Американские ученые и изобретатели - [69]

Сила Лангмюра заключалась в чрезвычайной простоте его воззрений. Пользуясь небольшим металлическим тазом с водой и несложными измерительными приборами, он сумел получить сведения, которые позже удалось повторить только с помощью сложнейших рентгеновских аппаратов и вычислений.

На протяжении 37 лет, прошедших со времени экспериментов Лангмюра в 1917 году, его методы являются образцом для современных исследований: в биологии — для изучения сложных вирусов, в химии — для изучения гигантских молекул, в оптике — для изучения природы поверхностей с высочайшей трансмиссией света.

В 1932 году Ирвинг Лангмюр был удостоен Нобелевской премии по физике «за открытия и исследования в области химических процессов, протекающих на поверхностях тел».

1919 год не был необычным для Ирвинга Лангмюра. С одной исследовательской группой он работал над конструированием вакуумных трубок, с другой изучал химические реакции при низком давлении; с третьей группой — химию поверхностей; с четвертой — электрические разряды в газах.

И все же он нашел время, чтобы издать один из важнейших научных докладов года — о причинах возникновения химических реакций и соединения атомов в молекулы.

Химическая связь

Лангмюр кончил университет в то время, когда Дж. Дж. Томсон описывал атомы как сферы, в которых электроны покоятся, словно изюминки в пудинге. Сфера имела положительный заряд, электроны — отрицательный. Каждый элемент отличался определенным количеством электронов в атоме. Атом водорода имеет один электрон, гелия — два, лития — три и т. д. Только за несколько десятилетий до этого великий русский ученый Менделеев расположил известные элементы в определенной последовательности, назвав ее периодической системой. Томсон сумел сконструировать свой «пудинг с изюмом» — модель атома, соответствующую системе Менделеева. Но модель Томсона не объясняла ни радиации ни химической активности.

В 1911 году, через два года после того, как Лангмюр начал работу в «Дженерал Электрик», Эрнест Резерфорд поставил в Кембридже важный эксперимент.

Он бомбардировал металлическую фольгу альфа-частицами, излучаемыми щепоткой радия.

Если модель Томсона была верной, мельчайшие альфа-частицы должны были бы проникать прямо сквозь неплотные атомы, из которых состояла фольга, — за исключением тех частиц, которые поглощались фольгой. К удивлению Резерфорда, некоторые альфа-частицы резко изменяли направление, как бы ударяясь и отскакивая от каких-то твердых предметов в фольге.

Резерфорд тогда предположил, что положительный заряд атома не распределен в сфере, как думал Томсон, а находится в очень маленьких, но плотных концентрациях в центре каждого атома. По мнению Резерфорда, эти «ядра» должны были иметь одну миллионную миллионной части сантиметра в диаметре.

Нильс Бор развил теорию Резерфорда, предположив, что электроны находятся в постоянном движении, вращаясь по определенным орбитам вокруг положительно заряженного ядра, как планеты вокруг Солнца.

Электроны могут внезапно перескакивать с одной орбиты на другую и испускать излучение.

В то время как модель атома Бора-Резерфорда, казалось, объясняла физику многое, Лангмюр в 1919 году знал, что она не ответила еще на вопросы химика.

Молекула состоит из атомов, находящихся в химическом соединении, но атомы стремятся входить только в определенные соединения. Атом углерода может соединиться только с четырьмя атомами водорода и образовать метан, или с двумя атомами кислорода и образовать углекислый газ. С другой стороны, атом кислорода соединится только с двумя атомами водорода, образуя воду.

Количество атомов водорода, с которыми атом может соединиться, назвали валентностью.

Валентность водорода — 1, кислорода — 2, углерода — 4, натрия и лития — 1, кальция и бария — 2. Некоторые вещества, например сера и железо, могут иметь несколько валентностей. Когда были открыты гелий и аргон, обнаружили, что у них вообще нет валентности — они не вступали в химические соединения с другими элементами. Поэтому они получили название «инертных» газов.

В 1919 году Лангмюр предложил модель атома, отвечающую потребностям химиков.

В атоме Лангмюра, так же как и в модели Бора и Резерфорда, ядро находится в центре. Это ядро, словно сердце жемчужины, является центром концентрических оболочек. Каждая оболочка может иметь только строго определенное количество электронов. Самая первая внутренняя оболочка способна вместить всего два электрона. Водород имеет один электрон, так что его оболочка заполнена лишь наполовину — поэтому водород химически активен, так как он стремится привлечь еще один электрон, даже если последний уже входит в другой атом. По мнению Лангмюра, именно тот факт, что водород проявляет тенденцию присоединить один электрон, определяет его валентность, равную единице.

В гелии, имеющем два электрона, внутренняя оболочка заполнена, и это объясняет инертность гелия.

Лангмюр утверждал, что когда внутренняя оболочка заполняется до отказа, атом, имеющий большее количество электронов, располагает их на следующей оболочке, способной вместить восемь электронов. Литий (у него на один электрон больше, чем у гелия), имеет, следовательно, всего один электрон на внешней оболочке, который он может потерять. Это объясняет химическую активность лития.