Текст книги "О чем рассказывает свет"

Автор книги: Сергей Суворов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 9 страниц)

Физики, конечно, стремились убедиться в этом опытным путем. Идея опыта была очень проста. Она опирается на аналогию со звуком. Известно, что если зажать (укоротить) звучащую струну, она изменит характер колебания и благодаря этому изменит тон, т. е. частоту колебаний. Этот прием применяется при игре на струнных инструментах.

Возникает вопрос: а что, если повлиять на характер движения зарядов в атоме? Если и в самом деле свет есть результат движения зарядов, то это должно сказаться на частоте излучаемого света.

Эффект Зеемана

Повлиять на характер движения зарядов в атоме – дело вполне возможное. Для этого нужно поместить излучающее вещество между полюсами очень сильного магнита. Между полюсами магнита создается очень сильное магнитное поле. Оно подействует на заряды, движущиеся внутри атомов, и изменит характер их движения. Тогда надо наблюдать, что делается с линиями спектра, который испускается данным веществом. Это был трудный опыт. Он дал определенный результат лишь тогда, когда физики научились создавать сильные магнитные поля и стали применять дифракционные решетки, широко разбрасывающие спектр лучей.

Рис. 34. Расщепление одной из линий цинка на три под влиянием сильного магнитного поля

Опыт показал, что магнитное поле действительно изменяет излучение: каждая линия в спектре под действием сильного магнитного поля расщепляется при одних условиях на две, при других – на три линии (рис. 34). По имени немецкого ученого, открывшего это явление, оно было названо эффектом Зеемана.

Эффект Зеемана убедительно показал, что свет рождается в результате движения электрических зарядов в атомах.

Природа солнечных пятен

В наше время были исследованы спектры солнечных пятен. Было обнаружено, что линии поглощения этих спектров расщеплены точно так же, как расщеплены линии испускания в опыте Зеемана. Из этого ученые сделали вывод, что атомы в области солнечных пятен находятся под воздействием сильных магнитных полей. Таким образом природа солнечных пятен стала ясней.

Задача расшифровки природы солнечных пятен, как видим, по ходу выводов обратна той, которая ставилась в опыте Зеемана: там с помощью сильного магнитного поля воздействовали на атомы и наблюдали расщепление линий (испускания); здесь по расщеплению линий (поглощения) сделали вывод о наличии сильного магнитного поля, воздействующего на атомы.

Существенно то, что открытие факта воздействия магнитного поля на характер излучения позволяет затем по спектрам излучения (расщепление линий) расшифровывать процессы, которые непосредственному наблюдению недоступны.

Надежды на быстрое раскрытие тайн строения атомов

Факт воздействия сильных магнитных полей на атомные спектры был установлен в 1896 году. Уже тогда расчеты показали, что заряды, движущиеся в атомах,– это электроны, мельчайшие частицы вещества, обладающие отрицательным электрическим зарядом, только что перед тем открытые.

Первая тайна возникновения света в атомах была раскрыта. Физики были полны надежд, что скоро они раскроют и другие тайны: узнают, как движутся электроны в атомах, какие возможны колебания электронов и как эти колебания связаны с излучаемым светом, почему атомы испускают не одну, а много световых волн.

Обычно, исследуя новую область явлений, физики опираются на уже известные знания, на хорошо изученные и проверенные законы физики. Эти законы служат им надежным компасом в еще не изведанных областях природы.

Оказалось, что в области атомных явлений этот компас кое в чем стал отказывать.

Новый закон частот

В XIX веке в физике уже имелось, казалось бы, законченное учение о колебаниях. Согласно этому учению, всякое колеблющееся тело возбуждает волны той частоты, какова частота колебаний тела. Например, если струна колеблется с частотой 400 циклов, от нее идет звуковая волна той же частоты. Это – основной тон струны. Кроме основного тона, струна может одновременно издавать и другие тоны, так называемые обертоны. Частоты их в 2, 3, 4, вообще в целое число раз больше частоты основного тона.

Физики предполагали, что то же самое должно иметь место и в случае колебаний электронов в атомах. Если в атоме какого-либо элемента имеется один электрон, то между частотами излучений у таких атомов должны быть те же соотношения, что и у струны. Если же у атомов по нескольку электронов, то частоты их излучений должны представлять набор тонов и обертонов, аналогичный тому, какой имеет музыкальный инструмент с подходящим количеством струн. Так полагали физики на основе ранее известных теорий.

