не всегда являются жёсткими. Это, в частности, относится к интеркомбинационному запрету, жёсткому в случае лёгких элементов со сравнительно небольшим мультиплетным расщеплением их уровней, и значительно менее строгому в случае тяжёлых элементов, мультиплеты к-рых представляют собой далеко отстоящие одни от других линии. Заметим, что связь между степенью жёсткости правила отбора Д8 = 0 и величиной мультиплетного расщепления термов не случайна: сильное взаимодействие орбитального и спинового моментов, обусловливающее большую величину расщепления, вместе с тем ослабляет связь между спинами отдельных электронов, что и приводит к большей лёгкости изменения суммарного спина А.

Нередки случаи изменения и неи-рых других правил отбора. Объяснение неабсолютной строгости квантовых запретов в ряде случаев сводится к следующему. Эти запреты (правила отбора) относятся к диполыюму излучению, однако излучение электромагнитных волн может быть связано не только с изменением дипольного момента, но и моментов более высокого порядка, в первую очередь квадрупольного. Наблюдающиеся запрещённые линии в большей своей части и обусловлены таким квадрупольным излучением, допускающим другие пределы изменений квантовых чисел, чем это имеет место в случае дипольного излучения. Нужно, однако, сказать, что запрещённые линии, как правило, значительно уступают в интенсивности незапрещённым линиям. Энергетич. уровни, переход с к-рых на нижележащие уровни в силу тех пли иных правил отбора запрещён или, во всяком случае, маловероятен, называются метастабилышми уровнями.

Известны также случаи изменения правил отбора при действии электрич. поля. В электрическом, как и в магнитном поле, происходит пространственное квантование А., приводящее к смещению и расщеплению термов и, следовательно, к смещению и расщеплению спектральных линий (см. Штарка s^jSeiim). Изменение энергии А. в электрич. поле обусловлено поляризацией А. и взаимодействием возникающего при этом электрич. диполя с полем. Однако наряду с изменениями спектра, в результате эффекта Штарка, электрич. поле нередко приводтг к изменениям, заключающимся в появлении новых линий, связанных с запрещёнными переходами. Эти нарушения правил отбора в электрич. поле можно объяснить различной поляризуемостью А. в его различных квантовых состояниях, вследствие чего переходы А. из одного состояния в другое Сопряжены с изменением индуцированного дипольного момента: это и является причиной конечной вероятности перехода, запрещённого в обычных условиях именно в сипу отсутствия изменения дипольного момента А.

Представление о конечной вероятности квантовых переходов равнозначно допущению конечного времени пребывания А. в возбуждённом состоянии или нек-рой средней продолжительности жизни возбуждённых А. т. Последняя величина связана с вероятностью излучения атома А соотношением t •= - и представляет собой промежуток вре-л

мени, в течение к-рого число возбуждённых А. уменьшается в е. раз (е - основание натуральных логарифмов). Заметим, что на языке классич. электродинамики величина т имеет смысл обратной величины константтл затухания, определяемой как промежуток времени, в течение к-рого в е раз уменьшается энергия возбуждённых А. Вычисление переходных моментов пар-яду с установлением правил отбора непосредственно даёт величину вероятности соответствующих переходов и,следовательно, интенсивность спектральных линии. Последняя определяется числом излучающих (возбуждённых) или поглощающих А. и вероятностью соответствующих квантовых переходов А. с одного (начального) энергетического уровня на другой (конечный). По Эйнштейну, вероятность излучения (Л) пропорциональна вероятности поглощения (И) света той же длины волны. Интенсивность линии излучения / выражается формулой У = Ап', где п' - число возбуждённых А. Число поглощённых квантов света в пек-ром интервале частот и поглощающем слое заданной толщины характеризуется коэфициеитом поглощения х (пропорциональным числу

поглощающих атомов), связанным с вероятностью поглощения В определённым соотношением.

