Валентин Рич - Виток спирали

Когда Мозли определил длину волны у лучей Рентгена, он понял, что получил наконец ключ к атому. Ведь у атомов именно такие размеры — в миллиарды раз меньше сантиметра.

На третий год своей работы у Резерфорда Мозли занялся изучением рентгеновского излучения разных металлов. Ото явленно было обнаружено несколькими годами ранее: если подводить к рентгеновской трубке все более высокое напряжение, то длина волны рентгеновых лучей будет постепенно уменьшаться. Но только до тех пор, пока не вспыхнет более интенсивное излучение, уже неизменное по длине волны. И эта волна уже не зависит от напряжения, она зависит от материала, из которого сделан анод.

Рентгеновское излучение металла можно было, подобно свету, разложить и получить рентгеновский спектр металла.

Уже первые рентгеновские спектры, полученные Мозли, поразили ученого своей простотой. Если на оптических спектрах даже самых легких металлов были сотни полосок, то на каждом рентгеновском спектре была только одна серия из нескольких линий. А начиная с калия, появлялась еще одна серия линий; начиная с рубидия — третья…

Такая простота сулила бесценные возможности для исследователя: одно дело сравнивать между собой сложнейшие многолинейные оптические спектры, другое — односложные рентгеновские.

Надо было поскорей набирать факты. Напылять на анод разные металлы, получать их рентгеновские излучения, фотографировать спектры.

Мозли почти не спал и почты не ел, не выходил из лаборатории по несколько суток.

Через три месяца у него набралась обширная коллекция рентгеновских спектров. И в один прекрасный день или, что при характере Мозли еще вероятнее, в одну прекрасную ночь, он разложил на столе эти фотографии.

Он разложил их в той последовательности, в какой металлы шли в периодической таблице: под спектром титана располагался спектр ванадия, еще ниже лежал спектр хрома, далее — марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка…

И Мозли увидел замечательную картину: на каждой следующей фотографии серии линий смещались влево примерно на одинаковое расстояние. То есть у каждого следующего элемента собственное рентгеновское излучение состояло из лучей с меньшей длиной волны, или, что то же самое, с большей частотой и, следовательно, с большей энергией квантов.

Мозли стал подсчитывать, как возрастает эта частота, и получил удивительный результат — частота излучения возрастала почти в точности пропорционально… порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

Почему?

Чтобы вонять это, надо было сначала найти ответы на некоторые другие вопросы.

Прежде всего Мозли установил, чем отличается свечение поверхности анода в рентгеновской трубке от свечения атомов в спектроскопе.

Катодный луч рентгеновской трубки — это поток электронов, несущихся со скоростью десятков тысяч километров в секунду. Его энергия несравнима с энергией горелки, на которой раскаляют вещества в обычном спектроскопе. Сильнейший удар катодных лучей способен вырывать из атома металла не только наружные электроны, но и тот электрон, который находится ближе всего к атомному ядру, а значит, притягивается к нему с наибольшей силой.

И на место, освобожденное этим электроном, падает электрон, который находится на более далеком от ядра уровне. Во время такого перескока выделяется порция энергии, которая и дает на рентгеновском спектре характерную линию.

Почему же эта линия у каждого элемента своя? Потому что соответствующие порции излучаемой энергии разные. А почему порции разные? Потому что не одинакова сила, с которой атомное ядро притягивает ближайший к нему электрон. Она тем больше, чем больше положительных зарядов в ядре.

Именно положительный заряд ядра и определяет место того или иного элемента в периодической таблице, его порядковый номер в естественной системе элементов.

А раз так, то возрастание частоты линий рентгеновских спектров, которое вызывается увеличением заряда ядра, должно быть пропорционально порядковому номеру элемента.

Итак, атомный вес был заменен другим признаком — зарядом ядра. И сразу же стало ясно, что Менделеев расположил элементы в своей таблице правильно даже в тех случаях, когда последовательность атомных весов нарушалась.

Спектры свидетельствовали: у кобальта 27 положительных зарядов, а у никеля — 28. Объяснились и два других мнимых нарушения закона — теллуром и аргоном. У обоих оказалось в ядре на один положительный заряд меньше, чем у следующих за ними в таблице йода и калия.

