На этом месте форма

Атомистика

Становление и развитие современной атомистики

Часть I

«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания вдруг оказались уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза: все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в непрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому».

И тем не менее именно атом является важнейшим понятием, в немалой степени определяющим устройство мироздания.
Атомистика, или учение об атомах, – одна из древнейших областей познания мира – возникла в античные времена. В термине «атом» уже изначально заключалось противоречие, которое суждено было разрешить несколько тысячелетий спустя. Ибо «атом» означает «неделимый», тогда как именно делимостью, причем в разных ипостасях, характеризуется эта частица материи. Забегая вперед, отметим, что в 1940-х гг. один из создателей современной атомистики – Фредерик Содди – подверг критике термин «атомная энергия». Как считал ученый, этот термин означает «энергия неделимого». В то же время речь шла как раз об «энергии делимого». Мнение Содди представляет, конечно, лишь чисто исторический интерес.
Многие философы и естествоиспытатели на протяжении тысячелетий так или иначе обсуждали предмет атомистики. В античные времена лучшим выразителем ее сущности, пожалуй, был Демокрит (около 460–370 гг. до н. э.). Исходные пункты его представлений таковы:

1. Из ничего ничто произойти не может; ничто существующее не может быть уничтожено, и всякое изменение состоит лишь в соединении и разделении.
2. Нет случайности, а всему есть причина и необходимость.
3. Атомы, бесконечные по числу и по форме, своим движением, столкновением и возникающим оттого круговращением образуют видимый мир.
4. Различие предметов зависит только от различия числа, формы и порядка атомов, из которых они образованы.
5. Дух, как и огонь, состоит из мелких, круглых, гладких, наиболее легко подвижных и легко всюду проникающих атомов, движение которых составляет явление жизни.

Джон Дальтон

Джон Дальтон

В этом описании сущности атомистики нет даже намека на то, что же представляет собой собственно атом. С незапамятных времен он рисовался воображению как материальная неделимая частица; впоследствии стал рассматриваться в качестве мельчайшей частицы химического элемента, который определяли как совокупность одинаковых атомов конкретной природы. В 20-х гг. XVIII в. появилось понятие «молекулы» – определенного сочетания атомов (разнородных или однородных). В XIX в. возникло атомно-молекулярное учение, для становления которого была необходима революция в химии, происшедшая на рубеже XVIII и XIX столетий, в первую очередь благодаря А.Лавуазье и Дж.Дальтону.
Английский ученый приписал атому количественную «мерку» – относительный вес. К каждому элементу, к каждому химическому соединению можно было теперь подходить с количественной оценкой, а отсюда был уже один шаг до написания формул соединений и записи уравнений химических реакций. Именно Дальтону принадлежит честь создания химической атомистики в начале XIX в.
Под знаком атомно-молекулярного учения эволюционировало естествознание в том столетии и к исходу его составило прочную основу классической химии, достигшей выдающихся успехов как в экспериментальных работах, так и в области теории. Но по-прежнему оставался неразрешимым сакраментальный вопрос: что же представляет собой атом?
Дальтон в дневниковой записи от 6 сентября 1803 г. перечисляет следующие особенности атомов:

1. Материя состоит из мельчайших частиц, или атомов.
2. Атомы неделимы и не могут создаваться или разрушаться.
3. Все атомы данного элемента одинаковы и имеют один и тот же неизменный вес.
4. Атомы разных элементов обладают различным весом.
5. Частицы или соединения сформированы из определенного числа атомов состоящих из них элементов.
6. Вес сложной частицы представляет собой сумму весов составляющих ее атомов.

Атомный вес (атомная масса) оказался, как мы уже отмечали, фундаментальной количественной характеристикой, непременным «ярлыком» для каждого химического элемента. Однако было не ясно, все ли элементы имеют целочисленные значения атомных весов или у некоторых эти величины – дробные. Этот вопрос дискутировался на протяжении почти всего XIX в. Немаловажную роль играл выбор шкалы атомных весов, т. е. начальной точки отсчета (применялись шкалы H = 1, O = 100 и т. д.). Разумеется, в зависимости от выбранной шкалы значения атомных весов для одних и тех же элементов различались. Непростым было и экспериментальное определение атомных весов. Поэтому только к середине 1860-х гг. точность определения их значений стала достаточно удовлетворительной и мог быть выстроен естественный ряд химических элементов по увеличению их атомных весов, хотя в нем и обнаруживалось немало изъянов. Сложились предпосылки для различных попыток отыскания рациональных систематик элементов. Достаточно назвать имена А.Бегюи де Шанкартуа, У.Одлинга, Дж.Ньюлендса. Разработка Д.И.Менделеевым естественной системы элементов и формулировка периодического закона также прямо связаны с уточнением величин атомных весов.

