ГЛАВА ПЯТАЯ

Представьте, что вы решили изучить жизнь клетки. Вы ставите над нею всевозможные опыты: нагреваете, облучаете, разрушаете и тщательно рассматриваете в микроскоп. Однако все ваши знания о ней будут неполны, пока вы не вспомните, что клетка — это часть живого организма и только в нем проявляет всю полноту своих свойств.

Глава пятая

Нечто похожее произошло и в науке об атоме. До сих пор мы намеренно пытались изолировать атом и отбирали только те опыты, которые могут прояснить свойства отдельного атома. Однако задолго до всех этих опытов, которые доказали сложную структуру атома, Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) установил, что атомы различных элементов образуют единый организм — естественную систему элементов.

Через год после создания периодической системы элементов он писал:

«Легко предположить, но ныне пока еще нет возможности доказать, что атомы простых тел суть сложные вещества, образованные сложением некоторых еще меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами... однако, несмотря на шаткость и произвольность такого предположения, к нему невольно склоняется ум при знакомстве с химией. Оттого такое учение повторяется в разных формах уже давно, и выставленная мной периодическая зависимость между свойствами и весом, по-видимому, подтверждает такое предчувствие, если можно так выразиться, столь свойственное химикам».

Надо сказать, что химиков никогда не могла удовлетворить мысль о независимом множестве качественно различных элементов. Поэтому они всегда стремились свести их качественное многообразие к простой и ясной идее; атомы различных элементов представляют собой различные скопления частиц одного и того же рода.

Такие попытки начались уже в древности и в дальнейшем развивались по двум различным путям.

Демокрит верил, что все вещества в природе построены из атомов, а свойства веществ зависят от различных сочетаний атомов.

Аристотель утверждал, что все сущее состоит из элементов, которые сами являются носителями определенных качеств.

Отголосок этого давнего спора дошел даже до наших дней: при слове «атом» у нас невольно возникает зрительный образ чего-то твердого и массивного; при словах «химический элемент» мы пытаемся представить себе некое чистое качество, безотносительно к его носителю. Быть может, поэтому учение о химических элементах вначале развивалось совершенно независимо от идеи об атомах. Впоследствии оба учения так переплелись, что их перестали различать, но, как мы только что убедились, до сих пор не удалось преодолеть психологический барьер между ними.

Пути науки неисповедимы, а истоки многочисленны. До сих пор мы подробно проследили «физические истоки» науки об атоме. Теперь пришло время отыскать ее «химические истоки».

УЧЕНИЯ ДРЕВНИХ

Философы ионической школы, знаменитым представителем которой был Фалес Милетский (640—546 г. до н. э.), признавали только один элемент - воду, «на которой покоится Земля и которая дала начало всему что есть». Впоследствии Эмпедокл (490—430 г. до н. э.) добавил к воде еще три элемента: землю, огонь и воздух. Наконец, Аристотель (384—322 г. до н. э.) к этим четырем элементам присоединил пятую сущность — qumta essentia, воспоминание о которой сохранилось до сих пор в слове «квинтэссенция».

Нечто похожее было создано и в индийской философии. Но в отличие от греков — материалистов, которые под элементами понимали вещества, воздействующие на наши органы чувств, в Индии элементы представляли себе как некие проявления всемогущего духовного начала. Этих проявлений-элементов в индийской философии было пять — по числу чувств, способных их воспринять: эфир — слух, ветер — осязание, огонь — зрение, вода — вкус и земля — обоняние. Философ Канада, о котором мы упоминали в самом начале, добавил к ним еще четыре элемента: время, пространство, душу (атман) и манас (средство, с помощью которого душе передаются впечатления от чувств). Кроме того, он утверждал, что четыре элемента: земля, вода, огонь и воздух — состоят из атомов.

Учения древних

В средние века учение об элементах возродили алхимики, среди которых обычно отмечают египтянина Зосима, араба Гебера (Абу-Муза-Джабер-бен-Гайян-эк-Куфи) (X век) и Альберта Великого (XII век).

Под элементами алхимики (вслед за Аристотелем) понимали не вещества, а качества, или «принципы». Ртуть служила «принципом» металлического блеска, сера — горючести, соль — растворимости. Они были убеждены, что, смешав эти «принципы» в надлежащих пропорциях, можно получить любое вещество в природе.

Как правило, со словом «алхимия» связывают сказки о превращении ртути в золото, о получении эликсира жизни и прочие чудеса. Если порыться в архивах, то там можно найти, например, сочинение Гебера, в котором он всерьез обсуждает вопрос: «Почему, как всем известно, облако не дает дождя, когда женщина выходит из дома голой и обращается лицом к этому облаку?»

Но, кроме этих заведомых глупостей, алхимики изобрели спирт и уже одним этим оправдали свое существование. Основная же их заслуга состоит в том, что стихийное экспериментирование, которому предавались алхимики, привело постепенно к накоплению фактов, без которых наука химия никогда бы не возникла.

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ

В XVII веке алхимия вместе с натурфилософией уступила место химии и физике. В 1642 году появилось сочинение Иоахима Юпгиуса (1587—1657) «Диспуты о принципах материи», которое он вполне в духе века заканчивает словами:

«Какие принципы должны быть признаны первичными для однородных тел, может быть познано не путем догадок, а только на основании добросовестных, детальных и прилежных наблюдений».

В 1661 году вышла в свет знаменитая книга Роберта Бойля «Скептический химик», в которой он определил химические элементы как «некоторые примитивные, или простые, или совершенно несмешанные вещества».

некоторые примитивные вещества

По существу, это первое и почти современное определение элемента: элемент — это прежде всего вещество, а вовсе не «принцип», субстрат или идея. Оставалось пока неясным, как выделять элементы из природных веществ и по какому признаку можно отличить чистые элементы от их смеси или соединения. Например, сам Бойль полагал, что вода чуть ли не единственный чистый элемент, в то время как золото, медь, ртуть и серу относил к химическим соединениям и смесям.

Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) принял целиком учение Бойля об элементах, но он жил столетием позже, и ему этого было уже недостаточно: он хотел научиться выделять элементы из химических соединений. По-видимому, он был одним из первых, кто использовал весы не для приготовления порошков и смесей, а для целей исследования. Он исходил из предположения, которое сейчас кажется тривиальным, но в эпоху флогистона требовало немалой смелости:

Каждый элемент соединения весит меньше, чем все соединение в целом.

Последовательно применяя этот принцип, он составил первую таблицу, содержащую около 30 элементов. Взгляды Лавуазье настолько противоречили общепринятым в то время воззрениям, что рьяные последователи теории флогистона в Германии устроили публичное сожжение его портрета.

Лавуазье не закончил своих исследований: по обвинению в государственной измене 8 мая 1794 года после полудня на площади Революции в Париже ему отрубили голову, а тело погребли в общей могиле. Наутро после казни Лагранж говорил с горечью: «Чтобы снять эту голову, достаточно было мгновения, а чтобы создать другую, ей подобную, не хватит, быть может, и столетия».

Последующие сто лет были заполнены трудами химиков, которые постепенно дополняли таблицу Лавуазье. Среди них вызывает восхищение фигура «короля химиков» Иенса Якоба Берцелиуса (1779—1848), который за свою жизнь проанализировал свыше 2 тысяч веществ и открыл несколько новых элементов.

В это время было известно уже около 60 элементов — не так много, как думал Демокрит, но и не так мало, чтобы считать их все независимыми. Возникло подозрение, что совокупность элементов образует единую систему, и начались поиски этой системы.

По существу, такие поиски никогда не прекращались даже в то время, когда они были явно преждевременными. Например, Марне уже в 1786 году был уверен, «что все существующее в природе связано в один беспрерывный ряд» и что «...от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений...» В 1815 году английский врач и химик Вильям Праут (1786—1850) развил идею Марне о родстве элемелтов и предложил простую гипотезу, по которой все элементы образовались при конденсации водорода.

Сейчас не время и не место подробно изучать все попытки найти систему элементов, которые в разное время предприняли Деберейнер (1817), Петтенкоффер (1850), Гладстон (1853), Олдинг (1857), Бегюэ де Шан-куртуа (1863), Ньюлендс (1865) и многие другие. Значительно важнее проследить идеи и побудительные причины, которые всеми ими двигали.

В основе любой науки лежит человеческая способность удивляться. А существование элементов всегда вызывало и будет вызывать удивление. В самом деле, разве не странно, что весь этот мир, наполненный красками, запахами, звуками и человеческими страстями, построен всего из нескольких десятков элементов. Причем, как правило, сами элементы невзрачны на вид и ничем не напоминают красочного мира, который из них построен.

Однако вслед за удивлением в сознании ученых возникает потребность упорядочить впечатления, которые их поразили. Это чисто человеческое качество заложено в каждом из нас очень глубоко: ребенок радуется, сложив из хаоса кубиков правильную фигуру, скульптор — вырубив из глыбы мрамора статую.

При всякой попытке что-либо упорядочить сразу же возникает вопрос: «А по какому признаку?» Если у вас в коробке навалены в беспорядке кубики с номерами, то упорядочить их очень просто: достаточно расставить их в порядке номеров. А теперь представьте, что вместо кубиков у вас в руках пробирки с химическими элементами. В пробирках вещества разного цвета и запаха, жидкие и твердые, тяжелые и легкие. Какое из этих качеств следует взять за основу классификации? Например, пробирки можно расставить на полке так, что их цвета образуют радугу. Это будет красиво, но для науки об элементах бесполезно: всякая классификация имеет смысл лишь в том случае, если она позволяет выявить глубокие свойства или особенности строения. (Такова, например, классификация животного мира.)

Первые попытки

Чем вообще полезна классификация, кроме того, что она удовлетворяет наше инстинктивное стремление к простоте? Прежде всего — и это самое важное — без нее невозможна никакая наука. Мозг ученого — лишь небольшая часть природы, и он может надеяться познать всю природу только в том случае, если научится выделять в ней главные черты среди нагромождения деталей.

Как раз в этом и состоит суть классификации: среди многочисленных свойств предметов или явлений выбрать лишь одно или два свойства, но зато такие, чтобы они позволили выявить закономерность изменения всех остальных свойств.

У химических элементов очень много свойств, что вполне понятно: иначе нельзя было бы построить весь мир. Самое важное из них — способность элементов вступать в химические реакции. Казалось бы, именно это свойство элементов и нужно положить в основу их классификации. Однако это не так: нет способа точно измерить (и даже строго определить) реакционную способность элементов. А без этого любая классификация ненадежна. Чтобы не быть произвольной, она должна опираться на число, то есть элементы нужно классифицировать по тому их свойству, которое поддается точному измерению.

Анализ

Но и здесь не все так просто: удельный вес элементов мы можем измерить очень точно, однако положить его в основу их систематики нельзя — хотя бы потому, что среди них есть и газы, и жидкости, и твердые тела.

Многочисленные неудачные попытки найти систему элементов помогли наконец понять, что среди различных свойств элементов, доступных непосредственному наблюдению, нет того единственного свойства, которое необходимо положить в основу их классификации. Искомое свойство — атомный вес элемента — лежит вне химии и целиком принадлежит физике. Тот момент, когда это впервые поняли, можно считать началом современного учения о химических элементах. Этот решающий шаг сделал Джон Дальтон.

