Новая физика вторгалась и в границы старой химии. По гипотезе Бора каждый атом имел на своих орбитах количество электронов, соответствующее порядковому номеру элемента в периодической системе. Планетарная модель позволила разделить физические и химические свойства и определить, какая часть атома за какие из них ответственна.
Сам Бор, рассматривая структуру периодической системы, опирался в своих выводах на простые свойства элементов, которые проявлялись в оптических и рентгеновских спектрах атомов. Электроны экранировали электрический заряд ядра, и потому многие свойства атомов — химические, электрические, магнитные и оптические — в основном зависели от внешних электронов. И только в случае очень сильного воздействия на атом в игру вступали связанные внутренние электроны.
Представьте себе, что за счет столкновения с быстро летящим электроном мы сообщили атому вещества достаточную энергию. (Именно так это происходит, например, в рентгеновских трубках.) При этом нам удалось выбить один из внутренних его электронов с какой-то из ближайших к ядру орбит. Понятно, что в таком возбужденном состоянии атом останется недолго. Электрон соседней орбиты тут же перескочит и займет освободившееся место, где его энергия будет меньше. Мы с вами помним, что для приобретения наибольшей устойчивости любая система в природе стремится занять такое положение, чтобы запас ее энергии был наименьшим.
Избыток своей энергии электрон выбросит в виде кванта рентгеновских лучей. На освободившееся место снова перейдет электрон со следующей орбиты, также излучив излишек энергии, и так далее. А на освободившееся место во внешней орбите тут же «сядет» один из свободных электронов, которых много блуждает в окружающей среде. И таким образом, испустив серию рентгеновских квантов, атом вернется в электрически нейтральное, первоначальное состояние.
Г. Мозли — один из талантливейших учеников Резерфорда, его жизнь так рано оборвала первая мировая война
Бор предполагал, что именно рентгеновские лучи, исходящие из внутренних областей атома, могли бы дать истинный автопортрет «кирпичика вещества».
Ученик Резерфорда Мозли глубоко проникся этой идеей. Напрасно шеф отговаривал его в свое время, считая, что манчестерские физики недостаточно компетентны в области рентгеновской спектроскопии. Мозли не соглашался с шефом. А как известно, самостоятельность в своих сотрудниках громогласный профессор любил едва ли не больше всех остальных качеств.
В Оксфорде упрямому Мозли пришлось прежде всего думать над тем, какую аппаратуру нужно спроектировать для постановки задуманного эксперимента. Рассказывают, что он с головой ушел в проблему, работая днем и ночью в лаборатории. Для своего опыта он разыскал где-то длинный стеклянный цилиндр и провел по его центру рельсы от игрушечной железной дороги. На маленькие платформы он грузил образцы исследуемых элементов и возил их туда и обратно по рельсам через поток катодных лучей. Образовавшиеся при этом от образцов рентгеновские лучи падали на кристалл ферроцианида калия, который отражал их на фотографическую пластинку. Фотографии получались удивительные.
Мозли обнаружил, что чем больше атомный вес элемента, тем меньше длина волны его рентгеновских лучей. Он тут же расположил все известные элементы по мере возрастания длин волн, образующихся рентгеновскими лучами, и перенумеровал их, противопоставив каждому элементу целое число, обратно пропорциональное корню квадратному из длины волны. Получалась линейная классификация, которая в некоторых случаях отличалась от классификации Менделеева.
Вы ведь помните, что Дмитрий Иванович располагал элементы в порядке возрастания атомного веса. При этом возникали некоторые неувязки. Элементы кобальт, никель, теллур и йод, занимая свои места по порядку возрастания атомных весов, явно не соответствовали своим «сродственникам» по химическим свойствам. Но стоило их расположить по атомным номерам в клетках периодической системы, как сразу же все аномалии исчезали.
Выведенный Мозли закон позволил предсказать существование нового элемента — гафния (Z = 72) до его фактического открытия.
С этого момента значение атомного веса, которое царило в мире элементов со времен атомной теории Дальтона, начинает падать. Основой классификации становятся атомные номера, обозначаемые буквой «Z».
Прошло совсем немного времени, и ученые вообще обнаружили, что один и тот же элемент может обладать различными атомными весами. Хотя по классической атомной теории каждому из них должен быть в принципе присущ только один определенный атомный вес. Такие атомы-близнецы, занимающие одно и тоже место в периодической системе, но имеющие разные атомные веса, назвали изотопами.
