Landsberg-1985-T3

которые нашли выражение в периодической системе Менде­

леева. Рассмотрим, как решает эту задачу п л а н е т а р­

н а я модель атома.

Химические свойства проявляются при атомных столк­

новениях, ведущих к образованию молекул. Но при столк­

новении атомов сближаются и взаимодействуют прежде все­

го их электронные оболочки. Поэтому химические особен­

ности атома определяются строением его электронных обо­ лочек, т. е. в конечном счете зарядом атомного ядра *). В этом состоит причина того, что элементы в периодической

системе располагаются в порядке возрастания ядерного

заряда. Этим объясняется таюке совпадение химических

свойств атомов-изотопов, ядра которых отличаются по мас­

се, но имеют равные заряды.

На рис. 370 изображено начало таблицы Менделеева,

причем для каждого элемента указано размещение электро­

нов по возможным орбитам. Как отМEt:rалось в предыдущем

параграфе, возможные орбиты группируются в оболочки

(К, L и т. д.).

Обращает на себя внимание тот факт, что н о м е р

К-оболочке), литий (один электрон на L-оболочке), натрий

(один электрон на третьей оболочке) и т. д. Все эти элементы

обладают СХОДными химическими свойствами. Во вторую

группу входят бериллий (два электрона на L-оболочке), маг­ ний (два электрона на третьей оболочке) и т. д. Элементы вто­

рой группы также весьма сходны в химическом отношении. Аналогичное положение имеет место и для остальных групп. Отсюда следует, что химические свойства атомов определя­ ются электронами. расположенными на последней, не пол­

ностью занятой оболочке. Эти электроны носят название валентных. Число валентных электронов определяет в а­

ках атома равно заряду атомного ядра (В элементарных единицах). По­

следний в свою очередь равен порядковому номеру элемента в периоди­

ческой системе.

**) За исключением атомов с целиком заполненной последней обо­ лочкой, т. е. атомов, у которых заполнены электронами все имеющиеся

на оболочке места. Эти атомы входят в нулевую группу (см. ниже).

494

менты (Mg, Са, Sr, Ба) д в у х в а л е н т н ы и имеют по

Д в а валентных электрона и т. д. Атомы с целиком запол­

ненными оболочками не имеют валентных электронов и

химически неактивны. Они образуют инертные газы - ге­

лий, неон, аргон и другие и составляют нулевую группу, ибо их валентность равна нулю.

С возрастанием числа электронов в атоме свойства эле­

мента изменяются от металлов к неметаллам. Когда очеред­

ная оболочка ц е л и к о м заполняется электронами, полу­

чаем инертный газ. При дальнейшем увеличении количест­

ва электронов начинает строиться новая ато!\шая оболоч­ ка - открывается следующий период периодической сис­

темы, в котором снова имеет место переход от металлов к

неметаллам. \

\

Начиная с 4-го периода системы Менделеева наблюдаются отступ­

ления от указанного порядка заполнения оболочек. На некоторых участ­ ках периодической системы новая оболочка начинает заполняться еще до того, как завершилось построение предыдущей оболочки. На других

участках с увеличением числа электронов в атоме число электронов

на п о с л е Д н е й оболочке остается неизменным и достраиваются пре­ дыдущие оболочки. В этом случае образуется группа соседних элемен­

тов с одинаковым ЧИСJJOМ в а л е н т н ы х электронов, т. е. со сходными

химическими свойствами. Примером такой группы IIБЛЯЮТСЯ так назы­

ваемые р е Д к и е з е м л и.

Мы нашли, таким образом, причину периодичности хи­ мических свойств элементов. Периодичность вызвана тем,

что химические свойства в главных чертах определяются

числом внешних (валентных) элементов в атоме, а число

внешних электронов периодически повторяется по мере

заполнения оболочек К, L и т. д.

