Так изучение спектров говорит нам не только о том, с каким веществом мы имеем дело, но и о его физическом состоянии.
Серии рентгеновских излучений
На рентгеновские спектры атомов внешние условия не оказывают столь большого влияния. Даже когда атомы вступают в химические соединения, их внутренние слои не перестраиваются. Поэтому рентгеновские спектры молекул те же, что и спектры составляющих атомов до их соединения в молекулу. Все это показывает, что электронные слои, в которых они возникают, лежат глубоко внутри атома и нелегко поддаются внешнему воздействию.
Рентгеновские излучения, возникающие в атомах одного и того же вещества, довольно резко разделяются на несколько серий по длине волны. Наиболее жесткие излучения, с короткими волнами, физики называют серией К (ка). Есть еще серии L (эль), серия М (эм) и другие (у тяжелых атомов). Эти серии аналогичны электронным слоям, о которых мы уже говорили.
Анализ спектров рентгеновских излучений показывает, что слой К — самый близкий к атомному ядру. В нем имеются только два электрона. И так во всех атомах, кроме водорода, у которого, как известно, всего лишь один электрон. Рентгеновские излучения серии К возникают тогда, когда один из электронов из слоя К выбивается при бомбардировке быстрыми электронами. Тогда на место удаленного электрона перескакивает электрон из других, более удаленных слоев. Этот перескок и дает рентгеновское излучение. Рентгеновские спектры серии К получены почти у всех атомов, начиная с № 4 — бериллия.
Изучение рентгеновских излучений показало, что структура внутренних электронных слоев одинакова у тяжелых атомов.
Рентгеновские частоты и ядерные заряды
Физики изучили частоты рентгеновских излучений у всех атомов, последовательно переходя от легких к более тяжелым. При этом переходе никаких периодических изменений в частотах не наблюдается. Зато наблюдается другая закономерность — частоты рентгеновских излучений постепенно, с ростом заряда ядра, возрастают. Опыты показывают, что частота излучений серии К зависит от порядкового номера элемента в таблице элементов Менделеева, или от заряда атомных ядер.
В 1914 году был открыт замечательный закон, названный по имени открывшего его английского физика законом Мозели. Согласно этому закону, частота рентгеновских излучений связана с зарядом атома. Первая частота из серии К вычисляется следующим образом. Некоторая, одинаковая для всех атомов, постоянная величина 24,67·1014 (как эта величина получается, мы здесь не имеем возможности говорить) умножается на квадрат числа, которое на единицу меньше заряда ядра (заряд ядра выражается в электронных единицах). У алюминия заряд ядра в электронных единицах равен 13 (он стоит в периодической таблице на тринадцатом месте). Так, для алюминия первая рентгеновская частота серии К вычисляется так: 24,67·1014 ·(13—1)2 циклов. Заряд ядра атома у серебра равен 47 электронным единицам. Чтобы получить первую частоту той же серии рентгеновских излучений для серебра, придется перемножить числа 24,67·1014 ·(47—1)2.
Справедливость этого закона была сначала установлена при исследовании рентгеновских излучений тех элементов, атомы которых были обстреляны альфа-частицами.
Но раз этот закон найден, он сам позволяет устанавливать заряд тех атомов, которые еще не были исследованы с помощью обстрела альфа-частицами. Для этого нужно было возбудить в них серию К рентгеновских излучений, промерить частоту их и произвести вычисления. Этот спектрометрический метод определения ядерных зарядов оказался гораздо более точным, чем метод, в котором заряд ядра определяется из учета того, как отклоняются ядром альфа-частицы.
Закон возрастания рентгеновских частот при переходе от легких атомов к более тяжелым — очень важный закон. Мы сейчас увидим, какую пользу принесло науке его открытие.
