原子内的电荷

索迪

编者按

原子的内部结构是怎样的？1911年，当欧内斯特·卢瑟福用实验验证了原子包含一个致密的带正电的核时，其他人并没有表示十分肯定。在这篇文章中，曾经与卢瑟福合作过的弗雷德里克·索迪提出原子核中必须同时也包含负电荷，这些负电荷会在放射性β衰变时发射出去。索迪引入了“同位素”的概念，即原子核结构不同但化学性质基本一致的原子。他认为，对于任意给定的核电荷，原子“外层系统”可以排布任意的电子数量。化学反应能引起外层电子数的变化，但对原子核没有影响。后来质子和中子的发现证实了他的观点。ft　　英文

范德布鲁克断言（《自然》，11月27日，第372页），一种元素原子内的电荷是由它在周期表中的位置而不是它的原子量确定的，这一论断受到最近一些关于放射性元素与周期律的结论的强力支持。如果在3次放射性变化中相继发射出1个α粒子和2个β粒子，那么不管这3次衰变的次序如何，都会使该元素的原子内电荷回到初始数值，元素也回到了它在周期表中的原始位置，但是它的原子质量却减少了4个单位。最近我们获得了一些证据，能够直接支持范德布鲁克的观点：就像卢瑟福的初步理论所指出的，原子核内的电荷并不是单纯的正电荷，而是正电荷与较小的负电荷的差值。ft　　英文

法扬斯在他那篇关于周期律的一般法则的论文（《物理学杂志》，1913年，第14卷，第131页）中，特别指出了如下事实：由于α粒子和β粒子的发射而引起的元素化学性质的改变，与普通的会发生价态变动的由电化学变化引起的物质化学性质的改变完全属于同一类型。他由此得出的结论是，放射性变化必定与普通的化学变化一样发生在原子结构的同一区域，而不是像我们目前所假设的——放射性变化发生在被称为“核”的一个完全不同的内部区域。在法扬斯的论文发表后不久，我也针对同一主题发表了一篇论文（《化学新闻》，2月28日），文中我将重点放在了周期表中处于同一位置的不同元素具有完全相同的化学性质这一点上。ft　　英文

此观点的一个简单推论为我提供了一种检验法扬斯认为的放射性变化与化学变化发生于原子结构中同一区域这一观点是否正确的方法。我认为，他的结论其实就是下面的意思：举例来说，铀的四价化合物中的铀元素必定与钍化合物中的钍元素具有完全相同的化学性质且不可区分。因为，由铀I发射1个α粒子而形成的铀X与钍，以及由铀II以同样方式形成的“锾”，在化学性质上是一致的。铀X发射2个β粒子就又回到铀II，铀II与铀的化学性质是一致的。亚铀盐也可以失去2个电子并形成更为常见的六价铀的化合物。如果这些电子来自原子中的同一区域，那么亚铀盐和钍盐应该具有相同的化学性质并且不可区分。然而事实并非如此。ft　　英文

亚铀盐与钍盐的化学性质非常相似，我已经请弗莱克先生研究是否可以在始终保持铀元素的四价或六价状态不发生改变的前提下用化学方法将铀盐与钍盐的混合物中的铀和钍分离开来。弗莱克先生将独立发表他的实验，我很感激能够使用他取得的结果，即通过分馏的方法可以很顺利地分离这两类化合物。ft　　英文

我认为这足以证明，以β射线形式发射出的电子来自核，尽管核无法为核外圈层提供电子或从中取走电子，但核外圈层可以在普通的会发生价态变动的电化学变化中从外部获取电子或失去电子。ft　　英文

在研究从铊到铀这些处在周期表序列尾部的成员的电荷相对值时，我把范德布鲁克的观点当作是已经被证实的，即从氢到铀按顺序排好周期表中所有可能的位置后，代表核所具有的净正电荷的数值就正好是元素在周期表中所处位置对应的数值。不过我们仍旧不能确定电荷的绝对值，因为对到底存在多少种稀土元素还存在疑问。如果我们假定这些都是已知的，那么铀原子核中正电荷的数值大约是90。如果我们采取另一个更不确定的假设，即从周期表中位置对应的数值的角度来看，包括全部稀土元素以及介于钡与镭之间的元素在内的周期表是规则排布的，整个周期表有两个完整的长周期，这样得到的数值就会是96。不管是哪种情况，该数值都明显小于120，即便假设其电荷数值就是120，那也只是其原子量的一半，如果真是这样，那核可能就只有α粒子了。已知铀原子中存在6个核电子，在放射性变化中这些核电子以6次β射线的形式发射出来。如果核是由α粒子构成的话，那么与核外圈层中具有96个或者102个电子相对应，就必须有30个或者24个核电子。另外已经有人提出氢是原子结构的另一种构件，如果考虑上这一点的话，那么其核电子数就不止于此了。但是有一点毋庸置疑，那就是必定存在一些核电子，而且卢瑟福理论中原子的中心电荷也不是单纯的正电荷，而是必定包含负电子，就像范德布鲁克断定的那样。ft　　英文

就目前我个人的思考结果来说，以上是对我的观点的一个很明晰的解释。虽然很明显其中并无多少创见，但也许会对其他人有所帮助吧。根据核内正负电荷的代数和相同而算数和不同的现象，我提出了“同位素”或“同位置元素”的概念，因为它们在周期表中处于相同的位置。它们在化学性质上是完全相同的，除了很有限的一些直接决定于原子量的物理性质外，其他大部分物理性质也是完全相同的。从数学角度来看，核电荷数会单位递增地发生变化，这使得周期表中的位置也连续地变化。对于周期表中任意一个位置，或者说任意一个确定的核电荷数，可以存在不止一种外层电子数，在这种情况下元素就表现出了不同的价态。不过，这种电子数或者价态的变化只是考虑了核外圈层及其外部环境，并没有把核外圈层与核之间的电子进出过程考虑进去。ft　　英文

（王耀杨　翻译；汪长征　审稿）