Что же оказалось в действительности?

Измерив частоты спектральных излучений у атомов различных элементов, физики стали изучать их. В спектре атомов водорода имеется около полусотни излучений. Но физики не нашли среди них таких, частоты которых относились бы друг к другу, как целые числа. Среди атомных излучений не нашлось «обертонов».

Зато был обнаружен другой закон – закон разностей частот. Вот, например, ряд частот излучений водородных атомов: 24,7·10¹⁴; 29,2·10¹⁴; 30,9·10¹⁴; 4,6·10¹⁴; 6,2·10¹⁴; 1,6·10¹⁴ (десятичные знаки в числах округлены). Если из второй частоты вычесть первую, то получится четвертая частота. В самом деле: 29,2·10¹⁴ – 24,7·10¹⁴ = 4,5·10¹⁴. Разность третьей и первой частот дает пятую частоту: 30,9·10¹⁴ – 24,7·10¹⁴ = 6,2·10¹⁴. Вычитание второй частоты из третьей приведет к шестой частоте. Ту же шестую частоту дает и разность пятой и четвертой частот.

Физика еще не знала таких соотношений частот; струна, например, их никогда не могла дать. Естественно, встал вопрос: применимы ли внутри атомов законы колебаний, которые до сих пор знала физика?

В чем же состоят особенности строения атомов?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было прежде научиться производить опыты с самими атомами, проникнуть в их недра.

Но есть ли в природе такие орудия, которые позволили бы проникнуть в глубь атомов, размеры которых составляют доли ангстрема, т. е. стомиллионные доли сантиметра?

Составные части атомов

Орудия для проникновения в недра атомов нашлись. Они нашлись в недрах самих атомов.

В 1896 году французские физики Анри Беккерель (1852—1908) и супруги Мария Кюри (1867—1934) и Пьер Кюри (1859—1906) открыли и исследовали явление радиоактивности некоторых тяжелых элементов. Атомы радиоактивных элементов выбрасывают из себя наряду с гамма-излучениями поток электронов и, кроме того, поток альфа-частиц. Каждая альфа-частица обладает положительным зарядом. По величине ее заряд вдвое больше, чем у электрона (про частицы с такими зарядами говорят просто: заряд равен двум). А по весу альфа-частица тяжелее электрона почти в 8 тысяч раз. Она в 4 раза тяжелее атома водорода и примерно равна по весу атому гелия.

Тяжелые, положительно заряженные альфа-частицы сыграли большую роль в исследовании атомов. Они оказались хорошими снарядами для проникновения в глубь атомов. В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) обстрелял этими снарядами атомы многих веществ.

Обнаружились интересные свойства атомов.

Прежде всего подтвердились предположения физиков о том, что не только в атомах радиоактивных веществ, но и в атомах всех веществ имеются электроны, а следовательно, отрицательные заряды. В обычном состоянии атом является незаряженным или, как говорят, электрически нейтральным. Это потому, что в атоме есть не только отрицательные заряды, но и положительные, и они нейтрализуют друг друга. Альфа-частица, пролетая мимо электронов, выбивает их из атома. Тогда атом, потеряв один или несколько электронов, оказывается положительно заряженным. Такой атом называют ионом, а выбивание из атомов электронов – ионизацией.

Опыты показали, что частицы, составляющие атом, занимают чрезвычайно малую долю объема всего атома. Поэтому альфа-частицы, пролетая сквозь атом, лишь изредка налетают на положительный заряд. И тогда они отклоняются от своего пути и даже отбрасываются назад. Редкость такой встречи означает, что положительный заряд сосредоточен в атоме в очень небольшом объеме. Это так называемое ядро атома.

Физики стали сравнивать атом с солнечной системой. Ядро атома подобно Солнцу. Электроны подобны планетам; они обращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

Бомбардируя атомы различных веществ альфа-частицами, физики установили еще одно важное свойство атомов: чем тяжелее атом, тем больше заряд его ядра, тем больше у атома и электронов. Заряд ядра у водородного атома равен единице. И вокруг этого ядра обращается один электрон. Заряд ядра и число электронов у гелия равны 2, у лития – 3 и т. д.

