ATOM (Химия, элементы таблицы Менделеева), страница 2

Летящий электрон отклоняется от прямолинейного пути и электрическим, и магнитным полями. Изучение характера этих отклонений позволило установить величину отношения заряда электрона к его массе (е/m). Зная заряд, можно было затем найти и массу электрона: она равна 9,11^.10^–31 кг. Радиус электрона оценивается в 0,2 пм.

Опыты с нагреванием и освещением металлов показывают, что наиболее легко удаляемыми частями атомной структуры являются именно электроны. Последние заряжены отрицательно, а атом в целом нейтрален; следовательно, внутри самого атома отрицательный заряд должен как-то компенсироваться положительным.

Учитывающая это модель была предложена Томсоном (1904 г.) на основе представления о положительном заряде, равномерно распределённом во всём объёме атома и нейтрализуемом электронами, вкрапленными в это “море положительного электричества”. Она не успела подвергнуться детальной разработке, так как была опровергнута работами Резерфорда.

Резерфорд проводил опыты с a-частицами. Масса каждой из них равна 4 единицам атомного веса (тогда как масса электрона составляет лишь ¹/₁₈₂₀ такой единицы). Заряд их положителен и по абсолютной величине равен удвоенному заряду электрона. При радиоактивном распаде атома a-частицы вылетают с большой начальной скоростью.

Узкий пучок a-частиц направлялся на тонкий металлический листочек. Следить за их дальнейшим поведением можно было, передвигая по дуге приспособление, регистрирующее a-частицы. Оказалось, что большинство a-частиц проходит сквозь листочек без отклонения, часть отклоняется на различные углы, а некоторая ничтожная доля, примерно 1 частица на каждые 10000, отскакивает почти в обратном направлении. Результаты одного из опытов с рассеиванием a-частиц листочком золота приводятся ниже:

Угол отклонения^{. . .} 15° 30° 45° 60° 75° 105° 120° 135° 150°

Число a-частиц ^{. . . .} 132000 7800 1435 477 211 70 52 43 33

Результаты этих опытов, особенно отскоки частиц обратно, невозможно истолковать на основе модели Томсона. В самом деле, летящая с большой скоростью и обладающая относительно большой массой при двойном положительном заряде a-частица может быть резко отброшена назад только в том случае, если она встретит на своём пути препятствие, обладающее большим, сконцентрированным в одном месте положительным зарядом. Распределённый по всему объёму положительный заряд таких отклонений дать не может.

Креме того, каждая a-частица на своём пути через металлический листок должна пройти сквозь множество атомов, а резкие отскоки наблюдаются лишь весьма редко. Это также заставляет предполагать, что пространство в атоме вовсе не сплошь заполнено положительным электричеством. На основании результатов опытов Резерфорда объём положительно заряженной части атома, его “ядра” оценивался примерно следующим образом. Если представить себе атом увеличенным до размеров шара с диаметром 10 м, то ядро имело бы размеры булавочной головки. Поэтому громадное большинство a-частиц и не отклоняется от прямолинейного пути, несмотря на то что каждая из них пролетает сквозь много тысяч атомов.

Диаметр атома металла составляет около 300 пм. При толщине металлического листочка в 0,1 мм (10^-4 м) укладывается более 300 тыс. атомов.

Отклонения испытывают лишь a-частицы, пролетающие достаточно близко к ядру одного из встречаемых на пути атомов. При этом отскакивают обратно только те, которые прямо налетают на ядро. Подсчёт относительного числа таких отскоков и позволил оценить размеры ядра.

Опыты с a-частицами дали, однако, ещё больше — они позволили приблизительно оценить также и величину положительного заряда ядер различных атомов. В самом деле, отклонения a-частиц должны быть выражены тем сильнее, чем больше положительный заряд ярда. Результаты подсчётов показали, что этот заряд равняется наименьшему электрическому заряду (е), помноженному на число, соответствующее приблизительно половине атомного веса рассматриваемого элемента.

Основываясь на своих исследованиях, Резерфорд в 1911 г. предложил новую, “планетарную” модель, уподоблявшую атом солнечной системе. В центре должно находиться очень маленькое положительно заряженное ядро, заключающее в себе почти всю массу атома, а вокруг ядра — располагаться электроны, число которых определяется значением положительного ядра. Однако подобная система может быть устойчивой только в том случае, если электроны движутся, так как иначе они упали бы на ядро. Следовательно, электроны атома должны находиться приблизительно в таком же движении вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

Правильность планетарной модели атома была вскоре подтверждена дальнейшими опытами с a- и b-частицами, пути которых стало возможным видеть и фотографировать благодаря разработанной в 1911 г. Вильсоном конденсационной камере. Принцип её действия основан на том, что при охлаждении насыщенного паром воздуха капельки тумана образуются почти исключительно вокруг посторонних частичек, особенно электрически заряженных. Конденсационная камера имеет сверху и частично с боков стеклянные стенки, а внизу поршень, при быстром выдвижении которого содержащийся в ней влажный воздух несколько охлаждается за счёт расширения. Если воздух был перед опытом тщательно освобождён от пыли, то образование тумана не наблюдается. Иначе обстоит дело при прохождении через камеру a- или b-частиц. И те и другие выбивают электроны из встречных молекул, создавая тем самым множество заряженных частиц. Вокруг последних тотчас образуются капельки тумана, ясно обозначающих весь пройденный a- или b-частицей путь.

