Текст книги "Рассказ о строении вещества"
Автор книги: Владимир Мезенцев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 10 страниц)
VII. СТРОЕНИЕ АТОМА
1. Пути электронов
Вспомните, как мал атом. Его нельзя увидеть даже при увеличении в 40–50 тысяч раз. И тем не менее физики проникли внутрь этой ничтожно малой частицы, узнали много подробностей о её строении.
И сколько изумительных остроумнейших опытов ставилось и ставится физиками нашего времени для выяснения природы атомов и молекул! Сколько делается сложнейших расчётов! Сколько высказывается догадок и предположений!
Обо всём этом не расскажешь просто и коротко. Ведь на помощь себе учёные XX века привлекают все достижения науки.
Поэтому мы лишь кратко расскажем здесь о некоторых успехах физики наших дней, связанных с вопросом строения вещества.
В результате многочисленных опытов и расчётов было твёрдо установлено, что электроны располагаются в атоме не на одном расстоянии от ядра, а как бы по слоям. При этом в каждом слое, в каждой электронной оболочке может находиться лишь определённое число электронов. Так, в первом, ближайшем к ядру атома, слое может располагаться только 2 электрона, во втором – не более 8 электронов, в третьем – до 18, в четвёртом слое могут разместиться целых 32 электрона и т. д.
Наиболее совершенное, законченное строение имеют те атомы, у которых целиком заполнены одна (два электрона), две (десять электронов), три (двадцать восемь электронов) и более оболочки. Таковы, например, атомы гелия, они имеют два электрона, то-есть одну полную оболочку, или атомы неона, имеющие десять электронов – две полные оболочки. У этих элементов очень трудно оторвать хотя бы один электрон – здесь силы взаимодействия между частичками таковы, что любой электрон вырвать из атома одинаково трудно. И в этом как раз и кроется причина того, что оба эти элемента – и гелий и неон – не вступают в химическое соединение с другими веществами. Недаром эти газы называются инертными, то-есть бездеятельными.
Наоборот, если мы возьмём третий элемент таблицы Менделеева – литий, то его атомная постройка оказывается уже не столь завершённой. Два электрона у него располагаются в первом электронном слое, а третий, как показывают расчёты, находится дальше от ядра атома – во втором слое. Но этот слой может вмещать в себя до 8 электронов, и таким образом второй слой оказывается как бы недостроенным. А это сказывается на свойствах лития. Электрон этого элемента, расположенный во втором слое, удерживается в атоме много слабее, нежели другие. Поэтому достаточно какого-либо химического воздействия на атом лития, чтобы он уже потерял свой третий электрон. Поэтому-то он и вступает так легко в различные химические соединения. Поэтому-то он и имеет ярко выраженные свойства металла. Ведь во всех металлах, как теперь установлено, имеется много «свободных» электронов, перемещающихся в любом куске металла среди его атомов.
«Родственником» лития является металл натрий. И у этого элемента, имеющего 11 электронов, такая же картина строения – он имеет два полных электронных слоя (10 электронов) и один, последний, электрон, расположенный в третьем слое. Положение последнего электрона здесь еще более неустойчиво, чем у третьего электрона лития. Ведь он располагается еще дальше от атомного ядра. Значит, он еще легче может быть оторван от своего атома. Вот почему натрий еще более активен при химических реакциях, чем литий.
Бериллий имеет уже два электрона (из своих четырёх) во втором слое, и эти электроны также держатся в нём не так прочно, как в атомах гелия и неона. Однако отнять их от атома уже труднее, чем у лития и натрия; этим и объясняется, почему бериллий менее химически активен, чем, скажем, натрий.
Так вместе с выяснением порядка расположения электронов в атомах был разгадан секрет физико-химических свойств различных элементов.
То, что электроны располагаются в атомах именно таким образом, как было сейчас рассказано, блестяще подтвердилось одним замечательным предсказанием.
