Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 95
Текст из файла (страница 95)
и т. д.). Обращает на себя внимание тот факт, что н о м е р группы системы Менделеева, в которую входит элемент, р а в е н ч и с л у э л е к т р о н о в иа последней и з занятых оболочек атома "*). Так, в первую группу входят водород (одии электрон на К-оболочке), литий (одии электрон на 7.-оболочке), натрий (один электрон на третьей оболочке) и т. д. Все эти элементы обладают сходными химическими свойствами. Во вторую группу входят бериллий (два электрона на Е-оболочке), магний (два электрона иа третьей оболочке) и т, д. Элементы второй группы также весьма сходны в химическом отношении. Аналогичное положение имеет место и для остальных групп.
Отсюда следует, что химические свойства атомов определяются электронами, расположенными на последней, не полностью занятой оболочке. Эти электроны носят название валентноыс Число валентных электронов определяет в ал е н т н о с т ь элемента. Так, все щелочные металлы (г.1, Ыа, К, КЬ, Сз), имеющие п о о д н о м у валентному электрону, о д н о в а л е н т н ы; все щелочно-земельные эле- ') Напомним, что полное число электровоз в электронных оболочках атома равно заряду атомного ядра (в элементарных единицах), Г)оследний в свою очередь равен порядковому номеру элемента в периодической системе.
*) За исключением атомов с целиком заполненной последней оболочкой, т. е. атомов, у которых заполнены электронами все имеющиеся на оболочка места. Зги атомы входят в нулевую группу (см. ниже), 494 6 С о $ .И 'Ю в М х ~ Ю :-3 ( ф ~ о ~ о О Х а 'Р и а ~ х щ $ о ~ О. о [ СР л о а ~~~апааи менты (Мц, Са, Яг, Ва) двухвалентны и имеют по д в а валентных электрона и т. д. Атомы с целиком заполненными оболочками не имеют валентных электронов и химически неактивны. Они образуют инертные газы — гелий, неон, аргон и другие и составляют нулевую группу, ибо их валентность равна нулю. С возрастанием числа электронов в атоме свойства элемента изменяются от металлов к неметаллам. Когда очередная оболочка ц е л и к о м заполняется электронами, получаем инертный газ.
При дальнейшем увеличения количества электронов начинает строиться новая атомная оболочка — открывается следующий период периодической системы, в котором снова имеет место переход от металлов к неметаллам, Начиная с 4-го периода системы Менделеева наблюдаются отступления от указанного порядка заполнения оболочек, На некоторых участках периодической системы новая оболочка начинает заполняться еше до того, как завершилось построение предыдущей оболочки. На других участках с увеличением числа электронов в атоме число электронов на п о с л е д н е й оболочке остается неизменным и достраиваются предыдущие оболочии. В этом случае образуется группа соседних элементов с одинаковым числом в а л е н т н ы х электронов, т. е.
со сходными химическими свойствами, Примером такой группы являются так называемые редкие земли. Мы нашли, таким образом, причину периодичности химических свойств элементов. Периодичность вызвана тем, что химические свойства в главных чертах определяются числом внешних (валентных) элементов в атоме, а число внешних электронов периодически повторяется по мере заполнения оболочек К, Е и т. д. Почему же на химических свойствах атома сказывается ие вся совокупность атомных электронов, а только внешние электроны? Лело в том, что энергия, выделяемая или по. глощаемая при химических реакциях, не превышает нескольких электронвольт на атом (см. упражнение 3 в конце главы). Этой энергии достаточно, чтобы изменить расположение внешних электронов атома, Но она слишком мала, чтобы изменить орбиты внутренних электронов, для которых энергия переходов значительно больше (см.
й 207). Поэтому при объединении атомов в молекулы расположение внутренних электронов объединяющихся атомов сохраняется. Это доказывается тем, что спектр рентгеновского излучения химических соединений (возбужденного, например, электронной бомбардировкой) представляет собой наложение спектров излучений чистых элементов, входящих в это соединение. 49б В отличие от рентгеновского оптический спектр обус-. ловлен, как мы видели, поведением внешних электронов, т. е. тех же электронов, которые определяют и химические свойства атома. Этим объясняется, что химически сходные элементы характеризуются сходными оптическими спектрами. При образовании молекулы из атомов происходит перегруппировка «химических»(валентных) электронов, которые в то же время являются и «оптическими».