Тяжёлая a-частица, выбивая из молекулы электрон, не изменяет своего прямолинейного движения; заметное отклонение её происходит лишь тогда, когда она пролетает вблизи ядра одного из атомов. Наоборот, лёгкая b-частица при выбивании электронов и сама изменяет свой путь (особенно, когда скорость её уменьшается). Обычным является прямолинейный путь, который заканчивается, когда скорость a-частицы уменьшается настолько, что она перестаёт выбивать электроны из встречных молекул.

Подсчёты показали, что b-частица пролетает в среднем сквозь 10 тыс. атомов, прежде чем выбивает электрон, а a-частица проходит сквозь 500 тыс. атомов, не подходя более двух или трёх раз к какому-нибудь ядру настолько близко, чтобы претерпеть заметное отклонение. Это убедительно доказывает, что ядра и электроны заполняют ничтожно малую часть занимаемого атомом пространства: фактический общий объём ядер всех атомов человеческого тела составляет лишь миллионную долю кубического миллиметра.

Атомные модели.

Планетарная модель атома имела большое принципиальное значение как новый и значительный шаг на пути познания внутренней структуры атома. Однако на первых порах она не могла выть уточнена, так как не было известно ни число, ни расположение электронов в атомах отдельных элементов.

Решение первого вопроса дали работы с так называемыми рентгеновскими лучами. В 1895 году Вильгельм Рентген изучая свойства катодных лучей, обнаружил, что те места стекляной трубки, на которые попадает поток электронов, испускает какое-то новое, действующее на фотографическую пластинку излучение, легко проходящее сквозь стекло, дерево и т. д., но сильно задерживаемое большинством металлов.

Исследование рентгеновских лучей показало, что они являются аналогичными видимому свету электромагнитными колебаниями, но характеризуются гораздо меньшими длинами волн (приблизительно 0,5-200 пм). В электромагнитном спектре рентгеновские лучи располагаются между ультрафиолетовыми и g-лучами радия, частично налагаясь на последние.

Соответствующее отдельным областям электромагнитного спектра излучение различно поглащается земной атмосферой. Весьма важно существование “окна” для сантиметровых и метровых радиоволн. Оно прежде всего позводяет принимать отражение посылаемых с Земли радиоволн от различных небесных тел. Таким путём может быть, например, с недоступной ранее точностью определено расстояние до Луны (в среднем 384 тыс. км). Вместе с тем перед радиоастрономией открывается возможность регистрации собственного радиоизлучения, идущего из различных частей Вселенной.

Благодаря большой проникающей способности рентгеновские лучи широко применяются в медицине, так как позволяют путём просвечивания и фотографирования обнаружить внутри живого организма различные дефекты (переломы костей, опухоли и т. п. Очень “жёсткие” (т. е. характеризующиеся очень малой длиной волны) рентгеновские лучи применяются также для контрольного просвечивания металлического литья с целью обнаружения в нём внутренних пустот (“раковин”).

Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов об атомы элементов, входящих в состав стекла. Если применять грубое сравнение, то это можно сопоставить с падением камня в спокойную жидкость — при таком ударе на её поверхности возникают волны. Характер последних будет при данной массе камня, его скорости, размерах и т. д. зависеть также и от свойств самой жидкости и изменится с заменой, например, воды на масло. Аналогично этому при данной скорости электрона характер рентгеновских лучей — их длина волны — будет меняться в зависимости от того, в атом какого элемента ударяется летящий электрон.

Рис. 1. Рентгеновская трубка.

Так как в состав стекла входят различные элементы, получаемое излучение содержит лучи различных длмн волн, что создаёт неудобства при пользовании им. Для избежания этого в рентгеновской трубке (рис. 1) против катода (К) устанавливается анод (А), сделанный из какого-дибо простого вещества. Попадая на его однородную поверхность, поток электронов вызывает образование рентгеновских лучей, характеризующихся некоторой определённой длиной волны.

В 1912 г. Мозли поставил перед собой задачу изучить длины волн рентгеновских лучей, получаемых от анодов, сделанных из различных химических элементов. Оказалось, что длины волн изменяются довольно закономерно, как это видно из рис. 2. При обработке результатов измерений обнаружилось, что корень квадратный из обратных значений длин волн является линейной функцией атомного номера, т. е. порядкового номера элемента в периодической системе (рис 3).

