3. Периодический закон д.И. Менделеева в свете квантово-механических представлений
3.1. Современная формулировка Периодического закона
Периодический закон был открыт Д.И. Менделеевым в 1869 году на основании анализа свойств известных в то время 63 химических элементов и их соединений. В 1871 году Д.И. Менделеев сформулировал этот закон в следующей редакции: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов.
Открытие общей закономерности, связывающей все химические элементы, во многом определило дальнейшее развитие химической науки. Периодический закон был открыт эмпирически - уровень развития естественных наук середины XIX века исключал возможность теоретического обоснования причин периодичности свойств элементов, - однако само существование подобной закономерности подсказывало, что объяснение ее следует искать во внутреннем строении атомов элементов. В дальнейшем сформировавшаяся под влиянием Периодического закона теория строения вещества позволила углубить формулировку Периодического закона, высветив его связь с квантово-механической картиной микромира, и объяснить периодический характер изменения свойств элементов и их соединений.
Первым успехом теории строения вещества в развитии Периодического закона явилось установление физического смысла порядкового номера элемента в периодической системе. В решении данного вопроса важную роль сыграло изучение рентгеновских спектров излучения элементов. Рентгеновские спектры значительно проще оптических, они включают небольшое число серий (K,L и т.д.), каждая из которых состоит из повторяющихся характеристических линий (K,K ... L,L и т.д.), отличающихся для разных элементов лишь длиной волны. В 1913 году ученик Э. Резерфорда Г. Мозли, сопоставляя спектры различных химических элементов, обнаружил закономерность, названную впоследствии законом Мозли:
Квадратные корни обратных значений длин волн характеристических линий рентгеновских спектров находятся в линейной зависимости от порядкового номера элемента в периодической системе. Закон Мозли выражается следующим уравнением:
где - длина волны характеристической линии рентгеновского спектра для разных элементов (например, K - первой линии серии К), Z - порядковый номер элемента, а и b - коэффициенты, постоянные для каждой линии спектров. Связь рентгеновских спектров со строением атомов очевидна, в силу чего Мозли предположил, что порядковый номер элемента равен заряду ядра атома этого элемента. Несколько позже предположение Мозли было экспериментально подтверждено Э. Резерфордом и Дж. Чедвиком, которые, исследуя прохождение -частиц через платиновую и медную фольгу, доказали тождественность порядкового номера элемента и заряда ядра атома. Открытия Мозли, Резерфорда и Чедвика позволили по-новому сформулировать Периодический закон:
Cвойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. Существуют и другие формулировки Периодического закона, акцентирующие внимание на различных сторонах вопроса. Одна из них будет рассмотрена в разделе 3.2.