Сергей Суворов - О чем рассказывает свет

• Название: О чем рассказывает свет
• Автор: Сергей Суворов
• Издательство: Военное издательство Министерства Обороны СССР
• Жанр: Научпоп
• Год: 1963

В брошюре рассказывается, каким образом возникают лучи света из далеких миров. Не подлежит сомнению, что они могут начинать свой путь далеко от Земли и даже от солнечной системы. Где же во Вселенной начинают свой путь эти лучи? Как лучи из далеких миров превращены в мощное средство исследования Вселенной? Из каких веществ состоят Солнце и ряд других звезд? Как ученые узнали об этом? Об этом им рассказали лучи света, пришедшие от звезд. Куда и с какой скоростью движутся звезды? Об этом рассказали те же лучи света. Современные физики изучают тончайшие детали строения атомов. Как они этого достигают? И об этом им говорят лучи света, испускаемые атомами. В брошюре говорится, что свет рождается в веществе. Именно поэтому свет может рассказать, из каких веществ состоят звезды, какие металлы входят в состав сплавов, как построен атом, и многое другое.

---

Такое же объяснение можно дать и частотам спектров других элементов.

Такова была модель атома, нарисованная Бором. Она была только первым шагом в изучении строения атома, так как не объясняла, почему электроны ведут себя в атоме так странно, в противоречии с установленными ранее законами. Она только указывала (да и то лишь в простейших случаях), как они себя ведут, в силу каких-то новых, еще не открытых законов, верных для мира малых величин. Эти законы были открыты не сразу. Они нашли освещение в новой науке — квантовой механике.

Модель Бора отображает го, что происходит в простых атомах, лишь в грубом приближении. А для сложных атомов она вовсе непригодна. Но в случаях, когда большая точность не требуется, физики пользуются этой моделью ввиду ее простоты.

В этой модели сохранятся не геометрические образы (орбиты электронов), а главные физические черты, подтвержденные экспериментом; а именно: возбужденные атомы находятся в различных энергетических состояниях, вполне определенных для атомов данного элемента; это энергетическое состояние атом может изменять только скачком, переходя при этом на более низкий энергетический уровень и испуская квант света (фотон) определенной частоты (и, следовательно, определенной энергии), в зависимости от того, какой из возможных переходов он при данных условиях совершает.

Атомные спектры и электронные слои

Физики собрали в спектроскопических лабораториях все известные элементы. Они бомбардировали атомы различных элементов быстрыми электронами, отщепляли от атомов то один, то два, то несколько электронов, действовали на атомы сильными магнитными и электрическими полями, словом, ставили атомы во всевозможные условия. И все время наблюдали, какие при этом получаются спектры, как эти спектры изменяются под влиянием различных условий. А из этого делали выводы о том, какие же перестройки происходят внутри атомов.

Рассмотрим один из примеров, показывающий, как по атомным спектрам физики определяют строение атомов.

Возьмем элемент литий. Он стоит в таблице Менделеева на третьем месте, у его атомов по три электрона. Если атом не возбужден, электроны обращаются вокруг ядра по устойчивым орбитам. Все эти орбиты можно занумеровать одним номером — № 1; но мы должны помнить, что это номера орбит для разных электронов. Не можем ли мы по спектрам атомов лития узнать что-либо еще о его орбитах?

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 4,6·1014 циклов; 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 12,96·1014 циклов.

Заметим, что частоты, с которыми мы имеем дело при возбуждении наружного электрона, лежат в пределах от 4,6·1014 до 12,96·1014 циклов. Последняя частота больше первой всего в 2,9 раза.

При обстреле лития электронами, имеющими энергию не ниже 75 электрон-вольт, появится излучение с частотой 182,0·1014 циклов. 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 294,7·1014 циклов.

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: 12,96·1014, 182,0·1014 и 294,7·1014 циклов. 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 слой электронов. 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 3·1016 до 3·1019 циклов; 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.

Свет и химические свойства 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!