Картина Мира

История изучения атома и открытие Д. И. Менделеевым периодической системы элементов

Журнал Знание — Сила 1946 №№ 7-11, СССР

Начиная печатание серии «Рассказов об атомах и атомной энергии», редакция журнала «Знание — Сила» ставит своей задачей познакомить читателей — рабочую молодежь, которой в ближайшем будущем придется на заводах, на электростанциях, на транспорте практически сталкиваться с использованием атомной энергии — с историей возникновения учения об атомах, историей развития и усовершенствования атомного учения и новейшими достижениями в этой области. В первом очерке, который помещен в этом номере журнала, рассказывается о том, как из наблюдения самых простых, повседневных фактов окружающей природы возникло представление об атомах.

Великая догадка

СЛОЖНОЕ В ПРОСТОМ

Около двадцати четырех веков тому назад в различных пунктах средиземноморского побережья и прилегающих к нему государств можно было встретить странного путешественника.

Он никуда не торопился, но и нигде не задерживался. Он не имел определенной цели путешествия, и однако же какая-то причина толкала его все дальше и дальше. Он любил размышлять в одиночестве, выбирая укромные уголки, где никто не мог помешать ему, отвлечь от мыслей. И в то же время он никогда не упускал случая примкнуть к веселой компании, послушать сведущего человека, вступить в горячий, продолжительный спор.

Судя по одежде, он был богатым и знатным человеком.

Рассказывали, будто в детстве его учителями были какие-то халдейские маги, подаренные его отцу царем Ксерксом. А во время своего путешествия он учился у магов и жрецов Египта, Вавилона, Персии и у выдающихся ученых великого греческого города Афины.

Он с полным правом мог сказать о себе: «Из всех моих современников я обошел наибольшую часть земли; я делал исследования более глубокие, чем кто-либо другой, я видел очень много климатов и стран и слышал весьма многих ученых мужей».

Самым знаменитым из них был его друг философ Левкипп. Именно у него почерпнул он основные мысли, послужившие ему путеводными нитями в дальнейшей деятельности. Именно под его влиянием полюбил он полную размышлений созерцательную жизнь философов, как называли тогда людей, любивших мудрость (по-гречески филос — любовь, софиа — мудрость).

И своей деятельностью он достиг величайшей славы, которая затмила славу его учителя Левкиппа, продержалась уже почти две с половиной тысячи лет и не померкнет, пока существует человечество.

Имя этого философа — Демокрит.

* * *

Демокрит был одним из образованнейших людей своего времени. Он отлично знал математику и так же хорошо разбирался в музыке. Его познания в литературе не уступали познаниям в физике, которой он владел в совершенстве. Он написал глубоко содержательные сочинения по многим другим наукам. Он был чрезвычайно разносторонним человеком. Но его внимание приковывала главным образом одна мысль. Где бы ни был Демокрит, чем бы ни занимался, он всегда размышлял о природе вещей.

Он шел по зеленому лугу и видел яркие цветы, сочные листья, жесткие стебли. А рядом с ними — засохшие, полусгнившие остатки растений. Из-под ног его взвивались к небу притаившиеся в траве птицы и прошмыгивали пугливые степные зверьки. И тут же рядом он находил истлевшие останки таких же птиц и зверюшек — жертвы какого-нибудь хищника. Всюду внимательный глаз философа находил жизнь и смерть, рождение и угасание, возникновение и распад. И рой мучительных вопросов всплывал в его голове.

Что такое возникновение, развитие, рост? И что происходит при распаде, угасании, смерти? Откуда берутся вещества, из которых состоят растения, животные, перегной, земля и все другие предметы в мире? И куда они деваются, когда гниют, разлагаются, перевариваются в желудке животного? Возникают ли они из ничего и исчезают ли бесследно? Или одни вещества превращаются в другие: растения и животные превращаются в перегной, перегной переходит в землю, а из земли — в новые растения и животных? Как примирить величайшую изменчивость всех вещей и явлений, которая заметна повсюду, на каждом шагу, с величайшим постоянством, с которым природа вновь воссоздает все явления и вещи?

Демокрит проходил у подножия обрывистой горы и с интересом рассматривал сжавшиеся под страшной тяжестью верхних слоев породы каменные глыбы, находящиеся внизу. И снова мысль о природе вещества сверлила его мозг. Почему сжимается эта каменная глыба? Разве глаза нас обманывают, говоря нам, что она сплошная? Разве в сплошных на вид телах есть свободные, пустые промежутки, которые дают им возможность сжиматься?


Демокрит

Демокрит останавливался на берегу моря и долго наблюдал стаю рыбешек, резвившихся в прозрачной морской воде. Видя, с какой легкостью пронизывают рыбешки толщу воды, он опять возвращался к мысли о сплошном и прерывном строении вещества. Как могла бы рыба перемещаться в воде, если бы вода действительно была сплошной? Демокрит смотрел на свои ноги, зарывшиеся под тяжестью тела в прибрежный песок. Может быть, и вода не сплошная, а состоит, подобно песку, из бесчисленного множества отдельных частичек, таких мелких, что их нельзя разглядеть глазами? Тогда легко себе представить, что рыбешки, передвигаясь в воде, расталкивают эти частички, которые расступаются перед ними, подобно песчинкам, расступающимся под тяжестью ног.

Демокрит ощущал на губах горько-соленый вкус долетавших до него брызг морской воды и снова задавал себе вопросы. Что делается с солью, когда она растворяется в воде? Соль не исчезает, она присутствует в воде и остается целиком, когда вода высыхает на солнце. Мы можем чувствовать вкус соли, растворенной в воде. Но мы при всех стараниях не увидим ее частичек. Что происходит с твердыми кубическими кристалликами соли, когда они попадают в воду? Что происходит с солью, когда вода высыхает, и что делается с водой при высыхании?


При растворении соли её атомы отрываются друг от друга и перемешиваются с атомами воды, теряясь среди них и становясь на глаз неотличимыми

Беспокойный, пытливый ум Демокрита не находил отдохновения и за обеденным столом. Разрезая на мелкие кусочки вкусные, хорошо прожаренные куски телячьего мяса, он думал о том, что получится, если кусок мяса продолжать разрезать на все меньшие и меньшие части. Можно ли делить кусок до бесконечности, или есть какой-то предел делимости вещества? Дойдем ли мы наконец до частичек, настолько мелких и простых, что дальше расщепить их на еще более мелкие и простые части уже невозможно никакими способами? И будут ли эти наиболее простые, не делимые дальше частицы все еще мясом?

Самые простые, привычные явления оказывались при внимательном рассмотрении сложными и вызывали все новые и новые вопросы.

В ПОИСКАХ ПРОСТОГО ОТВЕТА

Эти бесконечные вопросы теснились в уме Демокрита, не давая покоя ни днем, ни ночью.

Нельзя себе представить, чтобы не было на них простого ответа. И притом только одного ответа. Ибо разве можно поверить, что в природе существуют особые законы для каждой отдельной вещи и для каждого отдельного явления?

Демокрит решительно отвергал такую возможность. Всюду в природе наблюдается строгий порядок. Все явления природы хорошо слажены и взаимно зависят друг от друга. Не говорит ли это определенно о единстве законов природы?

Ведь не случайно кипящая вода превращается в пар, а охлажденный пар — в воду. Очевидно, у пара и воды есть что-то общее.

Не случайно соль, растворившись в воде, становится не отличимой от воды. Очевидно, у соли и воды есть что-то общее.

Не случайно хлеба лучше растут там, где в почве много перегноя. Очевидно, у перегноя и растений есть что-то общее.

Не случайно все тела, что бы они собой ни представляли, могут сжиматься под действием внешней силы. Очевидно, у всех тел есть что-то общее.

Что же такое это общее?

Во всяком случае — не вкус, цвет, запах и другие внешние признаки.

По цвету свинцовые белила не отличить от сметаны. Но ни при каких условиях нельзя превратить белила в сметану. Зато их легко превратить в красный свинцовый сурик. Значит, несмотря на цвет, белила ближе к красному сурику, чем к белой сметане. Значит, у белил и сурика есть какое-то более глубокое сходство, а у белил и сметаны — более глубокое различие.

И чем больше таких примеров разбирал Демокрит, тем ему становилось яснее, что общее и различное всех предметов — не в их внешних свойствах, а скрывается внутри их самих.

Вот тогда-то и вспомнил Демокрит своего учителя Левкиппа.

НОВОЕ УЧЕНИЕ

Левкипп утверждал, что нельзя понять свойства тел, если считать их сплошными.

Возникновение, развитие, изменения тел возможны только потому, говорил Левкипп, что в них наряду со сплошными, абсолютно твердыми частицами присутствует и абсолютная пустота.

Демокрит ухватился за эту мысль. Он увидел в ней ту самую догадку, к которой его неумолимо подводили все наблюдения над телами и явлениями природы, и развил ее в стройное учение.

Все, что существует в мире, утверждал он, состоит из бесчисленного количества разнообразных по форме мельчайших частичек, разделенных между собою пустотой.

Эти частички так ничтожно малы, что совершенно недоступны нашему зрению. Поэтому тела и кажутся нам сплошными, так же как выглядит сплошной куча песку, если смотреть на нее с расстояния, на котором неразличимы отдельные песчинки.


Куча песку выглядит сплошной, если смотреть на нее с расстояния, на котором неразличимы отдельные песчинки. Точно так же и тела кажутся нам сплошными, хотя и состоят из ничтожно малых, а потому и недоступных зрению атомов

Эти частички существуют вечно, они никогда не возникают и никогда не уничтожаются.

Эти частички находятся в постоянном движении, то соединяясь друг с другом, то вновь разлетаясь в разные стороны.

Эти крошечные частички не составлены из каких-нибудь еще более мелких или более простых частей, поэтому нет никакой возможности разделить их еще.

Вслед за Левкиппом Демокрит назвал эти частички атомами, что по-гречески значит неразрезаемые, неделимые.

В атомном строении увидел Демокрит то общее, что связывает в стройное целое все многообразие тел и явлений природы.

