Модель атома водорода

В 1913 году датский физик Нильс Бор (1885—1962) попытался нарисовать наглядную картину: как может быть построен атом из положительного ядра и электронов и при каких условиях он излучает свет. Физики называют такую наглядную картину моделью атома.

Задача была сложная. Модель должна была учесть новый, необычный характер внутриатомных законов, о которых нам говорят опыты с атомами. Модель должна была объяснить: 1) почему атомы устойчивы, несмотря на то, что и в невозбужденном атоме электроды движутся, 2) закон разности частот, излучаемых атомами, 3) закон поглощения и излучения энергии только квантами (порциями).

Легче всего начать строить модель с атома водорода как наиболее простого. У него имеется всего лишь один электрон (см. стр. 90). Бор предположил, что этот электрон в полном соответствии с законами классической механики обращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, двигаясь по определенному пути или, как говорят, по орбите. Но — и тут ученый вводит первое ограничение законов классической физики — орбита эта не произвольная, а вполне определенная. Ее радиус может быть точно вычислен. Это — орбита, «дозволенная» законами, действующими внутри атома. У электрона могут быть и другие орбиты, орбиты с большим радиусом, но тоже вполне определенные. На них электрон обращается, когда атомы водорода возбуждаются, захватывают энергию извне. Для удобства при дальнейших рассуждениях мы можем занумеровать эти орбиты, начиная с самой близкой к ядру: № 1, № 2, № 3 и т. д. (рис. 35).

Двигаясь по какой-либо «дозволенной» орбите, электрон вовсе не излучает. В этом отношении электрон не подчиняется законам классической физики. Это — новое ограничение, которое вводит Бор, чтобы объяснить наблюдающиеся закономерности. А если электрон не излучает, то и энергия его не убывает.

Рис. 35. Модель атома водорода. Стрелками показаны возможные переходы электрона при излучении

Однако есть разница в состоянии электрона, когда он находится на орбите № 1 и когда он движется на более удаленных орбитах. В первом случае состояние электрона очень устойчивое. Он может как угодно долго двигаться по орбите № 1, с ним ничего не произойдет. На более удаленных орбитах состояние электрона неустойчиво: он продержится на них в среднем около одной стомиллионной доли секунды, а затем перескочит на одну из орбит, более близких к ядру, и в конце концов на орбиту № 1.

Бор утверждает: атом испускает свет только во время перескоков электронов с орбит более удаленных на орбиты более близкие к ядру. Подсчитав энергии электрона на возможных для него орбитах, физики нашли, что при перескоке 2—1 (так мы будем обозначать перескок электрона с орбиты № 2 на орбиту № 1) атом водорода должен испускать излучение с частотой 24,7·1014 циклов, при перескоке 3—1 — с частотой 29,2·1014 циклов, при перескоке 4—1 — с частотой 30,9·1014 циклов, при перескоке 3—2 — с частотой 4,6·1014 циклов, при перескоке 4—2 — с частотой 6,2·1014 циклов, а при перескоке 4—3 — с частотой 1,6·1014 циклов. Таким образом, оказалось, что частота света, излучаемого парами раскаленного водорода, определяется тем, с какой орбиты на какую перескакивают электроны в его атомах.

Перескоками электродов можно объяснить и тот факт, что разности между отдельными частотами тоже являются частотами излучения атомов. Когда электрон обращается, скажем, по четвертой орбите, атом имеет один запас энергии. При перескоке электрона на вторую орбиту атом теряет часть энергии на излучение. Обозначим ее так: Э 4,2 . Но ту же энергию атом может потерять за два приема: при перескоках электрона с четвертой орбиты на третью и с третьей на вторую. Если обозначить энергии, потерянные при отдельных перескоках, через Э 4,3 и Э 3,2 , то сказанное можно записать: Э 4,2 = Э 4,3  + Э 3,2 . Отсюда следует, что энергия, потерянная при перескоке 4—2, минус энергия, потерянная при перескоке 4—3, равна энергии, потерянной три перескоке 3—2. Но мы уже знаем, что энергия излучения тем больше, чем больше частоты излучения. Следовательно, если существует закон разности энергий излучений, то существует и закон разности частот излучений. Это мы и видим на примере частот, указанных в предыдущем абзаце. В самом деле: 6,2·1014 — 1,6·1014 = 4,6· 1014.

