Заряд ядра и атомный номер

Экспериментальное подтверждение зависимостей, предсказываемых формулой (1.2), привело к всеобщему признанию предложенной Резерфордом ядерной модели атома. Кроме того, установленный закон рассеяния сделал возможным определение величины зарядов атомных ядер, так как, согласно формуле Резерфорда, интенсивность рассеяния под данным углом в пропорциональна квадрату заряда. Именно в результате анализа опытов по рассеянию а-частиц в простых веществах были впервые определены заряды ядер целого ряда элементов (от углерода до платины). Было найдено, что заряд ядра, выраженный в единицах заряда электрона е, равен атомному номеру Z, т. е. порядковому номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева. Это соответствие независимым путем было подтверждено в 1913 г. анг;

Рис. 1.2. Рентгеновская трубка и рентгеновский спектр атома.

лийским физиком Генри Мозли, который предложил метод определения зарядов ядер, основанный на изучении рентгеновских спектров. К тому времени уже было известно, что существует два типа рентгеновского излучения. При небольших энергиях электронов, бомбардирующих антикатод рентгеновской трубки (рис. 1.2), наблюдается лишь тормозное излучение, имеющее сплошной спектр и не зависящее от материала антикатода. Когда же энергия бомбардирующих электронов становится достаточной для выбивания электронов из внутренних оболочек атомов, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения. Оно испускается при переходе электронов с верхних уровней (слоев) на нижние. Длины волн этих линий зависят от природы вещества, из которого изготовлен антикатод.

Линии в рентгеновских спектрах собраны в несколько групп, или серий. Самая коротковолновая (высокочастотная) называется /С-серией. Она связана с переходами электронов, заполняющих вакансию в /Сслос. Следующая в сторону длинных волн называется L-серией; далее идут серии М и N, наблюдаемые только у тяжелых элементов. Каждая серия насчитывает несколько линий, обозначаемых в порядке уменьшения длины волны индексами а, р, у, и т. д. Серия К обязательно сопровождается остальными сериями, так как при переходе электронов на /Селой образуются вакансии в слоях L, М и т. д., которые будут, в свою очередь, заполнятся электронами из более высоких слоев.

Мозли установил закон, связывающий длины волн рентгеновского спектра Я с атомным номером Z испускающего их элемента:

в которой R — постоянная Ридберга; о — некоторое число, постоянное для каждой серии; п и п₂ — натуральные числа (п < п₂). Например, для линии К"

Из (1.3) непосредственно следует, что частота любой линии рентгеновского спектра связана с порядковым номером элемента простым соотношением.

где а и b — постоянные. Соотношения (1.3) и (1.4) позволяют по длине волны (частоте) установить атомный номер элемента и, следовательно, заряд его ядра.

Значение закона Мозли для своего времени было исключительно велико, если принять во внимание, что расположение элементов в периодической системе, основанное на атомных весах и химических свойствах, далеко не во всех случаях было сделано с полной уверенностью. В периодической таблице еще оставались пустые места, отвечающие неоткрытым элементам. Правильность расположения по порядку редкоземельных элементов, химические свойства которых различаются мало, а атомные веса были определены не вполне достоверно, также вызывала сомнения. Закон Мозли устранил все эти затруднения. Он^[1]

показал со всей определенностью, что от водорода до урана насчитывается 92 химических элемента, тем самым точно указав число еще нс открытых элементов. Кроме того, он устранил всякие сомнения в правильности размещения тех элементов, которые были расположены Менделеевым в порядке, противоречащем значениям их атомных весов (Ar-K, Co-Ni, Те-I). Наконец, закон Мозли впервые показал, что не атомный вес, но атомный номер, то есть заряд ядра, определяет химическую индивидуальность атома. Этот вывод нашел подтверждение в открытии изотопов.

• [1] По современной терминологии, атомных массах.