В современной науке существуют 2 теории, объясняющие поведение атомов и излучение ими эфирных волн. Первая из них принимается большинством физиков, вторая поддерживается преимущественно химиками. Д-р Роберт Милликен, американский ученый, получивший за свои работы в области электронной теории Нобелевскую премию, написал для друзей радио помещаемую ниже статью. Автор полагает, что обе теории могут быть согласованы.
Все ученые в настоящее время признают, что атом не является неделимым1), но имеет сложное внутреннее строение и состоит: 1) из очень маленького ядра, в котором находится весь положительный заряд атома, и 2) окружающих его отрицательно заряженных электронов2), способных нейтрализовать отрицательный заряд ядра.
Мы все согласны с тем, что число этих положительных зарядов, содержащихся в ядре, может изменяться от 1 (как это имеет место для атома водорода) и, увеличиваясь последовательно на 1, может дойти до 92 (для атома урана).
Мы все согласны с тем, что число отрицательных электронов, окружающих ядро, изменяется между 1 и 92, и, кроме того, с тем, что химические свойства3), а также большинство физических свойств всех атомов вещества определяется именно числом электронов, и притом, главным образом, числом тех электронов, которые находятся во внешних "слоях"4), наиболее удаленных от ядра. Эти последние электроны мы называем "электронами валентности".
Мы все согласны с тем, что ядро чрезвычайно мало, настолько мало, что если бы все размеры атома увеличить в миллиард раз (при этом увеличении диаметр атома был бы равен приблизительно 1 метру), то даже при этом громадном увеличении ядро атома имело бы диаметр не более ¹/10 миллиметра, т. е. не более диаметра острия обыкновенной булавки.
Мы все согласны с тем. что в ничтожном по величине атоме урана содержится 238 частиц положительного электричества и 146 отрицательных электронов. Точное число этих отрицательных электронов определяется только атомным весом, так как число отрицательных электронов, которые связывают положительные, и есть атомный вес минус порядковый № атома5).
Мы все согласны с тем, что атомы и молекулы содержат 2 основных сущности: положительные и отрицательные электроны, которые и являются "кирпичами" мироздания.
Мы все согласны с тем, что какой-либо из отрицательных электронов внешнего слоя атома способен испускать лучистую энергию именно тогда, когда он переходит с какого-либо уровня высшей потенциальной энергии на уровень нисшей потенциальной энергии.
Наконец, мы все согласны с тем, что число колебаний (частота) возникающей таким образом лучистой энергии пропорционально потере энергии при этом переходе6).
Наиболее плодотворным достижением физики за последние 5 лет является окончательное подтверждение упомянутого выше закона излучения Эйнштейна-Бора. Последние недавно произведенные опыты указывают, что этот закон справедлив не только для излучений, вызываемых переходом электронов с одного уровня энергии на другой, но и для излучений, испускаемых самим ядром — так называемых "гамма-лучей", испускание которых связано с изменениями внутри ядра радиоактивных атомов, подобных радию.
Все эти достижения, которых никто на нас не отрицает, подтверждают поразительные научные успехи, сделанные именно в течение последних 10 лет. В настоящее время мы имеем полную возможность наблюдать воочию внутренность атома и видеть, что именно там содержится, а также следить за явлениями, происходящими внутри атома во время излучения им световой или иной формы электромагнитной энергии.
Единственным пунктом, в котором наши мнения расходятся, или, лучше сказать, в котором мы не вполне уверены, это вопрос, как именно проводят время атомы, т. е. как они ведут себя, когда они не излучают.
Химики, в общем, вполне удовлетворяются той теорией, которую я назову "теорией бездействующих электронов".
Эта теория представляет себе электроны каждого атома неподвижно усевшимися по углам воображаемого многогранника, как это изображено на рис. 1.
Физики, наоборот, склонны думать, что атомы ведут более деятельную жизнь и, резвясь, играют в различные занимательные игры.
Они рисуют себе, что электроны, как это изображено на рис. 2, вращаются с колоссальными скоростями по своим орбитам и, в некоторых случаях, по тем или иным причинам, соскакивают со своих обычных путей.
В пользу истинности первой теории — "теории бездействующих электронов" — можно привести 2 довода.
Модель атома по теории бездействующих электронов.
Рис. 1. Рисунок изображает предполагаемое расположение в атоме углерода 4 внешних электронов, принимаемых за неподвижные. Воображаемая геометрическая фигура — тетраэдр, т. е. пирамида, образованная из 4-х равносторонних треугольных граней, служит только для более наглядного изображения расположения тех 4 точек, в которых электроны "отдыхают". Положение электронов определяется электростатическими силами.
1) Во-первых, такая бешеная подвижность и активность электрона, какую ему приписывают физики, должна была бы очень быстро исчерпать запас энергии, который имеет электрон.
