РАННІ УЯВЛЕННЯ ПРО СКЛАДНІСТЬ СТРУКТУРИ АТОМА

Періодичний закон і періодична система елементів Д. І. Менделєєва відіграли і відіграють велику роль у розвитку хімічної науки. Вони допомагають хімікам орієнтуватись у безлічі фактів. Однак подальші успіхи науки не можна було б уявити без розкриття фізичного змісту періодичного закону.

В період відкриття періодичного закону і в більш пізні часи хімічні елементи розглядались у тісному зв'язку з поглядами про неподільність атомів Проте уявлення про неподільність атомів не давало змоги зрозуміти внутріш­ню причину періодичності та послідовності зміни властивостей елементів залежно від їхніх протонних чисел. Атом справді не ділиться під час перебігу всіх хімічних реакцій. Принцип неподільності атомів відіграв позитивну роль у розвитку науки; незмінність, стабільність маси атома була однією з вихід­них ідей Д. І. Менделєєва. Проте досить закономірно, що після завершення побудови атомістики на фундаменті неподільності атома виникла проблема його внутрішньої структури. Діалектика розвитку науки привела до запере­чення того, що становило лише одну із стадій пізнання. Разом з тим пізнання будови атома було б неможливим, якби не існувало атомістичної теорії, що виходила з принципу неподільності атома. Саме періодичний закон і відкрив шлях до пізнання надр атома, і систематизація нових фактів (відкриття радіо­активності, електрона, теорія Бора тощо) набула логічної основи після того, як була зіставлена з періодичним законом.

Ще в 1886 р. великий російський вчений О. М. Бутлеров висловив думку про те, що атом подільний. Аналогічні думки майже одночасно з О. М. Бутлеровим висловлював російський вчений М. О. Морозов. Проте ці припущення в той час не могли бути підтверджені експериментальними даними.

В кінці минулого століття було встановлено ряд фактів, які свідчили про складність будови атомів. Це, насамперед, відкриття електрона англійським фізиком Дж. Томсоном у 1897 р., встановлення факту, що електрони можна вилучити з будь-якого елемента, їх випускають багато речовин під час нагрі­вання, освітлення, рентгенівського опромінювання, а також того, що електро­ни є переносниками електричного струму в металах. Отже, електрони є в атомах усіх елементів.

Електрон — це елементарна частинка з найменшим негативним елек­тричним зарядом, який тільки може існувати (1,602 • 10^-19 Кл); маса елек­трона дорівнює 9,11 • 10^{-31 кг.} Атом електронейтральний. Отже, крім елек­тронів в атомах повинні бути позитивно заряджені частинки.

Велику роль у розвитку теорії будови атома відіграло відкриття явища радіоактивності, вперше виявленого у сполук Урану французьким фізиком А. Беккерелем у 1896 р. А в 1898 р. Марія Кюрі-Склодовська та П'єр Кюрі відкрили в уранових рудах два нових радіоактивних елементи — Полоній і Радій, які мали більшу радіоактивність, ніж Уран і Торій.

Радіоактивність — це явище випромінювання деякими елементами неви­димого проміння, здатного проникати крізь різні речовини, в тім числі й метали, засвічувати фотоплівку, йонізувати гази.

У вивченні радіоактивності велика заслуга видатного англійського фізика Е. Резерфорда, який у 1899 р. довів, що радіоактивне випромінювання неод­норідне — під дією магнітного поля воно поділяється на три пучки: а-, Р- і у-промені. Ці промені відрізняються за проникною здатністю, а також за здат­ністю до взаємодії з електричним полем.

а-Промені—це потік позитивно заряджених частинок, маса яких дорівнює масі атома Гелію, а заряд цих частинок вдвічі більший, ніж заряд електрона.

-Промені — це потік електронів, швидкість їх руху близька до швидкості світла.

у-Промені — жорсткі електромагнітні коливання, подібні до рентге­нівських променів, вони мають дуже велику проникну здатність.

