Модель атома лития
Но как же объяснить периодичность изменения свойств химических элементов при переходе от элементов с меньшим атомным весом и зарядом к элементам с большим атомным весом и зарядом? Почему, например, элемент литий с зарядом ядра 3 и атомным весом 6,940 по своим химическим свойствам больше похож не на гелий и бериллий, своих соседей по весу и заряду, а на натрий, заряд ядра которого равен 11, а атомный вес — 22,991, или калий с зарядом ядра 19 и с атомным весом 39,100? Почему следующий за литием бериллий похож на соседа натрия — магний, а бор, расположенный вслед за бериллием, похож опять-таки не на своего соседа, а на алюминий, следующий за магнием?
Физики и химики, которые задавали себе этот вопрос в прошлом веке, когда атом считался неделимым, так и не смогли дать на него ответ. Только с выяснением внутреннего строения атома раскрылась тайна периодичности свойств элементов.
Дело в том, что химические свойства элементов связаны прежде всего со способностью атомов вступать в те или иные сочетания друг с другом, в результате чего образуются молекулы химических соединений. Способность же эта определяется количеством электронов, расположенных в наружной, наиболее удаленной от ядра части атома, тогда как электроны, находящиеся внутри, ближе к ядру, существенной роли в этом взаимодействии не играют.
Мы уже знаем, что в первом слое, ближайшем к ядру, может вращаться не более двух электронов. Но и во втором слое их, оказывается, может быть хотя и больше двух, но все же определенное, ограниченное количество, а именно 8. Поэтому если атом содержит более 10 электронов, то они вращаются не менее чем по трем орбитам: 2 — по первой, 8 —по второй, остальные —по третьей, четвертой и так далее.
Например, у натрия, заряд которого равен 11, на внешней (третьей) орбите находится один электрон. Но у лития с зарядом 3 во внешнем (в данном случае втором) слое также вращается один электрон. Химические свойства зависят главным образом не от того, сколько электронов вращается по внутренним орбитам, а от того, сколько электронов во внешнем слое. Поэтому вполне естественно, что литий по своим свойствам больше похож на натрий, чем на своего соседа бериллия. Ведь у бериллия на внешней орбите находится 2 электрона (заряд его ядра равен 4, следовательно, 2 электрона вращаются на внутренней орбите и 2 на внешней). Поэтому натрий и литий располагаются в таблице один под другим, в одной группе, тогда как. бериллий оказывается в другой группе.
Естественно возникает другой вопрос: почему в первом слое могут находиться только 2 электрона, во втором — 8? Современная физика дает ответ и на этот вопрос. Но объяснения этого слишком сложны, чтобы можно было их приводить здесь.
В 1919 году был сделан новый важный шаг вперед на пути к покорению мира атомов. Вспомним, что часть альфа-частиц, то есть ядер гелия, которыми Резерфорд в своем опыте бомбардировал золотую пластинку, отскакивала назад. Это были те частицы, которые сталкивались с ядрами атомов золота. Продолжая свои опыты, Резерфорд сделал новое, очень интересное открытие. Он установил, что ядра гелия могут не только отражаться от ядер других элементов, но и... проникать в глубь этих ядер. Нетрудно догадаться, какие возможности открываются в связи с этим перед наукой. Если внутрь ядра атома могут проникнуть и там остаться частицы каких-то других элементов, то это означает, что изменится ядро атома, в частности увеличится его заряд. А величина заряда ядра, как мы знаем, определяет свойства элементов. Поэтому, изменив заряд ядра какого-либо элемента, мы вместо него можем получить атомы другого химического элемента. Становится, таким образом, возможным превращение одних элементов в другие.
И действительно, такое превращение было вскоре осуществлено. Бомбардируя альфа-частицами атомы азота, Резерфорд при помощи простого и остроумного прибора обнаружил появление летящих с большой скоростью протонов, которых до этого в приборе не было. Этот результат был объяснен так. Ядро азота поглотило альфа-частицу, то есть ядро гелия, но при этом из него был вытеснен протон. Заряд ядра азота равен 7, а ядра гелия — 2. Следовательно, если мы прибавим к 7 зарядам 2 и вычтем 1 заряд вытесненного протона, то получим, что заряд нового ядра должен быть равен 8. При помощи таблицы Менделеева Резерфорд определил, что элементом с зарядом ядра 8 является кислород. Последующие опыты других физиков подтвердили, что при бомбардировке азота альфа-частицами действительно образуется кислород.