СЛОЖНОЕ СТАНОВИТСЯ ПРОСТЫМ

Возникновение, гибель, превращения веществ уже не представляли загадки для Демокрита. Он ясно представлял себе, как атомы почвы поступают в растение и растение строит из них свои листья, стебли, цветы; как травоядные животные, поедая растения, из их атомов строят свои мышцы, шкуру, кости; как эти же атомы, в свою очередь, переходят к хищникам, если те ухитрятся поймать и сожрать травоядное. А когда погибшие растения и животные снова распадаются при гниении на составляющие их атомы, эти атомы возвращаются обратно в землю и служат пищей для новых поколений трав и цветов. Соединение атомов образует тела, разъединение их приводит к распаду, гибели тел. В вечном движении вечных атомов — соединении, разъединении, перегруппировках — причина одновременно непостоянства и устойчивости, изменчивости и повторяемости всех тел и явлений природы.


Промежутки пустоты, между беспорядочно двигающимися атомами пара настолько велики, что любое тело свободно проникает сквозь клубы пара

Демокриту уже не казалось странным превращение воды в пар, пара в воду, воды в лед. Он ясно представлял себе рой беспорядочно движущихся атомов пара, разделенных большими промежутками пустоты. Эти промежутки настолько велики, что любое тело свободно проникает сквозь клубы пара. Демокрит представлял себе, как при охлаждении атомы пара сближаются, пустые промежутки между ними делаются меньше и пар становится жидкостью. Жидкость оказывает уже заметное сопротивление посторонним телам, хотя промежутки между ее атомами настолько еще велики, что их легко расталкивает плывущая рыба, весло лодочника, тело пловца. Зато когда атомы жидкости сблизятся еще теснее, почти вплотную, и жидкость застынет, превратится в твердое тело, — заставить его атомы потесниться уже не легко. Оттого твердые тела так мало способны сжиматься, даже при действии очень больших сил.

 


При охлаждении атомы сближаются и пар становится жидкостью, которая оказывает уже заметное сопротивление посторонним телам, хотя промежутки между ее атомами еще так велики, что их легко расталкивает плывущая рыба

Бросая соль в пищу, Демокрит представлял себе, как отрываются друг от друга атомы соли и перемешиваются с атомами воды, теряясь среди них и становясь наглаз не отличимыми. И как они снова собираются вместе, объединяясь опять в видимые кристаллы соли, когда атомы воды, испаряясь, покидают их.

Недоуменные вопросы не возникали уже у Демокрита, когда, выходя в сад, он за много шагов до цветочных клумб ощущал аромат цветов. Он знал, что невидимые атомы душистого нектара, испаряясь из распустившихся бутонов, подгоняемые легким ветерком, долетают до его носа через пустые промежутки между атомами воздуха.

 


Дальнейшее сближение атомов приводит к застыванию жидкости, превращению в твердое тело. Между его атомами пустые промежутки так малы, что потеснить атомы еще больше, — очевидно, трудно

Все свойства тел, все их превращения, все великое разнообразие тел и явлений природы становились легко понятными, когда Демокрит прилагал к ним свое учение.

Устройство тел из атомов, разделенных пустотой, объясняло решительно все. И Демокрит кратко выразил сущность своего учения в словах: «Обыкновенно мы говорим о сладком и горьком, о теплом и холодном, о цвете и запахе, в действительности же существуют атомы и пустое пространство».

 

ВЕЛИКАЯ ДОГАДКА

Так из наблюдения самых обыденных, самых простых фактов окружающего мира возникла догадка об атомах.

Она не могла не возникнуть, потому что без нее никак нельзя понять все эти обыденные, простые факты.

Но это была именно догадка. Демокрит пришел к ней чисто созерцательным путем, обдумывая и сопоставляя свои наблюдения над природой.

Ни одним искусственным опытом не попробовал Демокрит подтвердить свои выводы. Ему и в голову не приходило проделывать какие-либо опыты. Философы вполне довольствовались тем материалом, который давала в их руки сама природа.

Догадка Демокрита на много веков так и осталась догадкой, не превратившись в научную теорию. Но она не прошла для науки бесследно. Без этой догадки не могли уже обходиться. Много учений возникало и после нее, но ни одно из них не было в состоянии надолго отодвинуть в сторону догадку Демокрита.

И наконец наступил момент, когда великая догадка из инструмента для простого объяснения, истолкования природных явлений превратилась в незаменимый инструмент научного предвидения, опытного изучения и преобразования природы и стала прочной основой всей науки о природе.

Догадка становится теорией

В первом очерке из цикла «Рассказы об атомах и атомной энергии», напечатанном в № 7 журнала «Знание — Сила», было показано, как из наблюдения явлений природы возникла догадка об атомах.

В этой статье рассказывается о том, как при активном участии великого русского ученого Михайло Васильевича Ломоносова атомное учение из простой догадки превратилось в настоящую научную теорию и стало фундаментом всей современной науки о природе.

ПЕРВЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА

4 сентября 1626 года Парижский парламент под страхом смертной казни запретил учение об атомах. Мог ли думать великий Демокрит, что через две тысячи лет будут казнить его последователей?

Парижский парламент не первый ополчился на атомное учение. Его на 1200 лет опередили Дионисий Александрийский, блаженный Августин и другие отцы церкви. Церковь осудила учение, по которому все тела природы образуются без помощи божественных сил, соединением и разъединением невидимо мелких, вечных и неделимых частиц — атомов.

И когда с крушением древнего мира церковь надолго безраздельно завладела духовной жизнью человечества, догадка об атомах почти на полторы тысячи лет исчезла из обихода ученых. В ней не было нужды: сама породившая ее наука о природе в тот период почти исчезла из обихода человечества.

Но вот в 1643 году ученик знаменитого Галилея, итальянский физик Эванжелиста Торричелли наполнил ртутью запаянную с одного конца стеклянную трубку длиною в два локтя и опрокинул ее открытым концом в сосуд со ртутью. Столбик ртути в трубке скользнул вниз, но на высоте полутора локтей неожиданно остановился: ртуть, которая почти в два раза тяжелее железа, больше не выливалась, словно какая-то невидимая сила давила на нижний открытый конец трубки. Так оно и было: это давил воздух. А над ртутью в верхней части трубки осталось пустое пространство — знаменитая «Торричеллиева пустота». Так впервые ученые познакомились с существованием пустоты.

Спустя 11 лет, 8 мая 1654 года, бургомистр города Магдебурга Отто Герике при большом стечении народа откачал изобретенным им воздушным насосом воздух из двух одинаковых медных полушарий, сложенных друг с другом, но никак не закрепленных. А затем предложил лошадьми растащить полушария. «Шестнадцать лошадей либо вовсе не могли разорвать их, либо разрывали с великим трудом, — писал он. — Когда разрыв происходил, слышался звук вроде ружейного выстрела. Когда же в пустоту полушарий вводился воздух, разнять их было очень легко… Я заказал полушария большего размера… Эти полушария после откачки воздуха уже не разрывались 24 лошадьми; а когда в них был впущен воздух, они разнимались очень легко». Так существование пустоты было доказано публично.

А в промежутке между работами Торричелли и Герике, в 1647 году, французский ученый Блез Паскаль забрался с трубкой Торричелли на вершину горы. Высота столбика ртути там оказалась меньше, чем у подножия. Вскоре после того Паскаль нашел, что даже на одном и том же месте уровень ртути в трубке не остается постоянным. Высота столбика ртути меняется в зависимости от погоды. Но ведь это означает, что воздух бывает более плотным и более разреженным. Значит, воздух не сплошной, между его частичками находится пустота — ее больше в разреженном воздухе и меньше в плотном.

Вновь открытые факты нуждались в объяснении. Объяснить же существование пустоты наряду с твердыми, непроницаемыми частицами могло только атомное учение. И не прошло и трех десятков лет после грозного акта Парижского парламента, как именно в Париже начала свою вторую жизнь великая догадка Демокрита. Она не могла не возродиться. Начавшееся как раз в это время развитие промышленности сдвинуло с мертвой точки науку о природе, движение же науки без представления об атомах невозможно.

ГРОЗДЬЯ АТОМОВ

Левкипп и Демокрит только догадывались о существовании пустоты. Торричелли, Паскаль, Герике доказали, что она действительно существует. Возрождая атомное учение, французский философ Пьер Гассенди опирался на этот доказанный факт. Поэтому новое учение об атомах не оставалось уже простой догадкой. Оно начало превращаться в теорию.

Гассенди не просто повторил Демокрита. Он дополнил его взгляды, уточнив вопрос о причинах многообразия тел природы.


Гассенди уточнил вопрос о многообразии тел в природе. Когда из атомов образуются тела, атомы сначала соединяются в отдельные гроздья, а уже из гроздьев складываются тела. Атомные гроздья одного тела отличаются от гроздьев атомов другого тела числом и видом атомов

Чтобы напечатать сто тысяч слов, совсем не надо сто тысяч сортов букв. Любое количество слов можно сложить из трех десятков сортов букв, если безгранично общее число букв.

Чтобы построить тысячу домов, совсем не надо столько же видов стройматериалов. Из достаточного количества одинаковых кирпичей, балок, бревен можно возвести сколько угодно домов разных размеров и форм.

Для образования всех тел природы совсем не надо столько сортов атомов, сколько тел. Бесконечно только общее число атомов, различных же сортов, видов их — немного. Когда из крошечных, невидимых атомов образуются тела, атомы сначала соединяются, как буквы в слова, в отдельные гроздья или сростки, а уже из этих гроздьев, которые сами невидимо малы, складываются тела. Как слова различаются числом и видом букв, атомные гроздья одного тела отличаются от сростков атомов других тел числом и видом атомов. Бесконечно количество возможных комбинаций атомов. Потому и велико разнообразие тел природы.

Гассенди назвал первичные сростки или гроздья атомов молекулами, что значит — самая маленькая часть тела, «массочка», «тельце» (по-латыни «молес» — масса).

После Гассенди учение об атомах получило признание большинства ученых. Появилось множество попыток с помощью представления об атомах истолковать прежде непонятные явления. На первых порах это были не особенно глубокие толкования. Давая волю фантазии, ученые пытались угадать, что же представляют собой атомы и молекулы, и наделяли их по своему вкусу самыми разнообразными свойствами.