Следует заметить, что при каждом отдельном перескоке электрона атом испускает излучение только одной частоты. Если же в спектре водорода мы наблюдаем излучения не одной, а нескольких частот, то это потому, что мы всегда наблюдаем результат действия не одного, а множества атомов. В одних атомах электроны перескакивают со второй орбиты на первую, в других — с третьей на вторую, с третьей на первую и т. д.

Такое же объяснение можно дать и частотам спектров других элементов.

Такова была модель атома, нарисованная Бором. Она была только первым шагом в изучении строения атома, так как не объясняла, почему электроны ведут себя в атоме так странно, в противоречии с установленными ранее законами. Она только указывала (да и то лишь в простейших случаях), как они себя ведут, в силу каких-то новых, еще не открытых законов, верных для мира малых величин. Эти законы были открыты не сразу. Они нашли освещение в новой науке — квантовой механике.

Модель Бора отображает го, что происходит в простых атомах, лишь в грубом приближении. А для сложных атомов она вовсе непригодна. Но в случаях, когда большая точность не требуется, физики пользуются этой моделью ввиду ее простоты.

В этой модели сохранятся не геометрические образы (орбиты электронов), а главные физические черты, подтвержденные экспериментом; а именно: возбужденные атомы находятся в различных энергетических состояниях, вполне определенных для атомов данного элемента; это энергетическое состояние атом может изменять только скачком, переходя при этом на более низкий энергетический уровень и испуская квант света (фотон) определенной частоты (и, следовательно, определенной энергии), в зависимости от того, какой из возможных переходов он при данных условиях совершает.

 

Атомные спектры и электронные слои

Физики собрали в спектроскопических лабораториях все известные элементы. Они бомбардировали атомы различных элементов быстрыми электронами, отщепляли от атомов то один, то два, то несколько электронов, действовали на атомы сильными магнитными и электрическими полями, словом, ставили атомы во всевозможные условия. И все время наблюдали, какие при этом получаются спектры, как эти спектры изменяются под влиянием различных условий. А из этого делали выводы о том, какие же перестройки происходят внутри атомов.

Рассмотрим один из примеров, показывающий, как по атомным спектрам физики определяют строение атомов.

Возьмем элемент литий. Он стоит в таблице Менделеева на третьем месте, у его атомов по три электрона. Если атом не возбужден, электроны обращаются вокруг ядра по устойчивым орбитам. Все эти орбиты можно занумеровать одним номером — № 1; но мы должны помнить, что это номера орбит для разных электронов. Не можем ли мы по спектрам атомов лития узнать что-либо еще о его орбитах?

Будем обстреливать атомы лития из электронной пушки. Мы уже знаем, что при малой энергии электронов-снарядов атомы лития не будут возбуждаться. Первое возбуждение наступит тогда, когда электроны-снаряды достигнут энергии в 1,86 электрон-вольта. При захвате этой энергии наружный электрон лития перейдет на орбиту № 2. Другие электроны останутся на своих прежних орбитах: они ближе к ядру, сильнее с ним связаны. Их такой малой энергией не возбудить. Мы узнаем о возбуждении наружного электрона благодаря тому, что литий будет испускать излучение с частотой 4,6·1014 циклов; эта частота будет свидетельствовать об обратном перескоке наружного электрона с орбиты № 2 на орбиту № 1. При захвате следующих порций энергии наружный электрон будет переходить на новые орбиты, а при обратном перескоке испускать излучение с новыми частотами.