Почему же на химических свойствах атома сказывается

не вся совокупность атомных электронов, а только внешние

электроны? дело в том, что энергия, выделяемая или по­

глощаемая при химических реакциях, не превышает не­

Скольких электронвольт на атом (см. упражнение 3 в конце главы). Этой энергии достаточно, чтобы изменить располо­ жение внешних электронов атома. Но она слишком мала,

чтобы изменить орбиты внутренних электронов, для кото­ рых энергия переходов значительно больше (см. § 207).

Поэтому при объединении атомов в молекулы расположе­

ние внутренних электронов объединяющихся атомов сох­

раняется. Это доказывается тем, что спектр рентгеновского

излучения химических соединений (возбужденного, на­ пример, электронной бомбардировкой) представляет собой наложение спектров излучений чистых элементов, входя­

щих в это соединение.

496

В отличие от рентгеновского оптический спектр обус-'

ловлен, как мы видели, поведением внешних электронов,

т. е. тех же электронов, которые определяют и химические

свойства атома. Этим объясняетсп, что химически сходные

элементы характеризуются сходными оптическими спектра­

ми. При образовании молекулы из атомов происходит пере­

группировка «химических» (валентных) электронов, которые

в то же время являются и «оптическими». Следовательно,

образование молекулы сопровождается изменением и опти­

ческих свойств атомов. Поэтому-то О[IТllческий спектр моле­

кулы обычно резко отличаетсп от спектров атомов, состав­

ляющих молекулу.

Остановимся в заключение на устойчивости (прочности)

атомов, о которой шла речь в начале этоii главы. Эта устой­ чивость связана с устойчивостыо атомных ядер. Поверх­ ностные J!зменения свойств атома (например, его иониза­ иия, образование сложных \10леl<УЛ из атомов) ограничи­

ваются перегруппировко'й внешних электронов и не за­

трапшают aTo?vlНorO ядра. Поэтому после таких изменений aтo?vl сравнительно легко может быть вновь восстановлен

(нейтрализаиия иона, распад ~юлекулы I! т. д.). Но для ра­

дикального преобразованип свойств aTo?vla, при KOTOP0?v1 атом

изменяет свою природу и восстановление его представляет

новый, сложный процесс, должно произойти изменение за­

ряда ядра и связанное с этим изменение нормального числа

электронов в атоме. Изменить зарпд пдра, вообще говоря,

можно. Однако ввиду малости и прочности ядер задача эта требует особых, исключительно мощных средств, с ко­

торыми мы познакомимся в гл. XXIV.

§ 209. Квантовые и волновые свойства фотонов. Как отмечалось в § 184, законы фотоэффекта были объяснены в 1905 г. А. Эйнштейном с помощью представления о световых квантах (фотонах). Согласно ЭТIIм представлениям энергия

элеКТРО;'18ГНИТНОГО полп не может делиться на произволь­

ные части, а ИЗ"1учаетсп и rюглощается всегда определенны­

ми ПОрЦИЯ?vШ, равныыи hv. Здесь v - частота колебаний ДЛЯ излучения, а h - ПОСТОШIlIап Планка. И?vlенно ЭТИ

пориии энергии электроыагнитного поля и получили наз­

вание световых квантов или фотонов.

Квантовый характер электромагнитного излучения обычно проявляется в таких опытах, когда энергия каждо­

го фотона достаточно велика, а число фотонов не слишком

большое. Но во многих оптических экспериментах, в кото­ рых отчетливо наблюдаютсп волновые свойства света, мы

497

встречаемся с ПРОТИВОПОЛО1Кной ситуацией, когда энергии

фотонов малы, а их число очень велико (см. пример в § 184). Именно поэтому квантовая природа света долго ускользала

от внимания исследователей.

