Вильгельм Штрубе - Пути развития химии. Том 2. От начала промышленной революции до первой четверти XX века

Теоретическое объяснение нового явления было сделано главным образом в работах Резерфорда.

Эрнест Резерфорд (1871-1937)

Эрнест Резерфорд родился в 1871 г. в г. Нелсоне (Новая Зеландия). В 1898 г. он стал профессором Монреальского университета (Канада), а в 1919 г.- директором Кавендишской лаборатории в Кембридже [115] .

В 1906 г. Резерфорд выполнил исследование, которое привело к созданию нового представления об атоме. Еще ранее (в 1903 г.) Томсон предложил одну из первых атомных моделей: атом — положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. Сумма отрицательных зарядов этих электронов определяет равный по величине положительный заряд атомной сферы [116]. В соответствии с этим присоединение или отдача электронов приводит к появлению отрицательного или положительного заряда на атоме. Резерфорд провел бомбардировку золотой фольги α-частицами, чтобы выяснить, будут ли частицы, проходя через фольгу, менять траекторию движения. Если бы атомы золота имели шарообразную форму и заметные размеры, то α-частицы должны были бы отскакивать от них и изменять свое направление (по аналогии со столкновением бильярдных шаров). Толщина золотой фольги была такова, что α-частицы должны были пройти через слой в ~1000 атомов. Однако выяснилось, что из сотен тысяч α-частиц только отдельные изменяют траекторию. Поэтому Резерфорд сделал вывод, что атом имеет ядро, диаметр которого должен быть в 100 000 000 раз меньше диаметра всего атома [117]. Если попытаться представить себе это соотношение и предположить, что по величине атом равен небольшому мячу, то почти вся масса атома должна быть сосредоточена в его ядре размером в песчинку диаметром 1/ 20мм. В этом масштабе а-частица тоже имела бы размеры такой песчинки, и поэтому вероятность ее столкновения с атомным ядром очень незначительна.

Следует еще добавить, что в опыте, проведенном Резерфорд ом в 1906 г., электроны вряд ли могли играть какую-либо роль, так как они намного легче α-частиц. После работ Резерфорда ученые стали представлять атом состоящим из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Макс фон Лауэ (1879-1960)

Следующий шаг в изучении структуры атома был сделан Максом Лауэ в 1912 г. Он облучал кристаллические вещества рентгеновскими лучами и установил, что кристаллы состоят из атомов, расположенных в определенном геометрическом порядке (структуре). Они рассеивают (дифрагируют) рентгеновские лучи, и по получающейся при этом дифракционной картине можно было рассчитать длину волны рентгеновского излучения. По сути, рентгеновские лучи похожи на световые лучи, но с очень малой длиной волны.

В 1906 г. Чарлз Гловер Баркла установил, что различные элементы испускают определенные серии характеристических рентгеновских лучей. Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоренс Брэгг смогли объяснить это в 1912 г. дифракцией рентгеновских лучей кристаллическими веществами. В 1913 г. Генри Мозли, используя в качестве антикатодов в рентгеновских трубках различные элементы, получил по методу Брэггов эмиссионные спектры этих элементов. При этом он обнаружил, что длины волны таких рентгеновских лучей уменьшаются с увеличением атомной массы излучающего элемента. Связь между увеличением атомной массы элементов и уменьшением длины волны зависела от величины положительного заряда ядра атома. Мозли составил диаграмму и показал, что, зная длину волны рентгеновских лучей, можно рассчитать электрический заряд ядра элемента. Например, заряд ядра равен для водорода +1, гелия +2, лития +3, урана +92. Величина заряда ядра соответствует порядковому номеру, понятие о котором ввел Иоганнес Роберт Ридберг, чтобы исправить выявленное нарушение закономерности в расположении элементов в периодической системе. Некоторые элементы с большей атомной массой размещены в соответствии с зарядом их ядра в системе перед элементами с меньшей массой (Аr — перед К, Со — перед Ni, Те — перед I). Именно в этом заключается физический смысл порядкового номера элемента.

Эти новые данные привели в XX в. к изменению представлений об элементе: элементом стали называть вещество, все атомы которого имеют один и тот же порядковый номер. Однако это определение по-прежнему включало в себя представление о том, что элемент состоит из атомов одного вида и что он не подвергается дальнейшему разложению при химическом воздействии. Уже к 1913-1914 гг., за исключением шести порядковых номеров -43, 61, 72, 75, 85, 87,- все места в периодической системе были заняты открытыми элементами. К 1945 г. эти пустоты в периодической системе тоже были заполнены.

Кульминационным моментом в исследовании электронов и атомного ядра явилось создание в 1913 г. модели атома Бора и Резерфорда.

Нильс Бор (1885-1962)

Нильс Бор (родился в Копенгагене в 1885 г.) был учеником Резерфорда и в своих работах широко использовал предложенную Резерфордом модель атома, а также разработанную Максом Планком в 1900 г. квантовую теорию испускания света и развитые Эйнштейном теории квантовой структуры светового излучения и фотоэффекта.

Планк и Эйнштейн пришли к выводу, что вещество может испускать или поглощать свет (т.е. энергию) не в любых количествах, а только порциями — квантами (энергия которых пропорциональна частоте излучения hv). Когда, например, электрон атома водорода, находящийся на большой орбите, испускает квант света, то в результате этого он переходит на орбиту с меньшим радиусом, которая соответствует состоянию атома с меньшим запасом энергии.

Отсюда Бор сделал вывод, что атом водорода может существовать только в совершенно определенных "стационарных" состояниях. Основное, или нормальное, состояние атома датский физик определял как состояние, обладающее минимальным запасом энергии и соответствующее наиболее стабильному состоянию атома. Состояние с более высокой энергией Бор называл возбужденным. При переходе атома из более высокого (с энергией Е" ) в более низкое ( E' ) энергетическое состояние энергия испускаемого излучения (кванта света) отвечает разности Е"-Е' . Следовательно, частота излучения определяется уравнением hv = Е"-Е' . Это уравнение относится и к поглощению света атомом, а также к поглощению или испусканию света молекулой.