Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Поэтому в XIX столетии совершенно укрепилось и распространилось представление о том, что все тела в мире состоят из этих нескольких десятков сортов атомов которые являются совершенно независимыми друг от дру­га основными элементами мироздания. Атомы вечны и неразрушимы и не могут превращаться друг в друга.

И все же, несмотря на все это, среди физиков и хи­миков продолжало жить смутное убеждение в том что между атомами различных химических элементов имеют­ся какие-то связи, что эти атомы образуют какую-то ес­тественную систему.

В 1786 году немец Н. Г. Марне напечатал книгу, озаглавленную «О числе элементов». В этой книге мистической и странной, он выражает свое глубокое убеждение в том, что «от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений» и что атомы химических элементов тоже являются ступенями этой лестницы.

Эта идея Марне не могла привести ни к каким по­следствиям, пока химические элементы не были в доста­точной мере выделены и изучены. Но после того, как Каннипцаро опубликовал (в 1858 году) свою таблицу атомных масс, стремление к естественной классификации химических элементов должно было принести свои плоды.

В 1863 году англичанин Дж. А. Ньюлендс, воспользовав­шись атомными массами Канниццаро, нашел, что если расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс, то такой список элементов естественно разлагается на октавы, т. е. на строчки по семь элементов в каж­дой, где каждый элемент обладает большим сходством с одинаковым по номеру элементом предыдущей и после­дующей октав. Приведем первые три октавы Ньюлендса:

Н, Li, Be, В, С, N, О;

F, Na, Mg, Al, Si, P, S;

С1, К, Са, Сг, Ti, Mn, Fe.

Аналогия проявляется в том, что все элементы, стоящие на втором месте в своей октаве (литий, натрий, калий), являются так называемыми щелочными металлами, обра­зующими соединения по одному и тому же типу, напри­мер дающими соли LiCI, NaCl, KC1; элементы, стоящие на третьем месте в октаве (бериллий, магний, кальций), являются так называемыми щелочноземельными металла­ми, дающими тоже похожие друг на друга, но уже иного типа соединения, например соли BeCl,MgCl, CaCl. Фтор весьма похож по своей химической природе на стоя­щий под ним хлор, азот обнаруживает некоторые анало­гии с фосфором, кислород — с серой и т. д. Заметим, впро­чем, что все получается так хорошо и убедительно лишь в первых октавах Ньюлендса: в дальнейших октавах было гораздо больше путаницы, и в некоторых случаях для ее устранения Ньюлендс позволил себе отступить от приня­того им плана и располагать элементы не совсем в поряд­ке возрастания атомной массы.

Через несколько лет после этой попытки Ньюлендса она была повторена двумя другими учеными, работав­шими над вопросом естественной классификации элемен­тов совершенно независимо друг or друга. Одним из них был Юлиус Мейер, другим—Дмитрий Ивано­вич Менделеев, профессор университета в Санкт-Петербурге. И Мейер, и Менделеев сообразили, что могут существовать и элементы, еще не открытые химиками, а поэтому, если этого требует классификация, можно оставлять в таблице пропуски, соответствующие еще не открытым элементам.

Кроме того, они сочли схему Ньюлендса с ее одинаковыми строчками чрезмерно узкой и допустили, что строчки (пе­риоды) могут становиться длиннее к концу таблицы.

Уже в четвертой строке таблицы классифика­ция потребовала оставления пустых мест. На этих пустых местах должны находиться какие-то еще не открытые эле­менты. Три таких элемента Менделеев заочно точно описал и позже они были открыты.

Также нет ничего невозможного в существовании в природе элементов с атомной массой, большей урана. В наши дни такие «трансурановые» элементы были получены искусственно.

Вполне можно утверждать, что предела таблицы не существует и получение или нахождение других трансурановых элементов – это дело будущего.

Таково, в общих чертах, учение об атомах химических элементов, созданное Дальтоном и определившее все даль­нейшее развитие химии в XIX столетии.

, с помощью которого в итоге был рас­шифрован периодический закон. Испускание а-частицы приводит к смещению радиоэлемента на два места влево в периодической си­стеме (в направлении уменьшения массы). Но прохождение радио­активных рядов через периодическую систему не прямолинейное, а зигзагообразное, так что превращающийся радиоэлемент часто возвращается назад—на то же место, которое занимал ранее в периодической системе его материнский продукт. Когда это происходит, то оказывается, что материнский радиоэлемент и его последующий продукт распада — изотоп (занимающий то же с, мое место в периодической системе) имеют одинаковые химические свойства, несмотря на различие в их атомных массах.

