Ван ден Брук, Антониус

«Альфадная» периодическая система элементов ван ден Брука (1907). В ячейках указаны теоретические и реальные атомные веса. Таблица начинается с альфона и заканчивается ураном, водороду места в ней не нашлось. Пустые ячейки соответствуют ещё не открытым элементам

Остаются неизвестными причины интереса ван ден Брука к структуре периодической системы элементов. Этот интерес не ограничивался проблемой размещения некоторых элементов в таблице Менделеева, а захватывал и более глубокие вопросы о строении атома. В своей первой работе «Альфа-частица и периодическая система элементов» (нем. Das α-Teilchen und das periodische System der Elemente, 1907) ван ден Брук сформулировал так называемую альфадную гипотезу о структуре периодической системы. Исходным пунктом стали результаты Эрнеста Резерфорда, который в 1906 году измерил отношение заряда к массе альфа-частицы и высказал в этой связи предположение, что альфа-частица может представлять собой целый атом гелия или его половину. Именно половину атома гелия, имеющую заряд 1 и массу 2 (в единицах заряда и массы иона водорода, то есть протона) и названную им «альфоном», ван ден Брук положил в основу построения системы элементов. Увеличивая количество этих структурных единиц, учёный составил таблицу атомных весов и сопоставил её с системой Менделеева. Полученная идеализированная таблица давала общую картину возрастания атомных весов, однако детали описать не могла. Так, атомные веса элементов, известные к тому времени с хорошей точностью, отнюдь не были чётными числами (пропорционально массе альфона), как это получалось у ван ден Брука. Хотя аргументация автора была неубедительной, альфадная гипотеза содержала в неявном виде следующую важную идею: поскольку номер элемента в таблице определялся числом альфонов, а заряд альфона равен 1, то, следовательно, номер элемента равен числу входящих в него элементарных зарядов. Эту мысль ван ден Брук в полной мере осознал лишь много времени спустя[9][10].

«Кубическая» периодическая система элементов ван ден Брука (1911). Направление «вглубь» изображается диагональным расположением элементов. Как и прежде, в ячейках указаны теоретические и реальные атомные веса. Таблица начинается с гелия и заканчивается неоткрытым элементом с весом 242

Вторая работа ван ден Брука, «Менделеевская „кубическая“ периодическая система элементов и расположение радиоэлементов в этой системе» (нем. Das Mendelejeffsche «kubische» periodische System der Elemente und die Einordnung der Radioelemente in dieses System, опубликована 15 июня 1911 года), продолжала линию, начатую в его первой статье. Он попытался реализовать идею, вскользь упомянутую Менделеевым ещё в 1869 году, и расположил элементы не в виде плоской таблицы, а в виде параллелепипеда («куба») из восьми мест в ширину, пяти в высоту и трёх в глубину. На этот раз в систему были включены редкоземельные и новые радиоактивные элементы (правда, только испускающие альфа-лучи). Хотя понятие альфона уже не использовалось, математическая основа таблицы была, по существу, той же: вводился «теоретический атомный вес», который принимал чётные значения от 4 до 242. Это отражало взгляды ван ден Брука на понятие периодичности, которое, согласно его определению, соответствует постоянству разности атомных весов соседних элементов. Поскольку в менделеевской системе эти разности постепенно растут (а не остаются равными 2), он искал способ улучшить её и приблизить расположение элементов к своему теоретическому идеалу. Здесь же им впервые была построена зависимость атомных весов от порядковых номеров элементов в периодической таблице, которая, по его мысли, свидетельствовала о преимуществе «кубической» системы. Таким образом, появилась идея порядкового номера, которая в дальнейшем сыграла важную роль в развитии взглядов учёного[11][12].

