Эти три закона были предложены Фредериком Содди и Казимиром Фаянсом независимо друг от друга в 1913 году.
1. Когда радиоактивный атом испускает α-частицу, массовое число получившегося атома (А) уменьшается на 4 единицы, а атомный номер (Z) — на 2. Например,
2. Когда радиоактивный атом испускает β-частицу, атомный номер (Z) увеличивается (β-) или уменьшается (β+) на единицу, а массовое число (А) остается постоянным. Например,
3. Когда возбужденное ядро испускает электромагнитную радиацию (γ), не меняются ни А, ни Z, происходит только потеря энергии.
Сегодня известно, что α-частица — это ядро атома гелия (следовательно, ее символ — 42Не), в то время как частицы β и β+ — электроны и позитроны соответственно.
* * *
Генри Мозли, еще один партнер Резерфорда в Манчестере, определил характерное свойство каждого элемента. Он измерил спектры излучения рентгеновских лучей всех известных в то время элементов и выяснил, что квадратный корень частоты испускаемых рентгеновских лучей пропорционален уникальной частоте для каждого элемента. Мозли определил эту величину как заряд центрального положительного ядра и назвал ее Z, что сегодня известно как атомный номер. Он опубликовал свои результаты в двух статьях, которые послал незадолго до того, как отправился на фронт. Работы увидели свет в 1913 и 1914 годах. Мозли так и не узнал, что именно в том году, когда он погиб на войне, в 1915-м, он стал бы одним из самых молодых кандидатов на Нобелевскую премию.
Ученый заметил: Z увеличивается в том же порядке, что и атомная масса, кроме таких элементов, как кобальт, никель, йод и теллур. Чему были обязаны эти исключения? Очевидно, существованию более тяжелых изотопов у элементов с меньшим атомным номером. Но почему существуют изотопы? Потому что у ядра есть, помимо протонов, еще одна частица, нейтрон, которая не была обнаружена, потому что у нее отсутствует заряд. Резерфорд догадался о существовании нейтрона еще в 1920 году, но только в 1932 году это экспериментально подтвердил другой его ученик, Джеймс Чедвик. Он сделал это, повторив эксперимент, который провели в Радиевом институте Ирен Кюри и ее супруг Фредерик Жолио-Кюри. Опыт заключался в том, чтобы бомбардировать бериллиевую пластинку α-частицами, что вызвало испускание лучей, которые исследователи посчитали у-лучами высокой энергии, порожденными протонами при прохождении через парафин. Резерфорд подверг сомнению эти результаты; Чедвик поверил в их наличие, но не в толкование. Зная, что нужно искать, и пользуясь подходящим детектором, Чедвик обнаружил нейтрон и получил за это в 1935 году Нобелевскую премию по физике. Так была окончательно решена загадка структуры атома.
* * * НАСЛЕДИЕ МОЗЛИ
После того как стало известно о дифракции, обнаруженной фон Лауз и Брэггом, Генри Мозли (1887–1915) поехал в лабораторию Брэгга в Лидском университете, потому что хотел больше узнать о взаимодействии рентгеновских лучей с материей. Ознакомившись с источниками рентгеновских лучей, он исследовал их энергию, используя в качестве анодов все 73 химических элемента, известных к тому времени. Он обнаружил линейную связь между длиной волны испускаемых каждым элементом лучей и характерной величиной, которую Мозли определил как ядерный заряд. На основе этих значений он установил новый порядок элементов в периодической таблице, исправив исходный порядок Менделеева на основе значений атомной массы и предсказав существование еще не открытых элементов. Ход эксперимента Мозли схематично показан на рисунке, где приведена схема атома по модели Бора, которая, в свою очередь, основывается на модели Резерфорда: падающий фотон (верхняя волнистая линия) выбивает электрон (правая волнистая линия) из внутренних слоев электронной оболочки. Промежуток заполняется электроном из внешних слоев, который, в свою очередь, испускает другой фотон с энергией (левая волнистая линия), равной разнице между двумя этими уровнями. Каждый химический элемент испускает фотон с характерной энергией, пропорциональной числу протонов ядра. Энергия фотонов порождает флуоресцентные линии рентгеновских лучей, которые помогли Мозли определить атомный номер, Z. Этот процесс — основа одного из самых чувствительных методов недеструктивного химического анализа, флуоресценции рентгеновских лучей. Мозли провел первую часть своего исследования в лабораториях Резерфорда в Манчестере, а последнюю часть — в Кларендонской лаборатории в Оксфорде, где не было даже электрической сети и приходилось покрывать расходы самому. Официально он оставил Манчестер, чтобы вернуться к матери в Оксфорд, но самое главное — он хотел выйти из тени профессора и плеяды его блистательных учеников, которые могли затмить его собственную работу.
Работа Марии привлекла внимание щедрых меценатов, в частности таких американских миллионеров, как Карнеги и Ротшильд, которые познакомились с ее исследованиями после смерти Пьера. На их взносы были разработаны программы стипендий для лаборатории Марии, хотя эти программы не получали никакой поддержки со стороны французских институтов.
Кроме того, после смерти Пьера возникла идея создать для изучения радиоактивности хорошо оснащенную лабораторию, которая также служила бы памятью о нем. Идея оформилась, когда в конце 1909 года доктор Эмиль Раукс, директор Института Пастера и пылкий почитатель Марии, предложил создать Радиевый институт. Парижский университет присоединился к инициативе, предоставив территорию и часть финансирования на строительство здания. Институт должен был состоять из двух отделений: одно, Павильон Пастера, — посвященное биологическому изучению и лечению рака, а другое, Павильон Кюри, — исследованию физических и химических аспектов радиоактивности.
После возвращения в Париж в конце 1912 года, полная решимости забыть скандал с Ланжевеном, Мария посвятила себя наблюдению за строительством и оснащением института. Все работы были завершены в июле 1914 года, и Мария была назначена директором Павильона Кюри, а доктор Клод Рего — директором Павильона Пастера. Мария лично следила за посадкой деревьев и розовых кустов в саду, соединявшем эти два здания, потому что она хотела работать не только в хорошо оборудованной лаборатории, но и в красивом месте. Казалось, что мечта Марии близка к исполнению, но ее планы были нарушены. В Европе разгорелась война, и 1 августа Франция объявила мобилизацию. Все работники лаборатории мужского пола ушли защищать свою страну. А 2 сентября на Париж упали три бомбы, и Мария решила, что не может оставаться в стороне.
Поскольку немецкая армия приближалась к столице Франции, Мария занялась сохранением ценного радия: она поместила его в тяжелую свинцовую коробку и отвезла на поезде в Бордо. Поместив свое сокровище в банковский сейф, Мария вернулась поездом, в котором была единственной женщиной среди солдат. Гражданские больше не ездили в этом направлении, но она чувствовала, что ее место в столице.
Я полна решимости отдать все свои силы на службу моей приемной стране, поскольку сейчас я ничего не могу сделать для моей несчастной родины.
Письмо Марии Полю Ланжевену, январь 1915 года
Вскоре Мария нашла наилучший способ послужить Франции. По своим урокам в Сорбонне она была знакома с использованием рентгеновских лучей в медицине, а ее друг, доктор Антуан Беклер, на практическом курсе управления рентгенологическими аппаратами в больницах дополнил эти знания. От него Мария узнала о том, как не хватает рентгенологических систем на фронте, где они были особенно полезны при лечении сломанных костей и нахождении пуль и металлических осколков в телах раненых солдат. Мария решила принять в этом участие. Нехватка инструментария, персонала, средств и особенно интереса со стороны военных врачей ее не пугала.
Сначала Кюри решила, что необходимо разместить стационарные установки в полевых больницах и обучить персонал работать с ними. Но вскоре она поняла, что тыловая помощь часто запаздывает, поэтому необходимы мобильные установки, с которыми можно было бы объезжать фронт. Тут она столкнулась с резким возражением со стороны военных: гражданскому персоналу слишком опасно находиться в горячих точках, а кроме того, это может помешать военным маневрам. Но Мария была непреклонна: преступление — заставлять солдат гибнуть или делать их инвалидами, не оказав им помощи, которую страна в состоянии предоставить. Кюри свернула горы, выступая перед правительством и высокими военными чинами, и ее присутствие на фронте было в конце концов разрешено. Теперь она попросила помощи у изготовителей автомобилей, предпринимателей и обеспеченных людей с собственными машинами, чтобы они пожертвовали транспорт новой рентгенологической службе. Чтобы не зависеть от шоферов и механиков, Мария научилась водить автомобиль и чинить наиболее частые поломки. Чтобы снарядить мобильные установки, она использовала источники рентгеновских лучей, изготовленные в Испании фабрикантом Монико Санчесом из Сьюдад-Реаля, который получил образование в США во время бума электричества. Первые установки были готовы в конце октября 1914 года.
