Истинным ученым ни один шаг не кажется последним. Прозрачная ясность схемы Стонера неизбежно породила вопрос: почему заполнение электронных оболочек происходит именно так, а не иначе? Что стоит за периодическим законом, на чем основан этот закон?

Уже в марте 1925 года немецкий физик-теоретик Вольфганг Паули ответил на этот вопрос. Ответил введением постулата, ставшего затем одним из фундаментов квантовой физики. Этот постулат известен теперь как «принцип запрета» Паули.

Незадолго до того, анализируя с квантовой точки зрения влияние внешнего магнитного поля на спектр атомов, Паули пришел к любопытному выводу. Он решил, что все известные результаты такого воздействия (открытые голландцем Питером Зееманом, получившим в 1902 году Нобелевскую премию), включая воздействие сильных магнитных полей, можно объяснить. Для этого надо допустить ситуацию, которую нельзя описать классически. Как видно, электрон обладает неизвестной до того своеобразной двузначностью квантовых свойств.

В статье «О связи заполнения электронных групп в атоме со сложной структурой спектров» Паули опирается на результаты Стонера и на обнаруженную им самим двузначность квантовых свойств электрона. Для того чтобы упростить рассуждения, Паули отмечает, что при использовании трех квантовых чисел приходится признать, что в атоме, неподвергаемом внешним воздействиям, могут существовать группы орбит электронов, для которых энергии электронов одинаковы. Такие «групповые» состояния он называл вырожденными. Воздействие магнитного поля, в соответствии с наблюдениями Зеемана, выявляет отдельные орбиты, образующие группу. Для того чтобы разобраться в этом, достаточно ввести помимо трех квантовых чисел Зоммерфельда еще одно квантовое число. Если классификация группы производится при помощи четырех квантовых чисел, можно без труда объяснить, как вырожденные группы расщепляются на отдельные орбиты, различающиеся между собой величиной энергии. Причем каждая из таких орбит может быть занята только одним-единственным электроном.

Принцип запрета можно сформулировать так: если в атоме находится электрон, для которого все четыре квантовых числа имеют определенные значения, то это состояние «занято». «Занято» означает, что ни один из других электронов, входящих в состав этого атома, не может иметь такой же набор квантовых чисел.

Паули рассматривает следствия из этого принципа. Принцип запрета не только непосредственно объясняет Зееманом расщепление спектров атомов под действием магнитного поля, но и приводит к результатам Стонера. Более того, так как физические и химические свойства атома определяются его электронными оболочками, то принцип запрета позволил бы построить периодическую систему Менделеева, не опираясь на физико-химические свойства элементов. Не опираясь на то, что послужило Менделееву основой для построения его таблицы.

Система Менделеева, если бы она не была построена самим Менделеевым, возникла бы как необходимое следствие квантовых законов, включая «принцип запрета» Паули. Думая об этом, нельзя не удивляться интуиции Менделеева, позволившей ему сформулировать периодический закон задолго до возникновения квантовой механики.

Постулативный характер «принципа запрета» Паули побуждал ученых к отысканию той физической реальности, которую выявляет этот постулат. В справедливость его поверили все. Без него невозможно объяснить ни тонки детали атомных спектров, ни физическое содержание периодического закона.

Но что же стоит за этим принципом? В то время (в 1925 году) физики считали окончательно понятым только то, что можно свести к прототипам, изученный в рамках механики Ньютона или электродинамики Максвелла или, наконец, в рамках примирившей их Общей теории относительности. Как же понять физический смысл «принципа запрета» Паули?

Здесь нужно познакомиться с теоретиком, который отличался разносторонними интересами. Ему принадлежит, кроме физических, ряд исследований по египтологии Он принимал участие в американской секретной миссии «Алсос», занимавшейся в конце второй мировой войны сбором информации о состоянии атомных исследований в Германии, вывозом документации и оборудования из германских институтов, связанных с атомной проблеме и интернированием немецких физиков-атомщиков. Речь об американце Сэмюэле Абрахаме Гаудсмите.