Чем больше порция захваченной атомом энергии, тем дальше будет орбита наружного электрона, тем слабее будет его связь с ядром. При захвате энергии в 5,4 электрон-вольта наружный электрон вылетает из атома совсем— атом становится ионом (однократная ионизация). Если однократно ионизованный ион лития захватит извне медленно движущийся электрон, он испустит излучение с частотой 12,96·1014 циклов.

Заметим, что частоты, с которыми мы имеем дело при возбуждении наружного электрона, лежат в пределах от 4,6·1014 до 12,96·1014 циклов. Последняя частота больше первой всего в 2,9 раза.

При обстреле лития электронами, имеющими энергию не ниже 75 электрон-вольт, появится излучение с частотой 182,0·1014 циклов. Атомы лития, испускающие это излучение, дважды ионизованы. Второй электрон вылетает из атома при захвате энергии в 75 электрон-вольт. А излучение с указанной частотой испускается, когда дважды ионизованный атом лития захватит извне медленно движущийся электрон. Последний, третий, электрон вылетает из атома при захвате энергии в 121 электрон-вольт, что соответствует излучению с частотой 294,7·1014 циклов.

Мы получили ряд энергий ионизации лития: энергия первой ионизации равна 5,4 электрон-вольта, второй — 75 электрон-вольтам, третьей — 121 электрон-вольту. Соответствующие этим энергиям частоты: 12,96·1014, 182,0·1014 и 294,7·1014 циклов. Эти энергии, или частоты, показывают, как крепко связаны электроны лития с ядром, сколь близко они находятся к ядру.

Сразу видно, что энергия связи второго электрона больше энергии связи наружного, наиболее слабо связанного электрона, в 14 раз. А вот энергия связи третьего, внутреннего электрона больше энергии второго всего в полтора с небольшим раза. Связь у двух внутренних электронов с ядром почти одинакова, их орбиты находятся недалеко друг от друга. Эти два электрона составляют тесную группу, или, как говорят физики, составляют один слой электронов. Наружный же электрон у лития обращается вокруг ядра вдалеке от внутреннего слоя электронов (рис. 36).

Так, изучая частоты излучений, ученые делают выводы о внутреннем строении атомов, о том, что электроны в атомах располагаются по слоям. В тяжелых атомах число таких слоев достигает семи. Физики называют их: слой К (ка), слой L (эль), слой М (эм) и т. д. Эти слои, кроме того, разделяются еще на подгруппы.

Частота рентгеновских излучений находится в пределах от 3·1016 до 3·1019 циклов; частота видимого света  — в пределах от 0,8·1014 до 0,4·1014 циклов. Следовательно, частота рентгеновских излучений больше частоты видимого света в десятки тысяч раз. Во столько же раз больше и энергия фотонов рентгеновских излучений.

Рис 36. Модель атома лития. Два ближайших к ядру электрона составляют внутренний слой

Из этого следует, что высокочастотные рентгеновские спектры испускаются три перескоках электронов, которые движутся глубоко внутри атомов и сильнее всего связаны с ядром. Инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые спектры (их называют оптическими) образуются в результате перескоков внешних электронов, связанных с ядром слабее.

Таким образом, исследования спектров помогли более ясно представить строение атомов.

 

Свет и химические свойства атомов

С оптическими спектрами атомов мы имеем дело с первых страниц нашей книжки. Это их наблюдали физики на заре развития спектрального анализа. Это они служили приметами для опознавания химических элементов, ибо у каждого химического элемента они особенные.

Теперь физики «прошлись» вдоль всей таблицы Менделеева и внимательно сравнили оптические спектры элементов. Они сопоставили спектры и с химическими свойствами элементов. Результаты получились интересные.

Возьмем, например, из таблицы Менделеева следующие элементы: № 2 — гелий, № 10 — неон, № 18 — аргон, № 36 — криптон, № 54 — ксенон. Все они стоят в одном столбце. Все они — газы, которые не вступают в химические соединения с другими элементами в обычных условиях; это — инертные газы. Оказывается, что на их возбуждение нужно затратить сравнительно большую энергию, обстрелять их более быстрыми электронами, и только тогда они начнут излучать. Это связано с тем, что наружный электронный слой этих атомов образует замкнутую группу электронов, прочно связанную с ядром. Образно можно сказать: атомы инертных газов плотно упакованы.

