Страница 114 из 190
Нужно предполагать, что всё сказанное справедливо не только для образования атома лития, но вообще для связывания третьего электрона всякого атома; третий электрон будет двигаться, следовательно, по 21 орбите в отличие от первых двух электронов, движущихся на 11-орбите. Аналогичное можно предполагать для связывания четвертого, пятого и шестого электронов. Я не буду здесь подробнее останавливаться на тех представлениях, которые можно составить о последовательном присоединении и связывании этих электронов. Укажу только, что причина того, что связывание первого из названных электронов не препятствует присоединению следующих электронов на двухквантовые орбиты, лежит в том, что эти орбиты не круговые, а сильно эксцентричные. Поэтому третий электрон, например, не может удерживать дальнейшие электроны в удалении от внутренней системы в отличие от действия двух первых присоединённых электронов лития, препятствующих присоединению третьего электрона на одноквантовую орбиту. Мы должны на основании этого ожидать, что четвертый, пятый и шестой электроны, так же, как и третий, в некоторых точках своего пути будут проникать в области, где движутся первые два электрона. Нельзя, однако, думать, что эти «посещения» внутренней системы четырьмя электронами происходят одновременно; весьма вероятно, что четыре электрона проходят около ядра по очереди, через одинаковые промежутки времени. В более ранних работах о строении атома обычно полагали, что электроны в различных группах атома движутся в отдалённых одна от другой областях, причём внутри каждой группы в каждый данный момент электроны находятся в конфигурации, обладающей симметрией такого же рода, что и симметрия правильных многоугольников или многогранников; одним из следствий этого было предположение, что электроны одновременно находятся в таких точках их орбит, в которых они ближе всего расположены к ядру. Можно сказать, что такое строение атома характеризуется тем, что движения электронов в отдельных группах связаны независимо от взаимодействия различных групп. Характерной чертой излагаемого здесь строения атомов является, наоборот, предположение о тесной связи электронных орбит различных групп, определяемых различными квантовыми числами, и значительная независимость типа связи электронов одной и той же группы, определяемой одним и тем же квантовым числом. Подчёркивая последнее обстоятельство, я подразумеваю не только относительно малое влияние, оказываемое на прочность связи присоединённого позже электрона ранее связанными электронами той же группы. Существенно также, что движение электронов внутри каждой группы отражает независимость тех процессов, в результате которых при присоединении отдельных электронов группа образовалась или же перестроилась в результате перемещений различных электронов, вызванных возмущениями внешних сил. К последнему вопросу мы вернёмся в связи с толкованием происхождения и структуры рентгеновских спектров. Теперь же мы перейдём к дальнейшему исследованию строения атомов, рассматривая последовательное присоединение электронов.
Изложенные соображения дают возможность понять тот факт, что элементы, следующие за литием,— бериллий и бор — выступают в соединениях с другими веществами как электроположительные, соответственно двух- и трёхвалентные. Последние присоединённые электроны в атомах этих элементов, так же, как третий электрон в атоме лития, связаны значительно слабее, чем два первые электрона. Одновременно нам становится понятным, почему электроположительный характер этих элементов слабее выражен, чем у лития. Электроны двухквантовых орбит этих элементов движутся в более сильных полях, и потому они сильнее связаны в атомах бериллия и бора, чем в атоме лития. В случае следующего элемента — углерода — мы встречаемся с новыми отношениями; это вещество в своих типичных химических соединениях выступает не как ион, а как нейтральный атом. Это обстоятельство связано не только с большей прочностью электронных связей, но и существенно зависит от свойств симметрии электронной конфигурации.
Нужно думать, что при связывании четвертого, пятого и шестого электронов на 21-орбиты относительная конфигурация орбит сопровождается возрастанием пространственной симметрии. При связывании шестого электрона орбиты четырёх последних электронов должны образовать чрезвычайно симметричную конфигурацию; при этом нормали плоскостей орбит принимают одна относительно другой почти то же положение, как линии, соединяющие углы правильного тетраэдра с центром. Подобная конфигурация группы двухквантовых орбит в атоме углерода, по-видимому, действительно может служить основой понимания строения органических соединений. Однако я не буду здесь подробнее останавливаться на этом вопросе: его решение требует основательного изучения взаимодействия электронных движений в атомах, присутствующих в молекуле. В этой связи следует только указать, что типы моделей молекул, к которым приводят изложенные соображения, существенно отличны от тех моделей, которые докладчик предлагал в первых своих работах. В этих работах «валентные связи» предполагались соответствующими «электронным кольцам» того же типа, что и электронные группы в отдельных атомах. Причина того, что даже если, не рассматривая подробно такие вопросы, тем не менее можно дать представление о химических свойствах элементов на основании изучения их атомов, состоит в следующем. Рассмотрение молекулярных образований такого типа, как соединение нескольких атомов того же элемента или многие органические соединения, не играет для нас такой роли, как анализ соединений, в которых отдельные атомы проявляются как электрически заряженные ионы. Соединения последнего типа, часто называемые «гетерополярными» (к их числу принадлежит большинство простых неорганических соединений), значительно типичнее, чем «гомеополярные» соединения, и в значительно большей мере обладают индивидуальными свойствами. Поэтому в дальнейшем главная задача будет заключаться в рассмотрении пригодности электронных конфигураций различных атомов к образованию ионов.
Прежде чем закончить рассмотрение строения атома углерода, я должен указать, что модель, в которой конфигурация орбит четырёх слабо связанных электронов обладает ясно выраженной «тетраэдрической симметрией», была уже предложена Ланде. Учитывая экспериментальные данные о величине атома, он также предположил, что соответствующие электроны движутся по 21-орбитам. Однако между проведённым выше рассмотрением и соображениями Ланде есть существенное различие. У Ланде обоснование характерных свойств углеродного атома построено на исследовании простейших пространственно-симметричных форм движения, которые могут совершать четыре электрона. Наши рассуждения сводятся к рассмотрению устойчивых свойств всего атома; предположения об орбитах рассматриваемых электронов основаны на исследовании взаимодействий этих электронов со связанными ранее. Различие существует в предположениях о связи электронов в двух группах эквивалентных орбит и о взаимодействии движений внутри каждой группы. Динамические свойства нашей модели существенно отличны от модели Ланде.
Переходя к свойствам следующих элементов, мы встречаемся прежде всего с задачей об особой устойчивости конфигураций 10 электронов в нейтральном атоме неона, как это следует из обсуждения работ Косселя (стр. 328). Обычно в основу решения этой задачи кладётся предположение о том, что свойства такой конфигурации обусловлены взаимодействием 8 электронов, движущихся по эквивалентным орбитам вокруг ядра, и внутренней группы из двух электронов, аналогичной соответствующей группе нейтрального атома гелия. Однако мы увидим, что решение нужно искать, по-видимому, в другом направлении. Рассматривая присоединение седьмого электрона, мы не можем ожидать, что этот электрон будет связан также на 21-орбите, эквивалентной орбитам предыдущих четырёх электронов. Появление пяти подобных орбит, безусловно, нарушило бы симметрию взаимодействия электронов. Нельзя себе представить, чтобы такой процесс присоединения пятого электрона был аналогичен, согласно принципу соответствия, процессу, с которым могли быть связаны наши обычные представления об испускании излучения. Приходится предполагать, что четыре электрона с их необычайно симметричной конфигурацией орбит удерживают новые электроны вдали, так что они связываются в орбитах другого типа.