В 1923 году был открыт один из последних остававшихся неоткрытыми элементов менделеевской таблицы – гафний (порядковый номер 72). Долгое время этот элемент искали в рудах его «родственника» – лантана. Поиски были тщетны. Но вот в 1922 году, рассчитав, как должны быть расположены в атомах этого неизвестного элемента электроны, учёные пришли к выводу, что он по расположению электронов более родственен цирконию, чем лантану. Значит, его нужно искать не в лантановых рудах, а в природных минералах, содержащих цирконий. И уже через год предсказанный элемент был найден в норвежской цирконовой руде!
После того как было выяснено расположение электронов в различных атомах, удалось установить, каким путём атомы соединяются в молекулы.
Вот как это происходит. Когда атомы соединяются в молекулы, то при этом в них изменяется движение некоторых электронов – как раз тех, которые наиболее удалены от ядра. Так, например, когда соединяются два атома кислорода и атом углерода в молекулу углекислого газа, то часть электронов углерода и кислорода перестаёт уже принадлежать одному атому – они охватывают теперь все ядра. Так образуется молекула (рис. 17).
Рис. 17. Схема образования молекулы углекислого газа.
А вот другой способ соединения атомов: атом натрия (11 электронов) имеет один «лишний» электрон (рис. 18).
Рис. 18. Схема образования молекулы поваренной соли.
Этот электрон только начинает «надстраивать» третью оболочку атома, и поэтому натрий без особого труда отдаёт его другим атомам. Наоборот, атом хлора (17 электронов) имеет в своей третьей оболочке семь электронов; эта оболочка уже достаточно прочная И вместо того, чтобы отдавать электроны из неё, атом хлора захватывает чужой электрон, необходимый для «достройки» своей оболочки. Поэтому как только атом натрия приближается к атому хлора, «лишний» электрон натрия переходит в электронную оболочку хлора. Атомы натрия и хлора становятся электрически заряженными – атом натрия становится положительно заряженным ионом, а атом хлора – отрицательно заряженным. Это сделал электрон-«перебежчик». Теперь оба атома-иона будут держаться вместе – ведь заряды их противоположны, и они притягиваются друг к другу.
Такими способами – как первым, так и вторым – и соединяются атомы. При этом замечено, что атомы в молекулах сложных веществ чаще имеют наружное электронное окружение, состоящее из восьми электронов. Это, как показывают исследования, наиболее устойчивое окружение.
Русский ученый М. Г. Павлов, о котором мы уже говорили ранее, первый предугадал, что происходит при объединении атомов в химическое соединение. Он писал, что «…при сем возбуждаются противуположные электричества. А поелику химическое соединение совершается между атомами, то между ними же должно быть и возбуждение противуположных электричеств, и в сем состоит взаимное атомов одного на другой действие».
Установлена физиками XX века и структура различных молекул. На рисунке 19 для примера показано строение молекул воды, углекислого газа и нафталина.
Рис. 19. Так соединяются атомы в молекулах воды, углекислого газа и нафталина.
Основоположником этой отрасли знания является А. М. Бутлеров, который еще в 50-х годах прошлого века разработал свою знаменитую теорию строения молекул органических веществ. Многие известные иностранные учёные того времени такие, как Жерар и Бертело, утверждали, что наука никогда не сможет узнать, как располагаются атомы в молекулах. Русский учёный разбил эти взгляды. Он показал, что, испытывая вещество различными физико-химическими методами, можно очень точно установить, как именно располагаются атомы в его молекулах, то-есть определить строение, структуру молекул.
Свойства органических веществ определяются прежде всего строением их молекул, их структурой – такова суть структурной теории А. М. Бутлерова.
Структурная теория Бутлерова объяснила загадку так называемых изомеров – веществ, имеющих одинаковый состав, но резко различные свойства. Оказывается, различные свойства изомеров объясняются различным расположением атомов в молекулах этих веществ.
Так было подтверждено гениальное предвидение Ломоносова о зависимости свойств вещества от расположения атомов в его молекулах!
Вместе с тем структурная теория А. М. Бутлерова необычайно облегчила задачу искусственного получения новых органических веществ. Ведь теперь стало возможным строить молекулы сложных органических веществ «с открытыми глазами», – приступая к синтезу нового вещества, химик имел перед собой структурную формулу его молекул.
2. Частицы-волны
Итак, физики установили, как располагаются электроны в атомах.
Было доказано, что электроны вращаются вокруг ядер по замкнутым орбитам, образуя электронные оболочки атомов.
