А.К. Тимирязев Периодическая система элементов Менделеева и современная физика

Сегодняшний скромный праздник, по случаю исполнившегося десятилетия со дня основания нашего общества, совпадает с двадцатипятилетней годовщиной нескольких чрезвычайно крупных событий - событий, наложивших печать на все последовавшее за ними развитие физики.

В конце 1895 года Рентген открыл лучи, носящие и до сих пор его имя, в 1896 году Анри Беккерель открыл действие солей Урана на фотографическую пластинку и тем положил начало новому учению о радиоактивных явлениях и, наконец, в том же 1896 году и в самом начале 1897 сэр Джозеф Томсон в окончательной форме доказал существование электрона, как составной части каждого атома, любого элемента - любой известной нам формы материи.

Все эти открытия позволили нам глубже проникнуть в строение вещества, поставили на очередь вопрос о строении атома, позволили взглянуть на периодическую систему элементов с совершенно новой точки зрения и, наконец, в самое последнее время поставили нас лицом к лицу с разложением химических элементов - теперь ведь это совершившийся факт!

Всякий, кто имел возможность следить за событиями в науке, хотя бы только по тем скудным сведениям, которые попадают в газеты, знает, что в 1919 году английский физик Рутерфорд разложил атомы азота, а в следующем 1920 и отчасти уже в 1921 году ему же удалось разложить кислород и, по дошедшим до нас в последние дни сведениям, углерод, кремний, алюминий и бор, - впрочем, относительно последнего Рутерфорд еще сам не вполне уверен.

И вот эти новейшие открытия, которые не-специалистам, стоящим далеко от нашей науки, представляются чем-то совсем необычным, чем-то даже идущим в разрез с твердо установившимися в науке взглядами, непосредственно связаны с теми событиями, о которых я только что упомянул и которые произошли двадцать пять лет тому назад!

Когда Томсону удалось научиться отцеплять от любого атома один или несколько электронов, т.е. частиц, заряженных отрицательным электричеством и обладающих массой в 1700 раз меньшей массы атома водорода, стало совершенно ясно, что мы стоим на пути к разложению атома. Правда, отщепленные электроны скоро и легко заменяются другими, - да и атом при таком расщеплении особенно глубоких изменений не претерпевает, тем не менее начало разложению атома было положено уже тогда. Но, что, пожалуй, еще любопытнее, определение массы осколков, получающихся при разложении азота, кислорода и атомов других элементов, производится теми же самыми методами, которыми установлена была масса электрона, и, наконец, теми же методами - правда, несколько усовершенствованными, Астон, ученик Томсона, доказал, что очень многие из химических элементов, хорошо нам знакомые, представляют собой не собрание однородных атомов, а смесь нескольких разновидностей данного элемента, химически не отличимых друг от друга, но обладающих различным атомным весом. Эти разновидности носят теперь название "изотопов", что значит занимающий одно и то же место - подразумевается в системе элементов Менделеева.

Вот почему, позвольте мне прежде всего напомнить, как отщепляют электроны от любого атома. Этот процесс всего удобнее осуществить в трубке с разреженным воздухом или каким-нибудь другим газом. В промежутке между катодом K (соединенным с отрицательным полюсом источника электрического тока) и анодом A (см. фиг. 1) под влиянием большого электрического напряжения между A и K от атомов находящегося в трубке разреженного газа отщепляются электроны, заряженные отрицательным электричеством, которые, отталкиваясь от катода K, несутся к концу трубки C, ударяются о стекло и вызывают характерное зеленоватое свечение стекла трубки. Положительно заряженные "остатки" атома, т.е. то, что остается от атома после отщепления от него одного или нескольких электронов, двигаются в противоположную сторону (притягиваются катодом) и, если в катоде есть отверстие, то эти частицы проходят дальше во вторую часть трубки A'B' (фиг. 1). Так как в нормальном нерасщепленном состоянии атом не заряжен, то положительный заряд остатка атома должен как раз равняться по величине сумме отрицательных зарядов всех электронов, которые были от него отщеплены. Поток отрицательных электронов по старой привычке еще и теперь называют "катодными лучами", а поток положительно заряженных частиц "положительными" или "каналовыми лучами" - каналовыми их называют потому, что они выходят из отверстий - каналов в катоде (см. фиг. 1). Чтобы получить возможно более тонкий пучок этих "лучей" Томсон часто вставлял в катод иглу для подкожных впрыскиваний!

При движении в электрическом поле конденсатора A'B' (фиг. 1), состоящего из пары параллельных заряженных противоположными электричествами пластинок, каналовые "лучи" отклоняются, как показано на чертеже, так как это ведь поток положительно заряженных частиц, которые отталкиваются пластинкой B' и притягиваются к A'. Если мы подействуем на этот поток магнитным полем, поместив разрядную трубку между полюсами электромагнита, то весь поток отклонится в сторону, в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа (фиг. 1), как отклоняется любой провод, по которому идет электрический ток и который может свободно двигаться в магнитном поле. Посмотрим, что получится на фотографической пластинке PP (фиг. 1), завернутой в тонкий листок алюминия, через который быстро летящие частицы свободно проходят. Если нет электрического и магнитного поля, то поток каналовых "лучей", прошедший через узкое отверстие в катоде, дает на фотографической пластинке изображение в виде пятна O (фиг. 2), находящегося как раз против отверстия. Если действует одно только электрическое поле, то пятно отклоняется, растягиваясь в полоску AB. Почему пятно растягивается? Потому что не все частицы летят с одинаковой скоростью; процесс расщепления происходит не в одном каком-нибудь месте трубки, а на всем протяжении между анодом и катодом (Q и Q' фиг. 1); поэтому сила притяжения катодом K и отталкивания анодом A действует не одинаково долго на все частицы, а потому они и получают неодинаковые скорости. С другой стороны, медленно летящие частицы дольше будут подвергаться отклоняющему действию A'B' и потому сильнее отклонятся. То же самое происходит и с магнитным отклонением, при чем полоска получается в CD или в C'D', смотря по расположению магнитных полюсов, а если их положение во время опыта несколько раз меняется, чего достигают переменой направления тока в электромагните, то получаются обе полоски и CD, и C'D'. Если же одновременно возбудить и электрическое и магнитное поле, то оба отклонения должны произойти одновременно, вследствие чего на пластинке получаются дуги кривых (a1 b1 ab), называемых параболами.

