Избранные научные труды
Шрифт:
Прежде чем закончить доклад, я хотел бы остановиться ещё на одном вопросе, в котором исследования рентгеновских лучей играли большую роль для проверки теории. Я имею в виду свойства остававшегося до тех пор неизвестным элемента с атомным номером 72. По этому вопросу мнения в отношении выводов о сходстве этого элемента с другими в периодической системе разделились. Во многих вариантах периодической системы ему отводилось место в семействе редкоземельных элементов. Но уже в описании периодической системы, данном Юлиусом Томсеном, этому гипотетическому элементу, так же, как и у нас на рис. 1, отведено место в одном гомологическом ряду с титаном и цирконием. Такое сходство следует рассматривать как необходимое следствие развитой выше теории строения атома. Оно выражается в таблице тем, что электронные конфигурации у титана и циркония обладают той же степенью сходства и отличия, как соответственно электронные конфигурации для циркония и элемента с атомным номером 72. К такому же заключению приходит Бери на основании указанных выше соображений о взаимосвязи подразделения электронов на группы в
Однако недавно появилось сообщение Довийе о наблюдении нескольких слабых линий в рентгеновском спектре одного препарата, содержавшего редкие земли. Эти линии были приписаны элементу с атомным номером 72, который отождествлялся с одним из элементов семейства редких земель. Существование его в данном препарате уже несколько лет тому назад предполагалось Урбаном. Однако это заключение, если его удалось бы подтвердить, привело бы к исключительно большим, если вообще не непреодолимым, трудностям с точки зрения теории, поскольку оно означало бы изменение в силе связи электронов по мере роста атомного номера, что кажется несовместимым с условиями в квантовой теории. В связи с этим совсем недавно Костёр и Хевеши, работавшие в то время в Копенгагене, предприняли вновь исследование этой проблемы, проверив приготовление минералов, содержащих цирконий с помощью рентгеновской спектроскопии. Этим исследователям удалось установить в исследуемых минералах значительное количество элемента с атомным номером 72, химические свойства которого весьма напоминают свойства циркония и существенно отличаются от свойств редкоземельных элементов 1.
1 О результатах последних работ Костера и Хевеши по новому элементу, который они предложили назвать гафнием, читатель может узнать из их писем в «Nature» от 20 января, 10 и 24 февраля и 7 апреля, 1923 г.
Я надеюсь, что в этом сообщении мне удалось дать обзор наиболее важных результатов, полученных за последние годы в области теории атома. Мне хотелось бы в заключение сделать некоторые замечания общего характера относительно точки зрения, с которой можно оценивать эти результаты, в частности, относительно того, насколько можно говорить об этих результатах как об объяснении в обычном смысле этого слова. Под теоретическим объяснением явлений природы мы вообще понимаем классификацию наблюдений в некоторой области с помощью аналогий, заимствованных из других областей, где, как считается, мы имеем дело с более простыми явлениями. Самое большее, чего можно требовать от теории, заключается в столь детальной разработке этой классификации, чтобы с её помощью можно было расширять область наблюдений путём предсказания новых явлений.
Однако, обращаясь к теории атома, мы видим, что находимся в странном положении. С одной стороны, об объяснении в указанном смысле не может быть и речи, так как приходится иметь дело с явлениями, по самой природе вещей более простыми, чем явления в любой другой области наблюдения, где они всегда обусловлены взаимодействием большого числа атомов. Мы вынуждены поэтому быть скромнее в наших требованиях и должны удовлетворяться представлениями, являющимися формальными в том смысле, что они не обладают той наглядностью, которую мы привыкли требовать от понятий, с которыми оперируют естественнонаучные теории. В частности, имея это в виду, я пытался дать вам представление о другой стороне теории — о том, что её результаты, по крайней мере до некоторой степени, соответствуют ожиданиям, которые можно иметь по отношению ко всякой теории; я стремился показать, каким образом развитие теории атома привело к классификации обширных областей наблюдения и указало путь пополнения этой классификации предсказанием новых фактов. Однако едва ли нужно подчёркивать, что теория в значительной степени находится ещё в начальной стадии своего развития и что существует ещё много фундаментальных вопросов, ожидающих своего решения.
23 РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ *
(Совместно с Д. Костером)
*Rontgenspentren und periodisches System der Elemente. (Mit D. Coster). Zs. f. Phys., 1923, 12, 342-374.
В работе, опубликованной в этом журнале, 1 один из авторов развил в основных чертах теорию строения атома, на основе которой представляется возможным дать интерпретацию оптических и рентгеновских спектров, тесно связанную с пониманием периодической системы элементов. После появления этой работы экспериментальный рентгеноспектроскопический материал, пригодный для проверки теоретических представлений, значительно расширился благодаря исследованиям второго из нас. В опубликованной недавно работе 2 обсуждалось отношение этих данных к теории, причём было выявлено несколько интересных результатов. В настоящей совместной работе экспериментальный материал сравнивается с теорией несколько точнее, чем в упомянутых работах, причём обращается особое внимание на роль рентгеновских спектров для объяснения периодической системы.
