Zn—одиночники триолеты
В полном согласии с теорией ионы, несущие один положительный заряд, то есть потерявшие один элекчрон, дают спектр, свойственный Э. предыдущей группы; так, Са~ обладает дублетами Sq-H- - триплетами и так далее
Замечательные результаты получены для группы Э. редких земель, у которых мультиплетность равна 4 у лантана, правильно возрастает до И у гадолиния, а затем падает до 4 у лютеция (кассиопея).
Сопоставляя данные химии и спектроскопии, мы видим тесную связь между спектральной мультиплетностью и химической валентностью у Э. Очевидно, что электроны, попарно связанные анти параллельными осями вращения, не принимают участия в валентности. Валентные электроны устанавливаются так, что все их векторы вращения параллельны; мы видели, что при этом состояние атома (уровень его энергии) распадается на ряд состояний, очень близких друг к Другу, что и определяет мультиплетность спектра х=2s -f-1; если число параллельно направленных вращающихся осей электронов равно и, то п=2s х=п + 1; но число и определяет валентность элемента, след, валентность на единицу меньше мульпги-нлетности спектра. Возьмем железо; если в нем имеется б одинаково направленных электронов, то
ZS.=6-~2-=3=s; ж 2s -|- 1=7;
п=2s=6,
след, в данном случае в спектре имеются септеты, и железо — шестивалентко
| (железная кислота Е.РеО.,); если в j атоме железа число электронов с анти-! параллельными осями вращения станет меньше, то и валентность соответственно уменьшится. Отсюда также вытекает правило четности или нечетности валентностей (например у галоидов 1, 8, 5 и 7, у серы 2,4, в и так далее). Понятно, что это только первый шаг в выяснении сущности валентности; возникают трудности в объяснении валентностей Э. редких земель (3. реже 2 и 4) при наличии разнообразных мульти-плетноотей (до 11 у Gd), в объяснении промежуточных валентностей, например у железа валентности 2, 3, б и так далее
Несомненно, что самые внешние электроны играют важную роль в химических явлениях, но не только ими определяется качественность химического Э. Валенгные электроны обусловливают сходство родственных Э., качественные же и количественные различия их (например, К и Na) определяются и их ядрами и всеми остальными внешними электронами; роль последних особенно сказывается у Э. в атомах, в которых имеются недостроенные оболочки.
Ядра атомов, изотопия, дефекты масс. Атомами положительного электричества являются протоны; все протоны атома сосредоточены в ядре его, электроны же частью находятся в ядре, частью вне ядра (внешние электроны). Масса электрона меньше массы атома водорода в 1.844 раза точнее, если атомный вес водорода Н=1,0078, то вес электрона в атомных единицах 0,000548; в абсолютных единицах масса электрона 0,901 10—“7 г (масса 3/I(j атома кислорода — 1,6490-10~24). Ядро водорода есть протон, масса протона в атомных единицах принята равной 1,0072, в абсолютных — 1,661 ДО-24 г.
Основное положение теории атома гласит, что порядковое число Э. есть число положительных зарядов ядра, след, в силу нейтральности атома в целом оно равно числу внешних электронов. Можно было думать, что часть электронов находится в ядре и что масса атома почти определяется массой ядра, содержащего все протоны.
Другими словами, атомный вес Э.-изо- j топа (округленный) показывает число протонов в ядре (массовое число изо-! топа).
Атомный вес гелия по точным масс-спектрографическим данным (Астон) равен 4,00216, то есть в его ядре 4 протона; порядковое число гелия—два, отсюда следует, что в ядре его атома находятся два электрона, два же других электрона образуют внешнюю электронную сферу. Ядро гелпя имеет состав 4где h—протон, е — электрон; это ядро несет два положительных заряда и носит название а-частицы (смотрите радиоактивность).
Так как в атомных единицах /1= 1,0072, г — 0,000548, то атомный вес атома гелия=47ь + 2г + 2г=4 1,0072+ + 4 0,000548=4,03099, опытный же атомный вес гелия=4,00216; получается дефект массы=4,030у9 — 4,00216== 0,02883 ат. единиц или при расчете па грамм-атом гелия 0,02883 г. По принципу относительности Эйнштейна эквивалентность массы и энергии выражается уравнением me-=Е, где т— масса в г, с-скорость света 3 10го см, Е—энергия в эргах.
