"Природа", №2, февраль, 1915 год, стр. 179-208

Въ нѣдрахъ атома.

Проф. Н. А. Шилова ¹).

"Среди лучей, незримых нашим вэорам,
Вокруг миров вращаются миры".
Алексѣй Толстой.

Вопросъ о внутреннемъ строенiи атомовъ возник еще въ ранней стадiи развитiя химической науки — какъ только установились самыя понятiя объ атомѣ и объ элементѣ. Достаточно вспомнить о попыткѣ французскаго ученаго Пру (Proust) выразить атомные вѣса всехъ элементовъ, какъ кратное отъ атомнаго вѣса водорода. Такая попытка на первыхъ же порахъ столкнулась однако съ экспериментальными противорѣчiями и была оставлена. Тѣмъ удивительнѣе, что въ иномъ освѣщенiи съ иной точки зрѣния, но все-таки до извѣстной степени та же основная мысль находитъ себѣ отголосокъ въ современныхъ теорiяхъ: не только во времена Пру (ум. в 1826 г.), но и значительно позднѣе наука не была, очевидно, подготовлена къ вопросу о внутреннемъ строенiи атома, такъ какъ не было экспериментальныхъ данныхъ, которыя могли бы дать хотя бы отдаленныя указанiя на возможность существованiя болѣе тонкой матерiи, чемъ сами атомы, и не было ни малѣйшаго намека на какую-нибудь болѣе простую "prima materia". На серьезную научную почву вопросъ о природѣ матерiи былъ поставленъ, какъ извѣстно, изученiемъ электрическаго разряда в газах и разработкой теорiи электроновъ. Нѣтъ возможности излагать подробно исторiю всего вопроса, a потому я ограничусь лишь самымъ краткимъ упоминанiем главнѣйшихъ положенiй, принятыхъ в настоящее время.

Электронъ признается свободнымъ отрицательнымъ зарядомъ: этотъ зарядъ равенъ 4.78 × 10^—10 электростатическихъ единицъ — величина весьма малая, такъ какъ для переноса электричества, отвѣчающаго одному кулону, т.-е. одному амперу в теченiе одной секунды, нужно более 10²⁰ (200 трилiоновъ электроновъ). Масса электрона не имѣетъ постоянной величины и зависитъ отъ скорости его движенiя; это заставляетъ думать, что масса электрона есть только кажущееся наше воспрiятiе, лишь внѣшнее проявленiе электромагнитной его природы, т.-е., въ концѣ концовъ, электрон не матерiаленъ въ обычномъ смыслѣ этого слова. Однако, въ среднемъ можно принять кажущуюся массу электрона равной приблизительно 1/1800-ой долѣ водороднаго атома, т.-е. около 0.8 × 10^—27 грамма. Дiаметръ электрона измѣряется десяти билiонной долею сантиметра (10^—13 см. ). Электронъ можетъ быть свободнымъ или связаннымъ какъ съ отдѣльными атомами, такъ и со сложными молекулами различныхъ веществъ, которыя тогда оказываются заряженными отрицательнымъ электричествомъ. Напротивъ, теряя электроны, атомы и молекулы вмѣстѣ съ темъ теряютъ отрицательные заряды и заряжаются при этомъ положительно. Заряженные атомы и молекулы, такъ называемые, "iоны", а также и сами свободные электроны, перемѣщаясь въ пространствѣ, переносятъ и связанные съ ними заряды, обусловливая электропроводность среды и вызывая въ ней электрическiй токъ. Скорость передвиженiя iоновъ зависитъ при этомъ отъ условiй среды и характера самихъ iоновъ и колеблется въ очень широкихъ предѣлахъ: в жидкостяхъ скорость передвиженiя iоновъ измѣряется тысячными или даже десятитысячными долями сантиметра въ секунду; въ газахъ при обыкновенном давленiи и температурѣ iоны передвигаются со скоростью 3-хъ сантиметровъ въ секунду, но эта скорость значительно возрастаетъ при повышенiи температуры, достигая 60-ти сантиметровъ въ секунду для положительнаго iона (заряженнаго атома или молекулы) и 10-ти метровъ въ секунду для отрицательнаго свободнаго электрона. Наконецъ, при достаточномъ пониженiи давленiя газа въ разрядныхъ трубкахъ начинается свободный полетъ какъ заряженныхъ атомовъ и частицъ — лучи положительнаго электричества и анодные лучи, такъ и свободныхъ электроновъ — катодные лучи. Скорость первыхъ въ крайнихъ случаяхъ достигаетъ 10⁷ сант. въ секунду; что же касается катодныхъ лучей, то въ настоящее время для нихъ извѣстны скорости начиная от 5000 до 100000 километровъ въ секунду ²), въ зависимости отъ разрѣженiя газа въ трубкѣ, отъ напряженiя электричества на электродахъ и вообще отъ условiя возникновенiя лучей.

Кромѣ искусственно вызываемыхъ катодныхъ лучей, извѣстны, кроме того, β-лучи радiоактивныхъ веществъ, которые представляютъ собою также свободный полетъ электроновъ, несущихся въ пространствѣ съ колоссальной скоростью, превышающей въ нѣкоторыхъ случаяхъ ⁹/₁₀ скорости свѣтовой волны (300000 километровъ въ секунду).

Электронная теорiя, разработанная главнымъ образомъ Лоренцомъ, даетъ возможность обяснить не только электропроводность различныхъ средъ, но также явленiя тепловыя и свѣтовыя, которыя сводятся также частью къ свободному движенiю электроновъ, частью къ колебанiямъ ихъ около положенiя равновесiя, когда они при этомъ остаются связанными съ атомами или молекулами вещества. Принимая принципiально возможность движенiя и колебанiя электроновъ, болѣе или менѣе тѣсно связанныхъ съ атомами и молекулами, этимъ самымъ электронная теорiя признаетъ уже, очевидно, электронъ за составную часть матерiи. Поэтому понятно, что должны были возникнуть и дѣйствительно возникли попытки построенiя атомовъ изъ отдѣльныхъ электроновъ. Первыя попытки такихъ теорiй предполагали, что нейтральные атомы состоятъ изъ равнаго числа положительныхъ и отрицательныхъ электроновъ, при чемъ число тѣхъ и другихъ въ одномъ атомѣ должно быть очень велико: атомъ водорода долженъ содержать около 900 паръ, атомъ натрiя до 20.000 паръ, а атомъ ртути до 180.000 паръ электроновъ.

Таблица 1.

1	2	3	4	5	одно кольцо электроновъ въ атомѣ.
1	2	3	4	5	общее число электроновъ въ атомѣ.
1	1	1	1	2	3	3	3	4	5	5	внутреннiя кольца							по 2 кольца электроновъ въ атомѣ.
5	6	7	8	8	8	9	10	10	10	11	внѣшнiя кольца
6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	общее число электроновъ.
1	1	1	1	1	2	2	3	3	3	4	4	5	5	5	по 3 кольца электроновъ.
5	6	7	7	8	8	8	8	9	10	10	10	10	10	11
11	11	11	12	12	12	13	13	13	13	13	14	14	15	15
17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	общее число электроновъ.
1	1	1	1	1	1	2	2	3	3	3	3	4	4	5	5	5	по 4 кольца электроновъ.
5	6	7	7	7	8	8	8	8	9	9	10	10	10	10	10	11
11	11	11	11	12	12	12	13	13	13	13	13	13	14	14	15	15
15	15	15	16	16	16	16	16	16	16	17	17	17	17	17	17	17
32	33	34	35	36	37	38	39	40	41	42	43	44	45	46	47	48	общее число электроновъ.
1	1	1	1	1	1	1	1	2	2	2	3	3	3	3	4	4	5	5	5	5	по 5 колецъ электроновъ.
5	5	6	7	7	7	7	8	8	8	8	8	9	9	10	10	10	10	10	10	11
11	11	11	11	11	12	12	12	12	13	13	13	13	13	13	13	14	14	15	15	15
15	15	15	15	16	16	16	16	16	16	16	16	16	17	17	17	17	17	17	17	17
17	18	18	18	18	18	19	19	19	19	20	20	20	20	20	20	20	20	20	21	21
49	50	51	52	53	54	55	56	57	58	59	60	61	62	63	64	65	66	67	68	69	общее число электроновъ.
1	1	1	1	1	1	1	1	1	2	2	2	3	3	3	3	3	4	4	5	5	5	5	5	по 6 колецъ электроновъ.
5	5	6	7	7	7	7	8	8	8	8	8	8	9	9	10	10	10	10	10	10	10	11	11
11	11	11	11	11	12	12	12	12	12	13	13	13	13	13	13	13	13	14	14	15	15	15	15
15	15	15	15	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	17	17	17	17	17	17	17	17	17	17
17	18	18	18	18	18	19	19	19	19	19	20	20	20	20	20	20	20	20	20	20	21	21	21
21	21	21	21	21	21	21	21	22	22	22	22	22	22	22	22	23	23	23	23	23	23	23	24
70	71	72	73	74	75	76	77	78	79	80	81	82	83	84	85	86	87	88	89	90	91	92	93	общее число электрон.