В первом столбце периодической таблицы стоят металлы: № 3 — литий, № 11— натрий, № 19 — калий, № 37 — рубидий, № 55 — цезий. Они называются щелочными металлами. Щелочные металлы легко вступают в соединения с другими элементами. В наружном слое у атомов всех этих элементов всего по одному электрону, слабо связанному с ядром. Оказывается, что и оптические спектры возбудить у них легче, чем у других элементов. Необходимая для этого энергия в 5—10 раз меньше, чем для возбуждения инертных газов.

В том же столбце стоит и водород. Это, правда, не металл, а газ. Но и он столь же легко соединяется с другими элементами. В его «наружном» слое тоже только один электрон; а внутренних слоев у него нет совсем, ибо у него всего только один электрон. Его единственный электрон столь же слабо связан с ядром, как и наружные («оптические») электроны у щелочных металлов. Следовательно, были физические основания поставить его в тот же столбец, что и металлы.

Из сопоставлений оптических спектров и химических свойств элементов можно сделать замечательный вывод: если химические свойства элементов похожи друг на друга (такие элементы стоят в одном столбце), то и строение их спектров похоже друг на друга. Следовательно, у них и строение оптических электронных оболочек также похоже друг на друга!

Так была установлена связь оптических спектров с химическими свойствами элементов.

Огромную работу по спектральному анализу атомов проделала группа советских физиков, руководимая академиком Д. С. Рождественским (1876—1940). Эта группа начала свою работу в 1918 году в только что созданном советской властью Государственном оптическом институте. В частности, Д. С. Рождественский исследовал и установил закономерности спектров щелочных металлов и строение их электронных слоев.

 

Молекулярные спектры

Особенно большое значение для химии имело изучение спектров сложных веществ, или так называемых молекулярных спектров. Молекула — это сложная частица, состоящая из химически связанных друг с другом атомов. У молекул спектры совсем иного вида, чем у атомов. Молекулярный спектр не линейчатый, а полосатый. Вместо отдельных линий в молекулярных спектрах видны широкие полосы. Каждая полоса — это совокупность множества отдельных линий. Полосатые молекулярные спектры получаются при сравнительно невысоких температурах, например в газовой горелке (1800 градусов). При очень высоких температурах, например в электрической дуге (5000—6000 «градусов), большинство молекул сложных веществ разлагается «а отдельные атомы, полосатый спектр исчезает, появляются линейчатые спектры атомов, составляющих молекулу.

Раньше химик изучал сложные вещества так. Он выяснял, «при каких условиях различные атомы соединяются друг с другом; каковы весовые отношения отдельных элементов в сложном веществе; каковы свойства полученного вещества. Но от химика было скрыто главное, он не знал, какая перестройка происходит в атомах при соединении их в молекулу, не знал, почему одни вещества соединяются друг с другом, а другие нет. Это затрудняло сознательное управление химическими процессами.

Изучение спектров помогло и здесь. По тому, какие спектры испускают молекулы сложных веществ, как они рассеивают падающий на них свет, можно многое узнать о строении по крайней мере простейших молекул. Большие исследования в этой области были «проведены советскими академиками Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом, а также ленинградскими учеными профессорами С. Э. Фришем, Е. Ф. Гроссом и другими.

Академики Мендельштам и Ландсберг обнаружили новое, весьма важное явление. Они установили, что молекулы кристалла кварца, а также исландского шпата, рассеивая падающий свет, изменяют его спектральный состав, вызывают в спектре рассеянного света добавочные линии, которые сопровождают каждую линию первичного света. Эти добавочные линии получили название сателлитов (зависимых). Они появляются благодаря собственному колебанию молекул. В силу этого явление, открытое советскими учеными, названное комбинационным рассеянием света, представляет собой важный метод очень тонкого исследования строения молекул.

