Немаловажным с химической точки зрения было то, что открытие Резерфорда имело решающее значение и в том, что впервые дало нам возможность однозначно различать между атомом и молекулой. Действительно, в то время как атом имеет только одно ядро, молекула представляет собой структуру, в которой два или более ядра входят как отдельные составные части. Таким образом мы сразу узнаем причину замечательной стабильности естественных элементов в противоположность химическим соединениям. В то время как разделение и перестановка различных составных частей атома достаточны для химических замещений, мы узнали, что осуществление старой цели алхимиков, а именно превращение элементов, заключает в себе радикальное изменение самого атомного ядра. Это — взрыв ядра, свидетелями которого мы являемся при самопроизвольном распаде радиоактивных элементов. В самом деле, после выбрасывания из ядра α- или β-частицы новое атомное ядро, которое остаётся, соответствует элементу с совершенно отличными физическими и химическими свойствами. В этой связи весьма поучительно отметить следующее. Резерфорд был в состоянии доказать, что гелий, возникающий при распаде радия и впервые наблюдавшийся Рамзеем и Содди, представляет собой прямой продукт превращения испускаемых α-лучей в нейтральные атомы путём захвата двух электронов; таким образом α-частицы были отождествлены с ядрами гелия. Как всем известно, первое искусственное превращение элементов было осуществлено примерно десять лет спустя Резерфордом, когда он открыл, что прохождение α-лучей через вещество в некоторых случаях сопровождается порождением быстрых однозарядных положительных ионов, которые оказались ядрами водорода. Они испускаются из ядер бомбардируемых атомов; этот процесс приводит к образованию новых ядер, состоящих из остатков исходных ядер, с которыми могут соединяться в некоторых случаях налетающие α-частицы.

В конце этой лекции мы обсудим перспективы, вытекающие из этих последних достижений, которые открыли новую эпоху в науке. Однако, чтобы не отклоняться от нашей темы, мы вернёмся к тому времени, когда формировались основные идеи электрического строения атома. Для каждого, кто подобно мне имел счастье посещать физические лаборатории в Кембридже и Манчестере примерно двадцать лет назад и работать под вдохновляющим руководством крупнейших учёных, останется незабываемым то, что мы почти каждый день были свидетелями открытия до того времени неизвестных свойств природы. Я помню, как если бы это было вчера, с каким энтузиазмом новые перспективы всей физической и химической науки, открывавшиеся в результате установления существования атомного ядра, обсуждались весной 1912 г. среди учеников Резерфорда. Прежде всего мы отдавали себе отчёт в том, что локализация положительного электрического заряда атома в области практически бесконечно малых размеров делает возможным сильное упрощение классификации свойств материи. Действительно, она позволяла сделать далеко идущее различие между такими свойствами атомов, которые полностью определяются зарядом и массой его ядра, и свойствами, которые зависят непосредственно от его внутреннего строения. Типичным свойством этого последнего класса является радиоактивность, которая согласно всем экспериментальным данным не зависит от физических и химических условий. С другой стороны, обычные физические и химические свойства материи зависят, в первую очередь, от полного заряда и массы атома, так же как и от конфигурации электронной оболочки, окружающей ядро, которая ответственна за реакцию атома на внешние воздействия. Кроме того, следует ожидать, что для изолированного атома эта электронная конфигурация должна почти полностью зависеть от заряда ядра и очень мало от его массы; при этом масса ядра так велика по сравнению с массой электрона, что движением ядра по сравнению с движением электронов в первом приближении можно пренебречь. Эти простые выводы из ядерной модели атома действительно дают немедленное объяснение того факта, что два элемента с различным атомным весом и с совершенно различными радиоактивными свойствами могут быть настолько похожими в отношении других свойств, что их невозможно разделить химическими методами.