«Кислотность жидкости обусловливается заостренными, находящимися в движении частичками кислот; никто, думаю, не будет оспаривать, что кислота имеет острия, так как все опыты это доказывают: достаточно ее попробовать на вкус, чтобы это почувствовать, потому что она вызывает покалывания языка, подобные… тем, которые вызывались бы каким-нибудь телом, отшлифованным в виде тонкого острия».

Так писал в 1675 году известный французский химик Николай Лемери. Такими же наивными рассуждениями были полны сочинения и других ученых того времени.

Новый шаг вперед в учении об атомах и молекулах сделал великий русский ученый Михайло Васильевич Ломоносов. В его руках это учение впервые стало орудием научного исследования.

ПРОТИВ ТАИНСТВЕННЫХ МАТЕРИЙ

Самым слабым местом физики в то время был вопрос о причинах свойств тел.

В ученых трудах можно было прочесть, что тяжесть телам придает особая «материя тяжести», что упругость воздуху сообщает особая «материя упругости», что теплота вызывается особой «теплотворной материей», и т. д.

Напрасно было бы пытаться узнать: что же представляют собой эти «материи»? Это не знали сами авторы трудов. Они говорили, что эти материи нельзя ни видеть, ни осязать, ни слышать, ни поймать в какой-нибудь сосуд, что они проникают сквозь любые стенки и совершенно неуловимы.


Новый шаг вперед в учении об атомах и молекулах сделал великий русский ученый Михайло Васильевич Ломоносов

Ломоносова не радовали такие рассуждения. Почему землемеры вычисляют площади земельных участков и даже целых стран, не прибегая ни к каким таинственным материям? Почему астрономы определяют сроки появления звезд, планет, комет без помощи каких-либо таинственных сил? Почему механики рассчитывают размеры водяного колеса и высоту плотины водяной мельницы, не призывая на помощь чего-либо таинственного и непонятного? И почему без этого не обходятся физики? Ведь, по сути дела, безразлично — прямо ли сказать: «Я не знаю, что такое теплота», или: «Я знаю, что теплота — это теплотворная материя, но что такое теплотворная материя, — я не знаю».

Опираясь на атомное учение, Ломоносов решительно выступил против таинственных «тонких материй». Он поставил своей целью «сыскать причины видимых свойств, в телах на поверхности происходящих, от внутреннего их сложения», то есть объяснить все свойства тел их собственным внутренним строением.

В 1744 году Ломоносов создал теорию теплоты. Он исходил из известных, проверенных фактов.

Когда у нас зябнут руки, мы не призываем на помощь «теплотворную материю». Мы просто потираем руки, и они согреваются.

А если быстро тереть друг о друга куски дерева, они вспыхнут пламенем.

Из самых холодных кремней можно сильным ударом высечь искры. А от частых и сильных ударов молота холодные куски железа при ковке иногда накаливаются до красна.

Почему руки, дерево, кремни, железо не нагреваются, пока они в покое? Почему только движение рук, дерева, кремней, молота вызывает теплоту? Не говорит ли это, что причина теплоты — движение?

Но ведь путешественник может со скоростью птицы мчаться зимою на тройке и все же отморозить нос. Однако достаточно потереть застывший нос рукой, и он быстро начнет «гореть». Значит, не всякое движение — причина теплоты. Очевидно, молекулы плотно прижатой к носу руки при трении цепляются за молекулы носа, заставляя их двигаться быстрее. Внешнее движение всего тела превращается во внутреннее движение его молекул.

Вот это-то внутреннее движение молекул и есть теплота.

Правда, мы не видим движения молекул. Но во время сильного ветра листья и ветки деревьев тоже кажутся спокойными, если смотреть на них издали. «Здесь вследствие расстояния… в теплых телах вследствие малости частичек… колебание ускользает от взора», — писал Ломоносов.


Ударяя по куску железа, молот кузнеца как бы подталкивает частички железа, заставляет их двигаться быстрее. .. Чем быстрее двигаются молекулы, тем сильнее они отталкиваются друг от друга. Промежутки между ними становятся больше — тело расширяется

Ударяя по куску железа, молот кузнеца как бы подталкивает частички железа, заставляет их двигаться быстрее. Если прикоснуться теперь к железу, его быстро двигающиеся частички, в свою очередь, толкнут молекулы кожи — и мы ощутим ожог.

Чем больше нагревают тело, тем быстрее двигаются его молекулы и тем сильнее они отталкиваются друг от друга. Промежутки между ними становятся больше — тело расширяется. Наконец, промежутки увеличиваются настолько, что форма тела больше не может сохраняться: тело расплавляется, становится жидким. Если продолжать нагревание дальше, скорость молекул и сила их отталкивания так возрастут, что они разлетятся во все стороны: жидкость испарится.

 


Чем быстрее двигаются молекулы, тем теплее тело. Скорость движения молекул может расти бесконечно. Поэтому нет предела для высоких температур

Чем быстрее двигаются молекулы, тем теплее тело. Скорость движения молекул может расти бесконечно. Поэтому нет предела и для высоких температур. Зато есть предел для температур низких: тело может охлаждаться лишь до тех пор, пока не перестанут двигаться его молекулы. Это будет абсолютный нуль температуры.

Для температур низких есть предел: тело может охлаждаться лишь до тех пор, пока не перестанут двигаться его молекулы. Это будет абсолютный нуль температуры

Так, отбросив таинственную «теплотворную материю», Ломоносов не только просто и естественно объяснил все известные в его время тепловые явления, но и добился того, что составляет смысл создания новых теорий, — предсказал еще неизвестные: абсолютный нуль температуры и возможность безгранично высокой температуры. Оба предсказания впоследствии подтвердились.

 

АТОМНОЕ УЧЕНИЕ ЗАВОЕВЫВАЕТ ФИЗИКУ

Первый опыт применения атомного учения как орудия научного исследования блестяще удался. Успех окрылил Ломоносова. В 1748 году он создал теорию газов, вернее теорию воздуха, потому что это был единственный известный в то время газ.

Надо было объяснить важнейшее свойство воздуха — его упругую силу, способность очень сильно сжиматься при сдавливании и расширяться при уменьшении давления. Современники Ломоносова давали обычный ответ: между частичками воздуха находится тонкая «материя упругости», которая и расталкивает их в разные стороны.

Таинственная «материя упругости» так же мало удовлетворяла пытливого русского ученого, как и «теплотворная материя», от которой он только что избавил науку.

Ломоносов опять исходил из проверенных фактов.

Еще лет за восемьдесят до него англичанин Роберт Бойль, а затем француз Мариотт открыли, что давление воздуха возрастает ровно во столько раз, во сколько уменьшается его объем.

Но и без изменения объема давление воздуха возрастает, если нагревать его в закрытом сосуде.

Два разных действия приводят к одному результату. Видимо, в них есть что-то общее.

Сжатие уменьшает пустые промежутки между молекулами. Нагревание увеличивает скорость молекул. Видимо, секрет упругой силы, секрет давления связан с движением молекул воздуха, потому что только движение молекул — общее в обоих явлениях. Значит, надо в поведении молекул воздуха искать разгадку этого секрета. И Ломоносов сумел нарисовать картину поведения молекул воздуха.

Воздух — это беспорядочное скопление беспорядочно двигающихся молекул. Двигаясь беспорядочно, отдельные молекулы в ничтожные доли секунды сталкиваются с другими, отскакивают, налетают на третьи, снова отскакивают и, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными ударами, стремятся разлететься в разные стороны и при этом непрерывно бомбардируют стенки сосуда. Стремление рассеяться и есть упругая сила. А результат ударов молекул воздуха о стенки сосуда есть давление. Конечно, удар одной ничтожно малой молекулы стенка не заметит. Но когда ежесекундно многие миллиарды миллиардов молекул миллионы раз ударяются о стенку, эти удары в сумме создают такое давление, которое может разорвать — и иногда разрывает — самые прочные сосуды.


Нагревание увеличивает скорость движения молекул. Они быстрее преодолевают расстояния, поэтому чаще сталкиваются и чаще ударяются о стенки сосуда. Давление возрастает.
Сжатие уменьшает промежутки между молекулами. Молекулам становится теснее, и они сталкиваются между собою и налетают на стенки сосуда чаще. Давление возрастает.

Сжатие уменьшает промежутки между молекулами. Молекулам становится теснее, и они сталкиваются между собою и налетают на стенки сосуда чаще. Давление возрастает.

Нагревание увеличивает скорость молекул. Они быстрее преодолевают расстояния, поэтому чаще сталкиваются и чаще ударяются о стенки сосуда. Давление опять-таки возрастает.

В этой картине нет места для «материи упругости». Свойства газов объяснены без участия таинственных сил.

Пользуясь своей теорией, Ломоносов дал точный математический вывод закона Бойля-Мариотта. Это одно уже было огромным достижением. Но Ломоносов сделал нечто гораздо большее. Он предсказал неизбежность отклонений от закона Бойля-Мариотта при очень большом сжатии газа. Когда газ сжат мало, пустые промежутки между молекулами велики. Если увеличить давление вдвое, молекулы беспрепятственно сблизятся и плотность газа увеличится ровно вдвое. Но когда газ сжат очень сильно, пустые промежутки между молекулами очень малы. Молекулы начинают мешать друг другу, и сблизить их еще больше — трудно. Чтобы при этих условиях плотность газа увеличилась вдвое, надо повысить давление уже не вдвое, а гораздо больше.

И это предсказание Ломоносова полностью оправдалось.

Работы Ломоносова доказали, что учение об атомах и молекулах — настоящий фундамент физики, на котором можно построить все важнейшие законы этой науки, не прибегая к помощи таинственных материй и сил.

Работы Ломоносова по физике явились дальнейшими шагами атомного учения по пути превращения из догадки в теорию.

Работы Ломоносова, впервые дав возможность предсказывать еще неизвестные явления, превратили атомное учение в орудие научного исследования.