Большое число экспериментальных и теоретических работ в области исследования свечения растворов красителей проведено академиком С. И. Вавиловым (1891—1951). Он установил законы свечения молекул, позволяющие раскрыть механизм их возбуждения. Его исследования дают возможность судить об особенностях строения молекул красителей.

Теперь известно, что в ходе химических процессов перестраиваются оптические электронные слои атомов, и из них образуется общая электронная оболочка молекулы. Изучение строения молекул с помощью молекулярных спектров позволит химику находить средства ускорять течение химических процессов, более того, позволит вплотную подойти к созданию новых химических соединений, которые раньше в природе не наблюдались и свойства которых заранее задаются.

А это означает, что человек все больше становится активным творцом, который не только наблюдает, но и направляет процессы природы, преобразует ее на основе познанных законов.

 

Физические условия изменяют спектры

Мы уже говорили, что оптические спектры зависят от тех условий, в которых находятся атомы. Сильные магнитные поля изменяют оптические спектры атомов; они расщепляют спектральные линии. Таково же действие сильных электрических полей. Особенно резко меняет характер спектров ионизация атомов, т. е. выбивание из их электронной оболочки электронов. Спектр у незаряженного атома не такой, как у его иона. Когда про это забывали — приходили к ложным заключениям. Был, например, такой случай. В спектрах звездной туманности астрономы обнаружили линии, которые никто не наблюдал на Земле. Астрономы думали, что они открыли новый элемент, и заранее дали ему имя — небулий (от латинского слова «небула» — туманность). Казалось, они имели на это право: совсем так же был открыт гелий. Но небулию не повезло. Спустя много лет физики обнаружили, что неизвестные линии принадлежат не новому элементу, а дважды ионизованному кислороду, находящемуся в звездных туманностях в особых условиях. Таким же образом в звездных спектрах были «открыты» элементы короний и геокороний. Спектры, которые ввели в заблуждение астрономов, также принадлежали ионам давно известных элементов.

Недаром Менделеев так осторожно относился к известиям об открытии гелия, пока его не обнаружили на Земле. Еще в 80-х годах он указывал, что оптические спектры элементов сильно меняются в зависимости от тех условий, в которых находятся излучающие атомы. Академик Д. С. Рождественский впервые дал правильное истолкование спектров ряда ионизованных атомов (магния, ртути и других).

Физики изучают не только самые спектры, но и законы их изменений. По этим изменениям они узнают те условия, в которых находятся излучающие атомы. По тому, как изменяются звездные спектры, как сдвигаются в них линии давно известных элементов, ученые узнают, как и куда движутся звезды, как перемещаются отдельные области их атмосфер, каково давление в них, имеются ли в звездах электрические и магнитные поля, как ионизованы в них атомы и многое другое. По относительной яркости отдельных линий, иначе говоря, по тому, как в спектре излучения распределяется энергия, узнают температуру звезд. Таким же образом определяют температуру в электрической дуге, в доменных печах, всюду, где обычный термометр нельзя применять.

Так изучение спектров говорит нам не только о том, с каким веществом мы имеем дело, но и о его физическом состоянии.

 

Серии рентгеновских излучений

На рентгеновские спектры атомов внешние условия не оказывают столь большого влияния. Даже когда атомы вступают в химические соединения, их внутренние слои не перестраиваются. Поэтому рентгеновские спектры молекул те же, что и спектры составляющих атомов до их соединения в молекулу. Все это показывает, что электронные слои, в которых они возникают, лежат глубоко внутри атома и нелегко поддаются внешнему воздействию.

Рентгеновские излучения, возникающие в атомах одного и того же вещества, довольно резко разделяются на несколько серий по длине волны. Наиболее жесткие излучения, с короткими волнами, физики называют серией К (ка). Есть еще серии L (эль), серия М (эм) и другие (у тяжелых атомов). Эти серии аналогичны электронным слоям, о которых мы уже говорили.

