2.7. Атомы и молекулы

Изучая процесс рассеяния -частиц, испущенных радиоактивным источником на золотой фольге, Э. Резерфорд пришел к выводу, что атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, вокруг которого по круговым либо эллиптическим орбитам движутся электроны. Это, так называемая, планетарная модель атома, поскольку она похожа на Солнечную систему в миниатюре. В дальнейшем, эта модель блестяще подтвердилась, только оказалось, что электроны движутся вокруг ядра не по законам классической физики, а по законам квантовой механики.

Применительно к электронам в атоме, квантовые законы кардинально отличаются от классических. В частности, совершенно бессмысленно говорить о траектории электрона в атоме. На языке квантовой механики можно говорить о стационарных состояниях электрона в атоме, в которых энергия имеет определенное значение. В таких состояниях, электрон как бы размазан вокруг ядра и как бы одновременно существует во всех этих точках. Использование сослагательного наклонения здесь обусловлено условностью применяемых образов. Дело в том, что мы пытаемся представить электрон в виде точечного объекта, тогда как он наделен и волновыми свойствами, а волна — это всегда протяженный объект. К сожалению, в макроскопическом мире нет объектов, а в нашем сознании образов, даже отдаленно напоминающих квантовый электрон. Поэтому, приходится для трактовки квантовых явлений использовать образы, лишь очень грубо соответствующие действительности. Удивительным здесь является не то, что мы не в состоянии представить себе поведение микрочастиц, а то, что несмотря на это, мы способны точно описать это поведение.

Потрясение, вызванное тем, что наглядные модели не смогли объяснить квантовых открытий, было трагичным для многих физиков. Хотя обычно трагедии прошлого представляют для потомков лишь исторический интерес, потрясения, пережитые физиками в начале нашего столетия, на протяжении многих десятилетий сохраняют свою первоначальную остроту: каждое новое поколение физиков переживает практически те же самые чувства. На сложившуюся ситуацию можно смотреть и более оптимистично. Л. Ландау писал по этому поводу: “Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не может вообразить”.

Если же отвлечься от эмоциональной стороны дела, то время становления квантовой физики — первая четверть двадцатого века — следует признать периодом наиболее бурного развития физической науки. Именно в этот период было сделано и осознано огромное число важнейших открытий. Достаточно напомнить, что создание теории относительности, открытие электрона, установление строения атома, открытие волновых свойств у частиц и корпускулярных у волн, приходится на этот короткий промежуток времени. По этой причине, трудно согласиться с оценкой этого периода многими историками науки и философами, как периода кризиса в физике. Более правильным, наверное, является рассмотрение существовавших тогда трудностей, как трудностей слишком быстрого прогрессивного роста. Кризис же, по определению, несовместим с прогрессом, тем более бурным.

Итак, электрон в атоме может находиться только в определенных квантовых состояниях, соответствующих разрешенным значениям энергии. Квантовое состояние с наименьшей энергией атома называется основным. Все остальные квантовые состояния с большими значениями энергии называются возбужденными. Энергия связи электрона с ядром максимальна в основном состоянии. По мере увеличения энергии квантового состояния, энергия связи электрона с ядром ослабевает, и, наконец, обращается в ноль, что соответствует отрыву электрона от ядра, то есть ионизации атома. В основном состоянии изолированный атом может существовать как угодно долго, в возбужденном же состоянии он живет, как правило, лишь одну сто миллионную долю секунды.

Атом, находящийся в возбужденном состоянии может перейти в состояние с меньшей энергией, излучив электромагнитный квант — фотон. В процессе излучения, как и во всех других явлениях, сохраняется энергия. Это означает, что энергия начального состояния атома равна сумме энергий конечного состояния атома и излученного фотона. Другими словами, энергия излученного фотона равна разности энергий атома в начальном и конечном состояниях. Тот факт, что атомы излучают фотоны с вполне определенными энергиями является убедительным свидетельством в пользу дискретной структуры энергетических уровней атома. Более того, измеряя энергию излученных фотонов, можно с очень высокой точностью определить расстояния между энергетическими уровнями атома.