Такая модель атома встрѣтилась, однако, съ серьезнымъ возраженiемъ: положительный электронъ упорно ускользалъ отъ поисковъ самыхъ опытныхъ экспериментаторовъ. Дж. Дж. Томсонъ, изучившiй лучи положительнаго электричества, въ концѣ-концовъ пришелъ къ выводу, что положительное электричество всегда остается связаннымъ съ матерiей и наименьшимъ количествомъ ея, способнымъ нести одинъ положительный зарядъ, является одинъ атомъ водорода. Этотъ выводъ привелъ къ новой модели атома, разработанной самимъ Томсономъ и его школой. По гипотезѣ Томсона атомъ представляетъ собой положительное электрическое поле, въ которомъ располагаются отрицательные электроны ³).

Новѣйшiя работы приводятъ къ заключенiю, что число такихъ электроновъ, вообще говоря, не очень велико, и они располагаются одною или нѣсколькими концентрическими сферами или же кольцами въ одной плоскости. Общiй объемъ, занимаемый самими электронами, ничтоженъ по сравненiю съ объемомъ всего атома, ибо отдѣльный электронъ въ 10¹² меньше объема одного атома водорода. Расположенiе электроновъ внутри атома должно подчиняться опредѣленной законности, ибо и вычисленiя на основанiи электродинамики и непосредственный опытъ изученiя расположенiя отдѣльных малых магнитовъ въ полѣ электромагнитныхъ силъ, согласно показываютъ, что только опредѣленныя конфигурацiи и группировки оказываются устойчивыми въ зависимости отъ общаго числа магнитовъ и отъ условiй поля. Приведенная ниже таблица 1-ая заимствована изъ работы Кригора, въ ней даны вычисленныя авторомъ устойчивыя расположенiя для системъ, состоящихъ отъ одного до 93 электроновъ, причемъ оказывается, что каждому общему числу электроновъ отвѣчаетъ опредѣленное число колецъ съ опредѣленнымъ же числомъ электроновъ въ каждомъ. Число электроновъ во внутреннихъ кольцахъ и общiй характеръ группировки, какъ видно изъ таблицы, повторяется для различнаго общаго числа электроновъ. Так, для общаго числа въ 3, 11, 24, 40, 60 и 82 электроновъ оказываются устойчивыми слѣдующiя конфигурацiи:

						число колецъ электроновъ.
3.						1
3.	8.					2
3.	8.	13.				3
3.	8.	13.	16.			4
3.	8.	13.	16.	20.		5
3.	8.	13.	16.	20.	22.	6

Такая правильность какъ нельзя лучше гармонируетъ съ закономъ перiодичности свойствъ элементовъ въ зависимости отъ ихъ атомнаго вѣса, при чемъ, по схемѣ Кригора, конфигурацiя внутреннихъ колецъ опредѣляетъ собой общiй характеръ и родственную связь элементовъ.

Что касается внѣшнихъ колецъ, то по модели Томсона они являются выразителями физическихъ и химическихъ явленiй. Всякое колебательное движенiе электроновъ, а также единичное возвращенiе его въ положенiе равновѣсiя, если онъ былъ выведенъ изъ этого положенiя внешнею силою, служитъ причиной возникновенiя колебанiй эѳира, которыя распространяются въ окружающемъ пространствѣ въ видѣ свѣтовыхъ или тепловыхъ волнъ. Внѣшнее кольцо электроновъ служитъ, кромѣ того, очагомъ химическихъ и электрохимическихъ процессовъ, и всякое отдѣленiе отъ него или присоединенiе къ нему электрона превращаетъ нейтральный атомъ въ положительно или отрицательно заряженный iонъ. Такiе противоположно заряженные iоны не только способны переносить электрическiе заряды, двигаясь въ зависимости отъ направленiя тока, но способны соединяться другъ съ другомъ, образуя нейтральныя сложныя молекулы. Такимъ образомъ из атомовъ, входящихъ въ составъ сложныхъ химическихъ соединенiй, одни должны быть склонны терять, другiе, напротивъ, — присоединять электроны къ своимъ внѣшнимъ кольцамъ. Потеря электроновъ должна быть свойственна преимущественно атомамъ металловъ, несущимъ обыкновенно положительные заряды, присоединенiе же лишнихъ электроновъ — атомамъ металлоидовъ, несущимъ въ обыкновенныхъ условiяхъ отрицательные заряды.

Какъ видно изъ этого бѣглаго очерка, самой существенной чертой атомной модели Томсона является то положенiе, что материальная масса атома и его положительный заряд не сосредоточены въ какомъ-нибудь опредѣленномъ участкѣ системы, но въ видѣ электрическаго поля занимаютъ весь объемъ атома, т.-е. сферу съ линейными размѣрами в 10^—8 сант.

