Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Понятно, что любая попытка удалить атомы хлора друг от друга ставит под угрозу существование общей электронной оболочки, и именно поэтому молекула хлора чрезвычайно устойчива. Для разложения ее на отдельные атомы необходимо достаточно большое количество энергии.

По той же причине молекулы фтора, водорода, кислорода и азота также состоят из двух атомов.

Распределение атомов внутри атома углерода — 2/4. Значит, один атом углерода может образовать общие электронные оболочки с четырьмя атомами водорода. Таким образом, с помощью четырех атомов водорода атом углерода заполняет внешнюю электронную оболочку по неону (2/8), как у атома неона, каждый атом водорода с помощью одного атома углерода заполняет свою электронную оболочку по гелию (2), а молекула метана (СН4) становится устойчивой.

Действительно, теория Льюиса — Ленгмюра о переходящих и общих электронах объясняет, как образуются молекулы большинства простейших химических соединений. Более того, эта теория объясняет, почему периодическая таблица и является, собственно говоря, периодической (сам Менделеев конечно же не мог этого объяснить). Начнем с того, что в атомах благородных газов электроны распределены таким образом, чтобы придавать атомам максимальную устойчивость. Благородные газы являются инертными химическими веществами и выделяются в отдельное семейство обладающих естественной устойчивостью и очень похожих друг на друга элементов.

Каждый из щелочных металлов следует за одним из инертных газов, следовательно, их атомное число на единицу больше, чем у одного из инертных газов. У лития (следующий за гелием) электроны распределены как 2/1; у натрия (следующий за неоном) — 2/8/1; у калия (следующий за аргоном) — 2/8/8/1 и т. д. У каждого из щелочных металлов на внешней оболочке по одному электрону, и все они проявляют тенденцию отдать его для приобретения естественной устойчивости.

У каждого из образующих щелочноземельное семейство металлов по 2 электрона на внешней оболочке: 2/2 у бериллия, 2/8/2 у магния, 2/8/8/2 у кальция и т. д.

Атомное число галогенов на единицу меньше, чем у благородных газов: 2/7 у фтора, 2/8/7 у хлора и т. д. Все элементы этого семейства проявляют тенденцию присоединить один электрон для достижения естественной устойчивости.

Таким образом, с помощью электронов и электронных оболочек периодическая таблица получила наконец рациональное объяснение спустя полвека после своего появления.

Глава 5.

ЭЛЕКТРОНЫ И КВАНТЫ

Спектральный ряд

Однако как ни хороша теория Льюиса — Ленгмюра, она объясняет структуру лишь простейших химических соединений. С ее помощью невозможно объяснить, например, структуру гидрида бора (соединения бора и водорода) или свойства бензола (С6Н6). Также невозможно объяснить и поведение элементов с атомными числами меньше, чем у кальция, или почему так схожи свойства лантаноидов, хотя их атомные числа разнятся от 57 до 71.

Слабым местом во взглядах Льюиса и Ленгмюра является то, что ученые рассматривали электроны как неподвижные частицы, занимающие внутри атома строго определенные места. Действительно, на рисунках того времени электроны оболочек L и М располагались по восьми углам куба, а молекулы простейших соединений состояли из нескольких таких кубов, соединенных вместе.

Конечно же такое представление удобно с химической точки зрения, но абсолютно неприемлемо с физической. Ведь если отрицательно заряженный электрон висит над положительно заряженным ядром неподвижно, то он должен просто-напросто упасть на ядро. (Точно так же Земля упала бы на Солнце, если бы не вращалась вокруг него.)

Постепенно физики пришли к выводу, что электрон, чтобы не упасть на ядро, вращается вокруг него с огромной скоростью. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предположил, в частности, что электроны движутся вокруг ядра так же, как планеты движутся по своим орбитам вокруг Солнца[123].

Впрочем, все модели атомов, где электроны вращались вокруг ядра, сталкивались с одной и той же проблемой. Вращающийся вокруг ядра электрон постоянно испытывает центростремительное ускорение, а согласно теории Максвелла постоянно ускоряющийся заряд должен постоянно испускать электромагнитное излучение.

Именно такую модель и создал Нагаока. Электрон, двигающийся вокруг ядра, и является этим зарядом и должен испускать излучение определенной частоты (как и в случае с искрами у Герца, см. гл. 2). Если электрон в минуту совершает 500 триллионов оборотов вокруг ядра (а это всего лишь 150 километров в секунду), то частота его излучения будет 500 триллионов Гц, а это в пределах видимой части спектра, ведь свет — это тоже электромагнитное излучение.

Предположение, конечно, красивое, но разрушить его все-таки придется. Если вращающийся электрон будет испускать излучение постоянно, то он будет терять энергию, а единственной энергией, которой обладает электрон, является кинетическая (т. е. энергия движения). Соответственно движение электрона вокруг ядра должно постепенно замедляться, а сам электрон будет по спирали приближаться к ядру, пока не остановится окончательно и не притянется ядром[124].

Но раз электроны на ядро не падают, нужно создавать какую-то другую модель. Новая модель должна отражать тот факт, что атомы не только излучают (и поглощают) свет, но излучают и поглощают свет лишь определенной частоты. Для создания модели атома следует изучить взаимосвязи между этими уникальными световыми волнами, а отталкиваться нужно от водорода, поскольку водород излучает волны самого простого и упорядоченного спектра.

Длина волн, образующих самые четкие линии спектра водорода, составляет 656,21 миллимикрона, 486,08 миллимикрона, 434,01 миллимикрона, 396,81 миллимикрона и так далее. Расстояние между линиями уменьшается пошагово, значит, здесь определенно должна быть какая-то закономерность.

В 1885 году немецкий математик Иоганн Якоб Бальмер (1825–1898) вывел простую формулу, по которой можно рассчитать длину этих волн: