Рис. 20. Иллюстрация из книги по металлургии XVI века (гравюра на дереве). Показана доменная печь для плавления медных и свинцовых руд. А, В — две печи, С — передний горн; D — тигель. Мастер стоит около одной из домен и снимает шлак железной вилкой. Е — железная вилка, F — деревянный гребок, которым снимают спекшиеся куски расплавленных пиритов, G — тигель переднего горна, половина его показана открытой на другой печи, Н — половина, выступающая из печи, I— помощник подготовляет горн; последний отделен от печи, чтобы его было лучше видно, К — чушка, L — трамбовка, М лестница, N — черпак.
Строение атомов
Очень важно больше узнать о строении самих атомов. Надо выяснить, что же существует в 92 различных формах и наделено способностью соединяться, образуя самые разнообразные известные нам вещества; мы должны понять, почему определенные комбинации элементов возможны, а другие — нет, и наконец, мы должны попытаться выяснить, откуда произошли столь высоко организованные системы, как живая материя.
Атомы 92 видов обладают весьма различными свойствами. В обычных условиях одни из них образуют газы, другие — металлы; некоторые, например атомы углерода, способны легко соединяться с другими атомами и образовывать скелет целого ряда химических соединений, тогда как другие, например атомы гелия, неона, аргона, почти никогда не дают соединений. Несмотря на такие различия, атомы имеют примерно одинаковую величину. Это можно показать следующим способом.
Если известно атомное строение молекулы вещества, то легко определить, сколько атомов содержится в данном количестве вещества. Вспомним, что 1 моль воды содержит 6,03·1023 молекул и что это количество занимает около 18 см3.Так как молекула воды состоит из трех атомов (два атома водорода и один атом кислорода), то в 1 моле содержится 18 1023 атомов. Следовательно, в 18 см3 воды[29] содержится примерно это число атомов. Мы получим аналогичное, но несколько меньшее число атомов в равном объеме горной породы: 1 моль кварца занимает 24 см3. Одна молекула кварца тоже состоит из трех атомов — одного атома кремния и двух атомов кислорода. Поэтому в строго равном объеме (18 см3) содержится 3/4 18 1023 атомов, т. е. 13,5 1023 атомов. Беря даже столь различные вещества, как золото, дерево или углерод, мы всегда получаем для числа атомов, содержащихся в 18 см3, величину, лежащую между 10·1023 и 25·1023. Так как в жидких и твердых телах молекулы плотно упакованы и внутри молекул атомы тоже плотно упакованы, мы заключаем, что все атомы имеют примерно одинаковый размер: в объеме 18 см3 помещается от 10·1023 до 25·1023 атомов, т. е. диаметр атома приблизительно равен 10-8 см. Что мы знаем о внутреннем строении атома? Здесь мы приходим к основному вопросу: механизм, действующий в атоме, должен служить ключом к пониманию свойств окружающих нас объектов. В предыдущей главе мы ясно показали важную роль, которую играют электрические заряды, и установили, что электроны составляют существенную часть атома. Решающий опыт был сделан в 1910 г. Эрнестом Резерфордом, Гансом Гейгером и Э. Марсденом; они выполнили «зондирование» атома альфа-частицами — очень быстрыми, электрически заряженными частицами, испускаемыми некоторыми радиоактивными веществами. Они направляли пучок этих частиц на металлическую пластинку и наблюдали, как и насколько изменится направление движения частиц после их прохождения сквозь металл (рис. 21).
Рис. 21. Схема опыта Резерфорда.
Эти измерения говорят кое-что о том, как распределен электрический заряд в атомах металлов. Если бы он был равномерно распределен по всему атому, то при пролете альфа-частиц сквозь атом они никогда не отклонялись бы заметным образом от своего пути. Если же электрический заряд сосредоточен в определенных точках атома, то, подходя к этим точкам, альфа-частицы должны испытывать сильное отклонение. Здесь стоит провести описание опыта, данное самим Резерфордом:
«…Я хотел бы воспользоваться этим примером, чтобы показать, как часто мы наталкиваемся на факты случайным образом. Я уже давно занимался исследованиями рассеяния альфа-частиц, а д-р Гейгер, работавший в моей лаборатории, изучал это явление во всех деталях. Исследуя тонкие образцы тяжелых металлов, он нашел, что рассеяние. оказывается обычно малым, порядка одного градуса. Однажды Гейгер пришел ко мне и сказал: „Не думаете ли Вы, что молодому Марсдену, которого я учу методике исследований радиоактивности, следовало бы начать небольшую исследовательскую работу?“ Я согласился с ним и сказал: „Почему бы не предложить ему выяснить, могут ли рассеиваться альфа-частицы на большие углы?“ Должен сознаться Вам, что я сам не верил в такую возможность. Действительно, как мы знаем, альфа-частицы — это очень быстрые и массивные частицы с большим запасом энергии, и можно показать, что если бы рассеяние было обусловлено эффектом накопления целого ряда незначительных рассеяний, то вероятность рассеяния альфа-частиц в обратном направлении окажется очень малой. Затем я вспоминаю, что два или три дня спустя Гейгер пришел ко мне очень возбужденным и сказал: „Мы получили несколько альфа-частиц, летящих в обратном направлении…“ Это было самое невероятное событие, когда-либо происходившее в моей жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы при стрельбе 15-дюймовым снарядом по куску бумаги Вас бы ранило рикошетом. Поразмыслив, я понял, что это обратное рассеяние должно происходить в результате одного-единственного столкновения, и когда я произвел вычисления, то увидел, что можно получить эффект такого порядка величины, только если допустить существование системы, в которой большая часть массы атома сосредоточена в маленьком по размеру ядре. Тогда я подумал об атоме с маленьким массивным центром, несущим заряд. Я разработал математический закон, которому должно подчиняться рассеяние, и установил, что число частиц, отклоненных на заданный угол, должно быть пропорционально толщине рассеивающей фольги, квадрату заряда ядра и обратно пропорционально четвертой степени скорости. Эти выводы впоследствии подтвердили Гейгер и Марсден рядом прекрасных опытов»[30].
После этих опытов и целого ряда последующих стало совершенно ясно, что атом состоит из положительно заряженного, маленького, но массивного ядра (в котором сосредоточена основная масса атома), окруженного отрицательно заряженными электронами, гораздо более легкими, чем ядро. Истинный размер ядра чрезвычайно мал. Его диаметр лежит между 10-13 и 10-12 см, в зависимости от рода атома, т. е. примерно в 10 000 раз меньше диаметра самого атома; однако ядро очень тяжелое, так как в нем сосредоточена почти вся масса атома. Резерфорд и другие физики, в частности Мозли, определили число электронов в каждом атоме и положительный заряд атомного ядра. Поскольку сам атом электрически нейтрален, отрицательно заряженные электроны должны уравновешивать заряд положительно заряженного ядра. Следовательно, число электронов всегда должно равняться заряду ядра, выраженному в единицах заряда электрона. Это число характерно для атомов каждого рода. Водород, например, имеет один электрон и один положительный заряд в ядре, гелий — два электрона, литий — три и т. д., вплоть до урана с его 92 электронами и ядром, несущими 92 единицы положительного заряда. Это число называется атомным номером Z. Каждый элемент имеет свой характерный атомный номер Z, указывающий величину положительного заряда ядра и число электронов в атоме.