Первое доказательство этого было получено несколько лет назад благодаря открытию Болтвудом иония ¹, который химическим путём невозможно отделить от тория и который обладает оптическим спектром, неотличимым от спектра тория, как было показано в то же самое время экспериментами Рессела и Росси в лаборатории Резерфорда. Такие два элемента, которые, очевидно, имеют одинаковые заряды ядер, занимают одну и ту же клетку периодической таблицы и называются изотопами по предложению Содди, благодаря обширным исследованиям которого химических свойств радиоактивных элементов в предшествующие годы было понято общее значение явления изотопии. Тесная связь между периодической таблицей и зарядом ядра, о которой мы скоро будем говорить, вела к дальнейшим перспективам относительно связи между радиоактивностью и химическими свойствами, которая была подтверждена исследованиями Хевеши и Рессела в Манчестере. Полное согласование экспериментального материала в этой области было вскоре получено, как известно, в формулировке так называемого закона смещения, согласно которому α-распад сопровождается переходом элемента в клетку периодической таблицы с номером на две единицы меньшим, а β-распад — переходом в клетку с номером на единицу больше. В соответствии с этим законом особенно поучительный случай изотопии имеет место для двух членов радиоактивного семейства, между которыми осуществляется одно превращение с испусканием α-частицы и два — с испусканием β-частицы. В самом деле, равенство зарядов ядер двух таких элементов следует сразу, если учесть, что в таком тройном процессе ядро теряет два отрицательно заряженных электрона и α-частицу с двойным положительным зарядом. Это подтверждение рассматриваемых воззрений тем более интересно, поскольку окончательное установление общего закона смещения Фаянса и Содди в 1913 г. было совершенно независимым от развития обсуждавшихся здесь идей строения атома. Как мы теперь знаем из остроумного усовершенствования Астоном анализа ионных лучей, предложенного Томсоном, существование изотопов не ограничивается радиоактивными элементами; почти все обычные химические элементы представляют собой смесь изотопов с различными атомными массами. Таким образом, обычные атомные веса есть средние значения, имеющие второстепенное значение по сравнению с обычными химическими свойствами. Кроме того, открытие Астона, заключающееся в том, что все массы атомов очень близки к целым кратным массы атома водорода, сделало ясным, что ядро любого атома построено из электронов и ядер водорода. В самом деле, мы нашли здесь интересное возрождение идей Праута, которые сто лет назад вызвали так много дискуссий среди химиков.

¹ Изотоп тория с массовым числом 230. — Прим. ред.

Осознание того, что электрон и ядро атома водорода, названное «протоном», образуют исходные единицы атомной структуры, открывает перед нами перспективу чисто электрической природы материи. До сих пор, как мы видели, интерпретация основной массы физических и химических опытных данных не зависела от проблемы внутреннего строения атомных ядер, имеющей специфические стороны, которые будут обсуждаться ниже. При этой интерпретации ядро достаточно рассматривать как заряженную материальную точку; и мы касались только проблемы конфигурации внеядерных электронов, число которых в нейтральном атоме, конечно, определяется зарядом ядра. Так, первый элемент в периодической таблице, а именно водород, содержит один электрон в атоме, а второй элемент, гелий, содержит два внеядерных электрона. Поэтому из общих идей Томсона относительно соотношения между числом электронов и периодической таблицей было неизбежным обобщение, состоящее в том, что для любого элемента число внеядерных электронов в нейтральном атоме определяется целым числом, так называемым атомным номером, который определяет положение элемента в периодической таблице, часто называемой «естественной системой элементов». Эта точка зрения находилась в очевидном соответствии с законом радиоактивного смещения и согласовалась в пределах экспериментальных ошибок с первоначальной резерфордовской оценкой заряда ядра, полученной из измерений Гейгера и Мерсдена рассеяния α-лучей. Затем это было непосредственно подтверждено более точными измерениями Чэдвика этого рассеяния, так же как и обновлёнными исследованиями рассеяния рентгеновских лучей в веществе, интерпретируемого на основе знаменитой формулы Томсона. Экспериментальное доказательство этого фундаментального пункта получило необычайно сильное подтверждение главным образом благодаря блестящим исследованиям Мозли характеристических рентгеновских спектров элементов. Резюмируя, мы можем сказать, что в отношении согласования всех обычных свойств вещества резерфордовская модель атома поставила перед нами задачу, напоминающую старую мечту философов: свести интерпретацию законов природы к рассмотрению только чисел.