Рентгеновские спектры и строение атома

До сих пор центром тяжести в нашем изложении представлений о строении атома был вопрос об образовании атома при последовательном присоединении электронов. Однако наша картина оставалась бы очень неполной, если бы мы не обсудили то подтверждение теории, которое следует из исследований рентгеновских спектров. После того как преждевременная смерть Мозли привела к прекращению возглавлявшихся им фундаментальных исследований, изучение рентгеновских спектров было продолжено с поразительным искусством Зигбаном в Лунде. На основании большого материала, собранного им и его сотрудниками в последнее время, удалось создать классификацию рентгеновских спектров, допускающую непосредственную интерпретацию в рамках квантовой теории. Прежде всего оказалось возможным так же, как и в оптических спектрах, представить частоты колебаний для каждой линии рентгеновского спектра в виде разности двух спектральных термов из той совокупности их, которая характерна для каждого элемента. Далее, удалось непосредственно связать этот факт с теорией атома, предполагая, что произведение каждого такого спектрального терма на постоянную Планка равняется работе, которую нужно совершить для удаления из атома одного из внутренних электронов. Согласно изложенным выше соображениям о формировании атома путём последовательного присоединения электронов, удаление одного внутреннего электрона из нейтрального атома должно привести к процессам перехода, при которых место удалённого электрона будет занято одним из электронов, принадлежащих к какой-то электронной группе, более слабо связанной в атоме. В результате такого перехода исчезает один электрон в этой последней группе. Рентгеновские спектры должны, следовательно, рассматриваться как проявление процесса, при котором происходит перестройка атома, вызванная возмущением в его внутренней области. В соответствии с нашими воззрениями об устойчивости электронных конфигураций подобное возмущение должно приводить к полному удалению электрона из атома или по меньшей мере к переводу его с нормальной орбиты на орбиту с более высоким квантовым числом, нежели то, которое соответствует заполненным группам. Это обстоятельство ясно обнаруживается в характерном различии между избирательным поглощением в рентгеновской области и поглощением в оптической области.

Упомянутая классификация рентгеновских спектров, важным вкладом в создание которой явились упоминавшиеся выше работы Зоммерфельда и Косселя, дала возможность в последнее время путём более подробного изучения изменения термов рентгеновских спектров в зависимости от атомного номера получить весьма прямое подтверждение некоторых теоретических заключений о строении атома. На рис. 9 по оси абсцисс отложены атомные номера, а по оси ординат — числа, пропорциональные квадратным корням из спектральных термов. Символы 𝐾, 𝐿, 𝑀, 𝑁, 𝑂 при отдельных термах относятся к характерным скачкам, заметным при избирательном поглощении рентгеновских лучей элементами. Эти группы были открыты впервые Баркла и явились средством детального исследования рентгеновских спектров ещё до обнаружения интерференции рентгеновских лучей в кристаллах. Хотя кривые на рисунке идут в общем весьма равномерно, они обнаруживают ряд заметных отклонений от этой равномерности. Эти отклонения были выяснены особенно убедительно в новых исследованиях Костера, работавшего в течение нескольких лет в лаборатории Зигбана.

Отклонения были обнаружены уже после опубликования изложенной выше теории строения атомов. Они точно соответствуют тому, что следует ожидать на основании этой теории. В нижней части рисунка вертикальными штрихами отмечены те места, где согласно теории впервые нужно ожидать появления в нормальном состоянии атома некоторой 𝑛_𝑘-й орбиты. Мы видим, что оказывается возможным связать появление определённого спектрального терма с наличием электрона на орбите соответствующего типа. Удаление этого электрона из атома и приводит к возможности наблюдения данного терма. Тот факт, что, вообще говоря, каждому типу орбиты 𝑛_𝑘 сопоставляется более чем одна кривая, служит отражением некоторого усложнения в спектрах, которое следует приписать отклонениям электронных орбит от описанных ранее простых типов движения. Эти отклонения вызваны взаимодействием различных электронов внутри группы. Изложение этого вопроса завело бы нас слишком далеко; поэтому мы оставим его.

