Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

Это допущение относительно числа электронов в кольцах в значительной мере подтверждается тем обстоятельством, что период изменения химических свойств элементов с низкими атомными весами равен 8. Дальше из этого следует, что число электронов во внешнем кольце будет чётным или нечётным в зависимости от того, будет ли чётным или нечётным общее число электронов в атоме. Это указывает на связь с тем фактом, что валентность элемента с низким атомным весом также чётна или нечётна в зависимости от того, четен или нечётен порядковый номер элемента в периодической системе.

Для атомов, рассмотренных в предыдущем параграфе, мы считали, что первые два связанных электрона располагаются в одном кольце, а следующие два электрона группируются в другом кольце. Если N >= 4, конфигурация N(4), соответствует меньшему значению общей энергии, чем N(2,2). Чем выше значение N, тем ближе

к единице отношение радиусов колец в конфигурации N(2,2), тем больше величина энергии, испускаемой при возможном слиянии колец. Из теории нельзя определить элемент в периодическом ряду, у которого все четыре внутренних электрона впервые сгруппируются в одно кольцо. На основе рассмотрения химических свойств мы вряд ли можем ожидать, что это произойдет у бора (N = 4) или углерода (N = 6), поскольку наблюдения показывают, что они соответственно трёх- и четырёхвалентны. С другой стороны, периодическая система элементов наводит на мысль, что уже у неона (N = 10) существует внутреннее кольцо из 8 электронов. Кроме того, для N >= 14 конфигурация N(4,4) соответствует меньшему значению общей энергии, чем N(8); уже для N >= 10 последнее расположение всё-таки устойчиво для смещений электронов перпендикулярно плоскости их орбиты. Кольцо из 16 электронов не будет устойчивым, если N не очень большое; но в этом случае приведённые здесь простые рассуждения неприменимы.

Смещение двух колец с одинаковым числом электронов, вращающихся вокруг ядра с зарядом Ne вне кольца с уже связанными электронами, должно происходить легче, чем слияние двух подобных колец, вращающихся вокруг ядра с зарядом (N-n)e, потому что устойчивость кольца относительно смещения, перпендикулярного его плоскости, в первом случае будет меньше (см. § 2), чем в последнем. Эта тенденция уменьшения устойчивости относительно смещений, перпендикулярных плоскости кольца, будет особенно проявляться для внешних колец нейтрального атома. В последнем случае следует ожидать, что слияние колец будет сильно облегчено, и в известных случаях может даже случиться, что во внешних кольцах данного элемента число электронов больше, чем у последующего; тогда во внешнем кольце будут наблюдаться отклонения от допущения о наличии 1, 2, 4, 8 электронов в кольцах; конфигурации 5(2,3) и 6(2,4) заменят 5(2,2,1) и 6(2,2,2). Мы здесь не будем дальше рассматривать сложный вопрос о группировке электронов во внешнем кольце. В схеме, приведённой ниже, число электронов в этом кольце произвольно взято равным нормальной валентности данного элемента, т. е. числу водородных атомов и удвоенному числу кислородных атомов, с которыми соединяется один атом элемента, соответственно для электроотрицательных и электроположительных элементов.

На такую группировку внешних электронов указывает изучение атомных объёмов. Общеизвестно, что атомный объём является периодической функцией атомного веса. Если элементы расположены обычным образом в соответствии с периодической системой, то внутри одной группы их атомный объём примерно одинаков, тогда как от группы к группе он существенно меняется, будучи максимальным в группе, соответствующей наименьшей валентности 1, и минимальным для наибольшей валентности 4. Радиус внешнего кольца нейтрального атома можно приблизительно оценить, допуская, что общая сила взаимодействия ядра с внутренними электронами равна силе взаимодействия ядра с зарядом ne, где n — число электронов в кольце. Полагая в формуле (1) на стр. 109 F = n - s_n и обозначая значение a при n = 1 через a₀, получаем для n = 2 a = 0,57a₀, для n = 3 a = 0,41a₀, и для n = 4 a = 0,33a₀. Следовательно, выбранная группировка электронов вызывает изменение размеров внешнего кольца, сходное с изменением атомного объёма данного элемента. При этом нельзя забывать, что экспериментальные определения атомного объёма в большинстве случаев получены при рассмотрении молекул, а не атомов.