Интерпретация периодического закона

В 1911 г. был сформулирован закон ра­диоактивных смещений (периодический закон), который в его законченной формули­ровке оказался чрезвычайно простым и не допускающим никаких исключений. Он стал подлинным фундаментом. Согласно этому закону, испускание -частицы ведет к смещению радиоэлемента на одно место вправо в перио­дической системе, а испускание а-частицы — к смещению радиоэле­мента на два места в обратном направлении. Поскольку многие а-распады сопровождаются двумя последующими (-распадами, то в таких случаях третий продукт распада всегда возвращается — на фоне периодической системы — на место исходного а-излучателя, являясь химически тождественным с ним, несмотря на разницу в четыре единицы в их атомных массах. В 1913 г. они были названы изотопами или изотопными элементами; этот термин означает, что они занимают одно и то же место в периодической системе. Изотопы двух разных элементов могут иметь одинаковую атом­ную массу, и тогда их называют изобарами. Реже изотопы одного и того же элемента могут иметь одинаковую атомную массу, но разную стабильность, т. е. один из них радиоактивен, а другой— нет.

Поскольку а-частица обладает зарядом в две положительные единицы, а заряд -частицы равен единице со знаком минус, то сразу стало очевидным, что периодический закон отражает связь между химическими свойствами н внутриатомным зарядом, но не массой. В настоящее время периодический закон является in cxtcnto (повсюду) выражением, во-первых, атомной (дискрет­ной) природы электричества и, во-вторых, нового вида атомисти­ки.

Aтом Резерфорда-Бора

Модели atоma до бора

Но вернемся к последовательному изложению развития представлений о строении атома.

Развитие исследований радиоактив­ного излучения, с одной стороны, и квантовой теории — с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда — Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки по­строить модель атома на основе пред­ставлений классической электродина­мики и механики. В 1904 г. появились публикации о строении атома, при­надлежащие одна японскому физику Хантаро Нагаока, другая— английскому физику Д. Томсону.

Нагаока исходил из исследований Максвелла об устойчивости колец Са­турна и представил строение атома ана­логичным строению солнечной систе­мы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным коль­цеобразным орбитам движутся «плане­ты»—электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны, периоды которых, по расчетам Нагаоки, того же порядка, что и частоты спектральных линий некоторых элементов.

В атоме Томсона положительное электричество «размазано» по сфере, в которую вкраплены, как изюм в пудинг, электроны. В простейшем атоме водо­рода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. При смещении из центра на электрон действует квазиупругая сила электро­статического притяжения, под действи­ем которой электрон совершает колеба­ния. Частота этих колебаний опреде­ляется радиусом сферы, зарядом и мас­сой электрона, и если радиус сферы имеет порядок радиуса атома, частота этих колебаний совпадает с частотой колебания спектральной линии атома. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял пытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева. Эту попытку Бор позднее назвал «знаменитой» и указал, что со времени этой попытки «идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом и более новых воззрений». Отметив, что теория Томсона оказалась несовместимой с опытными фактами, Бор тем не менее считал, что эта теория «содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие атомной теории».

В 1905 г. В. Вин выступал с докладом об электронах на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Мюнхене. Здесь он, в частности, указывал на трудность объяснения линейчатых спектров атомов с точки зрения электронной теории. Он говорил: «Проще всего было бы понимать каждый атом как планетную систему, которая состоит из положительно заряженного центра, вокруг которого обращаются электроны как планеты. Но такая система не может быть устойчивой вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое или обладают ничтожными скоростями, хотя такое представление содержит много сомнительного».

Такой статической моделью был атом Кельвина — Томсона. И эта модель была общепринятой по причинам, указанным Вином.

В конце концов оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели, факты эти были открыты Резерфордом.

24 мая 1907 г. в Манчестере Резерфорд развернул огромную, привлекая молодых ученых из разных стран мира. Одним из его деятельных сотрудников был немецкий физик Ганс Гейгер, создатель первого счетчика элементарных частиц — счетчика Гейгера. В Манчестере с Резерфордом работали Э. Марсден, К. Фаянс, Г. Мозли, Г. Хевеши и другие физики и химики.