Вивчення радіоактивності підтвердило складність будови атомів.

У 1903 р. англійський фізик Дж. Томсон запропонував модель будови атома. Згідно з цією моделлю атом складається з позитивного заряду, рівно­мірно розподіленого по всьому об'єму атома, та електронів, що коливаються всередині цього заряду.

Видатний англійський фізик Е. Резерфорд з метою перевірки гіпотези Дж. Томсона виконав серію дослідів з розсіювання а-частинок тонкими мета­левими пластинками.

Схему дослідів Е. Резерфорда наведено на рис. 1. Препарат радію 2, що служив джерелом а-випромінювання, вміщували у свинцевий кубик / з висвердленим каналом, що давало змогу дістати спрямований потік а-частинок що поширюються у певному напрямку. Потрапляючи на екран 4, вкритий сульфідом цинку, а-частинки викликали його світіння (окремі спалахи, які можна полічити). Між джерелом випромінювання а-частинок і екраном він розміщував тонку металеву пластинку б, проходячи крізь яку а-частинки роз­сіювались, тобто відхилялись від початкового напрямку руху. Більшість а-частинок не змінювала свого напрямку (див. рис. 1, поз. 7), деякі (5) відхи­лялись на невеликі кути або різко змінювали напрямок свого руху на проти­лежний. Однак таких частинок було дуже мало. Тільки одна з 10 000 пропу­щених крізь пластинки з срібла, золота, платини а-частинок відкидалася на­зад, ніби наштовхнувшись на масивну перешкоду. Це навело Е. Резерфорда на думку, що в атомі є важке ядро, яке займає дуже малу частку простору і в якому зосереджена переважна частина всієї маси атома; воно повинно мати позитивний заряд, оскільки відштовхує однойменно заряджені а-частинки.

Рис. 1. Схема досліду Е. Резерфорда з розсіювання а-частинок

Виходячи з цих міркувань, Е. Резерфорд у 1911 р. запропонував так звану ядерну (планетарну) модель будови атома, згідно з якою атом складається з позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена майже вся маса атома, та електронів, які обертаються навколо ядра. Сумарний негативний заряд елек­тронів чисельно дорівнює позитивному заряду ядра. Діаметр ядра у 10 000 — 100 000 разів менший, ніж діаметр атома в цілому.

Е. Резерфорд обчислив також і заряд ядра. З його дослідів виходило, що заряд ядра (виражений в одиницях заряду електрона) чисельно дорівнює про­тонному числу елемента в періодичній системі. Пізніше (1913 р.) це підтвер­див Г. Мозлі (закон Мозлі), виявивши простий зв'язок між довжинами хвиль певних ліній рентгенівського спектра елемента і його протонним числом: корінь квадратний із обернених значень довжин хвиль (тобто частот певних ліній спектра) однакових серій характеристичного рентгенівського спектра перебуває в лінійній залежності від протонного числа елемента.

Закон Мозлі давав змогу визначати точні значення протонних чисел маловивчених і ще не відкритих елементів і тим самим сприяв розвитку періодич­ного закону.

Англійський вчений Д. Чедвік у 1920 р. за розсіюванням а-частинок з ве­ликою точністю визначив заряди атомних ядер деяких елементів. Зроблені ним обчислення показали, що заряди ядер атомів різних елементів в усіх ви­падках збігаються з величиною 2 у формулі закону Мозлі.

Протонне число є дуже важливою характеристикою елемента, воно вира­жає позитивний заряд ядра його атома. Виходячи з електронейтральності атома, можна дійти висновку, що й число електронів, які обертаються навко­ло ядра, дорівнює протонному числу елемента. Отже, заряд атомного ядра є тією основною величиною, від якої залежать властивості елемента і його розміщення в періодичній системі. Тому періодичний закон Менделєєва слід формулювати так: властивості елементів, а також утворених ними простих і складних речовин перебувають у періодичній залежності від величини зарядів ядер атомів елементів.