Заряд ядра и число электронов у атома каждого элемента в точности совпадают с тем порядковым местом, которое этот элемент занимает в таблице Менделеева.

Итак, ученые проникли в мир атома, узнали его состав.

Однако знать, из чего состоят атомы, это еще не значит знать строение атома. Составные части атомов не свалены в кучу. Они взаимодействуют между собой по каким-то определенным законам. Познать строение атома – это означает познать закон взаимодействия составляющих его частей. Ведь каждый атом – это прочная, устойчивая система. Как же взаимодействуют между собой составные части атома, чтобы образовать такую систему?

Физики снова попробовали применить уже известные им законы взаимодействия – механические и электродинамические.

Почему атомы устойчивы?

По законам механики электрон в атоме необходимо должен обращаться вокруг ядра. Иначе он упадет на ядро, с атомом произойдет какая-то катастрофа. В самом деле, массивное положительно заряженное ядро притягивает отрицательно заряженный электрон, как Солнце притягивает планеты. Если планеты не падают на Солнце, то только потому, что они обращаются вокруг него. Значит, если электроны не падают иа ядра, то необходимо предположить, что они не находятся в покое в атоме, а обращаются вокруг ядра.

Электродинамика, наука о движении зарядов, давно установила, что когда электрические заряды меняют направление движения или скорость, они излучают электромагнитные волны. Следовательно, электроны при обращении вокруг ядра должны порождать электромагнитные волны, т. е. световое излучение. Так, по крайней мере, следует из законов, найденных физикой для мира больших тел.

Однако если применить эти законы к атомам, опять возникают противоречия. В самом деле, если электрон неизбежно должен обращаться вокруг ядра и если он при этом неизбежно должен излучать, то также неизбежно он должен терять энергию. А потеря энергии неизбежно приведет к тому, что электрон будет быстро приближаться к ядру. Через какие-нибудь миллионные доли секунды должна неминуемо произойти катастрофа – электрон упадет на ядро.

Таким образом, законы механики требуют: чтобы избежать катастрофы, электрон в атоме должен обращаться вокруг ядра. А законы электродинамики утверждают: раз обращение заряда – значит излучение; раз излучение – значит потеря энергии и катастрофа.

Но катастрофа не происходит. Из опыта мы видим, что атомы большинства элементов в обычных условиях вполне устойчивы. А неустойчивость радиоактивных атомов связана не с характером движения электронов, а со свойствами ядер. Впрочем, и атомы радиоактивных элементов в конце концов превращаются в очень устойчивые атомы новых, нерадиоактивных элементов.

Почему же атомы устойчивы?

Не действуют ли в атомах какие-то новые законы излучений, которые были неизвестны ранее?

Физики вооружаются электронной пушкой. На помощь ученым вновь пришел свет, точнее, изучение условий, при которых возникают излучения в атомах.

Внимание физиков привлек один очень существенный факт: атомы излучают определенные частоты не в любом состоянии. Они излучают, когда вещество нагревается до очень высокой температуры или когда через него пропускают электрический ток (если речь идет о газах), или когда атомы обстреливаются потоком электронов или рентгеновских лучей, словом, когда атомы вещества «возбуждаются», т. е. когда их внутренняя энергия возрастает.

Этот факт известен давно. Он говорит о том, что в обычном, «нормальном» состоянии атом не излучает, каковы бы ни были движения электронов в нем. По-видимому, излучения атома связаны не с движениями электронов, а с особыми «потрясениями» в атоме.

Не узнаем ли мы более подробно о характере излучения атомов, если изучим процесс возбуждения атомов?

Прежде всего надо научиться управлять возбуждением. Это значит, надо научиться передавать атомам ровно столько энергии, сколько мы хотим.

Годится ли для этого газовая горелка? Нет, не годится. В газовой горелке атомы какого-либо вещества получают энергию при ударе их атомами газов, образующих пламя. А в пламени атомы газа движутся с самыми различными скоростями. И энергия у них поэтому различна. При столкновениях в пламени один атом вещества получит одну порцию энергии, а другой, может быть, в сотни раз больше. И этого никак не избежишь.