В мае 1911 года была опубликована знаменитая статья Резерфорда, в которой была сформулирована новая (ядерная) модель атома. Согласно оценкам, полученным независимо Резерфордом и Баркла, заряд центрального массивного тела («ядра») приблизительно равен половине атомного веса (${\displaystyle Z\approx A/2}$). Уже 20 июля 1911 года в журнале Nature появился отклик ван ден Брука на работу Резерфорда — заметка «Количество возможных элементов и „кубическая“ периодическая система Менделеева» (англ. The number of possible elements and Mendeléeff's «cubic» periodic system). Поскольку разность атомных весов соседних элементов в «кубической» системе равна в среднем 2, а количество зарядов каждого знака равно половине атомного веса, то соседние элементы должны отличаться по заряду на единицу. Следовательно, «количество возможных элементов равно количеству возможных постоянных зарядов каждого знака в атоме, или каждому возможному постоянному заряду (обоих знаков) в атоме соответствует возможный элемент». Эта гипотеза прямо выводила ван ден Брука на идею о заряде как основной характеристике химического элемента и об идентичности заряда и порядкового номера. Эта мысль, однако, ещё не была высказана в явном виде, а заметка осталась незамеченной научным сообществом. Причиной, вероятно, была увязка высказанной гипотезы с «кубической» системой элементов, неудовлетворительность которой вскоре стала ясна и самому ван ден Бруку[13][14]. «Таким образом, — писал известный физик и историк науки Абрахам Пайс, — основываясь на неправильной версии периодической таблицы и на неправильном соотношении между ${\displaystyle Z}$ и ${\displaystyle A}$, в физику впервые вошло главенство ${\displaystyle Z}$ как порядкового номера периодической системы»[15].

«Расширенная» периодическая система элементов ван ден Брука (1913). На этот раз в ячейках, кроме атомных весов, указаны порядковые номера элементов

1 января 1913 года была опубликована, пожалуй, самая важная в творчестве ван ден Брука работа — статья «Радиоэлементы, периодическая система и строение атома» (нем. Die Radioelemente, das periodische System und die Konstitution der Atome). Она состоит из двух слабо связанных частей. В первой предлагалась очередная версия периодической системы, значительно приближенная к традиционной менделеевской. В некоторые клетки системы, названной автором «расширенной», включались по два или три элемента. Из радиоэлементов включались только альфа-излучатели: считалось, что поскольку бета-радиоактивность не изменяет массы атома, элемент остаётся тем же. В качестве «теоретических атомных весов» на этот раз использовались предложенные Теодором Вульфом (англ. Theodor Wulf) числа ${\displaystyle 4n}$ и ${\displaystyle 4n+3}$, и было проведено их сравнение с экспериментальными данными. Несовпадение этих величин, по словам ван ден Брука, не следует принимать слишком всерьёз, поскольку, возможно, не масса, а внутриатомный заряд является ключевой характеристикой атомной структуры. Детальному исследованию роли заряда посвящена вторая часть статьи. Проанализировав данные экспериментов по бета-радиоактивности, анодным лучам (англ. Anode ray) и характеристическому рентгеновскому излучению, свидетельствовавших о наличии в атомах нескольких групп электронов, ван ден Брук ввёл понятие порядкового номера (нем. Folgenummer) элемента в периодической системе и сформулировал следующую гипотезу: «Порядковый номер каждого элемента в ряду, расположенном по повышающимся атомным весам, равен половине атомного веса и равен внутриатомному заряду». Учёный связал эту гипотезу с известными из опытов сведениями и дал в принципе верную картину атомного строения: периоды таблицы Менделеева соответствуют формированию связанных групп электронов, заполняющих некоторые области внутри атомов. Хотя понятие порядкового номера вводилось ранее в не известных ван ден Бруку работах Джона Ньюлендса и Йоханнеса Ридберга, у голландского физика оно впервые получило физическое содержание — заряд ядра в резерфордовской модели атома. Несмотря на то, что предложенная гипотеза появилась в контексте «расширенной» системы элементов, она не противоречила и данным менделеевской системы, а потому привлекла внимание научного сообщества. Прежде всего, на неё обратил внимание Нильс Бор, который, вероятно, обсуждал её с Резерфордом и прямо сослался на результаты ван ден Брука в своей работе, посвящённой теории атомного строения и опубликованной в сентябре 1913 года[16][17].