Анализ спектров рентгеновских излучений показывает, что слой К — самый близкий к атомному ядру. В нем имеются только два электрона. И так во всех атомах, кроме водорода, у которого, как известно, всего лишь один электрон. Рентгеновские излучения серии К возникают тогда, когда один из электронов из слоя К выбивается при бомбардировке быстрыми электронами. Тогда на место удаленного электрона перескакивает электрон из других, более удаленных слоев. Этот перескок и дает рентгеновское излучение. Рентгеновские спектры серии К получены почти у всех атомов, начиная с № 4 — бериллия.

Изучение рентгеновских излучений показало, что структура внутренних электронных слоев одинакова у тяжелых атомов.

 

Рентгеновские частоты и ядерные заряды

Физики изучили частоты рентгеновских излучений у всех атомов, последовательно переходя от легких к более тяжелым. При этом переходе никаких периодических изменений в частотах не наблюдается. Зато наблюдается другая закономерность — частоты рентгеновских излучений постепенно, с ростом заряда ядра, возрастают. Опыты показывают, что частота излучений серии К зависит от порядкового номера элемента в таблице элементов Менделеева, или от заряда атомных ядер.

В 1914 году был открыт замечательный закон, названный по имени открывшего его английского физика законом Мозели. Согласно этому закону, частота рентгеновских излучений связана с зарядом атома. Первая частота из серии К вычисляется следующим образом. Некоторая, одинаковая для всех атомов, постоянная величина 24,67·1014 (как эта величина получается, мы здесь не имеем возможности говорить) умножается на квадрат числа, которое на единицу меньше заряда ядра (заряд ядра выражается в электронных единицах). У алюминия заряд ядра в электронных единицах равен 13 (он стоит в периодической таблице на тринадцатом месте). Так, для алюминия первая рентгеновская частота серии К вычисляется так: 24,67·1014 ·(13—1)2 циклов. Заряд ядра атома у серебра равен 47 электронным единицам. Чтобы получить первую частоту той же серии рентгеновских излучений для серебра, придется перемножить числа 24,67·1014 ·(47—1)2.

Справедливость этого закона была сначала установлена при исследовании рентгеновских излучений тех элементов, атомы которых были обстреляны альфа-частицами.

Но раз этот закон найден, он сам позволяет устанавливать заряд тех атомов, которые еще не были исследованы с помощью обстрела альфа-частицами. Для этого нужно было возбудить в них серию К рентгеновских излучений, промерить частоту их и произвести вычисления. Этот спектрометрический метод определения ядерных зарядов оказался гораздо более точным, чем метод, в котором заряд ядра определяется из учета того, как отклоняются ядром альфа-частицы.

Закон возрастания рентгеновских частот при переходе от легких атомов к более тяжелым — очень важный закон. Мы сейчас увидим, какую пользу принесло науке его открытие.

 

Точное место элементов в таблице Менделеева

Некоторые химические элементы стоят в таблице Менделеева не в порядке возрастания атомных весов. Таковы три группы элементов: № 18 — аргон (атомный вес 39,9) и № 19 — калий (атомный вес его меньше — 39,1), далее № 27 — кобальт (атомный вес 58,9) и № 28 — никель (атомный вес его меньше — 58,7), а также № 52 — теллур (атомный вес — 127,1) и № 53 — иод (атомный вес его меньше — 126,9).

Менделеев поставил указанные элементы в свою таблицу сообразно их химическим свойствам, в той последовательности, в какой они здесь перечислены. Атомные веса соседних элементов (например, кобальта и никеля) мало отличаются друг от друга. Среди химиков долго шли споры. Одни говорили, что в этих случаях нарушается периодический закон. Другие утверждали, что нарушения периодического закона нет, а просто у этих элементов неправильно определен атомный вес. Но сколько ни уточняли химики атомные веса этих элементов, всегда оказывалось, что аргон, кобальт и теллур соответственно тяжелее калия, никеля и иода. И все же в таблице Менделеева они стояли впереди калия, никеля и иода в нарушение стройности всей таблицы, как тогда думали.