Именно этотъ пунктъ и встрѣчается съ серьезнымъ экспериментальнымъ противорѣчiемъ въ области радiологiи. Рэтерфордъ и его ученики, изучая прохожденiе альфа-лучей черезъ матерiю, наблюдали разсѣянiе альфа-частицъ (т.-е. летящихъ атомовъ гелiя, несущихъ два положительныхъ заряда, иными словами, атомовъ гелiя, лишенныхъ двухъ своихъ отрицательныхъ электроновъ) при ихъ столкновенiи съ атомами вещества. При этомъ для нѣкоторыхъ альфа-частицъ наблюдается рѣзкое отклоненiе ихъ отъ прямолинейнаго пути. Такое отклоненiе было зафиксировано фотографически сначала методомъ Уильсона, а позднѣе Макауэромъ и Уольмслеемъ ⁴), оно наблюдалось и непосредственно при помощи методовъ, допускающихъ точный учетъ (Марсденъ и Гейгеръ). Что касается теорiи самого явленiя и причины отклоненiя альфа-частицъ отъ своего первоначальнаго пути, то таковое можно представить себѣ, конечно, и при столкновенiи съ атомомъ, отвѣчающимъ модели Томсона, но тогда это отклоненiе должно явиться результатомъ цѣлаго ряда послѣдовательныхъ ударовъ объ отдѣльные электроны, находящiеся внутри атома, ибо масса каждаго изъ электроновъ слишком мала по сравненiю съ массой альфа-частицы для того, чтобы сразу отклонить ее отъ ея пути. Между тѣмъ теоретическое вычисленiе даетъ весьма малую вѣроятность повторныхъ столкновенiй такого рода, а слѣдовательно, и число рѣзко отклоненныхъ альфа-частицъ должно было бы быть чрезвычайно мало. А между темъ непосредственное наблюденiе показываетъ, что одна из 8000 частицъ отклоняется на уголъ болѣе прямого, и что нѣкоторое, хотя и малое, число α-частицъ отклоняется даже настолько, что возвращается въ сторону источника альфа-лучей. Разсказывая на одной изъ своихъ лекцiй объ этомъ наблюденiи, Рэтерфордъ говоритъ, что онъ настолько же былъ имъ пораженъ, какъ если бы, стрѣляя въ картонный кругъ, заметилъ бы, что нѣкоторыя пули отскакиваютъ отъ мишени и возвращаются обратно къ стрѣляющему. Тяжелое каменное ядро не можетъ отлетѣть отъ легкаго биллiарднаго шара, но неизбѣжно отскочитъ при ударѣ въ еще болѣе тяжелое чугунное ядро. Именно такого рода соображенiя заставили Рэтерфорда предположить, что масса атома, хотя бы и электромагнитная, должна быть сосредоточена въ центрѣ и образовать его ядро, при столкновенiи съ которымъ α-частица рѣзко измѣняетъ свой путь ⁵). Чтобы довершить картину строенiя атома, надо представить себѣ, что вокругъ этого ядра вращаются свободные электроны, и такъ какъ эти послѣднiе суть отрицательные заряды, то очевидно, чтобы атомъ могъ быть нейтральным, ядро его должно быть заряжено положительно. Это въ свою очередь приводитъ Рэтерфорда къ гипотезѣ, что въ атомное ядро входятъ "положительные электроны". Простое вычисленiе заставляетъ далѣе Рэтерфорда предположить, что масса положительныхъ электроновъ имеетъ электромагнитную природу и что линейные размѣры ихъ не превышаютъ 10^—16 сант., т.-е. в 1800 разъ меньше размѣровъ отрицательнаго электрона.

Всякая теорiя строенiя атома должна, однако, помимо всѣхъ другихъ соображенiй, считаться съ фактомъ, о которомъ упоминалось выше, а именно с невозможностью получить положительные электроны, связанные съ меньшей массой, чемъ одинъ атомъ водорода. Изъ этого затрудненiя Рэтерфордъ нашелъ поистине колумбовскiй выходъ: онъ предположилъ, что само ядро атома водорода и представляетъ собою одинъ положительный электронъ. Въ электрически-нейтральномъ атомѣ водорода вокругъ ядра вращается одинъ отрицательный электронъ; когда же атом водорода теряетъ этотъ послѣднiй, то становится положительно заряженнымъ и образуетъ простѣйшiй положительный iон, который поэтому есть не что иное, как свободный, положительный электронъ. Такимъ образомъ, кажущаяся материальная масса положительнаго электрона равна массѣ атома водорода, ибо масса одного отрицательнаго электрона, входящаго, кромѣ того, в состав нейтральнаго атома водорода, — настолько мала, что можетъ не приниматься въ разсчетъ.

Слѣдующiй за атомомъ водорода по величине атомнаго вѣса атомъ гелiя въ 4 раза тяжелѣе водорода. Кромѣ того, извѣстно, что каждый атомъ гелiя можетъ нести два положительныхъ заряда (альфа-частицы радiоактивных веществъ). Принявъ во вниманiе и то и другое, Рэтерфордъ предполагаетъ, что ядро атома гелiя состоитъ изъ 4-хъ положительных электроновъ и, кромѣ того, содержитъ два отрицательныхъ электрона; въ суммѣ это и даетъ атомный вѣсъ, равный 4-мъ, а также зарядъ, равный 2-мъ положительнымъ единицамъ (+4 — 2 = +2). Въ такомъ видѣ ядро атома гелiя и есть свободная альфа-частица съ двумя зарядами. При образовании нейтральнаго атома гелiя изъ альфа-частицы къ этой послѣдней должны присоединиться еще два отрицательныхъ электрона, вращающихся вокругъ положительно заряженнаго ядра.

Гипотеза Рэтерфорда извѣстна подъ именемъ нуклеарной теорiи. Согласно съ нею орбиты отрицательных электроновъ располагаются вокругъ ядра концентрическими кругами въ одной плоскости, подобно кольцамъ Сатурна, и при этомъ электроны при своемъ движенiи сохраняютъ угловыя разстоянiя другъ отъ другаъ постоянными. Существенной чертой такой схемы и вмѣстѣ съ темъ ея отличiем отъ схемы Томсона является то обстоятельство, что какъ масса атома, такъ и положительный зарядъ его, предполагаются сосредоточенными въ сердцѣ атома — въ ядрѣ, которое и является центромъ силовых линiй. Такая схема оказывается необычайно сходной со строенiемъ планетной системы, при чемъ роль солнца играетъ внутреннее ядро, несущее положительные заряды, а роль планетъ — отрицательные электроны, вращающiеся вокругъ него ⁶).

По схемѣ Рэтерфорда, число положительныхъ зарядовъ внутренняго ядра, какъ видно на примѣрѣ гелiя, не есть ариѳметическая сумма положительных электроновъ, входящихъ въ его составъ, но есть алгебраическая сумма и положительныхъ и отрицательныхъ электроновъ. Въ частномъ случаѣ атома гелiя, его взаимоотношенiе съ альфа¬частицей радiоактивных веществъ даетъ косвенное указанiе на составъ его атомнаго ядра и на число зарядовъ въ немъ. Для другихъ атомовъ такихъ указанiй не существуетъ, а потому и нѣтъ критерiя, который позволялъ бы судить о внутреннемъ строенiи ядра, о числѣ зарядовъ въ немъ и, слѣдовательно, вообще о строенiи атома въ каждомъ частномъ случаѣ. Нѣкоторыя соображенiя привели, правда, Рэтерфорда къ предположенiю, что число зарядовъ ядра въ круглыхъ цифрах равно половинѣ атомнаго вѣса элементовъ, но онъ и самъ не настаиваетъ на точности своего заключенiя.

Какъ ни таинственна та область, въ которую надо проникнуть, чтобы заглянуть въ самыя нѣдра атома, какъ ни малы его размѣры по сравненiю съ тѣмъ, что подвластно нашимъ непосредственнымъ воспрiятiямъ, однако, въ настоящее время, повидимому, намѣчен уже путь, который ведетъ насъ въ глубину атома — въ его ядро. Этотъ путь указанъ новѣйшими работами въ области изучения Х-лучей. Чтобы быть понятнымъ для читателя, мнѣ придется отвлечься отъ ближайшей темы этой статьи и намѣтить, хотя бы въ самыхъ общихъ чертах, контуры техъ данныхъ, которыя добыты въ новѣйшее время въ этомъ направленiи.

Еще въ 1908 г. Бэркла и Садлер наблюдали, что вторичные X-лучи, исходящiе отъ металловъ, на которые дѣйствуютъ лучи рентгеновской трубки, характеризуются опредѣленностью и постоянствомъ своихъ признаковъ. Они были названы характеристическими Х-лучами. Впослѣдствiи Кэй нашелъ, что характеристическiе Х-лучи для различныхъ металловъ возникаютъ тогда, когда въ рентгеновской трубкѣ катодные лучи ударяются въ пластинки антикатода, сдѣланнаго изъ опредѣленныхъ металловъ, и когда, кромѣ того, полученные X-лучи пpoпускаются черезъ пластинку изъ того же металла. Получаемые въ такихъ условiяхъ пучки лучей имѣютъ особенно опредѣленные признаки, т.-е. представляютъ собой особенно чистые характеристическiе лучи. Свойства характеристическихъ лучей изучались на первыхъ порахъ исключительно на ихъ поглощенiи въ различныхъ металлахъ, при чемъ оказались законности и соотношенiя, которыхъ не удается обнаружить для обыкновенныхъ X лучей. Выяснилось, между прочимъ, с несомнѣнностью, что свойства характеристическихъ лучей зависятъ отъ свойствъ самаго атома излучающихъ веществъ, ибо для результата наблюденiя безразлично, въ какомъ химическомъ соединенiи находится тотъ металлъ, который служитъ источникомъ лучей.

