Страница 12 из 83
Альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц. В 1912 году замечательный английский физик Э. Резерфорд, изучая их свойства, обнаружил любопытное явление. Если направить пучок лучей на тонкую металлическую фольгу, скажем алюминиевую или медную, и следить за поведением альфа-частиц по свечению экрана из сернистого цинка, то можно заметить, что при прохождении через фольгу они изменяют направление движения. А некоторые даже отбрасываются назад. Размышляя над тем, какая сила действует на частицы, Резерфорд пришел к следующему выводу.
По-видимому, атом химического элемента устроен так, что в центре его находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Поскольку атом в целом электронейтрален, то число отрицательных зарядов (число электронов) должно быть численно равно заряду ядра. Для альфа-частицы такой атом должен быть совершенно «прозрачен», и только положительно заряженное ядро должно действовать на пролетающую мимо альфа-частицу. В отдельных, очень редких случаях, когда она попадает прямо в ядро, она отскакивает назад (одноименные заряды отталкиваются по закону Кулона).
Основываясь на этой гипотезе, Резерфорд теоретически рассчитал величину отклонения альфа-частицы в зависимости от заряда ядра атома. Но если выведенная им формула верна, то возможно решение и обратной задачи: зная отклонение, можно вычислить заряд ядра.
За проверку формулы взялись соотечественники Резерфорда Гейгер и Марсден. Опытным путем они установили, что формула справедлива, и, пользуясь ею, вычислили заряды ядер атомов меди, серебра и платины. Эти заряды оказались равными соответственно 29, 47 и 78 элементарным единицам заряда.
А теперь посмотрите на систему Менделеева, обратите внимание на порядковые номера меди, серебра и платины. Что это? Совпадение? Те же самые числа: 29, 47 и 78!
Нет, это не могло быть случайностью. И голландский ученый Ван-ден-Брук первый высказывает следующее предположение: величина заряда ядра атома каждого химического элемента, измеренная в элементарных единицах заряда, равна атомному номеру, то есть порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Наконец-то открыта истинная основа периодического закона. Не атомный вес, а заряд ядра — вот что должно указать место элемента в периодической системе.
Оставалось теперь измерить заряды ядер атомов всех известных элементов, чтобы этот вывод стал бесспорной истиной. Гипотезу нужно было превратить в теорию.
Эту работу Резерфорд поручил своему молодому сотруднику Генри Мозли, и тот блестяще справился со своей задачей. Короткая жизнь талантливого ученого (через год Мозли погиб) увенчалась исключительным по своей важности открытием.
Если на пути летящих электронов поместить преграду из какого-нибудь металла (она называется «антикатод»), то возникает рентгеновское излучение, в спектре которого, кроме многих других, будут и линии, характерные только для вещества антикатода. Это так называемые «характеристические» линии. Вот к систематическому изучению этих характеристических линий и приступил Мозли, после того как им были изготовлены антикатоды из большинства элементов.
От этих опытов ждали многого. Ведь если «планетарная» модель атома Резерфорда верна, то при переходе от элемента к элементу должна последовательно меняться и длина волны характеристического рентгеновского излучения. А раз так, то, зная эту длину волны, можно определить порядковый номер элемента в системе Менделеева!
Как ни смелы были предположения, а результаты превзошли даже самые смелые ожидания. Найденная закономерность оказалась столь ясно выраженной, соотношение между длиной волны и порядковым номером элемента настолько простым, что сомнений больше не оставалось: получен самый надежный метод определения места элемента в системе Менделеева.
И сразу начал рассеиваться туман, который долгие годы скрывал от ученых тайну редкоземельных элементов.
Прежде всего стало ясно, какие из редкоземельных элементов существуют в природе реально, а какие — плод фантазии или результат ошибки опытов. Только 13 таких элементов получили «права гражданства». Кроме того, Мозли уверенно заявил, что в руках исследователей нет элементов с порядковыми номерами 61 и 72 и, следовательно, их нужно искать!
