Так снова, как прежде, встал вопрос: верен ли периодический закон, и если все-таки да, то что является основой периодического изменения свойств элементов?
Ясно было одно — атомный вес больше не может служить строго научной основой естественной системы элементов. И именно тогда, когда казалось, что периодический закон увяз в неразрешимых противоречиях, последовала цепь блестящих открытий, которые не только подтвердили его правильность, но и сделали неизмеримо большее — вскрыли истинную причину периодичности, повторяемости свойств химических элементов. Но это случилось далеко не сразу, не вдруг…
В 1910 году английский ученый Содди пришел к выводу, что радиоактивные элементы, которые отличаются друг от друга по физическим свойствам, но абсолютно похожи по химическим, — это разновидности одного элемента. Содди назвал их изотопами («изо» — «одинаковый», «топос» — «место»). А когда оказалось, что изотопия характерна не только для радиоактивных, но вообще для большинства элементов периодической системы, многое сразу встало на свое место.
Прежде всего стало ясно, почему атомный вес элементов, как правило, выражается не целым числом, а дробным. Ведь в таком случае атомный вес элемента есть среднее между весами составляющих элемент изотопов, и, значит, вполне вероятно, что в некоторых случаях этот средний атомный вес может быть у предыдущего элемента больше, чем у последующего. Так оно и произошло в случае йода и теллура, калия и аргона, кобальта и никеля.
«Предыдущий», «последующий». А какое, собственно, мы имеем право употреблять теперь эти слова? Ведь мы только что узнали, что атомный вес (а ведь мы располагали элементы в порядке возрастания атомного веса, вспомните!) становится довольно ненадежным критерием в решении вопроса, какой же элемент «предыдущий», а какой «последующий».
Что же в таком случае брать за основу при пользовании периодической системой? Не порядковый же номер элемента!
Оказалось, именно порядковый номер!
Вот теперь мы вплотную подошли к тому, как физика помогла расшифровать самую большую тайну Страны элементов — причину периодичности их свойств.
Вскоре после открытия явления радиоактивности ученые установили, что радиоактивное излучение неоднородно. Оно состоит из трех различных типов лучей, которые получили название альфа-, бета- и гамма-лучей. Нас сейчас будут интересовать только альфа-лучи, ибо именно им принадлежит решающая роль в той увлекательной истории, о которой пойдет речь.
Альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц. В 1912 году замечательный английский физик Э. Резерфорд, изучая их свойства, обнаружил любопытное явление. Если направить пучок лучей на тонкую металлическую фольгу, скажем алюминиевую или медную, и следить за поведением альфа-частиц по свечению экрана из сернистого цинка, то можно заметить, что при прохождении через фольгу они изменяют направление движения. А некоторые даже отбрасываются назад. Размышляя над тем, какая сила действует на частицы, Резерфорд пришел к следующему выводу.
По-видимому, атом химического элемента устроен так, что в центре его находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Поскольку атом в целом электронейтрален, то число отрицательных зарядов (число электронов) должно быть численно равно заряду ядра. Для альфа-частицы такой атом должен быть совершенно «прозрачен», и только положительно заряженное ядро должно действовать на пролетающую мимо альфа-частицу. В отдельных, очень редких случаях, когда она попадает прямо в ядро, она отскакивает назад (одноименные заряды отталкиваются по закону Кулона).
Основываясь на этой гипотезе, Резерфорд теоретически рассчитал величину отклонения альфа-частицы в зависимости от заряда ядра атома. Но если выведенная им формула верна, то возможно решение и обратной задачи: зная отклонение, можно вычислить заряд ядра.
За проверку формулы взялись соотечественники Резерфорда Гейгер и Марсден. Опытным путем они установили, что формула справедлива, и, пользуясь ею, вычислили заряды ядер атомов меди, серебра и платины. Эти заряды оказались равными соответственно 29, 47 и 78 элементарным единицам заряда.