Под знаком кванта

Природа позаботилась о том, чтобы как можно дальше упрятать от глаз естествоиспытателей свои главные характеристики: заряд ядра атома надежно укрыт шубой из электронов и недоступен измерению никакими химическими и большинством физических методов. Это свойство атомов нащупали только после того, как начали обстреливать их такими снарядами, как а-частицы. Вместе с тем именно это, так глубоко запрятанное, свойство определяет структуру атома и все наблюдаемые свойства элементов, состоящих из этих атомов. И если мы хотим по-настоящему узнать, что представляет собой атом, то вначале должны докопаться до его ядра. (Как в сказке о Кащее Бессмертном: высоко на горе растет дуб, на дубу — сундук, в сундуке — заяц, в зайце — утка, в утке — яйцо, в яйце — игла, а в кончике той иглы — жизнь и смерть Кащея.)

В согласии с законами ядер-яой физики заряд ядра атома примерно вдвое меньше, чем ei располагая элементы в порядке возрастания их атомных масс, мы более или менее правильно выстроим их в порядке возрастания зарядов ядер их атомов. Менделеев не знал о существовании ядер, но он почувствовал, что у атомов есть еще какое-то свойство, более глубокое, чем атомная масса, и поэтому, расставляя элементы в таблице, доверял больше интуиции, чем атомным массам. Он как бы заглянул под электронную оболочку атомов, пересчитал там положительные заряды в ядре и затем это число присвоил элементу (впоследствии Ван ден Брук назовет его порядковым номером, а Резерфорд — атомным номером). Очевидно, порядковый номер — внутренняя характеристика элемента, и, конечно, он не зависит от нашего произвола, как, например, номер дома на улице. (Если продолжить нашу аналогию с детской игрой-мозаикой, то можно сказать, что все ее кубики в действительности оказались пронумерованными. Только номера эти были запрятаны внутри кубиков.)

Теперь, наконец, можно дать точное определение элемента: элемент — это вещество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра.

Нам осталось выяснить последнее: почему монотонное изменение заряда ядра атомов приводит к периодическим изменениям их химических свойств? Изменяются при этом не только химические, но и физические свойства: плотность, твердость и даже агрегатное состояние. Очевидно, причину периодического изменения свойств элементов следует искать не в ядре, а в окружающей его электронной оболочке. Первая мысль, при этом возникающая, состоит в том, что электроны вокруг ядра расположены не беспорядочно, а слоями-оболочками. Начало заполнения новой оболочки совпадает с началом нового периода, и как раз в этот момент скачком изменяются химические свойства элементов. После работ Бора подобная мысль казалась очень естественной, и он сам же ее впервые высказал.

Однако приведенные соображения не подсказывают способа вычислить длину периода. На первый взгляд длина периодов в таблице меняется весьма прихотливо: в I периоде — 2 элемента, во II и III — 8, в IV и V — 18, в VI — 32. Но еще в 1906 г. Иоганн Ридберг заметил, что ряд чисел 2, 8, 18, 32 подчиняется простой формуле: 2п². Эту закономерность удалось объяснить Паули только в 1924 г. после открытия им принципа запрета.

Ход рассуждений Паули легко понять. В самом деле, движение электронов в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, о которых мы подробно говорили в предыдущей главе и которые напомним теперь еще раз:

п — главное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3...

I — орбитальное квантовое число, которое при заданном п принимает значения

/=0, 1, 2, ..., п-1.

tn — магнитное квантовое число; при заданных пи/ оно пробегает ряд значений

/п=-/, -(/-1), ..., -1, 0, 1, ..., (Z-1), /.

s — спиновое квантовое число, принимающее два значения + 1/2 и — 1/2.

Принцип запрета Паули гласит: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами.

Сосчитаем вслед за Паули, сколько электронов помещается в слое с номером п. В слое п==1 возможны только значения / = 0 и m = 0, a s равно +1 /2 и — 1 /2, то есть на первой оболочке может поместиться только 2 электрона. В соответствии с этим в I периоде — только 2 элемента, водород и гелий.

В следующей оболочке с номером п — 2 орбитальный момент I может принимать два значения: / = 0 и /=1. При каждом I магнитное квантовое число принимает 2Z+1 значений, то есть одно при /=0 и три при /=1. При каждом из этих значений возможны два спина: +1/2 и — 1/2, то есть в состоянии с / = 0 помещается 2 электрона, а в состоянии с Z = 1 шесть электронов. Всего же на оболочке п — 2 помещается 2 + 6 = 8 электронов; именно такова длина II периода — от лития до неона.

Точно так же легко сосчитать, что в слое п = 3 помещается 18 электронов, то есть не более 2п² электронов в слое с номером п. Теперь удалось также понять и существование особой группы элементов — лантаноидов — в VI периоде таблицы.