Страница 96 из 190
Не останавливаясь здесь на подробной формулировке принципа соответствия, отметим, что он устанавливает внутреннюю связь между характером движения в стационарных состояниях атомной системы и возможностью перехода между двумя такими состояниями; этим он создает основу для теоретического рассмотрения процесса, который имеет место при образовании и перестройке атома. Этот принцип, например, прямо приводит к заключению, что в существующих атомах нельзя ожидать конфигураций такого типа, чтобы электроны внутри каждой группы были расположены кольцами или в конфигурациях с симметрией правильного многогранника, поскольку образование таких конфигураций требует одновременного связывания всех электронов. Напротив, представляется необходимым найти такие конфигурации электронов в атоме, которые могут быть образованы путём последовательного связывания электронов один за другим, процесса, последние стадии которого находят отражение в сериальных спектрах элементов. Сейчас принцип соответствия не только раскрывает картину процесса, позволяющего глубоко проникнуть во все детали строения этих спектров, но и подсказывает определённое расположение электронов в атоме, которое способно объяснить высокочастотные спектры и химические свойства элементов. Таким образом, соображения о возможности перехода между двумя стационарными состояниями, соответствующими различным ступеням связывания каждого электрона, приводят в первую очередь к предположению, что лишь первые два электрона движутся по орбитам, которые можно назвать одноквантовыми. Эти орбиты аналогичны тем стационарным состояниям центральной системы, которые соответствуют нормальному состоянию системы, содержащей единственный электрон, вращающийся вокруг ядра. Электроны, связанные после первых двух, неспособны путём перехода из одного стационарного состояния в другое достичь в атоме положения, эквивалентного положению первых двух, а будут двигаться по орбитам, которые можно назвать многоквантовыми и которые соответствуют другим стационарным состояниям центральной системы.
Предположение о наличии в нормальном состоянии атома таких многоквантовых орбит уже вводилось в различных современных теориях, например в работах Зоммерфельда о высокочастотных спектрах и Ланде о размерах атома и структуре кристаллов. Но применение принципа соответствия, по-видимому, впервые позволяет рационально теоретически обосновать эти выводы и дать основу для рассмотрения расположения орбит электронов, связанных после первых двух. Таким образом, основанный на этом принципе тщательный анализ процесса связывания электронов даёт простой аргумент для вывода, что распределение этих электронов по группам отражает периоды изменения химических свойств элементов, следующих друг за другом в порядке возрастания их атомного числа. Действительно, если проследить связывание большого числа электронов ядром с большим положительным зарядом, то этот аргумент подсказывает, что после первых двух электронов, которые связаны на одноквантовой орбите, следующие восемь связаны на двухквантовой, следующие восемнадцать — на трёхквантовой, а следующие тридцать два — на четырёхквантовой.
Хотя расположение орбит электронов в этих группах и обладает значительной пространственной симметрией, нельзя говорить, что эти группы образуют простые оболочки в том смысле, в каком это слово применяется, когда речь идёт о строении атома. Во-первых, не все электроны внутри каждой группы играют одинаковую роль: они делятся на подгруппы, соответствующие различным типам многоквантовых орбит с одним и тем же квантовым числом, представляющих различные стационарные состояния электрона, движущегося в центральном поле. Так, в соответствии с тем фактом, что в подобной системе существуют два типа двухквантовых орбит, три типа трёхквантовых орбит и т. д., мы приходим к выводу, что упомянутая группа из восьми электронов состоит из двух подгрупп по четыре электрона в каждой, группа из восемнадцати электронов — из трёх подгрупп по шесть, а группа из тридцати двух — из четырёх подгрупп по восемь электронов в каждой.
Другой существенной чертой описанного строения атома является конфигурация орбит электронов в различных группах относительно друг друга. Так, для каждой группы электроны некоторой подгруппы во время своего движения проникают в области, более близкие к ядру, чем средние расстояния от ядра электронов, принадлежащих к группам с меньшим квантовым числом. Это обстоятельство, тесно связанное с особенностями процесса последовательного связывания, как раз точно объясняет ту «связь» различных групп, которая является необходимым условием устойчивости атомных конфигураций. По существу эта связь является главной чертой всей картины и ею следует руководствоваться при объяснении всех деталей, касающихся образования различных групп и их подгрупп. Далее, устойчивость всей конфигурации в целом носит такой характер, что, если один какой-нибудь электрон удаляется из атома вследствие внешних воздействий, прежняя конфигурация может восстанавливаться не только последовательным перемещением электронов в том порядке, в котором они были первоначально связаны в атоме. Место удалённого электрона может быть занято также одним из электронов, принадлежащим к более слабо связанной группе или подгруппе, путём прямого перехода между двумя стационарными состояниями; такой процесс сопровождается испусканием монохроматического излучения. Это обстоятельство, дающее основу для детальной интерпретации характерной структуры высокочастотных спектров элементов, тесно связано с тем фактом, что электроны в различных подгруппах (хотя и можно говорить об их одинаковой роли в гармонии внутриатомных движений) не размещены в любой момент в конфигурации с простой осевой симметрией или симметрией правильного многогранника, как это предполагается в работах Зоммерфельда или Ланде. Наоборот, их движения так связаны между собой, что можно удалить любой электрон группы путём процесса, при котором орбиты остающихся электронов меняются непрерывным образом.
Эти общие замечания относятся к строению и устойчивости всех групп электронов в атоме. С другой стороны, указанные выше простые изменения числа электронов в группах и подгруппах следующих друг за другом оболочек справедливы только для той области атома, где притяжение со стороны ядра несравненно больше влияет на движение электронов, чем отталкивание со стороны остальных электронов. Если рассматривать расположение электронов, связанных в атоме, в момент, когда заряд ранее связанных электронов начинает компенсировать бо́льшую часть положительного заряда ядра, то мы встречаемся с новыми свойствами, и анализ условий протекания процесса связывания вынуждает нас предположить, что новые, добавочные электроны закрепляются на орбитах с квантовым числом, равным или меньшим, чем у электронов в ранее связанных группах, хотя большую часть времени обращения они находятся вне этих групп. Такое прекращение возрастания и даже уменьшение квантового числа, характеризующего орбиты, соответствующие движению электронов в последовательных оболочках, имеет место, вообще говоря, когда число связанных электронов составляет несколько больше половины общего их числа. По мере нарастания процесса связывания электроны сначала будут располагаться по указанным выше группам, так что группы трёхквантовых орбит будут содержать восемнадцать электронов, а двуквантовые — восемь. Однако в нейтральном атоме электроны, связанные последними и слабее, не смогут сами располагаться таким правильным образом. Фактически у поверхности атома мы встречаем подобные группы только у элементов, принадлежащих семейству инертных газов. Эти газы со многих точек зрения можно рассматривать как своеобразные межи в периодической системе элементов. Для атомов этих элементов мы вправе ожидать структуру, которую символически можно выразить так:
Гелий (2
1
)
Криптон (2
1
8
2
18
3
8
2