Заряд ядра

В 1906 г. Чарлз Гловер Баркла установил, что различные элементы испускают определенные серии характеристических рентгеновских лучей. Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоренс Брэгг смогли объяснить это в 1912 г. дифракцией рентгеновских лучей кристаллическими веществами. В 1913 г. Генри Мозли, используя в качестве антикатодов в рентгеновских трубках различные элементы, получил по методу Брэггов эмиссионные спектры этих элементов. При этом он обнаружил, что длины волны таких рентгеновских лучей уменьшаются с увеличением атомной массы излучающего элемента. Связь между увеличением атомной массы элементов и уменьшением длины волны зависела от величины положительного заряда ядра атома. Мозли составил диаграмму и показал, что, зная длину волны рентгеновских лучей, можно рассчитать электрический заряд ядра элемента. Например, заряд ядра равен для водорода +1, гелия +2, лития +3, урана +92. Величина заряда ядра соответствует порядковому номеру, понятие о котором ввел Иоганнес Роберт Ридберг, чтобы исправить выявленное нарушение закономерности в расположении элементов в периодической системе. Некоторые элементы с большей атомной массой размещены в соответствии с зарядом ядра в системе перед элементами с меньшей массой (Аr — перед К, Со — перед Ni, Те — перед I). Именно в этом заключается физический смысл порядкового номера элемента.

Эти новые данные привели в XX в. к изменению представлений об элементе: элементом стали называть вещество, все атомы которого имеют один и тот же порядковый номер. Однако это определение по-прежнему включало в себя представление о том, что элемент состоит из атомов одного вида и что он не подвергается дальнейшему разложению при химическом воздействии. Уже к 1913−1914 гг., за исключением шести порядковых номеров — 43, 61, 72, 75, 85, 87,— все места в периодической системе были заняты открытыми элементами. К 1945 г. эти пустоты в периодической системе тоже были заполнены.

Кульминационным моментом в исследовании электронов и атомного ядра явилось создание в 1913 г. модели атома Бора и Резерфорда.

Нильс Бор (родился в Копенгагене в 1885 г.) был учеником Резерфорда и в своих работах широко использовал предложенную Резерфордом модель атома, а также разработанную Максом Планком в 1900 г. квантовую теорию испускания света и развитые Эйнштейном теории квантовой структуры светового излучения и фотоэффекта.

Планк и Эйнштейн пришли к выводу, что вещество может испускать или поглощать свет (т.е. энергию) не в любых количествах, а только порциями — квантами (энергия которых пропорциональна частоте излучения hν). Когда, например, электрон атома водорода, находящийся на большой орбите, испускает квант света, то в результате этого он переходит на орбиту с меньшим радиусом, которая соответствует состоянию атома с меньшим запасом энергии.

Отсюда Бор сделал вывод, что атом водорода может существовать только в совершенно определенных «стационарных» состояниях. Основное, или нормальное, состояние атома датский физик определял как состояние, обладающее минимальным запасом энергии и соответствующее наиболее стабильному состоянию атома. Состояние с более высокой энергией Бор называл возбужденным. При переходе атома из более высокого (с энергией Е») в более низкое (Е’) энергетическое состояние энергия испускаемого излучения (кванта света) отвечает разности Е»—Е’. Следовательно, частота излучения определяется уравнением hν = Е» — Е’. Это уравнение относится и к поглощению света атомом, а также к поглощению или испусканию света молекулой.