Таким образом, мы приходим к следующей возможной схеме группировки электронов в лёгких атомах:

1

(1)

9

(4,4,1)

17

(8,4,4,1)

2

(2)

10

(8,2)

17

(8,8,2)

3

(2,1)

11

(8,2,1)

19

(8,8,2,1)

4

(2,2)

12

(8,2,2)

20

(8,8,2,2)

5

(2,3)

13

(8,2,3)

21

(8,8,2,3)

6

(2,4)

14

(8,2,4)

22

(8,8,2,4)

7

(4,3)

15

(8,4,3)

23

(8,8,4,3)

8

(4,2,2)

16

(8,4,2,2)

24

(8,8,4,2,2)

Даже

без более обстоятельного рассмотрения не представляется невероятным, что такое строение атома соответствует свойствам элементов, близким к наблюдаемым.

Во-первых, оно даёт явную периодичность с периодом 8. Во-вторых, связь внешних электронов в каждом горизонтальном ряду этой схемы ослабевает по мере увеличения числа электронов в атоме в соответствии с усилением электроположительного характера при увеличении атомного веса элемента в каждой группе периодической системы. Такое же соответствие имеет место и для изменения атомного объёма.

Для атомов с более высоким атомным весом использованные ранее простые соображения неприменимы. Однако некоторые указания даёт рассмотрение изменений химических свойств элемента. В конце третьего восьмиэлементного периода мы встречаем группу железа. Эта группа занимает особое место в системе элементов, поскольку впервые элементы, близкие по атомному весу, обладают сходными химическими свойствами. Это обстоятельство показывает, что расположения электронов у элементов этой группы отличаются друг от друга только группировкой внутренних электронов. Тот факт, что после группы железа период изменения химических свойств элементов равен уже не 8, а 18, позволяет предполагать, что элементы более высокого атомного веса обладают постоянно повторяющейся конфигурацией из 18 электронов во внутренних кольцах. Отклонение от 2, 4, 8 и 16 может быть вызвано постоянным обменом электронов между кольцами, как это было указано на стр. 124. Так как кольцо из 17 электронов не будет устойчивым, электроны могут быть расположены в двух параллельных кольцах (см. стр. 116). Такое расположение внутренних электронов будет действовать на внешние электроны почти так же, как ядро с зарядом (N - 18)e. Поэтому возможно, что с увеличением N вне первого расположения существует другое того же типа; на это указывает наличие второго периода из 18 элементов.

Из подобных же рассуждений следует, что наличие группы редкоземельных элементов свидетельствует о другом постоянном изменении во внутренних кольцах при ещё больших значениях N. Однако, поскольку для элементов с атомным весом, большим, чем в этой группе, законы изменения химических свойств с ростом атомного веса подобны законам для более лёгких элементов, мы можем сделать вывод, что расположение внутренних электронов вновь повторяется. Однако теория ещё не в состоянии дать окончательное решение такой проблемы.

§ 5. Характеристическое рентгеновское излучение

Согласно теории, данной в части I работы, излучение с обычным линейчатым спектром испускается при восстановлении атома, если один или несколько электронов внешних колец были предварительно удалены. Аналогичным образом можно считать, что характеристическое рентгеновское излучение испускается при возвращении системы в нормальное состояние, если каким-либо воздействием, например катодными лучами, были предварительно удалены электроны внутренних колец. Эту точку зрения на происхождение характеристического рентгеновского излучения предложил Дж. Дж. Томсон ¹.

¹ J. J. Thomson. Phil. Mag., 1912, 23, 456.

Исходя из этого можно определить минимальную скорость катодных лучей, которая необходима для возбуждения характеристического рентгеновского излучения особого типа, не делая никаких специальных предположений о свойствах излучения. Будет вычислена энергия, которая необходима для удаления электрона из разных колец. Даже если мы будем знать число электронов в кольцах, строгий расчёт минимальной энергии будет сложным, а результат — в большой степени зависящим от принятых допущений, поскольку, как было показано в части I (стр. 101), расчёт нельзя полностью провести на основе обычной механики. Однако мы можем очень простым способом сравнить расчёты с экспериментом, если рассматривать самое внутреннее кольцо и в первом приближении пренебрегать отталкиванием со стороны электронов по сравнению с притяжением со стороны ядра. Рассмотрим простую систему, состоящую из одного связанного электрона, вращающегося по круговой орбите вокруг ядра с зарядом Ne. Полагая в формуле (1) на стр. 109 F = N для скорости электрона получаем