Дмитрий Иванович Менделеев

Дмитрий Иванович
Менделеев

Между тем минуло почти 90 лет со времени формулировки Дальтоном постулатов химической атомистики, а атом как некая материальная сущность по-прежнему оставался «вещью в себе». В 1892 г. в «Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона» Менделеев опубликовал обширную статью «Вещество», где существенное внимание уделил проблемам атомистики. Мало что изменилось со времен Дальтона, особой ясности не прибавилось, хотя Менделеев добавил некоторые детали, отвечавшие духу времени. Вот наиболее четко сформулированное его суждение: «Тела ли это определенной твердой формы, например, шаровой или какой иной, вихревые ли это кольца, делимы ли они геометрически, динамические ли это системы или нет – в это не могут еще поныне проникнуть существующие индуктивные способы исследования, и все попытки, сюда направленные, доныне не дали никаких положительных выводов. Таким образом, признаваемые ныне атомы химических элементов составляют последние грани анализа, до которого простирается мысль естествоиспытателя. Так как эти грани признаются химически неделимыми, они и называются атомами».
Менделеев продолжал:

1. Химические атомы каждого элемента неизменны.
2. Видов атомов столько, сколько есть химических элементов (на 1892 г. – около 70).
3. Все атомы данного элемента одинаковы.
4. Атомы имеют вес – несомненно различие (относительного) веса атомов различных элементов.
И заключительный итог: «Хотя поныне самые атомы химических элементов остаются неизвестными в своей сущности и представляют только гипотезу… тем не менее реальное познание о них постепенно наполняется, узнаются естественные законы, управляющие этими гипотетическими существами, рождается возможность предугадывания свойств неизвестных элементарных атомов, а по ним и образуемых ими частиц и веществ».


Часть II

Мало известно научных открытий, в подготовке которых так или иначе принимало бы участие столько выдающихся умов, как в случае электрона. Пожалуй, первым исторически справедливо назвать американского естествоиспытателя Бенджамина Франклина. В середине XVIII в. он разработал «унитарную теорию» электрических явлений, ввел понятия о положительном и отрицательном электричестве и предположил: «электрическая субстанция» состоит из очень мелких частиц, которые легко проникают через металлы.
В следующем столетии Майкл Фарадей сформулировал классические законы электролиза (1833–1834). Они стали существенным аргументом в пользу дискретного характера электричества.
В начале 1870-х гг. немецкий физик Вильгельм Вебер предложил «электрическую модель» атома, как бы состоящего из двух частиц электричества – положительной и отрицательной. По мнению исследователя, отрицательная частица находится в покое, тогда как положительная движется вокруг нее. При очевидной надуманности веберовская модель являет любопытный пример предвидения, взятого, так сказать, с «обратным знаком». Стоит лишь «поменять местами» отрицательную и положительную частицы, как перед нами вырисовывается некий прообраз атомных моделей начала ХХ в.
спустя десятилетие Герман Гельмгольц заявил: «Если мы принимаем гипотезу о том, что элементарные вещества состоят из атомов, то мы не можем не прийти к выводу, что и электричество, как положительное, так и отрицательное, состоит из определенных элементарных порций, ведущих себя подобно атомам электричества».
Почти одновременно с немецким естествоиспытателем в 1874 г. мало кому известный ирландский физик и математик Джордж Стони опубликовал статью «О физических единицах природы». Он также придерживался представления о корпускулярном строении электричества. Стони сделал первую попытку вычислить величину элементарного заряда электричества и нашел, что она составляет 0,3•10–10 абсолютных электростатических единиц (современное значение 4,8•10–10). В 1891 г. ученый впервые употребил термин «электрон» для наименования единицы электрического заряда. По его мнению, электрон «соответствует в химическом атоме каждой связи. Таким образом, в одном химическом атоме может быть несколько таких зарядов и, по-видимому, в каждом атоме их по крайней мере два (один положительный и один отрицательный). Эти заряды, которые удобно назвать электронами, не могут быть отделены от атомов, но они обнаруживаются, когда атомы вступают в химическое соединение».
Эта фраза представляет особый интерес для химика, ибо в ней смутно предполагается участие электронов в химической связи. Пройдет всего лишь десятилетие, и подобные идеи посыплются как из рога изобилия. Но пока-то и сам электрон не обнаружен, и кроме веберовской гипотезы нет попыток «изобразить» строение атома. Однако в понятийный аппарат науки с этого времени термин «электрон» входит раз и навсегда.
Конечно, никакого влияния воззрения Стони не оказали на действительное развитие событий, предшествующих непосредственной констатации существования электрона. Магистральным путем к этому стало изучение катодных лучей. Их открыл немецкий физик Иоганн Гитторф в 1869 г. Работая с разрядной трубкой, Гитторф обнаружил свечение в стекле, которое вызывалось невидимыми лучами, распространявшимися прямолинейно от катода. Потому они и получили название катодных. Оказалось, что лучи отклоняются в магнитном поле. Продолжил исследования Гитторфа его соотечественник Эуген Гольдштейн. Он обратил внимание, что свойства лучей не зависят от материала катода и могут вызывать химические реакции, например, разлагать соли серебра. Но оставалось неясным, имеют ли лучи корпускулярную природу или, подобно световым, волновую.