Но вот около полусотни лет назад физики научились получать поток электронов, в котором все электроны имеют одну и ту же скорость, а следовательно, и одинаковую энергию. Для этой цели была построена специальная «электронная пушка». Источником электронов в ней служила металлическая проволочка. Она накаливалась током, и тогда из нее– вылетали электроны. По вылете электроны попадали в специально созданное электрическое поле, которое ускоряло их движение, доводило их энергию до необходимого, точно определенного уровня. Изменяя разность потенциалов поля, можно было по желанию уменьшать или увеличивать энергию электронов. Так как энергия, полученная таким путем электронами, очень мала, то ее стали измерять не обычными единицами, а «электрон-вольтами». Эта единица энергии равна энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в один вольт.

Такая электронная пушка и была использована для возбуждения атомов.

Как атомы обмениваются энергией?

В первом опыте были взяты пары ртути. Энергия снарядов-электронов увеличивалась постепенно. Оказалось, что при малых энергиях электронов никакого возбуждения атомов ртути не наступало. Электроны ударяли в них, но отскакивали с той же скоростью, не отдавая им своей энергии. Атомы ртути были безучастны к ударам электронов. Они не возбуждались и не испускали никакого излучения.

Но так было только до тех пор, пока электроны не достигали определенной «критической» энергии, равной 4,9 электрон-вольта.

Как только электроны в пушке достигали этой критической энергии, атомы ртути при ударе захватывали у электронов их энергию и после этого начинали испускать излучение с частотой 11,8·10¹⁴ циклов. В результате излучения атомы теряли захваченную ими энергию и вновь приходили в нормальное состояние; излучение прекращалось.

Изменяя условия опыта, физики убедились, что атомы ртути способны захватывать также и большие порции энергии, но тоже совершенно определенные. После этих захватов шары ртути начинали испускать излучения также и других частот, тоже строго определенных. Поглощенная каждым атомом энергия затем полностью отдавалась при излучении. При этом всегда осуществлялся закон: частоты излучения были тем больше, чем больше была порция энергии, которая была сначала захвачена у электрона, а затем излучена атомом.

Атомы других веществ вели себя совершенно так же. Только порции энергии, которые они захватывали, были другие. Но всегда они были определенными для атомов одного и того же вещества.

Эта закономерность не была неожиданной. Физики уже знали, что свет излучается и поглощается только порциями, получившими название квантов света или фотонов. Когда атом отдает излишек энергии, он отдает его сразу в виде одной порции света – фотона. А энергия фотона тем больше, чем больше частота света. Следовательно, по частотам излучаемого света можно судить о величине порций энергии, отдаваемых атомом.

Каждый атом в нормальном состоянии всегда имеет определенный запас энергии. Это его минимальный запас, который не изменяется, если атом по каким-либо причинам вовсе не разрушается. В этом состоянии атом не излучает. При возбуждении запас энергии атома увеличивается. Возбужденный атом, излучая свет, теряет из запаса часть энергии в виде фотонов, соответствующих определенной частоте, и в конце концов возвращается в нормальное состояние. Физики выражают ту же мысль и иначе; они говорят: каждый атом находится в определенном «энергетическом состоянии». Излучая фотон, атом переходит в другое энергетическое состояние, с меньшей энергией. Значит, по частотам излучения атомов можно судить о том, какие энергетические состояния могут быть у атомов, какие возможны переходы из одного энергетического состояния в другое.

Этот вывод физики использовали для изучения строения атомов.

Какова структура атома

Модель атома водорода

В 1913 году датский физик Нильс Бор (1885—1962) попытался нарисовать наглядную картину: как может быть построен атом из положительного ядра и электронов и при каких условиях он излучает свет. Физики называют такую наглядную картину моделью атома.

Задача была сложная. Модель должна была учесть новый, необычный характер внутриатомных законов, о которых нам говорят опыты с атомами. Модель должна была объяснить: 1) почему атомы устойчивы, несмотря на то, что и в невозбужденном атоме электроды движутся, 2) закон разности частот, излучаемых атомами, 3) закон поглощения и излучения энергии только квантами (порциями).

