Избранные научные труды
Шрифт:
Этот результат показывает, что между водородным спектром и моделью атома водорода существует в целом настолько тесная связь, что об этом можно было лишь мечтать, учитывая отличие квантовых постулатов от классических механических и электродинамических законов. Этот результат служит одновременно указанием на то, каким образом квантовую теорию можно рассматривать как естественное обобщение фундаментальных концепций классической электродинамической теории, несмотря на указанное резкое различие. К этому важнейшему вопросу мы вернёмся ниже. Сначала же изложим, каким образом объяснение спектра водорода на основании этих постулатов оказалось пригодным для выяснения различными способами сходства в свойствах элементов.
Сходство свойств элементов
Изложенные выше соображения можно непосредственно применить к процессу, в результате которого электрон
=N^2K
1
(n'')^2
–
1
(n')^2
.
Если в этой формуле положить N = 2, мы получим спектр, содержащий ряд линий в видимой области, которые наблюдались ещё много лет тому назад в спектрах некоторых звёзд. Ридберг приписал эти линии водороду на основании очень близкой аналогии с серией линий, описываемой формулой Бальмера. Получить эти линии в чистом водороде никогда не удавалось; однако незадолго до появления теории спектра водорода Фаулеру удалось обнаружить эти линии при пропускании сильного разряда через смесь водорода с гелием. Впрочем, этот исследователь также принял эти линии за водородные, так как в то время ещё не знали о возможности существования различных веществ с весьма схожими свойствами. После того как была сформулирована данная теория, стало ясно, что указанные линии должны принадлежать спектру гелия, но не обычного нейтрального гелия, а ионизированного, имеющего в атоме только один электрон, вращающийся вокруг ядра с двойным зарядом. Отсюда выяснилась новая черта сходства между свойствами элементов, полностью соответствующая нашим современным представлениям о строении атома, согласно которым физические и химические свойства элементов зависят в первую очередь только от электрического заряда атомного ядра.
Вскоре после решения этого вопроса было обнаружено наличие подобного общего сходства между свойствами элементов. Это было выяснено в известных исследованиях Мозли по характеристическим рентгеновским спектрам элементов. Возможность проведения таких исследований была обусловлена открытием Лауэ интерференции рентгеновских лучей в кристаллах и последовавшими за ним исследованиями У. Г. и У. Л. Брэггов. В действительности оказалось, что рентгеновские спектры различных элементов обладают намного более простой структурой и большим сходством, нежели оптические спектры этих элементов. В частности, было обнаружено, что спектры изменяются от элемента к элементу таким образом, который вполне соответствует написанной выше формуле для спектра излучения, испускаемого при связывании электрона ядром, если в этой формуле величину N приравнять атомному номеру соответствующего элемента. С помощью этой формулы удалось с достаточно высокой степенью точности, что имеет существенное значение, получить частоты колебаний для самых интенсивных рентгеновских линий, если в качестве n' и n'' подставлять небольшие целые числа.
Это открытие имело огромное значение во многих отношениях. Прежде всего взаимосвязь рентгеновских спектров различных элементов оказалась столь простой, что стало возможным однозначно определить атомные веса для всех известных элементов и тем самым предсказать значения атомных номеров для всех тех ещё неизвестных элементов, для которых имеется место в периодической таблице. Рис. 3 демонстрирует, как квадратный корень из частоты для двух характеристических рентгеновских линий зависит от атомного номера. Эти линии принадлежат к группе так называемых K-линий, обладающих наибольшей проникающей способностью среди всех характеристических лучей. С весьма хорошей точностью точки располагаются вдоль прямых линий. Сам факт существования такой закономерности обусловлен тем, что кроме атомных номеров, соответствующих уже известным элементам, оставлены свободные места между молибденом (42) и рутением (44), так же как и в первоначальном варианте естественной системы элементов Менделеева.
Рис. 3
Далее,
Взаимосвязь других свойств элементов часто выражается значительно сложнее, поскольку в этих случаях всё обусловлено процессами, связанными с движением электронов во внешних частях атома, где силы взаимодействия электронов по порядку величины такие же, как и притяжение ядра, а, следовательно, это взаимодействие играет важную роль. Характерным примером этого могут служить пространственные размеры атомов элементов. Ещё Лотар Мейер обратил внимание на характерное периодическое изменение с атомным весом плотности или так называемого атомного объёма в периодической системе элементов. Представление об этом изменении можно составить по рис. 4, на котором изображено изменение атомного объёма в зависимости от атомного номера. Трудно себе вообразить большую противоположность, чем та, которая обнаруживается при сравнении этого рисунка с предыдущим. Если рентгеновские спектры меняются с атомным номером весьма монотонно, то атомные объёмы обнаруживают резко выраженную периодичность изменения, точно соответствующую изменению химических свойств элементов, проявляющемуся в периодической системе.
Рис. 4
Совершенно то же происходит и в обычных оптических спектрах элементов. Но, несмотря на большое различие этих спектров, уже много лет назад Ридбергу удалось обнаружить определённое общее сходство между спектром водорода и спектрами других элементов. Хотя спектральные линии элементов с высокими атомными номерами являются комбинациями значительно более сложной совокупности спектральных термов, не связанной столь просто с рядом целых чисел, тем не менее термы можно сгруппировать в серии, каждая из которых обнаруживает разительное сходство с серией термов водородного спектра. Это сходство проявляется в том, что эмпирическое выражение для термов каждой линии может быть с большой точностью записано в форме K/(n+k)^2, где K — та же самая постоянная, что и в формуле для спектра водорода (её часто называют постоянной Ридберга), n — номер терма, а — постоянная, различная для разных серий.
Это сходство со спектром водорода приводит нас непосредственно к интерпретации указанных спектров, как соответствующих последней стадии процесса образования нейтрального атома при последовательном присоединении и связывании электронов атомным ядром. В самом деле, ясно, что электрон, связанный последним, находится в таком положении во время процесса связывания его с ядром, когда его орбита велика по сравнению с орбитами ранее связанных электронов, а потому подвергается со стороны последних и ядра действию сил, которые мало отличаются от сил, действующих на электрон в атоме водорода при движении на орбите соответствующих размеров.
Рассмотренные до сих пор спектры, для которых выполняется закон Ридберга, возбуждаются с помощью электрического разряда при обычных условиях и часто называются дуговыми спектрами. Элементы испускают также и спектры другого вида, так называемые искровые спектры, когда через них пропускают особенно сильные разряды. До сих пор не удалось обнаружить для искровых спектров таких же закономерностей, как для дуговых спектров. Однако вскоре после опубликования указанной интерпретации спектра водорода Фаулер (1914 г.) нашёл, что для искровых спектров можно установить эмпирические формулы, совершенно аналогичные закону Ридберга, с той только разницей, что достоянную K пришлось заменить вчетверо большей постоянной. Как мы уже видели, постоянная, которая появляется в спектрах излучения, испускаемого при связывании электрона с ядром гелия, равняется 4K. Отсюда ясно, что искровые спектры испускаются ионизованными атомами, причём они соответствуют предпоследней стадии образования нейтрального атома при последовательном присоединении и связывании электронов.