ЭЛЕМЕНТЫ И АТОМЫ

Среди ученых своего времени Джон Дальтон очень своеобразная фигура. В начале XIX века уже все уверовали в науку и поняли секрет ее могущества: она имеет дело с числами, а числа не обманут. Поэтому превыше всего в то время ценили искусство ставить точные опыты. Дальтон решительно этим качеством не обладал и потому при жизни подвергался нападкам маститых ученых.

«Его инструменты, сделанные в основном своими руками, не были приспособлены для получения аккуратных результатов, а его манера экспериментирования была небрежной, если не сказать неряшливой», — писал один из его биографов.

По складу ума это был типичный теоретик, как мы себе представляем сейчас эту профессию. Поэтому не следует слишком строго судить неточности измерений в его работах: на их основе он высказал светлые и плодотворные мысли, которые определили развитие химии на ближайшие сто лет. Суть его открытия состоит в том, что он указал экспериментальный путь проверки атомной гипотезы.

Дальтон определил элемент как вещество, состоящее из атомов одного вида. Атомы различных веществ различаются между собой по весу и при всех превращениях вещества остаются неизменными — происходит лишь их перегруппировка. «Мы с таким же успехом можем стараться прибавить новую планету в солнечную систему, как уничтожить или создать атом водорода», — писал Дальтон.

Дальтона начинается современная история атома. Он впервые не только твердо поверил в атомную гипотезу, но стал искать вытекающие из нее и притом наблюдаемые следствия. Ход его рассуждений состоял примерно в следующем.

Допустим, что все элементы состоят из атомов. Тогда, скажем, в 16 г кислорода содержится N атомов кислорода. Теперь допустим, что мы сжигаем в этом кислороде водород. Легко измерить, что для сжигания 16 г кислорода надо затратить 2 г водорода, и в результате мы получим 18 г воды.

Первое предположение, которое приходит в голову стороннику атомной гипотезы, состоит в том, что каждый атом кислорода О соединяется с одним атомом водорода Н и в результате образуется молекула воды НО. Именно так думал и Дальтон.

В дальнейшем Берцелиус доказал, что он немного не прав, а именно: с каждым атомом кислорода соединяются два атома водорода и поэтому формула воды принимает привычный для нас вид: Н₂0. Но здесь самое важное идея: с каждым атомом кислорода соединяется целое число атомов водорода. Поэтому если в 16 г кислорода содержится N атомов, то в 2 г водорода — 2 N атомов. А это означает, что один атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.

Таким образом, появилась возможность сравнивать между собой вес атомов различных элементов. Появилось понятие — атомный вес — число, которое показывает, во сколько раз вес атома какого-либо элемента тяжелее атома водорода. По определению атомный вес водорода приняли равным единице, и, следовательно, атомный вес кислорода равен 16.

Чем может быть полезно это простое рассуждение? Прежде всего теперь можно измерить атомные веса всех других элементов, изучая их соединения с водородом и кислородом. Например, можно убедиться, что в тех же 16 г кислорода удается сжечь только 16 г серы и получить сернистый газ. Что отсюда следует? Можно, как всегда, предположить простейшее: с каждым атомом серы соединяется один атом кислорода по формуле S + O = SO, и сделать отсюду вывод, что атомный вес серы равен 16. Но если (как мы теперь знаем) горение происходит по формуле S + 0₂ = S0₂, то атомный вес серы следует положить равным 32.

Измерение атомного веса

На этом примере мы видим, что сама по себе атомная гипотеза еще не дает способа предсказывать состав химических соединений, однако она не позволяет ошибаться больше чем в целое число раз. Например, мы заранее можем предсказать, что с 32 г серы (в которых содержится N атомов) может соединиться либо N, либо 2N и т. д. атомов водорода, то есть либо 1 г, либо 2 г, но ни в коем случае не 1,35 г водорода. Это утверждение как раз и составляет содержание знаменитого закона кратных отношений:

Веса элементов, входящих в соединение, относятся между собой как целое кратное их атомных весов.

К этим результатам Дальтон пришел в 1804—1805 годах, а в 1808 году вышла его знаменитая книга «Новая система химической философии», открывшая Целую эпоху в науке. Его выводы тут же проверил английский врач и химик Уильям Волластон (тот самый, который впервые обнаружил темные линии в спектре Солнца) и убедился в их справедливости.

Нам сейчас трудно представить ту смутную эпоху, когда отвергали не только атомную гипотезу, но вообще сомневались в том, что химические соединения имеют постоянный состав. Известен знаменитый восьмилетний спор между Прустом и Бертолле, лишь в конце которого Пруст наконец доказал, что независимо от того, как и откуда получено соединение, оно всегда имеет один и тот же неизменный состав. И вода всегда остается водой H₂0, упала ли она с неба, взята ли из реки или же получена сжиганием водорода в кислороде.

Оставалось сделать последнее: научиться определять атомные веса элементов. Для этого нужно было выбрать простейшие вещества. Прежде всего обратили внимание на газы. И тут сразу же, в 1809 году, бывший ассистент Бертолле французский ученый Джозеф Луи Гей-Люссак (1778—1850) (которого мы знаем по «газовому закону Гей-Люссака») сделал очень важное открытие: объемы двух газов, вступающих в реакцию, всегда относятся друг к другу как простые целые числа.

Не веса, а объемы!

Как мы скоро увидим, это очень важно. Например, чтобы получить воду, нужно в одном объеме кислорода сжечь ровно два объема водорода. Отсюда уже сам собой напрашивается вывод: в равных объемах газов содержится одинаковое количество атомов.

Именно к такому выводу пришел в 1811 году итальянский ученый Амедео Авогадро (1776—1856) (Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кварегна э ди Керрето), только сформулировал его точнее:

В равных объемах газов содержится одинаковое количество молекул. Как мы теперь знаем, молекулы большинства газов: водорода, кислорода, азота и т. д. — состоят из двух атомов Н₂, О₂, N₂. После этого уже ничего не стоит понять классический опыт по сжиганию водорода в кислороде. Известно, что при этом из 1 объема кислорода и 2 объемов водорода образуется 2 объема водяного пара. Коротко этот факт записывают уравнением:

2H₂ + 0₂ = 2H₂O.