ЗАКОН ЛОМОНОСОВА

Ломоносов хотел применить атомное учение и в химии. Он прекрасно понимал, что если для физики важно знать, как тела складываются из молекул и как ведут себя эти молекулы при различных внешних воздействиях — нагревании, освещении и т. п., — то для химии не менее важно знать, как сами молекулы складываются из атомов и как эти атомы, составляющие молекулы, ведут себя при химических превращениях. Он говорил, что «во тьме должны обращаться физики, особливо химики, не зная внутреннего … частиц строения». Ломоносов был уверен, что «ежели когда-нибудь сие таинство откроется; то подлинно Химия тому первая предводительница будет; первая откроет завесу внутреннего сего святилища натуры».

Но в химии положение в то время было гораздо сложнее, чем в физике. Проверенных фактов, на которые можно было бы опираться, здесь накопилось еще крайне мало. Почва для превращения атомного учения в орудие научного исследования в области химии еще не созрела.

Убедившись в этом, Ломоносов сумел нащупать пути к подготовке такой почвы. Он открыл в 1748 году один из величайших законов природы — закон сохранения веса вещества.

«Все перемены, в натуре случающиеся, — писал Ломоносов, — такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько же присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте».

В 1756 году Ломоносов доказал свой закон точными опытами. Он хотел проверить одну работу английского ученого Роберта Бойля, которая казалась ему ошибочной.

Бойль в 1673 году нагревал металлы в закрытом сосуде. «После двух часов нагревания, — писал он, — был открыт запаянный кончик реторты, причем в нее ворвался с шумом наружный воздух… По нашему наблюдению при этой операции была прибыль в весе на 8 гранов». Бойль думал, что при нагревании частицы «материи огня» проникали сквозь стеклянные стенки сосуда и соединялись с металлом, увеличивая вес.

Вот это-то упоминание таинственной «материи огня» и заставило насторожиться Ломоносова. Он в точности повторил опыты английского ученого — «делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару». Но после прокаливания Ломоносов, в отличие от Бойля, взвешивал сосуды с металлами не вскрывая. «Оными опытами нашлось, — писал он, — что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере» и, следовательно, никакая «материя огня» в сосуд не проникает. Ломоносов установил, что часть воздуха в сосуде при нагревании соединяется с металлом. Но сколько прибавилось к металлу, столько убавилось от воздуха. И если взвешивали сосуд не вскрывая — «без пропущения внешнего воздуха», — вес оставался неизменным. При вскрытии же вес увеличивался за счет внешнего воздуха, который врывался в сосуд на место соединившегося с металлом. Закон сохранения веса был доказан.

Его опыты показали важность взвешивания и измерения при химических исследованиях. Сам он настойчиво советовал химикам в работе всегда руководствоваться «мерой и весом». Постепенно на указанный Ломоносовым путь вступили и другие ученые, и спустя полвека, особенно после работ знаменитого французского химика Антуана Лавуазье, который окончательно подтвердил правильность закона сохранения веса, измерение и взвешивание стали непременным условием работы каждого химика. А это вскоре привело к важным открытиям.

ОТ ПОЛЮСА ДО ПОЛЮСА

В конце XVIII столетия французский химик Жозеф Луи Пруст определил химический состав многих веществ.

Пруст взял два образца красной краски киноварь — один из Испании, друрой из Японии. Он сделал химический анализ обоих образцов. Добытая в разных концах земного шара киноварь показала совершенно одинаковый химический состав: 86,2% ртути и 13,8% серы.

Пруст исследовал пробы хлористого серебра, привезенные из Перу и из Сибири. В их химическом составе не оказалось абсолютно никакого различия. И сибирское и перуанское хлористое серебро состоит на 75,3% из серебра и на 24,7% из хлора.

Пруст выписал из множества стран образцы поваренной соли. Анализ показал, что на юге и на севере, на востоке и на западе, в морях и океанах, в соляных озерах и подземных копях поваренная соль всегда содержит 39,3% натрия и 60,7% хлора.

Пруст изучил огромное число проб воды самого разнообразного происхождения. Ему присылали бутылки, наполненные водой из Тихого и Атлантического океанов, из холодных северных и теплых южных морей, из растаявших льдов Заполярья и никогда не замерзающих африканских рек, из высокогорных озер и глубоких шахт. Весы показали, что во всех точках земного шара вода всегда состоит на 11,1% из водорода и на 88,9% из кислорода.

«Соединение есть привилегированный продукт, которому природа дала постоянный состав, — писал Пруст. — От одного полюса к другому соединения имеют тождественный состав». Так был открыт знаменитый закон постоянства состава: химическое соединение имеет постоянный состав, не зависящий от времени, места и способа приготовления.

Однако объяснить причину постоянства состава соединений Прусту не удалось.

НОВАЯ МЕТОДИКА

В конце XVIII века химики занялись усиленным изучением газообразных тел. Были открыты газы кислород, азот, водород, углекислота и другие. Работа с газами очень наглядна. Результаты взвешиваний можно сравнивать только в виде цифр на бумаге. Сравнивать объемы газов можно непосредственно в приборе. Новая наглядная методика вскоре натолкнула на новые открытия.

Когда с помощью весов нашли, что газ аммиак (растворяясь в воде, он образует всем известный нашатырный спирт) состоит на 17,6% из водорода и на 82,4% из азота, эти цифры никому не показались странными. Но когда в 1774 году удалось разложить аммиак на водород и азот и оказалось, что объем образовавшегося водорода ровно втрое больше объема азота, — это привлекло внимание ученых.

Когда весовым методом определили, что вода состоит на 11,1% из водорода и на 88,9% из кислорода, эти цифры никого не удивили и не вызвали никаких размышлений. Но когда в 1802 году измерили объем водорода и кислорода, выделившихся при разложении воды электрическим током, и оказалось, что объем выделившегося водорода ровно вдвое больше объема кислорода, — это заставило задуматься многих.

Особенно поразили эти простые соотношения знаменитого английского ученого Джона Дальтона, и он принялся собирать новые факты того же рода.

Он изучил состав угарного и углекислого газов. Оба они состоят из углерода и кислорода. Дальтон нашел, что в углекислоте на одно и то же количество углерода приходится ровно вдвое больше кислорода, чем в угарном газе.

Дальтон определил состав маслородного и болотного газов. Оба они состоят из углерода и водорода. Оказалось, что в болотном газе на одно и то же количество углерода приходится ровно вдвое больше водорода, чем в маслородном.

Дальтон исследовал пять различных соединений, которые образуются из кислорода и азота. Он выяснил, что в этих соединениях на одно и то же количество азота приходится кислорода ровно в два, в три, в четыре и в пять раз больше, чем в соединении с наименьшим содержанием кислорода.

И в этих и в других изученных Дальтоном веществах количество одного элемента, приходящееся на то же самое количество другого, всегда меняется равными целыми порциями. В углекислом газе кислорода на то же количество углерода не в 11/2, не в 11/4, не в 13/8 раза больше, чем в угарном газе, а ровно вдвое. Такие же простые кратные отношения наблюдаются и в соединениях углерода с водородом, азота с кислородом и во всех других.

В 1803 году Дальтон назвал открытую им замечательную закономерность законом простых кратных отношений. Так же как закон постоянства состава, новый закон нуждался в объяснении.

Чтобы объяснить эти законы, Дальтону пришлось в 1808 году сделать то, необходимость чего предвидел еще Ломоносов: ввести в химию учение об атомах.

Время для этого подоспело.

Фактов было накоплено достаточно.

АТОМНОЕ УЧЕНИЕ ЗАВОЕВЫВАЕТ ХИМИЮ

Представление об атомах сразу разъяснило все загадки, к которым привели химиков вновь открытые факты.

Если каждая молекула воды — мельчайшая частичка воды — построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода, то где бы ни брали эту воду, какими бы способами ее ни получали, она всегда будет иметь один и тот же состав, ибо соединение из иного числа водородных и кислородных атомов никак не может быть водой.


Дальтон открыл закон простых кратных отношений; например, каждая молекула воды построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Соединение из иного числа водородных и кислородных атомов никак не может быть водой.

Если каждая молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода, то как бы ни получалась углекислота— сжиганием дерева или каменного угля, при брожении пива или дыхании животных, — она всегда будет иметь один и тот же химический состав, ибо соединение иного числа углеродных и кислородных атомов уже не будет углекислотой.

Если каждая молекула хлористого серебра состоит из одного атома серебра и одного атома хлора, то — получено ли это вещество студеной зимою в Сибири или знойным летом в Перу — оно все равно будет иметь неизменный химический состав.

Причина постоянства состава тел в том и заключается, что каждая молекула любого тела всегда построена из одного и того же числа атомов одних и тех же сортов, независимо от времени, места и способа приготовления этого тела.

Причина же кратности отношений составных частей тел состоит в том, что молекулы могут образовываться только из целых атомов, но никак не из половинок, четвертушек, восьмушек или иных долей. Именно потому, например, в углекислом газе — его молекула построена из одного углеродного и двух кислородных атомов — кислорода ровно вдвое больше, чем в угарном газе, в молекулах которого по одному углеродному и кислородному атому.

Когда при химических превращениях из одних тел образуются другие, изменяется только распределение атомов между молекулами, общее же число атомов остается неизменным.

Сущность закона сохранения веса вещества именно и состоит в постоянстве общего числа атомов во всех молекулах веществ до и после химического превращения.

Работы Дальтона показали, что атомное учение — настоящий фундамент химии, на котором можно построить все законы этой науки, как об этом догадывался еще Ломоносов, доказавший то же для физики.

Работы Дальтона завершили превращение учения об атомах из догадки в теорию.

ТРИУМФАЛЬНОЕ ШЕСТВИЕ АТОМНОЙ ТЕОРИИ

От момента возрождения Пьером Гассенди учения об атомах до работ Дальтона прошло всего полтораста лет. За этот короткий срок атомное учение, следуя по пути, намеченному Ломоносовым, добилось величайших успехов. Оно превратилось в фундамент науки о природе и стало незаменимым орудием научного исследования в области физики и химии.

Почти все важнейшие этапы развития физики и химии с начала XIX века связаны с внедрением учения об атомах в новые области этих наук.

