Уже в древние времена возник вопрос о том, вполне ли вещество заполняет то пространство, которое оно, как нам кажется, занимает. Иначе говоря: представляет ли вещество что-то сплошное, или в нем есть пустые промежутки, хотя бы и невидимые ни глазом, ни самым лучшим микроскопом? На этот вопрос уже много столетий до нашей эры некоторые ученые-мудрецы отвечали, что всякое вещество состоит из отдельных, очень маленьких частиц, между которыми находится пустое пространство. Эти частицы были названы атомами, т.-е. неделимыми, ибо предполагалось, что они уже ни в коем случае не могут быть разделены на еще меньшие части. Отцом этого учения следует признать Демокрита, который жил за 400 лет до нашей эры. Об атомах писали еще другие ученые, жившие до нашей эры. Затем, в течение почти 1700 лет учение об атомах было как бы забыто, и только в начале семнадцатого столетия, т.-е. всего, примерно, 300 лет тому назад, французский ученый Гассенди вновь высказал и развил мысль об атомах. Современное учение о строении вещества было основано в 1808 году английским ученым Дальтоном. С этим учением мы теперь и познакомимся.
Прежде всего заметим, что следует отличать два рода веществ, которые называются простыми и сложными. Простые вещества еще называются элементами, а сложные — соединениями. Эти сложные вещества образуются, когда два, три или еще бо́льшее число различных простых веществ между собой соединяются; вы сейчас узнаете, каким образом это соединение происходит, т.-е. как из нескольких элементов возникает их соединение.
Сперва ответим на вопрос: какие вещества суть простые, т.-е. элементы. К элементам принадлежат все без исключения металлы, из которых мы упомянем несколько: железо, медь, олово, серебро, жидкую ртуть, свинец, цинк, алюминий, платину и никкель; всего существует около 57 различных металлов, и все они принадлежат к веществам простым или элементам. Из твердых элементов назову серу, фосфор, кремний и углерод; последний встречается в трех состояниях, а именно: в виде обыкновенного угля, в виде графита и в виде алмаза. К газообразным элементам принадлежат: кислород, азот, хлор, а также, напр., водород, который в 14 раз легче воздуха и которым наполняют воздушные шары. Есть еще несколько газообразных элементов, но я упомяну только газ гелий.
Все элементы состоят из атомов, которые и суть самые малые частички этих веществ. Весьма важно заметить, что все атомы одного и того же элемента совершенно между собою одинаковы. Но атомы различных элементов неодинаковы; чем они отличаются друг от друга, — об этом ученые узнали всего 14 лет тому назад.
В настоящее время наука точно знает, что всех элементов существует 92. Их атомы имеют весьма различный вес. Самый легкий из атомов — это атом водорода. Число, которое показывает во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома водорода, называется атомным весом этого элемента. Так, напр., атомный вес серы равен 32; это значит, что один атом серы в 32 раза тяжелее одного атома водорода. Самым тяжелым является атом элемента, который называется уран; атом урана в 238 раз тяжелее атома водорода.
Атомы невообразимо малы, а число их, даже в очень маленьком кусочке вещества, невообразимо велико. Величину и число атомов можно характеризовать следующими двумя указаниями, которым вы с трудом поверите; однако, наука с точностью их установила. Атом, примерно, во столько раз меньше детского резинового мячика, величиною в кулак, во сколько раз такой мячик меньше всего земного шара. Вообразите себе один кубический сантиметр воздуха, который помещается в наперстке; если взять столько капель воды, сколько в этом наперстке находится атомов воздуха, то получится озеро, глубиной в один километр, шириною в 15 км и длиною в 30 км.
Мы говорили о веществах простых, или элементах, которые непосредственно состоят из атомов. Перейдем теперь к веществам сложным, т.-е. соединениям. Они также состоят из мельчайших частиц, которые, однако, называются молекулами, причем все молекулы одного и того же сложного вещества совершенно одинаковы. Каждая молекула состоит из атомов тех простых веществ, соединение которых и образовало данное сложное вещество. Ясно, что молекула состоит из атомов, которые не все равны между собою. Приведем ряд примеров. Вода состоит из молекул воды; каждая молекула воды состоит из трех атомов, а именно: одного атома кислорода и двух атомов водорода. Отсюда следует, что вода есть соединение двух простых веществ — кислорода и водорода. Молекула обыкновенной поваренной соли состоит из одного атома хлора и одного атома металла натрия. Молекула медного купороса — из одного атома меди, одного атома серы и четырех атомов кислорода. Молекула чистого спирта состоит из девяти атомов, а именно: из двух атомов углерода, шести атомов водорода и одного атома кислорода. Еще укажу на сахар, каждая молекула которого состоит из 45-ти атомов, а именно: из 12-ти атомов углерода, 11 атомов кислорода и 22 атомов водорода.