Что касается вопроса о природѣ характеристическихъ лучей и о томъ, съ какимъ явленiемъ въ области свѣта можно провести здѣсь аналогiю, то этотъ вопросъ вначалѣ не могъ быть рѣшенъ съ полной ясностью, такъ какъ и сама природа X-лучей была далеко не выяснена.

В настоящее время не остается болѣе сомнѣнiй въ томъ, что X-лучи имѣютъ такую же природу, какъ и свѣтовые, т.-е что это — такiя же колебанiя эѳира, хотя они и возникаютъ въ нѣсколько иныхъ условiяхъ и отличаются числовой характеристикой своей волны. Классическiя работы Брагга ⁷) над отраженiем (диффракцiей) рентгеновских лучей въ кристаллах дали возможность не только безповоротно установить принципiальное тождество природы свѣтовых и Х-лучей, но дали также возможность опредѣлить длину волнъ Х-лучей различнаго происхожденiя. Размѣры длинъ волны Х-лучей, какъ оказалось, иэмѣряются стомиллiонными долями сантиметра (10^—8 сант.), т.-е. они въ тысячу разъ меньше длинъ свѣтовыхъ волнъ, измѣряемыхъ, какъ извѣстно, стотысячными долями сантиметра (10^-5 сант).

Черт. 1.

Примѣняя методъ Брагга, было не трудно иэмѣрить длину волны для характеристическихъ лучей различныхъ элементовъ, a это повело к выясненiю того факта, что характеристическiе лучи различнаго происхожденiя отвѣчаютъ различнымъ длинамъ волнъ, т.-е., пользуясь терминологiей, принятой для свѣтовыхъ явленiй — имѣютъ различный цвѣтъ, или окраску ⁸). Дальнѣйшiя изслѣдованiя привели, кромѣ того, къ выводу, что обычная рентгеновская трубка, примѣняемая безъ особенных предосторожностей и приспособленiй, испускаетъ цѣлую серiю, — болѣе или менѣе сплошной спектръ лучей съ различной длиной волны (въ извѣстныхъ, конечно, предѣлахъ), т.-е. даетъ своего рода "бѣлые Х-лучи". Напротивъ, характеристическiе лучи, получаемые тѣмъ или инымъ способомъ, отвѣчаютъ строго опредѣленнымъ длинамъ волнъ и потому аналогичны линейнымъ спектрамъ раскаленныхъ газовъ и паровъ. Это, впрочемъ, не означаетъ того, что каждый металлъ даетъ X-лучи съ одной только длиной волны: онъ даетъ обыкновенно нѣсколько характеристическихъ лучей, въ различныхъ частяхъ Х-спектра, но это вполнѣ аналогично съ наблюденiями надъ свѣтовыми спектрами газовъ, состоящими обыкновенно изъ цѣлаго ряда линiй въ различныхъ частяхъ видимаго спектра. На чертежѣ 1-мъ приведены схематическiя дiаграммы спектровъ характеристическихъ лучей осмiя, иридiя, платины, палладiя и родiя, при чемъ на оси абсциссъ отложены длины волнъ въ произвольномъ относительномъ масштабѣ, а на оси ординатъ — интенсивности лучей, отвѣчающихъ каждой длинѣ волны. Особенно характерны спектры палладiя и родiя, съ рѣзко очерченными линiями для длины волны в 0,576 × 10^—8 сант. у палладия и 0,603 × 10^—8 сант. у родiя. Эта рѣзкость и опредѣленность "окраски" X-лучей дѣлаетъ трубки съ палладiевымъ и родiевымъ анти-катодомъ очень удобными для опытовъ съ "монохроматическими" X-лучами, подобно тому, как соли натрiя удобны для окрашиванiя пламени при изслѣдованiях въ области свѣтовыхъ явленiй.

Какъ мы видѣли выше, характеристические лучи, имѣющiе опредѣленную "окраску", возникаютъ, между прочимъ, вторично при дѣйствiи на различныя вещества "бѣлыхъ" Х-лучей. Такому явленiю въ области свѣта вполнѣ аналогично явленiе флуоресценцiи, когда вещество подъ влiянiемъ бѣлаго свѣтового луча само становится источникомъ свѣтовыхъ лучей, но уже опредѣленной окраски. Такъ, растворы сѣрнокислаго хинина и эскулина флуоресцируютъ синимъ цвѣтомъ, т.-е. превращаютъ бѣлые лучи въ синiе, раствор флуоресцеина — желтымъ цвѣтомъ и т. д. Для характеристическихъ X-лучей остается даже въ силѣ законъ Стокса, наблюденный для флуоресцирующихъ веществъ, а именно: флуоресцирующiя вещества испускаютъ характерные для нихъ лучи только подъ влiянiемъ свѣтовыхъ колебанiй съ болѣе короткою волною. To же наблюдается и при возникновенiи характеристическихъ лучей подъ влiянiемъ первичных Х-лучей.

Однимъ изъ методовъ полученiя характеристическихъ Х-лучей, какъ экспериментально показалъ это Браггъ, является отраженiе "бѣлыхъ" Х-лучей отъ кристаллическихъ граней, что сопровождается явленiемъ диффракцiи Х-лучей въ плоскостяхъ атомовъ, изъ которыхъ построены кристаллы. Это явленiе вполнѣ аналогично явленiю диффракцiи свѣта и образованiю диффракционныхъ спектровъ. Оно аналогично также отраженiю свѣта опредѣленной окраски, т.-е. монохроматизацiи свѣтовыхъ лучей въ липмановскихъ пластинкахъ для цветной фотографiи. Въ такихъ пластинкахъ, какъ извѣстно, имѣется рядъ отражающихъ плоскостей металлическаго серебра, подобныхъ листамъ книги и расположенныхъ на опредѣленныхъ разстоянiяхъ другъ отъ друга: только лучи опредѣленной длины волны выходятъ обратно изъ этого лабиринта плоскостей, другiе же запутываются въ немъ и затухаютъ. Въ этой аналогiи, ту роль, которую для свѣтовыхъ волнъ играютъ плоскости металлическаго серебра липмановской пластинки, отстоящiя другъ отъ друга на малыя, но вполнѣ измѣримыя подъ микроскопомъ разстоянiя (10^—5 сант.), — эту роль для Х-лучей берутъ на себя плоскости самихъ атомовъ, расположенныя другъ отъ друга на разстоянiи, не превышающемъ 10^—8 сантиметра. Такое различiе въ размѣрахъ проходитъ красной нитью во всехъ аналогiяхъ, которыя мы захотѣли бы провести между лучами свѣта и Х-лучами. Можно сказать вообще, что всѣ свѣтовыя явленiя, какъ напримѣръ, избирательное поглощенiе, флуоресценцiя, диффракцiя и т. д., протекаютъ въ предѣлах молекулы и связаны со свойствами молекулъ или даже ихъ аггрегатовъ, тогда какъ характеристическiе X-лучи въ своихъ свойствахъ и проявленiяхъ, какъ говорилось выше, зависятъ исключительно отъ признаковъ самихъ атомовъ. Есть, впрочемъ, свѣтовыя явленiя, которыя также подчинены атомнымъ свойствамъ; это — спектры раскаленныхъ газовъ и паровъ. Для линiй этихъ спектровъ найдены опредѣленныя законности не только в предѣлахъ спектра одного элемента (Бальмеръ, Кайзеръ, Рунге, Ридбергъ и друг.), но также и для спектровъ родственныхъ другъ другу элементовъ (Ридбергъ, Кайзеръ, Рунге). Такъ, впрочемъ, и можно было ожидать a priori, ибо свѣтовыя волны возникаютъ при колёбанiяхъ или отклоненiяхъ отъ положенiя равновѣсiя электроновъ, входящихъ въ составъ атома. Надо, однако, сказать, что до техъ поръ, пока мы имѣемъ дѣло со спектрами видимыхъ лучей, законности в расположенiи линiй приводятъ во всякомъ случаѣ къ очень сложнымъ формуламъ и запутаннымъ выводамъ. Совсѣмъ не то для характеристическихъ Х-лучей, которые при изслѣдованiи ихъ спектровъ даютъ чрезвычайно простой и ясный результатъ. Таковы именно выводы работъ Мозелэя и Дарвина.

