По ту сторону кванта

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: удельный вес, твёрдость и даже агрегатное состояние. Например, элементы с порядковыми номерами 2, 10, 18, 36 — это газы гелий, неон, аргон, криптон, получившие название благородных за свою неспособность вступать в обычные химические реакции. Но если заряд ядер этих атомов увеличить всего на единицу, то мы получим элементы 3, 11, 19, 37 — щелочные металлы литий, натрий, калий, рубидий, которые никак не похожи на соседние газы ни по физическим, ни по химическим свойствам. Например, натрий и калий так легко вступают в химические реакции, что их нельзя держать на открытом воздухе — они там самовоспламеняются.

^{Последняя загадка}

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 её впервые и высказал.

Однако приведённые наблюдения не подсказывают способа вычислить длину периода. На первый взгляд длина периодов в таблице меняется весьма прихотливо: в I периоде — два элемента, во II и III — восемь, в IV и V — восемнадцать, в VI — тридцать два. Но ещё в 1906 году Иоганн Ридберг заметил, что ряд чисел 2, 8, 18, 32 подчиняется простой формуле: 2•n². Эту закономерность удалось объяснить Паули только в 1924 году, после открытия им принципа запрета.

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

n — главное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3, …;

l — орбитальное квантовое число, которое при заданном n принимает значения 0, 1, 2, …, (n– 1);

m — магнитное квантовое число; при заданных n и l оно пробегает ряд значений -l, -(l– 1), …, -1, 0, 1, …, (l– 1), l, — всего 2•l + 1 значений;

S — спиновое квантовое число, принимающее значения + 1/2 и - 1/2 .

Принцип запрета Паули гласит:

В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами.

Поэтому на оболочке с порядковым номером n может поместиться только ограниченное число электронов. Например, на первой оболочке умещаются только два электрона. В самом деле, если главное квантовое число n = 1, то для орбитального момента допустимо только одно значение l = 0, а следовательно, и магнитное квантовое число m = 0; спин электрона не зависит от других квантовых чисел и может принимать два значения S = + 1/2 и S = - 1/2 . В соответствии с этим на первом квантовом уровне могут поместиться только два электрона с квантовыми числами: (n = 1; l = 0; m = 0; S = + 1/2 ) и (n = 1; l = 0; m = 0; S = - 1/2 ). Рассуждая точно так же, можно убедиться, что на второй оболочке умещается 8 электронов, на третьей — 18 и вообще на оболочке с главным квантовым числом n помешается 2•n² электронов. То есть число электронов на заполненных оболочках атомов равно длине периодов таблицы Менделеева.

Чтобы нагляднее уяснить себе причину появления этих чисел, представьте, что вам надлежит заселить жилой квартал, в котором n домов, пронумерованные числом l = 0, 1, 2, …, (n– 1), причём в доме с номером l только (2•l + 1) квартир. Если в каждую квартиру запрещено поселять больше двух жильцов, то во всём квартале поместится 2•n² человек и не более.

Каждый период в таблице Менделеева начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом. Химические свойства этих элементов резко различны. Теперь легко понять и причину их различия. Инертные газы — гелий, неон, аргон и т. д. — отличаются от всех остальных элементов тем, что у них оболочки полностью заполнены.

Атомы щелочных металлов: лития, натрия, калия и т. д., которые в таблице расположены следом за инертными газами, содержат по одному электрону в следующей, более высокой оболочке. Эти электроны связаны с ядром много слабее, чем остальные, и поэтому атомы щелочных металлов легко их теряют и становятся положительными однозарядными ионами: Li⁺, Na⁺, K⁺ и т. д.

Наоборот, в атомах фтора, хлора, брома и т. д. недостаёт одного электрона, чтобы замкнуть их внешнюю оболочку до оболочки благородного газа. Поэтому-то галогены так охотно присоединяют электрон, образуя отрицательные ионы F^– , Cl^– , Br^– и т. д. Когда атомы натрия и хлора встречаются, то натрий отдаёт свой внешний электрон хлору, в результате чего возникают ионы Na⁺ и Cl^– . Ионы эти притягиваются, образуя молекулы NaCl, из которых состоит хорошо известная всем поваренная соль.

Попутно нам удалось выяснить смысл понятия валентности, которое так трудно определить химически: валентность элемента в соединении — это число электронов его атома, участвующих в образовании химической связи. Легко видеть, что валентность вместе с другими химическими свойствами должна повторяться периодически через 2, 8, 18, 32 элемента при начале заполнения каждой следующей оболочки.

В прошлом веке числа 2, 8, 18, 32 вызывали недоумение и получили название «магических». Объяснить их пытались по-разному, например, вспоминали, что октаэдр — самый прочный многогранник и что в буддийской философии есть учение о восьмеричном пути добра. Но вряд ли кто предполагал, что для них существует такое простое и рациональное объяснение.

Если бы Дальтон, Лавуазье, Менделеев — все, кто в своё время посвятил жизнь и силы изучению системы химических элементов, попали хоть ненадолго в наше время, они бы, без сомнения, испытали совершенную радость чистого знания, которое наконец достигнуто в учении об элементах. Вместо случайного набора веществ, относительно которых даже не всегда было известно, элементы ли это или смеси, они увидели бы стройную иерархию атомов: от водорода до курчатовия.

Этой гармонией мы обязаны квантовой механике, к знакомству с которой теперь и перейдём.

ВОКРУГ КВАНТА

АТОМЫ, ЯДРА, ИЗОТОПЫ

Вероятно, бог, создавая уже на пятый день творения «всех животных, и птиц, и рыб» целиком, не знал ничего об атомах или же не хотел вникать в такие детали. Но если бы он захотел заготовить вначале все атомы, то проще всего ему было бы пойти по пути, который предлагал в своё время Праут: построить их все из атома водорода.

Ясно, однако, что при сближении двух ядер водорода (протонов) они отталкиваются, поэтому природа изобрела ещё один тип частиц — нейтроны, которые вместе с протонами уже могут образовать устойчивые ядра.

Заряд нейтрона равен нулю, а масса почти в точности равна массе протона. Если соединить вместе два протона и два нейтрона, то они образуют очень прочное ядро гелия (те самые -частицы, которые использовал Резерфорд в своих опытах). Очевидно, что атом гелия в четыре раза тяжелее атома водорода и потому его атомный вес равен 4. Два электрона гелия занимают нижнюю оболочку с квантовыми числами n = 1, l = 0, m = 0, S = + 1/2 и - 1/2 .