В Манчестер в 1912 г. приехал Нильс Бор.

В этой атмосфере коллективного научного творчества родились крупные научные достижения Резерфорда, из которых в первую очередь следует отметить разгадку природы а-час­тиц и открытие ядерного строение атома.

Сюда же следует присоединить знаменитые статьи Бора по квантовой теории планетарного атома. В Манчестере было положено начало квантовой и ядерной физике.

Открытие атомного ядра

Уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX в. Но эту модель было трудно со­вместить с законами электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако в 1904 г. на­чались исследования, приведшие к ут­верждению планетарной модели.

Одна из тем, выдвинутая Резерфордом в Манчестере,—рассеяние а-частиц. Она была поручена Гейгеру и Марсдену.

Метод, применявшийся для исследования, заключался в следующем: а-частицы, испускаемые источ­ником, диафрагмировались щелью попадали на экран из сернистого цинка. на котором получалось изображение щели в виде узкой полоски. Затем между щелью и экраном помещали тон­кую металлическую пластинку, изобра­жение щели размывалось, что указывало на рассеяние а-частиц веществом пластинки. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы.

Но наиболее поразительным ока­зался факт, открытый Гейгером и Марсденом в 1909 г., — существование боль­ших углов рассеяния. Некоторая, очень небольшая часть а-частиц (примерно 1/8000) рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываясь, таким образом обратно к источнику. Тонкая пластине отбрасывала частицы, летящие с боль­шой скоростью. Как раз в том же, 1909 году Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что а-частицы являются дважды ионизированными атомами ге­лия. Для таких тяжелых быстро движу­щихся частиц рассеивание на углы большие прямого, казалось весьма не­вероятным. Резерфорд говорил, что это так же невероятно, как если бы пуля отскакивала от листа папиросной бумаги.

Одно из возможных объяснений аномального рассеяния состояло в том что оно складывается из многих неболь­ших углов отклонений, вызванные атомами рассеивающего вещества.

Исходя из модели Томсона, Резер­форд подсчитал, что это не может да­вать больших отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к плане­тарной модели.

Когда а-частица проходит мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной заряду ядра и заряду а-частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, она движется по гиперболе, удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь, таким обра­зом, искривляется, и она отклоняется на угол рассеяния ф.

1 марта 1911 г. Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад «Рассеяние а- и -лучей и строение атома». В докладе он говорил: «Рассеяние заряжен­ных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, кото­рый состоит из центрального электри­ческого заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сфе­рическим распределением противо­положного электричества равной ве­личины. При таком устройстве атома а- и -частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала».

Резерфорд рассчитал вероятность такого отклонения и показал, что она пропорциональна числу атомов п в еди­нице рассеивающего материала, тол­щине рассеивающей пластинки и вели­чине b², выражаемой следующей фор­мулой:

где Ne— заряд в центре атома, Е—за­ряд отклоняемой частицы, т—ее масса, и—ее скорость. Кроме того, эта вероят­ность зависит от угла рассеяния ф, так что число рассеянных частиц на едини­цу площади пропорционально cosec⁴ (Ф/2).

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атом­ного центра, который Резерфорд поло­жил равным ± Ne. Заряд оказался про­порциональным атомному весу.

В 1913 г. Гейгер и Марсден предпри­няли новую экспериментальную про­верку формулы Резерфорда, подсчитывая рассеяние частиц по производимым ими сцинтилляционным вспышкам. Из этих исследований и возникло представле­ние о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

В 1913 г. Ван ден Брук показал, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. В том же1913 г. Ф. Содди и К. Фаянс пришли закону смещения Содди—Фаянса, ее гласно которому при а-распаде радио­активный продукт смещается в менделеевской таблице на два номера выше а при -распаде—на номер ниже. К этому же времени Содди пришел представлению об изотопах как разновидностях одного и того же элемент ядра атомов которых имеют одинаковый заряд, но разные массы.

В богатом событиям 1913 г. были опубликованы три знаменитые статьи Бора «О строении атомов и молекул», открывшие путь к атомной квантовой механике.

Характеристики

Список файлов реферата