Пермский государственный педагогический университет
Реферат по теме
Эволюция представлений о строении атома.
Есть ли предел системе элементов Менделеева?
Выполнил студент 141 группы
Попов Илья
Пермь 2002
ОГЛАВЛЕНИЕ
Возникновение атомистики 3
Атомистика в послеаристотелевскую эпоху 5
Дальнейшее развитие атомистики (XIX в.) 5
Периодический закон. Есть ли граница системы элементов Менделеева? 6
Интерпретация периодического закона 9
Aтом Резерфорда-Бора 10
Модели atоma до бора 10
Открытие атомного ядра 11
Atom бора 13
Возникновение квантовой механики (1925— 1930 гг) 16
Трудности теории бора 16
Идеи де Бройля 18
Открытие спина 18
Список использованной литературы 19
Возникновение атомистики
Вопрос о строении окружающего мира всегда волновал человека. Начало
современной науке о строении вещества было положено в античном мире,
работами древнегреческих ученых разных школ – ионийской, элеатской,
пифагорейской.
Идея первичной материи (праматерии) ионийцев была очень привлекательной и
неоднократно в той или иной форме возрождалась в физике.
Пытливое мышление древних греков построило концепцию элементов, из
которых построена Вселенная. Впервые эта концепция была выдвинута
Эмпедоклом (около 490—430 гг. до н.э.). «Эмпедокл,—говорил греческий
философ и историк науки Тео-Фраст, — предполагает четыре материальных
элемента, а именно: огонь, воздух, воду и землю; эти элементы, будучи
вечными, изменяются по числу и величине путем соединения и разделения.
Существуют два начала, при помощи которых элементы приводятся в движение —
Любовь и Вражда, ибо элементы должны подвергаться двоякому движению, а
именно: то соединению путем Любви, то разделению путем Вражды».
Таким образом, все разнообразие вещей, по Эмпедоклу, обусловлено
сочетанием четырех различных элементов, а причиной изменения в природе
является действие притягательных и отталкивательных сил, которые у
Эмпедокла носят названия—Любовь и Вражда.
Существенно, что Эмпедокл ясно утверждал всеобщее начало сохранения. Его
элементы вечны и неразрушимы. «Ничто не может произойти из ничего, и никак
не может то, что есть, уничтожиться». С этого принципа Эмпедокла и
начинается история законов сохранения, играющих такую фундаментальную роль
в современной физике.
С V в. до н.э. центр греческой науки сконцентрировался в Афинах. Здесь
появились первые научные школы. Здесь учил математик Гиппократ, философ и
физик Анаксагор (около 500—428 гг. до н. э.), создавший учение о «семенах»
всех вещей и движущем начале «нус» (дух), сообщившем элементам материи
вращательное движение, в результате которого образовалась Земля и все вещи.
Анаксагор был современником основателей атомистики Левкиппа и Демокрита
(около 460-370 гг. до н.э.).
Демокрит написал множество произведений по различным отраслям науки:
математике, физике, философии и др. Основные положения теории Демокрита
воспроизводятся во многих современных книгах по физике и философии почти
одними и теми же словами:
1. Из ничего не происходит ничего. Ничто существующее не может быть
разрушено. Все изменения происходят благодаря соединению и разложению
частей.
2. Ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь
основанию и с необходимостью.
3. Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все другое
только воззрение.
4. Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме. В вечном
падении через бесконечное пространство большие, которые падают скорее,
ударяются о меньшие; возникающие из этого боковые движения и вихри служат
началом образования мира. Бесчисленные миры образуются и снова исчезают
одни рядом с другими и одни после других.
5. Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе,
величине, форме и порядке; качественного различия между атомами не
существует. В атоме нет никаких «внутренних состояний»; они действуют друг
на друга только путем давления и удара.
6. Душа состоит из тонких, гладких и круглых атомов, подобных атомам
огня. Эти атомы наиболее подвижны, и движения их, проникающие в тело,
производят все жизненные явления.
Атомное учение, пройдя через века, выдержало ожесточенную борьбу с
идеализмом и стало основой всего современного естествознания.
В учении атомистов играет существенную роль принцип сохранения, который,
как мы видим, был уже у ионийцев. Новым моментом является допущение
пустоты. Ни у ионийцев, ни у пифагорейцев, ни у элеа-тов пустоте нет места.