В течение всего прошлого, девятнадцатого столетия наука занималась изучением состава молекул всевозможных веществ. Она не ограничивалась теми веществами, которые встречаются в природе, напр., в телах животных и растений, но и сама сумела получить несколько сот тысяч новых веществ. Дальше наука не шла в изучении внутреннего устройства вещества. Она знала, что вещество состоит из молекул, а молекула из атомов. Наука не ставила вопроса об устройстве атома; она не могла ответить на вопрос, чем отличается, напр., атом меди от атома серы, или атом углерода от атома кислорода. Только в текущем, 20-м столетии, наука сделала огромный шаг вперед и гораздо глубже вникла в строение вещества, решив вопрос о внутреннем устройстве атомов, и в то же время вопрос о том, чем отличаются друг от друга атомы различных простых веществ.
Но прежде, чем обратиться к этому великому научному открытию, мы должны немного поговорить о том, что мы знаем об электричестве.
Не даром наше время называют веком электричества; вы все знаете, какие чудеса творятся при помощи электричества. Наверное вы также знаете, что существуют два электричества, которые называются положительным и отрицательным. Если, напр., стекло натирать куском шерсти, то на стекле появляется положительное электричество, а на шерсти — отрицательное. Эти два электричества всегда действуют с одинаковой силой, но в противоположные стороны; это значит, что если какое-нибудь тело притягивается положительным электричеством, то это же тело отталкивается отрицательным электричеством и наоборот. Если взять эти два электричества в равных количествах и смешать их, то эта смесь ничем не будет обнаруживать своего существования; она не будет действовать ни на какие тела. Тело, которое ненаэлектризовано, называется нейтральным.
Теперь я расскажу, что узнала наука про эти два электричества. Оказалось, что отрицательное электричество состоит из очень, очень маленьких отдельных крупинок, которые называются электронами. Электрон еще гораздо меньше самого маленького атома, а именно атома водорода. Вес электрона в 1840 раз меньше веса атома водорода. Положительное электричество также состоит из отдельных крупинок, которые называются протонами. Протон еще много меньше электрона, но зато его вес почти равен весу атома водорода.
Заметьте еще, что электроны отличаются большею подвижностью. Когда мы имеем дело с движением электричества, то почти без исключения оказывается, что движется электричество отрицательное, т.-е. движутся электроны. Когда в проволоке имеется электрический ток, то это значит, что внутри проволоки движутся электроны. Протоны мало подвижны и очень редко случается, что движутся отдельные протоны. Они сидят неподвижно внутри вещества, а где они сидят — об этом вы скоро узнаете.
Представим себе какое-либо ненаэлектризованное, т.-е. нейтральное тело, напр., кусок меди, на котором не замечается присутствия ни положительного, ни отрицательного электричества. Легко сообразить, что тут могут быть два случая. Возможно, что кусок меди вовсе не содержит в себе ни электронов, ни протонов; но возможно также, что нейтральный кусок меди содержит одинаковое число электронов и протонов, которые хорошо между собою перемешаны, так что они все вместе никакого действия не обнаруживают, потому что электроны и протоны действуют в противоположных направлениях, как я вам уже говорил.
Наука вполне решила этот вопрос. Оказалось, что всякое тело содержит в себе неимоверно громадное число электронов и протонов, и притом, конечно, в равных количествах, когда тело ненаэлектризовано. При этом только электроны обладают большою подвижностью, а протоны-домоседы, крепко сидят в определенных местах, как вы скоро узнаете. Если, по какой-либо причине, число протонов в теле сделается больше числа электронов, то протоны получают перевес, и тело представится нам наэлектризованным положительно. Если же число электронов сделается больше числа протонов, то ясно, что тело, напр., кусок меди, который сперва был нейтральным, теперь окажется наэлектризованным отрицательно.