В чем значение открытий Гей-Люссака и Авогадро и почему мы так подробно остановились на этих простых фактах?

Проследим еще раз цепочку рассуждений. В равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Известно, что 2 г водорода занимают объем 22,4 л; обозначим число молекул, которое содержится в этом объеме, через N. Те же самые N молекул кислорода занимают тот же объем 22,4 л, но весят они при этом не 2 г, а 32. Отсюда следует, что каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода; а это означает, что, измерив удельный вес какого-либо газа, мы сразу же определим его атомный вес.

Нигде до сих пор реальность атомной гипотезы не была видна так явно. Действительно, удельный вес — величина легко измеримая и привычная, поскольку она воздействует на наши органы чувств. Поразительно то, что таким простым способом можно измерить атомный вес — величину, не данную нам в ощущении непосредственно и тем не менее безусловно реальную.

Число молекул N, которые помещаются в 22,4 л любого газа, называют теперь числом Авогадро. Это одна из основных постоянных физики — подобно скорости света с или постоянной Планка h. Чтобы определить ее, достаточно знать абсолютный вес М одного атома водорода. И поскольку в 22,4 л содержится 2 г таких атомов, то число N =2/М.

Впервые удалось оценить число N после вычислений Йозефа Лошмидта, который определил абсолютный вес и размеры атома водорода. Кстати, из его вычислений следовало, что расстояния между молекулами газа примерно в 10 раз превышают размеры самих молекул. Если знать этот результат заранее, то гипотеза Авогадро совершенно очевидна: средние расстояния между атомами газа не зависят от их размеров, которые от газа к газу меняются очень незначительно.

Гипотеза Авогадро была вскоре забыта, и лишь полстолетие спустя, в 1858 году, ей возвратил жизнь другой итальянский ученый, Станислао Каниццаро (1826—1910). Это было как нельзя более кстати, поскольку между химиками той поры не было согласия: почти каждый из них признавал только свою собственную таблицу атомных весов, органики не доверяли неорганикам, а созванный в 1860 году в Карлсруэ съезд самых знаменитых химиков ни к какому соглашению не пришел.

Немецкий химик Лотар Мейер (1830—1895), много сделавший для установления системы элементов, вспоминал, как, возвращаясь со съезда в Карлсруэ, он читал в вагоне поезда брошюру Каниццаро и как во время этого чтения у него «упала пелена с глаз».

Только теперь наконец были достаточно правильно определены атомные веса элементов, и можно было приступить к их классификации.

ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Казалось бы, чего проще — надо расположить все элементы в порядке возрастания атомных весов, и сразу же сама собой обнаружится периодичность их свойств. И часто дело изображают так, будто Менделеев, выписав все известные в то время элементы на оборотной стороне визитных карточек, долго раскладывал их как пасьянс, пока не забылся кратким дневным сном. Во время этого-то сна к нему и пришло решение проблемы. По-видимому, так оно и было, но при этом всегда следует помнить, что счастливому дню 1 марта 1869 года предшествовало много других дней и ночей — бессонных и бесплодных, когда проблема казалась безнадежной.

В чем состояла трудность задачи? Вспомните пример с беспорядочной кучей пронумерованных кубиков — расставить их по порядку не составляет труда. Но на химических элементах нет ярлыков с номерами — это просто вещества разного цвета, твердые, жидкие, газообразные. Мы знаем только, что каждому из них можно поставить в соответствие число — атомный вес. Именно это число приняли вначале за основу классификации. Можно, конечно, расположить все элементы в порядке возрастания атомных весов—многие именно так и поступали, — но это будет занятие, достойное ремесленника, а не мастера. Прежде всего, откуда известно, что мы знаем уже все элементы? А без этой уверенности какой смысл располагать их по возрастающим атомным весам?

Трудность задачи

Проблема в действительности напоминает известную детскую игру в кубики, на которых изображены части картины и нужно сложить их все вместе так, чтобы получилась вся картина целиком. Теперь представьте, что часть кубиков утеряна, а на части кубиков куски картины искажены. В этом случае целую картину все равно можно восстановить, хотя, конечно, и с большим трудом. Только при этом нужно стремиться представить себе именно картину всю целиком, а не надеяться, что она сама получится, если произвольно и бездумно переставлять кубики.

Дмитрий Иванович Менделеев владел как раз этим даром синтетического мышления. Он с самого начала представлял себе элементы не как набор случайных веществ, а как части единой системы. И в поисках этой системы элементов он не ограничился только их физическим свойством — атомным весом (хотя и положил его в основу классификации), а держал в памяти и комбинировал все остальные их — химические — свойства.

Во времена Менделеева было известно 63 элемента. В таблице, которую он составил в 1869 году, только 36 из них подчинялись принципу возрастания атомных весов. Для 20 элементов этот принцип был нарушен, а для оставшихся 7 Менделеев исправил атомные веса на основании своей таблицы. Он настолько верил в найденную им систему, что предсказал на ее основе свойства еще не открытых элементов и оставил для них пустые места в таблице. Эти элементы и в самом деле были вскоре открыты: скандий, № 21, в 1875 году, галлий, № 31, в 1879 году, германий, № 32, в 1886 году, технеций, № 43 и рений, № 75, в 1925 году.

