Дмитрий Иванович Менделеев

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И СТРОЕНИЕ АТОМА

Открытие Менделеева было одним из исходных пунктов развития новейшей физики, раскрывшей внутреннее строение атома и атомного ядра, освободившей атомную энергию и достигшей других замечательных успехов. В конце XIX и начале XX века физики открыли элементарные частицы, входящие в состав атомов, обнаружив таким образом сложную природу атома. Первоначально были найдены электроны — частицы, обладающие очень малой массой и отрицательным электрическим зарядом, равным единице[8]. Впоследствии были обнаружены гораздо более тяжелые (в 1836 раз тяжелее электрона) положительно заряженные частицы — протоны, электрически незаряженные частицы — нейтроны, а также ряд других элементарных частиц.

Исследование структуры атома и атомного ядра, а также открытие входящих в состав ядер элементарных частиц было тесно связано с изучением явлений радиоактивности. В 1896 году французский физик Анри Беккерель, исследуя свечение тел, пришел к важному открытию. Соли урана заставляли чернеть фотографическую пластинку, что свидетельствовало об излучении. Это ранее неизвестное излучение было названо радиоактивностью. Один из крупнейших физиков Франции Пьер Кюри и его жена уроженка Варшавы, Мария Склодовская-Кюри, изучая соединения урана, обнаружили, что смоляная урановая руда, «смоляная обманка», полученная из Чехии, отличается сильным радиоактивным излучением, бóльшим, чем даже чистый уран. Они предположили, что в этой руде имеется некий элемент, обладающий большей радиоактивностью, чем уран. В 1898 году им удалось выделить этот элемент. Действительно, оказалось, что он дает излучение в миллион раз более интенсивное, чем уран. Этот элемент был назван радием. Он испускает различного рода лучи, в том числе поток положительно заряженных частиц — альфа-лучи. Причиной излучения является распад ядер атомов радия. Уран также распадается, но так медленно, что только через 4,6 миллиарда лет его количество уменьшится вдвое. При распаде урана образуется открытый Марией Склодовской и Пьером Кюри радий. Его распад происходит быстрее, так что количество радия уменьшится вдвое примерно через 1590 лет.

В начале нашего столетия физики пришли к убеждению, что и другие элементы, кроме урана и радия, также радиоактивны. Рубидий и самарий распадаются со столь небольшой скоростью, что запас их уменьшится вдвое в течение многих миллиардов лет. Некоторые элементы распадаются в еще более длительные сроки.

Распад атомов и существование элементарных частиц, из которых состоят атомы, помогли объяснить периодичность свойств химических элементов, открытую Менделеевым в конце 60-х годов. Если атомы состоят из одних и тех же элементарных частиц, в различном числе и различным образом сгруппированных, то появляется надежда объяснить сходные свойства различных элементов сходством структур различных атомов, числом и расположением элементарных частиц, входящих в атомы. В начале нашего столетия многие физики и химики задумывались над этой проблемой. Следует упомянуть о размышлениях известного русского революционера народовольца Н. А. Морозова, заключенного в 1884 году в Шлиссельбургскую крепость и пробывшего там до 1905 года. Морозов в своей одиночной камере много размышлял о причинах открытой Менделеевым периодичности и пришел к мысли о сложной структуре атома, об атоме, в котором электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Он передал свою рукопись в 1901 году на волю, но глубину содержащихся в ней идей не оценили, и открытие Морозова не было опубликовано вплоть до 1907 года. О физической природе периодичности свойств химических элементов думали и другие ученые. Они подчеркивали, что периодическая таблица Менделеева приобретает характер родословного дерева, по которому можно судить о превращении одного элемента в другой, об их происхождений. Мысль о том, что периодическая таблица отражает развитие природы, историю происхождения химических элементов, была, в частности, высказана в 1911 году известным русским химиком Чугаевым, который писал, что в периодическом законе заключено «выражение того плана, по которому совершалась эволюция существующих элементов, выражение тех сложных и многочисленных факторов, которые оказывали влияния на ход этой эволюции».

