"Природа", №6-7, 1922 год, стр. 20-39

О строении вещества.

Гипотеза Проута. В 1815 году Проут подметил, что атомные веса очень многих элементов почти точно равны кратным атомного веса водорода, и высказал мысль о строении всех атомов из водорода, как из первичного элемента; самое название водорода он предложил изменить на протил, указывая этим на первенствующее его значение в природе.

Гипотеза Проута встретила как сторонников, так и критиков; Берцелиус, специалист по атомным весам, считал недопустимым ради гипотезы откидывать дробные части атомных весов; Дюма, наоборот, после определения атомного веса углерода ровно в 12 единиц, стал горячим защитником Проута; Мариньяк, чтобы поддержать идею Проута, пытался даже создать новую гипотезу о кратности всех атомных весов по отношению к половине водородного атома и таким образом об'яснял дробность атомного веса хлора. Определения Стаса положили, казалось, конец колебаниям и от гипотезы Проута отвернулись.

Работа Астона. Воскресла она вновь через 100 лет после своего возникновения, когда Астон нашел, что атомный вес неона 20,2 надо рассматривать как средний вес для смеси двух изотопичных элементов с весами 20 и 22. Астону не только удалось показать путем изучения спектров положительных лучей в неоне равенство этих весов целым числам с точностью до 0,5%, но и фактически разделить путем диффузии химически чистый неон на два газа разной плотности и атомного веса.

Дальнейшее изучение вопроса показало, что вообще дробное значение атомного веса всегда обозначает, что данный элемент не прост, а представляет собою смесь изотопов с целыми атомными весами.

В настоящее время можно составить следующую таблицу изученных по отношению к изотопии элементов.

В эту таблицу не вошли радиоактивные элементы с их изотопами.

	Атомное порядковое число	Атомный вес	Число изо- топов	Атомный вес изотопов. (Числа этого столбца целые с точностью до 0,001%).
Н	1	1,008	1	1,008
Не	2	4,00	1	4,000
Li	3	6,94	2	6 и 7
В	5	10,9	2	11 и 101)
С	6	12,00	1	12
N	7	14,008	1	14
О	8	16	1	16
F	9	19,00	1	19
Ne	10	20,20	2	20 и 22
Na	11	23,00	1	23
Mg	12	24,32	3	24, 25 и 26
Si	14	28,3	2	28 и 29
P	15	31,04	1	31
S	16	32,06	1	32
Cl	17	35,46	2	35 и 37
A	18	39,88	2	40 и 36
K	19	39,10	2	39 и 41
As	33	74,96	1	75
Se	34	79,2	6	74, 76, 77, 78, 80, 82
Br	35	79,92	2	79 и 81
Kr	36	89,92	6	84, 86, 82, 83, 80, 78
Rb	37	85,45	2	85 и 87
I	53	126,92	1	127
Xe	54	130,2	7 (9)	124, 126, 129, 132, 131, 134, 136, (128), (130)2)
Cs	55	132,81	1	133
Hg	80	200,6	(6)	(197—200), 202, 204

Если считать каждый изотоп за отдельный элемент, то по приблизительному подчету таких элементов наберется не менее 300.

Замечательно, что числа, полученные пока для атомных весов, ни разу не совпадают друг с другом (речь идет о нерадиоактивных элементах).

Для примера возьмем:

19	20	22	23	24	25	26
F	Ne	Ne	Na	Mg	Mg	Mg

или:

78	79	80	81	82	83	84	85	86	87
Kr	Br	Kr	Br	Kr	Kr	Kr	Rb	Kr	Rb

или:

127	128	129	130	131	132	133	134	136
I	Xe	Xe	Xe	Xe	Xe	Cs	Xe	Xe

Разделение изотопов. В самое последнее время Brönsted путем медленной перегонки разделил ртуть на фракции разного удельного и атомного веса, т. е. экспериментально показал, что элемент ртуть есть смесь, а не однородное вещество. To-же он показал экспериментально для HCl.

Наконец, хлор недавно разделен на изотопы путем диффузии через глиняную перегородку.

Подтверждение гипотезы Проута. После работы Астона мы можем утверждать, что все атомные веса суть целые числа, и водород может быть принят за основной кирпичик, из которого построена вся система элементов. Числа дробные, раньше называвшиеся атомными весами, предложено теперь называть элементарными.