Элементарная теория показывает, что на одной и той же параболе располагаются следы ударов частиц, имеющих одну и ту же массу. Если в трубке была смесь, состоящая из двух газов, дающих положительно заряженные частицы с массами m1 и m2, то на фотографической пластинке появляются две параболы; при чем, как показывает элементарная теория, отношение длин хорд y1 и y2 (см. фиг. 2), возведенное в квадрат, обратно пропорционально отношению масс самих частиц, т.е. (y1/y2)¤=m2/m1. Что должно существовать обратное отношение, следует из того, что чем меньше масса частицы, тем большее она при прочих равных условиях получает отклонение - тем легче ее, так сказать, сбить в сторону с ее пути.

[Несколько труднее бывает решить вопрос, отклоняется ли данная группа частиц более потому, что у нее масса меньше, или потому, что у нее заряд больше в результате отщепления двух или трех электронов зараз. Ведь увеличение заряда усиливает отклонение так же, как и уменьшение массы. Однако, по некоторым особенностям кривых (при больших зарядах скорости всех вообще частиц увеличиваются) можно безошибочно отличить, имеем ли мы дело с частицами меньшей массы по сравнению с наблюденными раньше или это те же частицы, но более сильно заряженные.]

Таким образом, является возможность определять атомные веса каких угодно газов. Необходимо отметить, что подобным же путем Томсон 25 лет тому назад определил массу электрона и показал, что, откуда бы мы ни получали электроны, они все имеют одну и ту же массу. Однако, потребовалось около 15 лет упорной работы, чтобы применить этот прием к каналовым "лучам" и выработать вытекающий из него новый метод определения атомных весов. Атомные веса получаются по методу Томсона с точностью до 1 - 2%, т.е. с точностью, значительно уступающей точности химического анализа, и все-таки Томсону удалось открыть совершенно новые и неожиданные факты. Если наполнить трубку метаном (соединением водорода с углеродом) CH4, то получаются не только частицы метана с положительным зарядом, но и группы: CH3, CH2, CH, C+, H+ и C++, т.е. соединения углерода с тремя, двумя и одним атомом водорода и, наконец, отдельные атомы водорода и углерода с положительными зарядами.

Ничего подобного химики не получали: группы CH, CH2, CH3 в свободном состоянии не были известны. Но понятие "свободное состояние" весьма относительно: в любом газе при атмосферном давлении частицы газа миллионы и миллионы раз друг с другом сталкиваются в течение одной только секунды! При каждом таком столкновении группы CH, CH2 и CH3, если бы даже нам удалось получить их в отдельности, могут соединиться между собой и дать более сложные молекулы. В разрядной же трубке Томсона частицы от того места, где произошло расщепление, без одного столкновения долетают до фотографической пластинки в несколько сто-миллионных долей секунды. Вот в этот промежуток времени они действительно, можно сказать, находятся в свободном состоянии!

После выработки Томсоном этого нового метода, спустя восемь лет в 1920 году в той же области было сделано весьма существенное усовершенствование учеником Томсона - Астоном.

Астон расположил электрическое и магнитное поле так, что вызываемые ими отклонения происходили в одной и той же плоскости, но имели противоположные направления. Очень узкий пучок "каналовых лучей" выделялся с помощью двух щелей A и A' (см. фиг. 3), имевших ширину 0,05 m/m. В заряженном конденсаторе пучок расширяется, так как более медленно двигающиеся частицы отклоняются сильнее. Магнитное же поле, производя отклонение в обратную сторону, заставляло этот рассеявшийся было пучок соединиться вновь. В месте соединения, так сказать в "фокусе" C, помещается фотографическая пластинка - там получается "изображение" щели A'; частицы, имеющие другую массу, дадут изображение в другом месте, например, в C'. Расчет, подтверждаемый опытом, показывает, что можно найти такое положение фотографической пластинки, при котором на ней именно и расположатся все изображения, все "фокусы", даваемые частицами различных масс. Получаемый на пластинке ряд полос Астон предложил назвать "спектром масс". Для определения масс, соответствующих отдельным линиям, всего удобнее подмешать к испытуемой смеси метан, который, как мы уже видели, дает частицы: CH4, CH3, CH2, CH, C, H и C++, имеющих массы 16, 15, 14, 13, 12, 1 и 6. Т.е. мы получаем как бы готовый масштаб и притом с довольно удобным распределением делений! Если измеряемые массы больше 16, то можно подобрать - это именно и делает Астон - другие органические соединения, дающие еще большее разнообразие частиц и обладающих притом большей массой частицы.