Что касается «расширенной» системы элементов, то после появления в начале 1913 года правил радиоактивных смещений, сформулированных Казимиром Фаянсом и Фредериком Содди, её следовало признать неверной. К осени ван ден Брук отказался от неё, вернулся к стандартной системе Менделеева и вместе с тем подверг сомнению экспериментальное соотношение ${\displaystyle Z\approx A/2}$, отделив его от своей гипотезы. В статье «Внутриатомный заряд» (англ. Intra-atomic charge), опубликованной в журнале Nature 27 ноября 1913 года, эта гипотеза получила следующую формулировку: «Если все элементы расположить в порядке возрастания атомных весов, номер каждого элемента в таком ряду должен быть равен его внутриатомному заряду». Подтверждение своей точки зрения он нашёл в данных опытов Ганса Гейгера и Эрнеста Марсдена по рассеянию альфа-частиц на атомах различных элементов[18][19]. Отказ от соотношения ${\displaystyle Z\approx A/2}$ не только позволял более точно определить внутриатомный заряд, но также требовал пересмотра представлений о строении атомного ядра: если, как тогда считалось, оно состоит из набора альфа-частиц, то для компенсации лишнего положительного заряда приходилось предположить наличие внутри ядра некоторого количества электронов. Всё это находилось в согласии с гипотезой ван ден Брука, как он показал в своей работе «О ядерных электронах» (англ. On nuclear electrons, март 1914)[20].

Ван ден Брук с женой и сыном (1901)

Уже в декабре 1913 года на страницах журнала появились заметки Содди и Резерфорда, которые решительно поддержали выводы ван ден Брука. При этом первый из них ввёл новый термин «изотопы» для элементов, занимающих одинаковое место в периодической системе, а также показал, что явление изотопии и эмпирические правила радиоактивных смещений получают естественное объяснение в контексте гипотезы ван ден Брука. В работе же Резерфорда впервые появилось понятие «атомный номер» (англ. atomic number) для характеристики положения элемента в таблице Менделеева. Убедительным свидетельством в пользу гипотезы о порядковых номерах стали классические эксперименты Генри Мозли по определению частот характеристического рентгеновского излучения. Эти опыты, первые результаты которых были представлены в декабре 1913 года, проводились под непосредственным влиянием работ ван ден Брука и при поддержке Резерфорда[21]. В статье «Ординалы или атомные числа?» (англ. Ordinals or atomic numbers?, октябрь 1914) ван ден Брук показал, что «ординалы», порядковые числа, предложенные Ридбергом и превышающие на две единицы атомные номера Мозли, не дают такого хорошего объяснения экспериментальным данным, как последние. Многочисленные проверки, проведённые в последующие годы различными методами, свидетельствовали, что заряд ядра действительно увеличивается на единицу от элемента к элементу в полном соответствии с гипотезой ван ден Брука[22].

Следует отметить, что открытие атомного номера часто приписывается Бору или Мозли, хотя они никогда не претендовали на приоритет и в своих работах того времени всегда ссылались на ван ден Брука. Недооценка вклада голландского физика-любителя, вероятно, проистекает из недостатка сведений о его жизни и творчестве, большой «плотности» событий в науке в районе 1913 года, что зачастую затрудняло разделение результатов разных учёных; сыграл свою роль и трагический ореол, окружающий фигуру Мозли[23]. Как писал Эрик Серри (англ. Eric Scerri), специалист по истории периодической системы:

Открытие атомного номера даёт повод для небольшого отступления о том, как история науки зачастую переписывается и вычищается последующими комментаторами. Настоящим первооткрывателем был учёный-любитель Антон ван ден Брук, чьим вкладом обычно пренебрегают. Часто думают, что ван ден Брук лишь подвёл итог работы физиков Резерфорда и Баркла, но подлинная история совершенно иная.

Оригинальный текст (англ.)[показатьскрыть]

The discovery of atomic number provides the opportunity for a little digression on how the history of science is frequently rewritten and sanitized by subsequent commentators. The real discoverer was the amateur scientist Anton van den Broek, whose contributions tend to be neglected. It is often thought that van den Broek merely summarized the work of physicists Rutherford and Barkla, but the true story is altogether different.