В 1925 году Гаудсмит вместе с Дж. Уленбеком выдвинул гипотезу о вращающемся электроне. Эта гипотеза не осталась незамеченной, она вызвала волнение среди физиков. Авторы ее утверждали, что электрон похож на вращающийся, заряженный отрицательным электричеством шарик. Вращается он вокруг одного из своих диаметров. И электрон, как и подобает вращающемуся материальному телу, несущему на себе электрический заряд, обладает собственным механическим и магнитным моментом.

Для обозначения собственного вращения электрона и его механического момента ученые воспользовались четвертым квантовым числом, использовав для его обозначения английское слово «спин», которое в переводе означает «волчок». По существу, это было квантовое число, ранее введенное Паули.

Теоретическая часть рассуждений Уленбека и Гаудсмита сводится к следующему: первые три квантовых числа, соответствующие движению электрона по его орбите, отображают три степени свободы, характеризующие положение любого тела в пространстве. Четвертое квантовое число соответствует четвертой — внутренней степени свободы, которой обладает электрон.

B обычной, не квантовой механике тоже известен случаи, когда состояние тела не может быть полностью описано тремя числами, описывающими его положение в пространстве. Примером такого тела является вращающийся гироскоп (вариант волчка, применяемый в системах навигации.) Для того чтобы полностью описать состояние гироскопа, нужно иметь сведения не только о его положении, но и о направлении и скорости его вращения, а для этого нужно еще одно число.

Уленбек и Гаудсмит объяснили, что их четвертое квантовое; число не связано с движением электрона по орбите, оно характеризует его внутреннее свойство, аналогичное вращательному состоянию гироскопа. Именно поэтому они предложили называть это четвертое квантовое число словом «спин».

Они были не первыми, кто предложил идею вращающегося электрона. Это любопытная история. Впервые вращающийся электрон примыслился американцу Крекингу — стипендиату Колумбийского университета. В январе 1925 года он приехал в Тюбинген, в Германию, тогдашнюю спектроскопическую Мекку. Тут он познакомился с письмом Паули к одному из коллег. Паули сообщал, что, приписав электрону еще одно, четвертое квантовое число, описывающее его поведение в атоме, можно избавиться от всех расхождений между квантовой механикой и спектрами.

Кронинг предположил, что это квантовое число соответствует собственному вращению электрона. Однако его гипотеза была принята с недоверием и Зоммерфельдом и самим Паули. И Кронинг решил не публиковать свои догадки. Он отказался от сомнительной идеи.

И когда Гаудсмит и Уленбек пришли к той же мысли и сообщили о ней, Кронинг реагировал на это довольно своеобразно. «Представляется, что новая гипотеза просто переводит семейное привидение из полуподвала в подвал, вместо того чтобы изгнать его из дома», — проиронизировал он.

Теория спина была признана физиками после работы англичанина Л. X. Томаса и ленинградского физика Я. И. Френкеля.

Паули, возражавший против идеи вращающегося электрона, теперь сказал: «Хотя я сначала сильно сомневался… вычисления… сделали меня ее сторонником».

Вслед за ним гипотезу спина признали и остальные.

Вот так бывает в науке: в январе 1926 года, разговаривая с Бором, Паули назвал гипотезу спина ересью в марте стал ее приверженцем. Интересно, что в развития науки физики были вынуждены отказаться от наглядной модели электрона как заряженного вращающегося шарика. Эта модель, облегчившая первоначальное знакомство с квантовыми свойствами электрона, приводила к непреодолимым трудностям. Преодолеть их можно было только отказом от наглядной модели и сохранением спина как внутренней характеристики каждой из микрочастиц.

Принцип Паули и открытие спина в основном завершили выяснение физической основы периодического закона Менделеева.

Но дальнейшее развитие периодической системы — таблицы Менделеева — на этом не прекратилось.

Таблица Менделеева уточнялась в трех направлениях. Во-первых, ученые одно за другим заполняли оставшиеся в ней пустые места, во-вторых, выделяли или синтезировали изотопы, в-третьих, расширяли таблицу за пределы урана.

Пора поразмыслить об изотопах.