Точное место элементов в таблице Менделеева
Некоторые химические элементы стоят в таблице Менделеева не в порядке возрастания атомных весов. Таковы три группы элементов: № 18 — аргон (атомный вес 39,9) и № 19 — калий (атомный вес его меньше — 39,1), далее № 27 — кобальт (атомный вес 58,9) и № 28 — никель (атомный вес его меньше — 58,7), а также № 52 — теллур (атомный вес — 127,1) и № 53 — иод (атомный вес его меньше — 126,9).
Менделеев поставил указанные элементы в свою таблицу сообразно их химическим свойствам, в той последовательности, в какой они здесь перечислены. Атомные веса соседних элементов (например, кобальта и никеля) мало отличаются друг от друга. Среди химиков долго шли споры. Одни говорили, что в этих случаях нарушается периодический закон. Другие утверждали, что нарушения периодического закона нет, а просто у этих элементов неправильно определен атомный вес. Но сколько ни уточняли химики атомные веса этих элементов, всегда оказывалось, что аргон, кобальт и теллур соответственно тяжелее калия, никеля и иода. И все же в таблице Менделеева они стояли впереди калия, никеля и иода в нарушение стройности всей таблицы, как тогда думали.
В те времена и до конца жизни Менделеева (1910) наука еще ничего не знала ни о зарядах атомных ядер, ни о частотах рентгеновских излучений и тем более о законе возрастания этих частот с увеличением заряда атомных ядер. Закон Мозели был открыт уже после смерти Менделеева.
Когда все эти открытия были сделаны, рентгеновские спектры показали, что Менделеев совершенно правильно определил последовательность указанных элементов. Как теперь установлено, данная Менделеевым последовательность элементов соответствует возрастанию зарядов атомных ядер. Химические свойства элементов больше зависят от заряда атомных ядер, чем от атомных весов. Позднее ученые обнаружили даже такие элементы, у которых атомный вес немного отличался, но заряд ядер был один и тот же. И химические свойства их были тоже почти одинаковы. Такие элементы называют изотопами. Все изотопы стоят в одной клетке таблицы Менделеева (изотоп — слово греческое, означает «занимающий то же место»). Почти каждый элемент имеет несколько изотопов. Химики же определяли ранее не точный атомный вес элемента, а лишь средний атомный вес, т. е. атомный вес для смеси, состоящей из изотопов. Нарушив в своей таблице в трех случаях порядок возрастания атомных весов, Менделеев сохранил порядок, соответствующий закону периодичности химических свойств элементов. Но тем самым, как оказалось впоследствии, Менделеев сохранил последовательность возрастания ядерных зарядов.
Вот замечательный пример того, как важно быть объективным в науке и не поддаваться соблазну подогнать факты (атомные веса) под «закон» (возрастания атомных весов в периодической таблице), который, казалось бы, был уже вот-вот нащупан, так как оправдывался для 97% элементов! В этой объективности проявляется сила подлинной науки и мужество настоящих ученых.
Это также и пример того, что в науке исключения из установленных ранее правил всегда ведут к раскрытию новых, более общих, закономерностей.
Уверенность Менделеева в справедливости открытого им великого закона природы — закона (периодичности химических свойств — оправдалась и в этом случае. Она была подтверждена также и спектральным анализом рентгеновских излучений.
Рентгеновский спектр неоткрытых элементов
Наконец изучение закономерностей рентгеновских спектров привело к открытиям новых элементов.
Мы видим, что по частоте рентгеновского излучения серии К у какого-нибудь элемента можно установить, каков заряд ядра у его атомов, в какой клетке таблицы Менделеева он должен стоять. Наоборот, если известно, в какой клетке таблицы стоит (или должен стоять, если он еще не известен) элемент, то заранее можно сказать, какова частота его рентгеновских излучений.
В то время, когда был найден закон возрастания рентгеновских частот серии К с повышением порядкового номера элемента (1914 г.), в таблице Менделеева оставалось еще семь пустых клеток с номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. Никто еще не встречал в природе элементов с такими зарядами.