Но, установив это, современные физики отнюдь не исчерпали всего того, что таит в себе атом. Наоборот, именно теперь они оказались на пороге необычайных и удивительных открытий.
Еще задолго до того, как люди убедились в реальном существовании атомов, многие учёные искали ответа на вопрос: что такое свет?
Многочисленными работами физиков прошлого века на этот вопрос был дан совершенно определённый ответ: свет – это электромагнитные волны, распространяющиеся от светящегося тела во все стороны.
Что такое электромагнитная волна?
Если в какой-либо точке пространства происходит изменение электрического состояния, например по проводу проходит переменный электрический ток, постоянно меняющий своё направление, то вокруг этого провода, в пространстве, возникает так называемое электромагнитное поле, напряжение которого будет также постоянно меняться. Иными словами, здесь возникает колебание магнитных и электрических сил, причём это-колебание, как только оно возникает в каком-либо месте, сразу вызывает подобное же себе колебание и в соседних точках пространства. Таким путём и возникает в пространстве электромагнитная волна, то-есть периодически изменяющееся электромагнитное состояние пространства.
Такое колебание электрических и магнитных сил напоминает собой колебание частичек воды, когда по ней идут волны. Как на воде отдельные частички её не передвигаются вместе с волной, а лишь колеблются вверх и вниз, образуя таким образом гребни и впадины волн и передавая это колебательное движение дальше, так и в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства происходит как бы волнообразное изменение электрического состояния с образованием «гребней» и «впадин», приводящее к передаче энергии от одной точки пространства к другой.
Исследование таких электромагнитных волн показало, что они подобны световым лучам.
Как и свет, они распространяются в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду, как и свет, они отражаются, преломляются, как и свет, они дают явление, называемое дифракцией.
Что это за явление?
Известно, что световые лучи распространяются прямолинейно. Но бывают и исключения из этого правила: при определённых условиях световые лучи как бы начинают изгибаться.
Посмотрите на рисунок 20. Это – фотография тени небольшого винта.
Рис. 20. На рисунке изображена тень от маленького винтика; расстояние от источника света до винта и от винта до экрана составляет более десяти метров.
Но что же это за странная тень, почему она так расплывчата?
А вот это и есть тот случай, когда нарушается закон прямолинейного распространения света.
Чтобы получить такую тень, надо сильно увеличить расстояние между источником света и винтом, а также между винтом и экраном, на котором появляется тень от винта. На приведённой фотографии, например, расстояние от источника света до винта и от винта до экрана составляет более 10 метров. А диаметр источника света – всего 0,2 миллиметра.
При таких условиях становится ясно видным нарушение закона прямолинейного распространения света.
В самом деле, посмотрите внимательно на рисунок. Вы видите, что граница тени от винта расплывчата, нерезкая. Это говорит о том, что отдельные световые лучи огибают края винта и проникают в область самой тени.
Столь же показательно и образование тёмных полос вокруг тени винта – там, где, казалось бы, должно быть полностью освещённое место.
Чёрные полосы говорят о том, что здесь есть места, куда свет не проникает. А это также говорит о том, что свет распространяется непрямолинейно.
Описанный пример лишь один из многих случаев непрямолинейного распространения света.
Все такие явления, при которых наблюдается отклонение от прямолинейного распространения света, и называют явлениями дифракции света.
Явление дифракции легко наблюдается у водяных волн. Заметить его совсем нетрудно.
Вот, скажем, бегущие по воде волны встречают на своём пути какое-либо большое препятствие, например скалу. Волны в этом случае разбиваются о камень, и позади него создаётся «тень» – спокойная поверхность (рис. 21).
Рис. 21. Дифракция водяных волн.
Но иное дело, если на пути водяных волн встречается небольшое по размерам препятствие, например колышек или шест. Здесь волны обогнут препятствие и пойдут дальше. Это и есть дифракция водяных волн. Учёные доказали, что это загибание волн в область «тени» является характерным их свойством.
И вот то, что свет способен дифрагировать подобно волнам на воде и убедило окончательно физиков в том, что по своей природе свет – это также волны. Дальнейшие исследования показали, что они могут быть только волнами электромагнитными.