В те времена и до конца жизни Менделеева (1910) наука еще ничего не знала ни о зарядах атомных ядер, ни о частотах рентгеновских излучений и тем более о законе возрастания этих частот с увеличением заряда атомных ядер. Закон Мозели был открыт уже после смерти Менделеева.

Когда все эти открытия были сделаны, рентгеновские спектры показали, что Менделеев совершенно правильно определил последовательность указанных элементов. Как теперь установлено, данная Менделеевым последовательность элементов соответствует возрастанию зарядов атомных ядер. Химические свойства элементов больше зависят от заряда атомных ядер, чем от атомных весов. Позднее ученые обнаружили даже такие элементы, у которых атомный вес немного отличался, но заряд ядер был один и тот же. И химические свойства их были тоже почти одинаковы. Такие элементы называют изотопами. Все изотопы стоят в одной клетке таблицы Менделеева (изотоп — слово греческое, означает «занимающий то же место»). Почти каждый элемент имеет несколько изотопов. Химики же определяли ранее не точный атомный вес элемента, а лишь средний атомный вес, т. е. атомный вес для смеси, состоящей из изотопов. Нарушив в своей таблице в трех случаях порядок возрастания атомных весов, Менделеев сохранил порядок, соответствующий закону периодичности химических свойств элементов. Но тем самым, как оказалось впоследствии, Менделеев сохранил последовательность возрастания ядерных зарядов.

Вот замечательный пример того, как важно быть объективным в науке и не поддаваться соблазну подогнать факты (атомные веса) под «закон» (возрастания атомных весов в периодической таблице), который, казалось бы, был уже вот-вот нащупан, так как оправдывался для 97% элементов! В этой объективности проявляется сила подлинной науки и мужество настоящих ученых.

Это также и пример того, что в науке исключения из установленных ранее правил всегда ведут к раскрытию новых, более общих, закономерностей.

Уверенность Менделеева в справедливости открытого им великого закона природы — закона (периодичности химических свойств — оправдалась и в этом случае. Она была подтверждена также и спектральным анализом рентгеновских излучений.

 

Рентгеновский спектр неоткрытых элементов

Наконец изучение закономерностей рентгеновских спектров привело к открытиям новых элементов.

Мы видим, что по частоте рентгеновского излучения серии К у какого-нибудь элемента можно установить, каков заряд ядра у его атомов, в какой клетке таблицы Менделеева он должен стоять. Наоборот, если известно, в какой клетке таблицы стоит (или должен стоять, если он еще не известен) элемент, то заранее можно сказать, какова частота его рентгеновских излучений.

В то время, когда был найден закон возрастания рентгеновских частот серии К с повышением порядкового номера элемента (1914 г.), в таблице Менделеева оставалось еще семь пустых клеток с номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. Никто еще не встречал в природе элементов с такими зарядами.

Но такие элементы должны существовать в природе! Закон возрастания рентгеновских частот позволяет вычислить, какие рентгеновские спектры дают эти элементы. Физики снова принялись за поиски. С этой целью сии обстреливали из электронной пушки многие сплавы и соединения. Если в каком-нибудь соединении находится «скрывающийся» элемент, он испустит излучение рентгеновской частоты. Физики ее заранее вычислили. Они точно знали, в каком месте спектра нужно ее искать, какой прибор (с каким устройством и шкалой) нужно взять, чтобы ее обнаружить! Поиски увенчались успехом. В двадцатых годах нашего века в платиновых рудах, минерале колумбите и других соединениях были обнаружены: элемент 72 — гафний, элемент 75 — рений, элемент 43 — мазурий, элемент 61— иллиний. Первые три из них были предсказаны еще Менделеевым, но в свое время отыскать их было трудно, пока не был теоретически рассчитан их рентгеновский спектр.