Как уже говорилось ранее, в опытах по фотоэффекту на

проводниках было обнаружено, что максимальная кинети­ ческая энергия электронов, вылетающих под действием све­

та (так называемых фотоэлектронов), связана с работой вы­ хода.А и частотой облучающих проводник электромагнит­

Это соотношение в 1916 г. было подтверждено американским физиком Р. Милликеном. Тонкие и тщательные измерения Милликена, выполненные по схеме опытов, описанных в

§ 183, позволили установить линейную зависимость между

максимальной энергией, получаемой электроном от света,

и частотой этого света, определить универсальный харак­

тер постоянной Планка h и измерить эту величину (h=

=6,6·10-8<& Д1К·с). В дальнейших опытах частота падающе­

го на поверхность металла излучения изменялась в широ­

ких пределах - от видимого света до рентгеновского и во

всем исследованном интервале частот результаты измере­

ний оказались в превосходном согласии с теорией.

В экспериментах с рентгеновским излучением представ­

ления о квантах были подвергнуты особенно тщательной и разносторонней проверке. Действительно, кванты видимо­

го света (фотоны) обладают очень малой энергией - так,

для 1Келтого света v~5·1014 с-1 и hv~3,31·10-19 Дж. По­

этому для регистрации такого света в большинстве опытов приходится иметь дело с большим числом фотонов в едини­ цу времени. В соответствии с этим, действие, производимое

летящими по всем направлениям световыми квантами, рас­

пределенными случайным образом, трудно отличить от действия волны, равномерно распространяющейся во все

стороны. Чем больше энергия квантов, тем легче наблюдать

действие отдельного кванта и легче, следовательно, осуще­

ствить опыт по наблюдению распространения энергии излу­

чения не во все стороны равномерно, а вспышками то по

одному, то по другому направлению. Энергия фотонов в

рентгеновской области спектра значительно превышает энергию фотонов видимого света. Кроме того, в опытах с

рентгеновским излучением легче осущесТВИТЬ условия для

испускания небольшого числа квантов в единицу времени.

498

Для получения рентгеновского излучения нужно боМ­

бардировать электронами анод рентгеновской трубки (СМ.

§§ 151, 153). Всякая остановка (торможение) электронов

в веществе анода сопровождается испусканием рентгенов­

ского излучения. Теория световых квантов преДсказывает, что в самом благоприятном случае вся кинетическая энер­

гия электрона после его остановки перейдет полностыо в

один-единственный фотон, энергия которого hv определя­

ется из условия W"ин=hvmах. Если электрон разгонялся

разностью потенциалов U, то Wкин=еU.

J1TaK, максимальная частота рентгеновского излучения

задается соотношением

Действительно, измерения подтвердили, что рентгеновский

спектр в таких экспериментах характеризуется коротко­

волновой границей

где с - скорость света, а Мfшсимальная частота излучения

согласуется с условием (209.2). Более короткие волны (боль­ шие значения частотыv) никогда при этом не наблюдаются, а более длинные волны соответствуют превращению лишь части кинетической энергии электрона в рентгеновское из­

лучение. Определение коротковолновой границы рентге­

новского спектра может быть выполнено весьма надежно.

Поэтому такие опыты использовались для определения зна­

чения постоянной Планка (в соответствии с (209.2». Наи­ лучшие измерения, выполненные этим методом, дали h=

=6,624·10-34. Дж·с *). Эти данные согласуются с результата­

ми измерения h в опытах по фотоэффекту. Таким образом,

теория квантов хорошо подтверждается не только опытами

по поглощенню энергии излучения (фотоэффект), но и опы­

тами по ее испусканию.

Регулируя число электронов, бомбардирующих анод

рентгеновской трубки, мы можем изменять число излучае­ мых рентгеновских фотонов. Если теперь подвергнуть ме­

таллическую пластинку воздействию рентгеновским излу­

чением, вызывая тем самым выход фотоэлектронов, то, К2К

показывают опыты, кинетическая энергия этих электронов

будет равняться энергии рентгеновских квантов (так как

энергия электронов и рентгеновских квантов в таких опы­

тах составляет десятки киловольт, то работой выхода элек-

*) Наиболее точное современное значение постоянной Планка h=(б,б2бI7б±О,ООООЗбНО-~" Дж·с.

