III-14. Схема рентгеновской что длина волны должна быть тем

трубки. меньше (т. е. обратное ее значение

тем больше), чем больше заряд атомного ядра соответствующего элемента. Результаты опытов Резерфорда показывали, что заряд ядра (Z в е-единицах) равняется приблизительно половине атомного веса. Но порядковый номер, по крайней мере для не очень тяжелых атомов, приблизительно и равняется половине атомного веса. Все это, вместе взятое, с очевидностью указывало на то, что положительный заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе.3

Таким образом, каждое атомное ядро имеет следующие основные характеристики: заряд (Z) и массу (А). В настоящее время общепринято, что структурными составляющими всех атомных ядер («нуклонами») являются две более простые частицы с почти одинаковой массой, очень близкой к единице атомных весов. Одна нз этих частиц — протон (р)—несет единицу положительного заряда, а другая — нейтрон (п)—электрически нейтральна. Структуру любого атомного ядра можно выразить простой формулой Zp-f-(/t — Z)n, где Л — округленная до ближайшего целого числа масса атома в единицах атомных весов. Например, ядро атома фтора (Z = 9, А — 19) состоит из 9 протонов и 10 нейтронов.

У большинства химических элементов ядра отдельных атомов при постоянном числе протонов (Z) могут несколько различаться числом нейтронов (А—Z). Например, ядра атомов углерода всегда содержат б протонов, но нейтронов могут содержать либо 6, либо 7. Поэтому в

тч щ v *

Сг"

Mil"

Ге~ Со" (Ni" Си" Zn"

I

I

Vf7T Ю~*

IS

O.S}<—I—I i. i

1, . V I I.I I

a 14 (S Ij8 2J3 22 2.4 2,6 28 A

Рис. HI-15. Длины волн рентгеновских лучей для элементов от Ti до Zn.

L- I .1. I

О Ю 20 30 ЬО 50 60

Рис ПЫ6. Длины волн рентгеновских лучей и атомный номер.

природе существуют атомы углерода и с массовым числом 12 (сокращенно— 12С), и с массовым числом 13 (13С). Такие атомы одного и того же элемента, характеризующиеся различными массовыми числами (т. е. суммарным числом нуклонов), носят название изотопов данного элемента. Обычный углерод, имеющий атомный вес 12,011, представляет собой природную смесь 12С (около 98,9%) и 13С (около 1,1%). Так как химические свойства изотопов в подавляющем большинстве случаев практически тождественны, состав их природной смеси при реакциях обычно не изменяется.4*5

Ввиду электронейтральности атома число электронов, входящих в его структуру, равно заряду ядра, т. е. порядковому (атомному) номеру соответствующего химического элемента. Установление этого числа (Z) позволило подойти к построению атомных моделей.

В общих чертах вопрос был решен Бором (1913 г.). Для химии наиболее интересны модели, разработанные в 1916 г. Косселем. Хотя при их построении принимался во внимание ряд различных свойств атомов, здесь можно ограничиться рассмотрением химической стороны рассуждений.

При переходе от легких ко все более тяжелым атомам заряды их ядер последовательно возрастают. С другой стороны, химические свойства элементов при том же переходе изменяются периодически (1 § 5). Отсюда следует, что химические свойства определяются не столько общим числом электронов в атоме, сколько их относительным расположением.

Но если это так, то и обратно, исходя из химических свойств можно получить указания на расположение электронов. В частности, следует ожидать некоторую периодичность его изменения при последовательном возрастании зарядов ядер.

Известно было, что при определенных условиях молекула, например, поваренной соли способна распадаться на натрий и хлор таким образом, что первый оказывается заряженным положительно, а второй отрицательно. Исследование этих частиц показывает, что заряд каждой из них численно равен заряду электрона. Происхождение обоих зарядов естественнее всего объяснить переходом одного электрона с атома натрия на атом хлора. Но в поваренной соли и натрий, и хлор одновалентны — из этого следует, что одна единица валентности отвечает одному переданному электрону. Тогда в случае, например, двухвалентного кальция можно ожидать перехода двух электронов. Действительно, опыт показывает, что получающаяся в тех же условиях частица кальция имеет два положительных заряда. Точно так же и в других случаях валентность элементов совпадает с числом передаваемых электронов. Такими легче всего передаваемыми — валентными — могут быть только электроны, наиболее удаленные от положительно заряженного ядра атома.

Наконец, большую роль играли соображения, связанные со свойствами инертных газов: то обстоятельство, что элементы этой группы не вступали в химические реакции, указывало на особую устойчивость электронных структур их атомов.

Построение простейшей модели атома водорода не представляет трудностей: электрон вращается в этом атоме вокруг протона. Для следующего элемента — гелия — возможны уже две различные модели (рис. Ш-17): два его электрона могут вращаться по орбитам, расположенным либо на различных расстояниях от ядра (Л), либо на одинаковом (?