Эти изслѣдователи измѣрили длины волнъ характеристическихъ Х-лучей для цѣлаго ряда элементовъ и сравнили полученные спектры. Оказалось, какъ это впрочемъ было извѣстно и раньше, что каждый элементъ даетъ линiи въ различных частяхъ спектра, свойственнаго вообще Х-лучамъ. Но если сравнивать линiи въ соотвѣтствующихъ частяхъ спектровъ для разныхъ элементовъ, то корни квадратные отъ числа колебанiй ⁹) въ единицу времени оказываются прямо пропорцiональны простымъ числамъ, выражающимъ расположенiе элементовъ по порядку величинъ ихъ атомнаго вѣса. На чертежѣ 2-мъ дана дiаграмма, заимствованная изъ работы Мозелэя. Въ ней на оси абсциссъ отложены корни квадратные отъ числа колебанiй, a на оси ординатъ — простыя числа, указывающiя порядокъ расположенiя изслѣдованныхъ авторомъ элементовъ по величинѣ атомнаго вѣса отъ алюминiя до золота; зависимость того и другого числа выражается для различныхъ серiй спектральныхъ линiй въ видѣ прямыхъ, т.-е. указываетъ на простую пропорцiональность обѣихъ величинъ. Для сравненiя въ таблицѣ 2-ой приведена перiодическая система, при чемъ для каждаго элемента указано порядковое число, ему отвѣчающее. Какъ видно, числа въ дiаграммѣ совпадаютъ безъ какихъ бы то ни было натяжекъ съ обычнымъ расположенiемъ элементовъ въ перiодической системѣ. Мѣста, которыя Мозелэю приходится оставить пустыми въ 7-ой группѣ (43-ье, 75-ое и 85-ое) и въ первой (87-ое), суть тѣ самыя мѣста перiодической системы, которыя признаются и всегда признавались вакантными на основанiи всей совокупности извѣстныхъ намъ фактовъ. Есть, кромѣ того, нѣкоторыя сомнѣнiя въ расположенiи рѣдкихъ земель, но ихъ атомные вѣса нельзя еще считать окончательно установленными. Зато чрезвычайно важно и интересно отмѣтить, что послѣдовательность, къ которой приходитъ Мозелэй, болѣе точно совпадаетъ съ идеей перiодическаго закона, чѣмъ даже само расположенiе по величинѣ атомнаго вѣса: при расположенiи на основанiи наблюденiй Мозелэя исчезаютъ тѣ отклоненiя, которыя наблюдаются въ перiодической системѣ для теллура и iода, a также для кобальта и никкеля (см. первую часть этой статьи въ "Природѣ" за октябрь 1914 года, стр. 1154). Расположенiе этихъ элементов по порядку и въ послѣдовательности ихъ атомныхъ чиселъ по Мозелэю согласуется съ ихъ общими свойствами и родствомъ съ другими элементами: теллур становится передъ iодомъ и кобальтъ — передъ никкелем, тогда какъ расположенiе по величинѣ атомнаго вѣса должно дать обратную послѣдовательность, противорѣчащую логикѣ перiодическаго закона.

Черт. 2. На оси абцисс — квадратные корни перiодовъ колебанiй въ секунду, дѣленные на 10⁸. Наверху указаны длины волнъ въ сантиметрахъ, умноженные на 10⁸.
(увеличенное изображение)

Итакъ, порядковое число добытое на основанiи изученiя спектральных линiй Х-лучей, даетъ точную характеристику атома, пожалуй, болѣе точную, чемъ даже атомный вѣсъ элемента. Что же выражает собой это таинственное число? Очевидно, "нѣчто" нарастаетъ цѣлыми единицами от элемента къ элементу, въ общихъ чертахъ возрастая параллельно съ увеличенiемъ атомнаго вѣса. Это "нѣчто" не можетъ быть отвлеченнымъ понятiемъ и должно имѣть опредѣленный физическiй и конкретный смыслъ. Но какой именно? Мы стоимъ здѣсь передъ загадкой. Если открытiе Мозелэя есть экспериментальное достоянiе, которому суждено подтвердиться, то всѣ дальнѣйшiя теорiи о строенiи атомовъ должны считаться съ его данными. Но сами по себѣ числа Мозелэя только направляютъ научную мысль и даютъ ей опредѣленныя рамки, не рѣшая вопроса по существу. Ибо не достаточно выразить явленiе числомъ и опредѣлить его количественно, — надо понять его сущность и уяснить его себѣ качественно, а для этого необходима та или другая гипотеза. Передъ числами Мозелэя мы стоимъ въ томъ же положенiи, какъ Дальтонъ стоялъ нѣкогда передъ найденными имъ стехiометрическими числами, выражающими соединительные вѣса элементовъ. Числа эти даны были непосредственнымъ опытомъ и (не говоря о неточностяхъ и ошибкахъ опредѣленiй) были внѣ зависимости отъ какихъ бы то ни было теорiй и гипотезъ; напротивъ того, съ ними должна была считаться нарождающаяся въ тѣ времена научная атомистическая теорiя. Въ концѣ концовъ она и пришла к стехiометрическимъ числамъ (эквивалентамъ) и находится теперь въ строгомъ согласiи съ ними, но это слiянiе совершилось не сразу, и, какъ извѣстно, долгое время было неясно взаимоотношенiе эквивалентныхъ и атомных вѣсовъ элементовъ. To же можно сказать въ настоящiй моментъ и объ открытiи Мозелэя. Мы видимъ его числовыя данныя, сознаемъ ихъ важность, но пройдетъ, можетъ быть, немало времени, пока удастся уяснить себѣ внутреннiй ихъ смыслъ.

Таблица 2.

(увеличенное изображение)

Первая рабочая гипотеза въ этомъ направленiи была высказана самимъ Мозелэем и поддержана школой Рэтерфорда. Можно, конечно, не соглашаться съ нею, не подвергая сомнѣнiю экспериментальныхъ данныхъ Мозелэя, но гипотеза эта настолько остроумна, что во всякомъ случаѣ заслуживаетъ вниманiя. Какъ выше было упомянуто, Рэтерфорд высказалъ предположенiе, что алгебраическая сумма зарядовъ или, вообще говоря, число положительныхъ зарядовъ ядра равно приблизительно половинѣ атомнаго вѣса элемента. He трудно видѣть, что, по крайней мѣрѣ для легкихъ элементовъ, порядковыя атомныя числа Мозелэя (въ дальнѣйшемъ изложенiи мы будемъ называть ихъ просто атомными числами) очень близки къ числамъ, выражающимъ половины атомныхъ вѣсовъ. Это и привело Мозелея къ мысли считать полученныя имъ числа за алгебраическую сумму зарядовъ атомнаго ядра или, что то же, за число его положительных зарядовъ. Это число опредѣляетъ собою также и сумму отрицательных электроновъ, вращающихся вокругъ ядра, ибо въ нейтральномъ атомѣ суммы положительныхъ и отрицательныхъ зарядовъ должны быть равны.

Вернемся теперь к нуклеарной теорiи атома.