Такое объяснение природы света во второй половине прошлого века было общепризнанным.
Но вот неожиданно в конце XIX столетия учёные столкнулись с новыми явлениями, необъяснимыми с течки зрения волновой природы света.
Вспомните опыты А. Г. Столетова. Свет, падая на различные тела, «выбивает» с их поверхности электроны, рождает электрический ток. Столетов установил, что фотоэффект зависит от длины световой волны. Например, из одного и того же тела световые волны с длиной 1–2 стотысячных доли сантиметра «выбивали» поток электронов, а волны с длиной 5–6 стотысячных долей сантиметра не могли «выбить» ни одного электрона.
Объяснить эту закономерность фотоэффекта очень трудно, если считать, что свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. В самом деле, если свет – это поток электромагнитных волн, то очевидно, что падающие на тело волны должны сообщать каждому электрону энергию, раскачивать их, и тем самым давать им возможность вылететь из вещества в окружающее пространство. Но почему же тогда фотоэффект зависит от длины волны световых лучей? Ведь любая световая волна при достаточно длительном облучении должна бы вырывать электроны!
Еще более загадочные явления встретились и совершенно необъяснимые противоречия возникли перед физиками, когда они стали определять скорости вырванных электронов, то-есть тот запас энергии, который приобретает под действием света каждый электрон в отдельности. Здесь был установлен поразительный факт, что хотя число вырываемых электронов зависит от силы света, но энергия каждого отдельного вырываемого электрона от силы света не зависит. Будем ли мы освещать тело светом очень сильным или ничтожно слабым, вылетающие из тела электроны будут иметь одну и ту же скорость, а значит, одну и ту же энергию.
Как понять этот факт, если мы считаем свет волной? Ведь с точки зрения волновой теории увеличение силы света означает, что энергия, которую приносит в данном месте водна, то-есть размах колебаний световой волны, стала больше. Почему же в таком случае электрон, вырываемый в этом месте волной, всегда имеет одну и ту же энергию, независимо от силы света?
Что же получается? Получается, что, с одной стороны, свет – это электромагнитные волны, но, с другой, – закономерности фотоэффекта, установленные чисто опытным путём, утверждают, что свет – это что-то иное, более сложное.
Уже в начале XX века из этих противоречий физики сделали замечательный вывод. Свет – это не просто электромагнитные волны; испускание и поглощение их происходит не непрерывно, как думали физики прошлого века, а отдельными порциями – квантами. Иными словами, свет – это не только поток электромагнитных волн, но в то же время это и поток частиц-фотонов, несущих с собой световую энергию в виде отдельных порций – квантов.
Была установлена и зависимость между квантами и длиной волны. Оказалось, что величина энергии каждого кванта не одинакова – чем длиннее волна, тем меньше энергия присущего ей кванта. Таким образом, например, квант красного излучения, с длиной волны в 7 стотысячных долей сантиметра, несёт с собой меньшую энергию, чем, скажем, квант синего света, длина волны которого около 4 стотысячных долей сантиметра.
И вот, с этой новой, квантовой, точки зрения стало возможным объяснить и явление фотоэффекта. Все особенности этого явления оказались легко объяснимыми. Так, если энергия кванта достаточно велика, чтобы вырвать из тела электрон, то ясно, что чем больше квантов, то-есть чем больше света будет падать на тело, тем больше будет вырвано электронов.
Понятна также зависимость фотоэлектрического эффекта от длины волны. Чем меньше длина волны, тем больше энергия квантов и, следовательно, тем вероятнее, что эти кванты вырвут электроны. Если же энергии каждого отдельного кванта недостаточно для того, чтобы совершить работу, необходимую для вырывания электрона из тела, то фотоэффекта вообще не будет, сколько бы света ни падало на тело. Вот почему и не наблюдается фотоэлектрического эффекта даже при освещении сильным светом, если только длина волны этого света настолько велика, что соответствующая порция энергии (квант) меньше «работы выхода» электрона, то-есть той энергии, которая необходима для вырывания электрона с поверхности тела.
Так же просто объясняются и многие другие, столь же загадочные, с волновой точки зрения, закономерности, известные физикам.