Важную роль в «одиссее» электрона сыграл английский физик и химик Уильям Крукс. Превосходный экспериментатор, он сконструировал несколько типов разрядных трубок (рис. 1). Это в значительной степени способствовало дальнейшему изучению свойств катодных лучей. Ученый выдвинул оригинальное представление об их природе, полагая, что лучи могли быть «потоком молекул». Несмотря на ошибочность, модель Крукса все же позволяла объяснить многие наблюдавшиеся свойства лучей. Однако ученый предпочитал говорить о них, как о «четвертом состоянии вещества». Несомненной для Крукса была «корпускулярность» катодных лучей.

Рис. 1. Электрический разряд в различных трубках Крукса (а–в).

Рис. 1. Электрический разряд в различных трубках Крукса (а–в).

Если из герметичной трубки удалить практически весь газ (создать высокий вакуум), то электрический разряд примет форму катодных лучей, направленных от отрицательного электрода к положительному под прямым углом к поверхности отрицательного электрода N, независимо от положения положительных электродов p и p' (а).
Трубка Крукса с мальтийским крестом, видна увеличенная тень креста (б)

Напротив, Генрих Герц – один их основоположников электродинамики – придерживался мнения об их волновом характере и рассматривал лучи как новый вид электромагнитных волн.

Минуло уже почти три десятилетия со времени открытия катодных лучей. Их свойства, можно сказать, изучены досконально. Круксовские разрядные трубки стали принадлежностью едва ли не каждой физической лаборатории. Давно в ходу предложенный Стони термин «электрон» для обозначения элементарного электрического заряда. Большинство исследователей придерживаются мнения, что катодные лучи – поток отрицательно заряженных материальных частиц. Проведены количественные оценки величины заряда «электрона».
Так чего же еще не хватало, чтобы собственно констатация существования «электрона» как некоей отрицательно заряженной материальной частицы стала совершившимся фактом? Не требовалось особого воображения для того, чтобы предположить: электрон – воплотись он в реальность! – окажется «субатомной» частицей, меньшей, чем атом, хотя о строении последнего ничего не было известно. Но это в значительной степени противоречило бы основам классической атомистики, провозглашавшей атом мельчайшей частицей вещества. Таким образом, здесь срабатывал своеобразный психологический фактор.
Час электрона пробил в 1897 г. Окончательную констатацию его существования связывают с именами Джозефа Томсона и Эмиля Вихерта, хотя второе имя в историко-научной литературе, энциклопедиях и учебных изданиях либо вообще не упоминается, либо встречается крайне редко. Конечно, как ученый Томсон несравненно более крупная фигура в физике. Но, как мы увидим далее, Вихерт был «крестным отцом» электрона отнюдь не в меньшей степени.
Томсон работал в знаменитой Кавендишской лаборатории и катодными лучами заинтересовался еще в 1894 г. Там, в частности, он сконструировал прибор, который позволял определять отношение заряда частицы к ее массе посредством попеременного отклонения катодных лучей в магнитном и электрическом полях (рис. 2). Этот прибор в конечном счете и дал возможность окончательно разрешить загадку катодных лучей. К концу XIX в. к работам Томсона в научном мире относились с большим вниманием.
Доктор философии Кёнигсбергского университета, физик и в большей степени геофизик (кстати, он одним из первых пришел к выводу о существовании земного ядра), Вихерт не пользовался сколь-либо широкой известностью. Он провел несколько незаурядных исследований в области рентгеновских и катодных лучей.