В системе Демокрита нет места для какого-то «разума», производящего
движение частиц, движение атомов вечно и не нуждается в особом начале.
Движущиеся в пустом бесконечном пространстве атомы, сталкиваясь друг с
другом, производят все вещи и бесчисленные миры. Пустое бесконечное
пространство Демокрита - это совершенно новый элемент картины мира, и его
появление вызвано успехами геометрии.
Сам Демокрит был крупным математиком. В математических доказательствах
Демокрита огромную роль играла атомистика. Атомами линии были точки,
атомами поверхности — линии, атомами объемов—тонкие листки.
Успехи геометрии формировали представление о пустом пространстве,
лишенном каких-либо чувственно осязаемых свойств. Линии, поверхности,
геометрические тела становились абстрактными образами, чистой формой.
Пространство, свойства которого в дальнейшем описал Евклид, является чистой
протяженностью, лишенной материального содержания, и ареной движения
атомов, вместилищем всех тел природы. Согласно учению атомистов бесконечно
пустого пространства и атомов достаточно для описания разнообразных явлений
мира, в том, числе социальных и психических. Учение атомистов—монистическое
учение, по которому материя и движение—основы бытия.
К 431—404 гг. до н.э. наступил упадок Афин и афинской демократии.
Происходили глубокие изменения в идеологии. Материалистическая система
ионийцев и атомистов вытеснилась идеалистической философией Сократа
(469—399 гг. до н.э.) и его ученика Платона (427—347 гг. до н.э.). Общество
ощущало потребность в систематизированном научном знании, и на долю ученика
Платона, знаменитого мыслителя древности Аристотеля выпала задача составить
систематический свод научных знаний своего времени.
Научное наследие Аристотеля огромно. Оно образует полную энциклопедию
научных знаний своего времени. Пожалуй, ни один ученый не оказывал такого
длительного и глубокого влияния на развитие человеческой мысли, как
Аристотель. Его воззрения принимались за истину в течение ряда столетий. В
средневековых европейских университетах естествознание излагалось по
Аристотелю, которого называли предтечей Христа в истолковании природы.
Он признавал объективное существование материального мира и его
познаваемость. Но одновременно он верил в существование богов,
противопоставлял земной и небесный миры, искал высшую цель природы и т. п.
Аристотель был крестным отцом науки о мире. Название его книги,
посвященной исследованию природы («физика»), стало названием физической
науки.
Существенным моментом в представлении Аристотеля о материи является то,
что она сама по себе служит только возможностью возникновения реальной
вещи, некоторым пассивным началом природы. Для того чтобы вещь стала
реальностью, она должна получить форму, которая превращает возможность в
действительность. Всякая вещь есть единство материи и формы, в природе
происходят постоянные переходы материи в форму, формы в материю. Отсюда
возникает учение Аристотеля о четырех действующих причинах: 1)
материальной; 2) формальной; 3) производящей; 4) конечной. Активная
производящая причина есть движение, конечная — цель.
Учение о четырех причинах получило большое распространение в средние
века, став краеугольным камнем схоластики.
В своей «физике» Аристотель подробно разбирает взгляды своих
предшественников — ионийцев, элеатов, Анаксагора, Левкиппа и Демокрита на
первоначала мира. Он критикует воззрения атомистов, признающих пустоту и
бесчисленное множество атомов и миров, так как, по его мнению, эта точка
зрения приводит к логическим противоречиям. Бесконечное мыслимо только в
возможности («потенциальная бесконечность»), реальный мир конечен и
ограничен и построен из конечного числа элементов.
Понятие пустоты, по Аристотелю, также ведет к противоречиям с
действительностью. Правильно подметив, что среда оказывает сопротивление
движению и тем большее, чем она плотнее, Аристотель приходит к выводу, что
бесконечное разреженное пустое пространство приводило бы к бесконечному
движению. Это, по его мнению, невозможно. В отсутствие сопротивления
скорость тела была бы бесконечной, что также невозможно. Любопытно, что
другим аргументом против пустоты является совершенно правильный вывод
Аристотеля об одинаковой скорости падения всех тел в пустоте, равно как и
вывод о бесконечном инерциальном движении. В реальных условиях движение
конечно и тела падают с разной скоростью. Аристотель полагает, что, чем
тяжелее тело, тем быстрее оно падает.