Мы принимаем, что атом гелия образуется из 4 протонов и 4 электронов; очевидно, что при таком допущении образование грамм-атома гелия сопровождается превращением части массы в энергию, то есть образование атома гелия из протонов и электронов есть процесс экзотермический. Количество выделяющейся при этом энергии огромно: 0,02883 9 Ю20 =
= 2,5947 - Ю19 эрг=6,2 1011 кал (на каждые 4 г гелия). Непременным следствием потери массы (выделения энергии) является большая устойчивость ядра атома гелия (я-частицы).
Действительный атомный вес а - частицы, очевидно, равен 4,00216 — — 2 0,00548=4,00100.
Следующий элемент—литий состоит из двух изотопов: Li0 и 1л7, их порядковое число Z = 3, след, ядро первого состоит из 6 протонов и 3 электронов, второго из 7 протонов и 4 электронов. Так как а-частицы черезвычайно устойчивы и при распаде атомов радиоактивных Э. выделяются не протоны.
j а а-частицы, то надо думать, что протоны и электроны в ядрах атомов ! организуются в а-частицы; в этом случае ядро Li6 состоит из одной а-частицы, двух свободных протонов и одного свободного электрона, то есть формула этого ядра: а + 2h + г, формула ядра Li7: a -j- Sh + 2г.
В атоме углерода 12 протонов и 12 электронов, из них 6 в ядре и 6 во внешней сфере. Очевидно, что ядро атома углерода (12/г + 6г)можно считать состоящим из трех а-частиц, то есть его формула За. При образовании атома С из 12h и 12г получаем атомный вес 1,0072×12 + 0,000548×12=12,0930, опытный же вес равен 12,0036; след., получаем дефект массы в 0,0894 атомных единицы, то есть на г-атом С дефект 8,9 мг. Состав атома С можно считать За + 6г; приняв действительный ат. вес а-частицы 4,00106, получаем ат. вес С: 4,00106×3 + 0,000548×6=12,0065, след, даже при образовании атома С из а-частиц и электронов получается дефект массы 12,0065—12,0006=0,0029 г, или 2,9 мг.
Дефекты масс растут с атомным весом и доходят до 1,768 г на г-атом у урана, при расечете же на образование из а-частиц дефекты растут до Э. с порядковыми номерами около 50, а у более тяжелых Э. уменьшаются; так, такие дефекты у С—2, 9, у Sn122— 169, у Ra—27 мг на г-атом; очевидно, что устойчивость более тяжелых атомов меньше, чем легких (радиоактивность).
Если Z—порядковое число Э., -VA_ число протонов в ядре его (или изотопа), то есть округленный атомный вес его,
то число а-частиц в ядре n=—Nh число всех электронов в атоме JS —=Nh, в ядре Nz=Nh — число электронов, связанных в а-частицах, отсюда число свободных электронов в ядре п&=Nh —Z—2n. Число свободных протонов в ядре равно остатку от деления Nh на 4, след, равно 1, 2 или 3; в связи с этим все Э. и изотопы могут быть разбиты на 4 группы, атомные веса которых Nh=4ее, 4«+ 1, 4гс + 2 и 4п 4-3.
Важнейшие и наиболее распространенные в природе Э. и изотопы принадлежат к классам Ап и 4ег + 3. Кроме этого, можно отметить еще следующие эмпирические правила. Гаркннс (ер. электронная теория, L1I, 210) установил, что чаще всего встречаются Э. с четными порядковыми числами.; он же нашел, что У 971/о°/о всех атомов в земной коре и у 97% в каменных метеоритах число ядерных электронов четное. Оказывается далее, что Э. с нечетными порядковыми числами или являются чистыми Э., или имеют два изотопа, атомные веса которых Nh нечетны и отличаются друг от друга на два (наир., хлор Z=17; С135 и С137; сурьма #=51; Sb121 и Sb123; серебро #=47; Agu,7 и Ag109, и так далее). Э. же с четными порядковыми числами имеют много изотопов (олово—11, кеенон—9 и тому подобное.).
Для объяснения этих и ряда других правил необходима теория атомного ядра; таковая только начинает строиться (Джерией, Кондон, Гамов). Проблема ядра много сложнее проблемы внешней оболочки атома; на j самом деле, радиус ядра ;атомов! г0=1,21 10”13А: Зсл1, где А—атомный вес, след, поперечник ядра атома урана около .15 10~13 ем и в нем умещается 238 протонов и 146 электронов. Очевидно, что а-частицы в ядре тесно сжаты, очевидно также, что на таких черезвычайно близких расстояниях одноименно заряженные частицы не отталкиваются, а притягиваются. Из опытов рассеяния а-частиц при прохождении их через вещества следует, что до расстояний порядка 10”12 сантиметров сохраняет силу кулонов закон, то есть до таких расстояний потенциал ядра равен его заряду, деленному на расстояние. Fla более близких расстояниях силы отталкивания начинают превращаться в силы притяжения так, что в общем случае потенциальная энергия ядра и а-частицы, находящихся на расстоянии г:
2Ze“, А Ь -г rk,
где #—порядковое число элемента, е—заряд протона, А и постоянные.