Рис. 2. Катодная трубка Дж.Томсона для измерения отношения заряда к массе электрона (е/m).

Рис. 2. Катодная трубка Дж.Томсона для
измерения тношения заряда к массе электрона (е/m).

Пластинка D, заряженная отрицательно по отношению к пластинке E, отталкивает поток катодных лучей и вызывает перемещение светящейся точки из положения p в положение p'. Для приведения точки в первоначальное положение используется магнит. В таком случае скорость катодного потока представляет собой соотношение сил электрического и магнитного полей, из которого можно вычислить отношение заряда к массе по двум отдельным отклонениям

…История науки знает немало примеров, когда двое (а порой и больше) исследователей делали одно и то же открытие независимо и практически одновременно, но кому-то из них удавалось первому сообщить о полученных результатах. Обычно ему и приписывался приоритет открытия. Что касается истории электрона, то проблема приоритета в данном случае по существу не обсуждалась.
Вообще говоря, при скрупулезном подходе первенство должно было бы принадлежать Вихерту. В докладе на заседании физико-экономического общества в Кёнигсберге 7 января 1897 г. он заявил, что проделанные им опыты с катодными лучами свидетельствуют о существовании электрических зарядов, которые обладают конечной массой. Вихерт говорил: «…мы должны задаться вопросом, какого рода эти электрические частички, идет ли здесь речь об известных химических атомах или атомных группах или же о телах иного рода… (исследование. – Д.Т.) показало, что мы имеем дело не с атомами, известными из химии, потому что масса движущихся частиц оказалась в 2000–4000 раз меньше, чем у атома водорода, т. е. легчайшего из химических атомов». Позднее Вихерт уточнил массу частицы (1/1000 – 1/2000 массы водородного атома). Это значение уже близко к истинному.

Томсон, по всей вероятности, не знал о январском докладе немецкого ученого, поскольку он был напечатан в малодоступном журнале. Историки науки, говоря о приоритете Томсона, ссылаются на его статью «Катодные лучи», опубликованную в августе 1897 г. В ней содержатся следующие сведения:

1) отношение заряда к массе (e/m) для «частицы материи, заряженной отрицательным электричеством» в катодных лучах, составляет 1,7•107;
2) «таким образом, для носителей электричества в катодных лучах отношение m/e очень мало сравнительно с его значением в процессах электролиза»;
3) «подобное значение m/e может быть связано с тем, что мало m и велико е или с комбинацией обеих причин»;
4) «малое значение m/e… обязано как тому, что велико е, так и тому, что мало m».

В следующем году Вихерт заметил, что Томсон пришел к выводам «об особых электрических атомах», «совершенно аналогичным тем, которые я сделал несколькими месяцами ранее». Впоследствии к вопросу о перипетиях открытия электрона Вихерт не возвращался.
Спустя 40 лет Томсон вернулся к истории электрона. Он вспоминал, например, что первое сообщение об электроне сделал 29 апреля; 21 мая оно было опубликовано; полный же текст статьи «Катодные лучи» увидел свет в октябре. Примечателен комментарий Томсона: «Примерно в то же время другие исследования величины m/e были опубликованы Э.Вихертом… чьи результаты довольно хорошо согласовывались с моими…» Однако Томсон по-другому истолковывал свои результаты. По его мнению, сама мысль о существовании частиц, меньших, чем атомы, вызывала недоверие физиков. Но в ходе последующих экспериментов он пришел к выводу: «Не оставалось сомнения в том, что большое значение е/m обусловливается малостью массы, а не большой величиной заряда».