Пустота, невесомость, по Аристотелю, неестественны, невозможны.
Аристотелевский физик—это человек, живущий в воздушной среде на неподвижной
Земле, в поле тяготения этой Земли и не мыслящий мир без этих атрибутов. В
соответствии с повседневными представлениями Аристотель принимает
геоцентрическую систему мира и концепцию ограниченной Вселенной,
расслоенной на сферы движения небесных светил.
Естествознанию предстояло пройти длительный путь поисков и борьбы, чтобы
прийти к иному миропониманию.
Атомистика в послеаристотелевскую эпоху
Войны Александра Македонского изменили лицо древнего мира и привели в
соприкосновение греческую и восточную цивилизации. Из этого контакта возник
сплав культуры, играющий большую роль в мировой истории.
В истории науки и культуры древнего мира начался новый период, получивший
название эллинистического, продолжавшийся от образования эллинистических
государств (конец IV—начало III в. до н.э.).
Последним блестящий представитель афинской науки был Эпикур (341—270 гг.
до н. э.), развивший учение Демокрита о природе.
Учение Эпикура о природе основано на концепции атомов Демокрита, но
несколько отличном. Значителен размах атомной теории. Существованием атомов
Эпикур, а за ним и Лукреций пытаются объяснить все естественные,
психические и социальные явления. Само представление об атомах выводится из
хорошо известных фактов. Так, белье сохнет потому, что под действием солнца
и ветра от него отрываются невидимые частицы воды, рука медной статуи у
городских ворот, к которой прикасаются в поцелуе губы входящих в город,
заметно тоньше по сравнению с другой рукой, так как при поцелуе губы уносят
частицы меди.
Атомы находятся в беспорядочном движении, и Лукреций рисует модель
движения атомов, уподобляя его движению пылинок в солнечном луче,
ворвавшемся в темную комнату. Это первая в истории науки картина
молекулярного движения, написанная древним автором. Само хаотическое
движение атомов Эпикур объясняет иначе, чем Демокрит. Эпикур не признает
различия в скорости падения малых и больших атомов; в пустом пространстве
все частицы движутся с одинаковой скоростью. Но в некоторые моменты
самопроизвольно возникают случайные небольшие отклонения той или иной
частицы от прямолинейного пути. Эти отклонения Эпикур считал необходимыми,
чтобы объяснить свободную волю людей, так что атомы как бы также обладают
некоей «свободой воли».
Гениальные догадки древних атомистов предопределили будущий успех атомной
теории материи.
Атомистика Эпикура — Лукреция продолжала линию научного развития
доаристотелевского периода. Но атомистика послеаристотелевской эпохи носит
и существенно новые черты: она более конкретна, более «физична», чем теория
Аристотеля и атомистика Демокрита. Атомы Демокрита по существу чисто
геометрические образы, они характеризуются только формой и объемом. У
Эпикура и Лукреция атомы обладают весом, плотностью (твердостью) и,
наконец, внутренней способностью к самопроизвольным отклонениям от
прямолинейного движения.
Естествознание в эту эпоху стало переходить из сферы отвлеченного,
философского размышления о природе в сферу конкретных фактов и явлений.
Евклид (жил в III в. до н.э.) подытожил и систематизировал математические
знания своих предшественников, из коих его учителем был знаменитый ученый
Евдокс Книдский. «Начала» Евклида представляют собой изложение той
геометрии, которая известна и поныне под названием евклидовой геометрии.
Евклидово пространство пустое, безграничное, изотропное, имеющее три
измерения. Евклид придал математическую определенность атомистической идее
пустого пространства, в котором движутся атомы. Простейшим геометрическим
объектом у Евклида является точка, которую он определяет как то, что не
имеет частей. Другими словами, точка— это неделимый атом пространства.
Дальнейшее развитие атомистики (XIX в.)
Всеобъемлемость принципов термодинамики, открытых и разработанных к этому
времени и, в частности, второго начала, заставляла физиков-теоретиков
искать причины универсальной мощи термодинамики.
В результате в науке возникли два направления: феноменологическое и
атомистическое. Феноменологическое направление не считало необходимым
искать более глубоких причин физических процессов, оно ограничивало задачу
изучения природы описанием явлений на основе экспериментально установленных
принципов. Энергетики Гельм, Оствальд и другие считали энергию основным
понятием науки, а такие понятия, как «материя», «сила», производными и даже
излишними.
