Конец XIX в. и первая половина XX в. ознаменовались величайшими открытиями в области физики атома, оказавшими исключительное влияние на развитие химии.

Первым результатом физических исследований была констатация делимости атомов и превращения их в другие атомы. В 1879 г. Крукс открывает катодные лучи и приходит к выводу, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц с крайне малой массой. Эти частицы были названы электронами. В 1896 г. Беккерель обнаружил явление радиоактивности у солей урана, а в 1898 г. супруги М. Кюри и П. Кюри открыли радий. Исследование лучей радия, произведенное Э. Резерфордом и Ф. Содди, показало, что они возникают в результате распада атомов радия и его продуктов и превращения одних элементов в другие. В 1913 г. Ф. Содди и К. Фаянс открыли закон превращения элементов при радиоактивном распаде — закон сдвига.

Перед лицом новых фактов даже самые активные противники атомистики стали признавать реальное существование атомов. Среди них был и В. Оствальд. В 1908 г. он писал: «Ныне я убедился, что в недавнее время нами получены экспериментальные подтверждения прерывного, или зернистого, характера вещества, которое тщетно отыскивала атомистическая гипотеза в течение столетий и тысячелетий... Тем самым атомистическая гипотеза поднята на уровень научно обоснованной теории».

Разрушение старого метафизического представления об атоме как о твердой неделимой частице вызвало оживление идеализма. Материя исчезает, стали утверждать отдельные физики и химики, не способные правильно осознать новые открытия. Материя исчезает, остается движение, энергия. На том основании, что радий самопроизвольно выделяет энергию, А. Пуанкаре делает вывод, что подрывается принцип сохранения энергии. Открытие А. Эйнштейном взаимосвязи массы и энергии также истолковывается как подрыв основных устоев материализма.

В своей гениальной работе «Материализм и эмпириокритицизм» В. И. Ленин показал, что изменение физических знаний о строении и свойствах материи подтверждает и углубляет материализм, но не метафизический, а диалектический. В. И. Ленин указал, что диалектический материализм всегда опирался на атомистику и никогда не утверждал, что атом последняя, неизменная и неделимая частица. Свойства, присущие только некоторым состояниям материи, нельзя выдавать за постоянные ее свойства. Открытие новых форм материи и новых свойств ее как раз подтверждает диалектический материализм. Материя не равна неизменным атомам; «понятие материи... не означает гносеологически ничего иного, кроме как: объективная реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им». (В. И. Ленин, Сочинения, т. 14, стр. 248.)

Вторым важным итогом физических исследований было открытие атомных ядер и числа окружающих их электронов. Нагревание и облучение металлических пластинок, исследование пробегов альфа-частиц в воздухе и в камере Вильсона, предпринятое в 1911 — 1912 гг. Резерфордом, показали, что атом имеет ядро. Открытие ядра и электронов составило основу для создания Резерфордом первой электронно-ядерной модели строения атома.

В 1913 г. Г. Мозли, изучая рентгеновские спектры атомов химических элементов, нашел, что они закономерно изменяются от элемента к элементу: квадратные корни из частот характеристических рентгеновских спектров есть линейная функция натурального ряда чисел; они пропорциональны атомным номерам элементов. Это показало, что порядковый номер элементов в периодической таблице имеет какой-то глубокий физический смысл. Ван-дер-Брук в этом же году разъяснил его, установив, что заряд ядра равен порядковому номеру элемента. Так как атом электро-нейтрален, то ядро каждого атома окружено электронами в числе, равном порядковому номеру элемента.

Но электронно-ядерная теория строения атомов Резерфорда вступила в противоречие с существовавшей в то время теорией электромагнитных явлений. В поисках выхода из этого противоречия Н. Бор, используя квантовую теорию, создал новую теорию строения атома. Эта теория полностью соответствовала опытным данным об оптических свойствах водорода. Однако теория Бора не могла разрешить проблему строения других атомов, так как не могла разъяснить сложное строение их спектральных линий. Данные теории не совпадали с данными опыта. Новое противоречие было разрешено на базе волновой механики Де-Бройля. В 1926 г. Э. Шредингер выдвигает уравнение для частиц, сходное с волновыми уравнениями акустики и оптики, послужившее математическому развитию квантовой механики. В этом же году В. Паули открывает принцип, согласно которому в каждом возможном состоянии, характеризуемом квантовыми числами, может находиться только один электрон. Эти открытия позволили перейти к расчету количества электронов по группам (слоям). Число этих слоев, как показали рентгеновские спектры и измерения потенциалов ионизации, должно быть равным числу периодов. Квантово-механические расчеты привели к установлению числа электронов в группах. Обнаружилось, что аналоги имеют одинаковое число электронов во внешнем слое. Отсюда был сделан вывод, что сходство химических свойств аналогов обусловливается сходством строения внешнего электронного слоя их атомов.

