Страница 118 из 190
Окраска ионов также подтверждает развитое выше представление о строении атомов четвертого периода. Согласно постулатам квантовой теории, мы должны представлять себе, что как поглощение, так и излучение света происходит при переходах между стационарными состояниями. Окраска, т.е. поглощение света в видимой части спектра, показывает возможность переходов в атоме, сопровождающихся изменениями энергии того же порядка величины, что и наблюдающихся в оптических спектрах. В противоположность ионам элементов предыдущих периодов с сильно связанными электронами мы можем заранее ожидать возможность переходов указанного типа у элементов четвертой группы; образование и завершение группы трёхквантовых орбит протекает всё время, так сказать, в конкуренции с возможностью связывания электронов на орбитах с более высоким квантовым числом. Надо думать, поэтому, что число появляющихся трёхквантовых орбит определяется тем, что электроны на этих орбитах сильнее связаны, чем на орбитах 41, связывание электронов на трёхквантовых орбитах должно продолжаться до тех пор, пока не установится, так сказать, равновесие в связывании электронов на орбитах обоих типов. Это обстоятельство тесно связано не только с окраской ионов, но и со склонностью элементов четвертого периода образовывать ионы различных валентностей в противоположность элементам первых периодов, где заряд ионов в водных растворах всегда является постоянным для данного элемента.
По отношению к следующим элементам периодической системы наш анализ может развиваться по естественной аналогии со сказанным выше. Рассматривая первые элементы пятого периода, мы должны предполагать, как это явствует из дугового спектра рубидия и искрового спектра стронция, что 37-й и 38-й электроны связаны на 51орбите. Искровой спектр стронция указывает, однако, на существование 43-орбит; поэтому нужно думать, что в пятом периоде, содержащем, как и четвертый, 18 элементов, мы имеем дело с дальнейшей стадией образования группы четырёхквантовых орбит. Первой стадией развития этой группы можно считать криптон с симметричной конфигурацией из двух подгрупп по 4 электрона на 41- и 42-орбитах. Предварительное завершение этой группы достигается у серебра в симметричной конфигурации трёх подгрупп по 6 электронов на орбитах типа 41, 42 и 43. Всё сказанное об образовании электронной группы трёхквантовых орбит сохраняет силу и для рассматриваемой стадии развития группы четырёхквантовых орбит, так как мы не делали предположений об абсолютных значениях квантовых чисел и о форме орбит, определяя только число рассматриваемых типов орбит. Однако в то же время интересно отметить, что элементы пятого периода обнаруживают некоторое отличие от элементов предыдущих периодов, что соответствует различию типов орбит. Отклонения от характерных для второго и третьего периодов отношений валентностей наблюдаются в пятом периоде позже, чем в четвертом; в четвертом периоде титан имеет уже определённое стремление к переменной валентности; соответствующий элемент пятого периода — цирконий — всегда четырёхвалентен, так же, как углерод во втором и кремний в третьем периодах. Простое исследование кинематических свойств электронных орбит показывает, что электрон на эксцентрической 43-орбите элемента пятого периода связан слабее, чем электрон на круговой 33-орбите соответствующего элемента четвертого периода; электроны же, связанные на эксцентрических орбитах типов 51 и 41 обладают почти одинаковой прочностью связи.