Мозли убедительно связал порядковый номер каждого элемента с числом единиц заряда в положительном ядре. Ядерный заряд всегда выражался целым числом, кратным заряду электрона. Теперь это число, обозначающее количество протонов в ядре, стало называться атомным номером элемента.
Характеризуя работу Мозли, Бор писал: «Поразительная энергия Мозли и его редкий дар ставить эксперименты с четко поставленной целью обусловили быстрое продвижение его работ… В истории современной физики и химии лишь немногие события с самого начала вызывали живейший интерес, как это случилось с Мозли, когда он открыл простой закон, позволяющий однозначно приписать атомный номер элементу на основании его высокочастотного спектра. Этот закон сразу же дал не только убедительное свидетельство в пользу атомной модели Резерфорда, но вместе с тем обнаружил потрясающую интуицию Менделеева, который в определенных местах своей таблицы отошел от правильной последовательности возрастания атомных весов. В частности, сразу было очевидно, что закон Мозли является безошибочным ориентиром при поисках еще неоткрытых элементов, соответствующих вакантным местам в последовательности атомных номеров».
Мозли был исключительно талантливым человеком. Под стать таланту было и его упорство. И конечно, перед ним лежало прекрасное будущее. Но…
В 1914 году началась первая мировая война. Интернациональная лаборатория Резерфорда опустела. Уехали иностранцы. Ушли в армию молодые англичане. Многие ушли навсегда. Марсденн воевал во Франции, Чедвик попал к немцам в плен и сидел в концлагере. Мозли…
Резерфорд тяжело переживал гибель талантливого ученика. Он пытался в одиночку продолжить его работу. Ведь теперь после работ Мозли можно было считать систему химических элементов завершенной. Оставалось понять ее особенность и разрешить некоторые несообразности. Ну хотя бы такие, как несоответствие порядкового номера и заряда ядра атомному весу.
Рассказывают, что случилось это 10 августа 1915 года. Английский десант высадился на берегу бухты Сувла Галлиполийского полуострова. Пока англичане окапывались, турецкие части перешли в наступление. Засвистели пули. Связисты едва успели протянуть провод в мелкий, недорытый окоп командного пункта. «Контратаковать, контратаковать!» — надрывался полевой телефон, посылая в пустоту свои команды. Фуражка, сползшая с головы офицера связи, прикрыла маленькое отверстие в виске от турецкой пули. Офицера связи звали Генри Мозли. Ему было только двадцать семь лет, но он уже сделал для науки столько, сколько большинству не удается сделать и за срок вдвое больший.
Например, на седьмом месте в таблице Менделеева стоит азот. Заряд ядра его атома ровно в семь раз превосходит заряд ядра атома водорода. Можно предположить, что ядро атома азота составляют семь положительно заряженных частиц — протонов. Но почему же тогда атомный вес седьмого элемента равен четырнадцати? Почему у всех элементов заряд ядра атома оказывался примерно вдвое меньше, чем его атомный вес?
В 1920 году на заседании лондонского Королевского общества Резерфорд высказал предположение, что, может быть, в ядрах атомов имеются еще какие-то частицы, утяжеляющие центральные массы. По-видимому, они должны быть нейтральны электрически и обладать массами протонов…
Гениальное предвидение! Но не было рядом Мозли… А самого Резерфорда уже занимали новые идеи. Вот почему понадобилось еще более десяти лет, прежде чем нейтрон был открыт.
Выводы Мозли вдохновили Резерфорда на поиски, находящиеся несколько в стороне от основного направления. Если число протонов в ядре атома определяет, какой это элемент, то изменение их числа должно менять и сам элемент. Перспектива была слишком заманчивой, чтобы от нее отказаться. Так и веяло от нее истлевшими фолиантами старых алхимиков, мечтавших превращать одни элементы в другие. И не случайно много лет спустя назовет Резерфорд одну из своих лекций «Современная алхимия».
Обстреливая альфа-частицами атомы азота, он обнаружил, что число протонов в атомном ядре стало на один больше. Это означало, что азот превращался в кислород. Содеянное походило на чудо, и окружающие восприняли его как сенсацию. С этого момента многие работы Резерфорда посвящены вопросам искусственного превращения элементов. Тем же простым путем, обстреливая атомы других элементов частицами от радиоактивных источников, он превратил еще семнадцать элементов друг в друга.
В XX веке новые методы экспериментирования и новые физические теории атаковали «кустарную практику ранней химии» и ее качественные гипотезы. Обновленная физика рационализировала химию, стала для нее новым могучим оружием, одновременно предоставив широкое поле деятельности для теоретических упражнений.