Подобно тому какъ въ модели Томсона, и въ модели Рэтерфорда каждое явленiе, протекающее съ участiем атома, должно сопровождаться тѣми или другими хотя бы преходящими измѣненiями либо въ кольцахъ электроновъ, либо въ самомъ ядрѣ. Измѣненiя во внѣшних кольцахъ электроновъ должны вызывать всѣ внѣшния и грубо материальныя явленiя до химическихъ реакцiй и свѣтовыхъ колебанiй включительно. Внутреннiя кольца электроновъ служатъ, повидимому, мѣстомъ зарожденiя Х-лучей, при чемъ близость этихъ колецъ къ атомному ядру и обусловливаетъ болѣе простую зависимость свойствъ Х-лучей отъ свойствъ ядра. Наконецъ, въ самомъ ядрѣ протекаютъ, очевидно, тѣ радiоактивныя явленiя, при которыхъ перестраивается весь атомъ и изъ него выбрасываются потоки α и β-частицъ ¹⁰).

Если серьезно говорить о модели Рэтерфорда, то необходимо прежде всего выяснить вопросъ, насколько предполагаемая имъ система является вообще устойчивой и жизнеспособной. Боръ сдѣлалъ первую попытку подойти къ выясненiю этого вопроса съ точки зрѣнiя электродинамики. Надо сказать, что въ отличiе отъ модели Томсона система, подобная модели Рэтерфорда, не можетъ находиться въ устойчивомъ равновѣсiи въ состоянiи покоя, — она можетъ быть въ равновѣсiи лишь при условiи опредѣленной скорости вращенiя электроновъ вокругъ ядра; въ этомъ отношенiи она сходна, какъ указано было выше, съ планетной системой, a также съ гироскопомъ или обыкновеннымъ волчкомъ, когда они вертятся. Пользуясь вполнѣ вѣроятными исходными положенiями, Боръ пробовал вычислить, какiя конфигурацiи и вообще какiя условiя системы окажутся наиболѣе устойчивыми для различнаго числа электроновъ въ атомѣ, т.-е. на сколько колецъ и по скольку въ каждомъ распредѣлятся электроны, а также какова будетъ ихъ скорость вращенiя при условiи длительнаго равновѣсiя. Классическая электродинамика не даетъ, однако, возможности вполнѣ уяснить всѣ относящiеся сюда вопросы. Такъ напримѣръ, электроны должны были бы постепенно приближаться къ ядру, двигаясь по спирали, и въ концѣ концовъ при приближенiи ихъ дальше извѣстнаго предѣла равновѣсiе должно было бы нарушиться, это требованiе теорiи не оправдывается на дѣлѣ, но ведь то же можно сказать о любой планетѣ въ ея движенiи вокругъ солнца. Далѣе, при попыткахъ вычисленiя линiй видимаго спектра, надо сказать иногда весьма удовлетворительныхъ, Боръ принужденъ признать, что источниками свѣтовыхъ волнъ являются не непрерывныя колебанiя электроновъ, но единичныя возвращеiя ихъ къ обычной ихъ орбитѣ и обычной ихъ скорости послѣ отклоненiя отъ той или другой подъ дѣйствиемъ внѣшней силы. Отсюда вытекаетъ, что свѣтъ долженъ возникать толчками, а не непрерывными излученiями, т.-е. Боръ приходитъ къ теорiи Планка и другихъ авторовъ, предполагающихъ на основанiи иныхъ соображенiй, что распространенiе свѣта совершается опредѣленными недѣлимыми количествами — "квантами". Къ тому же выводу приходитъ, впрочемъ, и Томсонъ, пользуясь своей моделью атома (см. сноску на стр. 183). Такимъ образомъ модели атомовъ какъ Томсона, такъ и Бора одинаково приводятъ къ заключенiю, что существованiе "квант" и прерывистость свѣтовыхъ волнъ не есть слѣдствiе структуры эѳира, передающаго свѣтъ, но слѣдствiе структуры и свойствъ самихъ атомов, его излучающихъ.

Попытка Бора опредѣлить данныя для атомныхъ системъ по Рэтерфорду касается лишь наиболѣе легкихъ атомовъ, но зато для нихъ вычислено много интересныхъ деталей: опредѣлены не только дiаметры орбитъ электроновъ, но и перiодовъ ихъ обращенiя вокругъ ядра. Такъ, напримѣръ, внутреннiя орбиты электроновъ вычислены равными въ среднемъ десяти миллиардным долямъ сантиметра (10^-10 см.), наружныя же орбиты, какъ и самъ атомъ, — стомиллiоннымъ долямъ (10^-8 сант.) Перiодъ обращенiя электрона вокругъ ядра водорода опредѣляется числомъ (6,2 × 10¹⁵ оборотовъ въ секунду, т.-е. 6 тысяч биллiонов). Для электронов гелiя орбита меньше, а число оборотовъ больше ¹¹).

Вычисленiя условiй устойчивости системъ для различнаго числа зарядовъ въ ядрѣ и, слѣдовательно, для различнаго числа свободныхъ электроновъ, вращающихся вокругъ этого ядра, привели Бора къ слѣдующимъ вѣроятнымъ конфигурацiямъ для легкихъ атомовъ (см. табл. 3).

Какъ видно изъ таблицы 3-ьей схемы Бора такъ же, какъ и схемы Томсона-Кригора, приводятъ къ перiодичной повторяемости сходныхъ конфигурацiй. Но въ противоположность схемѣ Кригора, въ атомныхъ системахъ Бора перiодически повторяются сходныя конфигурацiи внѣшнихъ колецъ, тогда какъ внутреннiя (1-ыя) кольца при увеличенiи общаго числа электроновъ появляются вновь. Что́ особенно важно, по схемѣ Бора сходныя конфигурацiи повторяются черезъ каждые восемь элементовъ, какъ и въ перiодической системѣ Менделѣева.

Таблица 3.

Число зарядовъ въ ядрѣ.	Число электроновъ въ кольцахъ			Число зарядовъ въ ядрѣ.	Число электроновъ въ кольцахъ				Число зарядовъ въ ядрѣ.	Число электроновъ въ кольцахъ
	1-ое	2-ое	3-ье		1-ое	2-ое	3-ье	4-ое		1-ое	2-ое	3-ье	4-ое	5-ое
1	1	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
2	2	—	—	10	8	2	—	—	18	8	8	2	—	—
3	2	1	—	11	8	2	1	—	19	8	8	2	1	—
4	2	2	—	12	8	2	2	—	20	8	8	2	2	—
5	2	3	—	13	8	2	3	—	21	8	8	2	3	—
6	2	4	—	14	8	2	4	—	22	8	8	2	4	—
7	4	3	—	15	8	4	3	—	23	8	8	4	3	—
8	4	2	2	16	8	4	2	2	24	8	8	4	2	2
9	4	4	1	17	8	4	4	1	25	8	8	4	4	1

He буду останавливаться детально на вопросѣ о томъ, какъ обясняется съ точки зрѣнiя модели атома Рэтерфорда—Бора превращенiе нейтральнаго атома въ положительно или отрицательно заряженный iонъ — пришлось бы повторить то, что говорилось выше о модели Томсона, ибо дѣло сводится, какъ и тамъ, къ присоединенiю или отнятiю отрицательныхъ электроновъ во внѣшнемъ кольцѣ. Надо только упомянуть о томъ, что Боръ дѣлаетъ попытку установить, какiя конфигурацiи должны быть болѣе склонны къ воспринятiю, а какiя — къ отдачѣ электроновъ во внѣшнихъ кольцахъ (отличiе металлоидовъ отъ металловъ). Скажу также нѣсколько словъ о томъ, какъ представляетъ себѣ Боръ соединенiе атомовъ другъ съ другомъ и образованiе сложныхъ молекулъ: онъ предполагаетъ, что внѣшнiя кольца двухъ атомовъ, соединяющихся другъ съ другомъ, смѣщаются по направленiю другъ къ другу и сливаются въ одно, общее для обоих атомовъ кольцо, которое и удерживаетъ ихъ въ соединенiи. При болѣе сложныхъ молекулахъ два или болѣе колецъ одного и того-же атома послѣдовательно, начиная с наружнаго, сливаются съ внѣшними кольцами нѣсколькихъ другихъ атомовъ, и такимъ образомъ одинъ атомъ при посредствѣ колецъ электроновъ общихъ съ другими атомами можетъ удерживать эти послѣднiе въ соединенiи съ собой.