Если быть строгим, то приходится признать, что Менделеев открыл свою систему не на основании фактов, а вопреки им. Он как будто видел заранее всю таблицу и принимал во внимание лишь те факты, которые ей не противоречили. Как в загадочной картинке «Найди охотника!», Менделеев в беспорядочном нагромождении линий вдруг увидел четкие контуры правильной картины. А различив ее однажды, уже нельзя в дальнейшем ее не заметить — даже если очень стараться. (Это свойство человеческой психики каждому хорошо знакомо.) Здесь Менделеев обнаружил ту сторону своего ума, которая отличает гения от таланта: большую интуицию — редкий дар природы, позволяющий увидеть истину сквозь шелуху неверных фактов.

В периодической системе элементов Менделеева нашел наконец успокоение давний спор между представлениями Аристотеля и Демокрита о природе элементов. По горизонтали таблицы изменяется ненаблюдаемое свойство атома Демокрита — атомный вес (количество); по вертикали элементы естественно группируются в семейства с аналогичными химическими свойствами: валентность, способность вступать в реакции и т. д. Эти свойства наблюдаемы, воздействуют на наши органы чувств и сродни древним «качествам» Аристотеля.

Лагранж как-то сказал: «Счастлив Ньютон, ибо систему мира можно установить лишь однажды». Менделеев установил систему химического мира. Это тоже можно сделать только один раз. Поэтому его имя, как и имя Ньютона, никогда не будет забыто, пока существует наука.

ОБЪЯСНЕНИЕ ТАБЛИЦЫ

При взгляде на таблицу Менделеева возникает (и всегда возникал) вопрос: «Что это — удобный способ запоминания элементов - или фундаментальный закон природы?» Понимающему взгляду химика таблица говорит очень много, но сейчас мы не в состоянии обо всем этом рассказать. Мы попытаемся понять только главное: если это закон природы, то:

Что определяет порядок расположения элементов в таблице?

В чем причина их периодических свойств?

От чего зависит длина периодов?

Ответить на эти вопросы пытались в течение полувека — от Менделеева до Паули. Таблицу элементов многократно переписывали, разрезали и снова склеивали на плоскости и в пространстве всеми возможными и невозможными способами. Но, как всегда, причина явления лежала вне его самого: объяснить таблицу смогла только физика после создания теории, атома.

Как мы видели, уже Менделеев знал, что атомный вес лишь приблизительно определяет положение элементов в таблице. И все же каким-то одному ему известным способом он сумел их расположить в таблице правильно. После уж не составляло труда пронумеровать их все подряд. Но имеет ли подобная нумерация глубокий смысл? Ведь с таким же успехом мы можем пронумеровать кубики из нашей детской игры-мозаики для того, чтобы можно было всегда и быстро восстановить всю картину. Это, конечно, удобно, однако глубокого смысла не имеет, поскольку номера кубиков никак не связаны с тем, что на этих кубиках изображено.

Существует ли глубокая внутренняя связь между химическими свойствами элемента и его порядковым номером в таблице? Или же это внешний и произвольный его признак, вроде порядкового номера дома на улице? Если бы это было действительно так, то с открытием каждого нового элемента пришлось бы менять их нумерацию, точно так же, как меняют нумерацию домов при дополнительной застройке улицы. Одним словом, порядковый номер элемента в таблице — это что: удобный способ найти его в этой таблице или же это его внутренняя характеристика, которая присуща ему независимо от всяких таблиц? История склоняется в пользу последнего предположения: за 100 лет существования таблицы нумерация элементов ни разу не изменилась.

Разгадку такой устойчивости таблицы удалось найти лишь после работ Резерфорда. В том же 1911 году, когда Резерфорд обнародовал свою планетарную модель атома, датчанин Ван дер Брок написал в немецкий журнал короткую заметку, в которой высказал предположение:

порядковый номер элемента в таблице Менделеева равен заряду ядра его атомов.

Два года спустя, изучая рентгеновские спектры различных элементов, эту гипотезу доказал один из лучших учеников Резерфорда Генри Гвин Джеффрис Мозли (1887—1915). Работа Мозли стала главным событием в физике даже в те полные открытий годы. Ему не удалось ее завершить: в августе 1915 года он был убит наповал в Греции в окопах Галлипольского полуострова.

В чем суть и важность этих открытий?

Прежде всего из них следует, что элементы в таблице расставлены верно.

Кроме того, они доказывают, что все элементы уже открыты, за исключением тех, для которых в таблице оставлены пустые места.

Такая окончательность утверждений всегда обладает необъяснимой притягательной силой. Она становится особенно ценной, когда речь идет о системе мира. После работ Мозли система химических элементов была наконец установлена окончательно и оставалось только понять ее особенности.

Природа позаботилась о том, чтобы как можно дальше упрятать свои главные свойства от глаз естествоиспытателей: заряд ядра атома надежно укрыт шубой из электронов и недоступен измерению никакими химическими и большинством физических методов. Это свойство атомов нащупали только после того, как начали обстреливать их такими снарядами, как «λ-частицы. Вместе с тем именно это так глубоко запрятанное свойство определяет структуру атома и все наблюдаемые свойства элементов, состоящих из этих атомов. И если мы хотим по-настоящему узнать атом, то вначале должны докопаться до его ядра. (Как в сказке о Кащее Бессмертном: высоко на горе растет дуб, на дубу — сундук, в сундуке — заяц, в зайце — утка, в утке — яйцо, в яйце — игла, а в кончике той иглы — жизнь и смерть Кащея.)

В силу каких-то глубоких причин, которые мы пока не вполне знаем, заряд ядра атома примерно вдвое меньше, чем его атомный вес. Поэтому, располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, мы более или менее правильно выстроим их и в порядке возрастания зарядов ядер их атомов. Менделеев, конечно, не знал о существовании ядер, но он почувствовал, что у атомов есть еще какое-то свойство, более глубокое, чем атомный вес, и поэтому, располагая элементы в таблице, доверял больше интуиции, чем атомным весам. Он как бы заглянул под электронную оболочку атомов, пересчитал там положительные заряды в ядре и затем это число присвоил элементу, назвав его порядковым номером. Очевидно, порядковый номер — внутренняя характеристика элемента, и, конечно, она не зависит от нашего произвола, как, например, номер дома на улице. (Если продолжить нашу аналогию с детской игрой-мозаикой, то можно сказать, что все ее кубики в действительности оказались пронумерованными. Только номера эти были запрятаны внутри кубиков.)

