|
Представления о вторичной периодичности «по вертикали» впоследствии были дополнены представлениями о вторичной периодичности «по горизонтали», что особенно рельефно проявляется у редкоземельных элементов. В конце 20-х — начале 30-х годов немецкий химик В. Клемм доказал наличие вторичной периодичности у лантаноидов и построил своеобразную «периодическую систему» трехзарядных ионов редкоземельных элементов1. Это позволило объяснить проявление отдельными лантаноидами аномальных (отличных от+3) валентных состояний.
Атомная теория Бора не могла полностью удовлетворить взыскательных физиков, так как она заключала противоречие: хотя представления о возможных орбитах электронов в атоме опирались на квантовую теорию, расчет этих орбит основывался на методах классической механики и электродинамики.
Боровская теория не была последовательно ни квантовой, ни классической. В свое время английский физик У. Брэгг остроумно заметил, что в ней мы «как бы должны по понедельникам, средам и пятницам пользоваться классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми»2.
Поэтому оказывалась нестрогой и теория периодической системы элементов — она действительно была формальной. Реальная схема формирования электронных конфигураций атомов по мере- роста Z не вытекала из каких-либо фундаментальных теоретических положений, она разрабатывалась Н. Бором при условии обязательного учета данных, накопленных химией и спектроскопией, которые корректировались уже готовой «матрицей» —сложившейся структурой периодической системы. Строгое объяснение факта ступенчатого построения электронных оболочек отсутствовало. Почему, например, электронная оболочка с л—3 не застраивается сразу до полной емкости, а ее построение прерывается появлением 4л-электронов в атоме? Почему 4/-электроны появляются в атоме лишь после того, как построена 6-5-под оболочка? На подобные вопросы боровская теория однозначного ответа не давала.
Вот почему так необходим был «точный расчет», о котором говорил в 1924 г. А. Зоммерфельд, отмечая «качественную справедливость этой теории периодической системы». Предпосылки для такого расчета возникли благодаря применению принципиально новых представлений квантовой механики к проблеме строения атома.
Квантовая механика и периодическая система. Впервые попытку применить квантово-механические представления к объяснению строения атома предпринял в 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер, который вел знаменитое волновое уравнение, описывающее поведение электрона в атоме. На языке математики оно называется дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных и записывается следующим образом.
В этом уравнении величины х, у и z суть обозначения координат электрона; т — его масса; Л —постоянная Планка. Входящая в него переменная величина носит название волновой функции электрона, и именно она является квантово-механическим «параметром». v-Функция (а точнее, ее квадрат) имеет определенный физический смысл, являясь характеристикой вероятности нахождения электрона в данной области пространства вокруг атомного ядра. Следовательно, вероятностный характер ^-функции не дает оснований говорить о каких-либо определенных орбитах электронов в атомах, и тем самым исчезает наглядность боровской атомной модели с ее четко разграниченными оболочками и подоболочками. Можно рассматривать вопрос лишь о вероятности пребывания электрона на том или ином расстоянии от ядра. Уравнение Шредингера включает также и энергетические характеристики: Е— полная энергия электрона; К—его потенциальная энергия, являющаяся функцией его координат.
|