Избранные научные труды

Для атомов, рассмотренных в предыдущем параграфе, мы считали, что первые два связанных электрона располагаются в одном кольце, а следующие два электрона группируются в другом кольце. Если N >= 4, конфигурация N(4), соответствует меньшему значению общей энергии, чем N(2,2). Чем выше значение N, тем ближе к единице отношение радиусов колец в конфигурации N(2,2), тем больше величина энергии, испускаемой при возможном слиянии колец. Из теории нельзя определить элемент в периодическом ряду, у которого все четыре внутренних электрона впервые сгруппируются в одно кольцо. На основе рассмотрения химических свойств мы вряд ли можем ожидать, что это произойдет у бора (N = 4) или углерода (N = 6), поскольку наблюдения показывают, что они соответственно трёх- и четырёхвалентны. С другой стороны, периодическая система элементов наводит на мысль, что уже у неона (N = 10) существует внутреннее кольцо из 8 электронов. Кроме того, для N >= 14 конфигурация N(4,4) соответствует меньшему значению общей энергии, чем N(8); уже для N >= 10 последнее расположение всё-таки устойчиво для смещений электронов перпендикулярно плоскости их орбиты. Кольцо из 16 электронов не будет устойчивым, если N не очень большое; но в этом случае приведённые здесь простые рассуждения неприменимы.

Смещение двух колец с одинаковым числом электронов, вращающихся вокруг ядра с зарядом Ne вне кольца с уже связанными электронами, должно происходить легче, чем слияние двух подобных колец, вращающихся вокруг ядра с зарядом (N-n)e, потому что устойчивость кольца относительно смещения, перпендикулярного его плоскости, в первом случае будет меньше (см. § 2), чем в последнем. Эта тенденция уменьшения устойчивости относительно смещений, перпендикулярных плоскости кольца, будет особенно проявляться для внешних колец нейтрального атома. В последнем случае следует ожидать, что слияние колец будет сильно облегчено, и в известных случаях может даже случиться, что во внешних кольцах данного элемента число электронов больше, чем у последующего; тогда во внешнем кольце будут наблюдаться отклонения от допущения о наличии 1, 2, 4, 8 электронов в кольцах; конфигурации 5(2,3) и 6(2,4) заменят 5(2,2,1) и 6(2,2,2). Мы здесь не будем дальше рассматривать сложный вопрос о группировке электронов во внешнем кольце. В схеме, приведённой ниже, число электронов в этом кольце произвольно взято равным нормальной валентности данного элемента, т. е. числу водородных атомов и удвоенному числу кислородных атомов, с которыми соединяется один атом элемента, соответственно для электроотрицательных и электроположительных элементов.

На такую группировку внешних электронов указывает изучение атомных объёмов. Общеизвестно, что атомный объём является периодической функцией атомного веса. Если элементы расположены обычным образом в соответствии с периодической системой, то внутри одной группы их атомный объём примерно одинаков, тогда как от группы к группе он существенно меняется, будучи максимальным в группе, соответствующей наименьшей валентности 1, и минимальным для наибольшей валентности 4. Радиус внешнего кольца нейтрального атома можно приблизительно оценить, допуская, что общая сила взаимодействия ядра с внутренними электронами равна силе взаимодействия ядра с зарядом ne, где n — число электронов в кольце. Полагая в формуле (1) на стр. 109 F = n - s_n и обозначая значение a при n = 1 через a₀, получаем для n = 2 a = 0,57a₀, для n = 3 a = 0,41a₀, и для n = 4 a = 0,33a₀. Следовательно, выбранная группировка электронов вызывает изменение размеров внешнего кольца, сходное с изменением атомного объёма данного элемента. При этом нельзя забывать, что экспериментальные определения атомного объёма в большинстве случаев получены при рассмотрении молекул, а не атомов.

Таким образом, мы приходим к следующей возможной схеме группировки электронов в лёгких атомах:

1

(1)

9

(4,4,1)

17

(8,4,4,1)

2

(2)

10

(8,2)

17

(8,8,2)

3

(2,1)

11

(8,2,1)

19

(8,8,2,1)

4

(2,2)

12

(8,2,2)

20

(8,8,2,2)

5

(2,3)

13

(8,2,3)

21

(8,8,2,3)

6

(2,4)

14

(8,2,4)

22

(8,8,2,4)

7

(4,3)

15

(8,4,3)

23

(8,8,4,3)

8

(4,2,2)

16

(8,4,2,2)

24

(8,8,4,2,2)

Даже без более обстоятельного рассмотрения не представляется невероятным, что такое строение атома соответствует свойствам элементов, близким к наблюдаемым.

Во-первых, оно даёт явную периодичность с периодом 8. Во-вторых, связь внешних электронов в каждом горизонтальном ряду этой схемы ослабевает по мере увеличения числа электронов в атоме в соответствии с усилением электроположительного характера при увеличении атомного веса элемента в каждой группе периодической системы. Такое же соответствие имеет место и для изменения атомного объёма.