Для рентгеновских лучей требовалась решётка с очень большим количеством делений на один миллиметр (примерно 1 млн. / 1 мм). Такую решётку искусственно приготовить в принципе невозможно. В 1912 г. у швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей.
Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ: вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектр рентгеновских лучей почти всех элементов.
Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого хотят получить, или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служит фотобумага; после фотографического проявления на ней видны все линии спектра.
В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры, нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов - это носит название закона Мозли и может быть сформулировано следующим образом: корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов.
Еще до работ Мозли некоторые учёные предполагали, что порядковый номер элемента указывает на число зарядов ядра его атома. В то же время Резерфорд, изучая рассеивание альфа-частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки, выяснил, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра приблизительно равен половине атомного веса элемента. Порядковый номер, по крайне мере более легких элементов, тоже равняется примерно половине атомного веса.
Все приведенные выше результаты показали, что заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким образом, закон Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента [Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа, 1990].
Движущийся ускоренно заряд, - а вращающийся по орбите электрон именно таким и является, - испускает энергию и должен очень быстро упасть на ядро, что фактически соответствует "исчезновению" атома, похожего на солнечную систему. Однако атом на самом деле устойчив, и, следовательно, он не совсем соответствует модели по образу Солнечной системы. Возникла проблема соответствия планетарной модели реальной действительности. Стали необходимыми в этой связи новые подходы в исследовании закономерностей структуры атома.
Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно синхронно его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, вследствие чего нарушается равновесие между ним и ядром; для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен "упасть" на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, "падение" электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования.
Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильса Бора. в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров.
Линейчатые спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами или газами
Каждому элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), но встречаются и сравнительно простые спектры.
Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров.
Датский физик Нильс Бор сформулировав в этой связи постулативное предположение. Он провозгласил, что законы микромира коренным образом отличаются от законов макромира, в то время, как модель атома Резерфорда была построена на принципиально макроскопических представлениях. На самом же деле электрон в атоме может двигаться по орбите и не излучать, но не по всякой орбите, а только по такой, длина которой соответствует целому числу длин волн де Бройля, соответствующих движущемуся электрону.
Ясно, что разным скоростям движения электрона будут соответствовать и разные радиусы орбит их движения. Если же электрон каким-то образом (скажем, под воздействием внешнего поля) перескакивает с орбиты на орбиту, то его энергия (точнее, энергия атома в целом) меняется, а разность этих энергий излучается (или поглощается) в виде кванта с частотой, определяемой согласно Планку. Расчет привел к блестящему согласию с экспериментальными результатами Бальмера. Таким образом, был установлен еще один закон микромира, позволяющий точно предсказывать поведение микросистем.
В 1913 г. Бор предложил свою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком.
Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами.
Применив квантовые представления к вращению электронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов.
Постулаты Бора заключаются в следующем. Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход же электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения.
Простейшим из атомов является атом водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1 : 2 ; 3 : ... n. Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра. Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов.
В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это и было связанно с некоторым трудностями из-за ее новизны.
Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, надо иметь ввиду, что все эти схемы есть лишь более или менее достоверные гипотезы, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов.
Как раньше уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов М, могущих находиться на данном энергетическом уровне, равно удвоенному квадрату номера слоя: N = 2n2, где n - номер слоя; N - наибольшее количество элементов.