| На черезвычайно близких расстояниях |в ядре превалирует второй член в этом : выражении энергии; для алюминия критическое расстояние, на котором | притяжение начинает превышать от- талкпоанл, равно Ю~13 см. Нарис. 9 показан общая ход потенциальной энергии ядра и а - частицы
в зависимости от расстояния; по мере уменьшения г сила отталкивания возрастает, но она возрастает только до некоторого критического расстояния г0, на более же близких расстояниях эти силы круто спадают; очевидно, что внутри ядра энергия а-частиц значительно меньше, чем на расстоянии г0, другими словами: ядро окружено особым потенциальным барье-роме который является сильным препятствием как для внедрения, так и для вылета а-чаетицы из ядра. Так, у алюминия высота барьера около 15 10~6 эргов, энергия а-чаетиц даже тяжелых радиоэлементов от б до 14 10~G эргов, энергия же своих а-частиц значительно меньше. Тем не менее, из факта радиоактивности и возможности расщепления элементов вытекает, что а-чаетицы могут пе“ рескакивать через такие барьеры. Если полная энергия частицы в ядре JE, а потенциальная энергия барьера U, то всегда iе<Z7; разность E—U есть кинетическая энергия; для того, чтобы частица могла вылететь из ядра, ее кинетическая энергия должна была бы быть отрицательной, а, след., скорость мнимой.
Однако, современная волновая меха» ника приводит к возможности таких перескоков, подобно тому как волновая оптика показывает возможность отклонения светового и ча от прямолинейного пути. Напр., мы знаем, что гхучек лучей при падении на границу двух сред под углом полного внутреннего отражения по законам геометрической оптики полностью отражается, между тем как по волновой теории света потоки световой энергии заходят и во вторую среду, хотя в ничтожно малом количестве. Нечто аналогичное происходит и в ядре по водно вой механике, по которой всякая движущаяся частица связана сводной (волной материи), распространяющейся со скоростью w, большей скорости света; по уравнению д-Бройля /iv=me2, где h—квант действия, v- частота колебаний, т— масса частицы, с—скорость света. Здесь мы должны различать две скорости: механическую скорость частицы v и скорость волны ее и; эти две скорости связаны друг с другом соотношением ш=с3, след., чем медленнее движется частица, тем больше скорость ее волны; из этихформул следует, что или
Волны материи не являются
Энергетическими волнами, но они имеют центры энергии, каковыми являются протоны и электроны. Для а-частицы и в ядре атома, движущейся со скоростью, равной 9q -ой скорости света,
длина ее волны около 6 10_13ем,т.-е, порядка величины самого ядра.
Волны частиц в ядре падают на потенциальный барьер и отражаются, в результате образуются приближенно стоячие колебания волн, но частью эти волны проникают через барьер, что и обусловливает возможность перескока частицы через барьер. Наглядно этот процесс не может быть описан, как и не может быть объяснен физически смысл мнимой скорости в<> время перехода через барьер; скорость приобретает реальный характер только после чакого перехода. Волновая ме ханика показывает не только возможность такого перескока, но и вычисляет вероятность его. Эта вероятность выражается уравнением р=е7, где
Гг.
V ~А}, J 1,(й—Е) dr, где г, иг,—
Г,
j пределы области мнимой скорости, остальные буквы имеют прежние значения; если это выражение помножить еще на частоту обращения а-частицы, то есть на 1021 (радиус ядра порядка 10”12, скорость движения «-частицы порядка 109 см/сек), то мы получим постоянную радиоактивного распада. То. что у является степенью е, объясняет, почему при сравнительно небольших отличиях в значениях U и Е периоды полураспада Э. меняются в столь громадных пределах: для
RaC — 10~~s сек, для U — 5 10г< лет. Результаты подсчетов вполне удовлетворительны, и этот факт подает большие надежды на дальнейшее развитие теории.
