Страница 144 из 190
Льюис и Ленгмюр также искали объяснения сходства между свойствами элементов с помощью группирования электронов в атоме. Однако эти авторы предполагали, что электроны не движутся вокруг ядра, а находятся в положениях равновесия. Но таким путём нельзя установить связь между свойствами элементов и экспериментальными данными о составных частях атома. Статические равновесные конфигурации для электронов невозможны, поскольку силы между электронами и ядром подчиняются законам притяжения и отталкивания электрических зарядов.
Возможность объяснения свойств элементов при помощи этих законов характерна для картины строения атома, развиваемой в рамках квантовой теории. Что касается этой картины, то мысль связать деление на группы с классификацией электронных орбит по возрастающим квантовым числам казалась естественной после открытия Мозли законов рентгеновских спектров и работ Зоммерфельда по тонкой структуре этих спектров. Это и отмечено Вегардом, который несколько лет тому назад в связи с исследованиями рентгеновских спектров предложил распределить электроны по группам в атомах элементов. Во многих отношениях его деление похоже на то, которое приведено в таблице.
Однако приемлемая основа для детальной разработки изложенной картины атомного строения была создана сравнительно недавно при изучении процессов связывания электронов в атоме, сведения о которых мы узнаем из оптических спектров. Характерные черты этих процессов помог осветить принцип соответствия. При этом существенно, что ограничение на протекание процесса связывания, проявляющееся в наличии многоквантовых орбит в нормальном состоянии атома, может быть естественным образом сопоставлено общему условию протекания процессов излучения при переходе между стационарными состояниями, формулируемо в названном принципе.
Другой существенной чертой теории является влияние на силу связи размеры орбит, оказываемое проникновением присоединённых позднее электронов в область электронов, связанных ранее. Это было продемонстрировано нами на примере возникновения спектра калия. Подобное обстоятельство может рассматриваться как истинная причина резки выраженного периодического изменения свойств элементов. Оно влечёт за собой многие последствия. В частности, благодаря этому размеры атомов и химические свойства гомологов в различных периодах, как, например, щелочных металлов, обладают значительно большим сходством, чем можно было бы ожидать из простого сравнения орбиты последнего связанного электрона с орбитой, характеризуемой тем же квантовым числом, в атоме водорода.
Указанное возрастание главного квантового числа для последнего электрона по мере продвижения вдоль ряда элементов даёт непосредственное объяснение характерным отклонениям от простой периодичности в системе элементов. Эти отклонения отмечены прямоугольниками, в которые помещены некоторые группы элементов в периодической системе на рис. 1. Впервые это появляется в четвертом периоде. Причина этого ясна из рис. 8, изображающего орбиты последнего связанного электрона у калия — первого элемента четвертого периода. Здесь впервые в ряду элементов мы сталкиваемся с ситуацией, когда в нормальном состоянии атома появляется орбита с более высоким главным квантовым числом при незаполненной предыдущей группе орбит. Нормальное состояние отвечает здесь 41-орбите, на которой сила связи электрона вследствие его проникновения во внутреннюю область значительно сильнее, чем на четырёхквантовой орбите атома водорода. Эта связь сильнее даже, чем на двухквантовой орбите атома водорода, и более чем вдвое превышает по силе связь на круговых 33-орбитах, которые всё время проходят вне внутренней области и для которых сила связи лишь слегка отличается от соответствующей величины на трёхквантовой орбите водородного атома. Однако ситуация меняется, когда мы переходим к рассмотрению процесса связывания 19-го электрона в элементах с более высокими атомными номерами, так как здесь относительная разница между силовым полем вне и внутри области, в которой связаны первые 18 электронов, уже меньше. Изучение искрового спектра кальция показывает, что в этом атоме сила связи электрона на 41-орбите лишь ненамного превышает силу связи на 33-орбите; при переходе к скандию мы должны учитывать, что 19-й электрон в нормальном состоянии находится уже на 33-орбите, так как сила связи на ней будет уже больше, чем на 41-орбите. Электронная группа с двухквантовыми орбитами полностью заполняется в конце второго периода. В то же время заполнение группы электронов с трёхквантовыми орбитами в третьем периоде не может считаться законченным. Дело в том, что, как указано в таблице, эта группа простирается дальше за счёт захвата электронов на трёхквантовые орбиты в элементах 4-го периода, заключённых в прямоугольники. Этот факт приводит к новым соотношениям, так как развитие группы с четырёхквантовыми орбитами, так сказать, останавливается до тех пор, пока не завершится трёхквантовая электронная группа. Мы не в состоянии ещё выяснить во всех деталях, как происходит постепенное развитие трёхквантовой электронной группы. Тем не менее в рамках квантовой теории становится абсолютно понятным появление впервые в четвертом периоде системы элементов со столь схожими свойствами, какие, например, имеются у элементов группы железа. Мы даже можем понять, почему эти элементы обладают известными парамагнитными свойствами. Идея о взаимосвязи химических и магнитных свойств указанных элементов с развитием внутренней группы электронов в атоме уже высказывалась Ладенбургом вне всякой связи с квантовой теорией.
Я не собираюсь входить в дальнейшие детали, а лишь упомяну о том, что те особенности, с которыми мы встречаемся в пятом периоде, объясняются точно таким же образом. Так, свойства элементов пятого периода, обрамлённых прямоугольником в таблице, зависят от некой стадии развития электронной группы с четырёхквантовыми орбитами, определяемой появлением орбит типа 43 в нормальном состоянии атома. Однако в шестом периоде мы сталкиваемся с новыми соотношениями. Кроме формирования пяти- и шестиквантовых орбит заканчивается также заполнение электронной группы с четырёхквантовыми орбитами за счёт появления орбит типа 44 в нормальном состоянии атома. Это развитие проявляется характерным образом в виде образования в шестом периоде своеобразного семейства элементов, известных как редкоземельные элементы. Как известно, эти элементы по их химическим свойствам ещё более схожи друг с другом, нежели элементы группы железа. Это обусловлено развитием электронной группы во внутренних областях атома. Интересно отметить, что теория даёт естественное объяснение сильного различия магнитных свойств этих элементов, столь схожих в других отношениях.
Идея о том, что появление редких земель связано с развитием внутренней группы электронов в атоме, высказывалась во многих работах. Так, её можно обнаружить в статьях Вегарда; одновременно с моей работой она появилась и в работе Бери в связи с рассмотрением систематической связи между химическими свойствами и группированием электронов в атоме с точки зрения статической модели атома Ленгмюра. Но вплоть до последнего времени не было достаточного теоретического основания для объяснения причин развития внутренней электронной группы. Квантовая теория даёт весьма естественное толкование этого факта. Действительно, едва ли будет преувеличением сказать, что если бы существование редких земель не было установлено химическим исследованием, то наличие подобного семейства в шестом периоде естественной системы элементом могло бы быть предсказано теоретически.
Переходя к седьмому периоду, мы впервые встречаемся с семиквантовыми орбитами и можем ожидать встретить здесь те же характерным особенности, что и в шестом периоде. Именно, помимо процесса заполнения семиквантовых орбит должно происходить завершение развитии группы с шести- и пятиквантовыми орбитами. Однако получить непосредственное подтверждение этого не удается, так как известно лишь несколько элементов в начале седьмого периода. Это обстоятельство, по-видимому, тесно связано с неустойчивостью атомных ядер с большими зарядами, проявляющейся в радиоактивности элементов с высокими атомными номерами.