Тот факт, что водород свободный имеет вес 1.008 (единственный из всех имеет дробный вес), а, войдя в состав другого атома, весит ровно 1.000, об'ясняется теперь обычно так называемым "упаковочным эффектом", т. е. уменьшение электромагнитной массы водородных ядер происходит при упаковке их вместе с цементирующими электронами в маленький об'ем атомного ядра комплексного атома.

На последнем конгрессе Британской Ассоциации в Кардиффе по предложению Оливера Лоджа, принят новый научный термин протон (р) для обозначения "положительного электрона с массою равною единице, и входящего, наравне с цементирующими отрицательными электронами (масса ¹/₁₈₃₅), в состав ядра всех химических элементов".

Само название "протон" принято по созвучию с протилом Проута и его фамилией.

Строение атомного ядра. Итак, по современным воззрениям атомы состоят из протонов и электронов. Нейтральный атом водорода есть соединение одного протона и одного электрона и может быть обозначен pe; нейтральный атом гелия состоит из четырех протонов и четырех элетронов, α—частица из четырех протонов и двух электронов и может быть обозначена p₄e₂, в то время как самый гелий надо писать (p₄e₂)e₂; в последней формуле два внутренних электрона служат связующим цементом для четырех положительных p в ядре (без такого цемента ядро не могло-бы быть прочным вследствие отталкивания протонов друг от друга), а остальные 2e находятся во внешней сфере и представляют собою планетарные электроны Боровской схемы, обусловливающие химические и спектральные свойства гелия.

Число этих внешних электронов, как и положительный заряд ядра, равны по Мозелею атомному порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева.

Если мы обозначим, как это делает Ormе Masson, через A массу элементарного атома, через N — Мозелеево атомное число, то можем написать A — 2N = n, где n так называемое изотопное число.

Для чистых элементов: He, C, N, O и S и для низших изотопов Li, B, Si, Mg и Ar, n = 0, т. е. атомный вес ровно вдвое больше атомного Мозелеева числа. Это, весьма возможно, будет доказано и для Ca, а может быть и для других легких элементов. Отсюда следует, что группа (p₂e) может быть рассматриваема как вторичная единица положительного заряда с массою, равною 2, и что формула (p₂e) выражает собою строение ядра этих атомов.

Для высших изотопов B, Ne, Si и Ar, для чистых элементов F, и P и для обоих изотопов Cl n имеет малую величину, колеблющуюся от 1 до 4.

Для As n = 9; для Br n₁ = 9, n₂ = 11; для Kr n имеет значение от 6 до 14; для Xe от 20 до 27; для Hg от 37 до 44 и, наконец для многочисленных изотопов радиоактивных элементов с N от 81 до 92, n колеблется от 42 до 54.

Итак мы видим, что с увеличением N растет и n; это необходимо для сохранения устойчивости ядра; в самом деле отклонения атомного веса от величины 2N можно об'яснить только вхождением в ядро стольких групп pe, сколько единиц содержится в изотопическом числе n: вхождение-же каждой группы pe в ядро, где раньше присутствовали лишь группировки p₂e, увеличивает относительное количество отрицательных электронов ядра, что особенно важно при больших N. Чем больше протонов в ядре, тем больше надо цемента для связывания их в прочное целое; и все-таки при N больших 80 даже n, равное 42....54, не спасает ядро от распада, происходящего на наших глазах под названием радиоактивных трансмутаций. Итак, если принимать группу p₂e присутствующей во всех ядрах, то к ней приходится для построения атома прибавлять n групп нейтральных (pe) с массою, равною единице.

Общая формула строения атомного ядра элементов от He до U тогда по Orme Masson будет: [(p₂e)_N(pe)_n], где N целое число от 2 до 92, а n целое число от 0 до 54.

Формула нейтрального атома будет:

Как это показано было еще до войны Томсоном, от свойств ядра зависит прочность данного атома, его масса и радиоактивные свойства; от внешних электронов зависят все свойства, меняющиеся периодически, т. е. все химические и большинство физических свойств. Если ядра у атомов разные, но внешние электроны по числу и расположению одинаковые, мы имеем изотопы, т. е. элементы с одинаковым N и одинаковыми химическими свойствами, хотя разною массою.

Надо заметить тут-же, что разница в составе ядра у изотопов может касаться лишь количества групп pe, т. е. число n у них различно: потому n и названо изотопическим числом.

