Избранные научные труды
Шрифт:
1921
15 СТРОЕНИЕ АТОМА *
*Atomic Structure. Nature, 1921, 107, 104—107.
В письме в «Nature» Кэмпбелл 1 обсуждает проблему о состоятельности тех предположений о движении и конфигурации орбит электронов в атоме, которые лежат в основе объяснения спектральных серий элементов путём применения квантовой теории к ядерной модели атома. Рассматриваются в письме и предположения иного характера, которые в последнее время использовались для построения теории строения атома, способной учесть другие физические и химические свойства элементов. Кэмпбелл выдвигает интересную мысль, что рассматриваемая кажущаяся несостоятельность в действительности не имеет места, что она является следствием формального характера принципов квантовой теории; это может создать ложное представление, будто картины строения атома, использованные при объяснении различных явлений, могут иметь совершенно различный аспект и тем не менее относится к той же действительности. В этой связи он обращает особое внимание на так называемый принцип соответствия, с установлением которого стало возможным — несмотря на фундаментальные различия между обычной теорией электромагнитного излучения и идеями квантовой теории — дополнить определённые выводы, основанные на квантовой теории, другими выводами, основанными на классической теории излучения.
1 N. Campbell. Nature, 1920, 106, 25 Nov.
Поскольку
Общей чертой всех теорий строения атома было стремление найти такие конфигурации и движения электронов, которые могли бы объяснить изменения химических свойств элементов с атомным номером, столь ясно выраженные хорошо известным периодическим законом. Анализ этого закона прямо ведёт к выводу, что электроны в атоме расположены отдельными группами, число электронов в каждой из которых равно одному из периодов последовательности элементов, расположенных в порядке возрастания атомного номера. При первых попытках получить определённую картину конфигураций и движения электронов в этих группах исходили из предположения, что в каждой группе электроны в любой момент времени расположены на равных угловых расстояниях на круговой орбите с центром в ядре. В более поздних теориях это простое предположение было заменено другим, а именно, что конфигурации электронов внутри различных групп обладают не простой осевой симметрией, а пространственной симметрией более высокого порядка; предполагалось, например, что конфигурация электронов в любой момент их движения обладает симметрией правильного многогранника. Однако фундаментальной трудностью всех этих теорий была неспособность объяснить фактическое появление этой симметрии в процессе образования атома путём связывания электронов ядром. Не могли они ответить и на вопрос, почему атом настолько устойчив, что первоначальная конфигурация восстанавливается, если она была временно нарушена внешними факторами. Если не учитывать никаких сил взаимодействия между частицами, кроме притяжения и отталкивания, вызванного их электрическими зарядами, то отсюда ясно следует, что должно существовать внутреннее взаимодействие или связь между различными группами электронов в атоме. Это существенно отличается от того, что можно было бы ожидать при предположении, что электроны в разных группах движутся по орбитам, расположенным одна внутри другой, так что каждая группа образует некоторую «оболочку» атома. В этом случае воздействие каждой оболочки на строение внешней сводилось бы в основном к компенсации части притяжения ядра.
Эти рассуждения по существу относятся к атому с ядром и не имеют специального отношения к характеру квантовой теории, которая была впервые введена в атомную проблематику в надежде получить рациональное объяснение устойчивости атома. Согласно этой теории, каждая атомная система обладает определённым числом различных состояний, так называемых «стационарных состояний», в которых движение может быть описано обычной механикой и в которых атом может существовать, во всяком случае некоторое время, не излучая энергию. Характеристическое излучение атома испускается только при переходе из одного такого состояния в другое, причём процесс перехода не может быть описан в рамках обычной механики. В то же время характер излучения может быть определён по движению с помощью обычной электромагнитной теории, если предположить вопреки этой теории, что переход всегда сопровождается испусканием монохроматического излучения, частота которого определяется просто разностью энергий в начальном и конечном состояниях. Применение квантовой теории к проблемам атома, которое ведёт свое начало от объяснения простого спектра водорода — в этом случае не было необходимости априори устанавливать стационарные состояния атома,— в последние годы было расширено развитием систематических методов определения стационарных состояний, соответствующих некоторым общим классам механических движений. На этом пути была достигнута детальная интерпретация разного рода спектроскопических данных,, насколько это касалось явлений, зависящих существенно от движения одного электрона в атоме; в то же время не было достигнуто определённого прояснения в отношении строения атомов, содержащих несколько электронов. Это обусловлено тем, что методом фиксированных стационарных состояний нельзя устранить произвола в выборе числа и конфигураций электронов в разных группах, или оболочках, атома. Действительно, единственное следствие, к которому мы сразу же приходим, заключается в том, что движение каждого электрона в атоме в первом приближении соответствует одному из стационарных состояний системы, состоящей из частицы, движущейся в центральном поле. В пределе оно представлено различными круговыми или эллиптическими орбитами, появляющимися в зоммерфельдовской теории тонкой структуры спектральных линий водорода. Однако путь для устранения указанного произвола открыт введением принципа соответствия, выражающего тенденцию видеть в квантовой теории не просто набор формальных правил для определения стационарных состояний атомных систем и частоты излучения, испускаемого при переходе из одного состояния в другое, а скорее попытку рационального обобщения электромагнитной теории излучения, выявляющего необходимость допущения прерывистого характера излучения для объяснения устойчивости атомов.