Теперь наконец можно дать точное определение элемента.

Элемент — это вещество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра.

Нам осталось выяснить последнее: почему монотонное изменение заряда ядра атомов приводит к периодическим изменениям их химических свойств? Изменяются при этом не только химические, но и физические свойства: удельный вес, твердость и даже агрегатное состояние. Например, элементы с порядковыми номерами 2, 10, 18, 36 — это газы гелий, неон, аргон, криптон, получившие название благородных за свою неспособность вступать в обычные химические реакции. Но если заряд ядер этих атомов увеличить всего на единицу, то мы получим элементы 3, 11, 19, 37 — щелочные металлы литий, натрий, калий, рубидий, которые никак не похожи на соседние газы ни по физическим, ни по химическим свойствам. Например, натрий и калий так легко вступают в химические реакции, что их нельзя держать на открытом воздухе — они там самовоспламеняются.

Последняя загадка

Очевидно, причину периодического изменения свойств элементов следует искать не в ядре, а в окружающей его электронной оболочке. Первая мысль, при этом возникающая, состоит в том, что электроны вокруг ядра расположены не беспорядочно, а слоями-оболочками. Начало заполнения новой оболочки совпадает с началом нового периода, и как раз в этот момент скачком изменяются химические свойства элементов. После работ Бора подобная мысль казалась очень естественной, и он сам же ее впервые и высказал.

Однако приведенные наблюдения не подсказывают способа вычислить длину периода. На первый взгляд длина периодов в таблице меняется весьма прихотливо: в I периоде — два элемента, во II и III — восемь, в IV и V — восемнадцать, в VI — тридцать два. Но еще в 1906 году Иоганн Ридберг заметил, что ряд чисел 2, 8, 18, 32 подчиняется простой формуле: 2n². Эту закономерность удалось объяснить Паули только в 1924 году, после открытия им принципа запрета.

Ход рассуждений Паули легко понять. В самом деле, движение электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, о которых мы подробно говорили в предыдущей главе и которые напомним теперь еще раз:

n — главное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3,...;

l — орбитальное квантовое число, которое при заданном n принимает значения О, 1, 2,..., (n — 1);

m — магнитное квантовое число; при заданных n и l оно пробегает ряд значений —l, —(l—1),... —1, О, 1, ... (l—1), l, — всего 2l+1 значений;

S — спиновое квантовое число, принимающее значения +1/2 и -1/2.

Принцип запрета Паули гласит:

В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами.

Поэтому на оболочке с порядковым номером n может поместиться только ограниченное число электронов. Например, на первой оболочке умещаются только два электрона. В самом деле, если главное квантовое число n = 1, то для орбитального момента допустимо только одно значение l = 0, а следовательно, и магнитное квантовое число m = 0; спин электрона не зависит от других квантовых чисел и может принимать два значения S = 1/2 и S= -1/2. В соответствии с этим на первом квантовом уровне могут поместиться только два электрона с квантовыми числами: (n = 1; l = 0; m = 0; S = 1/2) и (n = 1; l = 0; m = 0; S= —1/2). Рассуждая точно так же, можно убедиться, что на второй оболочке умещается 8 электронов, на третьей — 18 и вообще на оболочке с главным квантовым числом n помешается 2n² электронов. То есть число электронов на заполненных оболочках атомов равно длине периодов таблицы Менделеева.

Чтобы нагляднее уяснить себе причину появления этих чисел, представьте, что вам надлежит заселить жилой квартал, в котором n домов, пронумерованные числом l = О, 1, 2, ... (n — 1), причем в доме с номером l только (2l+1) квартир. Если в каждую квартиру запрещено поселять больше двух жильцов, то во всем квартале поместится 2n² человек и не более.

Каждый период в таблице Менделеева начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом. Химические свойства этих элементов резко различны. Теперь легко понять и причину их различия. Инертные газы — гелий, неон, аргон и т. д. — отличаются от всех остальных элементов тем, что у них оболочки полностью заполнены.

Атомы щелочных металлов: лития, натрия, калия и т. д., которые в таблице расположены следом за инертными газами, содержат по одному электрону в следующей, более высокой оболочке. Эти электроны связаны с ядром много слабее, чем остальные, и поэтому атомы щелочных металлов легко их теряют и становятся положительными однозарядными ионами:

Li⁺, Na⁺, К⁺ и т. д.

Наоборот, в атомах фтора, хлора, брома и т. д. недостает одного электрона, чтобы замкнуть их внешнюю оболочку до оболочки благородного газа. Поэтому-то галогены так охотно присоединяют электрон, образуя отрицательные ионы F^-, Cl^- Вr^- и т. д. Когда атомы натрия и хлора встречаются, то натрий отдает свой внешний электрон хлору, в результате чего возникают ионы Na⁺ и Cl^-. Ионы эти притягиваются, образуя молекулы NaCl, из которых состоит хорошо известная всем поваренная соль.

Попутно нам удалось выяснить смысл понятия валентности, которое так трудно определить химически: валентность элемента в соединении — это число электронов его атома, участвующих в образовании химической связи. Легко видеть, что валентность вместе с другими химическими свойствами должна повторяться периодически через 2, 8, 18, 32 элемента при начале заполнения каждой следующей оболочки.