Следовательно, образование молекулы сопровождается изменением и оптических свойств атомов. Поэтому-то оптический спектр молекулы обычно резко отличается от спектров атомов, составляющих молекулу. Остановимся в заключение на устойчивости (прочности) атомов, о которой шла речь в начале этой главы. Эта устойчивость связана с устойчивостью атомных ядер. Поверхностные изменения свойств атома (например, его ионизация, образование сложных молекул из атомов) ограничиваются перегруппировкой внешних электронов и не затрагивают атомного ядра.
Поэтому после таких изменений атом сравнительно легко может быть вновь восстановлен (нейтрализация иона, распад молекулы и т. д.). Но для радикального преобразования свойств атома, при котором атом изменяет свою природу и восстановление его представляет новый, сложный процесс, должно произойти изменение заряда ядра и связанное с этим изменение нормального числа электронов в атоме. Изменить заряд ядра, вообще говоря, можно. Однако ввиду малости и прочности ядер задача эта требует особых, исключительно мощных средств, с которыми мы познакомимся в гл. ХХ1Ч.
$ 209. Квантовые и волновые свойства фотонов. Как отмечалось в Э 184, законы фотоэффекта были объяснены в 1905 г, А. Эйнштейном с помощью представления о световых квантах (фотонах). Согласно этим представлениям энергия электромагнитного поля не может делиться на произвольные части, а излучается и поглощается всегда определенными порциями, равными йт. Здесь т — частота колебаний для излучения, а й — постоянная Планка. Именно эти порции энергии электромагнитного поля и гюлучили название световых квантов или фотонов.
Квантовый характер электромагнитного излучения обычно проявляется в таких опытах, когда энергия каждого фотона достаточно велика, а число фотонов не слишком большое. Но во многих оптических экспериментах, в которых отчетливо наблюдаются волновые свойства света, мы 497 встречаемся с противоположной ситуацией, когда энергии фотонов малы, а их число очень велико (см. пример в 9 184). Именно поэтому квантовая природа света долго ускользала от внимания исследователей.
Как уже говорилось ранее, в опытах по фотоэффекту на проводниках было обнаружено, что максимальная кинетическая энергия электронов, вылетающих под действием света (так называемых фотоэлектронов), связана с работой выхода А и частотой облучающих проводник электромагнитных волн соотношением та~ йт= А + —. 2 (209.!) Это соотношение в 1916 г. было подтверждено американским физиком Р. Милликеном. Тонкие и тщательные измерения Милликена, выполненные по схеме опытов, описанных в 2 !83, позволили установить линейную зависимость между максимальной энергией, получаемой электроном от света, и частотой этого света, определить универсальный характер постоянной Планка й и измерить эту величину (й= =-6,6 10 "Дж с). В дальнейших опытах частота падающего на поверхность металла излучения изменялась в широких пределах — от видимого света до рентгеновского и во всем исследованном интервале частот результаты измерений оказались в превосходном согласии с теорией.
В экспериментах с рентгеновским излучением представления о квантах были подвергнуты особенно тщательной и разносторонней проверке. Действительно, кванты видимого света (фотоны) обладают очень малой энергией — так, для желтого света тамб 10" с ' и Ьтж3,3! 10 "Дж. Поэтому для регистрации такого света в большинстве опытов приходится иметь дело с большим числом фотонов в единицу времени. В соответствии с этим, действие, производимое летящими по всем направлениям световыми квантами, распределенными случайным образом, трудно отличить от действия волны, равномерно распространяющейся во все стороны. Чем больше энергия квантов, тем легче наблюдать действие отдельного кванта и легче, следовательно, осуществить опыт по наблюдению распространения энергии излучения не во все стороны равномерно, а вспышками то по одному, то по другому направлению. Энергия фотонов в рентгеновской области спектра значительно превышает энергию фотонов видимого света.
Кроме того, в опытах с рентгеновским излучением легче осуществить условия для испускания небольшого числа квантов в единицу времени. 49в Для получения рентгеновского излучения нужно бомбардировать электронами анод рентгеновской трубки (см. Я 151, 153). Всякая остановка (торможение) электронов в веществе анода сопровождается испусканием рентгеновского излучения. Теория световых квантов предсказывает, что в самом благоприятном случае вся кинетическая энергия электрона после его остановки перейдет полностью в один-единственный фотон, энергия которого йт определяется из условия ))т„„„=йн,„, Если электрон разгонялся разностью потенциалов у, то )а'„„е=в(.г. Итак, максимальная частота рентгеновского излучения задается соотношением йс,„= еУ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
