Курс физики для вузов - часть 107

64 химических элементов некоторые
клетки таблицы оказались незаполнен-

ными, так как соответствующие им эле-

менты (например, Ga, Se, Ge) тогда еще
не были известны. Д.

 Менделеев, та-

ким образом, не только правильно рас-
положил известные элементы, но и
предсказал существование новых, еще
не открытых элементов и их основные
свойства. Кроме того, ему удалось уточ-

нить атомные веса некоторых элемен-
тов. Например, атомные веса

 и U,

вычисленные на основе таблицы Мен-
делеева, оказались правильными, а по-
лученные ранее экспериментально —
ошибочными.

Так как химические и некоторые

физические свойства элементов опреде-
ляются внешними (валентными) элек-

тронами в атомах, то периодичность

свойств химических элементов должна
быть связана с определенной периодич-

ностью в расположении электронов в

атомах. Поэтому для объяснения табли-
цы будем считать, что каждый последу-
ющий элемент образован из предыду-
щего

 к ядру одного про-

тона и соответственно прибавлением
одного электрона в электронной обо-
лочке атома. Взаимодействием электро-

нов пренебрегаем, внося, где это необ-
ходимо, соответствующие поправки.
Рассмотрим атомы химических элемен-
тов, находящиеся в основном состоя-
нии.

Единственный электрон атома водо-

рода находится в состоянии

 харак-

теризуемом квантовыми числами п — 1,

 = 0,

 — О и

 —

 (ориентация

его спина произвольна). Оба электро-
на атома Не находятся в состоянии
но с антипараллелыюй ориентацией
спина. Электронная конфигурация для
атома Не записывается как

 (два

 На атоме Не заканчива-

ется заполнение

 что соот-

 12

427

ветствует завершению I периода Пери-
одической системы элементов Менде-

леева (табл. 12).

Третий электрон атома Li (Z= 3), со-

гласно принципу Паули, уже не может
разместиться в целиком заполненной

 и занимает наинизшее энер-

гетическое состояние с в = 2
ка), т. е.

 Электронная кон-

фигурация для атома Li:

 2 s. Атомом

Li начинается II период Периодической
системы элементов. Четвертым элект-
роном Be (Z = 4) заканчивается запол-
нение подоболочки

 У следующих

шести элементов от В (Z = 5) до Ne

 10) идет заполнение подоболочки

 (табл. 12). II период Периодической

системы заканчивается

 — инер-

тным газом, для которого

2р целиком заполнена.

Одиннадцатый электрон Na (Z= 11)

размещается в М-оболочке (п = 3), за-
нимая наинизшее состояние

 Элект-

ронная конфигурация имеет вид

 (как и

трон Li) является

 электро-

ном, поэтому оптические свойства Na
подобны свойствам Li. С Z = 12 идет
последовательное заполнение М-обо-
лочки. А

 18) оказывается подоб-

ным Не и Ne: в его наружной оболочке
все s- и

 заполнены.

 яв-

ляется химически инертным и завер-

шает III период Периодической сис-
темы.

Девятнадцатый

 К

 19)

должен был бы занять

 в М-

оболочке. Однако и в оптическом, и в
химическом отношениях атом К схож с
атомами Li и Na, которые имеют вне-
шний

 электрон в s-состоя-

 Поэтому 19-й валентный электрон

К должен также находиться в s-состоя-
нии, но это может быть

 s-состоя-

ние новой оболочки (TV-оболочки), т. е.
заполнение TV-оболочки для К начина-

ется при незаполненной М-оболочке.
Это означает, что в результате взаимо-

действия электронов состояние п = 4,

/ = 0 имеет меньшую энергию, чем со-

стояние п = 3,

 2. Спектроскопичес-

кие и химические свойства

 20)

показывают, что его 20-й электрон также
находится в 45-состоянии TV-оболочки.

В последующих элементах происхо-

дит заполнение М-оболочки [от Sc

 21) до Zn (Z= 30)]. Далее TV-обо-

лочка заполняется до

 (Z = 36), у

которого опять-таки, как и в случае Ne
и

 s- и

 наружной обо-

лочки заполнены целиком. Криптоном
заканчивается IV период Периодиче-

ской системы. Подобные рассуждения
применимы и к остальным элементам
таблицы Менделеева, однако эти дан-
ные можно найти в справочниках. От-
метим лишь, что и начальные элемен-
ты последующих периодов Rb, Cs, Fr яв-
ляются щелочными металлами, а их
последний электрон находится в s-co-

 Кроме того, атомы инертных

газов

 Ne,

 Rn) занимают

в таблице особое положение — в каж-
дом из них 5- и

 наружной

оболочки целиком заполнены и ими за-
вершаются очередные периоды Перио-
дической системы.