Изумительные достижения органической химии — создание искусственных красок всевозможных цветов и оттенков, душистых, лекарственных и взрывчатых веществ, искусственного волокна, синтетического каучука, пластических масс — стали возможны только после того, как знаменитый русский химик Александр Михайлович Бутлеров выяснил законы, по которым происходит образование сложных молекул из отдельных атомов.

Замечательные успехи учения об электричестве и основанной на нем электротехники стали возможны после того, как была установлена атомная природа электричества.

Даже в области оптики все новейшие достижения связаны с тем, что была доказана атомная природа света.

Триумфальное шествие атомного учения после Дальтона не останавливалось уже ни на один день. Оно привело к такому глубокому проникновению в тайны строения вещества, о котором прежде догадывался, может быть, один только Ломоносов, утверждавший, что настанет время, когда наука «откроет завесу внутреннего сего святилища натуры».

Необходимым этапом на пути к полному познанию тайн атома и отправным пунктом на пути к овладению атомной энергией явились гениальные работы другого великого русского ученого — Дмитрия Ивановича Менделеева.

Первые тайны атома

В первых двух очерках из цикла «Рассказы об атомах и атомной энергии» (см. №№ 7 и 8—9 журнала «Знание — сила») рассказывалось о том, как, наблюдая явления природы, люди сначала догадались о существовании атомов — мельчайших частиц, из которых построены все тела, — а затем подтвердили эту догадку точными опытами, превратив ее в важнейшую научную теорию.

Ниже помещен рассказ о гениальных работах Дмитрия Ивановича Менделеева — «величайшего химика мира, открывшего периодический закон — основной закон химии, который до последнего времени помогает ученым открывать тайну атомной энергии» (Н. А. Вознесенский «Доклад о пятилетнем плане восстановления и развития народного хозяйства СССР на 1946—1950 гг.»).

БЛУЖДАНИЕ В ПОТЕМКАХ

Дальтон завершил начатую Ломоносовым работу по превращению догадки об атомах в строго научную теорию. Теперь перед химией четко обрисовались ее ближайшие задачи: выяснить, какие виды атомов существуют в природе, и определить их атомные веса. Зная число, вид и вес атомов в молекуле любого вещества, можно вычислить его процентный состав, придумать способы получения, рассчитать емкость аппаратуры и найти пути наилучшего использования.

Уже первая из этих задач доставила науке много хлопот.

Она не была, конечно, совсем новой. И до работ Дальтона ученые стремились узнать, из каких простейших составных частей, не разложимых обычными химическими средствами на еще более простые части, состоят все тела. Химики назвали эти простейшие составные части тел «элементами», не зная в то время, что каждому элементу соответствует свой особый вид или сорт атомов. Зато, когда это узнали, стало понятным, почему элементы не разлагаются на еще более простые составные части: ведь атомы неделимы. До работ Дальтона было известно 28 видов атомов: в 1800 году знали железо, медь, цинк, золото, серебро, мышьяк, водород, кислород, азот, хлор и другие элементы. С утверждением атомного учения работа ускорилась. В одном 1803 году к списку элементов прибавилось 4 новых, в 1808 году тоже 4, а всего за первые 50 лет XIX века было открыто 27 элементов — столько же, сколько за все предшествующее существование химии. Почти каждый год приносил открытия новых сортов атомов. И вот здесь-то и начались осложнения.

В 1798 году немецкий химик Мартин Клапрот открыл новый металл — уран. Сорок три года ученые работали с ним, изучали его свойства. И вдруг на сорок четвертом году француз Эйжен Пелиго доказал, что Клапрот выделил вовсе не металл, а его окисел — соединение урана с кислородом. Между самим ураном и его окислом такая же разница, как между железом и ржавчиной. И почти полвека никто этой разницы не заметил: не было возможности заключить, что найденные свойства характерны для окисла, а не для самого металла.

Еще большими сюрпризами было открытие новых элементов. Здесь ученые, вообще шли без всяких дорожных знаков. Француз Бернгард Куртуа изучал золу морских водорослей. Он действовал на нее серной кислотой. Однажды он прибавил слишком много кислоты, и вдруг над сосудом показались фиолетовые пары. По охлаждении они оседали в виде черных кристаллов с металлическим блеском. Это был новый элемент иод (по-гречески «фиолетовый»).

Другой французский химик, Антуан Балар, производил опыты над рассолами средиземноморских соляных промыслов. Пропустив через рассол газ хлор, он заметил странное явление: рассол побурел. Балар выделил окрасившую рассол бурую жидкость с едким, неприятным запахом и установил, что это неизвестный элемент. Он дал ему имя «мурид» (по-латыни «мурна» — рассол) и написал об открытии в Парижскую Академию наук. Академики нашли правильным сообщение Балара, но переименовали новый элемент за его запах в бром (по-гречески «вонь»).

Много лет во всех европейских аптеках продавалась белая углецинковая соль. Однажды главный инспектор аптекарских магазинов Ганновера Фридрих Штромейер обнаружил в ряде аптек углецинковую соль, темневшую при накаливании. Заинтересованный непонятным явлением, Штромейер произвел опыты и установил причину потемнения — в соли присутствовал неизвестный металл. Он выделил его и назвал кадмием (от старинного имени цинковой руды).

Куртуа, Балар, Штромейер, как и десятки других ученых, открыли неизвестные элементы случайно. Они не могли предвидеть их существование. Они брели в потемках, вслепую и неожиданно для самих себя натыкались на новые факты.

Случайность владела учеными. Это могло привести в отчаяние, потому что открытие всех видов атомов (элементов), существующих в природе, было в то время одной из главных задач химии. А то, что открытия новых элементов, следовали друг за другом, казалось-бы, бесконечной вереницей, совсем заводило в тупик. По атомному учению, все бесчисленные тела природы образованы из немногих сортов атомов. Но в 1870 году число известных химических элементов достигло уже 63 и продолжало возрастать. Это подрывало основы атомного учения. Выходило, что оно лишь по видимости упрощает изучение природы, в действительности же сортов атомов почти так же много, как и самих тел.

СМУТНЫЙ ПЕРИОД В ХИМИИ

Не лучше обстояло и с определением атомных весов.

В то время не было еще возможности прямо взвесить сверхкрошечные, невидимо-малые атомы, и химики решали более скромную задачу— узнать, во сколько раз атом одного элемента легче или тяжелее атома другого, вес которого принят за единицу. Но даже и эти относительные веса — их-то химики и называют атомными весами — найти оказалось не так-то легко.

Например, анализ показывает, что в молекуле воды кислорода по весу в 8 раз больше, чем водорода. Но значит ли это, что атом кислорода в 8 раз тяжелее атома водорода? Да, если в молекуле воды только по одному водородному и кислородному атому. Тогда число 8 — действительно атомный вес кислорода (считая вес атома водорода за единицу). Но если молекула воды образована одним водородным и двумя кислородными атомами, то атомный вес кислорода будет 4; если же, наоборот, одним кислородным и двумя водородными—16, и т. д. Сколько же действительно в молекуле атомов?

В начале XIX века точно ответить на этот вопрос можно было только для очень немногих веществ, главным образом газообразных, к которым применима излюбленная Дальтоном методика объемных измерений. Но таких веществ не очень много. Для большинства же остальных можно было только гадать — и каждый ученый гадал по-своему. Если же учесть, что не было единодушия и в выборе единицы атомных весов — одни принимали за единицу вес атома водорода, как легчайшего элемента, другие — кислорода, как элемента, дающего наибольшее число соединений, третьи — одну сотую часть веса атома, кислорода, и т. д., — то легко представить путаницу в научных работах химиков первой половины XIX века.

Недаром издатель одного химического журнала сопровождал каждую статью особыми пояснениями — без них ее содержание мог понять только автор…

В химии наступил смутный период.

И хотя постепенно большинство недоразумений рассеялось — были найдены методы определения числа атомов в молекулах, а одну шестнадцатую часть веса кислородного атома (почти точно равную весу водородного) все согласились считать единицей атомных весов, — все же никогда нельзя было сказать с уверенностью, что атомный вес данного элемента должен быть именно таким, а не иным. Ошибки попрежнему были, частым гостем в работах химиков. В результате вера в незыблемость атомного учения настолько пошатнулась, что один из крупнейших ученых XIX века, французский химик Жан Дюма, даже предложил выбросить самое понятие об атомах — по его мнению, оно превратилось в источник путаницы и стало тормозом науки.

Атомное учение переживало глубокий кризис.

Дальтон доказал, что оно лежит в основе всех законов, которым подчиняются химические явления. Но ни Дальтон, ни его ближайшие последователи не смогли открыть закон, которому подчиняются сами атомы. Без знания такого закона невозможно предвидеть поведение атомов. Потому-то в химии середины XIX века и царили случайность и неожиданность.

И вдруг положение резко изменилось.

ПИСЬМО ИЗ РОССИИ

 


Лекок де Буабодран узнал из письма Менделеева, что свойства нового металла определены им неправильно

В 1875 году французский химик Лекок де-Буабодран, исследуя цинковую руду из Пиренейских гор, выделил неизвестный элемент. Назвав его галлием (Галлия — древнее имя Франции) и определив важнейшие свойства, Буабодран напечатал коротенькое сообщение в «Докладах» Парижской Академии наук. Открытие само по себе не было чем-либо замечательным и не вызвало широких откликов. Еще один элемент — шестьдесят пятый по счету. Только и всего! К таким открытиям все давно привыкли.

И все же открытие галлия вскоре приобрело всемирную известность. Началось с того, что Буабодран получил письмо. Почерк неизвестный, на почтовом штемпеле — «Санкт-Петербург». Буабодран читал письмо — и глазам своим не верил. Автор письма утверждал, что не все свойства галлия определены им правильно, и, в частности, удельный вес нового металла должен быть не 4,7, как нашел Буабодран, а от 5,9 до 6,0. Письмо было подписано: Дмитрий Менделеев, профессор С.-Петербургского университета.

Легко понять чувства Буабодрана. Кто открыл галлий — он или нет? Не он ли — единственный в мире человек, державший в руках вновь открытое вещество? Русский профессор, никогда не видевший галлия, просто насмехается…

Все же научная добросовестность ученого взяла верх. Отчего бы, в самом деле, не проверить себя? Буабодран еще раз тщательно очистил галлий и снова определил его удельный вес.