Ввиду того, что точное решение уравнении Шрёдин-гера практически возможно только в случае А. с небольшим числом электронов, теоретич. вычисление вероятностей переходов ограничивается этими А. Поэтому вероятности А и В, как правило, определяются экспериментальным путём. Наиболее точный метод измерения вероятностей квантовых переходов, основанный на изучении т. н. аномальной дисперсии (см.), т. е. своеобразного хода показателя преломления света с длиной волны вблизи линий поглощения, был разработан Д. С. Рождественским.

Электрические и магнитные свойства атомов. Современная теория А. имеет исключительно важное значение и для истолкования макроскопич. свойств вещества, в к-рых отображаются различные особенности структуры электронных оболочек А. и движения электронов в А. К числу таких свойств, в частности, относится электрич. поляризация и магнитные свойства тел.

Электрическая поляризация А. Если атомные спектры отображают тончайшие детали строения электронных оболочек А., то в явлениях, связанных с поляризацией А., обнаруживаются свойства электронной оболочки как целого. Большое многообразие проявлений поляризации заставляет отнести её к числу важнейших свойств А. С поляризацией связаны различные макроскопич., в частности, диэлектрич. и оптич. свойства вещества.

Поляризуемость изолированного А. характеризуется коэфициентом поляризации я, представляющим собой ди-польный момент, индуцируемый в А. электрич. полем напряжённостью, равной 1. В поле напряжённости Е индуцированный момент равен p=iE. Поляризация А. вещества во внешнем электрич. поле приводит к ослаблению поля внутри этого вещества, описываемому диэлектрической постоянной е. Поэтому между величинами ч и е существует однозначная связь, к-рая и выражается в простейших случаях известной формулой Клаузиуса-Шоссотти:

Hr^-Sv (11)

Здесь N - число Авогадро, М - молекулярный вес и р - плотность. Величина Р носит название молярной поляризации. Таким образом, коэфициент поляризации, или поляризуемость, может быть в нек-рых случаях определён на основании формулы Клаузнуса-Моссотти из измерений диэлектрич. постоянной.

Согласно электромагнитной теории света диэлектрич. постоянная неполярного газа, т. е. газа, молекулы к-рого не имеют постоянного дипольного момента (к числу неполярных газов, в частности, относятся все одноатомные га-вы), равна квадрату его показателя преломления г (экстраполированного к бесконечной длине волны). Поэтому предыдущую формулу можно еще представить в виде

»-T""F^T <'«

(формула Лоренц-Лоренца). Величина R называется молярной рефракцией. Следовательно, поляризуемость я может быть определена также и из измерений показателя преломления.

Непосредственно из приведённых формул может быть получена лишь поляризуемость А. одноатомных газов, т. е. практически А. Не, Ne, Аг, Кг и Хе. При определении же поляризуемости А. или ионов других элементов отправной экспериментальной величиной является молярная поляризация Р или молярная рефракция R того или иного химич, соединения. Считая поляризуемость каждого отдельного А. (или иона) в молекуле постоянной величиной п обозначая через RI молярную рефракцию, отвечающую А. данного сорта, молярную рефракцию соединения представляют суммой

R = S R;. (13)

Измерения величин R для различных соединений, содержащих одни п те же А., и позволяют определить значения отдельных R; и. следовательно, отвечающие им поляризуемости а на основании формулы (13).

Опыт, однако, показывает, что если в случае гетеропо-лярных соединений применение этой формулы к различным соединениям даёт мало меняющиеся от соединения к соединению значения рефракций отдельных понов, то в случае гомеополнрных соединений аддитивная формула (1U) оказывается недостаточно точной. А именно в этом последнем случае для рефракции отдельных А., определяемой по формуле (13) из молярной рефракции различных соединений, получаются существенно отличные значения в зависимости от характера связи данного А. в молекуле. Так, напр., рефракция А. углерода оказывается различ ной в зависимости от того, связан ли данный атом С с другими А. в молекуле простой, двойной или тройной связью. Здесь наблюдается та же картина, что и в случае атомных радиусов. Из этого следует, что поляризуемость неизолированного А. имеет условный характер, определяющийся его положением в молекуле и связями с окружающими А., что представляется вполне естественным, если принять во внимание, что поляризуемость А. в значительной своей части обусловлена внешними, в частности, валентными электронами. Всё сказанное выше о рефракции в равной мере относится и к поляризации А. Поляризуемость А. и ионов е электронной оболочкой, отвечающей сферически-симметричному электронному облаку, может быть с достаточной степенью точности вычислена методами волновой механики. Получающиеся при этом результаты для А. инертных газов и нек-рых ионов приведены ниже (в 10-" ел"):

