Модель Резерфорда стимулировала дальнейшие исследования атома, в первую очередь, выяснение причины изменения атомных масс различных элементов. Во многом решить эту проблему помогло изучение рентгеновского излучения. В 1909 г. немецкий физик Макс Теодор фон Лауэ начал исследовать взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллическими веществами, в частности, с хлоридом натрия NaCl и медным купоросом CuSO₄∙5H₂O. Благодаря этим экспериментам удалось установить два фундаментальных факта. Во-первых, атомы в кристаллах образуют пространственную решетку, в которой они располагаются строго определенным образом. Упорядоченное строение кристаллической решетки вызывает рассеяние рентгеновских лучей под строго определенными углами. Другими словами, кристаллические структуры могут вызывать дифракцию рентгеновских лучей. Во-вторых, была установлена взаимосвязь между длиной волны рентгеновского излучения и параметрами элементарной ячейки кристаллической решетки. На основе результатов опытов Лауэ был создан рентгеноструктурный анализ — мощный метод экспериментального исследования внутреннего строения кристаллических тел (см. т. 2, глава 7, п. 7.5.3).

^{Генри Гвин Джефрис Мозли (1887–1915)} 

Следующие шаги в изучении рентгеновского излучения сделали английские физики Чарльз Гловер Баркла и Генри Гвин Джефрис Мозли. Первому из них удалось обнаружить, что различные элементы создают особые характеристические наборы длин волн рентгеновских лучей. Если в разрядной трубке Крукса менять материал анода, который является источником рентгеновских лучей, то возникающие рентгеновские лучи будут отличаться друг от друга, в частности, по проникающей способности. В 1913 г. Мозли установил, что длина волны характеристического рентгеновского излучения уменьшается с ростом атомной массы металла, и показал, что квадратный корень из частоты этого излучения прямо пропорционален некоторому числу, которое он обозначил символом Z:

где R_∞ — постоянная Ридберга, S_n — постоянная экранирования, n — главное квантовое число.

Он определил, что это число Z приблизительно совпадает с 1/2 величины атомной массы элемента. Далее Мозли сделал вывод, что это число является фундаментальным свойством элемента. Английский физик назвал его атомным номером. Как впоследствии оказалось, этот номер равен числу протонов в ядре атома данного элемента. Таким образом, закон Мозли позволил связать частоту характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером излучающего элемента.

На диаграмме Мозли зависимость ν от Z представляет собой ряд прямых (K-, L-, M- и т. д. серии, соответствующие значениям n = 1, 2, 3,…). В соответствии с законом Мозли, рентгеновские характеристические спектры не обнаруживают периодических закономерностей, присущих оптическим спектрам. Это указывает на то, что проявляющиеся в характеристических рентгеновских спектрах внутренние электронные оболочки атомов всех элементов имеют аналогичное строение.

^{Диаграмма Мозли}

Открытие английского ученого имело большое значение для утверждения Периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элементов Z. Закон Мозли явился неопровержимым доказательством правильности размещения элементов в Периодической таблице Д.И. Менделеева. Пользуясь законом Мозли, стало возможным точно предсказать, сколько элементов осталось еще открыть. В 1913 г. все элементы с номерами от 1 до 92 были уже открыты, кроме элементов с порядковыми номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. В 1917 г. был открыт протактиний Pa (Z = 91), спустя шесть лет — гафний Hf (Z = 72), а еще через два года — рений Re (Z = 75). Заполнить оставшиеся четыре клеточки в Периодической таблице удалось только в 40-х — 60-х годах XX столетия.