1
Изотоп тория с массовым числом 230. —
Прим. ред.
Осознание
того, что электрон и ядро атома водорода, названное «протоном»,
образуют исходные единицы атомной структуры, открывает перед нами
перспективу чисто электрической природы материи. До сих пор, как
мы видели, интерпретация основной массы физических и химических
опытных данных не зависела от проблемы внутреннего строения атомных
ядер, имеющей специфические стороны, которые будут обсуждаться ниже.
При этой интерпретации ядро достаточно рассматривать как заряженную
материальную точку; и мы касались только проблемы конфигурации
внеядерных электронов, число которых в нейтральном атоме, конечно,
определяется зарядом ядра. Так, первый элемент в периодической
таблице, а именно водород, содержит один электрон в атоме, а второй
элемент, гелий, содержит два внеядерных электрона. Поэтому из общих
идей Томсона относительно соотношения между числом электронов и
периодической таблицей было неизбежным обобщение, состоящее в
том, что для любого элемента число внеядерных электронов в
нейтральном атоме определяется целым числом, так называемым
атомным номером,
который определяет положение элемента в периодической таблице, часто
называемой «естественной системой элементов». Эта
точка зрения находилась в очевидном соответствии с законом
радиоактивного смещения и согласовалась в пределах
экспериментальных ошибок с первоначальной резерфордовской оценкой
заряда ядра, полученной из измерений Гейгера и Мерсдена рассеяния
-лучей.
Затем это было непосредственно подтверждено более точными
измерениями Чэдвика этого рассеяния, так же как и обновлёнными
исследованиями рассеяния рентгеновских лучей в веществе,
интерпретируемого на основе знаменитой формулы Томсона.
Экспериментальное доказательство этого фундаментального пункта
получило необычайно сильное подтверждение главным образом
благодаря блестящим исследованиям Мозли
характеристических рентгеновских спектров элементов. Резюмируя,
мы можем сказать, что в отношении согласования всех обычных
свойств вещества резерфордовская модель атома поставила перед нами
задачу, напоминающую старую мечту философов: свести интерпретацию
законов природы к рассмотрению только чисел.
*
Однако, начиная работу по этой интересной программе, сразу сталкиваемся с
трудностями чрезвычайно серьёзного характера, которые па первый
взгляд казались фатальными для всей концепции электрического строения
атома. В самом деле, согласно классическим теориям, никакая
система заряженных материальных точек не будет обладать
стабильностью,
которая должна быть приписана структуре атома, чтобы объяснять
химические и физические свойства вещества. Такие системы не будут
иметь статических состояний устойчивого равновесия в обычном
механическом смысле; требуемым условиям не будет удовлетворять также
любое динамическое состояние. Даже в простейшем случае
атома, состоящего из положительно заряженного ядра и одного
электрона, это совершенно очевидно. Верно, что, согласно
механике Ньютона, две частицы, притягивающиеся в соответствии с
законом Кулона, будут двигаться по кеплеровскому эллипсу вокруг их
общего центра тяжести. Но это решение, которое удовлетворительно
объясняет устойчивость движений планет, даёт возможность понять,
почему электрон и протон образуют атом с соответствующими
химическими свойствами и характерным линейчатым спектром
водорода. Без каких-либо теоретических рассуждений о происхождении
солнечной системы ясно, что размеры земной орбиты и
продолжительность года существенно определяются начальными условиями
и могут каждый день меняться при столкновениях с метеоритами. С
другой стороны, определённость атома водорода при самых
различных условиях весьма впечатляюще проявляется в
отождествлении спектральных линий излучения далёких звёзд со
спектром водорода, полученным в обычных разрядных трубках. Если
мы глубже вникаем в происхождение этого спектра, положение становится
ещё хуже. Действительно, само испускание лучистой энергии атомом
будет сопровождаться, согласно обычным
электромагнитным представлениям, постепенным уменьшением
размеров электронной орбиты и периода обращения; такой процесс
сделает невозможным появление резких монохроматических спектральных
линий и в конечном счёте приведёт к соединению электрона и
протона в некоторую нейтральную систему с линейными размерами,
чрезвычайно малыми по сравнению с размерами реальных атомов. Подобные
замечания, очевидно, справедливы для любой атомной системы
рассматриваемого типа. В самом деле, из обычной механики и
электродинамики невозможно вывести никаких аргументов, которые
позволяют объяснить, почему электрические составные части атома не
нейтрализуют друг друга путём, который мог быть катастрофическим
для стабильности материальных тел.