Н-1,02 F- 1,05 С1- 3,70 Bt~4,82 J- 7,17 Не 0,20 Ne 0,39 Аг 1,64 Кг 2,48 Хе 4,03 Li+0,029 Na+0,18 K+0,84 Rb^l.42 Cs+2,44 Аналогичное вычисление для А. водорода даёт а=0,64Х Очевидно, что порядок величины этих чисел находится в соответствии с соотношением ъ=.г*(ги- радиус А.), к-рому можно дать теоретич. обоснование.

Магнитные свойства А. Микроскопич. проявления магнитных свойств А. обнаруживаются в пространственном квантовании атомных магнитиков во внешнем магнитном поле.

Одно из наиболее наглядных проявлений пространственного квантования наблюдается в эффекте Штерна-Герлаха, который заключается в следующем. Пропуская пучок атомов через неоднородное магнитное поле, можно наблюдать расщепление первоначального пучка на несколько пучков в зависимости от числа возможных значений квантового числа m [==*= J, ±(J - I) и т. д.], характеризующего определённую ориентацию атомного магнитика в магнитном поле. Так, например, и случае атомов Н. Na, К, Си, Ag, Аи и т. д. пучок расщепляется на два пучка

( J = -д- , т = -|--5-и-=-), в случае атома N1 наблю ^ Л ? Ь '

дается три пучка

1, m •

в то время как

в случае диамагнитных Zn, Cd (J = 0, т = 0) расщепление отсутствует. Другим микроскопическим проявлением магнитных свойств А. является эффект Зеемана (см. Зее-мана эффект). Макроскопически эти свойства проявляются в дна- п парамагнетизме тел (здесь не рассматриваются явления ферромагнетизма). Теория дна- и парамагнетизма была дана франц. физиком Ланжевеном в 1905; она до сих пор не утратила своего значения, поскольку в её основе лежат представления, близкие к современным (см. Диамагнетизм. Парамагнетизм).

Диамагнитные тела обладают отрицательной магнитной восприимчивостью, проявляющейся в отталкивании, испытываемом ими в магнитном поле. Объяснение этого явления исходит из уподобления вращающегося на своей орбите электрона волчку. Механическая устойчивость волчка, ось вращения к-рого составляет нек-рый угол с вертикалью, обеспечивается прецессионным движением оси волчка вокруг вертикали. Такое ' же прецессионное движение вокруг направления полп совершает поц действием магнитных сил и электронная орбита (см. Лармо?л прецессия). Учёт этоП преиссгии. обусловливающей возникновение индуцированного магнитного момента А-, приводит к следующему выражению для атомной диамагнитной восприимчивости:

где cam - заряд и масса электрона, N - число Авогадро, г* - средний квадрат «радиуса» электронной орбиты, Z - число электронов. Отрицательный знак "/.д указывает на диамагнитный эффект. Из предыдущей формулы, в соответствии с опытом, следует независимость /^ от температуры, а также (в той мере, в какой при этом сумма Irj1 сохраняет своё значение) и от агрегатного состояния вещества. ?rf вычисляется из квантовомеханич. модели А.

В отличие от диамагнитной, парамагнитная восприимчивость зависит от температуры. Эта зависимость обусловлена дезориентирующим действием теплового движения, нарушающим ориентацию атомных магнитиков (с моментом у.) во внешнем магнитном поле. Исходя из Оольц-мановского распределения А. в магнитном поле в предположении, что энергия атомного магнитика в магнитном поле значительно меньше средней энергии теплового движения (что практически всегда имеет место), для атомной парамагнитной воснрнимчииости мошно получить следующее выражение:

X* - ??cos'(n. H)-4-- <15>

Здесь I* соз(ц.Н) представляет собой проекцию магнитного момента А. на направление поля. Эта формула выражает известный закон Кюри (см.). согласно к-рому магнитная восприимчивость парамагнитного газа обратно пропорциональна его абсолютной температуре.