Однако как ни хорошо с квантовой точки зрения объяснять явления поглощения света, трудно понять, как это свет одновременно является потоком частиц и волной.
И тем не менее, в настоящее время мы можем совершенно уверенно говорить: да, это именно так и есть! Элементарные световые частицы – фотоны – действительно в некоторых явлениях ведут себя как частицы, а в некоторых – как волны.
Более того.
Квантовая механика утверждает, что и другие частицы – электроны, альфа-частицы, да и сами атомы – имеют такую же двойственную природу. Все они могут проявляться или как частицы, или как волны.
Это доказано неоспоримыми опытами. Так, например, установлено, что электроны эти, казалось бы, уже так хорошо знакомые физикам частицы, обладающие определённой массой и зарядом, пути полёта которых тысячи раз были засняты на фотографические пластинки, эти несомненные частицы показывают в некоторых случаях свойства волн. Пролетая через тончайший листик золота, электроны дают ярко выраженную картину дифракции (рис. 22)!
Рис. 22. Дифракция электронов.
Так же способны дифрагировать и атомы и молекулы!
А дифракция присуща, как мы знаем, именно волнам.
Разгадка этой новой, поистине замечательной тайны вещества позволила нам более правильно объяснить и строение атома.
Квантовая механика рисует движение электронов в атоме так: вращаясь вокруг ядра, электроны окружают его как бы «электронным облаком».
Плотность этого «облака» в разных местах различна. «Облако» гуще в тех точках пространства, где вероятность пребывания электрона больше.
Своеобразие такого подхода к решению вопроса объясняется тем, что микромир, мир электронов и атомных ядер, имеет свои особенности, отличающие его от окружающего нас, привычного нам, мира больших вещей.
Квантовая механика породила у ряда современных буржуазных физиков взгляды и выводы, далёкие от истинной науки.
Изучая пути движения электронов в атоме, физики не могут определить одновременно точное положение электрона и его скорость. Из этого некоторые реакционные физики и философы делают идеалистический, поповский, далёкий от науки вывод. Так, физики Гейзенберг и Бор утверждают, что раз мы не можем определить в одно и то же время точное положение электрона в атоме и его скорость и, таким образом, не можем сказать, по какому пути движется этот электрон, то, значит, движение электронов в атомах не является закономерным; оно не может быть познано нами вообще, так как электроны якобы обладают «свободой воли»!
Другие реакционеры идут еще дальше и утверждают, что электроны вообще не являются вещами, существующими вне нашего сознания; они не существуют независимо от нас и наших приборов.
Нечего и говорить, что эти вздорные, ненаучные взгляды поддерживают все противники передовой, материалистической науки. Ведь согласно таким взглядам наука бессильна объяснить окружающую действительность, человек никогда не сможет понять и объяснить отдельные явления природы. А это значит, что есть в мире те таинственные, необъяснимые «силы», на которых держатся все суеверия и религии.
Иное, действительно научное объяснение «поведению» электрона в атоме даёт наша материалистическая наука.
Мир необычайно малых частиц, как мы уже сказали, – мир особый. Поэтому мы не можем подходить к нему только с теми законами, к которым привыкли в мире больших вещей.
В мире малого имеются, кроме того, свои законы, свои закономерности.
Каковы эти законы? Пока мы их полностью не знаем. А то, что мы уже знаем, подчас не вяжется с нашими привычными представлениями.
Так именно и обстоит дело с дифракцией мельчайших частичек. Очевидно, что все эти частички движутся по каким-то своим законам, а не по законам хорошо известной нам механики, управляющей движением больших тел. Согласно этим особым законам движутся и электроны в атомах.
Мы стремимся при помощи опыта познать законы мира малого. Путь к этому один – дальнейшее изучение строения атома и главным образом его центральной части – ядра, в котором действуют ещё мало изученные ядерные силы. При изучении атомного ядра, можно надеяться, будут найдены и объяснены многие закономерности мира малых частиц.
По этому пути и идёт наука наших дней. И уже теперь, спустя немного лет после своего зарождения, ядерная физика достигла изумительных результатов.
Что же мы знаем о строении ядра в настоящее время и что это нам дало в применении к практической жизни?