— Scerri E. R. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. — Oxford University Press, 2007. — P. 165.

Антониус ван ден Брук (около 1903 года)

Выдвинув ядерную модель атома, Резерфорд в работах 1911—1912 годов фактически не затронул проблему строения ядра, ограничившись упоминанием альфа-частиц как возможного его компонента. Ван ден Брук в своей статье от 1 января 1913 года впервые высказал конкретные соображения о составе центрального тела атома. Исходя из общих соображений, он предположил, что помимо альфа-частиц, комбинации которых явно недостаточно для объяснения наблюдаемых атомных весов, ядро может включать ион легчайшего атома — водорода (то есть протон), а также дополнительные электроны для компенсации избыточного положительного заряда. В таком случае сама альфа-частица (ядро гелия) должна состоять из четырёх ионов водорода и двух электронов. Более того, для объяснения отклонения атомных весов от целых чисел ван ден Брук предположил, что в ядро могут входить и другие, ещё не открытые компоненты с единичным положительным зарядом, но массой меньшей, чем у протона. В этой же статье содержался и другой важный вывод: поскольку размер ядра, как показал Резерфорд, очень мал по сравнению с размером всего атома, то структура центрального тела не должна оказывать влияния на свойства атома; важен лишь итоговый заряд ядра. Этот вывод вскоре был поддержан Бором и использован им при создании теории атомного строения[24].

В упоминавшейся работе «Внутриатомный заряд» ван ден Брук на основе своей гипотезы привёл аргументы в пользу того, что заряд ядра должен быть меньше половины атомного веса, то есть ${\displaystyle Z<A/2}$. Это свидетельствовало о том, что помимо альфа-частиц ядро должно содержать электроны (бета-частицы) для компенсации излишнего положительного заряда. Предполагалось, что эти электроны ответственны за бета-радиоактивность. В статье «О ядерных электронах» учёный высказал соображения об ионе водорода как компоненте ядра; впервые он показал, что если считать атомный вес целым числом, центральное тело атома можно представить состоящим из ${\displaystyle A}$ ионов водорода и ${\displaystyle A-Z}$ ядерных (компенсирующих) электронов. Эта гипотеза, чётко сформулированная ван ден Бруком, означала рождение протон-электронной модели ядра, которая в дальнейшем развивалась Резерфордом и другими исследователями и оставалась общепринятой на протяжении почти двадцати лет, до открытия нейтрона[25].

На протяжении нескольких следующих лет ван ден Брук пытался использовать полученные им результаты для углубления представлений о строении атома и высказал в этой связи несколько идей, которые в итоге не были приняты в физике. В частности, им была построена так называемая «сжатая» периодическая система с улучшенным расположением элементов, сформулированы представления о «внутризарядовых числах» и о возможном расположении электронов в кольцах вокруг ядра. В предложенной им в 1915 году модели атома предполагалось, что помимо положительного ядра в атоме присутствуют нейтральные частицы гелия, которые не вносят вклад в общий заряд ядра и которые ответственны за альфа-распад. Вероятно, это было первое упоминание нейтральных частиц в ядре, однако влияние этой гипотезы на развитие представлений о нейтроне не установлено[26].

Последние работы ван ден Брука были посвящены проблеме изотопии. Учёный поставил себе цель — теоретически определить стабильные изотопы всех химических элементов. Использованный им в мае 1916 года метод сводился к перенесению схемы распада радиоактивных рядов на всю периодическую систему. Такая ${\displaystyle 4\alpha /2\beta }$-схема (испускание четырёх альфа- и двух бета-частиц) позволила ему получить атомные веса изотопов всех элементов, многие из которых, однако, впоследствии оказались лишними; другие реальные изотопы были пропущены. В последующем учёный пытался детализировать и уточнить свою схему, чтобы построить «всеобщую систему изотопов», однако в целом метод расчёта оставался сложным и искусственным и не позволял правильно предсказать все известные сегодня изотопы. Как считается в настоящее время, существующие в природе изотопы не удаётся описать одной или несколькими распадными схемами[27].