Точность метода Астона прямо удивительная, атомные веса можно определить с точностью до десятой даже нескольких сотых долей процента, - стало быть точнее, чем это делают химики! На первых же порах Астону удалось сделать с помощью этого метода ряд крупнейших открытий. Так, например, хлор, атомный вес которого очень хорошо был известен химикам (его вес выражается числом 35,49), дал в спектре масс две линии: одну, соответствующую 35,00, и другую, соответствующую 37,00, - есть еще слабый намек на линию 39,00, но принадлежит ли она хлору или какой-либо примеси, установить пока не удалось. Если сравнить степень почернения фотографической пластинки этих двух линий и считать, что почернение пластинки зависит от числа ударившихся частиц, мы приходим к такой пропорции, которая как раз соответствует числу 35,49. Итак, обыкновенный хлор есть смесь по крайней мере двух разновидностей - двух "изотопов", занимающих одно и то же место в системе Менделеева и ничем, кроме своей массы, не отличимых друг от друга!

На следующей таблице (см. табл. 1) начерчена система Менделеева в таком виде, как она представляется физикам. Рядом с порядковым числом, характеризующим положение данного элемента в системе - физический смысл этого числа мы разберем несколько позже - и химическим знаком, сопровождаемым атомным весом по данным химического анализа, мы видим числа, соответствующие атомным весам "изотопов". Мы видим, что у Бора два изотопа, у неона два, у кремния два, у брома и аргона по 2, у криптона 6 и у ртути не менее 6. Но, что всего любопытнее, атомные веса изотопов оказываются целыми числами. Перед нами вновь всплывает смелая гипотеза Виллиама Проута!

Но мне сейчас же могут возразить: как же это может получиться, когда атомный вес водорода 1,008, а не 1,000 и притом Астон своим же методом подтвердил хорошо известное число 1,008?

Однако, по-видимому, в ядре атомов, в состав которых входят атомы водорода, а также в соединениях вроде метана или групп CH3, CH2, CH масса атома равна единице. Все зависит от того, определяем ли мы массу ядра атома водорода отдельно или массу ядра плюс электрон, который при разных условиях может находиться на неодинаковых расстояниях от ядра. Во всех этих случаях масса всей системы может немного отличаться друг от друга; так как, становясь на точку зрения электронной теории, мы должны считать массу атомов и электронов электромагнитной, а электромагнитная масса системы зарядов зависит от их расположения.

Очень часто приходится слышать, что понятие об электромагнитной массе противоречит основам механики; в связи с этим философы и философствующие естествоиспытатели заговорили даже о дематериализации материи! Попытаемся разобраться, в чем здесь дело. Если мы хотим заставить двигаться какой-нибудь предмет, скажем шар, имеющий массу m со скоростью v, то, как известно из механики, этому шару надо сообщить энергию в количестве, равном mv^2/2.

Представим себе, что мы бросаем тот же шар, но предварительно мы его зарядили электричеством. Летящий заряженный шар будет обладать теперь при той же скорости движения большей энергией: движущийся заряд в силу одного только своего движения будет проявлять все свойства электрического тока, будет отклонять магнитные стрелки, мимо которых он будет пролетать, и т.д.

[Кроме этого магнитного действия, шар может еще и притягивать и отталкивать электрически заряженные тела. Эта часть энергии сообщается шару при заряжении. Магнитная же энергия или энергия электрического тока черпается из того источника, который приводит шар в движение, как это указано в тексте.]

Словом, движущийся заряженный шар обладает большей энергией при той же самой скорости. Таким образом, чтобы привести в движение заряженный шар со скоростью v, надо затратить больше энергии, т.е. не mv^2/2, а (m+m1)v^2/2, дело происходит так, как будто масса шара стала больше. Опыты с электронами, вылетающими с громадными скоростями из радиоактивных тел, показали, что электроны обладают одной только электромагнитной массой m1, обыкновенная же масса равна нулю: m = 0. Более того, эта масса m1, как показывает теория, подтверждаемая опытом, возрастает со скоростью; кроме того, если мы захотели бы подтолкнуть электрон в ту же сторону, в которую он летит, то придется затратить больше энергии, чем при смещении электрона в направлении, перпендикулярном к направлению его полета: при больших скоростях, как говорят, электромагнитная масса бывает продольная и поперечная. Но так ли уж сильно противоречат нашим механическим представлениям эти новые факты? Представим себе пузырек воздуха, поднимающийся со дна пруда; он поднимается, ускоряясь, гораздо медленнее, чем мы могли бы ожидать, зная, что воздух почти в 1000 раз легче воды. Это происходит потому, что при движении пузырек должен расталкивать воду перед собой; на фиг. 4 показаны направления струек воды, приводимых в движение пузырьком. Теория показывает, что движение происходит так, как будто к пузырю была прибавлена половина массы воды, вытесняемой им, а двигался он в пустоте. Представим себе шар с твердыми и очень легкими стенками, из которого весь воздух выкачен, такой шар, двигаясь в воде, будет увлекать с собой таким же образом окружающую воду, и движущаяся масса будет состоять главным образом из увлекаемой шаром воды. Этот пример может служить аналогией между отсутствующей "обыкновенной" массой электрона и шарика, массы шарика тоже нет, раз воздух из него выкачан. "Электромагнитная масса" в нашем примере есть масса окружающей шарик воды, но ведь эта масса воды самая настоящая, материальная, хотя мы ее и не видим при движении пузырька! Аналогия однако может быть проведена далее; если мы возьмем тонкий и длинный цилиндр и будем его двигать в воде, тогда окажется, что, смотря по направлению движения, цилиндр будет захватывать с собой при движении различные количества воды: при движении параллельно оси, т.е. торцом вперед, он будет приводить в движение меньшие количества воды, чем тогда, когда мы будем его двигать перпендикулярно его оси. Вот, следовательно, пример на продольную и поперечную массу, взятый из области чистой механики!