Искусственное расщепление атомов. Рэзерфорду удалось бомбардировкой атомов легких Э. быстрыми а-частицами некоторые из них разбить (смотрите ’радиоактивность), причем из разбитого ядра вылетают h лучи, то есть протоны с большой скоростью. Такое расщепление ядра у чается только у Э. более легких, чем аргон и не принадлежащих к классу 4п. Расщепление атомов может быть запечатлено на фотографии; изучение таких фотографий показало, что в каждом случае имеются следы выбитого протона, отскочившего остатка ядра и налетающей а частицы до столкновения, но не после столкновения, откуда следует, что а-частнца застревает в ядре, из которого она выбила протон. Таким образом в результате столкновения происходит выбивание протона (убыль ат. веса на 1) и застревание «-частицы (прирост ат, веса на 4) в ядре, след, из данного Э. получается другой, более тяжелый; так, из азота образуется изотоп кислорода 017, из фтора изотоп неона Ке£1>. Всегда ли а - частица застревает в ядре-неизвестно. Понятно что перед теорией ядра здесь встает обратнаязадача, показать как а-частица пере-; скакивает через барьер внутрь ядра. | Тот факт, что расщеплению подвер- гаются более легкие Э., нетрудно по-; нить, так как у них более низкий барьер и след, имеется значительно большая вероятность проскакивания через него. Однако, ряд других моментов ставит теорию ядра в очень трудное положение, из которого пока еще выхода не найдено. Достаточно указать, что в связи с этими задачами ! опять поднимается вопрос о статистическом смысле закона сохранения Э.
Следует еще упомянуть, что теория предвидит большую эффективность столкновений протонов (Л - частиц) с ядром атомов. Быстро летящий1 протон значительно легче может про-j никнуть в ядро и выбить ыз него а- : частицу. Экспериментальная труд-; ность состоит в получении МОЩНЫХ : пучков протонов.
Дальнейшие исследования по облучению различных Э. а-лучами при-: вели к поразительным результатам, выдвинув проблему атомного ядра: и ядерных реакций на первое место в этом отделе физики. В период 1930—: 1932 гг. было доказано, что под влия- наем бомбардировки а-лучами литий и особенно бериллий испускают потоки ! особых частиц, обладающих массой,! весьма близкой, а м. б. и тождествен-1 ной с массой протона, но не несущей ! заряда; эти Частицы были названы | нейтронами (обозначение пJ). Отсут-! ствие заряда объясняет огромную про-; пикающую способность этих частиц; | они обнаруживаются не непосредственно, а по вторичному явлению: ускорению ядра, с которым столкнулся 1 нейтрон, и последующей ионизации газа.
Вторым крупнейшим открытием, которое было сделано в последние годы при изучении действия космических лучей на вещества с помощью камеры: Вильсона, было открытие позитрона —
+
положительного электрона е то есть частицы, равной по массе электрону и несущей тот же заряд, что и обычный электрон, но положительного знака.
Одновременно удалось развить технику получения мощных потоков протонов, ныне обозначаемых через Н}, а также и дейтонов Нр Обширные исследования но облучени и различных Э. a-лучами (они же Неф частицы), протонами, Дейтонами и нейтронами привели к открытью большого ряда ядерных реакций, из которых в качестве примеров приведем следующие:
LU--H; ->2Не5,
Li-bill ->2Не,1+<
Nlr-i-n,1, — BV -f-Hel
Особенно многочисленны реакции, протекающие между нейтронами и ядрами всех других Э., так как наличие зарядов у других частиц (Не! Hj, Hj) ограничивает их возможность проникновения в ядра более тяжелых элементов, обладающие значительными потенциальными барьерами.
При этих опытах И. Кюри и Жолио открыли искусственную радиоактивность, состоящую в том, что Э. продолжают излучать потоки частиц и после прекращения облучения. Рядом остроумных опытов было доказано, что в результате бомбардировки, скажем, алюминия а-лучами сначала образуется изотоп фосфора:
А127 + Не“-> PUI т- п1;
неустойчивый изотоп Р30 со строго определенным периодом полураспада разлагается на кремний и позитрон:
p3«-Si“° — е.
Открытие искусственной радиоактивности привело к новому источнику получения позитронов, а открытие нейтрона резко изменило взгляды на строение атомных ядер. Хотя еще далеко не закончены споры о составных частях ядра и о первичных частицах, то есть о том, является протон нейтроном-;- позитрон, или нейтрон есть протон--электрон, однако большинство исследователей склоняется к мысли о первичном характере нейтрона. С этой точки зрения в ядрах нет электронов, последние образуются вблизи ядра в его сильном поле. Подобно тому, как квант лучистой энергии (фотон) не входит в состав атома,! а рождается, когда энергия атома па-1 дает с одного уровня на другой, так! и электрон (и позитрон) рождается при переходах ядра из одного состояния энергии в другое. Возможно, что при этом выделяются 7-лучи, которые в силовом поле ядра „материализуются “ в электроны.