Для наглядности привожу чертежи, иллюстрирующiе модели атомовъ кислорода, водорода и молекулы воды, как себѣ рисуетъ ихъ Боръ ¹²).

Атомы водорода и кислорода изображены въ планѣ на черт. 3-мъ и 4-мъ. Атомъ водорода состоитъ изъ ядра Н (одинъ положительный электронъ) и одного кольца съ однимъ отрицательнымъ электрономъ.

Черт. 3.

Атомъ кислорода (черт. 4) состоитъ изъ ядра съ 8-ью положительными зарядами (16 положительных и 8 отрицательныхъ электроновъ), одного кольца съ 4-мя и двухъ колецъ по два электрона въ каждомъ.

Черт. 4.

Молекула воды (черт. 5) состоитъ изъ: 1) кольца А, содержащаго ядро атома кислорода (О) и внутреннее колыдо съ 4-мя электронами, 2) колецъ В₁ и В₂, образовавшихся путемъ слiянiя внѣшнихъ колецъ кислорода (по два электрона въ каждомъ) съ кольцами водородныхъ атомовъ (по одному электрону), 3) H₁ и Н₂ (ядеръ атомовъ водорода) (каждое есть одинъ положительный электронъ). На чертежѣ 5-омъ молекула воды изображена разсматриваемой сбоку.

Изъ модели молекулы воды ясно, что при отдѣленiи отъ этой системы одного ядра водорода (H₁ или Н₂) должны образоваться два заряженныхъ iона: 1) водородный iонъ Н^* съ положительнымъ зарядомъ (ядро атома водорода безъ отрицательнаго электрона) и 2) гидроксильный iонъ ОН' съ отрицательнымъ зарядомъ (этотъ зарядъ обусловленъ присутствiемъ отрицательнаго электрона въ одномъ изъ колецъ В₁ или В₂ лишняго противъ суммы двухъ нейтральныхъ атомовъ — водорода и кислорода:

Черт. 5.

Боръ не разсматриваетъ детально болѣе сложныхъ системъ, да и врядъ ли это представляется возможнымъ, такъ какъ нетъ данныхъ, позволяющих делать достаточно обоснованныя заключенiя. Вопросъ слишкомъ новый и едва только намѣчается. Надо вообще сказать, что всѣ теорiи строенiя атомовъ еще не дошли до той стадiи, когда онѣ могутъ обнимать собою всю совокупность извѣстныхъ экспериментальныхъ фактовъ, и пока приходится довольствоваться темъ, что онѣ, какъ рабочiя гипотезы, удовлетворительно обясняютъ лишь опредѣленный кругъ явленiй. Всѣ эти гипотезы неизбѣжно носятъ индивидуальный отпечатокъ интересовъ того или иного автора и стоятъ въ связи съ его собственными экспериментальными работами.

Въ этомъ отношенiи модель Рэтерфорда—Мозелэя—Бора особенно удачно выясняетъ радiоактивныя явленiя; къ разсмотрѣнiю этого вопроса мы теперь и перейдемъ. Тогда какъ обычныя физическiя и химическiя явленiя, какъ неоднократно упоминалось выше, затрогиваютъ лишь кольца электроновъ, входящихъ въ составъ атомовъ, радiоактивныя явленiя, перестраивающiя весь атомъ, должны совершаться внутри ядра, какъ главнаго носителя существенныхъ признаковъ элемента.

Радiоактивныя явленiя, вообще говоря, можно расчленить на два класса: тѣ, которыя проявляются внѣ атомовъ и тѣ, которыя происходятъ внутри его. Къ первымъ относятся всѣ излученiя — альфа, бета и гамма лучи, ко вторымъ — распадъ атомовъ, ихъ превращенiя и образованiя новыхъ элементовъ. И тѣ и другiя явленiя, какъ своего рода атомныя катастрофы, могут наступить лишь тогда, когда нарушается равновѣсiе внутри всей атомной системы. С точки зрѣнiя модели Рэтерфорда, такое нарушенiе равновѣсiя можетъ быть вызвано постепеннымъ уменьшенiемъ скорости вращенiя какъ въ самомъ ядрѣ, такъ и у электроновъ. Вообще говоря, должна существовать предѣльная наименьшая скорость электроновъ, a вмѣстѣ съ темъ и предѣльное разстоянiе ихъ отъ ядра, дальше которыхъ система становится неустойчивой и должна перестроиться вновь. Аналогiя, конечно, рѣдко выясняетъ дѣло, однако, нельзя не вспомнить, какъ волчокъ или гироскопъ теряетъ равновѣсiе и начинаетъ катиться по землѣ при достаточномъ уменьшенiи скорости своего вращенiя. Нѣкоторую аналогiю можно найти и въ небесной механикѣ: по теорiи Роша и Дарвина, кольца Сатурна представляютъ собою вращающiеся по опредѣленнымъ орбитамъ мелкiе осколки, на которые долженъ былъ распасться спутникъ, когда онъ, при уменьшенiи скорости движенiя, подошелъ къ Сатурну ближе извѣстнаго предѣла. Система, подобная Сатурну, устойчива въ данный моментъ и при данныхъ условiяхъ, но съ теченiемъ времени она должна измѣняться и переходить въ еще болѣе устойчивую, что подтверждается сравненiем старинныхъ и новыхъ наблюденiй надъ Сатурномъ (Струве). Такимъ образомъ, по аналогiи съ Сатурномъ или гироскопомъ, наступленiе радiоактивнаго распада являетъ собою признаки "старости атомовъ" и внутренней борьбы ихъ за жизнь въ новой обновленной формѣ, которая дается имъ, однако, не сразу, но лишь проходя черезъ рядъ неустойчивыхъ, неспособныхъ къ продолжительному существованiю стадiй.

Мы не можемъ, хотя бы отдаленно, представить себѣ, что происходитъ въ ядрѣ атома во время радiоактивнаго распада и въ предшествующiе ему моменты, ибо мы не имеемъ ни малѣйшаго понятiя о томъ, какъ распредѣлены отрицательные и положительные электроны внутри ядра. Мы можемъ только судить о результатѣ радiоактивнаго процесса: мы знаемъ, что именно изъ ядра вылетаютъ крупные осколки — альфа-частицы (ядра атомовъ гелiя с двумя положительными зарядами) и мелкiе осколки — бета-частицы (свободные отрицательные электроны). Но существуютъ еще гамма-лучи. Что они изъ себя представляютъ? Когда потоки свободныхъ отрицательныхъ электроновъ въ видѣ катодныхъ лучей ударяютъ извнѣ въ атомы веществъ, то во внутреннихъ кольцахъ электроновъ возникаютъ характеристическiе Х-лучи, т.-е., какъ мы видѣли, электромагнитныя волны эѳира съ весьма короткой волной. Можно предположить, что при ударѣ бета-частиц, т.-е. опять-таки свободныхъ отрицательныхъ электроновъ, но только летящихъ на этотъ разъ изнутри атомовъ, при ударѣ въ тѣ же внутреннiя кольца электроновъ, должны возникать лучи, аналогичные характеристическимъ Х-лучамъ. Отсюда ясенъ выводъ: возникновенiе гамма-лучей является логическимъ слѣдствiемъ полета бета-частицъ изнутри атомнаго ядра, если только природа гамма-лучей сходна съ природой X-лучей. Въ прекрасной работѣ, выполненной совмѣстно съ да Коста д’Андрадэ, Рэтерфордъ примѣнилъ методъ Брагга и изучилъ условiя отраженiя гамма-лучей отъ кристаллическихъ граней; этимъ путемъ были измѣрены длины волнъ для гамма-лучей, испускаемыхъ радiем В. Въ этой работѣ съ полной несомнѣнностью доказано тождество природы гамма-лучей съ природой свѣтовых волнъ, и притомъ размѣры длины волнъ гамма-лучей оказались такими же, какъ и размѣры длины волнъ X-лучей, a именно они измѣряются стомиллiонными долями сантиметра (10^-8 сант.).