Наконец, можно доказать, что когда в воде двигаются несколько цилиндров одновременно, то увлекаемые ими массы воды, зависят от того: близко ли друг к другу расположены цилиндры или нет.

Но вернемся к электромагнитной массе и посмотрим, как Томсон, который раньше других показал, как надо рассчитывать электромагнитную массу, и первый заговорил вообще об электромагнитной массе еще в 1881 году ["Effects produced by the Motion of Electrified Bodies, "Philosophical Magazine", April 1881], объясняет, исходя из этой механической аналогии, продольную и поперечную массу электрона; а также возрастание массы со скоростью. Томсон, так же как Фарадей и Максвелл, приписывает так наз. силовым линиям реальное существование. Эти линии располагаются вокруг заряженного неподвижного шара, как изображено на фиг. 5 А. Фактически их можно наблюдать следующим образом: если в расплавленный параффин, к которому подмешана угольная пыль, опустить на шелковинке заряженный шарик, то угольные пылинки располагаются по направлению радиусов шара, как показано на фиг. 5 А. При движении электрона в эфире эти силовые линии по Томсону должны сместиться в экваториальную область электрона (см. фиг. 5 В) по той же причине, по которой полураскрытый зонтик сам раскрывается при движении против ветра. По мере увеличения скорости силовые линии все гуще скопляются в экваториальном поясе и все большие массы захватывают с собой из окружающей среды - эфира; этим объясняется таинственное возрастание массы со скоростью! Из одного взгляда на фиг. 5 В ясно, что при движении в направлении ab увлекаемая масса будет больше, чем в направлении cd. Таким образом, понятно, почему "продольная" масса электрона больше "поперечной". На это возразят, что эфир уже сдан в архив; новый принцип относительности его более не допускает. Не лишне однако заметить, что изложенная нами сейчас теория Томсона с помощью эфира ["Physikalische Zeitschrift", 1921, Februar] объясняет очень просто те же самые явления, которые были предсказаны принципом относительности путем самых головоломных вычислений! Свою теорию Томсон резюмирует следующим образом: "Всякая масса - есть масса эфира, всякое количество движения есть количество движения эфира и всякая кинетическая энергия есть кинетическая энергия эфира" [Дж. Дж. Томсон. "Elektricitat und Materie", p. 33, Vieweg Braunschweig 1904].

Вернемся однако к вопросу об атомном весе водорода: из сказанного ясно, что если ядро и электрон не во всех случаях одинаково расположены, то связывающие их линии сил будут иметь неодинаковое расположение, не одинаковую густоту, а это сказывается на величине массы увлекаемого ими эфира. Где же здесь, спрашивается, дематериализация материи? И не забудем, что Томсон является основателем учения об электромагнитной массе.

Открытие Астоном изотопов хлора, брома и ртути очень удивило неспециалистов, а между тем мы, физики, имеем уже дело с изотопами несколько лет. Только эти изотопы были найдены среди недолговечных продуктов распада урана, радия, тория и актиния - словом, изотопы были установлены для радиоактивных тел, а в них еще и до сих пор некоторые ученые стесняются видеть настоящие химические элементы.

Так в недавно вышедшем руководстве по химии проф. В. Я. Курбатова атомы радиоактивных тел из осторожности называются: "атомоидами". Такова уж сила привычки и... наклонность к философствованию. А именно здесь в этой области радиоактивных процессов выяснилось, что собственно делает изотопы химически не отличимыми друг от друга, а также какой именно фактор определяет положение элемента в периодической системе. В длинном ряде известных нам радиоактивных превращений мы встречаемся с двумя типами этих превращений. В превращениях первого типа происходит выделение одной alpha частицы, т.е. одного атома гелия (атомный вес = 4), от которого отщеплено два электрона и который, следовательно, несет с собой двойной положительный заряд. Будем называть такой процесс alpha-превращением.

Превращения второго типа сопровождаются выделением одной beta частицы, т.е. одного электрона с одним отрицательным зарядом - будем называть это beta-превращением. Возьмем для примера радий с атомным весом 226 - он принадлежит к той же II группе, что и кальций, стронций и барий. Атом радия, распадаясь, дает одну alpha частицу с атомным весом четыре и атом нитона или эманации радия с атомным весом 222. Эманация по своим химическим свойствам относится к нулевой группе, т.е. к той группе, где помещаются так называемые благородные газы: гелий, аргон, неон, криптон и ксенон. Заметим, что атомный вес убавился на четыре единицы, заряд ядра атома убавился на две единицы, так как из него вылетела одна alpha частица с двойным зарядом и в то же время при этом в процессе эволюции вещество переместилось в Менделеевской системе на два места назад: из второй в нулевую группу. То же самое происходит и при двух следующих за тем alpha-превращениях: заряд ядра уменьшается на два элементарных заряда, получающееся вещество по своим химическим свойствам попадает в системе элементов на место, отстоящее на два номера назад - в сторону убывающих атомных весов; в данном случае атомный вес действительно убывает на четыре единицы. После трех alpha-превращений радий - эманация, эманация - радий A, радий A - радий B, наступает beta-превращение радий B - радий C при этом выделяется один электрон.

Атомный вес при этом почти не изменяется; во всяком случае учесть это изменение мы не можем и, несмотря на это, по своим свойствам радий C принадлежит к V группе, тогда как радий B имеет место в IV. Следовательно, при beta-превращении вещество перемещается на одно место в Менделеевской системе вперед в сторону возрастающих атомных весов, атомный вес не возрастает, заряд же ядра (положительный) возрастает также на единицу, так как из ядра вылетает один заряженный отрицательным электричеством электрон. Изложенное правило, установленное Содди и Фаянсом, показывает, что с физической точки зрения положение того или другого элемента в периодической системе обусловлено не атомным весом, а числом свободных элементарных положительных зарядов ядра атома. Это число, как мы увидим, совпадает с порядковым числом, т.е. с N места в Менделеевской системе.