Не останавливаясь здесь на подробной формулировке принципа соответствия, отметим, что он устанавливает внутреннюю связь между характером движения в стационарных состояниях атомной системы и возможностью перехода между двумя такими состояниями; этим он создает основу для теоретического рассмотрения процесса, который имеет место при образовании и перестройке атома. Этот принцип, например, прямо приводит к заключению, что в существующих атомах нельзя ожидать конфигураций такого типа, чтобы электроны внутри каждой группы были расположены кольцами или в конфигурациях с симметрией правильного многогранника, поскольку образование таких конфигураций требует одновременного связывания всех электронов. Напротив, представляется необходимым найти такие конфигурации электронов в атоме, которые могут быть образованы путём последовательного связывания
Предположение о наличии в нормальном состоянии атома таких многоквантовых орбит уже вводилось в различных современных теориях, например в работах Зоммерфельда о высокочастотных спектрах и Ланде о размерах атома и структуре кристаллов. Но применение принципа соответствия, по-видимому, впервые позволяет рационально теоретически обосновать эти выводы и дать основу для рассмотрения расположения орбит электронов, связанных после первых двух. Таким образом, основанный на этом принципе тщательный анализ процесса связывания электронов даёт простой аргумент для вывода, что распределение этих электронов по группам отражает периоды изменения химических свойств элементов, следующих друг за другом в порядке возрастания их атомного числа. Действительно, если проследить связывание большого числа электронов ядром с большим положительным зарядом, то этот аргумент подсказывает, что после первых двух электронов, которые связаны на одноквантовой орбите, следующие восемь связаны на двухквантовой, следующие восемнадцать — на трёхквантовой, а следующие тридцать два — на четырёхквантовой.
Хотя расположение орбит электронов в этих группах и обладает значительной пространственной симметрией, нельзя говорить, что эти группы образуют простые оболочки в том смысле, в каком это слово применяется, когда речь идёт о строении атома. Во-первых, не все электроны внутри каждой группы играют одинаковую роль: они делятся на подгруппы, соответствующие различным типам многоквантовых орбит с одним и тем же квантовым числом, представляющих различные стационарные состояния электрона, движущегося в центральном поле. Так, в соответствии с тем фактом, что в подобной системе существуют два типа двухквантовых орбит, три типа трёхквантовых орбит и т. д., мы приходим к выводу, что упомянутая группа из восьми электронов состоит из двух подгрупп по четыре электрона в каждой, группа из восемнадцати электронов — из трёх подгрупп по шесть, а группа из тридцати двух — из четырёх подгрупп по восемь электронов в каждой.
Другой существенной чертой описанного строения атома является конфигурация орбит электронов в различных группах относительно друг друга. Так, для каждой группы электроны некоторой подгруппы во время своего движения проникают в области, более близкие к ядру, чем средние расстояния от ядра электронов, принадлежащих к группам с меньшим квантовым числом. Это обстоятельство, тесно связанное с особенностями процесса последовательного связывания, как раз точно объясняет ту «связь» различных групп, которая является необходимым условием устойчивости атомных конфигураций. По существу эта связь является главной чертой всей картины и ею следует руководствоваться при объяснении всех деталей, касающихся образования различных групп и их подгрупп. Далее, устойчивость всей конфигурации в целом носит такой характер, что, если один какой-нибудь электрон удаляется из атома вследствие внешних воздействий, прежняя конфигурация может восстанавливаться не только последовательным перемещением электронов в том порядке, в котором они были первоначально связаны в атоме. Место удалённого электрона может быть занято также одним из электронов, принадлежащим к более слабо связанной группе или подгруппе, путём прямого перехода между двумя стационарными состояниями; такой процесс сопровождается испусканием монохроматического излучения. Это обстоятельство, дающее основу для детальной интерпретации характерной структуры высокочастотных спектров элементов, тесно связано с тем фактом, что электроны в различных подгруппах (хотя и можно говорить об их одинаковой роли в гармонии внутриатомных движений) не размещены в любой момент в конфигурации с простой осевой симметрией или симметрией правильного многогранника, как это предполагается в работах Зоммерфельда или Ланде. Наоборот, их движения так связаны между собой, что можно удалить любой электрон группы путём процесса, при котором орбиты остающихся электронов меняются непрерывным образом.
Эти общие замечания относятся к строению и устойчивости всех групп электронов в атоме. С другой стороны, указанные выше простые изменения числа электронов в группах и подгруппах следующих друг за другом оболочек справедливы только для той области атома, где притяжение со стороны ядра несравненно больше влияет на движение электронов, чем отталкивание со стороны остальных электронов. Если рассматривать расположение электронов, связанных в атоме, в момент, когда заряд ранее связанных электронов начинает компенсировать большую часть положительного заряда ядра, то мы встречаемся с новыми свойствами, и анализ условий протекания процесса связывания вынуждает нас предположить, что новые, добавочные электроны закрепляются на орбитах с квантовым числом, равным или меньшим, чем у электронов в ранее связанных группах, хотя большую часть времени обращения они находятся вне этих групп. Такое прекращение возрастания и даже уменьшение квантового числа, характеризующего орбиты, соответствующие движению электронов в последовательных оболочках, имеет место, вообще говоря, когда число связанных электронов составляет несколько больше половины общего их числа. По мере нарастания процесса связывания электроны сначала будут располагаться по указанным выше группам, так что группы трёхквантовых орбит будут содержать восемнадцать электронов, а двуквантовые — восемь. Однако в нейтральном атоме электроны, связанные последними и слабее, не смогут сами располагаться таким правильным образом. Фактически у поверхности атома мы встречаем подобные группы только у элементов, принадлежащих семейству инертных газов. Эти газы со многих точек зрения можно рассматривать как своеобразные межи в периодической системе элементов. Для атомов этих элементов мы вправе ожидать структуру, которую символически можно выразить так:
Гелий (2
1
)
Криптон (2
1
8
2
18
3
8
2
)
Неон (2
1
8
2
)
Ксенон (2
1
8
2
18
3
18
3
8
2
)
Аргон (2
1