Страница 24 из 35
Таким образом, исследования спектров помогли более ясно представить строение атомов.
Свет и химические свойства атомов
С оптическими спектрами атомов мы имеем дело с первых страниц нашей книжки. Это их наблюдали физики на заре развития спектрального анализа. Это они служили приметами для опознавания химических элементов, ибо у каждого химического элемента они особенные.
Теперь физики «прошлись» вдоль всей таблицы Менделеева и внимательно сравнили оптические спектры элементов. Они сопоставили спектры и с химическими свойствами элементов. Результаты получились интересные.
Возьмем, например, из таблицы Менделеева следующие элементы: № 2 — гелий, № 10 — неон, № 18 — аргон, № 36 — криптон, № 54 — ксенон. Все они стоят в одном столбце. Все они — газы, которые не вступают в химические соединения с другими элементами в обычных условиях; это — инертные газы. Оказывается, что на их возбуждение нужно затратить сравнительно большую энергию, обстрелять их более быстрыми электронами, и только тогда они начнут излучать. Это связано с тем, что наружный электронный слой этих атомов образует замкнутую группу электронов, прочно связанную с ядром. Образно можно сказать: атомы инертных газов плотно упакованы.
В первом столбце периодической таблицы стоят металлы: № 3 — литий, № 11— натрий, № 19 — калий, № 37 — рубидий, № 55 — цезий. Они называются щелочными металлами. Щелочные металлы легко вступают в соединения с другими элементами. В наружном слое у атомов всех этих элементов всего по одному электрону, слабо связанному с ядром. Оказывается, что и оптические спектры возбудить у них легче, чем у других элементов. Необходимая для этого энергия в 5—10 раз меньше, чем для возбуждения инертных газов.
В том же столбце стоит и водород. Это, правда, не металл, а газ. Но и он столь же легко соединяется с другими элементами. В его «наружном» слое тоже только один электрон; а внутренних слоев у него нет совсем, ибо у него всего только один электрон. Его единственный электрон столь же слабо связан с ядром, как и наружные («оптические») электроны у щелочных металлов. Следовательно, были физические основания поставить его в тот же столбец, что и металлы.
Из сопоставлений оптических спектров и химических свойств элементов можно сделать замечательный вывод: если химические свойства элементов похожи друг на друга (такие элементы стоят в одном столбце), то и строение их спектров похоже друг на друга. Следовательно, у них и строение оптических электронных оболочек также похоже друг на друга!
Так была установлена связь оптических спектров с химическими свойствами элементов.
Огромную работу по спектральному анализу атомов проделала группа советских физиков, руководимая академиком Д. С. Рождественским (1876—1940). Эта группа начала свою работу в 1918 году в только что созданном советской властью Государственном оптическом институте. В частности, Д. С. Рождественский исследовал и установил закономерности спектров щелочных металлов и строение их электронных слоев.
Молекулярные спектры
Особенно большое значение для химии имело изучение спектров сложных веществ, или так называемых молекулярных спектров. Молекула — это сложная частица, состоящая из химически связанных друг с другом атомов. У молекул спектры совсем иного вида, чем у атомов. Молекулярный спектр не линейчатый, а полосатый. Вместо отдельных линий в молекулярных спектрах видны широкие полосы. Каждая полоса — это совокупность множества отдельных линий. Полосатые молекулярные спектры получаются при сравнительно невысоких температурах, например в газовой горелке (1800 градусов). При очень высоких температурах, например в электрической дуге (5000—6000 «градусов), большинство молекул сложных веществ разлагается «а отдельные атомы, полосатый спектр исчезает, появляются линейчатые спектры атомов, составляющих молекулу.
Раньше химик изучал сложные вещества так. Он выяснял, «при каких условиях различные атомы соединяются друг с другом; каковы весовые отношения отдельных элементов в сложном веществе; каковы свойства полученного вещества. Но от химика было скрыто главное, он не знал, какая перестройка происходит в атомах при соединении их в молекулу, не знал, почему одни вещества соединяются друг с другом, а другие нет. Это затрудняло сознательное управление химическими процессами.