Возмущение исчезло, сменилось удивлением и восхищением. Этот Менделеев прав! Удельный вес галлия действительно 5,96. «Я думаю, нет необходимости настаивать на огромном значении подтверждения теоретических выводов г. Менделеева», писал Буабодран в новой статье.

Случай привлек всеобщее внимание. Все понимали — на этот раз произошло нечто из ряда вон выходящее. Порван заколдованный круг неожиданностей, случайностей, слепого блуждания. Впервые в истории науки открытие нового элемента было предсказано.

Ученые перелистали старые журналы. Да, в немецком химическом журнале еще в 1872 году была напечатана статья Менделеева об открытии нового закона природы. В этой статье он рассказывал то, что в русских журналах опубликовал еще в 1869. году.

Статью перевели на французский и английский языки. Ученые всего мира ознакомились с открытием русского ученого.

ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА

Они убедились, что Дмитрий Иванович Менделеев открыл тот самый закон, которого так недоставало науке — основной закон атомов.

Этот закон утверждает, что атомы различных элементов отличаются отнюдь не случайным набором свойств.

Менделеев открыл естественную последовательность элементов, замечательную тем, что в ней при переходе от одного сорта атомов к другому их свойства изменяются строго закономерно, охватывая все многообразие свойств бесчисленного множества тел природы.

Если взять, например, типичный, ярко выраженный активный металл литий, то за ним в естественной последовательности идет бериллий — чуть менее активный металл, с чуть менее типичными металлическими свойствами. Если, например, литий нa воздухе, активно соединяясь с кислородом, моментально покрывается рыхлой пленкой окисла (ржавчины), то менее активный бериллий… ржавеет довольно медленно. За бериллием следует бор — его металлические свойства выражены уже очень слабо, и по активности он заметно уступает литию и бериллию. По отношению к воздуху, например, бор вполне устойчив. Следующий за бором элемент, углерод, стоит явно на распутье между металлами и неметаллами.

Если металлы хорошо проводят электричество, а их атомы легко соединяются с атомами неметаллов, если неметаллы плохо проводят ток, а их атомы легко соединяются с атомами металлов, то углерод одинаково хорошо соединяется и с металлами и с неметаллами; что же касается электричества, то в виде алмаза углерод практически его не проводит, а в виде графита проводит хорошо. Элемент азот, стоящий вслед за углеродом, — уже явный неметалл, но среди неметаллов он один из самых неактивных, в отличие от следующего— кислорода, который жадно вступает в соединение с атомами большинства других элементов. Идущий же за кислородом элемент фтор — самый энергичный, самый активный и самый ярко выраженный неметалл.

И если к этим семи членам последовательности атомов прибавить следующий, открытый несколько позднее, элемент неон — один из «благородных», или «инертных» (то есть «недеятельных»), газов, заслуживших свое название тем, что их атомы проявляют «благородство» — никогда не соединяются ни друг с другом, ни с какими-либо иными атомами, будь то металлы или неметаллы, — то получится замечательная группа.

Она замечательна полным набором атомов, химические свойства которых в совокупности исчерпывают главные химические свойства всех тел природы. В этой группе есть и металлы и неметаллы, и активные — жадно соединяющиеся с другими, и ленивые — вступающие в соединение с трудом, и даже инертные — вовсе не обращающие на других внимания. И естественно предположить, что среди остальных элементов уже невозможно найти что-либо, коренным образом отличающееся от того, что встречается внутри этой группы. Какими же еще свойствами может обладать элемент, если не свойствами металла — от активного до ленивого, или неметалла—от ленивого до активного, или промежуточного между металлами и неметаллами, или, наконец, инертного?

И действительно, следующий за неоном в последовательности атомов натрий в общем повторяет свойства лития, отличаясь от него большей активностью, меньшей точкой плавления и степенью проявления других свойств. Магний повторяет свойства бериллия, хотя он активней, легче загорается и т. п. Алюминий повторяет свойства бора, но металличность его выражена гораздо ярче. Как близкие родственники, похожи кремний — на углерод, фосфор — на азот, сера— на кислород, хлор — на фтор. И так же как после активнейшего фтора идет инертный, «благородный» неон, так и после хлора следует аргон — родной брат неона. Снова подобралась группа, в которой исчерпаны все главные химические свойства. И очередной в последовательности атомов калий — опять активнейший металл, член семейства лития и натрия, затем кальций — родич бериллия и магния и т.д.

Закон Менделеева в том и состоит, что в естественной последовательности атомов свойства одних периодически повторяют свойства других, отличаясь от них лишь степенью проявления этих свойств. Почти так же периодически повторяются, например, звуки «до», «ре», «ми» и другие в естественной последовательности звуков, но повторяются с различными оттенками —от самых низких, басовых, до самых нежных, высоких.

Эта периодическая повторяемость свойств атомов в естественной последовательности элементов — основной закон атомов и один из важнейших законов природы.

Менделеев назвал свой закон периодическим законом, а естественную последовательность элементов — периодической системой элементов.

ПУТЕВОДНАЯ ЗВЕЗДА

Из периодического закона следует, что если существует элемент со свойствами ярко выраженного металла, то непременно должен существовать и другой— с менее резкими металлическими свойствами, за ним — элемент с еще более слабыми свойствами металла и т. д. А если некоторые из них отсутствуют, то это не потому, что они не существуют в природе, а только потому, что они еще не открыты. И там, где естественная последовательность атомов нарушалась из-за отсутствия таких не открытых еще элементов, Менделеев оставил пустые места: он был абсолютно уверен, что эти элементы существуют и рано или поздно будут открыты. А чтобы облегчить их открытие, Менделеев предсказал их важнейшие свойства. Он сделал это, учитывая их место в периодической системе. Он предложил всему ученому миру возможность опытной проверки своего закона. Открытие Лекока де-Буабодрана явилось первой ласточкой, «Менделеев… совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверрье, вычислившего орбиту еще неизвестной планеты — Нептуна», писал о предсказании Менделеева Фридрих Энгельс.

Ученые прочли в статье Менделеева, что элементы в естественной последовательности располагаются в порядке возрастания их атомных весов.



Расположенные в порядке возрастания атомных весов, элементы образуют естественную последовательность, в которой химические свойства одних периодически повторяют химические свойства других. В этом — сущность периодического закона Менделеева.

Но где же Менделеев взял такие атомные веса? Почему, например, для урана, показан атомный вес 240 вместо принятого всеми 120?

Потому, что его атомный вес был вычислен неправильно, отвечал Менделеев. Периодический закон впервые дал возможность судить, каков должен быть атомный вес элемента. Ведь при цифре «120» уран попадает в естественной последовательности атомов на место, которое занято элементом, ничего общего с ним не имеющим по своим свойствам. Цифра же «240» ставит уран на свое место, в одну группу с родственными ему элементами. Значит атомный вес урана именно 240.

Такие же рассуждения привели Менделеева к исправлению атомных весов других элементов. Все его цифры вскоре блестяще подтвердились.

Так закончилось в химии смутное время. В периодическом законе — основном законе атомов — была найдена яркая путеводная звезда, которая с тех пор неизменно указывала исследователям правильный путь в их исканиях.

Галлий был последним элементом, открытым случайно. В дальнейшем все открытия новых элементов совершались уже на основе ясных руководящих указаний периодического закона Менделеева.

Когда в 1880 году шведский химик Ларе Нильсон открыл второй предсказанный Менделеевым элемент и назвал его скандием (в честь Скандинавии), он писал: «Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперед дать его важнейшие свойства».

Когда в 1885 году немецкий химик Винклер открыл третий предсказанный Менделеевым элемент и назвал его германием, он поспешил написать Менделееву: «Уведомляю вас о новом триумфе вашего гениального исследования и свидетельствую вам свое почтение и глубокое уважение».


Из закона Менделеева следует, что если естественная последовательность элементов нарушается отсутствием некоторых членов, то это не потому, что такие элементы не существуют в природе, а только потому, что они еще не открыты. На основании этого Менделеев предсказал открытие неизвестных элементов

Когда в двадцатых годах нашего века развитие электротехники потребовало новых материалов, по свойствам превосходящих вольфрам, периодический закон подсказал, что таким должен быть не открытый еще элемент, для которого Менделеев оставил свободное место в одном ряду с марганцем. Периодический закон подсказал также, где его искать. Электротехнические фирмы отпустили средства, и в 1925 году ученые-супруги Вальтер и Ида Ноддак открыли этот элемент — рений — и убедились, что из него действительно получаются превосходные нити для лампочек накаливания.

АТОМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Предсказание, открытие и изучение свойств элементов — только первый результат применения периодического закона Менделеева. Этот закон будил мысль исследователей, звал их дальше. Почему свойства атомов изменяются так закономерно? Не говорит ли это о внутренней сложности атомов?

Впервые в истории науки такой вопрос поставил знаменитый русский химик, друг Менделеева Александр Михайлович Бутлеров. Он писал в В 1886 году в книге «Основные понятия химии», что «атомы не неделимы по своей природе, а неделимы только доступными нам ныне средствами и… могут быть разделены в новых процессах, которые будут открыты впоследствии».

Смелая мысль русского ученого сначала встретила мало сочувствия.

Но в это время начали уже накапливаться новые факты, которые вскоре блестяще ее подтвердили.

Было замечено, например, что при накаливании, а также при освещении ультрафиолетовым светом многие тела, особенно металлы, заряжаются положительно. Будучи до того электронейтральными, они, очевидно, при этих воздействиях теряют отрицательные электрические заряды. А так как вещества состоят из атомов и пустоты, то потерять отрицательное электричество могут только сами атомы.

Но это значит, что атомы, считавшиеся более 2000 лет совершенно сплошными и абсолютно неделимыми, в действительности делятся по крайней мере на две части — отрицательное электричество и положительно заряженные остатки.

Вскоре установили, что входящее в состав атомов отрицательное электричество ничем не отличается от электричества, которое течет по проводам электрической сети. Его частицы имеют те же размеры, вес и заряд. Эти мельчайшие частицы электричества— атомы электричества — были названы электронами.