Слово свободный имеет следующий смысл: из ядра атома вылетают alpha и beta частицы, значит в ядре имеются заряды и того и другого знака. Поэтому, если в ядре будет 10 зарядов + и 2 заряда -, то свободным зарядом ядра мы будем считать +8; но то же число +8 мы получим взяв +12 и -4. Среди весьма значительного числа продуктов распада радиоактивных веществ, получающихся путем alpha и beta превращений встречается много изотопов: число их на табл. I отмечено римскими цифрами. Эти вещества химически не отличимы друг от друга, и если мы узнали об их существовании, то исключительно по их радиоактивным свойствам; эти вещества обладают различной долговечностью: одни из них распадаются так быстро, что через несколько минут после их выделения от них остается очень незначительная доля, для других этот процесс идет часами, годами и даже тысячелетиями. Кроме того эти вещества при alpha и beta превращениях выделяют alpha и beta частицы, обладающие различными скоростями, которые благодаря этому могут проникать через различную толщу воздуха: получаются, как говорят, alpha частицы различного свободного пробега. От радия C, например, видны следы ударов alpha частиц на экране сернистого цинка в виде вспышек, заметных в лупу, в воздухе при атмосферном давлении еще на расстоянии в 7 сантиметров от источника alpha частиц, а от самого радия только на расстоянии в 3,3 сантиметра. На длине свободного пробега основан способ анализа радиоактивных веществ.

Однако все эти исследования с такими малыми количествами и производятся они с помощью таких необычных - в житейском смысле - экспериментальных приемов, что у многих ученых, не специалистов в данной области, оставались сомнения и самый факт существования изотопов не получил той широкой огласки, которой он заслуживал. Однако в 1915 году и в этой области было сделано открытие, которое способно было заставить призадуматься самого непримиримого скептика.

Если мы просмотрим всю цепь превращений от урана (атомн. вес 238) до радия G, то при этом заметим 8 alpha-превращений, отсюда атомный вес радия G должен равняться 238 - 8*4 = 206. По правилу Фаянса радий G попадает на одно и то же место менделеевской системы, где стоит свинец с атомным весом 207,2, а известно, что свинец встречается всегда в рудах, содержащих уран и торий. С другой стороны конечный продукт распада тория получается из него после 6 alpha-превращений, следовательно, атомный вес этого тела равен 232 (ат. вес тория) - 4*6 = 208, а если мы рассчитаем по правилу Фаянса, где должно находиться в системе элементов это вещество, мы приходим на то же самое место, т.е. туда, где стоит свинец! Числа 206 и 208 и атомный вес свинца 207,2 заставляет сделать предположение: не представляет ли обыкновенный свинец смесь двух изотопов?

Для проверки этой гипотезы были добыты урановая руда из южной Африки, содержащая ничтожнейшие следы тория, и с другой стороны были отобраны куски торита, не содержащего урана, из той и другой руды был выделен свинец и был определен его атомный вес; результаты получились следующие: атомный вес уранового свинца RdG = 206,05, а для ториевого свинца получилось 207,77! Лучшего подтверждения нельзя было и желать!

Итак, положение элемента в периодической системе определяется свободным положительным зарядом ядра, свободным в указанном выше смысле этого слова. Но ведь атом нормальный нерасщепленный электрически нейтрален; как же располагаются в нем электроны, нейтрализующие этот свободный заряд ядра?

Для того, чтобы наши рассуждения не носили отвлеченного характера, позвольте с помощью модели иллюстрировать расположение электронов в атоме. В деревянной ванне налита ртуть; к центру ванны подводится один полюс электрического провода, по краям имеются электроды, соединенные с другим полюсом. Под ванной находится полюс сильного электромагнита. На ртути плавают стальные намагниченные шарики. Под влиянием притяжения электромагнитом все шарики поворачиваются к полюсу N (см. фиг. 6) своими S полюсами и начинают двигаться к центру ванны, но тут начинает сказываться взаимное отталкивание одноименных полюсов S плавающих шариков. Они располагаются под действием электромагнита (полюс электромагнита изображает ядро атома) и взаимных отталкиваний в фигуры равновесия в виде одного или нескольких колец с центром в средине ванны, находящемся над электромагнитом. Пропуская ток через ртуть, мы можем заставить ее вместе с шариками вращаться в поле электромагнита и тем получить иллюзию движения электронов в атоме. В нашей модели мы можем сколько угодно шариков бросать на ртуть, в атоме же число электронов в кольцах определяется свободным зарядом ядра, так как ведь атом должен быть электрически нейтрален. А числом электронов определяется число и размеры колец, так что, если, как у изотопов, ядро имеет один и тот же заряд, то внешняя оболочка атома - его кольца одинаковы, а следовательно, внешние размеры и его химические и физические свойства за исключением радиоактивных, определяемых самим ядром, должны быть одинаковы. Это вполне подтверждается целым рядом опытов.

В таблице II приведены вычисления атомных объемов: если мы атомный вес или число граммов, равное числу единиц в атомном весе (грамм-атом), разделим на плотность, т.е. на массу в одном кубическом сантиметре, мы получаем объем одного грамм-атома. А разделив еще на N, т.е. на число атомов в грамм-атоме, мы получим объем приходящийся на каждый атом: это число N теперь хорошо известно. Как видно из таблицы, атомный объем для изотопов и для смесей изотопов один и тот же, следовательно внешние размеры атомов одинаковы.

