Тема 5. Современные представления о физике атомов 5.1. Водородоподобный атом в квантовой механике (стр. 4 )

       Принцип Паули сыграл выдающуюся роль в развитии атомной и ядерной физики. В частности, он позволил объяснить периодичность изменения химических свойств элементов в периодической таблице  .

Таблица 1. Максимально возможное количество электронов в различных слоях и оболочках атомов.

Слой	Оболочки	Максимальное количество электронов
s	p	d	f	g
()	2	2
()	2	6	8
	2	6	10	18
	2	6	10	14	32
	2	6	10	14	18	50

5.4. Периодическая система элементов

       В 1869 г.  российский химик открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их порядкового номера (). Физический смысл порядкового номера химического элемента был установлен в ядерной модели атома, предложенной  Э. Резерфордом:  число  совпадает с количеством протонов в ядре и с количеством электронов в атоме.  Поскольку химические и многие физические свойства вещества определяются прежде всего валентными (внешними) электронами его атомов, периодичность свойств обусловлена периодичностью изменения количества валентных электронов в зависимости от порядкового номера. В свою очередь, периодичность  изменения числа валентных электронов обусловлена определенными закономерностями заполнения электронных оболочек и слоев. Эти закономерности были установлены в рамках квантовомеханической теории и заключаются в следующем:

       - состояние электрона в атоме определяется значениями квантовых чисел  ;

       - заполнение электронами оболочек и слоев по мере увеличения порядкового номера происходит в соответствии с принципом Паули так, что каждый следующий электрон занимает состояние с наименьшей возможной энергией.

       Для элементов в начале таблицы Менделеева заполнение оболочек и слоев происходит в строгом соответствии с упомянутыми положениями, и наблюдается периодичность изменения числа валентных электронов. Действительно, у атома водорода имеется единственный электрон, который расположен в  -оболочке  -слоя ().  Следующий за водородом атом гелия имеет два электрона, которые образуют заполненную -оболочку и  -слой. Как известно, гелий относится к инертным газам, не вступающим в химические соединения. Следующий за гелием атом лития имеет три электрона; два из них образуют заполненный  -слой, третий находится в  -оболочке  -слоя ().  У атома четвертого элемента – бериллия целиком заполнен  -слой и  -оболочка -слоя, у следующих шести элементов (бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон) постепенно заполняется  -оболочка  -слоя. Атом неона имеет целиком заполненный  -слой, поэтому неон, подобно гелию, представляет собой инертный газ.

       Следующий за неоном атом натрия имеет 11 электронов; из них 10 образуют заполненные  и  -слои, одиннадцатый электрон находится в  -оболочке  -слоя. Он является единственным валентным электроном, поэтому химические свойства натрия аналогичны свойствам лития (оба они относятся к группе щелочных металлов). У следующих за натрием семи элементов (), последним из которых является аргон, происходит заполнение  и  -оболочек  -слоя. Электроны следующего за аргоном атома калия с порядковым номером 19 заполняют оболочки  -слоя, хотя  -оболочка  -слоя совершенно не заполнена. Это объясняется тем, что энергия состояний  -оболочки  -слоя больше энергии состояний  -слоя. Аналогичные отступления от закономерностей заполнения электронных оболочек и слоев, свойственных началу таблицы Менделеева, наблюдаются и в других ее местах. Причина этих отступлений в том, что по мере увеличения порядкового номера элемента увеличивается количество электронов в атоме; они создают собственное электрическое поле, экранирующее поле ядра. Тем не менее наблюдается повторяемость количества валентных электронов сверх целиком заполненных слоев и, соответственно, повторяемость химических свойств у различных химических элементов.

5.5. Рентгеновское излучение

         Ранее уже говорилось о том, что  существует рентгеновское излучение двух видов – тормозное и характеристическое. Тормозное излучение возникает при попадании на поверхность металла пучка электронов достаточно высокой энергии. Оно характеризуется сплошным спектром и максимальной частотой  (высокочастотной границей) спектра, значение которой определяется условием

                                       .

Здесь – максимальная частота, – ускоряющее напряжение электрона, попадающего на анод. Физический смысл этого условия очевиден: энергия рентгеновского фотона не может быть больше энергии электрона, ускоренного электрическим полем. Если же энергия бомбардирующих электронов становится достаточной для того, чтобы некоторые электроны атома перешли из внутренних слоев на внешние, на фоне сплошного спектра появляются резкие линии характеристического излучения. Частоты этих линий зависят от вещества, из которого изготовлен анод; именно поэтому такое излучение называется характеристическим.

       Спектры характеристического рентгеновского излучения отличаются простотой в сравнении с оптическими спектрами. Обычно они состоят из нескольких серий, обозначаемых буквами  …  в соответствии с обозначением электронных слоев. Каждая серия содержит небольшое число линий, обозначаемых в порядке возрастания частоты индексами  и т. д. Например,  линии  -серии обозначаются  и т. п. В результате неупругих соударений высокоэнергетичных электронов с анодом возможен переход электронов атомов анода с внутренних на внешние слои. Если, например, один из двух электронов  -слоя переходит на внешний слой, то на освободившееся место могут перейти электроны  слоев. В результате этого испускаются линии  -серии: . Аналогично возникают и другие серии линий.

       Спектры характеристического излучения различных веществ имеют сходный характер. Это объясняется тем, что характеристическое излучение возникает при переходах электронов между внутренними слоями, которые у атомов различных элементов имеют сходное строение. При увеличении порядкового номера весь спектр лишь смещается в высокочастотную область. Английский физик Мозли установил в 1913 г. закон, связывающий частоты линий характеристического спектра с порядковым номером атомов вещества. Согласно этому закону, частоты линий -серии можно представить так:

,  ,

и т. п. Аналогично можно представить частоты линий  -серии:

,  ,

и т. п. В более общем виде формула для частот различных линий характеристического излучения имеет вид:

               ,

т. е. корень квадратный из частоты является линейной функцией порядкового номера химического элемента.

       Мозли дал простое истолкование установленного им закона. Он заметил, что частоты характеристического излучения совпадают с частотами оптического излучения валентного электрона, находящегося в поле ядра с зарядом при переходе между уровнями с одними и теми же значениями  и  . Величина  называется константой экранирования; она вводится для того, чтобы учесть ослабление поля ядра полем электронов, находящихся на внутренних оболочках. Измерив длину волны характеристического излучения, с помощью закона Мозли можно найти порядковый номер химического элемента. Благодаря этому закон Мозли сыграл важную роль в размещении химических элементов в периодической системе Менделеева.