Содди выяснил, что если элемент испускает α-частицу, а затем две β-частицы, то получается не исходный элемент, а другое вещество с такими же химическими свойствами, но другим временем полураспада. При обсуждении этой видимой нестыковки во время семейного ужина шотландский врач Маргарет Тодд предложила Содди термин «изотоп» для обозначения веществ, которые занимают одно место в периодической таблице. Первый признак существования изотопов обнаружил Дж. Дж. Томсон, когда нашел две линии, приписываемые неону, в каналовых (анодных, или положительных) лучах.
Окончательное доказательство предоставил его ученик Фрэнсис Уильям Астон после возвращения с Первой мировой войны. С помощью масс-спектроскопии, которую открыл Томсон, Астон выделил два вида газа неона массой 20 и 22 и предложил свое правило целого числа, согласно которому элементы, атомная масса которых не является целым числом, имеют несколько изотопов в значимых пропорциях. Этому правилу подчиняется неон с атомной массой 20,2 — это промежуточное значение между атомной массой неона-20, относительная распространенность которого составляет 90,5%, и неона-22 с распространенностью 9,5%. Подобный же случай представляет и хлор, атомная масса которого 35,45 соответствует промежуточному значению между массой изотопа хлор-35 (76%) и хлор-37 (24%). В 1922 году Астон получил за свои исследования Нобелевскую премию по химии. Атомная масса перестала быть характерным свойством химического элемента, подтверждая зарождение химии невзвешиваемого, о которой говорила Мария Кюри.
* * *
ЗАКОНЫ СОДДИ-ФАЯНСА О РАДИОАКТИВНОМ РАСПАДЕ
Эти три закона были предложены Фредериком Содди и Казимиром Фаянсом независимо друг от друга в 1913 году.
1. Когда радиоактивный атом испускает α-частицу, массовое число получившегося атома (А) уменьшается на 4 единицы, а атомный номер (Z) — на 2. Например,
2. Когда радиоактивный атом испускает β-частицу, атомный номер (Z) увеличивается (β-) или уменьшается (β+) на единицу, а массовое число (А) остается постоянным. Например,
3. Когда возбужденное ядро испускает электромагнитную радиацию (γ), не меняются ни А, ни Z, происходит только потеря энергии.
Сегодня известно, что α-частица — это ядро атома гелия (следовательно, ее символ — 42Не), в то время как частицы β и β+ — электроны и позитроны соответственно.
* * *
Генри Мозли, еще один партнер Резерфорда в Манчестере, определил характерное свойство каждого элемента. Он измерил спектры излучения рентгеновских лучей всех известных в то время элементов и выяснил, что квадратный корень частоты испускаемых рентгеновских лучей пропорционален уникальной частоте для каждого элемента. Мозли определил эту величину как заряд центрального положительного ядра и назвал ее Z, что сегодня известно как атомный номер. Он опубликовал свои результаты в двух статьях, которые послал незадолго до того, как отправился на фронт. Работы увидели свет в 1913 и 1914 годах. Мозли так и не узнал, что именно в том году, когда он погиб на войне, в 1915-м, он стал бы одним из самых молодых кандидатов на Нобелевскую премию.
Ученый заметил: Z увеличивается в том же порядке, что и атомная масса, кроме таких элементов, как кобальт, никель, йод и теллур. Чему были обязаны эти исключения? Очевидно, существованию более тяжелых изотопов у элементов с меньшим атомным номером. Но почему существуют изотопы? Потому что у ядра есть, помимо протонов, еще одна частица, нейтрон, которая не была обнаружена, потому что у нее отсутствует заряд. Резерфорд догадался о существовании нейтрона еще в 1920 году, но только в 1932 году это экспериментально подтвердил другой его ученик, Джеймс Чедвик. Он сделал это, повторив эксперимент, который провели в Радиевом институте Ирен Кюри и ее супруг Фредерик Жолио-Кюри. Опыт заключался в том, чтобы бомбардировать бериллиевую пластинку α-частицами, что вызвало испускание лучей, которые исследователи посчитали у-лучами высокой энергии, порожденными протонами при прохождении через парафин. Резерфорд подверг сомнению эти результаты; Чедвик поверил в их наличие, но не в толкование. Зная, что нужно искать, и пользуясь подходящим детектором, Чедвик обнаружил нейтрон и получил за это в 1935 году Нобелевскую премию по физике. Так была окончательно решена загадка структуры атома.
* * *
НАСЛЕДИЕ МОЗЛИ
После того как стало известно о дифракции, обнаруженной фон Лауз и Брэггом, Генри Мозли (1887–1915) поехал в лабораторию Брэгга в Лидском университете, потому что хотел больше узнать о взаимодействии рентгеновских лучей с материей. Ознакомившись с источниками рентгеновских лучей, он исследовал их энергию, используя в качестве анодов все 73 химических элемента, известных к тому времени. Он обнаружил линейную связь между длиной волны испускаемых каждым элементом лучей и характерной величиной, которую Мозли определил как ядерный заряд. На основе этих значений он установил новый порядок элементов в периодической таблице, исправив исходный порядок Менделеева на основе значений атомной массы и предсказав существование еще не открытых элементов. Ход эксперимента Мозли схематично показан на рисунке, где приведена схема атома по модели Бора, которая, в свою очередь, основывается на модели Резерфорда: падающий фотон (верхняя волнистая линия) выбивает электрон (правая волнистая линия) из внутренних слоев электронной оболочки. Промежуток заполняется электроном из внешних слоев, который, в свою очередь, испускает другой фотон с энергией (левая волнистая линия), равной разнице между двумя этими уровнями. Каждый химический элемент испускает фотон с характерной энергией, пропорциональной числу протонов ядра. Энергия фотонов порождает флуоресцентные линии рентгеновских лучей, которые помогли Мозли определить атомный номер, Z. Этот процесс — основа одного из самых чувствительных методов недеструктивного химического анализа, флуоресценции рентгеновских лучей. Мозли провел первую часть своего исследования в лабораториях Резерфорда в Манчестере, а последнюю часть — в Кларендонской лаборатории в Оксфорде, где не было даже электрической сети и приходилось покрывать расходы самому. Официально он оставил Манчестер, чтобы вернуться к матери в Оксфорд, но самое главное — он хотел выйти из тени профессора и плеяды его блистательных учеников, которые могли затмить его собственную работу.