499

тронов из металла - несколько электронвольт - можно

прене6речь) .

Таким образом, весь цикл превращений энергии в этих опытах выглядит так: 1) превращение работы электричес-

1

кого поля еи в кинетическую энергию электрона W=2 mи: fJ рентгеновской трубке; 2) превращение кинетической энер­

гии электрона в энергию излучаемого электроном при рез­

ком торможении рентгеновского кванта; 3) поглощение фО­

тона электроном и превращение его энергии в кинетичес­

кую энергию фотоэлектрона:

1 1

еи =2 mv;=hv=2 mv2.

Такие опыты можно сильно разнообразить, пользуясь удобными условиями экспериментов с рентгеновским излу­

чением. Все они показывают, что энергия передается в этих

явлениях концентрированными порциями, а не накапли­

вается постепенно, как это имело бы место при непрерывной передаче энергии в виде электромагнитной волны. Один из

самых убедительных опытов такого типа был поставлен

Абрамом Федоровичем Иоффе (1880-1960). Были выпол­

нены также прямые эксперименты по регистрации отдель­

ных фотонов, показывающие, что энергия рентгеновского излучения распространяется от анода трубки в разные сто­ роны не одновременно, а в виде порций (квантов), летящих

то в ту, то в другую сторону.

Таким образом, исследование фотоэффекта и опыты с рентгеновским излучением убедительно показали, что свет ведет себя в этих явлениях не как волна, а как некоторая частица - фотон, которая образуется при излучении, летит

вкаком-то направлении и, поглощаясь, целиком отдает

свою энергию другой частице. Но если фотон ведет себя как

частица с полной энергией W=hv, то он должен иметь

и определенный импульс. Фотон имеет скорость, равную

Скорости света. Поэтому из общих формул релятивистской механики (см. §§ 199, 200) следует ожидать, что он будет обладать импульсом

ностью фотона является равенство нулю его массы покоя:

фотон всегда движется со скоростью света и не может су­

ществовать, как покоящаяся частица.

500

То, что фотоны обладают импульсом, косвенным образом

следует уже из опытов по световому давлению (§ 65). спо­

собность света оказывать давление на отражающую или

поглощающую поверхность следует интерпретировать как

результат передачи им­

пульса фотонов, подобно

тому как отражающиеся от

стенки сосуда молекулы га­

за передавая eii J!\I!IУЛЬС,

оказывают на нее давление

(см. ТОYl I).

Очень важную роль в

развнтии ПРe:J:ставлений о

фотонах как некоторых эле­

ментарных частицах Сыг­

рали опыты американского

физика Артура Комптона

(1892--1962), в которых не­

посредственно было пока­

зано, что фотоны при со­

ударениях с электронами

ведут себя, как частицы с энергией и юшульсо\!. СВЯ­

обнаружил, что при этом происходит ИЗ,,1енение длины вол­

ны рентгеновского излучения, и установил связь между

изменением длины волны Af~ I! углом рассеяния 8:

Здесь постоянная Ло=hlmес=2,4з.1Q-12 м была первона­

чально определена нз опыта. РеЗУ.'lЬтаты этих опытов про­

тиворечат классичеСКИ\I представлениям о рассеянии элек­ тромагнитных волн аТО\Iа'VIИ, согласно которым ато'.-! под

деЙСТВI!еl падающего излучения должен испытыв;нь вы­

нужденные колебания и становиться источнико'\1 рассеян­ ных волн, имеющих ту же частоту (т. е. ту же длину вол­

ны), что и падающая ВОЛlIа.

Открытое Комптоном явление было, однако, прекрасно

интерпретировано с помощью представления о фотонах. Опыты Комптона проводились с рентгеновскими квантами

501

с энергией 17,5 кэВ. Эта энергия велика по сравнению с

энергией связи электронов в легких атомах (несколько

электронвольт). Поэтому можно считать, что в опытах происходило столкновение фотона со свободным электро­

ном (а не с атомом как целым), напоминающее соударение

Рис. 372. Упругое столкновение фотона и

электрона. До столкновения электрон по­

коится: hv/c - импульс падающего фото­

сеяния фотона

упругих шаров. Применяя законы сохранения энергии и импульса (рис. 372) к этому соударению, мы получим

При определении P~ следует учитывать векторный харак­

тер закона сохранения импульса и использовать тригоно­

метрическую теорему о связи между длинами сторон тре­

угольника (рис. 372).

