Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

В начале нынешнего столетия мы научились изменять ядра атомов элементов, бомбардируя их атомными частицами высокой энергии, полученными на ускорителях (см. гл. 42 и 43 ). Таким образом, мы можем превратить одни атомы в другие, переходя от простоты химических представлений к совершенно иным горизонтам. Однако при обычном рассказе об атомах мы предпочитаем придерживаться точки зрения, принятой в химии, поскольку атомы невозможно изменить обычным химическим или физическим воздействием.

3) К. В. Krauskopf , Fundamentals of Physical Science, 1st ed., N. Y. Mc-Graw Hill, 1941.

В течение длительного времени все еще имелись основания для беспокойства по поводу правильности периодической системы. Даже в нашем столетии был «открыт» один элемент, заполняющий пустующую клетку, который как оказалось позже, не обладал нужными химическими свойствами. Тогда Нильс Бор, основываясь на своей модели атома (см. гл. 44 ), предсказал ожидаемые свойства элемента, который должен был бы стать на свободное место. Последовавшие затем тщательные поиски позволили выделить из подходящих минералов этот элемент, названный гафнием.

Эта реакция служит простым методом опознавания углекислого газа. Проведите ее сами. Взболтав известь в воде и подождав, пока ее избыток осядет, слейте чистый раствор, и вы получите известковую воду. Подуйте в эту воду через соломинку, и вы увидите, как вырастает белое облачко мела. Воздух, лишенный углекислого газа, не вызывает такого действия. Продолжайте некоторое время продувать воздух, содержащий углекислый газ, и наблюдайте за дальнейшими изменениями. Химия, оказывается, не столь проста, как может показаться с первого взгляда…

Индексы, стоящие в химических формулах, конечно, обозначают, что атомы добавляются, а не умножаются, как в алгебре. Так, наименование фирмы «Хаггинс, Хаггинс, Смит, Осборн, Осборн, Осборн и Осборн», химик записал бы как H 2SO 4.

Как правило, мы не пишем в химических уравнениях воду, в которой растворены реагирующие между собой вещества. Считается, как само собой разумеющееся, что в обеих частях уравнения присутствует одинаковое число молекул воды. Хотя вода не оказывает действия на конечные продукты реакции, она в сильной мере способствует ей, вызывая образование ионов, т. е. играет тем самым очень существенную роль.

«Нейтральный» в химии означает: не обладающий свойствами ни кислоты, ни щелочи.

Этот процесс трудно осуществить в небольших масштабах, так как углерод нужно хорошо нагреть, чтобы началось горение, а затем снабжать в надлежащих количествах воздухом, или кислородом, но без тяги, которая создала бы сильное охлаждение. В больших масштабах это совсем просто; примером может служить угольный пожар.

Забегая вперед и вспоминая про изотопы (см. гл. 38, 40, 43 ), мы можем отчасти усомниться в этом.

Обычная химия ничего не может сказать о величине атомов, хотя имеются четкие основания считать, что атомы должны быть крайне малы, а количество их — огромно. Микрохимия, которая имеет дело с миллионными долями грамма, также бессильна почувствовать различие в весе на одну молекулу. Как мы теперь хорошо знаем, мельчайшая крупинка вещества, которую можно непосредственно подержать или взвесить, содержит колоссальное число атомов.

Это правило предсказывается кинетической теорией, а квантовая механика объясняет исключения из него. См. гл. 30 и 44 .

Пусть, например, взвешивание газов при комнатной температуре и атмосферном давлении показало, что Плотность водорода Н 2= 0,0836 кг/м 3,

Плотность соляной кислоты НСl(?) = 1,52 кг/м 3.

Тогда

Молекулярный вес НСl/2(= мол. вес Н 2) = 1.52/0.0836

т. е. молекулярный вес НСl = 2∙1,52/0,0836 = 36,4. Таким образом, если формула НСl выбрана правильно, то атомный вес хлора получается 36,4–1 = 35,4.