Легче всего начать строить модель с атома водорода как наиболее простого. У него имеется всего лишь один электрон (см. стр. 90). Бор предположил, что этот электрон в полном соответствии с законами классической механики обращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, двигаясь по определенному пути или, как говорят, по орбите. Но – и тут ученый вводит первое ограничение законов классической физики – орбита эта не произвольная, а вполне определенная. Ее радиус может быть точно вычислен. Это – орбита, «дозволенная» законами, действующими внутри атома. У электрона могут быть и другие орбиты, орбиты с большим радиусом, но тоже вполне определенные. На них электрон обращается, когда атомы водорода возбуждаются, захватывают энергию извне. Для удобства при дальнейших рассуждениях мы можем занумеровать эти орбиты, начиная с самой близкой к ядру: № 1, № 2, № 3 и т. д. (рис. 35).

Двигаясь по какой-либо «дозволенной» орбите, электрон вовсе не излучает. В этом отношении электрон не подчиняется законам классической физики. Это – новое ограничение, которое вводит Бор, чтобы объяснить наблюдающиеся закономерности. А если электрон не излучает, то и энергия его не убывает.

Рис. 35. Модель атома водорода. Стрелками показаны возможные переходы электрона при излучении

Однако есть разница в состоянии электрона, когда он находится на орбите № 1 и когда он движется на более удаленных орбитах. В первом случае состояние электрона очень устойчивое. Он может как угодно долго двигаться по орбите № 1, с ним ничего не произойдет. На более удаленных орбитах состояние электрона неустойчиво: он продержится на них в среднем около одной стомиллионной доли секунды, а затем перескочит на одну из орбит, более близких к ядру, и в конце концов на орбиту № 1.

Бор утверждает: атом испускает свет только во время перескоков электронов с орбит более удаленных на орбиты более близкие к ядру. Подсчитав энергии электрона на возможных для него орбитах, физики нашли, что при перескоке 2—1 (так мы будем обозначать перескок электрона с орбиты № 2 на орбиту № 1) атом водорода должен испускать излучение с частотой 24,7·10¹⁴ циклов, при перескоке 3—1 – с частотой 29,2·10¹⁴ циклов, при перескоке 4—1 – с частотой 30,9·10¹⁴ циклов, при перескоке 3—2 – с частотой 4,6·10¹⁴ циклов, при перескоке 4—2 – с частотой 6,2·10¹⁴ циклов, а при перескоке 4—3 – с частотой 1,6·10¹⁴ циклов. Таким образом, оказалось, что частота света, излучаемого парами раскаленного водорода, определяется тем, с какой орбиты на какую перескакивают электроны в его атомах.

Перескоками электродов можно объяснить и тот факт, что разности между отдельными частотами тоже являются частотами излучения атомов. Когда электрон обращается, скажем, по четвертой орбите, атом имеет один запас энергии. При перескоке электрона на вторую орбиту атом теряет часть энергии на излучение. Обозначим ее так: Э_4,2. Но ту же энергию атом может потерять за два приема: при перескоках электрона с четвертой орбиты на третью и с третьей на вторую. Если обозначить энергии, потерянные при отдельных перескоках, через Э_4,3 и Э_3,2, то сказанное можно записать: Э_4,2 = Э_4,3 + Э_3,2. Отсюда следует, что энергия, потерянная при перескоке 4—2, минус энергия, потерянная при перескоке 4—3, равна энергии, потерянной три перескоке 3—2. Но мы уже знаем, что энергия излучения тем больше, чем больше частоты излучения. Следовательно, если существует закон разности энергий излучений, то существует и закон разности частот излучений. Это мы и видим на примере частот, указанных в предыдущем абзаце. В самом деле: 6,2·10¹⁴ – 1,6·10¹⁴ = 4,6· 10¹⁴.

Следует заметить, что при каждом отдельном перескоке электрона атом испускает излучение только одной частоты. Если же в спектре водорода мы наблюдаем излучения не одной, а нескольких частот, то это потому, что мы всегда наблюдаем результат действия не одного, а множества атомов. В одних атомах электроны перескакивают со второй орбиты на первую, в других – с третьей на вторую, с третьей на первую и т. д.

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!

Так была установлена связь оптических спектров с химическими свойствами элементов.

Огромную работу по спектральному анализу атомов проделала группа советских физиков, руководимая академиком Д. С. Рождественским (1876—1940). Эта группа начала свою работу в 1918 году в только что созданном советской властью Государственном оптическом институте. В частности, Д. С. Рождественский исследовал и установил закономерности спектров щелочных металлов и строение их электронных слоев.