Что касается представления об атомах и молекулах, то энергетики, а также
венский физик Эрнст Мах, один из видных сторонников феноменологического
направления, считали эти представления продуктами чистой фантазии,
аналогичными представлениям о ведьмах и привидениях.
Однако такие видные представители науки, как Клаузиус, Максвелл, а затем
Больцман, с успехом разрабатывали молекулярно-кинетическую теорию.
Максвелл, Клаузиус, Больцман, Гиббс, развивая физическую атомистику,
искали законы, управляющие поведением коллектива атомов и молекул, делая по
возможности простые гипотезы о строении самих атомов. В XIX в. единственным
средством наблюдать взаимодействия атомов и определять их индивидуальные
особенности были химические реакции. Именно в недрах химической атомистики
родилась первая гипотеза о строении всех атомов из атомов водорода (Проут,
1815).
В 1859 г. было сделано важное открытие в оптике, физик Густав Кирхгос
(1824-1887) и химик Роберт Бунзен (1811—1899) открыли спектральный анализ,
давший в руки химикам новое мощное средство исследования.
Периодический закон. Есть ли граница системы элементов Менделеева?
В 1869 г. уже было известно 63 химических элемента. В этом же году
Д.И.Менделеев открыл фундаментальный закон распределения элементов в
систему, которую он назвал периодической системой химических элементов.
До этого на протяжении более ста лет в научном мире господствовала
картина мира, которую вполне выразил 1808 году своим трудом «Новая система
химической философии» Джон Дальтон.
Уже было известно, что водород, кислород, сера и другие вещества –
простые тела состоят из атомов одного сорта, а вода, аммиак, углекислый газ
и др. – сложные, созданы комбинацией атомов разных веществ. Это вполне
подтверждалось опытами того времени.
Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают
друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы),
затем эти молекулы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., подобно
тому как танцоры, переходя от одного танца к другому; образуют новые
комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется
только их распределение.
«Каждая частица воды,— говорит Дальтон в своей „Химической философии",— в
точности похожа на любую другую частицу воды; каждая частица водорода в
точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое
разложение и химическое соединение означают лишь то, что атомы удаляются
друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен
уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить
хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться прибавить еще
одну планету к Солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из
существующих планет. Все, что мы можем сделать,— это разъединить атомы,
соединившиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соединить те атомы,
которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга».
«Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно
стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность
создания хотя бы одного нового атома данного химического элемента,
невозможность превращения одних атомов в другие — все это было необходимым
выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась
научная химия.
В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году
писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но
тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с
помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить
одни атомы в другие.
Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический
факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать
друг в друга.
В 1816 грду неожиданно нашелся один сторонник Бойля, пытавшийся
подтвердить ее фактами. Это был Уильям Праут, который напечатал в журнале
«Философские анналы» статью, где обращал особенное внимание на тот факт,
что все атомные массы, которые определил Дальтон, выражаются целыми
числами. Это — очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы
всех химических элементов были первичными, основными частицами, подлинными
«кирпичами мироздания», неразложимыми на частя и нисколько не связанными
друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в
пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислорода — ровно в
семь раз?
Мнение Праута вот какое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять
раз превосходит по массе атом водорода,— это и есть пять атомов водорода,
очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода — это семь атомов
водорода, тесно сцепленных друг с другом; атом ртути—это 167 тесно
прижавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на
свете состоит в конечном счете из водорода.
А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается,
например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все
дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать
атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда,
например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать
молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить молекулу
воды на атом водорода и атом кислорода, но ни как не удается разложить атом
кислорода на семь атомов водорода.
Статья Праута была очень убедительна,— многие поверили в то, что водород
есть действительно «первичное вещество», из которого состоит все на свете.
Одна только была беда — те химические анализы, основываясь на которых
Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны. Если провести
анализы тщательнее и вычислить атомные массы точнее, то окажутся ли они по-
прежнему целыми числами?
За грандиозную работу точного определения атомных масс взялся знаменитый шведский химик Йене Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. В течение своей жизни Берцелиус проанализировал больше двух тысяч различных химических соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних результатов не больше чем на 1—2%.