Рис. 2. Зависимость длин волн рентгеновского Рис. 3. Зависимость квадратного

излучения различных элементов от их корня из обратного значения

порядкового номера. длины волны излучения от порядкового номера элемента.

Наиболее надёжные результаты получаются при использовании жёстких рентгеновских лучей. Приметительно к ним уравнение Мозли имеет вид:

(1/l)^1/2 = a(Z - 1)

где l - длина волны, Z - порядковый номер элемента в периодической системе и a - константа. Неизменность этой константы при переходе от одних элементов к другим и доказывает правильность найденного соотношения.

Теоретически следовало ожидать, что длина волны должна быть тем меньше (т. е. обратное её значение тем больше), чем больше заряд атомного ядра соответствующего элемента. Результаты опытов Резерфорда показали, что заряд ядра (Z в е-единицах) равняется приблизительно половине атомного веса. Но порядковый номер, по крайней мере для не очень тяжёлых атомов, приблизительно и равняется половине атомного веса. Всё это, вместе взятое, с очевидностью указывало на то, что положительный заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

Таким образом, каждое ядро имеет следующие основные характеристики: заряд (Z) и массу (А). В настоящее время общепринято, что структурными составляющими всех атомных ядер (“нуклонами”) являются две более простые частицы с почти одинаковой атомной массой, близкой к 1 а.е.м. Одна из них протон (р) — несёт единицу положительного заряда, а другая — нейтрон (n) — электрически нейтральна. Структуру любого атомного ядра можно выразить простой формулой Zp + (A - Z)n, где А — округлённая до ближайшего целого числа масса атома в единицах атомных масс. Например, ядро атома фтора (Z = 9, A = 19) состоит из 9 протонов и 10 нейтронов.

У большинства химических элементов ядра отдельных атомов при постоянном числе протонов (Z) могут несколько различаться числом нейтронов (A - Z). Например, ядра атомов углерода всегда содержат 6 протонов, но нейтронов могут содержать либо 6, либо 7. Поэтому в природе существуют атомы углерода с массовым числом 12 (сокращённо ¹²С), и с массовым числом 13 (¹³С). Такие атомы одного и того же элемента, характеризующиеся различными массовыми числами (т. е. суммарным числом нуклонов), носят название изотопов данного элемента. Обычный углерод, имеющий атомный вес 12,011, представляет собой смесь ¹²С (около 98,9 %) и ¹³С (около 1,1 %). Химические свойства изотопов практически тождественны, состав их природной смеси при реакциях обычно не изменяется.

Атом в целом электронейтрален, т. к. число электронов, входящих в структуру электронной оболочки, равно заряду ядра, т. е. порядковому (атомному) номеру соответствующего химического элемента. Установление этого числа (Z) позволило перейти к построению атомных моделей.

В общих чертах вопрос был решён Бором (1913 г.). Для химии наиболее интересны модели, разработанные в 1916 г. Косселем. Хотя при их построении принимался во внимание ряд различных свойств атомов, здесь можно ограничиться рассмотрением химической стороны рассуждений.

При переходе от лёгких ко всё более тяжёлым атомам заряды их ядер последовательно возрастают. С другой стороны, химические свойства элементов при том же переходе меняются периодически. Отсюда следует, что химические свойства определяются не столько общим числом электронов в атоме, сколько их относительным расположением.

Но если это так, то и обратно исходя из химических свойств можно получить указание на расположение электронов. В частности, следует ожидать некоторую периодичность его изменения при последовательном возрастании зарядов ядер.

Интересно было, что при определённых условиях молекула, например, поваренной соли способна распадаться на натрий и хлор таким образом, что первый оказывается заряженным положительно, а второй отрицательно. Исследование этих частиц показывает, что заряд каждой из них численно равен заряду электрона. Происхождение обоих зарядов естественнее всего объяснить переходом одного электрона с атоманатрия на атом хлора. Но в поваренной соли и натрий и хлор одновалентны — из этого следует, что одна единица валентности отвечает одному переданному электрону. Тогда в случае, например, двухвалентного кальция можно ожидать перехода двух электронов. Действительно, опыт показавает, что получающаяся в тех же условиях частица кальция имеет два положительных заряда. Точно так же и в других случаях валентность элементов совпадает с числом передаваемых электронов. Такими легче всего передаваемыми — валентными — могут быть только электроны, наиболее удалённые от положительно заряженного атома.

Наконец, большую роль играли соображения, связанные со свойствами инертных газов: то лбстоятельство, что элементы этой группы не вступали в химические реакции, указывало на особую устойчивость электронных структур их атомов.