Другой пример: мы в состоянии правильно предсказать плотность различных газов, не производя непосредственных измерений. Предположим, что мы хотим сравнить между собой СО 2и воздух. Воздух содержит 4/ 5N 2(молекулярный вес 28) и 1/ 5O 2(молекулярный вес 32). Таким образом, воздух имеет молекулярный вес 28,8, промежуточный между N 2и О 2, т. е. он должен быть приблизительно в 14,4 раза тяжелее водорода. Атомный вес углекислого газа СО 2(12 + 2 х 16) = 44, поэтому его плотность в 44/28,8 ~=1 1/ 2раза больше плотности воздуха, и не удивительно, что он образует иногда удушливые скопления на дне пещер.

Угарный газ, СО, имеющий молекулярный вес (12 + 16) = 28, немного легче воздуха.

В настоящее время в качестве стандарта шкалы атомных весов выбирается атомный вес кислорода, равный 16. При этом атомный вес водорода становится 1,008, но атомные веса других легких элементов еще более приближаются к целым числам.

Еще лучше было бы записать ряды элементов на ленте, обернутой спиралью вокруг цилиндра. При таком расположении красота периодической системы становится более очевидной.

Один из примеров такого нарушения виден в той части системы, которая приведена на фиг. 168. Инертный газ аргон и активный щелочной элемент калий, имеющие атомные веса соответственно 40 и 39, казалось бы, нужно поменять местами. Однако многочисленные попытки обосновать такую возможность тщательными измерениями полностью провалились. Было ли это случайной неудачей периодической системы или ее пороком в целом? Нет, этот пример, конечно, не мог ее полностью дискредитировать, поскольку в активе периодической системы имелось уже немало достижений. Однако он оказался весьма серьезным «исключением», которое грозило остаться незаживающей раной на теле химии. Все же современной физике удалось объяснить причину этого несоответствия, вернее показать, что его вообще не существует. См. гл. 38 .

Имеется определенная система присвоения почтовым маркам порядковых номеров, которые называются «числами Скотта». Атомные номера — это своеобразные «числа Скотта» химических элементов.

Теоретические оценки, основанные на так называемой оболочечной модели атомного ядра, показывают, что с ростом атомного номера снова могут появиться более стабильные элементы. Так, например, вполне возможно, что один из элементов с атомными номерами 114 и 126 или оба будут сравнительно устойчивы. — Прим. перев .

Это не просто блестящая догадка, а четкое заключение, сделанное на основании исследования атомных слоев в кристаллах поваренной соли рентгеновскими лучами. Эти лучи, отраженные от наклонных плоскостей кубического кристалла, образуют дифракционную картину, которая показывает, что они проходят через слоистую среду, состоящую из большого числа неодинаковых слоев, в которой периодически встречаются слои, содержащие большее число электронов, т. е. сильнее рассеивающие рентгеновские лучи. Ими могут быть только плоскости кристалла, содержащие хлор, атомный номер которого 17 больше атомного номера натрия — 11. Повторяя эксперимент с хлористым калием, в химическом отношении сходным с NaCl и имеющим почти идентичную кристаллическую структуру, английский ученый сэр Уильям Брэгг обнаружил удивительное различие. Наклонные плоскости кристалла KCl создавали дифракционную картину, которая свидетельствовала о полной тождественности всех плоскостей, т. е. о том, что все они одинаково богаты электронами. Взгляните теперь на атомные номера калия и хлора в периодической системе химических элементов. Они дадут вам число рассеивающих рентгеновские лучи электронов нейтрального атома. Как же могло случиться, что все атомы кристалла стали обладать одинаковым количеством электронов? И на какие другие атомы стали похожи эти новые образования по своей электронной структуре? (Посмотрите на периодическую систему снова.) Можно ли ожидать, что они когда-нибудь вернутся в исходное состояние или навсегда останутся в кристалле такими?