Съ выясненiемъ природы гамма-лучей можно считать окончательно выясненными всѣ тѣ радiоактивныя явленiя, которыя обнаруживаются внѣ предѣловъ атома. Переходя теперь къ судьбѣ атомнаго ядра, а слѣдовательно и вообще атома при радiоактивномъ распадѣ, мы, не касаясь причинъ распада, можемъ, однако, высказать нѣсколько интересных соображенiй опять таки по поводу его результатовъ. Каждая вылетающая альфа-частица, — ядро атома гелiя, — уноситъ съ собою два положительныхъ заряда. Вылетанiе альфа-частицы можно представить себѣ только при участiи атомнаго ядра, ибо кольца электроновъ не имѣютъ положительныхъ электроновъ. Каждая вылетающая альфа-частица должна слѣдовательно уменьшать Мозелэевское атомное число на двѣ единицы, если только это число дѣйствительно показываетъ алгебраическую сумму зарядовъ въ ядрѣ. Въ противоположность альфа-частицѣ, всякая вылетающая бета-частица уноситъ съ собою изъ атома одинъ отрицательный эарядъ. Вылетанiе бета-частицы, вообще говоря, возможно было бы не только из ядра, но также и из электронныхъ колецъ ¹³); однако, удаленiе отрицательнаго электрона, т.-е. той же бета-частицы изъ колецъ, какъ мы знаемъ, не вызываетъ измѣненiя въ структурѣ атома, оно лишь сообщаетъ этому послѣднему положительный зарядъ. Между темъ вылетанiе бета-частицы, такъ же какъ и альфа-частицы, кореннымъ образомъ перестраиваетъ весь атомъ, превращая его изъ атома одного элемента въ атомъ другого. Такое превращенiе возможно лишь при измѣненiи въ самомъ ядрѣ — носителѣ признаковъ атома, и слѣдовательно радiоактивная бета-частица такъ же, какъ и альфа-частица, вылетаетъ изъ ядра. Такъ какъ она уноситъ съ собою одинъ отрицательный зарядъ, то каждое вылетанiе беты-частицы должно увеличивать Мозелэевское атомное число на одну единицу.

Если принять все это во вниманiе и положить атомныя числа урана и торiя, равными 92 и 90 (см. таблицу 2-ую на стр. 195), то радiоактивные элементы ряда урана и торiя дадутъ слѣдующiя атомныя числа, приведенныя въ таблицѣ 4-ой (ср. таблицу 1-ую въ первой части этой статьи въ "Природѣ" за 1914 г., стр. 1147—1148) ¹⁴).

Таблица 4.

(увеличенное изображение)

Мы видимъ изъ табл. 4-ой, что одно и тоже атомное число можетъ отвѣчать нѣсколькимъ элементамъ. He трудно замѣтить при этомъ, что элементы съ однимъ атомнымъ числомъ входятъ въ составъ одной и той же плеяды или изотопны другъ съ другомъ, по терминологiи Содди и Фаянса (см. таблицу 2-ую тамъ же). Напр., атомное число 82 принадлежитъ изотопнымъ элементамъ: свинцу, радiю D, торiю В и радiю В. Равенство атомныхъ чиселъ, конечно, не обусловливает еще равенства ихъ атомныхъ вѣсовъ, ибо одно и тоже атомное число, разъ оно есть алгебраическая сумма зарядовъ, можетъ быть получено различной комбинацiей положительныхъ и отрицательныхъ электроновъ, а из нихъ только первые имѣютъ вѣсъ, равный единицѣ атомныхъ вѣсовъ, вторые же — практически невѣсомы. Дѣйствительно атомные вѣса приведенных выше элементовъ равны: Pb — 206.6; RaD — 210.5; ThB — 212.4; RaB — 214.5.

Ho если равенство атомныхъ чиселъ не предрѣшаетъ равенства атомныхъ вѣсовъ, то оно, какъ и принадлежность къ одной плеядѣ, должно вызывать тождество физическихъ и химическихъ признаковъ элементовъ. Для химическихъ признаковъ сходство радiя D, радiя В и свинца уже было ранѣе подтверждено экспериментально невозможностью химическими методами отдѣлить эти элементы другъ отъ друга. Теперь въ высшей степени интересно было изслѣдовать также физическiя свойства и, прежде всего, спектры изотопныхъ элементовъ съ одинаковымъ атомнымъ числомъ; для этого можно было сравнить линiи спектра Х-лучей для свинца съ линiями спектра гамма-лучей для радiя В.

Мозелэй не изучилъ спектра свинца непосредственно на опытѣ, но на основанiи его дiаграммы можно экстраполировать длину волны для свинца въ серiи жестких X-лучей. Предполагаемая длина волны вычисляется равной 1.18 × 10^—8 сантиметра, тогда какъ непосредственное наблюденiе д’Андрадэ для радiя В дало величину 1.175 × 10^-8 сантиметровъ. Совпаденiе надо признать блестящимъ и, такъ какъ атомные вѣсы радiя В и свинца отличаются на цѣлыхъ восемь единиц атомнаго вѣса (214.5 и 206.6), то это совпаденiе приводитъ насъ новымъ и независимымъ отъ прежняго путемъ къ выводамъ Содди и Фаянса, а именно къ заключенiю, что не только атомный вѣсъ или, вѣрнѣе, не столько атомный вѣсъ, сколько нѣчто иное даетъ внутреннюю характеристку атома. Это "нѣчто" находится въ самомъ сердцѣ атома, оно можетъ быть выражено числомъ, но истинный смыслъ его мы только начинаемъ угадывать.

Подводя теперь итогъ вопросу о внутреннемъ строенiи атома, можно сказать, что теорiя Рэтерфорда, такъ же, какъ теорiя Томсона, только намѣчаетъ вѣхи будущаго научнаго пути. Только для однихъ экспериментальныхъ данныхъ Мозелэя можно предполагать, что онѣ войдутъ въ окончательныя идеи, но каковы будутъ сами эти идеи — этого предугадать нельзя. Воззрѣнiя Бора уже подверглись строгой критике со стороны такого авторитета въ области теорiи строенiя атомовъ, какъ Никольсонъ, и мы, конечно, не знаем сохранится ли изъ этихъ воззренiй хоть одинъ штрихъ въ конечныхъ выводахъ. Однако гипотезы Рэтерфорда и Бора заслуживаютъ все-таки серьезнаго вниманiя, не только какъ починъ, но и сами по себѣ. Дѣйствительно: онѣ чрезвычайно заманчивы для отвлеченной мысли, ибо, представляя атомы въ видѣ вращающихся вокругъ другъ друга мировъ, онѣ позволяютъ созерцать единство плана въ строенiи всей вселенной, отъ безконечно большого до безконечно малаго. Человѣк невольно видитъ себя передъ двумя безднами, изъ которыхъ одна служитъ отраженiемъ другой, и онъ вправѣ вспомнить старинную мысль:

"Небо — вверху, небо внизу,
Звѣзды — вверху, звѣзды — внизу
Все, что — вверху, то и — внизу,
Если поймешь — благо тебе".