Однако, если вы немножко подумаете, то легко поймете, что каждая из двух электризаций может произойти двумя манерами. Положим, что нейтральный кусок меди каким-нибудь способом наэлектризовался положительно. Что же тут произошло? Вы, может быть, скажете, что к этому куску меди откуда-нибудь пришли протоны. Но это ведь быть не может, так как протоны, вообще говоря, отдельно не движутся, как я уже говорил. Так в чем-же дело? Медь наэлектризовалась положительно; значит, число протонов в нем стало больше числа электронов; протоны получили перевес над электронами. Вы и сами, конечно, легко догадаетесь, каким образом такой перевес мог получиться. Очень просто: от куска меди ушло некоторое число электронов. Их число в куске меди стало меньше числа протонов, так что последние получили перевес, и тело представилось нам наэлектризованным положительно. Отрицательная электризация происходит, конечно, от того, что к нейтральному телу откуда-нибудь пришли электроны. Ясно, что отрицательная электризация могла-бы и от того произойти, что у нейтрального тела ушло некоторое количество протонов. Но этого не бывает, так как ленивые протоны не любят двигаться и крепко держаться своих насиженных мест.
Повторим еще раз: нейтральное тело электризуется положительно, когда от него уходят электроны; оно электризуется отрицательно, когда к нему приходят электроны. Теперь уже легко сообразить, что именно происходит, когда мы натираем стекло шерстью, причем, как мы видели, стекло электризуется положительно, а шерсть отрицательно. Это значит, что стекло потеряло электроны, а шерсть их получила. Ясно, что произошел переход электронов от стекла к шерсти.
Мы получили очень важный результат, который можем обобщить: всякая электризация, как положительная, так и отрицательная, вызывается передвижением электронов. Теперь понятно, почему никогда не возникает только одна электризация, т.-е. только положительная или только отрицательная, а всегда обе одновременно, напр., на одном теле положительная, а на другом — отрицательная. Это ясно: когда электроны движутся, то значит, они откуда-то уходят и куда-то приходят. Первое место электризуется положительно, второе — отрицательно.
Вот и всё, что я хотел вам рассказать об электричестве, о юрких электронах и флегматических протонах. Все это нам сейчас понадобится.
Теперь мы перейдем к самому интересному вопросу, к вoпросу: что такое атом, как он устроен? Я уже говорил, что этот вопрос был решен всего только 14 лет тому назад, а именно в 1913 году. Решением этого вопроса должно гордиться наше столетие. Боюсь, что те мысли, которые я сейчас буду высказывать, произведут на вас почти ошеломляющее действие, что вам трудно будет с ними свыкнуться, поверить в их справедливость. Однако, за эти 14 лет наука о строении атома получила такое широкое развитие, и все ее выводы оказались столь точными, что всякие сомнения должны были давно исчезнуть.
Уже в прошлом столетии ученые заметили, что целый ряд явлений ясно указывает на присутствие электричества в атомах. По современному это значит, что в них находятся электроны и протоны, и притом в равных количествах, если мы имеем дело с обыкновенным, нейтральным, т.-е. не наэлектризованным атомом. Я не стану описывать этих явлений и только вкратце упомяну о двух из них. — Когда мы растворяем в воде какую-нибудь соль, напр., поваренную, нашатырь, селитру, соду, поташ, медный купорос, глауберову соль, бромистый натрий и т. д., или какую-нибудь кислоту, напр., серную, азотную или соляную, то оказывается, что мнoгие из молекул растворенной соли или кислоты распадаются на две части, из которых одна наэлектризована положительно, а другая — отрицательно. Это значит, что первая потеряла один или несколько электронов, а другая приобрела такое же их количество. Ясно, что, когда молекула соли или кислоты распадается на две части, то одна часть берет себе несколько лишних электронов, обижая другую, вследствие чего первая имеет избыток электронов, а вторая — избыток протонов. Приведу два примера. — Я вам уже говорил, что молекула поваренной соли состоит из одного атома металла натрия и одного атома хлора. В воде такая молекула разделяется на эти два атома, причем на атоме хлора оказывается один лишний электрон, а на атоме меди2) недостает одного электрона. — Другой пример. Мы знаем, что молекула медного купороса состоит из шести атомов, а именно: из одного атома меди, одного атома серы и четырех атомов кислорода. В воде такая молекула распадается на две части, из которых одну составляет атом меди, а другую — группа из остальных пяти атомов. При этом оказывается, что атом меди потерял два электрона, так что он содержит два лишних протона, а та группа приобрела два электрона. Атом меди наэлектризован положительно, а та группа — отрицательно.
