зарядов ядра. Периодическая система является просто упорядочиванием элементов соответственно числам ядерных зарядов. Этот вывод сделал уже в начале 1913 г. А. ван-ден-Брук на основе размышлений о радиоактивности. Однако сделанное им допущение, что заряд ядра всегда равен половине атомного веса, не подтвердилось. Почему существует периодичность (хотя и неточная) химических свойств? Это объясняют с точки зрения теории квант В. Коссель и прежде всего Н. Бор (гл. 14).
Современная физика считает неделимыми только немногие элементарные частицы. Одна - это электрон, другая - ядро атома водорода, протон, с которым исследователи встречались прежде всего при электрических разрядах в газах, например в каналовых лучах. В одном и том же 1932 г. Карл Давид Андерсон открыл в камере Вильсона позитрон - частицу с положительным зарядом и массой, приблизительно равной массе электрона, а Чадвик в опытах с радиоактивными явлениями - нейтрон, незаряженную частицу, имеющую почти ту же массу, что и протон. В космическом излучении, открытом в 1910 г. В. Ф. Гессом и вскоре подтвержденном Вернером Кольхерстером (1887-1946), Андерсон в 1937 г. обнаружил, опять-таки с помощью камеры Вильсона, мезон, теоретически предсказанный в 1935 г. Юкавой. Это, повидимому, - частица с коротким временем жизни, имеющая положительный или отрицательный заряд; она приблизительно в 200 раз тяжелее, чем электрон, и, следовательно, в 10 раз легче, чем протон. Но ядро атома состоит из протонов и нейтронов согласно мысли, высказанной в 1932 г., с одной стороны, В. Гейзенбергом и, с другой стороны, И. Таммом и Д. Иваненко; число зарядов ядра дает количество содержащихся в ядре протонов, а число нейтронов таково, что масса всех протонов и нейтронов дает массу атома. В этой теории, возникшей и подтвержденной на основе изучения радиоактивности, вновь воскресла старая гипотеза Проута.
Возражения, связанные с отклонением от целочис-ленности атомного веса, давно уже больше не существуют. Открытие изотопии многих видов атомов Фр. Содди (1910) установило кажущийся характер этих отклонений. Сначала Содди приписал изотопию только радиоактивным элементам, но постепенно становилось все яснее, что почти каждое место в периодической системе занято не одним, а несколькими видами атомов, которые, конечно, имеют один и тот же ядерный заряд, поэтому также одинаковый порядок распо-
ложения электронов в атоме и одинаковое валентно-химическое поведение, но отличаются по массе. Атомный вес отдельного вида атома теперь действительно очень близок к целым числам - «массовым числам», поскольку единицей считают теперь не массу атома водорода, a 1/16 часть массы наиболее часто встречающегося изотопа кислорода. Это изменение - не очень значительное, поскольку теперь атомный вес обычного водорода получается равным 1,00813. но оно имеет принципиальное значение. Химия постоянно имеет дело со смесями изотопов и получает поэтому только средние значения атомных весов элементов; они вычисляются.из истинных атомных весов и относительной частоты распространения в природе различных изотопов. Небольшие отклонения атомных весов от массовых чисел, которые еще остаются после этого, объясняются на основе эйнштейновского закона инертности энергии (гл. 2) как следствие потери энергии при соединении протонов и нейтронов в атомное ядро.
Химическими методами изотопы нельзя разделить. Но можно их разделить, подвергая, например, канало-вые лучи действию магнитного и электрического полей; тогда изотопы описывают разные пути, так как они при одинаковом заряде имеют разные массы. Эта «масс-спектроскопия» возникла в 1898 г. в связи с уже упомянутыми опытами Вина по отклонениям в электромагнитном поле. Таким путем Дж. Дж. Томсон дал возбудившее сенсацию доказательство изотопно-сти двух видов атома, возникших нерадиоактивным путем, а именно изотопов неона с массовыми числами 20 и 22; с 1919 г. это доказательство было настолько усовершенствовано Ф. Р. В. Астоном, что в 1938 г. уже было известно 260 различных видов атомов (вместо 92 химических элементов). На одном лишь 50-м месте периодической системы, занимаемом цинком, стоят 10 видов атома с массовыми числами от 112 до 124 (химически определенный средний атомный вес равен 118,7). На первом месте стоит вместе с обычным водородом дейтерий, открытый в 1932 г. Г. К. Ури,
имеющий атомный вес 2,014725. С тех пор мы знаем «тяжелую воду», в молекуле которой один или даже оба атома водорода замещены атомами дейтерия. Чтобы точно установить атомные веса и дать твердую основу для заключений о потере энергии при связывании протонов и нейтронов в атомное ядро, необходимо было превратить масс-спектроскопию в точный метод, что сделали А. Дж. Демпстер и особенно Дж. Маттаух.
Среди современных физиков имеет всеобщее распространение убеждение, что не только атомы, которые являются уже довольно сложными образованиями, но также элементарные частицы имеют полную реальность, как и другие вещи внешнего мира. Но даже в XX веке были сомнения в этом. Людвиг Больцман, например, до конца своей жизни страдал оттого, что некоторые ученые не считали созданную им кинетическую теорию газов полноценным физическим методом объяснения. Поворот, который произошел с тех пор, связан с некоторыми новыми знаниями. Мы уже упоминали о термодинамических флюктуациях, как одной из причин этого поворота. Мы могли бы привести еще многое другое, например то, что при интерференции рентгеновских лучей считаются реальными волны рассеяния, возбужденные каждым отдельным атомом, благодаря чему можно построить правильную теорию этого явления (гл. 12). Но больше всего здесь сделала камера Вильсона, которая дала возможность видеть пути отдельных заряженных элементарных частиц или ионизованных атомов и тем самым положила конец всяким сомнениям. Во всяком случае XX век принес полную победу атомистике.
И' все же мы должны существенно пересмотреть наши прежние субстанциональные представления об элементарных частицах. Эти представления связаны с идеей неразрушимости и несоздаваемости, когда каждую элементарную частицу рассматривают как
индивидуум, который при всех испытываемых им изменениях все же остается самим собой и если не фактически в опыте, то мысленно в любой момент может быть признан тождественным себе. Это неприменимо, по крайней мере, к электронам и позитронам. Как установлено в 1933-1934 гг. в исследованиях, примыкающих к открытию позитрона, например в работах П. С. М. Блэккета и Г. П. С. Оккиалини, достаточно большой у-квант при попадании в ядро превращается в электрон и позитрон. И наоборот: при столкновении электрона и позитрона они взаимно уничтожаются, порождая два у-кванта (Отто Клемперер, 1934). При этом вся их масса - не только масса покоя, но и возросшая с движением масса - превращается в энергию излучения соответственно закону Эйнштейна об инертности энергии. Длину волны этого «излучения аннигиляции» измерил в 1949 г. Дж. Дюмонд при помощи кристалл-спектрометра и получил в соответствии с предварительным вычислением результат: 2,43 • 10- 10
ГЛАВА 11
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Едва ли что-либо другое так способствовало изменению представления об атоме, о котором говорилось в главе 10, как радиоактивность. Открыл ее в феврале 1896 г. Анри Беккерель (1852-1908) в связи с опубликованным в начале января 1896 г. открытием рентгеновских лучей (гл. 4).
Эти лучи исходили, при тогдашнем получении их в стеклянных трубках, из флюоресцирующих частей стенки сосуда; возникла мысль, что их причиной могут быть флюоресценция или фосфоресценция. Поэтому Беккерель испытывал ряд фосфоресцирующих тел под влиянием проникающего