В следующей табл. III приведены схемы гальванических элементов: при чем один электрод состоит из каломели Hg2Cl2, другой из перекиси свинца PbO2 или перекиси RdGO2 (перекись радия G - изотоп свинца) в качестве электролита в этом элементе берется азотнокислый свинец или азотнокислый радий G.

Как показывает опыт, электродвижущая сила этих элементов с точностью до 0,005 милливольта одинакова. А между тем обыкновенно ничтожнейшие изменения электродов или электролита вызывают сильные изменения электродвижущей силы. Таким образом, электрохимические свойства изотопов одинаковы.

Далее оказывается, что спектры лучей Рентгена, получаемых в результате бомбардировки катодными частицами тел, состоящих из различных элементов, тесно связаны с порядковым числом элемента, т.е. с свободным зарядом атома. Квадратный корень из частоты колебания, соответствующей какой-либо линии рентгеновского спектра, оказывается пропорциональным порядковому числу. Для этого приходится только выбирать определенную линию из той или другой серии. Дело в том, что рентгеновские спектры различных веществ все похожи друг на друга и в них можно найти соответствующие друг другу линии и вот для этих линий и имеет место указанная закономерность. Таким именно путем и были точно установлены порядковые числа, стоящие в табл. I и эти числа и послужили основанием для несколько необычного, с точки зрения химика, размещения обведенных в таблице I чертой элементов: так называемых редких земель. Из таблицы видно, что вплоть до самого тяжелого элемента урана остается только пять пустых мест. Существует в этих пределах еще пять неизвестных видов материи, число же разновидностей изотопов может быть и очень велико даже в этих пределах (от водорода до урана). Предела для числа разновидностей мы пока установить не можем.

Но, пожалуй, еще более интересное и более наглядное доказательство правильности излагаемой нами теории дают опыты, впервые осуществленные Гейгером и Марзденом. Эти опыты в последнее время были тщательно проверены и дополнены, о чем уже имеются указания в литературе, но полностью они еще, повидимому, не опубликованы. Дело сводится к следующему, если пучок alpha лучей, т.е. заряженных атомов гелия, пустить на экран сернистого цинка, то каждая частица вызывает заметную в лупу для глаза искру и если на пути пучка нет особых препятствий; если, например, газ, через который они пролетают, разрежен, то пучок имеет размеры тех отверстий, через которые его пропускают (см. рис. 7). Но если мы на пути поставим тонкий листок какого-нибудь металла, то, пролетая вблизи ядра, заряженный положительно атом гелия или alpha частица оттолкнется в сторону: он может оттолкнуться только от ядра, имеющего большую по сравнению с ним массу, а не от отдельных электронов, которые он сам разбросает в стороны, так как масса атома гелия относится к массе электрона примерно так, как масса солнца относится к массе планеты Уран. Вследствие этих отклонений пучок станет расходящимся и, как показывает теория Рутерфорда, изучая распределение искр на экране в этом расходящемся пучке, можно определить заряд ядра отклоняющего атома.

Выполненные измерения блестяще подтвердили основное предположение, что число свободных зарядов ядра для каждого элемента оказывается равным порядковому числу. Таким образом и эта цепь фактов приводит нас к тому же результату. Однако я здесь должен оговориться: способ Гейгера и Марздена применим к исследованию атомов значительно более тяжелых, чем атомы гелия, - так, например, для алюминия отношение будет 27:4. Только в таком случае мы можем отвлекаться от перемещений отклоняющего ядра, т.е. можем считать, что ядра атомов в металлических пластинках сами не смещаются. В этом предположении и была построена теория Рутерфорда, объясняющая опыты Гейгера и Марздена. Но является вопрос: а что же случится, если атом гелия ударится о какой-нибудь легкий атом, например, налетит на один из двух атомов молекулы водорода? Тут, конечно, придется считаться с тем, что обе частицы будут двигаться после столкновения - теорию пришлось дополнить. Эта новая задача была выполнена молодым английским теоретиком Дарвином, внуком знаменитого Чарльза. - Интересно отметить: дед изучал эволюцию органического мира, отец - эволюцию двойных звезд, а сын изучает эволюцию атома! Дарвин показал, что если alpha частица налетает в упор на атом водорода или почти в упор, то атом, во-первых, вылетает из молекулы и движется со скоростью в 1,6 раз большей, чем сама выбившая его alpha частица, вылетающая из радия C. А вместе со скоростью возрастает так называемый свободный пробег частицы, т.е. то расстояние, на котором еще видно действие частицы, на экране сернистого цинка. Для радия C в воздухе при атмосферном давлении искры на экране сернистого цинка видны еще на расстоянии 7 сантиметров. Опыт показывает, что максимальный пробег растет пропорционально третьей степени скорости, а потому для водородных или, как их теперь обозначают, для H частиц этот пробег будет в (1,6)^3 = 4 раза больше, чем для радия C. H частицы должны быть видны в воздухе на расстоянии 28 сантиметров.