Электроны очень скоро устали бы и прекратили бы свой бег.
Против этого ничего нельзя возразить.
Действительно, электроны устали бы, если бы электро-магнитные законы были универсальны и справедливы даже для самого "сердца" атома. Единственным ответом физики на этот довод будет следующий: "бог не создал электроны таковыми". Преждевременно утверждать, что электромагнитные законы универсальны, пока мы, на впервые представляющемся нам случае, не проверили их на таких ничтожно малых областях, как внутренность атома.
2) Вторым доводом в пользу "теории бездействующих электронов" является существование химической валентности (см. рис. 6). Существование валентности есть неоспоримый факт. И только по недоразумению этот довод выдвигался против теории орбит. Не-физики — и я хочу особенно подчеркнуть этот факт — всегда имели в виду теорию, согласно которой все электроны вращаются по орбитам в одной и той же плоскости. Существование же валентностей легче поддается объяснению при помощи теории орбит (если только представить себе эти орбиты соответственным образом расположенными), чем теорией неподвижных электронов. Эти мысли я высказывал еще в 1916 году, стремясь примирить те разногласия, которые, по чистому недоразумению, разделяют химиков и физиков по этому вопросу на два враждующих лагеря.
Перейдем теперь к рассмотрению доводов в пользу теории орбит. Исходя из теории орбит, возможно, чисто-теоретическим путем, предсказать точные числовые данные для многих явлений, данные, которые всецело подтверждаются опытом.
1) Первым примером этого может служить вычисление на основании уравнений движения электронов по орбитам, так называемой спектроскопической постоянной Ридберга.
Вычисленное значение этой постоянной величины отличается от измеренного на опыте не более, чем на 2 тысячных7).
2) Вторым примером является предсказание картины спектра, т.е. расстояния между положением двух спектральных линий гелия и водорода. Теория говорит, что эти две линии должны были бы слиться в одну общую линию, если бы ядро атома гелия не имело в четыре раза большую массу, чем ядро атома водорода.
Модель атома по теории движущихся электронов.
Рис. 2. 4 электрона, содержащиеся в каждом атоме углерода, вращаются вокруг нейтрального ядра по электрическим орбитам, один из двух фокусов которых находится в центре ядра. Около ядра показаны орбиты 2 внутренних электронов, которых не было в модели рис. 1.
Это становится вполне понятным, если принять во внимание, что вращение электрона вокруг ядра атома водорода в действительности ведь сводится к тому, что эти два тела должны вращаться вокруг их общего центра тяжести. Но так как ядро в 2 тысячи раз тяжелее, чем электрон, то и общий центр тяжести системы этих двух тел расположен чрезвычайно близко к ядру водорода. Если же ядро водородного атома заменить ядром атома гелия, которое в 4 раза тяжелее водородного, то общий центр тяжести еще более приблизится к ядру, и, следовательно, ядро гелия будет при своем вращении описывать орбиты гораздо меньших размеров, чем орбиты, описываемые водородным ядром. Это влечет за собой весьма малую (но тем не менее поддающуюся точному вычислению) разницу между энергиями, соответствующими движениям по этим двум различным орбитам. Поэтому вполне понятно8), что, благодаря такому перескакиванию электрона с одной орбиты на другую, спектральные линии немного смещаются одна относительно другой.
Обе теории могут быть согласованы.
Рис. 3.
если представить себе, что орбиты 4 внешних электронов атома углерода (изображенные на рис. 2) расположены так, что внешний фокус каждого из эллипсов как раз приходится в каждой из 4 вершин воображаемого тетраэдра, в которых химики мысленно помещают свои неподвижно сидящие электроны.
Подобное смещение и было найдено в действительности для соответствующих спектральных линий водорода и гелия, при чем численное отношение между массой электрона и массой водородного атома, вычисленное на основании этого смещения, отличаются от числа, полученного на основании совершенно иных соображений, всего на небольшие доли процента.
3) Переходим к третьему поразительному результату применения теории орбит. Зоммерфельд, развивая теорию Бора, был вынужден предложить, что электроны могут двигаться не только по круговым, но и по эллиптическим орбитам9).
При движении по эллипсу скорость на различных участках пути неодинакова10).
Согласно же теории относительности, масса электронов (как и всякая масса) изменяется при изменении их скорости11).
Зоммерфельд вывел формулу, на основании которой он показал, что эта разница в орбитах вызывает небольшую разницу в энергиях, и что именно поэтому соответствующие спектральные линии водорода и гелия должны быть двойными12), и, таким образом, впервые объяснил возникновение "спутников" спектральных линий. Точные измерения спектра дали поразительное совпадение с выводами Зоммерфельда и блестяще подтвердили истинность теории орбит.