В ядерных реакциях надо учитывать не только характер ядер и частиц, но и их энергию. Подсчет энергетических балансов в ряде случаев приводил к противоречиям, и в конце концов возникло подозрение в правильности определения изотопических весов. Действительно, в 1935 г. Астон иечатно сообщил, что его точный масс-спектрограф дает систематическую ошибку и что найденные им изотопические („точные) веса неправильны. В настоящее время (1936) ведется особая работа по вычислению весов изотопов на основании изучения энергий частиц, выделяющихся из ядра при его превращениях. Вообще, надо сказать, что теория ядра только начинает создаваться, и пока еще прочно установленных положений нет.
Ядра атомов в двухатомных молекулах. Молекулам свойственны полосатые спектры (смотрите XLI, ч. 4, 45), анализ которых в настоящее время привел к ряду весьма важных заключений. Ядра двухатомов вмолекуле находятся на определенном расстоянии, и молекула вращается около оси. перпендикулярной к линии, соединяющей ядра, вследствие чего получается момент инерции молекулы. Этот момент инерции определяется разностью длин волн двух соседних линий одной и той же полосы; зная же момент инерции и массы атома, нетрудно вычислить расстояние между ядрами в молекуле; так, ядра атомов водорода в его молекуле находятся на расстояонии 0,75 А (онгстрем, см. XLI, ч. 4, 41) друг от друга; это расстояние в 1,4 раза больше нормального радиуса водородного атома. В молекуле иода ядранаходятся на 2,66 А. Для ряда случаев установлена периодичность расстояний между ядрами в зависимости от ат. веса Э. Тот же анализ некоторых
!ненормальностей спектра привел к от-крытью изотопов кислорода 0j7 и 038 ! (смотрите выше), а анализ характерных оптических частот молекулы дал доказательства того, что определенное число электронов является общим для обоих ядер.
Но наиболее интересные результаты получены путем рассмотрения явления резонанса с точки зрения волновой механики. Известно, что, если два колебания одинаковой частоты связаны между собой, то возникают так называемые биения, вызывающие смещение чисел колебаний, в результате чего получаются два различных колебания, из которых у одного частота больше, у другого меньше, чем у исходных колебаний. Волновая механика принимает, что такое же явление имеет место, если какие-либо силы действуют между двумя одинаковыми частицами (электронами, протонами или ядрами).
Так, в атоме гелия имеются два внешних одинаковых электрона; в силу резонанса следует ожидать двух систем уровней энергии (термов), а не одной, как у водорода (смотрите выше о спектрах парагелия и ортогелия). В случае атомов с большим количеством электронов такая связь между ними вызывает распадение системы уровней энергии на несколько частичных систем. Самое интересное это то, что между этими системами могут возникать слабые комбинационные линии только при наличии соответственного вращения электрона. Такие слабые комбинационные линии найдены у гелия, и это служит опытным доказательством собственного вращения электрона.
Явлением резонанса объясняется чередование интенсивности линий в полосатых спектрах двухатомных молекул: в них или выпадает каждая вторая линия, или лее слабые и сильные линии правильно чередуются. Это—результат резонанса между одинаковыми атомными ядрами в молекулах Э. (Н2,02, Ns,.. .)> причем если ядра не вращаются, то нмеет место выпадение линий; если ядра обладают собственным вращением, то наблюдается чередование интенсивностей линий. Оказалось, чтоядра гелия и кислорода не вращаются1 (вокруг собственных осей), ядра лее водорода и азота вращаются.
У Э. с атомным весом Ап (Не, 0,) в ядрах имеется летное число протонов и электронов, и в них всегда возможно полное взаимное элиминирование противоположно направленных вращений. У Э. других классов возможны нечетные числа протонов и электронов в ядре (например, у Н, N), и след, такого взаимного уничтожения вращений может и не быть.
Пара- и ортоводород. Если ядра атома водорода (протоны) обладают собственным вращением, то при соединении двух атомов водорода в молекулу (Н2) очевидно возможны два случая: в одном оба протона в молекуле вращаются одинаково, то есть являются параллельными магнитиками, в другом случае они вращаются в противоположных направлениях и являются антипараллельными магнитиками. Первый случай отвечает ортоводороду, второй—параводороду. Волновая механика показывает (Деннисон), что обычный водород представляет смесь обоих водородов, причем орто-водороаа в три раза больше, чем параводорода, а также, что оба водорода различаются спектрами, теплоемкостями и теплопроводностью и что при понижении температуры ортоводород должен медленно превращаться в параводород.
> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Эти уровни не расщепленные