Входящий в выражение (15) cosMv-.H) в теории Лан-жевена, к-рый исходил из допущения равной вероятности всех ориентации атомных магнитиков в магнитном поле, полагался равным "/., что неправильно в силу пространственного квантования. Точное значение величины Х.д вычисляемое на основании квантовой механики,

выражается формулой:

.2

(16)

3kT

Это выражение парамагнитной восприимчивости газа находится в хорошем количественном согласии с опытом. Входящая в него величина д представляет собой отношение магнитного момента А. к его механич. моменту и мо-шет быть вычислена, если известно квантовое состояние А.

Размеры атомов и ионол. Размер А. или иона не представляет собой раз навсегда определённую величину. Однако плотность электронного «облака» быстро убывает с расстоянием, становясь на некотором расстоянии г0, которое можно условно назвать радиусом А., пренебрежимо малой.

Величина г„ может быть оценена из постоянных а и Ь уравнения Ван-дер-Ваальса (ем. Ван-дер-Ваальса уравнение). Для вычисления т„ из постоянной а необходимо знать энергию взаимодействия A. U (г), к-рая может быть определена из зависимости постоянной а от температуры.

Постоянная же Ь связана с объёмом А. V» = -=- «•'„ соот о

ношением Ь = 4IVV,(N -число Авогадро), из к-рого и может быть вычислено Г0.

Для определения величины г„ пользуются также зависимостью средней длины свободного пути X А. газа от диаметра A. d,.

(17)

С_ ' Г

(п - число молекул в 1 см'. С - константа), причём >. обычно определяется из коэфшшента внутреннего трения

Ч = 0,499 рЫ

(р- плотность газа п в - средняя скорость молекул).

Радиус А. может быть определён также из расстояний между А. в кристаллич. решётке, получаемых с помощью рентгеновского и электрошюграфического методов. Однако находимые этим способом значения г„ отвечают условию минимума потенциальной энергии кристалла и поэтому не должны быть тождественными с значениями, вычисленными для газов.

В нижеследующей таблице приведены радиусы А. инерт-ных газов Не. Ne, Ar, Кг и Хе, полученные с помощью различных указанных выше методов (Vi,, Pit, T/,-критические объём, давление, температура).

Атом

ЦТ 11 ЛТТТТЛ

Не Ne А г Кг Хе

Из Ь= з V;; ..... 1,26 - 1,46 - 1,55

И Ъ RTlt 1 24 1 43 1 57 1 71

8 PI, .....

Из а ......... 1,28 1.35 1,63 (1,78) (1,96)

Из X (т)) .... 0 98 1 18 1 46 1 6 1 75

1 6 1 92 1 98 218

Различные значения радиусов одного и того же А., получающиеся с помощью различных методов, обусловлены не столько ошибками измерений, сколько указанной выше условностью понятия атомного радиуса, различающегося от метода к методу. Эта условность особенно наглядно проявляется при сравнении расстояний данной пары А. в различных химич. соединениях. Так. напр., расстояние между двумя углеродными А. в различных соединениях с простой связью, С-С, с точностью до сотых долей А равно 1,5 А, откуда для радиуса А. углерода мы получаем г0= =0,75 А, В соединениях с двойной углеродной связью, С=С, это расстояние равно 1,3 А и. следовательно, г„=0,65А; в соединениях с тройной связью, С=С, оно равно 1,2 А и Го=0,6 А.

Аналогичные закономерности наблюдаются и в случае других А., что позволяет приписать каждому А. опреде лённый «химический» радиус, Зависящий от характера химич. связи его с другими А. и отличающийся от его «физического» радиуса, к-рый проявляется, напр., при упругих соударениях А.