4) Как на четвертый довод в пользу теории орбит можно указать на приложение ее Энштейном к решению очень трудной и сложной задачи о тех изменениях в движении электронов (связанных с изменениями их энергии), которые вызываются излучениями атомов водорода и гелия и в электростатическом поле. Энштейн, исходя из теории орбит, объяснил во всех подробностях так называемые явления Штарка13), предсказав точно, появление каких именно спектральных линий следует ожидать и в каких именно местах спектра они должны появиться. Точные спектроскопические исследования вполне подтвердили его выводы.
Один из способов, которым можно выбить электрон из атома
Рис. 4. Если быстро движущихся "одинокий" электрон налетает на атом, то он может, если он наскочит на один из его электронов, выбить его из пределов атома. Рисунок изображает этот случай для атома углерода, того самого, который показан на рис. 4.
5) Наконец, как на пятый пример, я могу указать на результаты, полученные Боуэном и мной в Технологическом Институте в Калифорнии. Нам удалось, при помощи так назыв. "hot sparks" — «горячих искр", в крайне разреженном пространстве выбить электроны из их орбит и заставить их вылетать за пределы атома. Мы проделали это с литием, бериллием, бором, углеродом и азотом и получили возможность оперировать с, так сказать, "ограбленными" атомами названных элементов.
Все эти "ограбленные" атомы различных элементов имеют совершенно одинаковое строение; разница между ними только в том, что электрические поля, в которых оставшиеся электроны описывают свои орбиты, возрастают в отношениях 1, 2, 3, 4, 5, если мы будем переходить в указанном выше порядке (от лития к азоту).
Мы применили для этого случая выведенную Зоммерфельдом и упомянутую выше формулу для простейшей системы электронов, имеющейся в водороде и ионизированном14) гелии. Мы нашли, что по этой формуле не только можно во всех случаях предсказать расщепление спектральных линий у "ограбленных" атомов, но и вычислить так называемый "экранирующий эффект" — screening effect, т. е. то влияние, которое 2 внутренних электрона15), вращающиеся вблизи ядра, оказывают на взаимодействие между внешними электронами и ядром. Действительно, если мы предположим,что силы взаимодействия электронов изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний, то мы придем к выводу, что эти 2 внутренних электрона, находясь на достаточно близком расстоянии от ядра, должны нейтрализовать как раз 2 заряда из имеющихся у ядра свободных положительных зарядов. Эта же формула позволяет нам вычислить тот "экранирующий эффект", который должны оказывать эти 2 внутренних электрона.
Цельный атом и "ограбленный" атом, у которого выбиты электроны.
Рис. 5. Слева показан атом углерода, у которого выбиты внешние электроны и остались только 2 внутренних. Вершины воображаемого тетраэдра указывают те точки, где были фокусы орбит вышибленных электронов. Справа изображен атом гелия, имеющий только 2 электрона, соответствующих электронам, остающимся в "ограбленном" атоме углерода. Но в атоме гелия орбиты этих электронов имеют большие размеры, и это сказывается на излучении обоих атомов.
Произведенные опыты показывают, что "экранирующий эффект" как раз соответствует потере ядром 2 зарядов, что вполне согласуется с данными для радиоактивных веществ и данными химии.
Другими словами, мы получаем совершенно особый метод, посредством которого мы можем заглянуть внутрь атома и спросить себя, сколько именно электронов находится во внутреннем его слое. Ответ будет — 2.
Далее, если мы будем изучать спектр "ограбленных" атомов у группы элементов, начиная от натрия и кончая серой, и притом атом натрия, лишенный одного электрона, атом магния — 2-х, алюминия — 3-х, кремния — 4-х, фосфора 5-ти и серы 6-ти, — то мы придем к выводу, что число "экранирующих" электронов в 2-х внутренних слоях должно быть 2+8, т. е. всего 10. Предсказания эти во всех случаях в точности подтверждаются на опыте.
Прежнее понимание валентности.
Рис. 6. Валентностью атома или атомностью называется свойство его соединяться с вполне определенным числом атомов другого элемента, или, как говорят иначе, иметь известное число "единиц сродства" (изображенных на рисунке в виде крючков). Так, водород H одноатомен, кислород O — двухатомен, углерод C — четырехатомен. Поэтому, атом O может присоединить к себе 2 атома H, образуя молекулу воды (фиг. а), а атом C при полном "насыщении" своего сродства может удерживатъ только 2 атома O, образуя молекулу углекислоты (фиг. б) или 4 атома водорода (образуя болотный газ). В. З.
Это является бесспорным подтверждением того, что электроны должны иметь "поля Кулона", т. е. такие электрические поля, напряжение которых изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния.
Этот вывод абсолютно несовместим с терией неподвижных, бездействующих электронов.
Как мы видели выше, физики в буквальном смысле нагромоздили целые горы количественных доказательств в пользу движения электронов по орбитам.