1 N. Воhr. Zs. f. Phys., 1922, 9, 1 (статья 19.) Тем временем эта работа, снабжённая некоторыми поясняющими рисунками, вместе с двумя другими сочинениями общего характера появилась в качестве отдельного сборника в издательстве «Фивег» под названием «Drei Aufs"atze "uber Spektren und Atombau». Авторы намерены в ряде статей в настоящем журнале подробнее обсудить результаты этой работы, касающиеся как общих основ
2 D. Coster. Phil. Mag., 1922, 43, 1070; 1922, 44, 546; см. также: Dissertation, Leiden, 1922.
§ 1. Теоретические представления о строении атома. Упомянутая теория зиждется на классификации электронных орбит в атоме путём их сравнения со стационарными состояниями электрона, движущегося в центральном поле. Орбиты обозначаются символом nk. Здесь n означает входящее в формулу Бальмера для спектра водорода так называемое главное квантовое число, которое в предельном случае, когда центральное движение переходит в простое периодическое кеплеровское движение, является решающим для определения энергии. «Вспомогательное квантовое число» k, влияние которого на энергию обусловлено отклонением движения от простого периодического, определяет хорошо известным образом момент импульса электрона относительно центра орбиты. На введении этого квантового числа основана, как известно, зоммерфельдовская теория тонкой структуры линий водорода. Эта тонкая структура обусловлена тем, что, согласно релятивистской модификации законов механики, уже движение одного единственного электрона вокруг положительно заряженного атомного ядра не является строго периодическим, оно может быть описано как медленное вращение кеплеровского эллипса в своей плоскости. В табл. 1 (см. стр. 443, 444) для случая нормального атома приводятся числа электронов, принадлежащих согласно теории различным типам nk– орбит; эта таблица выражает представления о строении атома, которые, отвлекаясь от новых характерных черт, во многих отношениях схожи с лежащими в основе работы Зоммерфельда и Вегарда о рентгеновских спектрах.
Рис. 1
Как видно, электронные орбиты расположены по группам, относящимся к одному и тому же значению главного квантового числа n. Образование этих групп при переходе к элементам с более высоким атомным номером связывалось с закономерностями в периодической системе. При этом существенной чертой является разделение этих групп на подгруппы, которым соответствуют различные значения вспомогательных квантовых чисел k. Постепенное добавление новых типов электронных орбит с тем же квантовым числом, что и у групп электронных орбит, имеющихся в предшествующих элементах, и продолжаемое этим постепенное образование групп дальше рассматривается как основа типичных отклонений от простой периодичности в системе элементов (металлы групп железа и платины, а также редкие земли). Обзор периодической системы, при котором особенно выступают эти черты, дан на рис. 1 1, где элементы, принадлежащие одному и тому же периоду системы, расположены в вертикальном столбце. Элементы соседних столбцов, которые как по своим химическим, так и по оптическим свойствам могут считаться гомологами, соединены прямыми линиями. Ряды следующих друг за другом элементов, которые отличаются тем, что у них идёт образование внутренних групп, заключены в прямоугольные рамки.
1 Ср.: N. Bohr. Drei Aufs"atze "uber Spektren und Atombau. S. 132, Fig. 5 (см. рис. 4 на стр. 364 наст, изд.—Ред.), где можно найти обстоятельное пояснение к этому рисунку. Ни схема, ни рисунок названной в добавлении к этим статьям заметки Довийе (Dauvillier. Compt. Rend., 1922, Mai), касающейся наблюдения некоторых слабых линий рентгеновского спектра элемента с атомным номером 72 в смеси редких земель, не должны приниматься во внимание, так как это наблюдение вряд ли может считаться достоверным. Существование элемента между Lu (71), высшая валентность которого 3, и Та (73), высшая валентность которого 5, с химическими свойствами, подобными Lu, было бы отклонением от общего правила, что при переходе от одного элемента к следующему высшая валентность никогда не увеличивается больше, чем на единицу; это правило имеет непосредственное объяснение в общепринятых представлениях о строении атома (ср. в этой связи: С. R. Bury. Jour. Am. Chem. Soc., 1921, 43, 1902).
Построение табл. 1 базируется в основных чертах на общих рассуждениях, изложенных в указанной выше работе. При разработке деталей существенную роль играет обстоятельный анализ спектральных серий. Хотя в этих спектрах ясно отражается и постепенное образование внутренних электронных групп, непосредственные сведения, которые можно почерпнуть из этих спектров, относятся в первую очередь к постепенному появлению тех новых типов электронных орбит, с которых начинается образование новой ступени. В соответствии с этим в табл. 1 (см. стр. 443) даны только те элементы, которыми начинаются такие ступени. Во всех остальных случаях, где спектроскопический материал недостаточен для однозначного вывода о числе электронов во внешних группах, числа электронов, соответствующих более высоким квантовым числам, заключены в скобки. Дальнейшее образование групп указано только его конечным результатом; даже в описании окончательно образовавшихся групп пока остаётся много сомнительного, особенно в отношении более тонкого взаимодействия электронных движений внутри одной и той же главной группы и её подгрупп. Не входя здесь в детали, мы хотим только указать на то, что введённые в названной выше работе общие предположении о характере этого взаимодействия, как там подробнее указано, на основе принципа соответствия представляют исходный пункт для теоретического понимания типичных законов, регулирующих спектры испускания и пoглощения в рентгеновской области. Основные черты этих законов выяснены в формальной теории Косселя.