Следует напомнить, что фотон, как и электрон, обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами. Когда мы говорим об энергии и импульсе фотона, мы представляем его частицей. Но есть не меньше оснований говорить о длине волны и частоте фотона, имея в виду его волновые свойства. Здесь более важно то, что мы можем измерять с высокой точностью длину волны и частоту электромагнитного излучения. Напомним, что соотношения де Бройля устанавливают однозначную связь между волновыми и корпускулярными свойствами частиц. На основании этих соотношений, измеряя длину волны излучения атома, мы можем вычислить соответствующую энергию фотона.

Если изобразить зависимость интенсивности излучения атома от ее частоты, называемую спектром излучения, то из сказанного выше вытекает, что спектр атома будет состоять из набора дискретных линий. Такие спектры называют линейчатыми. Чрезвычайно важно то, что спектр атомов каждого элемента характеризуется своим особым набором линий. Именно это позволяет при помощи спектрального анализа определять элементный состав вещества. Поскольку излучение атома может распространяться на большие расстояния, то спектральный анализ открывает уникальную возможность определения состава веществ достаточно удаленных от наблюдателя, например, состав вещества находящегося на Солнце или более удаленных звездах.

Табл. 2.3.

Свойства неизвестного элемента экасилиция Es, предсказанные Менделеевым в 1871 году	Свойства германия Ge, открытого в 1886 году Винклером и занявшего место Es в таблице Менделеева
Атомный вес 72,8 Удельный вес 5,5 Атомный объем — немного меньше 13 Должен давать металлоорганические соединения и, в частности, Es(C2H5)4 с точкой кипения 160 oC Удельный вес EsO2 4,7 EsCl4 должен быть жидкостью, кипящей при температуре ниже 100 oС, с удельным весом 1,9 Таким образом, Es — четырехвалентный металлоподобный элемент	Атомный вес 72,6 Удельный вес 5,469 Атомный объем — 13,1 Действительно дает такие соединения Ge(C2H5)4 кипит при 160 oC Удельный вес GeO2 4.703 при 18 oС GeCl4 — жидкость, кипит при 86 oС, удельный вес 1,887 Ge — четырехвалентный металлоподоб­ный элемент

2.7.1. Атом и периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Открытие периодического закона в истории науки зафиксировано неимоверно точно — 1 марта 1869 года. В то время было известно всего 63 элемента (напомним, что современная таблица включает 104 элемента).

Из этих элементов была построена таблица, в которой по горизонтали изменяется атомный вес, а по вертикали элементы естественно группируются в семейства с аналогичными химическими свойствами. Хотя в основу своего периодического закона Менделеев положил атомный вес, следует напомнить, что только 36 элементов подчинялись принципу возрастания атомных весов. Для 20 элементов этот принцип был нарушен, а еще для 7 пришлось исправить атомный вес в соответствии с таблицей. Например, атомный вес урана он увеличил вдвое, с 120 до 240, и оказался совершенно прав. Более того, Менделеев оставил несколько клеток таблицы пустыми, и на этом основании предсказал существование новых неизвестных в то время элементов. Все эти элементы затем были открыты и их свойства оказались именно такими, какими их предсказал Менделеев. Другими словами, таблица была открыта во многом вопреки известным фактам, что безусловно свидетельствует о гениальности ее автора, которая и позволила ему увидеть истину за бурной пеной неверных фактов.

Насколько мощным и точным средством предвидения свойств не открытых еще элементов явился установленный Менделеевым периодический закон, демонстрирует табл. 2.3.