В конце периода, у ксенона — элемента с атомным номером 54,— мы можем ожидать кроме уже указанных конфигураций 2 одноквантовых, 8 двухквантовых, 18 трёхквантовых и 18 четырёхквантовых орбит и ещё симметричную конфигурацию из двух подгрупп по 4 электрона на 51 и 52-орбитах. Для элементов с более высоким атомным номером мы должны прежде всего предположить, как показывают спектры цезия и бария, что 55-й и 56-й электроны связываются на 61-орбитах; однако надо быть готовым встретиться и с совершенно новыми отношениями. Можно предполагать, что при возрастании заряда ядра настанет момент, когда электрон не только на 53-орбите будет связываться прочнее, чем на 61орбите, но и 47-й электрон будет связываться не на 51орбите, а на 44-орбите, где связь электрона будет прочнее; это соответствует тому моменту в элементах третьего периода, когда 19-й электрон впервые вместо 41-орбиты связывается на 33-орбите. После того как мы дошли до этого пункта, можно ожидать, что с возрастанием атомного номера мы натолкнёмся на группу элементов, следующих один за другим, обладающих, подобно семейству металлов группы железа, почти одинаковыми свойствами. В данном случае это выступает ещё сильнее, так как мы имеем дело с последовательным образованием электронных конфигураций, находящихся в глубине атома. Вы, конечно, поняли, что я имею в виду простое объяснение наличия семейства редких земель в начале шестого периода системы элементов. По длине шестого периода мы можем непосредственно определить число электронов (именно 32), присутствующих в этой группе после окончательного развития группы четырёхквантовых орбит. По аналогии с соотношениями в группе с трёхквантовыми орбитами можно заключить, что завершённая группа содержит по восьми электронов в каждой из четырёх подгрупп. Хотя нет ещё возможности проследить развитие группы шаг за шагом, мы всё же и в данном случае можем получить из простых соображений основания для теоретического понимания появления симметричной конфигурации. В связи с этим я укажу, что симметричное расположение у четырёх подгрупп по шести электронов недостижимо без совпадения плоскостей орбит; такое соотношение возможно, однако, между тремя подгруппами с конфигурацией, обладающей тригональной симметрией. Затруднения, с которыми мы встречаемся в этом случае, делают вероятным предположение, что симметричная конфигурация осуществима при четырёх подгруппах по 8 электронов; конфигурация орбит при этом должна обладать осевой симметрией.
Так же, как и у металлов группы железа в четвертом периоде, наше объяснение наличия семейства редких земель в шестом периоде подтверждается исследованием магнитных свойств этих элементов. Несмотря на большое сходство в химическом отношении, члены семейства редких земель обладают весьма различными магнитными свойствами; в то время как некоторые из них показывают ничтожный магнетизм, другие обладают атомным магнитным моментом, превышающим момент всех других исследованных веществ. Точно так же своеобразная окраска соединений редких земель получает простое объяснение но аналогии с элементами четвертого периода.
Кроме завершения образования группы четырёхквантовых орбит у элементов шестого периода мы наблюдаем вторую стадию образования группы пятиквантовых орбит, проявляющуюся в семействе платиновых металлов, а также первую предварительную ступень образования шестиквантной электронной группы в радиоактивном, химически инертном газе радоне, замыкающем период. В атоме этого элемента мы должны предполагать существование 2 одноквантовых, 8 двухквантовых, 18 трёхквантовых, 32 четырёхквантовых, 18 пятиквантовых орбит и, кроме того, внешнюю симметрическую конфигурацию 8 электронов в шестик вантовых орбитах, состоящую из двух подгрупп но четыре электрона на 61 и 62-орбитах.
Фундаментальное отличие нашей модели от статической модели Лэнгмюра состоит в том, что мы рассматриваем конфигурации электронов, движущихся один около другого с большими скоростями, так что электроны «внешних» групп проникают во время своего обращении в область орбит электронов «внутренних» групп. Независимо от этого мы видим, что порядок следования электронных групп атома, который мы получаем, прослеживая последовательное присоединение электрона, существенно отличен от расположения групп в теории Лэнгмюра. Аналогично приёму, применённому для объяснения различия свойств элементов четвертого периода но сравнению с элементами предыдущих периодов, Лэнгмюр объясняет свойства элементов шестого периода тем, что в атоме кроме слоёв соответственно с 2, 8, 8, 18 и 18 электронами, использованных для интерпретации элементов предыдущих периодов, имеется ещё слой с 32 местами для электронов; этот последний слой полностью заполняется у радона 1.