Мы действительно должны признать, что полученные результаты несовместимы с видом тех орбит, с которыми оперировали физики в области оптики за последние 5 лет.
Эти результаты вынуждают нас пойти по одному из двух путей: 1) либо отказаться от принципа относительности для объяснения измеренных нами спектральных линий, либо 2) перестать оперировать с представлениями о таких атомах, у которых электроны движутся по симметричным орбитам.
Новое понимание валентности.
Рис. 7. На рисунке изображена молекула углекислоты (СО2), та самая, которая показана на рис. 6 (фиг. б). В каждом атоме углерода орбиты всех 4 внешних элементов предполагают расположенными таким образом, что вторые их фокусы (обозначенные черными крестиками (х) являются общими для части электронов и кислорода.
Другими словами, если мы не хотим отказаться от объяснения расщепления спектральных линий на основе принципа относительности, то мы обязаны допустить, что 2 орбиты одного и того же вида, но различным образом расположенные относительно ядра, должны иметь значительные различия в "экранирующем эффекте". Короче говоря, этим орбитам должны соответствовать различные запасы энергии.
В этом смысле я готов помочь химикам атаковать воображаемые орбиты электронов, поддерживаемые физиками. Я скажу химикам: орбиты электронов не могут быть именно точно такого вида, с какими оперировали физики в течение последних 5 лет.
Итак, если мы и впредь, как и ранее, будем объяснять явления на основании вышеуказанной формулы, вытекающей из принципа относительности, т. е. предполагать орбиты совершенно различного вида, то мы будем вынуждены признать существование в модели атома гораздо более несимметрично расположенных орбит, чем это можно было себе представить до сих пор.
Перевел с английского инж. В. ЗЕЛЕНКОВ.
1) Как думали ранее и как показывает само слово "атом", происходящее от греческого слова "атомос" — не могущий быть раздробленным, разрезанным. В. З.
2) Т. е. мельчайших частиц (как бы "атомов" — в прежнем смысле — отрицательного электричества. В. З.
3) Электронная теория проливает свет на действительное понимание периодической системы элементов Менделеева, обнаруживая поразительно стройную закономерность: порядковый номер элемента в периодической системе как раз равен числу электронов, вращающихся вокруг ядра атома данного элемента. Порядковый номер урана 92. В. З.
4) В заграничной литературе приняты картинные научные термины англ. shell, немецк. Schale = букв. скорлупа, шелуха. В. З.
5) В периодической системе Менделеева. В. З.
6) Описанная модель атома была впервые предложена Резефордом в 1911 г. Исходя из этой модели, Бор в 1913 г. развил свою теорию строения атома, разработанную впоследствии Зоммерфельдом, Эйнштейном и многими другими. В. З.
7) Интересующиеся этим вопросом могут найти подробности как по этому вопросу, так и по многим другим вопросам, затронутым в настоящей статье, в книге профессора О. Д. Хвольсона "Характеристика развития физики за последние 50 лет". Госиздат. Ленинград, 1924 г. Цена 1 руб. 20 коп. В. З.
8) С точки зрения электронной теории и теории квант. В. З.
9) Аналогично тому, как планеты (электроны) вокруг солнца (ядра). Подобное допущение вполне отвечает нашему стремлению к признанию единства "механизма" мироздания во всех его масштабах, начиная от микрокосма атомов и кончая макрокосмом вселенной. В. З.
10) Соответственно различной кривизне частей эллипса, она наибольшая в более "крутых" частях и наименьшая в более "пологих". В. З.
11) Одно из многих поразительных следствий теории относительности. Подробности можно найти в книге профессора О.Д. Хвольсона "Теория относительности А. Эйнштейна и новое миропонимание". В. З.
12) Т. е. состоят не из одной сплошной линии, но из группы линий, весьма близких друг к другу: из основной, более яркой, и добавочных — менее ярких, называемых "спутниками". В. З.
13) Зееман в 1896 году открыл, что спектральные линии светящегося тела, помещенного в магнитное поле, расщепляются на несколько отдельных линий (явление Зеемана). Штарк в 1913 году обнаружил подобное же явление для лучеиспускающего тела, находящегося в электрическом поле. В. З.
14) Т. е. лишенном своего электрона. Ионизацией называется распадение атома на части, получающееся при отдалении от него одного или нескольких электронов. Атом разделяется на две части (ионы), заряженные разноименными электричествами:
В. З.
15) Внутренние электроны служат как бы экранами, затрудняющими взаимодействие между внешними электронами и ядром. Благодаря этому "экрану" положительное ядро оказывает на внешние электроны меньшее действие, именно как раз такое, какое окязывает ядро, имеющее на 2 заряда меньше, иначе говоря — ядро с 2 нейтрализованными зарядами. В. З.