Но где искать? Что касается 61-го элемента, то тут, казалось, особых затруднений ждать не приходилось. Это будет 14-й лантаноид. Датский физик Ю. Томсен еще в 1895 году, Б. Браунер в 1902 году предсказывали, что между неодимом и самарием должен находиться неизвестный редкоземельный элемент. Значит, и искать его надо в тех же минералах, в которых были найдены неодим и самарий[2].
А где же искать элемент № 72?
Лютеций — № 71 — типичный редкоземельный элемент, № 73 — тантал — уже нет. Но каким элементом заканчивается группа лантаноидов? Лютецием или неизвестным № 72?
Ответить на этот вопрос смог великий датский ученый, физик-теоретик Нильс Бор. Выдвинутая им теория составила целую эпоху в науке о веществе.
Бор начал, казалось бы, с незначительной поправки к планетарной модели атома Резерфорда. Он предположил, что электроны вращаются не по любым, а по строго определенным орбитам и на каждой орбите может находиться только вполне определенное число электронов. Электрон может переходить с одной орбиты на другую, но при этом он либо выделяет, либо поглощает строго определенную порцию (квант) энергии. Поэтому спектр возбужденного атома, сфотографированный в специальном приборе — спектроскопе, имеет не сплошной, а «полосатый» вид.
Дав объяснение таким спектрам с помощью своей теории, Бор пришел к выводу, что на первой от ядра орбите могут находиться не более 2 электронов, на второй — 8, на третьей — 18, на четвертой — 32, на пятой — 50 и т. д. Вообще 2n2 электронов, где n — порядковый номер орбиты (в физике число n носит название «главного квантового числа»).
Теперь давайте посчитаем число элементов в каждом периоде системы Менделеева. В первом периоде — 2 элемента (водород и гелий), во втором и третьем — 8, в четвертом и пятом — по 18, в шестом периоде — 32 элемента. Мы получили тот же ряд чисел! Ясно, что это не случайность. Число элементов в периоде отражает последовательность заполнения электронных орбит. А раз так, то, по-видимому, становится совершенно необходимым, необычайно важным знать, как, в какой последовательности оно происходит. На этом пути мы неизбежно должны прийти к очень важным выводам.
Итак, с точки зрения теории Бора, у элементов первого периода периодической системы идет заполнение первой орбиты. Поскольку на ней могут расположиться только 2 электрона, то и элементов в первом периоде может быть только два. Во втором периоде (n=2, идет заполнение второй орбиты) могут быть 8 элементов. Так оно и есть. Последний элемент второго периода, неон, имеет порядковый номер 10, и, значит, число электронов у него равно десяти: 2 на первой орбите и 8 на второй. Далее, в третьем периоде должно быть уже 18 электронов, но их всего 8, то есть третья орбита вместо 18 возможных вместила только 8 электронов. Так происходит потому, что 8-электронная структура обладает наибольшей устойчивостью, и поэтому третья орбита заполняется максимально возможным для нее количеством электронов (18) только в четвертом периоде, то есть когда она стала, если можно так выразиться, «глубоким тылом». Это явление — заполнение оболочек «с опозданием» — будет повторяться и дальше, причем во всех случаях это будет происходить только «под защитой» внешней оболочки, которая, в свою очередь, никогда не имеет больше восьми электронов.
Нам осталось рассмотреть пятый и шестой периоды, (седьмой период не закончен). Расположение электронов по орбитам у инертных газов, заканчивающих эти периоды, таково:
Ксенон — 2, 8, 18, 18, 8.
Радон — 2, 8, 18, 32, 18, 8.
2
Кроме того, Мозли, наконец, разрешил давний спор о местонахождении в системе K и Ar, Co и Ni, J и Te, твердо установив, что порядковый номер Co — 27, Ni — 28, Ar — 18, K — 19, Te — 52, a J — 53.