Открытие электрических свойств атомов чрезвычайно облегчило их изучение. На помощь грубому измерению и взвешиванию пришли тонкие и точные электрические методы, и наконец-то появилась долгожданная возможность определить размеры и вес сверхкрошечных частичек.

Самыми сверхкрошечными среди них оказались электроны. У них самый маленький заряд — меньше половины миллиардной доли электростатической единицы заряда; самый маленький размер — всего несколько тысячемиллиардных долей миллиметра; самый маленький вес — почти в миллион раз меньше миллиардной части миллиардной доли миллиграмма. Электрон в 1840 раз легче самого легкого атома — водородного.

При токе в 1 ампер через поперечное сечение провода ежесекундно проносится 6290 миллионов миллиардов электронов, но все вместе они весят только 5,65 миллионной доли миллиграмма. За год при таком токе через провод проходит всего 178 миллиграммов электронов.

Так удивительно, непостижимо малы электроны — атомы электричества, самые маленькие из всех известных пока в мире частиц!

АТОМНОЕ ЯДРО

Электроны удаляются из атома легче всего — достаточно только накалить вещество или осветить ультрафиолетовыми лучами. Если бы электроны скрывались в глубинах атома — очевидно, вряд ли их удалось бы выбить оттуда так просто. Видимо, они находятся в наружных, внешних частях атома. Значит, где-то глубже, внутри, расположены частички, заряженные положительным электричеством — их заряд уравновешивает отрицательный заряд электронов, делая весь атом в целом электронейтральным.

В 1911 году знаменитый английский физик Эрнст Резерфорд выяснил, что все эти положительные заряды собраны в центре атома в одну единственную частицу — атомное ядро и что отрицательные электроны вращаются вокруг этого ядра. Скорость вращения электронов так велика, что они как бы создают вокруг ядра сплошной барьер, сплошную оболочку, почему атом в обычных условиях и ведет себя, как сплошная твердая частица.

Резерфорд определил и размеры атомного ядра. Оказалось, что ядра не намного больше электронов: даже у самых тяжелых атомов поперечник ядра всего раз в десять больше, чем у электрона. Такая маленькая разница изумила и Резерфорда и других ученых. Ведь заряд ядра уравновешивает заряды всех вращающихся вокруг него электронов. Если заряд электрона принять за единицу атомных зарядов, то заряд ядра равен числу электронов, окружающих его. И в то же время эта многозарядная частица почти так же мала, как и любой из этих электронов!

В 1912 году ученик Резерфорда, Генри Мозли, задался целью установить, сколько электронов в атоме каждого элемента вращается вокруг положительного ядра.

Еще в 1895 году немецкий физик Рентген заметил, что при ударе потока электронов о поверхность различных веществ возникают особые лучи, сильно действующие на фотографические пластинки. Длина волн* лучей Рентгена оказалась настолько малой, что для наших глаз они совершенно невидимы. Мозли как раз и приступил к изучению длины волн рентгеновских лучей.
________
*См. статью «Волны» в № 6 журнала «Знание — сила» за этот год.

Когда камень падает в жидкость, на ее поверхности появляются волны. Характер их зависит от свойств камня — размеров и скорости. Но один и тот же камень, падая с одинаковой скоростью, произведет разные волны в воде, вязком масле или тяжелой ртути. Очевидно, характер волн зависит и от свойств жидкости.

Длина волн лучей Рентгена зависит не только от скорости электронов, но и от вещества, о которое электроны ударяются. Как установил Мозли, она зависит от величины заряда ядра атома того элемента, из которого состоит это вещество. И, следовательно, зная длину соответствующей волны, можно вычислить заряд ядра.

И вот Мозли получил ряд целых чисел: 30 для цинка, 26 для железа, 82 для свинца и т.д. Каждое число означает, что положительный заряд ядра атома данного элемента равен по абсолютной величине заряду 30, 26 и т.д. электронов. Эти простые, казалось бы, цифры дали очень много:

Стало известно число электронов в любом атоме: оно равно заряду ядра. Выяснилось, что большая часть веса всего атома сосредоточена в ядре — при ничтожном весе электрона на долю, например, 82 электронов атома свинца приходится всего 0,045 из общего атомного веса 207,2. Ясно, что при практических расчетах вес электронов можно вовсе не учитывать, как если бы в атоме имело вес только одно ядро.

Наконец, оказалось, что доля пустоты в общем объеме атома неизмеримо больше, чем кто-либо мог предполагать. Поперечник атома достигает десятимиллионных долей миллиметра — примерно в 100 тысяч раз больше поперечника электрона. В объеме атома можно было бы упаковать около миллиона миллиардов электронов. В действительности, же даже у самых тяжелых атомов всего несколько десятков электронов, да еще одно ядро. И если бы атом увеличился настолько, что электроны размерами сравнялись с бусинками, то оказалось бы, что несколько десятков бусинок вращаются вокруг шарика с поперечником около 10 сантиметров, отстоящего от них приблизительно на 1 километр.

Электроны и ядра занимают так мало места в общем объеме атома, что в тысячетонном слитке свинца объемом в 88,5 кубического метра все атомные ядра и все электроны вместе взятые занимают объем, во много раз меньший булавочной головки! Зато увезти эту крошечную головку под силу лишь железнодорожному составу из 60 вагонов: она весит 1000 тонн, потому что весь остальной объем в 88,5 кубического метра свинца — пустота.

Этот результат странным может показаться только на первый взгляд. В действительности же понять его нетрудно. Ведь игроки в пушбол не удивляются, без труда подбрасывая огромный мяч 160 сантиметров в поперечнике: они знают, что хотя мяч и кажется сплошным, большую часть его объема занимает воздух, тонкая же резиновая оболочка весит всего 20 килограммов. Вот если бы мяч был действительно сплошным резиновым шаром, он весил бы не менее 4 тонн. И так же все тела на Земле были бы неизмеримо тяжелее, не будь в атомах так много пустоты. Ведь если бы можно было плотно насыпать электроны в наперсток, он весил бы ни много, ни мало несколько десятков тысяч тонн!

ГЛАВНОЕ СВОЙСТВО АТОМОВ

Но не этот удивительный результат привлек внимание Мозли. У него было впечатление, что он где-то уже видел полученные им цифры положительных зарядов атомных ядер. Он взял в руки периодическую таблицу Менделеева.

Так и есть!

Числа 30, 26, 82 — найденные им заряды атомных ядер цинка, железа, свинца — ведь это же не что иное, как номера клеточек, в которых разместились эти элементы в таблице Менделеева, в естественной последовательности атомов.

Не случайно ли это совпадение?

Мозли собрал дополнительный материал. Сомнений не было: положительные заряды атомных ядер всех элементов в точности равны их порядковым номерам — номерам мест, которые они занимают в таблице Менделеева в порядке возрастания их атомных весов.

Стоп! Вот, здесь-тo и можно проверить новую закономерность. Ведь в таблице Менделеева не все элементы расположены в порядке возраетания атомных весов. Учитывая их свойства, Менделеев поставил металл кобальт на 27-е место, а никель — на 28-е, хотя атомный вес кобальта больше. Точно так же элемент теллур получил порядковый номер 52, а иод — 53, хотя их атомные веса растут в обратном порядке. А с открытием инертных газов пришлось аргон поставить на 18-е место, раньше калия, который, несмотря на меньший атомный вес, попал на место номер 19.

Что же покажут заряды атомных ядер?

Мозли отлично понимал значение своих опытов. Речь шла о самой сущности основного закона атомов — периодического закона. Он знал, что гениальный Менделеев отнюдь не придавал атомным весам решающего значения в определении свойств атомов — недаром он сам, руководствуясь своим законом, смело исправил многие принятые ранее атомные веса. Но Менделеев хотел связать периодическое, то есть повторяющееся, изменение большинства свойств атомов с постоянным, то есть непрерывно нарастающим, изменением какого-то главного их свойства. Таким свойством в его время считался атомный вес. Потому Менделеев и выразил периодический закон как закон повторяющегося изменения свойств химических элементов при постоянном возрастании их атомного веса. Но при этом, досадно нарушая стройность системы, остались три непонятных исключения. И Мозли спрашивал себя: не есть ли положительный заряд ядра то главное свойство атомов, которое так упорно искал Менделеев и от которого действительно зависят остальные их свойства?

Мозли определил длину волн рентгеновских лучей для аргона и калия, для кобальта и никеля, для теллура и иода и вычислил положительные заряды их атомных ядер.

Поразительно! Можно ли не удивляться гениальной прозорливости русского химика, сумевшего за 40 лет до того, как вообще стало известно о существовании атомных ядер, подняться над уровнем современной ему науки и сделать безошибочные выводы?!

Положительные заряды ядер атомов аргона (18), калия (19), кобальта (27), никеля (28), теллура (52) и иода (53) точно совпали с порядковыми номерами этих элементов в таблице Менделеева!

Так было найдено главное свойство атомов, определяющее их место в естественной последовательности элементов— положительный заряд атомного ядра.

Работы Мозли необычайно укрепили периодический закон Менделеева, а с ним и все атомное учение. В частности, они дали ответ на вопрос о числе элементов — сортов атомов.

Атомы отличаются порядковыми номерами — зарядами атомных ядер. Наименьший заряд оказался у атома водорода: 1, наибольший — у атома урана: 92. Недаром Менделеев поместил водород в первой, а уран в последней, девяносто второй, клетке своей таблицы! Между водородом и ураном может находиться только 90 других элементов — не больше и не меньше! Нерешенным остался лишь вопрос об элементах более тяжелых, чем уран, — с порядковыми номерами больше 92. Если же таких элементов нет, то выходит, что в природе всего 92 вида атомов. Из этих 92 сортов стройматериалов природы и сложены все бесчисленные существующие тела.

АТОМНЫЕ ПОСТРОЙКИ

В 1913 году датский ученый Нильс Бор приступил к решению очередной задачи: как электроны расположены вокруг атомного ядра?

Ясно было одно: расположение роя электронов вокруг ядра не может быть случайным.

