Образование химических элементов в космических телах 1

Данные, полученные Э. Резерфордом, послужили основой для создания так называемой ядерной или планетарной модели атома, предложенной им в 1911 г. Согласно этой модели, электроны, подобно планетам солнечной системы, двигаются по круговым, вернее эллиптическим орбитам вокруг центра, в котором размещается положительно заряженное ядро. Так как атом электрически нейтрален, то заряд его ядра должен быть равен сумме зарядов всех вращающихся вокруг него электронов.

Считалось, что электроны удерживаются на соответствующих орбитах за счет электростатических сил притяжения с ядром и поэтому не разлетаются в пространство. Однако, по представлениям классической физики, всякое вращающееся заряженное тело должно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Но это привело бы, во-первых, к остановке вращения и падению электронов на ядро атома. Во-вторых, вследствие постепенного изменения скорости вращения электронов электромагнитное излучение атома должно состоять из непрерывного ряда лучей различной длины волны. Иными словами, спектр атома должен быть сплошным, т. е. состоящим из линий всевозможных длин волн. На самом же деле спектр атомов оказался состоящим из ряда отдельных линий. Еще в 1900 г. М. Планк высказал предположение, что законы, справедливые для описания явлений в обычном для нас макромире, непригодны для мира атома. Согласно его теории, энергия в атоме излучается не непрерывно, а определенными порциями, или «квантами». Поэтому его теория стала называться квантовой теорией.

Опираясь на квантовую теорию, знаменитый датский Физик Н. Бор выдвинул несколько положений, сущность которых сводилась. к следующему.

1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по строго определенным, тдк называемым квантованным орбитам. При движении по таким орбитам он не излучает энергии.

2. Поглощение и излучение атомом энергии происходит только при переходе электрона с одной орбиты на другую. При этом частота испускаемого излучения может быть выражена соотношением

где h—постоянная Планка, равная 6,62 · 10~²⁷ эрг/сек, а ΔE — разница энергии орбит, между которыми произошел переход электронов.

На основании этих положений произвели расчет модели атома водорода. Он совпал с данными опытов. Например, вычисленные длины волн лучей, возникающих при переходах электронов с одних орбит на другие, оказались одинаковыми с длинами волн, соответствующими наблюдаемым линиям спектра атома водорода. Кроме того, Н. Бор вычислил радиус ближайшей к ядру орбиты атома водорода. Он оказался равным 0,53 А.

Остальные орбиты располагаются на значительно больших расстояниях. В атоме каждая орбита характеризуется определенным числом л, называемым главным квантовым числом. Число л может принимать значения 1, 2, 3 и т. д. в зависимости от расположения орбит относительно ядра. Электроны, вращающиеся по определенным орбитам, группируются в оболочки, которые обозначают буквами К, L, Μ, N, О, Р и Q. При этом ближайшая к ядру орбита называется К-оболочкой n = 1), следующая — L-оболочкой (n = 2) и т. д. Максимальное число электронов (N_e), находящихся в каждой оболочке, подчиняется определенному правилу и может быть найдено из соотношения

N_e = 2n². (2)

Так максимальное число электронов на К-оболочке равно 2, на L-оболочке—8, на М — 18, на N—32 и т. д.

Опыты по рассеянию альфа-частиц позволили определить заряд ядер атомов различных элементов. Оказалось, что величина заряда ядра атома любого химического элемента, выраженная в единицах заряда электрона, равна порядковому номеру элемента. Поэтому основной характеристикой атома стал считаться не атомный вес, а заряд ядра элемента.

Рис. 2. Схема строения наиболее простых атомов.

Определив заряд ядер, нашли и число электронов в атоме, также равное порядковому числу элемента в периодической системе. Знание числа электронов для каждого элемента и его положение в системе Д. И. Менделеева позволило построить атомные модели для всех элементов.