Открытие этих элементов было триумфом не только периодического закона Менделеева, но также и спектроскопии рентгеновских излучений.

 

Познавательная роль теории

Стоит обратить внимание на то, как меняются методы поисков новых неизвестных элементов с ростом научных знаний.

В 60-х годах прошлого века ученый смотрел в спектрограф и искал, не появилась ли среди многих знакомых спектральных линий какая-либо незнакомая линия. Если находил — радовался: значит, открыт какой-то новый элемент. Этот метод был большим шагом вперед. Но иногда ученый, может быть, держал неоткрытый элемент в руках, но не находил его излучений; новые линии приходились на такой участок спектра, который не был виден в его спектрографе.

Теперь дело обстояло совсем иначе. Физик с большой точностью знал рентгеновский спектр еще не открытых элементов и, следовательно, знал, в какой части спектра следует искать их излучения. Так меняются методы исследований с ростом научных знаний.

Это — один из многих примеров, показывающих, как безгранична сила человеческого познания, как велика роль обобщающей теории. Она позволяет взглянуть на, казалось бы, разрозненные элементы и излучения, как на нечто целостное, подчиненное единым законам природы.

 

Превращение света в вещество

Исследование условий, при которых возникает свет в недрах вещества, углубило наши познания структуры атома, его составных частей — электронов, протонов, нейтронов, — так называемых элементарных частиц. Оно ввело физиков в мир малого — микромир — с его специфическими законами, в свете которых законы мира больших тел — макромира — оказались лишь приближенными. В микромире были открыты многие новые элементарные частицы.

Уже один тот факт, что свет рождается в недрах вещества, что фотоны появляются в результате каких-то пертурбаций, протекающих в недрах атома, говорит о том, что свет и вещество не внешне, а генетически связаны друг с другом. Это нашло свое подтверждение.

Английский физик Поль Дирак (родился в 1902 году) около тридцати лет назад попытался охватить процессы возникновения и поглощения света в единой математической теории. Но созданная им теория только в том случае была бы в состоянии охватить все известные экспериментальные факты, если бы было допущено, что в поле атомного ядра кванты света распадаются на... две противоположно заряженные частицы вещества — электрон и позитрон.

#n38.png

Рис. 37. Рождение пары электрон-позитрон из светового гамма-кванта. В магнитном поле налево (наверху) отклонен позитрон, направо — электрон

В свете прежних представлений, при которых вещество и свет противопоставлялись друг другу, как две чуждые по своей природе стихии (вещество — материя, свет — энергия), это требование теории казалось удивительным. Тем не менее соответствующие эксперименты были поставлены, и они действительно подтвердили, что гамма-кванты света в поле ядра превращаются в электрон и позитрон. Этот процесс превращения можно сфотографировать, если опыт производить в камере, в которой воздух пресыщен водяными парами, а вся камера помещена в сильное магнитное поле. Тогда возникшие электрон и позитрон будут разлетаться от точки своего рождения, загибаясь в разные стороны, поскольку у них противоположные заряды и они по-разному отклоняются магнитным полем. На своем пути они будут оставлять следы из осевших водяных паров. Эти-то следы и фотографируются.

На рис. 37 показана фотография, на которой видны следы электрона и позитрона, образовавшиеся в результате превращения гамма-кванта с длиной волны порядка одной десятитысячной ангстрема. Эта фотография получена в эксперименте русских ученых А. В. Трошева и И. М. Франка.

Возможен также и обратный процесс — превращения пары электрон-позитрон в кванты света, которое некоторые физики на Западе неправильно называют аннигиляцией, т. е. уничтожением материи.

Напротив. Факт взаимопревращений вещества и света показывает, что оба они являются не чем иным, как различными формами материи. Установление этого факта является высшим достижением современной физики. Технически этот факт еще не использован человеком. Но в будущем он, несомненно, откроет большие перспективы. Что касается принципиальной стороны дела, то и сейчас это открытие вооружает материалистов в борьбе за целостное материалистическое мировоззрение.