Вихерт в известной степени лишь наметил проникновение электронных представлений в химию, тогда как Томсон на протяжении по крайней мере трети двадцатого столетия почти все свое время отдавал изучению электрона. Это обстоятельство и объясняет, почему в современных описаниях истории открытия первой элементарной частицы имя Вихерта часто не упоминается вообще. Правда, слово «открытие» здесь выглядит неточным, правильнее было бы сказать «окончательная констатация существования».
Величайшая заслуга Томсона состоит в том, что он отчетливо увидел в электроне один из структурных «кирпичиков» материи: «Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, отличное от обычного газообразного состояния… в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все химические элементы».
Вывод о существовании электрона стал одним из величайших научных событий конца XIX в.

Именно электрон оказался сильнейшим стимулом к разработке моделей строения атомов, положил начало теориям химической связи.
Закономерности формирования электронных конфигураций атомов по мере роста зарядов их ядер легли в основу объяснения периодичности свойств элементов.
Идея о «дуализме» электрона способствовала разработке фундаментальных теоретических основ квантовой механики, а электрон как объект теоретического изучения занял одно из центральных мест в науке ХХ в.


Часть III

Открытие электрона, мельчайшей отрицательно заряженной частицы, дало реальные основания для выяснения структуры атомов. Начиная с последних лет XIX в. атом, образно говоря, стал примерять одну «электронную одежду» за другой. Но, чтобы остановиться на какой-либо определенной модели, исследователям не хватало весьма важной детали: представления о носителе положительного заряда в атоме, нейтрализующего отрицательные заряды электронов. Тем не менее «электронные» модели атома не замедлили появиться на свет.
Пожалуй, первой из них была модель В.Кельвина (1902), в соответствии с которой электроны распределялись неким образом внутри положительно заряженной сферы. Согласно Ф.Ленарду (1903), атом состоял из «дублетов» отрицательных и положительных зарядов (так называемых динамид). Г.Нагаока (1904) высказал предположение, что атом устроен наподобие планеты Сатурн (вокруг положительно заряженного тела отрицательно заряженные электроны располагаются кольцеобразно).
Все эти модели были результатами теоретических (во многом – чисто математических) построений и носили формальный характер, поскольку не давали основания для попыток связать структуру атомов со свойствами соответствующих элементов.
Дж.Томсон в 1904 г. предложил очередную модель атома: внутри положительно заряженной сферы вращающиеся электроны размещаются в одной плоскости по концентрическим оболочкам (рис. 1).

Рис. 1. Атом Томсона: электроны в облаке, имеющем положительный заряд

Рис. 1.
Атом Томсона: электроны в облаке,
имеющем положительный заряд

Хотя вопрос о характере положительного заряда оставался открытым, Томсон математически исследовал подобную модель и выявил случаи равновесного распределения электронов в атоме, т.е. условия существования их устойчивых конфигураций.
Вкратце ход рассуждений ученого заключался в следующем. Наибольшее количество электронов, образующих равновесную конфигурацию («кольцо»), равно пяти. Если же внутри кольца поместить одну или несколько «корпускул» (Томсон всю жизнь называл электроны корпускулами), то оно будет устойчивым и при большем числе образующих его электронов. При увеличении числа электронов они образуют серию концентрических колец, причем количество электронов растет пропорционально радиусу кольца.
Опираясь на свои расчеты, Томсон предпринял первую в своем роде попытку объяснения периодического изменения свойств химических элементов, связав феномен периодичности с закономерным изменением числа электронов в концентрических кольцах, или, как он говорил, в «корпускулярных группах». Обсуждая различные конфигурации колец своей модели, Томсон показывал, что устойчивость этих конфигураций периодически связана с числом «корпускул».

