ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Строение атома и рентгеновские епектры из "Учебник физической химии" Первым опытным доказательством правильности этой теории послужило то, что на основании ее удалось объяснить явления лучеиспускания и те закономерности в этих явлениях, которые были давно замечены, но не находили объяснения. [c.80] Для упрощения рассуждения мы принимали до сих пор, что электроны движутся по круговым орбитам. На самом деле это только частный случай электроны могут вращаться также по эллиптическим орбитам. Если каждый круг характеризуется одним квантовым числом (длина радиуса пропорциональна квадрату квантового числа), то эллипс характеризуется двумя квантовыми числами одно из них — главное квантовое число — характеризует большую ось эллипса, а по другому — побочному квантовому числу — можно вычислить меньшую ось эллипса. Если побочное квантовое число мало по сравнению с главным квантовым числом, то эллипс более вытянут когда же оба квантовых числа равны, орбита имеет форму круга. [c.81] До сих пор речь шла преимущественно о строении атома водорода. Гораздо более трудным является вопрос о строении сложных атомов — с большим числом электронов. [c.82] Построение простейшей модели атома водорода не представляет трудностей один электрон вращается в нем вокруг ядра, имеющего один положительный заряд. Для атома следующего элемента периодической системы — гелия — возможны уже две различные модели можно предположить, что два его электрона вращаются по двум орбитам, расположенным либо на разных расстояниях от ядра, либо на одинаковых. Выбор между этими двумя моделями должен быть произведен уже на основании химических свойств гелия. В самом деле, если считать правильной первую модель, то внешний электрон должен быть связан в гелии не более прочно, чем в водороде. В соответствии с этим гелий по своим свойствам должен быть похож на водород. Между тем гелий химически инертен. Это указывает иа то, что оба его электрона находятся в одинаковых условиях и оба весьма прочно связаны с ядром, что и заставляет остановиться на втором варианте модели. [c.82] Атом следующего элемента периодической системы — лития — имеет уже три электрона. Литий представляет собой металл, по химическим свойствам очень похожий на натрий. Во всех своих соединениях он всегда одновалентен. Следовательно, из трех электронов атома лития один электрон связан с ядром атома значительно слабее и расположен дальше от ядра, чем два другие электрона. Принципиально важно го обстоятельство, что в атоме лития сохраняется устойчивая конфигурация гелия из двух электронов, образующих первую, т. е. ближайшую к атомному ядру электронную оболочку (первый электронный слой) атома. [c.82] Элемент с порядковым номером 4 — бериллий — в соединениях всегда двухвалентен. Это показывает, что в образовании химической связи участвуют только два электрона (так называемые валентные электроны), причем оба они находятся в одинаковых условиях очевидно, и в бериллии сохраняется устойчивая гелиевая электронная пара, два же остальных электрона располагаются в следующем слое. [c.82] Элемент с порядковым номером 5 — бор — трехвалентен. Его модель, следовательно, строится аналогично модели бериллия с той лишь разницей, что во втором от ядра слое содерл-сатся уже три электрона. [c.83] Элемент с порядковым номером 6 — углерод — четырехвалентен, и расположение его электронов такое два в первом слое и четыре во втором. [c.83] Рассматривая далее периодическую систему, находим, что элемент с порядковым номером 11 — натрий — одновалентен, за ним магний — двухвалентен и т. д. Так как второй электронный слой уже заполнен (как в неоне), валентные электроны этих элементов располагаются, очевидно, в третьем слое. [c.84] Подобная простая последовательность построения электронных слоев (оболочек) сохраняется, однако, только для первых двадцати элементов, кончая кальцием. На рис. 29 схематически представлены внешние электронные слои атомов этих элементов. [c.84] Большинство химических и физических свойств элементов, в том числе и характер излучения света, зависят от электронов, вращающихся по внешним орбитам. Однако под влиянием интенсивных воздействий может нарушиться равновесие и внутренних орбит. Например, может случиться, что при столкновении атома с электроном, обладающим большой скоростью, нр-следний может проникнуть глубоко внутрь атома, в результате чего электрон одной из внутренних орбит может быть вовсе вырван из атома. Тогда нарушится равновесие всей атомной системы. На освободившееся место вырванного электрона перейдет один из электронов наружных орбит, на место последнего перейдет другой электрон и т. д. Так произойдет перегруппировка входящих в состав атома электронов. [c.84] В происхождении имеет своим следствием и различия в некоторых свойствах световых и рентгеновских спектров. [c.85] Главные отличия заключаются в следующем. Спектры в области видимого света характерны для данного вещества и неодинаковы для различных соединений, в состав которых входит данный элемент, так как наружные электронные оболочки при образовании химических соединений претерпевают важные изменения. Наоборот, рентгеновские спектры характерны для каждого данного элемента и не зависят