Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Квантование энергии, так же как и других механических величин, является общим законом природы, из которого строго вытекают самые различные следствия, находящие подтверждение на опыте.
Может быть вы хотите спросить, почему энергия квантуется? .На этот вопрос ответа нет. Так устроена природа! Всякое объяснение есть сведение частного факта к более общему. Мы сейчас не знаем ни одного утверждения настолько общего, чтобы из него, как следствие, вытекало квантование энергии.^Конечно, в принципе не исключено, чточ в дальнейшем будут открыты столь широкие законы, что принципы квантовой механики окажутся их следствиями. Как бы то ни было, на сегодня закон квантования является одним из немногих великих законов природы, не нуждающихся в логическом обосновании. Энергия квантуется, потому что... квантуется.
В такой общей форме этот закон был установлен в 1925—1927 гг. трудами французского физика Луи де Бройля и немецких физиков Эрвина Шредингера и Вернера Гейзенберга. Учение, в основе которого лежит принцип квантования (да, я забыл сказать, что в- пере-
40
воде на русский язык слово «квант» означает «порция»), получило название квантовой или волновой механики. А почему волновой? Об этом вы узнаете позже.
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА
В 1868 г. великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) опубликовал открытый им периодический закон следования химических элементов. Мы неж станем приводить здесь таблицу Менделеева, которую читатель найдет в школьном учебнике химии. Напомним, что, расположив известные элементы в ряд по атомным весам, Менделеев заметил, что химические свойства и некоторые физические особенности элементов меняются периодически в зависимости от атомного веса. . В таблице, составленной Менделеевым, каждый из элементов принадлежит к одной из девяти групп и к одному из семи периодов. Элементы, принадлежащие к одной группе, Менделеев расположил в виде столбцов таким образом, чтобы те из них, символы которых располагались друг под другом, обладали бы одинаковыми химическими свойствами. Оказалось, что, добиться этого можно было лишь в том случае, если предположить, что имеются еще неоткрытые элементы. Для них Менделеев оставил «пустые клеточки» в своей таблице. Прозорливость великого ученого проявилась и в том, что он поместил атом никеля на «надлежащее»4 место вслед за кобальтом, несмотря на то, что атомный вес кобальта несколько больше.
Некоторые «пустые клеточки» были заполнены еще при жизни Менделеева. Это принесло ему мировую славу, ибо всем стало ясно, что составление этой таблицы — не просто формальный акъ, а открытие великого закона природы.
Смысл порядкового номера, который приписывает таблица химическому элементу, стал очевидным лишь после того, как у физиков не осталось сомнений в справедливости планетарной модели атома Резерфорда и законов квантования энергии. Каков же этот смысл? Ответ оказывается на редкость простым: порядковый номер равен числу электронов, вращающихся около ядра. Можно сказать и так: порядковый номер элемента —
41
это положительный заряд его ядра, выраженный в еди- M иицах заряда электрона. I
Периодический закон Менделеева, принцип кванто- I вания энергии и изучение характеристических оптиче- I ских и рентгеновских спектров ^атомов (о них мы Я расскажем попозже) позволили шоеятъ причину тождест- Я венного химического поведения атомов, стоящих в од- щ ном столбце таблицы Менделеева. . 1
Энергия атома есть энергия взаимодействия влектро- | нов -с ядром. Поскольку энергия квантуется, то логич- I но было бы допустить, что электроны каждого атома § можно расположить в ряд по энергиям. Первый-элект- I
J)OH связан с ядром наиболее сильно, второй слабее, Ij третий еще слабее и т. д., так что электроны атома J расположены по энергетическим ступенижам. Логика Ц нас не подводит, но опыт приводит к уточнений) этой I
. картины. Во-иервых> оказывается, что каждую энерге- | тическую ступеньку может занимать не один, а даа-ёлш- | трона. Правда, эти электроны не одинаковы, а отлича- | ются Друг от друга свойстшщ, которое называется ш- \ ном». Свойство ато. векторное. Так что любители на- 1 глядности могут представить себе, что на заполненной ступеньке находятся две «точечки», снабженные стрелками,— одна стрелка смотрит «вниз», а другая , «вверх»,. 5
Само слово «спин» возникло следующим образом. 4 Это английское слово, которое в переводе жа русский J язык означает «быстро вращаться». Чтобы представить I себе, чем отличаются два электрона, сидящие на одной |! ступеньке, предлагалось думать, что один электрон і вращается по, а другой — против часовой столки око- | л о своей собственной оси. Эта модель была подсказана J поверхностным сходством атома и планетной системы. 1 Раз электрон — нечто вроде планеты, то почему бы не і разрешить ему вращаться около своей оси. Я должен I очередной раз огорчить читателя: иагжвдне представить 1 себе шин электрона — задача невозможная. А вот зсак |! его измерить, мы скажем в следующей главе. 1
41 Но это же единственное важное зажлшчение (к кото- 1 рому нас привело шиматетное пзучшие спектров ато- I мов). Второе заключение состояло в том, что ступеньки J энергии отстоят друг от друга ша шеравные расстояния I и могут быть разбиты на труппы, I