Иначе говоря, воззрения Томсона в скрытой форме содержали исключительно важный вывод – место элемента в периодической системе определяется специфическими особенностями распределения «корпускул» (электронов) в атоме. Подобный вывод был в конечном счете недалек от истины.
Многие современники Томсона положительно характеризовали его идею. Так, Э.Резерфорд, в частности, говорил, что именно Томсону наука обязана объяснением, правда, основанном на общих соображениях, изменения химических свойств атома по мере возрастания числа электронов в нем. Н.Бор отмечал большое влияние работ Томсона на дальнейшее развитие атомной теории. Однако до подлинного понимания сущности периодичности было еще неблизко.
Было неизвестным точное количество электронов в атомах. Поскольку масса электрона весьма мала, то естественным казалось считать, что количество электронов в атомах должно измеряться большими числами (порядка нескольких тысяч). По-прежнему оставался нерешенным вопрос о носителе единичного положительного заряда. Томсон полагал, что его масса должна значительно превосходить массу единичного отрицательного заряда. Подобное предположение впоследствии оказалось соответствующим действительности.

Все предлагавшиеся атомные модели сыграли ту или иную роль в выяснении действительной структуры атома. Почти каждая из них содержала определенные рациональные зерна. Даже модель Ленарда, поскольку расчеты, проделанные на ее основе, приводили к выводу, что бо'льшая часть объема атома «пуста», даже модель «сатурнианского» атома Нагаоки.
Решающее значение для экспериментального выяснения того, как же все-таки устроен атом, имели исследования рассеяния -частиц, которыми облучались различные мишени. Здесь-то и проявилась «радиоактивная составляющая» в познании строения вещества: ведь -частица была продуктом одного из видов радиоактивного распада – -распада. В ряде случаев были обнаружены отклонения некоторых -частиц на углы, превышающие 90°. Это аномальное явление свидетельствовало о том, что в атоме сосредоточено интенсивное электрическое поле, ибо в противном случае было бы исключено столь резкое изменение направления движения -частицы (рис. 2). Развивая эту идею, Резерфорд в 1911 г. выдвинул предположение о существовании в атоме массивного заряженного тела.

Рис. 2. Траектории a-частиц, пролетающих вблизи тяжелого ядра
Рис. 2.
Траектории -частиц,
пролетающих вблизи тяжелого ядра

Так появилась на свет ядерная модель атома Резерфорда (сам термин «ядро» был введен Резерфордом в 1912 г.), точнее ее было называть ядерно-планетарной, поскольку она подразумевала, что электроны вращаются вокруг ядра по оболочкам, подобно планетам вокруг Солнца. К идее о положительном заряде ядра Резерфорд пришел не сразу.

Стало возможным говорить о разделении свойств атома на два типа: свойства, непосредственно зависящие от ядра, и свойства, определяемые электронными оболочками. К первым относились заряд ядра, масса атома, которая весьма мало отличалась от массы ядра, поскольку суммарная масса электронов была очень мала, а также радиоактивные свойства. Ко вторым относились размеры атома (диаметр атома 10–10 м, диаметр ядра 10–10 м), химические свойства и многие физические свойства, например, электрические, магнитные и оптические.
После того как ядерная модель появилась на свет, центральными все же оказались проблемы, связанные со свойствами, обусловленными электронными оболочками атома. Однако объяснение этих свойств на основе электромагнитной природы сил взаимодействия, определяющих строение атома, столкнулось с фактически неразрешимым противоречием. Оно заключалось в том, что атом, состоящий из положительно заряженного ядра и из отрицательно заряженных электронов, должен быть неустойчив. Ведь электроны в атоме, двигаясь, согласно законам классической механики, вокруг ядра, под действием кулоновских сил притяжения к нему в соответствии с канонами классической электродинамики должны были непрерывно терять энергию вследствие излучения. В итоге электроны все более и более приближались бы к ядру, вплоть до падения на него. Таким образом, атом Резерфорда изначально был обречен на разрушение.
Подобное противоречие было разрешено в 1913 г. Н.Бором, который применил к ядерно-планетарной модели квантовую теорию Планка. Бор рассуждал следующим образом: «…классическая электродинамика недостаточна для описания системы атомного размера. Каково бы ни оказалось изменение в законах движения электрона, представляется необходимым ввести в эти законы величины, чуждые классической электродинамике, т. е. постоянную Планка…» Бор полагал, что если вращающиеся электроны не падают на ядро, то отсюда следует предположение: в атоме есть «пути», двигаясь по которым электроны не теряют энергии. Эти «пути» – так называемые стационарные орбиты, отвечающие «разрешенным» уровням энергии в атоме. Электрон начинает терять энергию только в том случае, если покидает стационарную орбиту. Когда возбужденный атом возвращается в нормальное состояние, «падающий» электрон перескакивает с орбиты на орбиту и теряет энергию не непрерывно, а скачками. «Количественная» оценка этих скачков возможна лишь при условии применения планковской теории. Образно говоря, планковский квант спас атом Резерфорда. Бор таким образом нашел ключ к пониманию внутренней механики атома, создав его квантовую теорию.
Это было величайшее открытие на пути создания современной атомистики. Однако «квантовый атом» также таил в себе противоречие: представление о стационарных орбитах электрона опиралось на квантовую теорию, тогда как расчет этих орбит производился методами классической механики и электродинамики. Тем самым теория Бора не была последовательно ни квантовой, ни классической. Как остроумно заметил английский физик У.Брэгг, принимая теорию Бора, «мы как бы должны по понедельникам, средам и пятницам пользоваться классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам – квантовыми».
В начале января 1913 г. голландский ученый А.Ван ден Брук высказал предположение: порядковый номер элемента (Z) в периодической системе Д.И.Менделеева численно равен заряду ядра его атомов. Кроме того, Ван ден Брук предложил гипотезу о строении атомного ядра. По его мнению, оно должно было состоять из ядер водорода (протонов) и внутриядерных электронов. Этой моделью фактически пользовались до 1932 г.