Третьим важным результатом физических исследований в этот период было открытие и изучение изотопов. Возникла необходимость разместить их в периодической системе. Атомы, имеющие различный атомный вес, одно и то же порядковое число и одинаковые химические свойства, были помещены в одну клетку периодической таблицы. Совокупность элементов, помещенных в одну клетку, Фаянс назвал плеядой, а каждый отдельный член плеяды получил название «изотоп» (Содди). Вскоре были открыты изотопы и у нерадиоактивных элементов (Астон, Демпетер, Юрей, Мерфи и др.). С помощью прибора масспектрографа Ф. Астону удалось обнаружить изотопы у многих элементов и определить их атомные веса. В 1929 г. был разработан также способ обнаружения изотопов путем изучения полосатых спектров. Этим способом удалось установить, что кислород, азот, углерод, которые, по Ф. Астону, считались однородными, также содержат изотопы. В 1932 г. был открыт изотоп водорода дейтерий с атомным весом 2, а в 1934 г. был обнаружен третий изотоп водорода с атомным весом 3 - тритий. У некоторых химических элементов были найдены атомы, имеющие один и тот же вес, различающиеся физическими и химическими свойствами и, как было установлено впоследствии, зарядами ядер. Так, у кальция и у аргона были найдены атомы с атомным весом 40. Такие атомы были названы изобарами.

Четвертым важным итогом физических исследований этого периода является открытие сложного строения ядер атома. В 1919 г. Резерфорд открыл протоны, а в 1932 г. ДжЧэдвик — нейтроны. В том же 1932 г. советский физик Д. Д. Иваненко предложил протонно-нейтронную теорию строения атомного ядра. Согласно этой теории, которой теперь придерживается подавляющее большинство физиков, ядра состоят из протонов в количестве, равном заряду ядра, и нейтронов в количестве, равном разности между массой атома и числом протонов. Открытие советским физиком А. П. Ждановым полного расщепления ядер под действием космических лучей на протоны, число которых оказалось равным порядковому номеру элемента, явилось экспериментальным подтверждением теории Д. Д. Иваненко. Протоны и нейтроны, возможно, постоянно переходят друг в друга, обнаруживаясь то как нейтроны, то как протоны только при вылете из ядра. Изотопы имеют одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов. Вследствие этого они имеют разную массу, но одинаковый порядковый номер, а также одинаковое число электронных слоев и число электронов в каждом слое. Химические свойства элементов определяются строением электронных слоев и в конечном счете зарядом ядер их атомов.

Современная физика подтвердила указание В. И. Ленина о неисчерпаемости атома и его составных частей, об отсутствии в природе неизменных предметов. Нельзя думать так, что теперь вместо неизменного атома появились новые постоянные и неизменные частицы: электроны, протоны, нейтроны, позитроны, мезоны и другие известные физикам «элементарные частицы». Современная физика показывает, что при определенных условиях фотоны «рождают» электроны и позитроны, протоны превращаются в нейтроны и позитроны, нейтроны — в протоны и электроны и т. д. «Элементарные частицы» также создаются и разрушаются, «живут» и «умирают», как все объекты мира. Многие буржуазные ученые оказались неспособными материалистически осмыслить эту объективную диалектику, что привело к новой активизации идеализма.

Пятым важным итогом физических исследований этого периода является нахождение способов управления расщеплением ядер и освобождения при этом огромных количеств энергии, а также открытие способов искусственного синтеза гелия из водорода и получение при этом еще больших количеств энергии, что открыло путь атомной энергетике. Этим открытиям предшествовало обнаружение И. Кюри и Ф. Жолио в 1934 г. искусственной радиоактивности, а О. Ганом в 1939 г. — возможности с помощью нейтронов разбивать ядра урана на два почти одинаковых, по массе осколка и получения при этом свободных нейтронов. В 1940 г. советские физики К. А. Петржак и Г. Н. Флеров обнаружили самопроизвольное деление ядер урана. Впоследствии оказалось, что при определенных условиях свободные нейтроны могут вызывать цепную лавинообразную реакцию ядер атомов урана, сопровождающуюся выделением огромных количеств внутриядерной энергии.