В прошлом веке числа 2, 8, 18, 32 вызывали недоумение и получили название «магических». Объяснить их пытались по-разному, например, вспоминали, что октаэдр — самый прочный многогранник и что в буддийской философии есть учение о восьми путях добра. Но вряд ли кто предполагал, что для них существует такое простое и рациональное объяснение.

Если бы Дальтон, Лавуазье, Менделеев — все, кто в свое время посвятил жизнь и силы изучению системы химических элементов, попали хоть ненадолго в наше время, они бы, без сомнения, испытали совершенную радость чистого знания, которое наконец достигнуто в учении об элементах. Вместо случайного набора веществ, относительно которых даже не всегда было известно, элементы ли это или смеси, они увидели бы стройную иерархию атомов: от водорода до курчатовия.

Этой гармонией мы обязаны квантовой механике, к знакомству с которой теперь и перейдем.

ВОКРУГ КВАНТА

АТОМЫ, ЯДРА, ИЗОТОПЫ

Вероятно, бог, создавая уже на пятый день творения «всех животных, и птиц, и рыб» целиком, не знал ничего об атомах или же не хотел вникать в такие детали. Но если бы он захотел заготовить вначале все атомы, то проще всего ему было бы пойти по пути, который предлагал в свое время Праут: построить их все из атома водорода.

Ясно, однако, что при сближении двух ядер водорода (протонов) они отталкиваются, поэтому природа изобрела еще один тип частиц — нейтроны, которые вместе с протонами уже могут образовать устойчивые ядра.

Заряд нейтрона равен нулю, а масса почти в точности равна массе протона. Если соединить вместе два протона и два нейтрона, то они образуют очень прочное ядро гелия (те самые α-частицы, которые использовал Резерфорд в своих опытах). Очевидно, что атом гелия в четыре раза тяжелее атома водорода и потому его атомный вес равен 4. Два электрона гелия занимают нижнюю оболочку с квантовыми числами n = 1, l = 0, m = 0, S = +1/2 и -1/2.

Если к ядру гелия добавить еще один протон и один нейтрон, то получится ядро лития с атомным весом 6. Третий электрон лития уже не помещается на первой оболочке и попадает на следующую, с квантовым числом n = 2. Данный факт как раз и соответствует тому, что с лития начинается новый период таблицы Менделеева. На оболочке с n = 2 помещается 2n² = 8 электронов (2 электрона на орбите n = 2, l = 0 и 6 электронов на орбитах n = 2, l=1, m = -1, О, 1). Постепенно добавляя к ядру лития протоны и нейтроны, а к его оболочке — электроны, мы таким образом последовательно построим весь второй период — от лития до неона.

Здесь, однако, мы впервые столкнемся с новым явлением. В самом деле, мы точно знаем: для того чтобы получить ядро кислорода, нужно к ядру лития добавить 5 протонов, поскольку заряд ядра лития равен трем, а заряд кислорода — восьми. Но сколько при этом надо добавить нейтронов? Оказывается, что иногда 5, а иногда 7. В соответствии с этим атомный вес кислорода иногда равен 16, а иногда 18. Но что в таком случае мы понимаем под словом «кислород»? Тот кислород, которым мы дышим? Сейчас мы знаем, что это естественная смесь изотопов кислорода с атомными весами 16 и 18, которая однажды образовалась в природе и которую никакими химическими способами разделить нельзя, поскольку химические свойства элементов зависят не от их атомного веса, а лишь от заряда ядра их атомов и от особенностей строения их электронной оболочки. (Только теперь мы можем по-настоящему оценить глубину мысли Менделеева, который к понятию атомного веса относился уважительно, но с большой осторожностью и, располагая элементы в таблице, доверял больше своей интуиции, чем естественному порядку атомных весов.)

Мысли Менделеева о кислороде

Термин изотопы ввел Фредерик Содди в 1912 году. Его буквальный перевод с греческого означает «занимающие одно и то же место» (в таблице Менделеева). Оказалось, что в природе существует по нескольку изотопов каждого элемента, иногда очень много; например, у водорода их три (водород, дейтерий и тритий), а у свинца — десять.

Больше всего изотопов у олова — двадцать шесть. А всего в природе насчитывается около полутора тысяч изотопов различных элементов.

После открытия изотопов стали различать «чистый элемент» и «смешанный».

«Чистый элемент» — это вещество, состоящее только из одного вида атомов: с одинаковым зарядом ядра и одинаковой массой. Чтобы обозначить такой элемент, пишут коротко, например: ₈О¹⁶. Это означает: кислород с зарядом 8 и атомным весом 16. «Смешанный элемент», или — что то же — обычный химический элемент, — это естественная смесь «чистых элементов».

С открытием изотопов возникла новая проблема: а как измерять теперь атомные веса? То есть с весом какого элемента их надо теперь сравнивать? Оказалось, что сравнивать их с весом атома водорода уже неудобно, и с 1961 года во всем мире принята углеродная шкала, в которой за единицу атомного веса принята 1/12 веса изотопа углерода ₆C¹².

Благодаря работам Фрэнсиса Вильяма Асто-на (1877—1945) и многих других мы умеем теперь измерять атомные веса очень точно. Скажем, атомный вес водорода iHl в углеродной шкале равен 1,00782522.

«Чистый элемент» или «смешанный» — для химии все равно; она их не различает даже с помощью самых тонких методов анализа. Тем более недоступно это для человеческих несовершенных чувств. Но иногда это различие становится для всех видимым, а для многих — гибельным. Оставшиеся после атомной бомбардировки в живых жители Хиросимы и Нагасаки навсегда запомнят разницу между безобидными изотопами урана и изотопом ₉₂U²³⁵, которым была начинена первая атомная бомба.

АТОМЫ И ЛЮДИ

Случайно это или нет, но факт остается фактом: среди ученых, которые установили систему элементов, было много интересных людей.

