Сергей Суворов - О чем рассказывает свет

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 4,6·10 14циклов; 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 12,96·10 14циклов.

Заметим, что частоты, с которыми мы имеем дело при возбуждении наружного электрона, лежат в пределах от 4,6·10 14до 12,96·10 14циклов. Последняя частота больше первой всего в 2,9 раза.

При обстреле лития электронами, имеющими энергию не ниже 75 электрон-вольт, появится излучение с частотой 182,0·10 14циклов. 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 294,7·10 14циклов.

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: 12,96·10 14, 182,0·10 14и 294,7·10 14циклов. 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 слойэлектронов. 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 3·10 16до 3·10 19циклов; 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.

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.