Берцелиус стремился определить состав молекулы так, чтобы удовлетворительно объяснить возможно большее число химических фактов. Таким образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух атомов, а из трех — одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырех атомов — одного азотного и трех водородных, и т. д. Все это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее подтверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные цифры — атомные массы — оказались сплошь неверны.
Таким образом, гипотеза Праута, которая была основана на том, что атомные массы элементов — точные целые числа в то время не подтвердилась.
|Таблица химических элементов, их символов и атомных масс *) |
|№ |Название и символ |Ат. масса|№ |Название и символ |Ат. |
| | | | | |масса |
|1 |Водород Н |1,008 |37 |Рубидий Rb |85,468 |
|2 |Гелий Не |4,003 |38 |Стронций Sr |87,62 |
|3 |Литий Li |6,941 |39 |Иттрий Y |88,906 |
|4 |Бериллий Be |9,012 |40 |Цирконий Zr |91,22 |
|5 |Бор В |10,811 |41 |Ниобий Nb |92,906 |
|6 |Углерод С |12,011 |42 |Молибден Мо |95,94 |
|7 |Дзот N |14,007 |43 |Технеций Те |98,906 |
|8 |Кислород 0 |15,9994 |44 |Рутений Ru |101,07 |
|9 |Фтор F |18,998 |45 |Родий Rh |102,905 |
|10 |Неон Ne |20,179 |46 |Палладий Pd |106,4 |
|11 |Натрий Na |22,990 |47 |Серебро Ag Кадмий Cd|107,868 |
|12 |Магний Mg |24,305 |48 | |112,40 |
|13 |Алюминий AI |26,981 |49 |Индий In |114,82 |
|14 |Кремний Si |28,086 |50 |Олово Sn |118,69 |
|15 |Фосфор Р |30,974 |51 |Сурьма Sb |121,75 |
|16 |Сера S |32,06 |52 |Теллур Те |127,60 |
|17 |Хлор С1 |35,453 |53 |Йод I |126,905 |
|18 |Аргон Аг |39,948 |54 |Ксенон Хе |131,30 |
|19 |Калий К |39,098 |55 |Цезий Cs |132,905 |
|20 |Кальций Са |40,08 |56 |Барий Ва |137,33 |
|21 |Скандий Sc |44,956 |57 |Лантан La |138,906 |
|22 |Титан Ti |47,90 |58 |Церий Се |140,12 |
|23 |Ванадий V |50,941 |59 |Празеодим Рг |140,908 |
|24 |Хром Сг |51,996 |60 |Неодим Nd |144,24 |
|25 |Марганец Мп |54,938 |61 |Прометий Рш |146 |
|26 |Железо Fe |55,847 |62 |Самарий Sm |150,4 |
|27 |Кобальт Со |58,933 |63 |Европий Ей |151,96 |
|28 |Никель^ Ni |58,70 |64 |Гадолиний Gd |157,25 |
|29 |Медь Си |63,546 |65 |Тербий ТЬ |158,925 |
|30 |Цинк Zn |65,38 |66 |Диспрозий Dy |162,50 |
|31 |Галлий Ga |69,72 |67 |Гольмий Но |164,930 |
|32 |Германий Ge |72,59 |68 |Эрбий Ег |167,26 |
|33 |Мышьяк As |74,922 |69 |Туллий Тш |168,934 |
|34 |Солен Se |78,96 |70 |Иттербий Yb |173,04 |
|35 |Бром Вг |79,904 |71 |Лютеций Lu |174,97 |
|36 |Криптон Кг |83,80 |72 |Гафний Hf |178,49 |
Заметим все же, что очень многие атомные массы, особенно в начале
таблицы, весьма близки к целым числам, иногда в точности им равны,
например, у фтора и углерода, а иногда отличаются от них меньше чем на
0,01, например, у водорода, гелия, азота, натрия и т. д. Это странное
обстоятельство заставляет как будто отнестись с некоторым вниманием к
гипотезе Праута, так как трудно себе представить, чтобы это могло быть
результатом чистого случая, но тем не менее такие атомные массы, как у
магния или хлора, не говоря уже о многочисленных элементах с большими
атомными массами, все-таки принуждают отбросить предположение о том, что
все атомы состоят из атомов водорода.
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, чт