Рис. 9

Те подгруппы в системе элементов, в которых вследствие появления электронных орбит определённых типов происходит дальнейшее заполнение некоторой внутренней электронной группы, отмечены на рисунке снизу горизонтальными линиями, ограниченными вертикальными штрихами с соответствующими квантовыми символами. Мы видим, что развитие внутренней группы всюду отражается весьма характерным образом на кривых. В частности, ход 𝑁- и 𝑂-кривых может рассматриваться как прямое выражение той стадии развития четырёхквантовых орбит, которая является причиной появления редких земель. Хотя существенной чертой открытия Мозли служило то обстоятельство, что более сложные соотношения между большинством других свойств элементов, по-видимому, совершенно не сказывались на рентгеновских спектрах, мы приходим теперь благодаря успехам исследований за последние годы к выводу о тесной взаимосвязи рентгеновских спектров с общим положением элементов в периодической системе.

Прежде чем закончить доклад, я хотел бы остановиться ещё на одном вопросе, в котором исследования рентгеновских лучей играли большую роль для проверки теории. Я имею в виду свойства остававшегося до тех пор неизвестным элемента с атомным номером 72. По этому вопросу мнения в отношении выводов о сходстве этого элемента с другими в периодической системе разделились. Во многих вариантах периодической системы ему отводилось место в семействе редкоземельных элементов. Но уже в описании периодической системы, данном Юлиусом Томсеном, этому гипотетическому элементу, так же, как и у нас на рис. 1, отведено место в одном гомологическом ряду с титаном и цирконием. Такое сходство следует рассматривать как необходимое следствие развитой выше теории строения атома. Оно выражается в таблице тем, что электронные конфигурации у титана и циркония обладают той же степенью сходства и отличия, как соответственно электронные конфигурации для циркония и элемента с атомным номером 72. К такому же заключению приходит Бери на основании указанных выше соображений о взаимосвязи подразделения электронов на группы в атоме и свойств элементов.

Однако недавно появилось сообщение Довийе о наблюдении нескольких слабых линий в рентгеновском спектре одного препарата, содержавшего редкие земли. Эти линии были приписаны элементу с атомным номером 72, который отождествлялся с одним из элементов семейства редких земель. Существование его в данном препарате уже несколько лет тому назад предполагалось Урбаном. Однако это заключение, если его удалось бы подтвердить, привело бы к исключительно большим, если вообще не непреодолимым, трудностям с точки зрения теории, поскольку оно означало бы изменение в силе связи электронов по мере роста атомного номера, что кажется несовместимым с условиями в квантовой теории. В связи с этим совсем недавно Костёр и Хевеши, работавшие в то время в Копенгагене, предприняли вновь исследование этой проблемы, проверив приготовление минералов, содержащих цирконий с помощью рентгеновской спектроскопии. Этим исследователям удалось установить в исследуемых минералах значительное количество элемента с атомным номером 72, химические свойства которого весьма напоминают свойства циркония и существенно отличаются от свойств редкоземельных элементов ¹.

¹ О результатах последних работ Костера и Хевеши по новому элементу, который они предложили назвать гафнием, читатель может узнать из их писем в «Nature» от 20 января, 10 и 24 февраля и 7 апреля, 1923 г.

Я надеюсь, что в этом сообщении мне удалось дать обзор наиболее важных результатов, полученных за последние годы в области теории атома. Мне хотелось бы в заключение сделать некоторые замечания общего характера относительно точки зрения, с которой можно оценивать эти результаты, в частности, относительно того, насколько можно говорить об этих результатах как об объяснении в обычном смысле этого слова. Под теоретическим объяснением явлений природы мы вообще понимаем классификацию наблюдений в некоторой области с помощью аналогий, заимствованных из других областей, где, как считается, мы имеем дело с более простыми явлениями. Самое большее, чего можно требовать от теории, заключается в столь детальной разработке этой классификации, чтобы с её помощью можно было расширять область наблюдений путём предсказания новых явлений.