Идея Ван ден Брука о равенстве заряда ядра атома порядковому номеру оказалась одним из самых фундаментальных «откровений» в зарождавшейся новой атомистике. В том же году она получила экспериментальное подтверждение. Английский физик Г.Мозли детально изучил спектры характеристических рентгеновских лучей, испускавшихся атомами ряда последовательно расположенных элементов (от кальция до цинка). Подобное исследование позволило ему сделать вывод: «Для атома существует фундаментальная величина, которая увеличивается регулярным образом при переходе от одного элемента к соседнему. Эта величина может быть только зарядом центрального положительного ядра… она есть ничто иное, как номер места, занимаемого элементом в периодической системе».
Мозли далее утверждал, что химические свойства элементов управляются величинами их порядковых номеров, тогда как атомные веса являются сами по себе сложной функцией Z. В 1914 г. он продолжил эксперименты со значительно большим количеством элементов и подтвердил правильность своего вывода. Мозли установил величины порядковых номеров элементов от алюминия до золота и зафиксировал отчетливые пробелы, отвечающие не открытым еще элементам (Z = 43, 61, 72 и 75).
Стало очевидно, что последовательность расположения элементов по увеличению атомных весов полностью идентична последовательности по величинам Z. Поэтому существование «аномалий» в последовательности атомных весов Co–Ni, Ar–K, Te–I не противоречило идее периодичности. Точно определилось число элементов между водородом и ураном. Раз и навсегда нижней границей системы элементов был признан водород с Z = 1.
Периодический закон получил наконец физическое обоснование. Сменилась его формулировка. Теперь она звучала так: свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от зарядов ядер соответствующих элементов.
На смену атомным весам, природа которых все еще оставалась недостаточно ясной, пришла строгая и четкая физическая константа – заряд ядра Z, определяющий число электронов в атоме. Это было своеобразным вторым рождением периодического закона.
Однако выяснение физической сущности периодического закона еще не означало истолкования глубинных причин явления периодичности. Оно не объясняло, почему различные периоды содержат именно такое количество элементов, а не другое и почему периоды начинаются химически активными щелочными металлами, а заканчиваются инертными газами. Иначе говоря, сама структура периодической системы не имела столь же фундаментального обоснования, как периодический закон.
Модель атома требовала дальнейшей детальной разработки, которая заключалась в установлении закономерностей формирования электронных конфигураций атомов по мере роста Z. Именно на этом направлении в начале 1920-х гг. была создана теория периодической системы элементов (главным образом Н.Бором). 

По материалам статьи Д.Н. Трифонова www.him.1september.ru