Шестым важным итогом физических исследований в этот период было нахождение глубокой связи между зарядом ядра и его массой. Атомы данного элемента, несущие определенный заряд ядра, устойчивы только при определенной массе. При постепенном изменении массы наступает скачок в заряде ядра, возникают новые элементы. То, что устойчивость заряда ядра определяется его массой, видно также из рассмотрения изобар. Эти открытия показали, что центральное понятие химии «химический элемент» должно быть углублено. Химический элемент — это вид атомов, обладающих одним и тем же ядерным зарядом, устойчивость которого зависит от массы ядра.

Открытия в области атомной физики оказали существенное влияние на развитие химии. Произошло прежде всего углубление наших понятий об атоме и химическом элементе. Углубилось понимание периодического закона и периодической системы, так как был раскрыт их физический смысл. Было доказано превращение и развитие химических элементов. Исследования в области искусственной радиоактивности положили начало искусственному превращению химических элементов. Серьезные шаги были сделаны в понимании природы химической связи, валентности, строения молекул, механизма образования комплексных соединений, физических и химических свойств веществ, агрегатного состояния их. Были сделаны новые научные попытки классификации веществ. Открытия в области строения атома преобразовали всю систему химических знаний, подняли их на новую, более высокую ступень.

В этот же период возникли новые идеи и в области физической химии. Русским ученым Н. С. Курнаковым разрабатывается новая область химии — физико-химический анализ, заключающийся в количественном изучении физических свойств непрерывно изменяющейся системы, состоящей из нескольких веществ. В кинетике добыты значительные результаты в изучении энергий активации, взаимодействия отдельных молекул и атомов между собой, цепных реакций (Семенов). Большие успехи Достигаются в области катализа, поверхностных явлений, в Учении о коллоидах, электролитических и электрокапиллярных процессов (Фрумкин). На основе достижений химической физики и углубляется ионная теория (Дебай, Хюккель).

Большие результаты достигнуты также и в области неорганической органической и технической химии. Исследование карбидов, гидридов, нитридов, реакций инертных газов, получение и изучение большого количества комплексных соединений, разработка новых теорий кислот и оснований—вот некоторые результаты в развитии неорганической химии. Получение и изучение каучуков, пластмасс, искусственных и синтетических волокон (работы школ Зелинского, Лебедева, Фаворского), многочисленные синтезы на базе природного и попутного нефтяного газа, водорода, метана и т. д., синтез витаминов и большого числа новых эффективных лекарственных веществ — вот некоторые результаты в области органической химии. Техническая химия, используя теоретические достижения физической, коллоидной, органической и других разделов химии, успешно решила целый ряд исключительно важных проблем. Осуществлен синтез аммиака из элементов. Развились производства синтетического метанола, уксусной кислоты и других веществ, искусственного и синтетического волокна, искусственного каучука, пластмасс. Осуществлено получение жидкого топлива из каменного угля. Разработаны различные способы крекирования нефти и синтетического получения бензина. Достигнуты серьезные успехи в области подземной газификации каменных углей. Изготовляются разнообразные качественные стали и другие сплавы, внедрены методы флотации. Разработаны способы получения разнообразных минеральных удобрений, инсектофунгицидов, гербицидов, стимуляторов роста, налажено производство их и применение в сельском хозяйстве.

Химия за этот период обогатилась новыми методами физического и химического исследования веществ.

Успехи в развитии химии поставили перед методикой химии ряд новых задач. Необходимо было определить, что из электронной химии можно включить в курс химии средней школы и как преподать это учащимся. Надо было перестроить изложение химии на основе физической атомистики — атомистики XX в. Следовало было решить, что из достижений неорганической, органической и технической химии включить в курсы средней школы, чтобы обеспечить преподавание химии на современном, но доступном учащимся уровне, что из курса средней школы изъять как устаревшее, какие методы и организационные формы применить при обучении, чтобы наилучшим образом содействовать основательному усвоению нового содержания учащимися.