Каждую из двух групп элементов —

лантаниды [от лантана

 57) до лю-

теция (Z = 71)] и актиниды [от акти-
ния (Z= 89) до лоуренсия

 103)] —

приходится помещать в одну клетку
таблицы, так как химические свойства
элементов в пределах этих групп очень
близки. Это объясняется тем, что для
лантанидов заполнение подоболочки 4/,

которая может содержать 14 электро-
нов, начинается лишь после того, как
целиком заполнятся подоболочки 5s, Ър

 6 s. Поэтому для этих элементов вне-

шняя Р-оболочка (6s

2

) оказывается

одинаковой. Аналогично, одинаковой

428

для актинидов является

Таким образом, открытая Менделе-

евым периодичность в химических
свойствах элементов

 по-

вторяемостью в структуре внешних
оболочек у атомов родственных эле-
ментов. Так, инертные газы имеют оди-
наковые внешние оболочки из 8 элект-
ронов (заполненные s-
во внешней оболочке щелочных метал-
лов (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr) имеется лишь
один 5-электрои; во внешней
щелочно-земельных металлов (Be, Mg,

 Sr,

 Ra) имеется два

на; галоиды (F,

 I, At) имеют вне-

шние оболочки, в которых недостает
одного электрона до оболочки

 ю-

го газа, и т.д.

§ 229. Рентгеновские спектры

Большую роль в выяснении строе-

ния атома, а именно
электронов по оболочкам, сыграло из-
лучение, открытое в 1895 г. немецким
физиком В. Рентгеном (1845 — 1923) и
названное рентгеновским.

Самым распространенным источни-

ком рентгеновского излучения являет-
ся рентгеновская трубка, в которой
сильно ускоренные электрическим по-
лем электроны бомбардируют анод (ме-
таллическая мишень из тяжелых метал-

лов, например W или Pt), испытывая
на нем резкое торможение. При этом

возникает рентгеновское излучение,

представляющее собой электромагнит-
ное излучение с длиной волны пример-
но

 м. Волновая природа рен-

тгеновского излучения доказана опыта-

ми по его дифракции (см. §

Исследование спектрального соста-

ва рентгеновского излучения показыва-
ет, что его спектр имеет сложную струк-

 309

туру (рис. 309) и зависит как от энер-

гии электронов, так и от материала ано-

да. Спектр представляет собой наложе-

ние сплошного спектра, ограниченного

со стороны коротких длин волн неко-
торой границей

 называемой гра-

ницей сплошного спектра,  линейча-
того спектра — совокупности отдель-
ных линий, появляющихся на фоне
сплошного спектра.

Исследования показали, что харак-

тер сплошного спектра не зависит от
материала анода, а определяется толь-

ко

 бомбардирующих анод

электронов. Детальное исследование
свойств этого излучения показало, что
оно испускается бомбардирующими
анод электронами в результате их тор-
можения при взаимодействии с атома-
ми мишени. Сплошной рентгеновский
спектр поэтому называют тормозным
спектром. Этот вывод находится в со-

 с классической теорией излуче-

ния, так как при торможении движу-
щихся зарядов должно действительно
возникать излучение со сплошным
спектром.

Из классической теории, однако, не

вытекает существование коротковол-
новой границы сплошного спектра. Из
опытов следует, что чем больше кине-
тическая энергия электронов,
ющих тормозное рентгеновское излуче-
ние, тем меньше

 Это обстоятель-

ство, а также наличие самой границы

429

объясняются квантовой теорией. Оче-
видно, что предельная энергия кванта
соответствует такому случаю торможе-
ния, при котором вся кинетическая
энергия электрона переходит в энергию
кванта, т. е.

где

 — частота, соответствующая

границе сплошного спектра; U — раз-
ность потенциалов, за счет которой
электрону сообщается энергия

Отсюда граничная длина волны

что полностью соответствует экспери-
ментальным данным. Измеряя границу
рентгеновского сплошного спектра, по
формуле (229.1) можно определить эк-
спериментальное значение постоянной

Планка h, которое наиболее точно со-
впадает с современными данными.

При достаточно большой энергии

бомбардирующих анод электронов на
фоне сплошного спектра появляются
отдельные резкие линии — линейчатый
спектр, определяемый материалом ано-
да и называемый характеристичес-
ким рентгеновским

 (излу-

чением).

По сравнению с оптическими спек-

трами характеристические рентгено-
вские спектры элементов совершенно
однотипны и состоят из нескольких се-
рий, обозначаемых К, L, M,

 О. Каж-

дая серия, в свою очередь, содержит
небольшой набор отдельных линий,

обозначаемых в порядке убывания дли-
ны волны индексами а, (3,  ...

 ...,

  . . . ) .

При переходе от легких элементов к

тяжелым структура характеристическо-
го спектра не изменяется, лишь весь
спектр смещается в сторону коротких
волн. Особенность этих спектров зак-

лючается в том, что атомы каждого хи-

мического элемента, независимо от
того,

 ли они в свободном

стоянии или входят в химическое со-
единение, обладают определенным,
присущим только данному элементу
линейчатым спектром характеристи-
ческого излучения. Так, если анод со-
стоит из нескольких элементов, то и ха-
рактеристическое рентгеновское излу-
чение представляет собой наложение
спектров этих элементов.

Рассмотрение структуры и особен-

ностей характеристических рентгено-
вских спектров приводит к выводу, что
их возникновение связано с процесса-
ми, происходящими во внутренних, за-
строенных электронных оболочках
атомов, которые имеют сходное строе-
ние.

Разберем механизм возникновения

рентгеновских серий, который схемати-
чески показан на рис. 310. Предполо-
жим, что под влиянием внешнего элек-
трона или высокоэнергетического фо-
тона вырывается один из двух электро-
нов

 атома. Тогда на его ме-

сто может перейти электрон с более уда-

ленных от ядра оболочек L,M,N,... . Та-
кие переходы сопровождаются испуска-
нием рентгеновских квантов и

Рис.310

430