Осознание периодического закона и изучение радиоактивности заставило ученых вспомнить об интересной гипотезе, намного опередившей свое время и затем надолго забытой. В 1815 году лондонский врач и химик Уильям Праут выдвинул гипотезу о том, что атомы различных элементов построены из атомов водорода. Он основывался на том, что атомные веса многих элементов являются кратными атомному весу водорода. Если принять атомный вес водорода за единицу, то атомный вес лития близок к 7 бериллия — к 9, углерода — к 12, азота — к 14, кислорода — к 16, фтора — к 19. Отклонение от кратности для Бора и для атомов, более тяжелых, чем фтор, Праут относил за счет недостаточной точности измерения. В первой половине девятнадцатого века многие ученые прибивались гипотезы Праута, однако последующие нения значений атомных весов принудили их отказаться от нее. Ведь, например, атомный вес хлора равен 35,453.

Работы Резерфорда привели к планетарной модели атома. Выяснилось, что атомный вес элемента связан с порядковым номером той клетки, которую соответствующий элемент занимает в таблице Менделеева. Все это заставило ученых вспомнить о гипотезе Праута. С другой стороны, исследования радиоактивных элементов, проводившиеся Резерфордом, его сотрудником Ф. Содди и другими физиками, иногда приводили к случаям, когда радиоактивные элементы, получавшиеся в результате радиоактивного распада, обладают необычными свойствами. Заведомо различные элементы, полученные из различных источников и обладающие различной скоростью и даже различным типом дальнейших радиоактивных превращений, оказалось невозможным отделить один от другого никакими химическими методами. Возникла поразительная ситуация: с точки зрения химии эти элементы тождественны, а с точки зрения физики они различны.

Исходя из периодического закона Менделеева, элементы, обладающие тождественными химическими свойствами, следует помещать в одну и ту же клетку периодической системы элементов, несмотря на то что некоторые из их физических свойств оказываются различными. Содди назвал такие элементы изотопами.

Стабильные (нерадиоактивные) изотопы неона: неон-20 и неон-22 (здесь и дальше цифры, стоящие за названием химического элемента, указывают его атомный вес), обнаружила 1913 году Джозеф Томсон (его не следует путать с Вильямом Томсоном, лордом Кельвином, который напугал современников угрозой тепловой смерти Вселенной). Джозеф Томсон прежде всего известен как автор электрона — это он открыл электрон. Он разработал теорию движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, он же создал первую модель строении атома, впоследствии уступившую место планетарной модели Резерфорда. В 1906 году он стал нобелевским лауреатом. Именно его теория движения заряженных частиц в электромагнитных полях и легла в основу масс-спектрографа, важнейшего прибора для измерения атомного веса электронов, сконструированного Френсисом Астоном, который с 1913 года был ассистентом Томсона. Война прервала его работу. В 1919 году он возвратился и заинтересовался возможностью разделения изотопов. К тому времени никто не сомневался в существовании изотопов, но никому не удавалось выделить их в чистом виде.

Астон теоретически проанализировал возможности основных методов разделения изотопов, через много лет сыгравших свою роль в создании атомной бомбы. Сравнив метод диффузии, возгонки и центрифугирования с методом, примененным Томсоном еще в 1912 году для разделения изотопов неон-20 и неон-22, он убедился, что томсоновский метод наиболее подходящ для лабораторных следований. (Для промышленного разделения изотопов тяжелых элементов более производительными являются термодиффузия и центрифугирование.)

Метод Томсона состоит в отклонении ионизированных атомов, летящих в вакууме при помощи электрического и магнитного полей.

При проведении первых исследований в 1920 году Астон был поражен тем, что атомные веса всех легких элементов представлялись целыми цифрами. Правило целого числа начинало заметно нарушаться с номера 30.

Было лишь одно маленькое исключение: если принять атомную массу кислорода равной точно 16, то для водорода получалась не единица, а 1,008!

Нужно было обладать незаурядной интуицией, чтобы ставить это различие с предсказанием теории относительности о связи между массой и энергией.

Астон, возродив гипотезу Праута, предположил, что при образовании атомных ядер часть массы протонов переходит в энергию их связи внутри ядра. Он назвал это эффектом упаковки. Теперь это называется дефектом массы.

Получая одновременно с Бором Нобелевскую премию в 1922 году, Астон сказал: «Мы можем быть уверены, совершенно уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна исчезнуть, Космологическое значение этого вывода огромно, и открываемые им возможности для будущего очень важны, важнее, чем любое другое научное открытие, сделанное до сих пор человечеством».

Астон, рассуждая дальше, оценил величину выделяющейся при этом энергии.

Предвосхищая будущее почти на четверть века, он подсчитал, что водород, содержащийся в 9 граммах воды, превращаясь в гелий, высвободит энергию, эквивалентную 200000 киловатт-часов.

«Перед нами источник энергии, достаточный для объяснения происхождения тепла, излучаемого Солнцем», — писал Астон. И далее: «Возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда человечество получит в свое распоряжение такие возможности, которые превосходят любую фантазию».

Физики только сейчас приобрели уверенность в том что «такие возможности» удастся реализовать с пользой для человечества. Для этого необходимо разработать метод и создать аппаратуру, обеспечивающую возможность управления термоядерной реакцией, превращающей водород в гелий. К счастью, не оправдались опасения Астона, сказавшего тогда же: «Но нужно, однако, все время помнить о том, что освобожденная энергия может оказаться совершенно неконтролируемой и благодаря своей огромной силе произвести взрыв всего окружающего вещества».

Последующие расчеты показали, а опыт подтвердил, что взрывы водородных бомб не превратили Землю в новую звезду. Но теперь их запас стал столь большим, что ядерная война неизбежно повлечет за собой гибель человечества вследствие радиоактивности, порождаемой ядерными взрывами.

Нельзя не преклониться перед интуицией, перед истинным провидением человека, предвосхитившего на столь большой срок проблему овладения энергией термоядерного синтеза. Известно, что великий Резерфорд, открывший атомное ядро, вплоть до конца тридцатых годов отвергал возможность практического применения ядерной энергии.

Сейчас известно более 275 стабильных изотопов, принадлежащих 83 природным элементам и более 2000 радиоактивных изотопов. Среди них изотопы хлор-35 и хлор-37.

После работ Астона физики в течение многих лет считали, что атомные ядра состоят из протонов и электронов. Предполагалось, что количество протонов в ядре атома данного элемента равно его атомному весу, а количество электронов в нем таково, что их отрицательный заряд компенсирует часть суммарного заряда протонов. Точнее говоря, предполагали, что в ядре ровно такое количество электронов, которое требуется для того, чтобы нескомпенсированный положительный заряд ядра оказался равным атомному номеру — номеру той клетки таблицы Менделеева, в которой расположен соответствующий элемент.

Протонно-электронную модель ядра пришлось отвергнуть из-за того, что она ошибочно предсказывала особые свойства ядер, вытекающие из их статистических характеристик.

После того как в 1932 году английский физик Дж. Чедвиг открыл новую элементарную частицу (он дал ей название «нейтрон»), не имеющую электрического заряда и обладающую массой, лишь незначительно превышающей массу протона, удалось построить новую модель ядра, удовлетворяющую требованиям статистики. Это сделали советские физики Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм. Они показали, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Количество протонов равно атомному номеру (номеру клетки той таблицы Менделеева, в которой расположен соответствующий элемент), а количество нейтронов таково, что сумма числа протонов и числа нейтронов, содержащихся в ядре, равна атомному весу соответствующего элемента. Таким образом, положительный заряд ядра равен количеству содержащихся в нем протонов и этот заряд (равный атомному номеру) определяет химические свойства атомов. Так был сделан еще один шаг к пониманию сущности периодического закона Менделеева.

Постоянство относительного содержания изотопов в элементах, получаемых из различных земных источников, и обнаруженные астрофизиками на небесных объектах отклонения от земной нормы играют большую роль в исследованиях Вселенной. Изотопный анализ, основанный на небольших отклонениях изотопного состава некоторых элементов от обычной нормы, позволяет ученым датировать возраст археологических находок и образцов минералов. Такие отклонения наблюдаются в образцах, в составе которых содержатся наряду со стабильными изотопами и нестабильные изотопы, подверженные радиоактивным превращениям.