Каким же образом современная физика и химия объясняют периодическое повторение химических свойств элементов, расположенных в порядке возрастания атомного веса?

Открытие электронов, радиоактивности, а вслед за ними элементарных положительно заряженных частиц (протонов) и электрически нейтральных частиц (нейтронов) позволило с очень большой точностью и конкретностью объяснить периодическое появление элементов со сходными химическими свойствами, последовательное (хотя и не совсем равномерное) нарастание атомного веса элементов в менделеевской таблице, существование малых и больших периодов и многое другое.

Важнейшим поворотным пунктом в развитии представлений о структуре атомов были опыты великого английского физика Резерфорда, произведенные в 1911 году. Резерфорд направлял положительно заряженные частицы, выбрасываемые радием (так называемые альфа-лучи), на различные вещества и регистрировал отклонение альфа-лучей, т. е. направления движения альфа-частиц по прохождении через вещество. Оказалось, что альфа-частицы по большей части проходят через вещество не отклоняясь, т. е. не испытывая электрического отталкивания от атомов, но изредка отталкиваются и испытывают значительное отклонение от первоначального пути. Получалось так, как будто альфа-частицы, бомбардирующие атом, проходят через него, но изредка делают резкий поворот в сторону, как бы испытав отталкивающее действие маленького положительного заряда, находящегося в центре атома.

Такие результаты опытов заставили Резерфорда предположить, что в центре атома находится небольшое по сравнению с объемом атома положительно заряженное ядро. Он сравнивал число положительных частиц, прошедших через атом без резкого отклонения, с числом положительных частиц, испытывающих отталкивающее действие ядра, и таким образом мог вычислить размеры атомных ядер. Их диаметр примерно в сто тысяч раз меньше диаметра атомов. Резерфорд пришел к мысли, что вокруг такого положительного ядра на различных орбитах вращаются электроны. Электроны и ядра заряжены разноименным электричеством; однако электроны не падают на ядра вследствие центробежной силы, так же как планеты не падают на Солнце.

Такая планетарная модель атома позволила объяснить периодичность химических свойств. В таблице Менделеева каждому элементу присвоено порядковое число. Это число возрастает на единицу при переходе к следующей клетке таблицы. В результате работ ряда ученых выяснилось, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева — это величина положительного заряда атомного ядра. Поскольку же в незаряженном атоме положительному заряду ядра соответствует число электронов, то атомному номеру соответствует в таких незаряженных атомах и число электронов.

В 20-е годы нашего столетия была получена следующая картина, объясняющая периодическое повторение химических свойств. В простейшем атоме, атоме водорода, ядро имеет положительный заряд, равный единице. Иными словами, ядро атома водорода — это одна положительно заряженная частица — протон. Вокруг него движется единственный электрон. В атоме гелия вокруг ядра (с двойным положительным зарядом) вращаются два электрона. Нарастание числа электронов продолжается до последнего встречающегося в природе и найденного в естественных условиях элемента — урана, где целый рой из 92 электронов вращается сложным образом вокруг ядра с зарядом 92 и далее. Заметим еще раз, что речь идет пока об атомах, где число электронов равно положительному заряду ядра. На всем протяжении менделеевской периодической системы — от водорода до самых тяжелых элементов — мы встречаем последовательное нарастание заряда ядра и соответственно возрастание числа электронов. Эти электроны движутся по орбитам, причем электроны с близкими орбитами образуют некоторую оболочку (слой) атома. Таких оболочек (слоев) может быть одна, две, три — до семи. Каждая оболочка заполняется определенным числом электронов. Особенно важно число электронов во внешней оболочке. Заполнению внешних оболочек электронами соответствует завершение периодов системы Менделеева. Два электрона в атоме гелия заполняют первую оболочку. Дальше, уже во втором периоде, третий внешний электрон начинает собой вторую оболочку, которая постепенно заполняется электронами в атомах бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора и, наконец, достигает завершения во втором благородном газе — неоне. Последовательное прибавление восьми электронов от гелия до неона точно соответствует малому периоду системы Менделеева (второму периоду), содержащему восемь элементов. Одиннадцатый внешний электрон (натрия) помещается уже в третью оболочку (слой). Ясно, что тем самым натрий должен был походить по своим химическим свойствам на литий, атом которого также включает один электрон на внешней (второй) оболочке. Действительно литий и натрий — щелочные металлы, походят друг на друга. Остальные щелочные металлы — калий, рубидий, цезий — состоят также из атомов, где на внешней оболочке находится один электрон. Если взять атом благородного газа, т. е. атом с заполненной внешней оболочкой, и добавить один протон в ядро и один электрон, то мы получим из гелия литий, из неона натрий, из аргона калий, из криптона рубидий, из ксенона цезий.