Далее были открыты разнообразные явления, при которых несомненно выскакивают электроны из атомов или молекул вещества, причем атом или молекула остаются наэлектризованными положительно. Все описанные явления ясно показывают, что внутри атомов должны находиться как электроны, так и протоны.
В течение долгого времени ученые старались сообразить, каково должно быть устройство атомов, чтобы оно могло об'яснить все эти явления. При этом ученые предполагали, что атом состоит из обыкновенной материи, к которой каким-то образом, прикреплены электроны и протоны. Однако, все попытки в этом направлении оказались неудачными. Величайшему ученому физику конца прошлого столетия, англичанину, лорду Кельвину пришла в 1902 году в голову смелая мысль, что атом вообще не содержит никакой материи, но состоит только из положительного и отрицательного электричества. В то время еще ничего не знали о протонах. Лорд Кельвин предположил, что атом состоит из шарика положительного электричества, внутри которого движутся электроны, состоящие из электричества отрицательного. Эту мысль подхватил и подробно развил другой знаменитый английский ученый Дж. Томсон, и в течение некоторого времени она пользовалась большим вниманием со стороны ученых. Однако, исходя из этой мысли, нельзя было об'яснить целого ряда очень важных явлений, особенно тех, которые обнаруживаются светящимися газами и парами.
Тогда выступил третий английский ученый Резерфорд, который ныне пользуется громкой славой и о работах которого иногда приходится читать в наших газетах. В 1911 году он также предположил, что атом состоит из двух электричеств, которые, однако, иначе расположены в нем, чем думал Томсон. По мысли Резерфорда, всякий атом, какому бы элементу он ни принадлежал, содержит внутреннее ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электричества, причем, однако, положительного имеется больше, чем отрицательного, так что ядро действует как некоторое количество электричества положительного. На различных расстояниях от этого ядра движутся вокруг него отдельные электроны. Теперь мы знаем, что положительное электричество состоит из протонов, причем каждый протон содержит столько положительного электричества, сколько электрон содержит отрицательного. Мы, знаем, что обыкновенный нейтральный атом должен содержать одинаковое число электронов и протонов. Отсюда ясно, что число протонов в ядре нейтрального атома должно равняться числу всех электронов в атоме, т.-е. тех, которые также находятся в ядре, и еще тех, которые обращаются вокруг ядра. Так, напр., в ядре нейтрального атома цинка находятся 65 протонов, а вокруг ядра обращаются 30 электронов; ясно, что внутри ядра должны находиться еще 35 электронов. В глаза бросается, что строение атома удивительно напоминает строение нашей солнечной системы, в центре которой находится солнце, а вокруг него обращаются, на различных расстояниях планеты, к которым принадлежит и наша Земля. Таким образом каждый атом представляет как бы солнечную систему в очень маленьком масштабе.
В 1919-м году появились работы одного из величайших современных ученых, датского ученого Бора. Он целиком принял основные мысли Резерфорда, но при этом он с'умел точно указать, по каким путям — или, как говорят, по каким орбитам — движутся электроны вокруг ядра атома. Это привело к неслыханно-грандиозному расцвету науки физики, к которой прибавился целый ряд новых, и притом особенно важных и интересных отделов. Оказалось возможным об'яснить длинный ряд явлений, относящихся к испусканию света различными веществами. Раньше никто не мог их об'яснить, и они представлялись совершенно загадочными. Сюда относятся, напр., все те явления, которые обнаруживают световые спектры; о них, наверное, многие из вас слыхали. Учение Бора о внутреннем строении атомов вполне об'яснило также происхождение и разнообразные свойства лучей Рентгена.
Не стану вас утруждать перечислением различных других успехов физики, основанных на учении Бора о строении атомов. Достаточно сказать, что немецкий ученый Зоммерфельд написал книгу в 864 страницы, которая вышла в 1924 году уже четвертым изданием. Она переведена на русский и на многие другие языки. Вся эта толстая книга содержит исключительно только изложение учения Резерфорда и Бора о строении атома, а также те следствия, которые были выведены из этого учения для об'яснения разнообразнейших световых, электрических и магнитных явлений. Однако, несмотря на огромный об'ем этой книги, она все-таки далеко не исчерпывает всего, что дало науке новое учение об атоме. Чтобы в настоящее время все исчерпать, можно было бы заполнить две такие книги.