Ни одно здание никогда еще не было построено простым нагромождением балок, кирпичей, стекла, железа. Надо хорошо знать и учитывать все свойства строительных материалов, чтобы совокупность их составила прочное, устойчивое сооружение.

Тончайшие постройки — атомы — образовывались без участия каких бы то ни было архитекторов и инженеров, без заранее составленных планов и чертежей. Они образовались сами собой в процессе вечного развития вечной материи. И раз атомы существуют, раз они прочны и устойчивы — значит, отдельные части их взаимодействуют между собою так, что это взаимодействие обеспечивает устойчивость и прочность всего сооружения. Иначе оно мгновенно распалось бы на части.

К сожалению, пока еще невозможно просто посмотреть, как расположены в атоме ядро и электроны. У Бора оставался один путь: учесть все свойства каждой составной части атома, учесть взаимное влияние, которое они могут оказывать друг на друга, и представить картину, в которой каждая часть заняла бы место, обеспечивающее всей постройке наибольшую устойчивость. А потом проверить, объясняет ли эта картина действительные свойства вещества. (Таким путем шел в свое время Ломоносов, создавая теорию газового состояния, теорию теплоты и другие.)

Бору предстояло учесть очень многие особенности поведения электронов.

Для прямолинейного движения стержня с двумя грузами расположение грузов безразлично. Важен только их общий вес. Но для вращения стержня вокруг проходящей через его середину оси положение грузов далеко не безразлично. Здесь, помимо силы тяжести, действуют еще центробежные и центростремительные силы, и система будет гораздо устойчивее, если равные грузы расположатся на равных расстояниях от оси вращения.

Если, кроме того, грузы железные, а рядом находится сильный магнит, то придется учитывать еще силу притяжения грузов магнитом. Наконец, грузы могут быть заряжены электричеством. Тогда при движении вокруг них появятся магнитные поля — движущееся электричество всегда вызывает возникновение магнитного поля, — и в дополнение ко всему придется еще учесть влияние этих магнитных полей. Как видно, расчет устойчивости даже такой простой системы довольно сложен.

Задача Нильса Бора была неизмеримо сложнее.

Следовало учесть возникающие при круговом движении электронов центробежные и центростремительные силы.

Следовало учесть силы притяжения между положительным ядром и отрицательными электронами.

Следовало учесть силы отталкивания между одноименно заряженными отрицательными электронами.

Следовало учесть взаимодействие магнитных полей, возникающих при движении электронов вокруг ядра.

Следовало учесть влияние магнитных полей, возникающих от вращения электронов вокруг собственной оси.

Следовало учесть много дополнительных явлений, не имеющих значения для систем из больших масс, но весьма существенных для таких сверхкрошечных частиц, как электроны.

Проще всего оказалось определить положение единственного электрона в атоме первого элемента периодической системы — водорода. Бор точно рассчитал расстояние, на котором вращается этот электрон вокруг ядра водородного атома, заряд которого равен единице.

Второй по сложности атом — гелий. Его порядковый номер (заряд ядра) 2, и, следовательно, в нем 2 электрона. Подсчет показал, что при вращении обоих электронов на некотором одинаковом расстоянии от ядра — как говорят, в одном «электронном слое»— их электрические и магнитные поля уравновешиваются так удачно, что получается чрезвычайно устойчивая постройка. Оторвать хотя бы один электрон от атома гелия исключительно трудно. Именно потому гелий и не вступает ни в какие химические соединения. В особой устойчивости электронной оболочки гелия — секрет инертности, «благородства» этого газа.


Внешний электронный слой натрия подобен внешнему электронному слою лития, магния — бериллия и т.д.
В периодической повторяемости наружных электронных слоев атомов — секрет периодической повторяемости свойств химических элементов

У элемента с порядковым номером 3 —лития —3 электрона. Два из них расположены, как у гелия. Расчет показал, что, попади третий электрон в тот же слой, постройка стала бы крайне неустойчивой и немедленно распалась бы. Зато она может существовать, если третий электрон расположится гораздо дальше от ядра, чем первые два, — в следующем, втором электронном слое. Правда, на таком расстоянии он притягивается ядром почти в пять раз слабее двух первых. Достаточно уже слабого воздействия на атом лития — и он теряет свой внешний электрон. Потому-то он так легко вступает в химические соединения. В этом же причина и ярко выраженных металлических свойств лития.

Атом элемента с порядковым номером 4 — бериллий — обладает 4 электронами. Из них два располагаются, как у гелия, в первом электронном слое, а третий — во втором, как у лития. Расчет показал, что и четвертый электрон попадает в тот же второй слой. Как и у лития, внешние электроны атома бериллия удерживаются ядром гораздо слабее внутренних, хотя и несколько прочнее, чем у лития (ведь их притягивают 4, а не 3 положительных заряда ядра). Поэтому атом бериллия тоже легко, хотя и труднее лития, теряет свои внешние электроны. Потому-то бериллий чуть менее активен в химических процессах, чем литий, и металлические свойства его не так ярки.

НОВЫЕ УСПЕХИ ЗАКОНА МЕНДЕЛЕЕВА

Шаг за шагом двигался Нильс Бор по периодической таблице Менделеева, покрывая листы бумаги десятками формул и тысячами цифр, за которыми скрывалась сложная игра сил, определяющих условия существования невидимо мелких, но исключительно сложных атомных построек. Перед мысленным взором ученого вырисовывались эти сверхкрошечные постройки, так напоминающие солнечную систему, с солнцем-ядром в центре и роем планет-электронов, носящихся вокруг. Расчеты показали, что скорость электронов в первом электронном слое достигает около 2200 километров в секунду—в 70 с лишним раз больше скорости вращения Земли вокруг Солнца.

Расчеты говорили, что вплоть до десятого элемента периодической системы — в атомах бора, углерода, азота, кислорода, хлора и неона новые электроны прибавляются во второй слой, и это превосходно объясняет все их химические и иные свойства. У неона во втором электронном слое уже 8 электронов, причем их электрические и магнитные поля гармонируют настолько идеально, что этот слой прочен так же, как и первый. Поэтому атом неона, подобно гелию, в обычных химических процессах неспособен терять свои электроны, а следовательно, вступать в химические соединения. Потому-то неон — тоже инертный газ.

После неона идет натрий, с порядковым номером 11. Вокруг его атомного ядра вращается 11 электронов: два — в первом электронном слое, как у гелия; восемь — во втором, как у неона. Для последнего, одиннадцатого электрона во втором слое места нет — он нарушил бы строго симметричное расположение, вызвав распад постройки. Последний электрон натрия вынужден одиноко поместиться в новом, третьем электронном слое. Таким образом, последний электронный слой натрия подобен последнему электронному слою лития. В этом сходстве внешних электронных оболочек — причина сходства свойств обоих элементов: ведь натрий — тоже ярко выраженный металл. Но у натрия последний электрон дальше от ядра, чем у лития, почему он и удерживается слабее. Здесь-то и кроется секрет большей химической активности натрия по сравнению с литием.

Так постепенно Бор раскрывал картины устройства электронных оболочек атомов, и всюду он находил полное объяснение свойств элементов и поразительное совпадение с требованиями периодического закона.

Но, может быть, он просто подгонял свои расчеты под эти требования?

Подтвердить правильность расчетов можно было, только предсказав что-то новое, чего нельзя предвидеть, не зная устройства электронных оболочек. В 1922 году, на девятом году работы Бора, такая возможность представилась.

В то время элемент с порядковым номером 72 открыт еще не был. Его считали близким по свойствам к элементу лантану (№ 57) и долго и упорно, но тщетно искали в лантановых рудах.

Рассчитав возможное расположение семидесяти двух электронов в атоме этого неоткрытого элемента. Бор установил, что его электронная структура, а значит, и свойства схожи не с лантаном (№ 57), а с другим элементом — цирконом (№ 40). Следовательно, и искать его надо в цирконовых минералах.

Сделав это смелое предсказание, Нильс Бор, талантливый последователь Менделеева, поручил проверить его своим сотрудникам — венгерцу Хевеши и голландцу Костеру, работавшим в то время в его лаборатории в Копенгагене.

Уже следующий, 1923 год принес Бору блестящую победу: элемент № 72 был найден, и именно там, где предсказал Бор, — в норвежской цирконовой руде. В честь Копенгагена (по-латыни «Гафния») новый элемент был назван гафнием.

Открытие подтвердило выводы Бора. Теперь уже всем стало ясно — электроны действительно располагаются вокруг атомного ядра таким образом, что строение внешних, последних электронных слоев периодически повторяется. Так была вскрыта сущность периодической повторяемости свойств элементов.

НА ШТУРМ АТОМНОГО ЯДРА

Работы Бора еще выше подняли значение закона Менделеева. Они еще раз подтвердили, что гениальному русскому ученому удалось открыть основной закон атомов, с необыкновенной полнотой и точностью отражающий их главные свойства.

За полвека со дня открытия этого закона учение об атомах продвинулось вперед неизмеримо больше, чем за два с половиной предшествующих тысячелетия своего существования.

Периодический закон Менделеева привел к открытию сложности атомов, к открытию их составных частей и законов их взаимного расположения.

Великий закон Менделеева указывал ученым всего мира путь еще дальше — к познанию тайн атомного ядра и овладению атомной энергией. Еще в августе 1871 года Менделеев писал в своей знаменитой статье, напечатанной в 1872 году в немецком химическом журнале: «Вес естественно приписать особому движению материи, и нет основания отрицать возможность превращения этого движения при образовании… атомов в химическую энергию или другой вид движения… Если поэтому стал бы образовываться новый элемент или стал бы разлагаться известный элемент, то, может быть, эти явления могут сопровождаться увеличением или уменьшением веса. Таким образом, можно было бы до известной степени, объяснить различие химической энергии различных элементов».

В этих словах, сказанных 75 лет назад, Менделеев дал прямое указание пути к овладению атомной энергией — изучение процессов разложения и образования атомов, которые должны сопровождаться изменением их веса и выделением энергии.

И все, что сделано до сих пор во всем мире в области завоевания атомной энергии, явилось лишь осуществлением гениального предначертания великого русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева.

Б. Степанов
Знание — Сила 1946 №№ 7-11

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *