«Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, история её открытия и экспериментальное подтверждение» (стр. 9 из 12)
5 s2 4 d10 5 p6.
В шестом периоде 32 элемента. Его схематическая запись такова: 6 s2 4 f14 5 d10 6 p6.
И, наконец, следующий, 7-ой период: 7 s2 5 f14 6 d10 7 p6. Cледует иметь в виду, что ещё не все элементы 7-го периода известны.
Такое ступенчатое заполнение оболочек – строгая физическая закономерность. Оказывается, вместо того чтобы занимать уровни 3 d-подоболочки, электронам выгоднее (с энергетической точки зрения) сначала заселить уровни 4 s-подоболочки. Вот эти-то энергетические «качели» «выгоднее – невыгоднее» и объясняют ту ситуацию, что в химических элементах заполнение электронных оболочек идёт уступами.
В середине 20-х гг. французский физик Л. де Бройль высказал смелую идею: все материальные частицы (в том числе и электроны) обладают не только материальными, но и волновыми свойствами. Вскоре удалось показать, что электроны, подобно световым волнам, могут также огибать препятствия.
Раз электрон – волна, то его движение в атоме может быть описано с помощью волнового уравнения. Такое уравнение вывел в 1926 г. австрийский физик Э. Шрёдингер. Математики называют его дифференциальным уравнением второго порядка в частных произвольных. Для физиков же это основное уравнение квантовой механики.
Вот как выглядит это уравнение:
+ 
+ 
+ 
y = 0,
где m – масса электрона; r – расстояние электрона от ядра; e – заряд электрона; Е – полная энергия электрона, равная сумме кинетической и потенциальной энергии; Z – порядковый номер атома (для атома водорода равен 1); h – «квант действия»; x, y, z – координаты электрона; y - волновая функция (абстрактная отвлечённая величина, характеризующая степень вероятности).
Степень вероятности того, что электрон находится в определённом месте пространства вокруг ядра. Если y = 1, то, значит, электрон действительно должен находиться в этом самом месте; если же y = 0, то электрона там нет и в помине.
Представление о вероятности нахождения электрона центральное в квантовой механике. А величина y (пси)-функции (точнее говоря, квадрат её величины) выражает вероятность пребывания электрона в той или другой точке пространства.
В атоме квантовомеханическом нет определённых электронных орбит, столь чётко очерченных в боровской модели атома. Электрон словно бы размазан в пространстве в виде некоторого облака. Но плотность этого облака различна: как говорится, где густо, а где и пусто. Большей плотности облака соответствует большая вероятность нахождения электрона.
От отвлечённой квантовомеханической модели атома можно перейти к наглядной и зримой модели атома Бора. Для этого нужно решить уравнение Шрёдингера. Оказывается, что волновая функция связана с тремя различными величинами, которые могут принимать только целочисленные значения. Более того, последовательность изменения этих величин такова, что они не могут быть ни чем иным, как квантовыми числами. Главным, орбитальным и магнитным. А ведь они были введены специально для обозначения спектров различных атомов. Затем они весьма органично перекочевали в боровскую модель атома. Такова научная логика – к ней не подкопается даже самый суровый скептик.
Всё это значит, что решение уравнения Шрёдингера в конечном счёте приводит к выводу последовательности заполнения электронных оболочек и подоболочек атомов. В этом главное достоинство атома квантовомеханического перед атомом Бора. И привычные для планетарного атома понятия можно пересмотреть под углом зрения квантовой механики. Можно сказать, что орбита – некоторая совокупность вероятных положений данного электрона в атоме. Она соответствует определённой волновой функции. Вместо термина «орбита» в современной атомной физике и химии употребляется термин «орбиталь».
Итак, уравнение Шрёдингера – это словно волшебная палочка, устраняющая все недочёты, содержащиеся в формальной теории периодической системы. Превращает «формальное» в «фактическое».
В действительности это далеко не так. Потому что уравнение имеет точное решение только для атома водорода, самого простейшего из атомов. Для атома гелия и последующих точно решить уравнение Шрёдингера нельзя, поскольку прибавляются силы взаимодействия между электронами. А учесть их влияние на конечный результат – математическая задача невообразимой сложности. Человеческим способностям она недоступна; только быстродействующие электронно-вычислительные машины, проводящие сотни тысяч операций в секунду, могут сравниться с ней. Да и то лишь при условии, что программа для вычислений разрабатывается с многочисленными упрощениями и приближениями.
За 40 лет список известных химических элементов увеличился на 19. И все 19 элементов были синтезированы, приготовлены искусственным путём.
Синтез элементов можно понимать как получение из элемента с меньшим зарядом ядра, меньшим порядковым номером элемента с большим порядковым номером. А сам процесс получения называется ядерной реакцией. Её уравнение записывается так же, как и уравнение обыкновенной химической реакции. В левой части – реагирующие вещества, в правой – получающиеся продукты. Реагирующие вещества в ядерной реакции – это мишень и бомбардирующая частица.
Мишенью может служить практически любой элемент периодической системы (в свободном виде или в виде химического соединения).
Роль бомбардирующих частиц играют a-частицы, нейтроны, протоны, дейтроны (ядра тяжёлого изотопа водорода), а также так называемые многозарядные тяжёлые ионы различных элементов – бора, углерода, азота, кислорода, неона, аргона и других элементов периодической системы.
Чтобы произошла ядерная реакция, необходимо столкновение бомбардирующей частицы с ядром атома мишени. Если частица обладает достаточно большой энергией, то она может настолько глубоко проникнуть к ядру, что сольётся с ним. Так как все перечисленные выше частицы, кроме нейтрона несут положительные заряды, то, сливаясь с ядром, они увеличивают его заряд. А изменение значения Z и означает превращение элементов: синтез элемента с новым значением заряда ядра.
Чтобы найти способ ускорять бомбардирующие частицы, придавать им большую энергию, достаточную для их сливания с ядрами, изобрели и сконструировали специальный ускоритель частиц – циклотрон. Затем построили специальную фабрику новых элементов – ядерный ректор. Его прямое назначение – вырабатывать ядерную энергию. Но поскольку в нем всегда существуют интенсивные потоки нейтронов, то их легко использовать для целей искусственного синтеза. Нейтрон не имеет заряда, и потому его не надо (да и невозможно) ускорять. Напротив, медленные нейтроны оказываются более полезными, чем быстрые.
Химикам пришлось изрядно поломать голову и проявить подлинные чудеса изобретательности, чтобы разработать способы отделения ничтожных количеств новых элементов от вещества мишени. Научиться изучать свойства новых элементов, когда в наличии были считанные количества их атомов…
Трудами сотен и тысяч учёных в периодической системе было заполнено 19 новых клеток. Четыре – в её старых границах: между водородом и ураном. Пятнадцать – за ураном. Вот как всё это происходило…
2. Искусственные элементы в пределах периодической системы.
4 места в периодической системе долго оставались пустыми: клетки с № 43, 61, 85 и 87.
Эти 4 элемента были неуловимы. Усилия учёных, направленные на их поиски в природе, оставались безуспешными. С помощью периодического закона давно были заполнены все остальные места в таблице Менделеева – от водорода до урана.
Не один раз в научных журналах появлялись сообщения об открытии этих четырёх элементов. Но все эти открытия не подтверждались: каждый раз точная проверка показывала, что допущена ошибка и случайные ничтожные примеси были приняты за новый элемент.
Долгие и трудные поиски привели наконец к открытию в природе одного из неуловимых элементов. Оказалось, что экацезий № 87, возникает в цепочке распада природного радиоактивного изотопа урана-235. это короткоживущий радиоактивный элемент.
Рис. 13. Схема образования элемента № 87 – франция. Некоторые радиоактивные изотопы могут распадаться двумя путями, напр., посредством и a- и b-распада. Такое явление называется радиоакционной вилкой. Все природные радиоакционные семейства содержат вилки.
Элемент 87 заслуживает того, чтобы о нём рассказать подробнее. Теперь в энциклопедиях по химии читаем: франций (порядковый номер 87) открыт в 1939 г. французской учёной Маргаритой Перей.
Как Перей всё же удалось поймать неуловимый элемент? В 1914 г. три австрийских радиохимика – С. Мейер, В. Гесс и Ф. Панет – занялись изучением радиоактивного распада изотопа актиния с массовым числом 227. Было известно, что он входит в семейство актиноурана и испускает b-частицы; следовательно, продукт его распада торий. Однако у учёных мелькали смутные подозрения, что актиний-227 в редких случаях испускает и a-частицы. Иными словами, здесь наблюдается один из примеров радиоактивной вилки. В ходе такого превращения должен образовываться изотоп элемента 87. Мейер и его коллеги действительно наблюдали a-частицы. Требовались дальнейшие исследования, но они были прерваны первой мировой войной.