Рассказ о строении вещества

Чтобы яснее представить себе, на каких больших, сравнительно с размерами отдельных частичек атома, расстояниях находятся в атоме электроны и его ядро, приведём такое сравнение: если размер атома принять равным комнате, то размеры ядра не будут превышать размера пылинки. И в этом ничтожном объёме сосредоточена вся масса атома.

Как же велик должен быть удельный вес тела, если бы оно состояло из сложенных вместе атомных ядер, лишённых своих электронных оболочек (рис. 16)!

Рис 16. Если бы все атомы, из которых состоит изображённый на рисунке дом, сбросили свои электронные оболочки, этот дом превратился бы в маленький кубик.

Сколь ни фантастичным кажется такое предположение, нечто подобное имеет место в действительности у так называемых «карликовых» звёзд, например у спутника большой звезды Сириус. Когда учёные стали вычислять вес этой маленькой звезды по тому влиянию, какое она оказывает на своего гигантского соседа, то они неожиданно пришли к совершенно ошеломляющим результатам. Оказалось, что эта карликовая звезда весит примерно в 50 тысяч раз больше, чем такое же количество по объёму воды. Другими словами, удельный вес вещества, из которого состоит звезда, равен 50 тысячам! И эту цифру учёные подтвердили многочисленными расчётами.

Еще больший удельный вес найден у других карликовых звёзд; один грамм вещества этих звёзд весит в сотни тысяч и миллионы раз больше одного грамма воды!

Чем можно объяснить такой огромный вес вещества карликовых звёзд?

Очевидно, что некоторая часть атомов этих звёзд благодаря, надо думать, исключительно высокой температуре сбросили с себя либо все, либо свои внешние электронные оболочки, и их ядра теснее сблизились друг с другом!

Но вернёмся к вопросу строения атомов.

Многочисленные опыты по изучению строения различных атомов позволили определить не только массу атомных ядер разных элементов, но и их заряды.

И оказалось… Оказалось, что была открыта ещё одна замечательная тайна природы.

Оказалось, что положительный заряд атомных ядер был различным у различных элементов; если принять заряд электрона за единицу, то заряд атомного ядра золота окажется равным 79, платины — 78, меди —29 и т. д.

Что же удивительного в этих цифрах? — спросите вы.

Посмотрите ещё раз на менделеевскую таблицу химических элементов. Взгляните, под каким номером находится в таблице золото. Под номером 79, не так ли? А чему равен заряд ядра атома золота? 79! Точно так же медь помещается в 29-й клетке таблицы, и заряд ядер её атомов равняется 29. Заряд атомного ядра платины равен 78, и она согласно с этим расположена под 78-м порядковым номером.

Порядковый номер химических элементов в таблице Менделеева советские учёные называют числом Менделеева.

Вот где разгадка удивительности этих цифр. Ведь так обстоит со всеми элементами менделеевской таблицы — положительные заряды атомных ядер элементов равны порядковым номерам этих элементов в таблице, или, что то же, числам Менделеева соответствующих элементов. Многочисленные исследования величины зарядов атомных ядер многих элементов подтвердили этот замечательный вывод с полной достоверностью.

Таким образом, было установлено, что не вес атома, а заряд его ядра — число Менделеева — главное отличие одних атомов от других.

Не атомный вес, а положительный заряд ядра определяет место того или иного элемента в естественной последовательности элементов.

И здесь нельзя не сказать ещё раз о гениальной прозорливости великого русского химика. Действительно, строя свою систему элементов, Менделеев пользовался различием в весе их атомов только потому, что в его время это был главный отличительный признак атомов, общий атомам всех элементов. Но он отнюдь не придавал атомному весу решающего значения. Куда, в какую клетку таблицы поставить тот или иной элемент, Менделеев решал, сообразуясь со всеми свойствами элементов. В отдельных случаях он ставил элементы не туда, куда следовало бы их поставить, руководствуясь только их атомными весами. Так было с никелем и кобальтом, так было с иодом и теллуром. И вот, теперь, спустя много лет, физики и химики ещё раз убедились в гениальности Менделеева. Строя свою знаменитую таблицу, он безошибочно определил места элементов по их свойствам, и такое их расположение соответствовало заряду ядер их атомов!

Но ведь если заряд атомных ядер у разных элементов различен, то это означает, что и число электронов в атомах разных элементов различно. Иначе не может быть. Ведь в целом любой атом электрически нейтрален.

Таким образом, зная величину заряда ядер различных элементов, мы, тем самым, знаем и число электронов, входящих в состав различных атомов. Заряд электрона мы приняли равным единице. Значит, в атоме меди, заряд ядра которой равняется 29, содержится 29 электронов. Электронные оболочки каждого атома золота содержат в себе 79 электронов. Вокруг ядра атома кислорода вращается 8 электронов, а вокруг водородного ядра — всего один.

Так вот чем, оказывается, определяется индивидуальность атомов различных элементов, их положение в периодической системе — числом электронов в электронных оболочках нейтрального атома, или, что то же самое, величиной заряда ядра.

Определив число электронов в различных атомах, учёные задались целью узнать, как именно располагаются электроны в электронной оболочке. Оставалось пока совершенно неясным и то, из чего состоят, как устроены ядра атомов.

А поиски ответов на эти вопросы привели учёных к новым необычным открытиям, которые изменили все наши прежние взгляды на природу материи, на природу простейших частичек вещества, таких, например, как электрон.

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.