Следует отметить, что при переходе от элемента к элементу оболочки заполняются электронами, вообще говоря, в определенном порядке, определенными группами орбит. Иногда же последовательное заполнение групп близких орбит в рамках одной оболочки нарушается, и более далекие от ядра орбиты заполняются раньше других. Тогда внутри атома оказывается ряд пропущенных, незаполненных орбит. Впервые подобный пропуск имеет место в атоме калия. После калия заполняются не только внешние, но и внутренние орбиты. Поэтому здесь мы встречаем первый большой период менделеевской таблицы из восемнадцати элементов. После калия (атомный номер 19) ближайшим щелочным металлом будет не 27-й (19+8) элемент, а 37-й, именно рубидий (37=19+18).

Наиболее интересный пример заполнения глубоких внутренних, пропущенных орбит представляет уже известная нам группа редкоземельных металлов из 14 элементов (с 58 по 71), которые стоят вместе с лантаном в одной клетке менделеевской таблицы. Атомы этих элементов различаются не внешними электронами, резко меняющими валентность и другие химические и физические свойства, но глубокими внутренними электронами, не играющими существенной роли в химических реакциях. Ясно, что все эти атомы должны быть весьма похожи друг на друга, что и наблюдается в действительности. Этим оправдано помещение указанных элементов в одну клетку периодической системы.

Такое представление об атоме позволяет разъяснить природу химических реакций и связь атомов внутри молекул. Атомы могут терять часть своих внешних электронов или, наоборот, приобретать их. В первом случае число отрицательно заряженных частиц в атоме становится меньше, и атом в целом приобретает положительный заряд, становится положительным ионом. Если же к атому присоединятся дополнительные электроны и заполнят свободные места на его внешней оболочке (слое), то число отрицательно заряженных частиц увеличивается, атом в целом приобретает отрицательный заряд и становится отрицательным ионом. От заполненности внешней оболочки (слоя), т. е. от числа внешних электронов, зависит число электронов, которые могут быть присоединены или отброшены при его превращении в ион, и, следовательно, пропорция, в которой данные элементы соединяются с другими, — валентность. В ряде молекул, например в молекуле соляной кислоты отрицательные и положительные ионы связаны друг с другом электрическим притяжением, как тела с разноименными зарядами.

Но атомы могут соединяться в молекулы и более сложным способом.

Рассматривая химические реакции и силы химического сродства как результат присоединения и потери электронов атомами, современная физика объясняет поведение благородных газов. В атоме благородного (или инертного) газа внешняя оболочка целиком заполнена. Такие атомы с заполненной внешней оболочкой химически инертны; им не надо для заполнения внешней орбиты отбрасывать или присоединять электроны и при этом приобретать соответственно положительный или отрицательный заряд. Поэтому атомы инертных газов не ионизируются, сохраняют равновесие между отрицательным и положительным электрическими зарядами и не соединяются с другими элементами.