Роберт Бойль (1627—1691). Это был незаурядный человек. Решающее влияние на него оказала философия Фрэнсиса Бэкона с его учением об опыте как основном мериле истины. Быть может, поэтому он установил один из первых количественных законов в физике, известный теперь как газовый закон Бойля — Мариотта. Любопытно, что по стилю своей работы Бойль ближе к нам, чем к своей эпохе: он не писал статей, а диктовал их секретарю, он не делал сам опытов, а поручал их ассистенту (с которым ему, впрочем, повезло: это был знаменитый впоследствии Роберт Гук).

Бойль был четырнадцатым ребенком и седьмым сыном в богатой семье. С детских лет его мучили камни в почках, которые, быть может, отчасти определили его образ жизни. Бойль не был женат, был глубоко религиозен и, по свидетельству друзей, знавших его в течение сорока лет, никогда не произносил слова «бог» без благоговейной паузы. В течение 16 лет (1661 —1677) он был председателем знаменитой Ост-Индской компании и на этом посту больше всего заботился о деятельности миссионеров в колониях. Примерно греть его ученых трудов посвящена теологии. Он самолично финансировал переводы библии на турецкий, арабский, малайский языки и даже на язык американских индейцев.

Но вместе с тем Бойль был одним из основателей Королевского общества и в числе первых его членов.

Это был высокий худой человек, в концу жизни бледный и изможденный. Несмотря на свою известность, он вел простую жизнь, был дисциплинирован, благороден и предельно учтив. Когда ему в 1680 году пожаловали звание пэра, он отказался от такой чести, поскольку его совесть не позволила ему принести необходимую в таких случаях присягу. Умер Бойль в постели за правкой корректуры своих «Очерков общей истории воздуха».

Джон Дальтон родился 5 сентября 1766 года в семье бедного ткача, в Камберленде, на севере Англии. Когда пришло время, его отправили в школу в селение неподалеку. В 12 лет, после того как учитель этой школы ушел в отставку, он сам открыл школу сначала в своем доме, а затем в местном доме собраний квакеров и преподавал там два года. Факт этот сам по себе необычайный, но комментариев и воспоминаний о нем не сохранилось.

Еще год он работал на ферме и в возрасте 15 лет уехал к старшему брату Джонатану. Вместе с ним они открыли школу и преподавали в ней 12 лет, пока в 1793 году Джона не пригласили в Манчестерский новый колледж, где он еще шесть лет преподает математику и физику. Здесь он вступает в Манчестерское литературное и философское общество и читает научные доклады. Первый его доклад был посвящен цветовому дефекту зрения, которым он сам страдал и который известен теперь под названием дальтонизма.

В Манчестере он прожил до конца своих дней и закончил их 27 июля 1844 года, разбитый параличом за семь лет до этого.

Дальтон происходил из семьи квакеров, одной из самых строгих протестантских сект. Быть может, именно это обстоятельство усугубило природные черты его характера. Он жил размеренной жизнью, его день никогда не менялся: соседи с точностью до минут узнавали время, когда он поутру выходил записывать показания термометра и барометра. Рабочий день Дальтона заканчивался в 9 часов вечера. После ужина он молча сидел в кругу семьи, курил трубку, лишь изредка вставляя краткие замечания.

Каждый четверг после обеда он шел не на работу, а на лужайку для игры в шары, примыкавшую к таверне «Собака и куропатка». Здесь он неожиданно утрачивал свои трезвые и размеренные манеры, к удивлению зрителей, возбужденно размахивал руками и бросал шары с неожиданным энтузиазмом. Несколько умеренных пари, всегда точно рассчитанных, чай и неизменная трубка заканчивали этот день. Домой он возвращался к началу вечерних метеорологических наблюдений. В воскресенье, одетый в квакерские бриджи до колен, серые чулки и башмаки с пряжками, он дважды посещал публичное богослужение, хотя по вопросам веры никогда не высказывался.

Он почти ничего не читал и часто хвастал, что «может унести всю свою библиотеку на спине и что даже из этих книг он не прочел и половины». «Как у всех самоучек, в нем было меньше развито желание знать то, что сделали другие, чем твердая уверенность в правильности найденного им самим», — писал о нем один из биографов.

На современников его человеческие качества действовали удручающе. Брат Хэмфри Дэви вспоминал впоследствии: «Его вид и манеры были отталкивающими... голос у него был резкий и сварливый, а походка жесткая и неуклюжая».

Примерно так же воспринимали его члены Манчестерского философского общества, которые тем не менее за научные заслуги избрали Дальтона в 1817 году своим президентом. К концу жизни он признан повсюду: в 1822 году его избирают членом Королевского общества, а в 1830 году — одним из восьми иностранных членов Парижской академии вместо умершего за год до этого Хэмфри Дэви.

Как всегда в таких случаях, последующие поколения полностью равнодушны к личным недостаткам ученого. Они помнят только лучшее в нем — его идеи. Наверное, в этом и состоит одна из причин человеческого прогресса.

Антониус Ван дер Брок (1870—1926) был по профессии юристом, а наукой занимался в свободное от работы время. Уже само по себе в XX веке это было редкостью, но и во всем остальном Ван дер Брок был личностью примечательной. Он глубоко интересовался наукой, но не любил научных собраний и дискуссий; его философия жизни сделала его вегетарианцем, а его наряд и особенно сандалии, которые он носил, явно относились к другой эпохе.

Когда Резерфорду рассказали о гипотезе Ван дер Брока, он с раздражением заметил, что «...только любитель может позволить себе высказывать забавы ради много догадок сразу без достаточных на то оснований». Следы этой неприязни сохранились надолго, и еще много лет спустя Резерфорд настойчиво выражал недовольство, когда Бор в своих работах по теории атома ссылался на Ван дер Брока.