Столь же непостоянным является и ионный радиус. Все методы определения ионных радиусов исходят из представления об ионах, как о жёстких шариках, окружённых в кристаллич. решётке соприкасающимися с ними шариками с противоположными электрич. зарядами. Из непосредственно измеренных постоянных кристаллич. решётки, дающих расстояние между ионами в кристалле, т. е. сумму их радиусов, радиус каждого иона может быть вычислен только на основании тех или иных допущений. Так. напр., в случае кристаллов, построенных из большого аниона (напр. j~) и маленького катиона (напр. L1 + ), можно пренебречь размерами последнего, откуда радиус аниона получается как половина расстояния между двумя анионами. Тогда из междуионных расстояний в решётках, построенных из этого аниона и других катионов, можно определить радиусы последних. Далее, из структуры кристаллов с помощью известных радиусов катионов можно вычислить радиусы различных анионов. Таким путём получается определённая система ионных радиусов.

Радиусы ионов могут быть вычислены также из тех или иных свойств электронной оболочки ионов, напр, из поляризации, или из закона силы отталкивания, противодействующей дальнейшему сближению соприкасающихся ионов. Общим для всех систем ионных радиусов, строящихся на основе различных исходных данных, является их ограниченность сравнительно небольшим кругом соединений, для к-рого радиусы ионов действительно являются нек-рыми, хотя и условными константами. За пределами этого круга, т. е. в применении данной системы к другим соединениям, как правило, аддитивность междуионных расстояний не выполняется, из чего следует непостоянство ионных радиусов. Далее, приходится различать радиусы ионов в зависимости от типа кристаллич. решётки, что приближает ионный радиус к «химическому радиусу» А. Однако представление о приблизительном постоянстве ионных, как и атомных радиусов, оказывается полезным при изучении различных свойств А. и ионов, оценке междуатомных и междуионных расстояний в молекулах и кристаллах, а также при расшифровке структур различных соединений.

Атомное ядро. Заключение. Параллельно с разработкой теории электронной оболочки А. в последние десятилетия шло изучение и атомного ядра (см.). Особенно интенсивно началась разработка теории после открытия нейтрона (1932).

Нейтрон представляет собой частицу с массой, почти равной массе протона (ядра А. водорода) и с зарядом, равным нулю. Несмотря на большое количество ядер, различающихся между собой зарядом и массой, все ядра состоят лишь из очень небольшого числа различных элементарных частиц - структурных элементов.

Согласно общепринятому представлению, впервые высказанному Д. Д. Иваненко, ядра всех А. построены из протонов и нейтронов. Называя массовым числом М целое число, равное округлённому до целого числа атомному весу, будем иметь следующее соотношение между числами протонов и нейтронов в ядре: Z протонов и (М - Z) нейтронов.

Образующие ядро А. протоны и нейтроны (нуклоны) связаны между собой силами, обусловливающими большую прочность ядра.

Вопрос о соотношении между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре непосредственно связан с вопросом о силах взаимодействия между ядерными частицами. Наряду с взаимным кулонов-ским отталкиванием протонов несомненно существуют силы взаимного притяжения ядерных частиц, т. н. ядерные силы, к-рые и обусловливают прочность ядра. Эти силы и являются упомянутыми выше силами малого радиуса действия. Открытие искусственной радиоактивности ознаменовало новый этап в развитии физики и химии А. Искусственное превращение элементов стало реальностью (подробнее см. Атомное ядро).

Теория А., раскрывая его строение и характер происходящих в нём процессов, оказала огромное влияние не только на смежную с физикой науку химию, но и на другие естественные пауки. Теория А. пролила свет и на процессы, происходящие в небесных телах.

Физика А. сыграла огромную роль в развитии техники. Современная металлургия, создающая новые сплав],! с заданными свойствами, была бы немыслима без исследования атомной структуры кристаллов и механизма происходящих в них процессов.

Раскрытие природы химических связей при вело к расцвету химической промышленности, к созданию новых отраслей промышленности. Познание процесса излучения послужило основой для мощного развития оптической промышленности, открыло широкие возможности для дальнейшего совершенствования источников света. Многие новые отрасли промышленности построены на достижениях физшш Л.

Однако было бы неверно думать, что теория Л. завершена. В настоящее время наибольшее внимание физиков сконцентрировано на проблемах атомного ядра (см.) и находящейся еще и начальной стадии разработки теории элементарных частиц. Нет сомнения, что решение этих проблем прольёт нопый свет и на процессы, происходящие и электронной оболочке А. Ждут еще своего разрешения многие вопросы, касающиеся свойств А. в сложных: системах, особенно в конденсированных состояниях вещества.