С момента создания таблицы элементов возник вопрос: что это — способ запоминания элементов или фундаментальный закон природы? Дело в том, что уже Менделеев знал, что атомный вес лишь приблизительно определяет положение элемента в таблице. Чем же тогда в действительности определяется порядковый номер? Ответы на эти вопросы удалось найти лишь после того, как было выяснено строение атома. Вскоре после открытия Резерфордом атомного ядра, Ван ден Брук высказал предположение, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева равен заряду ядра его атомов (имеется в виду, что заряд ядра измеряется в единицах величины заряда электрона). Это предположение доказал Г. Мозли, используя данные о рентгеновских спектрах различных элементов. Учитывая нейтральность атома, отсюда следует, что порядковый номер элемента совпадает с числом электронов в атоме. Эти открытия позволили также дать точное определение химического элемента: элемент — это вещество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра. Почему же, тем не менее, атомный вес достаточно хорошо коррелирует с химическими свойствами элементов? Ответ на этот вопрос дала ядерная физика, которая установила, что атомный вес элемента примерно вдвое больше заряда ядра его атома, другими словами, расставляя элементы в порядке возрастания их атомного веса мы, как правило, расставляем их в порядке увеличения заряда ядра.

Периодическое изменение химических свойств элементов с ростом заряда ядра атомов объяснила квантовая механика. Во-первых, оказалось, что электроны располагаются вокруг ядра слоями-оболочками. Во-вторых, химические свойства элементов определяются структурой внешней электронной оболочки атома. Начало заполнения новой оболочки совпадает с началом нового периода.

Чтобы понять, как квантовая механика объясняет периодический закон, достаточно принять на веру следующие ее результаты — состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, а именно: n — главное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3...; l — орбитальное квантовое число, которое, при заданном значении n принимает значения 0, 1, 2, ... , n–1; магнитное квантовое число m, которое при заданных значениях n и l принимает значения m = –l –(l–1),... ,(l–1), l; и, наконец, спиновое квантовое число s, принимающее два значения +1/2 и –1/2. Эти числа имеют простой физический смысл. Главное квантовое число определяет энергию электрона и радиус оболочки, чем больше это число, тем дальше оболочка от ядра, то есть внешними являются электроны с наибольшим его значением, орбитальное число определяет величину момента импульса, магнитное число — ориентацию момента импульса, спиновое число — ориентацию спина электрона. Далее следует принять во внимание принцип запрета Паули, который гласит: в каждом квантовом состоянии не может находиться более одного электрона.

Из сказанного ясно, что оболочку составляют электроны, имеющие одно и то же значение главного квантового числа. Оболочка с n = 1 включает состояния с нулевыми значениями орбитального и магнитного квантовых чисел и лишь спиновое число может принимать два значения, поэтому в ней имеется всего два квантовых состояния, в которых может находиться не более двух электронов. В соответствии с этим, в первом периоде имеется только два элемента — водород и гелий.

В следующей оболочке с номером n =2 орбитальный момент может принимать два значения: 0 и 1. С учетом магнитного квантового числа имеется одно состояние с l =0 и три с l =1. Если теперь принять во внимание и спиновое квантовое число, то получим, что в этой оболочке может находиться 8 электронов. Именно такова длина второго периода от лития до неона.

Аналогично можно рассчитать число состояний в слое n = 3. Расчет дает 18 состояний в третьем слое.

Каждый период в таблице элементов Менделеева начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом, химические свойства которых резко различаются. Атомы благородных газов отличаются полностью заполненной внешней оболочкой. Атомы щелочных металлов характеризуются тем, что у них во внешней оболочке находится лишь по одному электрону, который и определяет их химические свойства. Оказывается, что этот электрон достаточно слабо связан с атомом, поэтому атомы щелочных металлов сравнительно легко отдают этот электрон другим атомам, превращаясь в положительный ион.

В противоположность щелочным металлам, во внешней оболочке атомов галогенов не хватает одного электрона, чтобы оболочка была полностью заполненной. Такие атомы легко принимают лишний электрон, образуя отрицательный ион. Оказывается, если во внешней оболочке находится один электрон или одного не хватает, то такой элемент выступает обычно в химических взаимодействиях как одновалентный. Если же во внешней оболочке атома находятся два электрона или двух недостает, то элемент обычно выступает как двухвалентный и так далее. Это наводит на мысль, что валентность элемента определяется числом электронов во внешней оболочке.

Подводя итог сказанному подчеркнем, что в периодической таблице элементов сошлись пути физики и химии. Фундаментальный закон химии получил ясное и четкое физическое истолкование. Предмет исследования одной науки стал предметом исследования другой.