Теперь можно было разобраться и в путанице с несколькими свинцами, радиями, радонами и прочими элементами, получавшимися при радиоактивных превращениях. Атомы разной массы, но с одинаковым зарядом ядра, надлежало относить к одному и тому же элементу и помещать в одну и ту же клетку периодической таблицы.

Стал понятен и главный закон новой алхимии, названный законом сдвига: если при распаде атома из его ядра вылетает альфа-частица, то заряд ядра уменьшается на две единицы и, значит, номер элемента также уменьшается на две единицы, то есть атом сдвигается в таблице элементов на две клетки влево; а если из ядра атома вылетает бета-частица, электрон, то заряд ядра увеличивается на единицу, порядковый номер — тоже, и элемент сдвигается на одну клетку вправо.

Фредерик Содди и Казимир Фаянс, сотрудники Резерфорда, открывшие закон сдвига, дали атомам с одинаковым зарядом и разной массой название "изотопы" — "занимающие одно и то же место" ("топос" по-гречески —" "место"; отсюда "топография" — "описание местности").

Лавина прошла, унеся с собой непонятные исключения из периодического закона. Теперь он звучал так: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов их ядер. Вопрос о том, почему естественная система элементов начинается с водорода, решился сам собой — заряд ядра атома водорода + 1.

И вопрос о числе электронов в каждом атоме был теперь ясен: раз атом нейтрален, то есть его положительные заряды полностью уравновешиваются его отрицательными зарядами, значит, число электронов в нем равно числу положительных зарядов. То есть у водорода должен быть один электрон, у гелия — два, у лития — три и так далее.

Решился вопрос и о числе элементов от водорода до урана (ведь каждый новый заряд ядра давал новый элемент), и о пропущенных, еще не открытых элементах — теперь они были очевидными разрывами в непрерывной очереди зарядов, непрерывной очереди порядковых номеров.

Правда, оставалось неизвестным, почему система элементов заканчивалась ураном, и заканчивалась ли она им на самом деле, или могли быть и другие — еще не открытые элементы.

Кроме того, за полвека, прошедшие с момента открытия периодического закона, появились новые вопросы, и самый волнующий из них был о том, что же такое атомное ядро?

И не только потому, что неделимое оказалось делимым, а вечное — не вечным. Куда важней было то, что в ядре атома таились какие-то огромные силы — те самые, что разгоняли ядра гелия до скорости 25 000 километров в секунду.

Может быть, для человечества было бы лучше не задумываться над этим, не искать у природы ответа. Но стремление человека к разгадыванию тайн природы неодолимо. И сколько бы раз ни обжигались люди, они вновь и вновь летят на свет истины.

И они заглянули в ядро и увидели, что там есть.

Глава шестая,

в которой появляются протон и нейтрон

Для того, чтобы узнать, что находится в орехе, нужно разбить орех. Для того, чтобы узнать, что находится в ядре, нужно разбить ядро. Или, обстреливая альфа-частицами какие-либо атомы, посмотреть, что происходит не со снарядами, а с мишенью.

Если обстрелять, например, атомы водорода, вчетверо более легкие, чем сами альфа-частицы, то при столкновении альфа-частица должна была бы так толкнуть водородный атом, что он должен был пролететь вчетверо дальше, чем она сама.

Резерфорд предложил Марсдену провести такой эксперимент.

И действительно, альфа-частицы отшвыривали водородные атомы, как бита отшвыривает городок.

Но этим опытом Марсден не ограничился. Ему захотелось посмотреть, как будут вести себя другие атомы, тоже легкие, но тяжелей водорода.

Проще всего было обстрелять альфа-частицами просто воздух, состоящий из атомов азота и кислорода. Они примерно в полтора десятка раз тяжелей атомов водорода, значит, и отлетать от удара альфа-частиц должны были не очень далеко.

Марсден был прекрасным экспериментатором. Но тут произошла осечка. Как ни очищал он воздух в приборе от водяных паров, все равно обнаруживались ядра, летящие вчетверо дальше, чем альфа-частицы.

И Марсден выдвинул смелое предположение — эти водородные ядра несутся оттуда же, откуда несутся альфа-лучи — из ядер радия.