Изучение спектров помогло и здесь. По тому, какие спектры испускают молекулы сложных веществ, как они рассеивают падающий на них свет, можно многое узнать о строении по крайней мере простейших молекул. Большие исследования в этой области были «проведены советскими академиками Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом, а также ленинградскими учеными профессорами С. Э. Фришем, Е. Ф. Гроссом и другими.
Академики Мендельштам и Ландсберг обнаружили новое, весьма важное явление. Они установили, что молекулы кристалла кварца, а также исландского шпата, рассеивая падающий свет, изменяют его спектральный состав, вызывают в спектре рассеянного света добавочные линии, которые сопровождают каждую линию первичного света. Эти добавочные линии получили название сателлитов (зависимых). Они появляются благодаря собственному колебанию молекул. В силу этого явление, открытое советскими учеными, названное комбинационным рассеянием света, представляет собой важный метод очень тонкого исследования строения молекул.
Большое число экспериментальных и теоретических работ в области исследования свечения растворов красителей проведено академиком С. И. Вавиловым (1891—1951). Он установил законы свечения молекул, позволяющие раскрыть механизм их возбуждения. Его исследования дают возможность судить об особенностях строения молекул красителей.
Теперь известно, что в ходе химических процессов перестраиваются оптические электронные слои атомов, и из них образуется общая электронная оболочка молекулы. Изучение строения молекул с помощью молекулярных спектров позволит химику находить средства ускорять течение химических процессов, более того, позволит вплотную подойти к созданию новых химических соединений, которые раньше в природе не наблюдались и свойства которых заранее задаются.
А это означает, что человек все больше становится активным творцом, который не только наблюдает, но и направляет процессы природы, преобразует ее на основе познанных законов.
Физические условия изменяют спектры
Мы уже говорили, что оптические спектры зависят от тех условий, в которых находятся атомы. Сильные магнитные поля изменяют оптические спектры атомов; они расщепляют спектральные линии. Таково же действие сильных электрических полей. Особенно резко меняет характер спектров ионизация атомов, т. е. выбивание из их электронной оболочки электронов. Спектр у незаряженного атома не такой, как у его иона. Когда про это забывали — приходили к ложным заключениям. Был, например, такой случай. В спектрах звездной туманности астрономы обнаружили линии, которые никто не наблюдал на Земле. Астрономы думали, что они открыли новый элемент, и заранее дали ему имя — небулий (от латинского слова «небула» — туманность). Казалось, они имели на это право: совсем так же был открыт гелий. Но небулию не повезло. Спустя много лет физики обнаружили, что неизвестные линии принадлежат не новому элементу, а дважды ионизованному кислороду, находящемуся в звездных туманностях в особых условиях. Таким же образом в звездных спектрах были «открыты» элементы короний и геокороний. Спектры, которые ввели в заблуждение астрономов, также принадлежали ионам давно известных элементов.
Недаром Менделеев так осторожно относился к известиям об открытии гелия, пока его не обнаружили на Земле. Еще в 80-х годах он указывал, что оптические спектры элементов сильно меняются в зависимости от тех условий, в которых находятся излучающие атомы. Академик Д. С. Рождественский впервые дал правильное истолкование спектров ряда ионизованных атомов (магния, ртути и других).
Физики изучают не только самые спектры, но и законы их изменений. По этим изменениям они узнают те условия, в которых находятся излучающие атомы. По тому, как изменяются звездные спектры, как сдвигаются в них линии давно известных элементов, ученые узнают, как и куда движутся звезды, как перемещаются отдельные области их атмосфер, каково давление в них, имеются ли в звездах электрические и магнитные поля, как ионизованы в них атомы и многое другое. По относительной яркости отдельных линий, иначе говоря, по тому, как в спектре излучения распределяется энергия, узнают температуру звезд. Таким же образом определяют температуру в электрической дуге, в доменных печах, всюду, где обычный термометр нельзя применять.