Число-же групп p₂e в ядрах изотопов должно быть одинаковым, так как иначе положительный заряд ядра не равнялся-бы N и оно не могло-бы нейтрализовать заряд N отрицательных электронов внешней сферы. Отложим пока в сторону рассмотрение вопроса о внешних электронах и рассмотрим современное состояние некоторых вопросов, связанных с теорией атомного ядра.

Радиоактивность с точки зрения новой теории ядра. Реакцию радиоактивного распадения атомного ядра с вылетом α частицы мы можем изобразить следующим уравнением.

1)	[(p2e)N (pe)n]eN =	[(p2e)N—2 (pe)n]	eN + (p2e)2 — α частица
		ион с двумя отриц.зар.
2)	[(p2e)N—2 (pe)n]eN—2 + 2e

Итак, при вылете α—частицы сначала у нас остается отрицательный ион с двумя лишними зарядами во внешней сфере; эти заряды отделяются и мы в конце концов получаем атом с атомным числом, уменьшившимся на 2 единицы и с массою на 4 единицы меньше прежнего, т. е., как и полагается по правилу Фаянса, элемент группы с номером на две единицы низшим, чем исходный; напр, из Ra—II-й гр. Em Ra—0-й гр.

Радиоактивный распад с вылетом β частицы изобразим так:

внутри ядра из 2 (pe) получается (p₂e) + e; это e и вылетает в виде β частицы.

[(p2e)N (pe)n]eN =	[(p2e)N+1 (pe)n—2]	eN + e — β частица
	ион с 1 полож. зар.

От атома после вылета β частицы остается ион с одним положительным зарядом; по присоединении извне свободного электрона получаем атом [(p₂e)_N+1 (pe)_n—2]e_N+1 т. е. масса атома при трансмутации не изменилась, а атомное число увеличилось на единицу, что тоже согласно с правилом Фаянса.

Вопрос о возможности распада атомов легких элементов. При такой концепции строения атомного ядра и его распада кажется странною мысль об исключительной принадлежности радиоактивных свойств нескольким определенным атомам конца периодической системы.

Конечно с точки зрения устойчивости атомного ядра, элементы радиоактивного ряда в виду слишком большого скопления в них протонов, находятся в неблагоприятных условиях, но все же останавливаться на изотопах свинца и талия, как на границе, разделяющей легкие нерадиоактивные элементы от тяжелых радиактивных было-бы довольно нелогично. Надо ожидать скорее постепенного ослабления радиоактивных свойств, а не такого резкого прекращения распада на 81 месте периодической системы.

В качестве логической предпосылки к заключению о возможности радиоактивности и у легких элементов, опять-таки служит мысль об изотопах. Самое существование последних в радиоактивном ряду вызвано явлениями трансмутации, совершающимися по правилу Фаянса и Содди; нельзя ли и из факта открытия изотопов в области даже малых периодов таблицы Менделеева сделать обратный вывод — заключить о существовании той-же причины, раз следствие на-лицо. Конечно это не доказано, но все же в высшей степени соблазнительно думать, что все элементы радиоактивны, что все они не только построены из одного материала, как это предложил еще Проут, но и находятся в генетической между собою связи.

Попытки распределить все легкие элементы на серии, подобно сериям урана, тория и актиния, уже сделаны (Harkins) и довольно удачно. Спрашивается, почему-же мы не наблюдаем вылета α—и—β частиц из атомов C или O?

Взгляд Содди. Содди дает на это такой ответ:

Излучения α— и β—частиц при распаде атома всегда бывают тем энергичнее, чем короче средняя продолжительность жизни данного радиоактивного атома. Существует определенная зависимость между скоростью распада и скоростью вылета частицы; чем быстрее идет трансмутация, тем быстрее и более проницающей будет α или β частица. В случае α частиц существует даже известная под названием закона Гейгера и Нуталла эмпирическая логарифмическая зависимость, которая позволяет нам высчитать приблизительно средний период жизни элемента из пробега его α—частицы и наоборот. В случае β—частиц не существует еще пока окончательно установленного закона, но ясно, что отношения будут те-же.

Отсюда видно, что трансмутации, идущие много медленнее, чем для U или Th (самые медленные из открытых до сих пор), по всей вероятности нашими инструментами не могут быть открыты, так как α и β частицы, вылетающие в таком случае, будут слишком медленны, чтобы ионизовать газы или оказать действие на фотографическую или флюоресцирующую пластинку.

И действительно, для Mesothorium I и для Actinium до сих пор не открыты радиации, хотя с несомненностью, исходя из свойств получающихся продуктов, можно сказать, что тут вылетают β—частицы.

Период обоих веществ так длинен, что мы не можем открыть методом ионизации вылетающие из них β—частицы (β—частицы вообще труднее открыть, чем α).

Для самых медленных β—частиц, исследованных до сих пор, а именно для вылетающих из RaD, с периодом жизни в 24 года, лишь с трудом удается подметить ионизацию газа при пролете. Может быть и легкие элементы выбрасывают частицы, которые не отмечаются современными приборами.

Устойчивость радиоактивного атома, характеризуемая ½ периодом его жизни, стоит в прямом соотношении с относительным количеством данного радиоэлемента на земле.

Взгляд Harkins’a. Harkins, на основе только что развитых нами соображений об общности радиоактивных свойств, вывел заключение, что и для легких элементов относительное обилие их в природе означает просто бо́льшую продолжительность жизни, бо́льшую стойкость атомного ядра данного типа.

Для определения количественного состава солнечной системы, к сожалению, нельзя воспользоваться спектроскопом, так как он дает лишь качественный состав поверхности солнца; уже количественный анализ земной коры, хотя мы и знаем ее лишь на небольшую глубину, может дать больше; тут ошибка будет, повидимому, в слишком больших цифрах для легких скопившихся именно на поверхности земли элементов. Но самое важное значение могут иметь анализы метеоритов; тут мы получаем, как кажется, действительно средние цифры для количественного состава солнечной системы в известной стадии ее эволюции.

Исходя из теории устойчивости атомного ядра, Harkins еще в 1917 г. попробовал предсказать средний состав метеоритов; подробная проверка цифровых данных теперь подтвердила его предсказания.

Harkins берет у Farrington’a и Merrill'я всего 470 анализов: 320 для железных и 150 для каменных метеоритов; при этом надо иметь в виду, что на 350 каменных метеоритов на землю в среднем падает всего лишь 10 железных.

Данные для состава земной коры принадлежат Clarke, Vogt’y и Washingtоn’y.

Формула атомного ядра по Harkins’y. Harkins основывает свои теоретические соображения на вышеприведенной формуле ядра [(p₂e)_N(pe)_n], при чем переписывает ее прежде всего таким образом:

[(p2e)	N	(pe)n]
	2

В случае N нечетного формулу надо писать:

[(p2e)	N+1	(pe)n+1]
	2

т.-е. считать ядра всех атомов построенными из ядер гелия p₄e₂ и атомов водорода pe (конечно, в схеме Harkins’a оставлена полная свобода для pe соединяться между собой в более сложные группы).

За вхождение ядер гелия в состав атомов говорят радиоактивные явления, делимость многих атомных весов на 4 (С, О, Ne, Mg, Si, S и т. д.), а также интересный факт четности Мозелеева числа N для подавляющего количества атомов, фактически составляющих 98% по весу в метеоритах и 88% в земной коре. Если бы N было нечетно, то группы p₂е нельзя было бы сгруппировать в ядре попарно в виде ядер гелия и следовательно там образовалась бы группа р₆е₃ или р₃е₂, или р₂е осталось бы свободным. Малое относительно количество элементов с N нечетным по Harkins’y указывает на малую продолжительность их жизни, а, следовательно, на неустойчивость группировки р₃е₂ и ей подобных по сравнению с р₄е₂, т.-е. ядром гелия. Исходя из предположения, что четность числа N увеличивает стойкость атомного ядра, надо предположить большее обилие в природе данного элемента с четным N по сравнению с соседними элементами справа и слева в периодической таблице.

В метеоритах 93% по весу составляют атомы с атомным весом, делящимся на 4, в земной коре 85% по весу.

Вторая гипотеза Harkins’a состоит в предположении, что электроны в ядре группируются предпочтительно попарно; тут мы невольно вспоминаем аналогию в строении молекул, где Lewis и I. Thomson недавно тоже показали предпочтительность попарного сочетания электронов.

Harkins основывает свое предположение на факте прочности гелиева ядра (р₄е₂) и на известном теперь факте, что при радиоактивных превращениях вылет одной β—частицы сопровождается всегда вылетом и второй; за вылетом α—частицы может следовать как вылет α, так и β, но за вылетом α всегда вылетает вторая α—частица. Очевидно, ядро с непарною α—частицею нестойко.

Таким образом, формулу стойкого атомного ядра надо писать по Harkins’y так:

[	(p4e2)	N	(p2e2)	n	]
		2		2

т.-е. и N и n для стойких атомов числа обязательно четные.

Сумма N и n, представляющая собою общее количество электронов в ядре, по Harkins’y должна быть четною.

На самом деле 97% по весу в метеоритах состоит из атомов с четным N + n и 97,5% в земной коре составлено так же.

Этот факт можно иллюстрировать еще следующими двумя таблицами:

Таблица II.

N		N + n четное.	N + n нечетное.
2	Не	2
5	В	6
6	С	6
7	N	—	7
8	О	8
9	S	10
10	Ne	10
12	Mg	12
14	Si	14
15	Р	16
16	S	16
17	Cl	18
18	Ar	22
33	As	42
35	Br	44
36	Kr	48
53	I	74

Из этой таблицы видно, что за исключением азота наиболее обильный в природе изотоп каждого элемента (а таковые и собраны в таблице) содержит четное число ядерных отрицательных электронов.

Еще яснее влияние нечетного числа ядерных электронов видно из следующей таблицы:

Таблица III.

	N + n четное	Средн. про- должительн. жизни.	Средн. про- должительн. жизни.	N + n нечетное
UX1	144	35,5 дней	1,65 мин.	143	UX2
MeTh1	140	9,6 лет	8,9 час.	139	MeTh2
RaD	128	24 года	7,2 дня	127	RaE

При N + n четном и N четном А должен быть четным, так как А — (n + N) = N.

И действительно, 94% в метеоритах состоят из элементов с четным атомным весом и 87% земной коры составлено из них же.

Классификация элементов по Harkins’y. Всего возможно четыре случая комбинаций из четных и нечетных N, А и N + n.

1. Наиболее частый и устойчивый — в метеоритах 93,2%, в земной коре 86,9%.
   N четное А четное N + n четное;
2. В метеоритах 2,0%, в земной коре 11,2%.
   N нечетное А нечетное N + n четное;
3. Редкий случай в метеоритах 3,2%, в земной коре 2,3%.
   N четное А нечетное N + n нечетное;
4. Очень редкий случай:
   0,00% литосфера
   0,05% литосфера + атмосфера + гидросфера
   0,00% в метеоритах
   
   N нечетное А четное N + n нечетное.

К четвертому случаю относится азот, никогда не встречающийся в метеоритах и в ничтожном количестве в земной коре. Азот очень мало распространен в природе по сравнению с близко от него стоящими элементами, и наше близкое знакомство с ним обусловлено случайным обстоятельством нашего обитания на дне азотного океана — почти единственного места, куда собрался весь азот земли.

Надо ожидать, что атом азота менее устойчив, чем атомы С и О, рядом стоящие с ним. Далее мы увидим, что для устойчивости азота имеет большое значение то, что n для него = 0.

Состав метеоритов в свете воззрений Harkins’a. Обратимся теперь к несколько более подробному анализу состава метеоритов и земной коры по новейшим данным, обработанным Наrkins’oм.

Прежде всего привожу средний состав метеоритов.

Таблица IV.

		N	A	N + n	N + n
					n
О	53,16%	8	16	8	0,5
Mg24	9,86%	12	24	12	0,5
Si28	13,82%	14	28	14	0,5
S	1,46%	16	32	16	0,5
Fe56	12,28%	26	56	30	0,536
	90,58%

Пять атомных видов с четным N, А и N + n, т. е. принадлежащих к первой группе по нашей классификации, составляют 90% веса метеоритов.

Кроме того, замечательно, что ^N+n/_A, т.-е. отношение количества отрицательных электронов к числу положительных протонов в ядре у наиболее стойких элементов равно 0,5. С увеличением А это отношение растет и только таким образом поддерживается стойкость ядра.

Приведу теперь более подробную таблицу состава метеоритов³).

Таблица V.

Изотопичное число n = 0.
Класс №1	(N четное, А четное, N+n четн.).		Класс №4	(N нечетн., А четное, N+n нечет ное).
N	—	%	N	—	%
6	С	0,12	7	N	0,00
8	О	53,16
12	Mg24	9,86
14	Si28	13,82
16	S	1,46
20	Ca	0,97
26	Fe52	?
28	Ni56	?
		79,39%
Изотопичное число n = 1.
Класс №2	(N нечетное, А нечетное, N+n четн.).		Класс №3	(N четное, А нечетное, N+n нечет ное).
N		%	N		%
11	Na	0,62	12	Mg28	1,65
13	Al	1,21	14	Si29	1,53
15	P	0,06			3,18%
19	К	0,11
		2,00%
Изотопичное число n = 2.
Класс №1
N				%
12		Mg26		1,65
14		Si30		?
				1,65%
Изотопичное число n = 3.
Класс №2
N				%
17		Cl		0,00
Изотопичное число n = 4.
Класс №1
N				%
22		Ti		0,005
24		Cr		0,13
26		Fe56		12,30
28		Ni60		0,50
				12,93%
Изотопичное число n = 5.
Класс №2
N				%
23		V		0,00
25		Mn		0,06
27		Co		0,04
				0,10%

Если сложить все эти количества и прибавить к ним низшие изотопы Fe и Co с n от 0 до 3, которые пока не включены, так как n точно не определено, мы получим 99,9% всего материала метеоритов. Те-же атомы с N от 1 до 28 и с n от 1 до 5 составляют 99,9% земной коры, что указывает на то, что никакое увеличение ^N+n/_A не может достаточно стабилизировать атом с положительным зарядом больше 28.

Следует отметить и то, что обилие элемента в природе резко падает за никкелем; никкель-же это первый элемент той области, где изотопы очень многочисленны. Все обильные элементы имеют n = 4 или менее.

Из сопоставления данных для состава метеоритов с данными для земной коры видно, что при n = 4 повторяются те-же отношения, что и при n = 0; оба типа очень распространены в природе; в обоих класс № 1 выделяется, и хотя класс № 4 еще и не найден для n = 4, но, может быть, он существует в очень небольших количествах.

При n = 5 повторяется до некоторой степени тип n = 1; в обоих случаях класс № 3 играет подчиненную, a № 2 главную роль.

Возможность искусственного разложения атомных ядер. Все вышеприведенные цифры и соображения Harkins'a представляют собою не малый довод в пользу взгляда на периодическую систему элементов, как на систему с внутреннею генетическою связью между всеми элементами, связью, подобною той, которая наблюдается между отдельными членами радиоактивных серий. Атомы не только построены из одного и того-же материала, но, повидимому, могут порождать друг друга путем самопроизвольного распада. О противоположном процессе образования сложных атомов путем конденсации простых пока определенных сведений не имеется.

Спрашивается, возможно ли повлиять со стороны на распад ядра? До сих пор все попытки вызвать искусственную радиоакивность или хотя-бы ускорить или замедлтить самопроизвольный процесс оканчивались неудачей. Повидимому нужен очень сильный фактор, чтобы воздействовать на ядро разлагающим образом; если воздействовать на ядро силою меньшею известной величины, недосягаемою в наших лабораториях, результата получиться не может. Однако, три года тому назад разложение атомного ядра все же удалось совершить при помощи удара α—частицы.

Опыты над рассеянием α—частиц атомными ядрами. Еще в 1909 г. Гейгер и Марсден заметили, что некоторые α—частицы проходя через тонкие материальные пластинки, отклоняются на весьма большие углы, иногда превышающие 90°. Значение этого факта было вполне оценено Ретзерфордом, который и построил тогда теорию атомного ядра: только массивное и сильно заряженное ядро, сосредоточенное в весьма малом пространстве (малом по сравнению с размерами атома) может вызвать такого рода отклонение.

На основании такого воззрения Ретзерфорд построил теорию рассеяния α—частиц, которая и была подтверждена позднейшими опытами (1913 г.) Гейгера и Марсдена в применении к тяжелым атомам. При этом оказалось, что даже на расстояниях от 36·12^—12 см. до 3·10^—12 см. закон Кулона справедлив при отталкивании α—частицы и положительного ядра. Это указывает, между прочим, и на то, что в вышеупомянутой области, непосредственно прилегающей к ядру, нет ни одного электрона, так как присутствие такового исказило-бы простое действие положительных зарядов друг на друга. Интересно отметить, что во всех рассуждениях, касающихся взаимодействий между α—частицею и ядром атома, принимаются во внимание лишь электрические силы, а о силах гравитационных не упоминается: настолько велики электрические силы по сравнению с Ньютонианскими.

Этот-же факт об'ясняет возможность существования изотопов, атомов с разною массою и одинаковыми свойствами.

В самом деле, представим себе два ядра различной массы, но одинакового положительного заряда; так как действие массы ядра на окружающие его электроны ничтожно по сравнению с взаимодействиями заряда ядра и электроновъ, то в результате оба ядра смогут удержать около себя одно и то-же число электронов, одинаковым образом расположенных в пространстве; следовательно, и свойства изотопов, зависящие только от внешних электронов, будут одинаковы.

Опыты Ретзерфорда над действием α—частиц на атомы легких элементов. За последнее время Ретзерфорд ближе подошел к вопросу о действии α—частиц на легкие атомы. Ядра этих последних, имея меньший заряд, по сравнению с тяжелыми атомами, позволяют очень скорым α—частицам подлетать к себе ближе, чем это было в опытах Гейгера и Марсдена. При этом оказалось, что на расстоянии 3·10^—13 закон Кулона при взаимодействии α—частицы и ядра несправедлив.

Так как диаметр ядра легких атомов имеет величину около 5·10^—13 см., остается предположить, что в этих случаях происходит уже прямое столкновение α—частицы с ядром, при чем возможны и деформации.

При столкновении α—частицы с ядром водородного атома было замечено, что энергия движения передается водородному ядру (протону), которое и вылетает из атома с пробегом приблизительно в 4 раза большим (в виду малой массы протона) по сравнению с пробегом ударившей α—частицы. Если вблизи поставить экран, покрытый сернистым цинком, отдельные водородные ядра, ударяясь об экран, будут производить видимые для глаза вспышки света. Эти вспышки можно при помощи микроскопа считать.

Разложение азота. В 1919 г. удалось показать, что, сталкиваясь с ядром азота, α—частица, как более прочная, сама остается невредимою, но, в то-же время, разбивает азотное ядро, из которого вылетают положительные водородные ядра с очень большим пробегом. Так, α—частицы из RaC, имеющие пробег в воздухе в 7 см., выбрасывают из атомов азота протоны с пробегом в 40 см. Если-бы α—частицы RaC ударялись об атомы водорода, мы не могли-бы, как это установлено и теоретически и экспериментально, иметь протонов с пробегом большим 29 см., а потому и нельзя думать, что водород, выбиваемый из азота, предсуществовал там просто в виде примеси. Если даже нарочно впустить в прибор вместе с азотом некоторое количество водорода, но поставить экран с сернистым цинком на расстоянии большем 29 см., мы сможем наблюдать лишь вспышки от вылетевших из азотных ядер частиц. Проще всего прибор устроить так, чтобы закрывать окошечко, через которое протоны вылетают из прибора, листочком слюды по толщине и останавливающей силе равным 29 см. воздуха; тогда из прибора будут вылетать лишь азотные протоны.

Специальные опыты отклонения в магнитном поле показали, что вылетающие частицы действительно имеют массу, равную единице, и один положительный заряд.

Таким образом была впервые произведена искусственная дезинтеграция легкого атома. Замечательно то, что первым был разложен элемент отнесенный Harkins‘ом к 4 классу, классу нестойких атомов, с нечетным атомным номером (7), и четным атомным весом (14).

Отметим еще, что для успешного разложения азотного ядра α—частица должна нанести удачный прямой удар, так как при непрямом приближении она может и не столкнуться с ядром, а описать гиперболу, во внешнем фокусе которой будет находиться азотный атом. Вследствие этого лишь одной α—частице из 300 тысяч удается разбить азотное ядро. Если подсчитать число α—частиц, испускаемых одним граммом радия в год, и принять во внимание, что лишь ¹/_300 000 часть этих частиц действительно сможет разбивать азотные ядра, можно подсчитать, что в год мы получим при помощи 1 гр. всего лишь 5·10^—4 куб. мм. водорода; т. е. для получения пузырька водорода, величиною с булавочную головку необходимо ждать две тысячи лет, а если собрать для этого опыта весь радий, добытый сейчас на земле, то срок этот будет все-таки около 100 лет.

Последние опыты Ретзерфорда. В 1921 г. Ретзерфорд опубликовал статью с описанием новых успешных опытов по дезинтеграции.

Так оказалось, что под действием α—частиц из RaC с пробегом в 7 см. атомы бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора выделяют водородные ядра с большим пробегом. Атомы Li, Be, С, О, Si, S, Cl, К, Са, Mg, Ti не поддались ударам α—частиц и не могли быть разложены; также не удалось разложить тяжелых атомов: Mn, Fe, Cu, Sn, Ag и Au.

Привожу табличку данных Ретзерфорда.

ТАБЛИЦА VI.

Название   элемента	Соединение,   в виде кото- рого был взят элемент для исследован.	Число прото- нов, выбро- шенных и   1 мин., считая на 1 мгр. Ra	Число сант.   пробега вы-   летающих частиц.
В	B	0,15	приблиз. 45
N	воздух	0,7	40
F	CaF2	0,4	более 40
Na	Na2O	0,2	приблиз. 42
Al	Al, Al2O3	1,1	90
Р	Р красн.	0,7	приблиз. 65

Отметим опять, что все вновь разложенные Ретзерфордом элементы принадлежат ко 2-му классу элементов с нечетным атомным номером и нечетным атомным весом. Элементы I-го класса, самые прочные по Harkins’y, как-то: С, О, S, Si и т. п., не подверглись разложению.

Невозможность разложить атомы тяжелых элементов об'ясняется, повидимому, тем, что водород в их ядрах теснее связан с пассивным ядром, и α—частица под действием сильных отталкивательных сил ядра не может достичь цели.

Интересно, что при столкновении ядра с α—частицею распадается первое, а α—частица, благодаря своей изумительной прочности, остается, повидимому, невредимой.

Ретзерфорд отмечает, что атомные веса всех разложенных им элементов не делятся на 4, и делает отсюда заключение, что в состав ядра таких атомов кроме гелия входит водород.

В самом деле:

для	В	атомный	вес	11 = 2 × 4 + 3
	N	""	""	14 = 3 × 4 + 2
	S	""	""	19 = 4 × 4 + 3
	Na	""	""	23 = 5 × 4 + 3
	Al	""	""	27 = 6 × 4 + 3
	Р	""	""	31 = 7 × 4 + 3

Водород этот, по мнению Ретзерфорда, может вращаться в виде спутника около самого ядра; таким образом, он допускает, что положительные заряды, в противоречие закону Кулона, на очень небольших расстояниях могут притягивать друг друга.

Если представить себе водородное ядро на орбите вокруг гелиева ядра, то можно представить себе две следующие картины:

1. α—частица, налетая на водородное ядро, сбивает его с орбиты и выбивает из атома, причем Н—частица улетает по направлению удара α—частицы.

2. α—частица, ударяя по Н—частице, толкает ее в сторону гелиева ядра; Н—частица проходит близко от ядра и под действием сил притяжения исправляет свой путь настолько, что, как комета в солнечной системе, огибает ядро и улетает из атома в направлении, противоположном удару α—частицы.

Опытные данные подтверждают обе возможности. Так, при ударе потока α—частиц об алюминиевую пластинку из нее вылетают протоны, как по направлению потока α—частиц (с пробегом 90 см.), так и в противоположном направлении, правда, с несколько меньшим пробегом (67 см.).

Если действовать на Al последовательно α—частицами разного пробега, то легко на опыте убедиться, что энергия удара α—частицы с пробегом в 4,9 см. есть низший предел, при котором мы уже не можем разбить алюминиевого ядра.

Если пересчитать энергию этого низшего предела на потенциал в вольтах — необходимый, чтобы током электронов произвести то-же действие, что и α—частица, оказывается, что разложение атома алюминия было бы возможно лишь при разности потенциалов в 6 милл. вольт.

Между тем для того, чтобы вырвать из самых глубоких недр электронной оболочки атома, с так называемого кольца К, один электрон, требуется всего лишь 2.200 вольт: так велика разница в силах, скрепляющих отдельные части ядра между собою и привязывающих к ядру его внешнюю электронную оболочку.

В высшей степени интересен факт кажущегося противоречия с законом сохранения энергии, наблюдаемый при распаде атомов.

Так, частица Н, вылетающая из атома Al, имеет энергию в 1,4 раза большую, чем энергия выбившей ее α—частицы. Избыток энергии приходится приписать выделению энергии внутриатомной. Таким, образом реакцию искусственного разложения атомного ядра надо признать экзотермическою, подобно тому, как мы это имеем и при самопроизвольных радиоактивных превращениях.

Мы на пороге новой эпохи научных открытий. Куда заведет нас стремительный бег науки, даст-ли она в руки человечества власть над материей и энергией и познание их тайн?

Первый ключ, во всяком случае, в наших руках.

Окончание войны совпало с первою победою человека над атомом. Самое слово атом следовало-бы теперь заменить другим термином, обозначающим не бессилие человека перед силами, связывающими протоны ядра в одно целое, но, наоборот, победу человеческой мысли, разделившей неделимое.