Теперь спрашивается: сколько же протонов и сколько электронов находятся в ядре атома какого-нибудь простого вещества, и сколько электронов движутся вокруг этого ядра? Чем атомы различных веществ отличаются друг от друга? Я уже говорил, что всего существует 92 элемента. Оказывается, что все эти элементы можно расположить в один определенный ряд, так что каждый элемент будет иметь свой номер. На этот ряд и его громадное значение для химии и для физики указал впервые наш великий ученый Дмитрий Иванович Менделеев, прославивший этим на весь мир свое имя, русскую науку, а вместе с ней и весь русский народ. Укажу номера некоторых элементов. №1 — водород, №2 — газ, который называется гелий, №8 — кислород, №16 — сера, №26 — железо, №29 — медь, №47 — серебро, №53 — иод, №79 — золото, №82 — свинец, наконец, последний №92 — уран. Вспомните еще, что я вам говорил об атомном весе, который для водорода принимается равным единице; для атома гелия он равен 4, для атома серы 32, для атома серебра 107 и т. д. Атомные веса для всех элементов давно известны. Вот теперь мы можем ответить на вопрос о числе электронов и протонов в различного рода атомах. Число протонов в ядре равно атомному весу, а число электронов, которые обращаются вокруг ядра, равно номеру элемента. Теперь уже легко сообразить, сколько электронов должно находиться в ядре, так как общее число электронов должно в нейтральном атоме равняться числу протонов, которые все сидят в ядре.
Приведу несколько примеров. Рассмотрим атом водорода. Его номер один, и его атомный вес единица. Значит атом водорода состоит из одного протона, вокруг которого обращается один электрон; понятно, что один протон и один электрон составляют атом нейтральный. Атом газообразного гелия имеет номер 2 и атомный вес 4. Значит ядро атома гелия содержит 4 протона, а вокруг ядра обращается 2 электрона. Чтобы атом гелия был нейтрален, необходимо, чтобы внутри атомного ядра находились еще два электрона. Таким образом, ядро атома гелия состоит из 4 протонов и 2 электронов. Возьмем последний пример: серебро. Номер серебра 47, а его атомный вес 107. Отсюда следует, что ядро атома серебра содержит 107 протонов, а вокруг ядра обращаются 47 электронов. Ясно, что ядро нейтрального атома серебра должно содержать еще 107 — 47 = 60 электронов; тогда общее число электронов в атоме, т.-е. 47 и 60, будет равняться числу протонов 107.
Ограничимся этими примерами.
Вы видите, какой огромный шаг сделала наука за последние 14 лет. Давно было известно, что вещество состоит из молекул, а молекулы из атомов. Теперь окончательно установлено, что атомы состоят из электронов и протонов, причем точно известно, что находится в ядре атома и сколько электронов обращаются вокруг ядра. Отличаются атомы различных простых веществ друг от друга числом протонов и электронов, находящихся в ядре, а также числом электронов, обращающихся вокруг ядра. Вот и вся разница, напр., между кислородом и серой, между медью и иодом, между железом и ртутью и т. д.
До недавнего времени думали, что в мире существует 92 вещества, настолько по существу различных между собою, что их атомы ничего общего между собою не имеют, совершенно не похожи друг на друга. Предполагалось, что, напр., атом серы это очень маленький кусочек серы, а атом меди — очень маленький кусочек меди. Ничего между ними нет общего и быть не может. Теперь мы знаем, что это не так. И атом серы и атом меди состоят исключительно только из электронов и протонов, а отличаются эти два атома друг от друга числом и распределением электронов и протонов. Вместо 92-х различных веществ, существуют только два: отрицательное и положительное электричества, т.-е. электроны и протоны.
Получается грандиозный результат: весь мир состоит из электричества; ничего нет кроме электронов и протонов. В этом заключается также грандиозное упрощение нашего миропонимания: два вещества вместо 92-х. Человечество должно гордиться тем, что ему удалось так глубоко познать строение вещества, а мы с вами можем радоваться, что живем в эпоху столь громадных успехов науки.
1) Эта статья была передана, как радио-лекция, Ленинградской широковещательной станцией. (стр. 1.)
2) Так в тексте статьи. Очевидно, что речь идет не об атоме меди, а об атоме натрия. (примечание составителя) (стр. 6.)