При рассеянии рентгеновских фотонов высоких энергий электроны отдачи, получившие от этих фотонов импульс, могут иметь скорости, сравнимые со скоростью света. По­

этому следует учитывать релятивистский рост их массы и

пользоваться законами релятивистской механики (см.

§§ 199,200), как это и было сделано в (209.5). Решение систе­ мы уравнений (209.5) приводит после некоторых преобразо­

ваний к количественному объяснению соотношения для эффекта Комптона (209.4), установленного ранее экспери­ ментальным путем (см. упражнение 19 в конце главы). В дальнейшем в опытах с квантами очень высоких энергии было обнаружено комптоновское рассеяние не только при

взаимодействиях с электронами, но и с другими частицами,

например с протонами и нейтронами. Таким образом, в

этих экспериментах непосредственно установлено, что фо­

тон ведет себя как элементарная частица не только в явле­

ниях фотоэффекта и при излучении, но и в процессах вза­ имодействия с электронами и другими частицами *).

"') с точки зрения современной теории элементарных частиц, ком'

птоновское рассеяние рассматривается как поглощение фотона hv элект­

роном (или другой частицей) с последующим излучением новой частицы­ фотона hv',

SD2

Последующие опыты подтвердили представления о том,

что фотон - это некоторая частица. Были найдены процес­

сы, в I<OTOpbIX фотон при взаимодействии с атомными ядра­

ми исчезает, а вместо него образуется пара элементарных частиц: электрон и позитрон (частица, имеющая массу элек­

трона и положительный заряд, равный по абсолютной ве­ личине заряду электрона), причем ядро остается при этом без изменений (см. § 223). В этих опытах было доказано, что электроны и позитроны не выделmотся из ядра, ибо ядро

остается неизменным, а возникают под действием света.

Разлетевшиеся электрон, позитрон и ядро обладают энер­

гиями и импульсами, которые они заимствуют у исчезнув­

шего фотона.

Был обнаружен и обратный процесс, когда электрон и

позитрон, взаимодейству)[ друг с другом, перестают су­

ществовать как эле:v!ентарные заряженные частицы:' их

заряды взаимно нейтрализуются, а их энергии покоя пере­

ходят в энергию образующейс)[ в таком процессе пары фО­

тонов, разлетающихся со скоростыо света.

Как мы увиди:v! в дальнейшЕ'\! (гл. XXV), такие взаимные

превращения одних частиц в другие являются очень важныМ

и характерным их свойством, и в это:v! о!ысле фотон ничем

не отличается от других микрочастиц, таких, как электрО­

ны, протоны и т. д.

Наконец, следует сказать, что фотоны, как и все другие частицы, могут испытывать на себе действие гравитациОН­ ного поля. Так, точные наблюдения во время полных сол­

нечных затмений за положением звезд, свет от которых проходит вблизи Солнца, ПОI<азывают, что этот свет под­

вергается притяжению Солнца и отклоняется от своего

первоначального пути. Качественно это можно понять, если учесть, что фотоны обладают энергией hv, которой соот­ ветствует «масса движеНII)[» m=!zv!c2 , испытывающая гра­ витационное притяжение к Солнцу. Другой эксперимен­ тально наблюдавшийс)[ очень красивый эффект состоит в

ТОМ. что фотон, двигаясь в гравитационном поле, изменяет

свою энергию. При этом энергия фотона W=Пlс2 =hv при движении, напри:v!ер, в поле т)[готения Земли, меняется,

вследствие изменения его потенциальной энергии в этом

поле, на величину

503