История познания А. показывает, что процесс раскрытия свойств А. и законов внутриатомных движений шёл не прямым путём; в истории науки об А. было много зигзагов, метафизических заблуждений, тормозивших прогресс познания. Реакционную, тормозящую роль в истории учения об А. играл «физический» идеал изм, в особенности ма-хистского толка. Начав с грубого отрицания реальности А. (быстро опровергнутого ходом науки), идеализм нсрешёл к более тонким формам фальсификации физики; выступая под флагом опе.рацио-нализма (см.) и близких к нему школок, махизм отрицает объективный смысл законов микромира, затуманивает и искажает подлинный смысл основ и результатов современной физики А. Свойства элементарных частиц идеалисты объявляют непознаваемыми. Они утверждают, что все возможности познания движения и природы микрообъектов якобы исчерпаны квантовой механикой. Реакционность и антинаучность этих утверждений очевидна; это доказывается ходом развития самой физики.

«Физический» идеализм, влиявший в нач. 20 в. на ограниченный круг естествоиспытателей буржуазных стран, в настоящее время разгула реакции в странах капитализма, вдохновляемой англо-американскими империалистами, получил распространение среди многих зарубежных учёных. Большинство физиков каниталистич. стран не стали на путь сознательного применения диалектич. материализма, указанный В. И. Лениным в его классическом произведении «Материализм и эмпириокритицизм», и это тормозит быстрый прогресс физики. Однако новые факты физики неминуемо приводят к выводам, подтверждающим диалектич. материализм.

Развитие учения об А. блестяще подтвердило взгляды диалектич. материализма па материю и движение и, в частности, на А. Полностью оправдались слона Н. И. Ленина о неисчерпаемости А. и электрона. I! этих словах В. И. Ленина, написанных 40 лет назад, гениально предвосхищены открытия последних лет, свидетельствующие об изменчивости элементарных частиц и их взаимной ниевраща-•емостн.

53 Б. С. Ь\ т. 3.

Дальнейшая разработка теории А. на основе диалектического материализма, па основе учения В. 11. Ленина и П. В. Сталина - важнейшее дело советских физиков, продолжающих своими исследованиями великие материалистические традиции основоположников научной атомистики - корифеев русской науки Ломоносова, Бутлерова и Менделеева.

Лит.: Энгельс Ф., Диалектика природы, М., 1949; Л е ни и Б. И., Соч., 4 над., т. 14 («Материализм и эмпириокритицизм»); Вор II., Три статьи о спектрах и строении атомов, пор. с ном. С. И. Вавилова, М. - Л., 1923; III п о л ь о к и и О. Б., Атомная физика, т. 1-2, AI.- Л., 1949- Г)0; К о н д р а т ь с, к В. II., Структура атомов и молекул, Л1.- Л., 1946; Блох и и ц е в Д. И., Основы квантовой механики, 2 изд., М.- Л., (949; К у р-ч а т о в II. li. [и др.], Электронные, явлении, Л., 193^>; С е м а т Г., Введение и атомную физику.....р. с англ., М., 1948;

Горное р г Г., Атомные спектры и строение атомов, пер. с англ., П., 19'i8.

Средства навигации[править]

Требуется проверка викификации!
Шаблон:Проверить источники

Шаблон:БСЭ2:Опущен рисунок


Статья из Большой советской энциклопедии

Эта статья подлежит модернизации и корректировке!

Если Вы заметили неточность — Вы можете исправить её с помощью ссылки редактировать (или править) на этой странице.


Требуется сведение текстов!

Эта статья фактически состоит из нескольких не связанных между собой фрагментов. Требуется исправить ее так, чтобы она была однородной! Вы можете сделать это с помощью ссылки редактировать или править.

Статью можно улучшить?
✍ Редактировать 💸 Спонсировать 🔔 Подписаться 📩 Переслать 💬 Обсудить
Позвать друзей
Вам также может быть интересно: