Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

А вот изменить заряд ядра атома ученые того времени не могли. Заряд ядра атома остается постоянным независимо от количества электронов. Таким образом, все разнообразие атомов и соответственно химических элементов удобнее всего характеризовать по разности зарядов их атомных ядер.

Но как определить точную величину заряда атомного ядра? Ответ подсказали рентгеновские лучи.

Рентген получил свои лучи, направив катодный луч на стекло стенки катодной трубки. Электроны, проникая сквозь какой-либо объект, замедляются, и при достаточной толщине объекта они могут остановиться полностью. Согласно теории электромагнетизма Максвелла понижение скорости заряженных частиц приводит к возникновению электромагнитного излучения, в данном случае — рентгеновских лучей.

Понятно, что вещество, состоящее из более тяжелых атомов, будет эффективнее задерживать электроны, а рентгеновское излучение будет более интенсивным. Именно поэтому физики стали помещать металлическую пластину внутри катодной трубки непосредственно перед катодом. Электроны, попадая на эту пластину — антикатод («напротив катода»), тормозятся, и появляется мощное рентгеновское излучение. Такая трубка получила название рентгеновская.

В 1911 году английский физик Чарлз Баркла (1877–1944) обнаружил, что свойства получаемых рентгеновских лучей зависели от материала, из которого сделан антикатод, то есть определенный материал производил определенные группы лучей. Баркла мог судить о различиях этих групп лишь по их проникающей способности. Лучи одной группы могли проходить сквозь толстый материал, другой — сквозь более тонкие и т. д. Чем жестче рентгеновский луч, тем выше его проникающая способность. Впоследствии самые жесткие лучи стали называть лучами группы К, менее жесткие — группы L, М и т. д. Определенные материалы производят определенное, т. е. уникальное рентгеновское, излучение.

Жесткость лучей уникального излучения зависит от металла, из которого сделан антикатод. Чем выше атомный вес металла, тем «тверже» производимые им рентгеновские лучи. Стало очевидным, что если точно измерить их «твердость», то можно узнать много интересного об атомном ядре.

К сожалению, результаты измерения жесткости рентгеновских лучей по их проникающей способности были весьма приблизительными, нужно было что-то более точное. Ученые давно предполагали, что рентгеновские лучи являются частным случаем электромагнитного излучения (впрочем, когда Баркла анализировал результаты своих экспериментов, это еще не было доказано). Если это так, тогда чем короче длина рентгеновского луча, тем выше его энергия и проникающая способность. Таким образом, измерения длины волны (т. е. частоты) рентгеновских лучей дают возможность точно определить степень их жесткости.

Но как измерить длину волны? По идее для этого нужно использовать дифракционную решетку (см. ч. II). Дифракционная решетка — это экран с большим количеством параллельных щелей. Ширина щелей должна быть равна длине измеряемой волны. Длина рентгеновского луча намного меньше длины ультрафиолетового излучения, поэтому создать такую решетку практически невозможно.

В 1912 году немецкий физик Макс Лауэ (1879–1960) предложил для измерения длины волны рентгеновского излучения использовать кристаллы. Структура кристалла представляет собой расположенные рядами атомы, иначе говоря, кристалл является естественной дифракционной решеткой. Ни одна дифракционная решетка, созданная человеком, не обладает столь малой шириной щелей.

Расстояние между атомными ядрами, которые и будут разлагать пучки рентгеновских лучей в спектр так же, как щели обычной дифракционной решетки разлагают в спектр обычный свет, составляет около 10 –8см, что приблизительно и равно длине волны рентгеновского луча.

В опытах Лауэ пучок рентгеновских лучей, проходя сквозь кристалл сульфида цинка, падал на фотопластинку, оставляя вместо четкого отпечатка узор из нескольких точек. Значит, дифракция рентгеновских лучей действительно имела место, что и послужило доказательством волновой природы рентгеновского излучения.

В том же году два английских физика, Уильям Генри Брэгг и его сын, Уильям Лоренс Брэгг, развили идею Лауэ. Проанализировав поведение проходящих через кристалл рентгеновских лучей, они пришли к выводу, что угол отклонения лучей зависит от расстояния между атомами кристалла и от длины волны. Зная расстояние между атомами, можно определить длину волны.

Метод позволял высчитать длину волны рентгеновского луча с достаточной точностью. Спектр рентгеновского излучения, появляющегося при столкновении электронов с преградой, колеблется от 1 (нижняя граница диапазона ультрафиолетового излучения) до 0,01 миллимикрона (7 октав).

Использование метода Брэгга давало возможность изучить уникальные рентгеновские излучения, о которых говорил Баркла, что и было сделано в 1913 году английским физиком Генри Гвином Джефрисом Мозли (1997–1915).

Мозли изучал рентгеновские лучи группы К применительно к 12 следующим друг за другом элементам периодической системы и обнаружил, что длина волны уменьшалась (то есть частота повышалась) с увеличением атомного веса, причем квадратный корень длины волны увеличивался пошагово.

Мозли предположил, что причиной этому является пошаговое увеличение заряда ядра атома. Ученый пришел к выводу, что ядро простейшего атома несет заряд +1, заряд следующего +2, еще следующего +3 и т. д. Мозли назвал величину этого заряда атомным числом.

Ученый оказался прав. Сегодня за атомный вес водорода принято число 1, гелия — 2, лития — 3 и т. д. В настоящее время определены атомные числа всех известных элементов. В табл. 3 элементы представлены в порядке увеличения их атомных чисел от 1 до 103.

Для периодической системы атомные числа имеют гораздо более важное значение, чем атомные веса. Для того чтобы в таблице все элементы одного семейства были на своих местах, Менделееву пришлось поставить некоторые более тяжелые элементы перед более легкими. Так, кобальт с атомным весом 58,93 стоит перед никелем с атомным весом 58,71.

Мозли выяснил, что кобальт, несмотря на больший атомный вес, производит рентгеновские лучи более низкой, чем никель, частоты. Поэтому и атомное число у кобальта (27) меньше, чем у никеля (28). Хотя Менделееву ничего не было известно о рентгеновских лучах, интуиция химика не подвела его.

Таким образом, если рассматривать те пары элементов, что стоят в периодической системе не по порядку возрастания их атомных весов (аргон — калий, кобальт — никель, теллур — йод), а с точки зрения возрастания атомных чисел, то все становится на свои места.