Поставленные для этой цели опыты блестяще подтвердили расчеты Дарвина. Можно поставить на пути alpha частиц, летящих в атмосфере водорода в какой-нибудь трубке, алюминиевый экран такой толщины, чтобы он задержал все частицы с пробегом в 7 сантиметров. Этим экраном можно, например, закрыть окошко в трубе, наполненной водородом, и по другую сторону, т.е. в воздухе поместить подвижной экран с лупой для наблюдения искр, вызываемых H частицами, обладающими большим пробегом. Когда же начали проверять теорию Дарвина с количественной стороны, так как по теории можно для данного слоя водорода подсчитать, сколько придется ударов, дающих в результате одну H частицу, - оказалось, что водородных частиц больше, чем этого требует теория, и они появлялись, правда в очень небольшом числе, даже тогда, когда в трубке водорода не было, а был воздух. Долгое время Рутерфорд, занявшийся этим вопросом со своими учениками, думал, что H частицы получаются из следов влаги, имеющейся в трубках и в препаратах радия, но это предположение не оправдалось. Загадка была решена, когда трубку вместо воздуха наполнили азотом: число H частиц возросло на 25%. Стало ясно, что водородные частицы выбиваются не только из молекул водорода, но также из атомов азота, а это значит, что атомы азота разложены! Вы видите таким образом, что открытие Рутерфорда не было случайностью, что здесь мы имеем сложную, но вместе с тем крайне логичную связь, правильное чередование опыта и теории, которое неизбежно роковым образом должно было привести Рутерфорда к его замечательному открытию.

Все, что последовало за этим, представляет собой верх экспериментального искусства. Не надо забывать, что наблюдение и подсчет искр, появляющихся на экране сернистого цинка, требуют огромного напряжения.

H частицы дают искры более тусклые - опытный глаз их сразу отличает от alpha частиц, поэтому их гораздо труднее наблюдать, особенно когда они появляются редко, а это как раз и имеет место в опытах Рутерфорда. Он проделал опыты с отклонением этих частиц магнитным полем, т.е. воспользовался теми методами, о которых у нас шла речь. Ему удалось установить, что масса H частиц равна 1, т.е. что это несомненно атомы водорода. Кроме этих H частиц он нашел еще и другие, названные им X3 с атомным весом, равным 3, он считает эти частицы за изотоп гелия, так как они несут такой же двойной заряд, как и alpha частицы. Эти частицы X3 получаются из атомов азота и кислорода. Как я уже сказал, по самым последним известиям Рутерфорду удалось разложить атомы углерода, кремния, алюминия и, быть может, бора.

Позвольте привести теперь ряд крайне любопытных цифр. Как часто выбивает alpha частица H частицу, т.е. частицу водорода из молекулы водорода, т.е. как велик % благоприятных для этого выбивания столкновений? Оказывается, что на 10.000 столкновений только одно дает H частицу! Для азота дело обстоит еще хуже: при столкновении с alpha частицами распад атома получается только в одном случае на 10 миллиардов столкновений! Значит, надо попасть в определенное место атома, чтобы вызвать его распад.

Далее, если бы мы взяли один грамм радия и заставили его день и ночь бомбардировать азот или кислород, то мы собрали бы 1 кубический миллиметр газа X3, т.е. объем, немного больший булавочной головки, только через 250 миллионов лет!

Это показывает, как мало мы еще овладели процессом распада, а с другой стороны это показывает, как чувствительны наши методы исследования. Да ведь и в самом деле каждая искра на экране, которую мы можем учесть - это ведь всего один атом!

Между прочим, Рутерфорду удалось показать, что энергия движения частиц H и X3, получаемых из азота и кислорода, на несколько процентов больше, чем она должна получиться от толчка, вызванного ударом alpha частицы. Это показывает, что в ядре разрушаемого атома эти частицы уже обладали некоторой энергией. Факт крайне интересный, но его и следовало ожидать. Из опытов с радиоактивными веществами мы знаем, какие колоссальные количества энергии таятся в атоме; и если эти запасы существуют в атомах одного вида, то естественно было предполагать их и во всех остальных.

Во всяком случае, процесс распада атомов подчиняется теперь, хотя и в очень слабой степени, руке экспериментатора. Это огромный успех: начало новой эпохи в истории физики!

В заключение позвольте мне остановиться на двух наиболее прочно установившихся предрассудках, связанных с этими замечательными открытиями. Прежде всего говорят, что не только эти блестящие исследования Рутерфорда, но и самая электронная теория опровергла атомную теорию вещества. Говорят, что раз атом можно разделить - значит он более не атом! Я думаю, что этот предрассудок никогда бы и не появился на свет, если бы атом окрестили не по-гречески, а хотя бы по-латыни, если бы его назвали, скажем, индивидуумом. Это ведь тоже значит неделимый. Но никому из нас в голову не придет сказать, что человек теряет окончательно и бесповоротно свою индивидуальность, перестает быть индивидуумом, когда хирург ему вырежет червеобразный отросток или ампутирует руку или ногу. На это возразят, что в обычных известных химику условиях атом все-таки был неделим. Совершенно верно, но ведь при нормальных условиях нормальным людям хирурги операций также не делают!

В этом отношении для нас особенно ценно признание самого творца периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева - ценно потому, что он как раз был страстным противником применения принципа эволюции к химическим элементам. Он скептически относился к теории атомного распада радиоактивных элементов и, несмотря на это, вот что он писал в своих знаменитых "Основах химии": "Для нас ныне атом есть неделимое не в геометрическом, абстрактном смысле, а только в реальном физическом и химическом. А потому лучше было бы назвать атомы индивидуумами - неделимыми. Греческое атом = индивидууму латинскому по сумме и смыслу слов, но исторически этим двум словам придан разный смысл. Индивидуум механически и геометрически делим и только в определенном реальном смысле неделим.