от того, находится ли он в виде простого вещества или входит в состав какого-нибудь соединения. [c.85] Характер светового спектра простых веществ подобно многим другим свойствам элементов изменяется при переходе от одного элемента к другому периодически, так что элементы, находящиеся в одной группе периодической системы (например, Ма, К, КЬ, Сз), обладают сходными по характеру световыми спектрами. Совершенно иные свойства имеют спектры рентгеновских лучей. Систематическое исследование рентгеновских спектров впервые было произведено в 1914 г. Мозли. Эти и позднейшие исследования показали, что рентгеновские спектры различных элементов имеют сходное строение. Спектральные линии их соединены в сходные по виду группы, но при переходе от более легких элементов к более тяжелым (рис. 30) эти линии постепенно сдвигаются в сторону более коротких волн (большей частоты колебаний). [c.85] Такое различие между световыми и рентгеновскими лучами становится вполне понятным при учете строения атома. Световые лучи пызыняются электронами внешних слоев, а прочность связи этих электронов в атоме изменяется периодически (стр. 87). Между тем рентгеновские лучи возникают во внутренних электронных оболочках, которые уже у самых простых атомов оказываются сложившимися и сохраняют свои основные черты также у более сложных атомов. При переходе от одного элемента к следующему последовательно возрастает на одну единицу заряд ядра, вследствие чего электроны сильнее притягиваются ядром и несколько приближаются к нему вместе с тем последовательно уменьшается длина волны соответствующих рентгеновских лучей. [c.86] Описанная диаграмма замечательна тем, что в ней, можно сказать, каждый элемент находит свое надлежащее место. В периодической системе, в которой элементы расположены вообще в порядке возрастающих атомных весов, пришлось сделать несколько отступлений от этого правила (их сделал еще сам Д. И. Менделеев). Рассмотрим, например, два соседних элемента аргон (18) и калий (19). Первый из них — типичный инертный газ, очень сходный с гелием, неоном и другими инертными газами. Второй — столь л е типичный щелочной металл, сходный с натрием. Но атом калия обладает немного меньшим весом, чем атом аргона, и если руководствоваться только атомными весами, то калий пришлось бы поместить в группу инертных газов, а аргон оказался бы вместе со щелочными металлами, т. е. оба указанных элемента находились бы на совершенно неподходящих местах. То же самое относится еще к двум парам элементов теллур (52) — иод (53) и кобальт (27) — никель (28). На прямой в описанной выше диаграмме каждый элемент оказывается помещенным на том месте, которое соответствует его основным свойствам — кобальт перед никелем и теллур перед иодом. [c.86] Отсюда вытекает чрезвычайно важное правило, которое получило еще много других подтверждений положение элемента в периодической системе (порядковый номер) и его характерные свойства определяются зарядом ядра его атомов. [c.86] Анализируя рентгеновские спектры различных элементов и учитывая химические и другие свойства их, молено установить распределение электронов в электронных слоях атомов различных элементов, переходя последовательно от одного элемента к другому. [c.86] Рассматривая энергию связи различных электронов в атоме, т. е. количество энергии, которую нужно затратить для отделения данного электрона от атома, можно установить, что по энергии связи электроны какого-нибудь данного слоя (кроме первого) могут быть неодинаковы. Они разделяются на подгруппы последовательно из 2, 6, 10, 14. . . электронов, обозначаемые буквами 5, р, , /. .., из которых первая подгруппа (з) из двух электронов связана с атомом наиболее прочно, следующие шесть электронов (подгруппа р) несколько слабее, следующие 10 (подгруппа й) — еще слабее и т. д. Различия в энергии связи электронов двух последовательных подгрупп в одном слое в общем меньше, чем соответствующие различия между электронами одноименных подгрупп соседних слоев. Однако энергия связи электронов первых подгрупп данного слоя может быть больше, чем последних подгрупп предыдущего (рис. 32). [c.87] Вследствие этого последовательность в построении различных электронных слоев и подгрупп оказывается в обшем случае более сложной, чем у легких элементов. Уже в атомах калия и кальция заполнена первая подгруппа (х) четвертого слоя (подгруппа 45), хотя построение последней подгруппы третьего слоя (подгруппа 3 ) еще не началось. Это нарушение последовательности в заполнении слоев вызвано тем, что электроны подгруппы 4х, как показывает рис. 32, обладают несколько большей энергией связи с атомом, чем электроны подгруппы Зс . И только в атомах элементов, расположенных в периодической системе после кальция, т. е. у 5с, Т1, V, Сг, Мп, Ре, Со, N1 и Си, происходит последовательная постройка подгруппы Зг/. В наружном же слое ( подгруппа 45) атомы этих элементов имеют большей частью два электрона, иногда — один. Именно этим объясняется, что все элементы данного ряда периодической системы Д. И. Менделеева существенно отличаются по свойствам от выше расположенных элементов соответствующих групп. Все они являются металлами и ими начинаются побочные подгруппы в периодической системе. [c.87] Вернуться к основной статье