Земля, солнце, человек, муха суть индивидуумы, хотя геометрически делимы. Так атомы современных естествоиспытателей, неделимые в физико-химическом смысле, составляют те единицы, с которыми имеют дело при рассмотрении естественных явлений вещества, подобно тому как при рассмотрении людских отношений человек есть неделимая единица, или как в астрономии единицей служат светила, планеты, звезды"... [Д. И. Менделеев. "Основы химии", стр. 164, 5-е издание 1889 г.] А к этому можно добавить, что первые атомисты, поставившие атомную теорию на строго научную почву, как раз пытались найти, хотя бы только внешнюю - только числовую, связь между атомными весами, чтобы тем самым подтвердить гипотезу Виллиама Проута о возможном происхождении всех элементов из водорода; как мы видели после опытов Астона, эта гипотеза становится теперь через сто лет весьма вероятной! Таким образом не атомисты, своими смелыми мыслями забегавшие на сто лет вперед, огорчились бы, если бы могли воскреснуть в наши дни, а скорее их противники, предостерегавшие их от смелых гипотез и своей осторожностью создававшие догматы вроде абсолютной неделимости атома, и не давшие науке ничего, кроме тормоза для творческой мысли ученого.

Переходим ко второму предрассудку: он интересен хотя бы уже и потому, что он прямо противоположен первому, что не мешает ему пользоваться одинаково широким распространением. Нам говорят, что теперь, наконец, осуществилась мечта средневековья - мечта алхимиков: элементы разложены! Говорится это часто в виде упрека. Вот вы, мол, ученые превозносите вашу науку, а что вы сделали? Только подходите к тому, над чем еще вчера смеялись, как над несбыточной мечтой. Насколько же умнее вас были те люди, которые за много столетий думали о том, о чем вы только теперь удосужились как следует подумать! Рассмотрим это обвинение со всем хладнокровием терпеливого исследователя. Говорить серьезно об исполнении желаний алхимиков может лишь тот, кто весьма скромно относится к человеческим желаниям вообще; кто не только не унывает, когда желание не исполнилось, но даже способен радоваться, когда исполнилось прямо противоположное тому, чего люди желали!

В средние века искали способа получить золото - тяжелый металл - элемент с большим атомным весом. Словом, тогда искали синтеза элементов. Современная наука открыла естественные процессы распада, а за последние два года нашла способ вызывать этот распад искусственно. На это можно возразить, что и алхимики искали предварительно составных частей металлов, из которых можно было бы путем синтеза построить золото, но они не учли одного: они не учли, что процесс распада сопровождается выделением огромных количеств энергии, которую неизбежно придется затратить на синтез, если бы даже мы и научились этому синтезу когда-нибудь. Таким образом, если даже в более или менее отдаленном будущем мы и научимся тела низкого атомного веса превращать в золото, то при этом придется затрачивать огромные количества энергии. Если мы будем расценивать эту энергию на золото же, то придется во много раз больше истратить золота, чем сколько его получится! А если бы золото удалось получить из более тяжелого элемента, то выделенные при этом огромные запасы энергии будут стоить гораздо дороже, чем полученное в конце концов золото, которое в данном случае будет служить побочным продуктом производства, если не отбросом!

Вообще сравнение младенческих исканий человечества с современной наукой крайне поучительно. Полу-ученый, полу-фантаст, сидевший в своей полутемной келье, окруженный отошедшими в область истории ретортами, мечтал о драгоценном золоте, в котором он видел верх благополучия. Он не знал, что такое энергия, не думал об ее источниках, да к чему это и было тогда? Люди работали сами или заставляли работать своих лошадей; ни фабрик, ни заводов, ни железных дорог тогда не было!

И вот для сравнения мысли Фредерика Содди - ученого, впервые увидавшего в 1903 году появление элемента гелия из другого элемента радия и подсчитавшего те огромные количества атомной энергии, которые выделяются при этом процессе. В своей книжке "Материя и энергия" [Ф. Содди, "Материя и энергия", перевод под редакцией А. Тимирязева, издание "Печатник", 1913.] он высказывает серьезные опасения, что на земном шаре в будущем не хватит топлива: запасы угля и нефти истощаются. Он предвидит, хотя и в отдаленном будущем, бедствия, а в науке, открывающей путь к атомной энергии, он видит избавление от этого бедствия. Он ставит вопрос ребром: "Или вся наша цивилизация будет разрушена, или будет разрушен атом!".

В этих словах видно, на сколько мы ушли вперед. Современного ученого - правда, это один из лучших представителей науки во всех отношениях [Содди отличается редким качеством: он без всякого стеснения говорит, что думает. Его резкая критика нынешнего английского правительства навлекла на него резкие нападки "свободной" печати в Англии.] - влечет не золото, не личное благополучие; для него в будущем его отвлеченные, чисто академические работы о строении атома связываются с самыми жизненными, самыми насущными вопросами о возможности дальнейшего существования человечества на земном шаре...

Но не будем заглядывать в будущее так далеко! Вернемся к тому, о чем у нас была речь сегодня, и зададим себе вопрос, что дало современной физике возможность добиться таких замечательных результатов? Как физик, я должен буду ответить: электронная, или, как предпочитает говорить Томсон, электрическая теория материи. В XIX столетии было установлено, что любая форма лучистой энергии, - свет, лучистое тепло, волны беспроволочного телеграфа, - представляет собой электромагнитные процессы, получающиеся в результате движения электронов - электрических зарядов в том, что мы называем материей.

В XX столетии выяснилось, что заряд атома определяет его физические и химические свойства, что нет материи без электричества и нет электричества без материи.

Но что же, кроме этого, остается во всей физике?

Я думаю, что мы только теперь начинаем понимать тот глубокий пророческий смысл, который заключался в одной шутке, сказанной великим английским физиком лордом Кельвиным уже много лет тому назад. Одну из своих бесед со студентами после лекции он закончил следующими словами: "Скажите мне, что такое электричество, и тогда я вам объясню все остальное!".

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.