Путешествие в Страну элементов: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

И когда предсказанные газы были вскоре открыты (криптон, неон и ксенон), сразу стало ясно, что место для них в системе есть. Рамзай предложил Менделееву образовать из вновь открытых элементов отдельную группу, и Менделеев сразу согласился, так как это не только не противоречило периодическому закону, а, наоборот, явилось логическим завершением системы и подтверждением правильности закона.

Так открытие инертных газов, вместо того чтобы поколебать закон, стало одним из главных доказательств его справедливости. Дополненная новой (нулевой) группой, периодическая система приобрела еще большую стройность.

Казалось, что дни потрясений для периодического закона безвозвратно миновали. Осталось лишь ждать открытия новых элементов, появление которых вряд ли могло затронуть стройность периодической системы и суть периодического закона.

И действительно, открытия не заставили себя ждать, но… странное дело! «Пришельцы» не желали занимать свободные места, которых в таблице было еще вполне достаточно, а упорно претендовали на уже занятые, потому что вновь открытые элементы как две капли воды были похожи по своим свойствам друг на друга и на уже известные так называемые редкоземельные металлы: лантан, иттрий, церий, эрбий.

С проблемой редких земель Менделеев столкнулся еще в 1869 году, когда составлял первый вариант периодической системы. В то время химики не сомневались в том, что лантан, церий, иттрий, эрбий и дидим являются двухвалентными металлами; кроме того, атомные веса их были очень занижены. Твердо уверенный в справедливости периодического закона, Менделеев предположил трехвалентность иттрия, лантана и эрбия и поместил их в третью группу, соответственно изменив атомные веса. Церий был помещен в четвертую группу, поскольку проявлял в некоторых соединениях валентность 4+. Дидим Менделеев поместил в пятую группу и, не уверенный в законности этого, поставил рядом знак вопроса. Так разместились в системе пять элементов. До поры до времени это не встречало особых возражений.

Но затем число вновь открытых редких земель стало катастрофически увеличиваться. Из разных стран начали поступать сведения об открытиях все новых и новых редкоземельных элементов. О том, чтобы разместить все их в периодической системе, не могло быть и речи: за период 1879–1906 годов их появилось около ста! Правда, потом выяснилось, что большинство этих открытий ложно, но все же к 1906 году ученые твердо установили, что 13 редкоземельных элементов действительно существуют. Это подтверждалось многократными, тщательными и беспристрастными исследованиями. Но никто не мог с уверенностью сказать, сколько же должно быть этих элементов-близнецов и как найти им место в периодической системе. А поскольку периодический закон не мог ответить на эти вопросы, то вновь возникло сомнение в его справедливости.

Менделеев ждал решения загадки от своего друга, чешского ученого Богуслава Браунера, который давно уже работал над этой проблемой.

Браунер был одним из тех ученых, кто сразу и до конца поверил в периодический закон. Всю свою жизнь он посвятил химии редких земель, и потому не удивительно, что именно он ближе всех подошел к разгадке тайны редкоземельных элементов, когда предлагал выделить их в совершенно отдельную группу и поместить в одной большой клеточке периодической системы. Но это была только догадка, не подтвержденная никакими фактами. Кризис продолжался. И даже углубился после того, как к списку проблем, еще не решенных периодическим законом, добавилась загадка радиоактивных элементов.

Было время, когда непонятное явление — радиоактивность — казалось легким облачком, омрачавшим ясный небосвод химии и физики, добившихся к концу XIX — началу XX века выдающихся успехов. Но время шло, и облачко превратилось в огромную тучу, закрывшую все небо. И только тут стало ясно, что человек коснулся одной из самых сокровенных тайн природы, загадка которой разрушит все прежние представления о строении вещества и в то же время даст основу для истинно научного знания. Итак, что же это за новая загадка?

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году, когда обнаружилось, что уран, самый тяжелый из всех известных в то время элементов, обладает удивительной способностью испускать особые, невидимые лучи. Несколько позже выяснилось, что точно таким же свойством обладают вновь открытый элемент актиний и давно известный торий. Затем в 1898 году из урановой руды были выделены два элемента, радиоактивность которых была во много раз сильнее, чем у урана. Это были радий и полоний. Однако потом число радиоактивных элементов выросло настолько, что некоторые из них стали называть просто буквами латинского алфавита с прибавлением названия элемента, из которого они были получены. Например, радий A, торий B, уран Z, актиний X и т. п.

Число вновь открытых радиоактивных элементов продолжало расти, а места для них, как и для редкоземельных элементов, в периодической системе не было. А тут еще выяснилось, что многие из них по своим химическим свойствам совершенно аналогичны уже известным элементам. Так, радиоактивные уран-икс-первый (UX1), ионий, радиоторий, уран-игрек (UY) и радиоактиний обладали теми же свойствами, что и торий. Следовательно, они все имели полное право находиться в одной клеточке периодической системы. Мезоторий-первый (MsTh1), торий-икс (ThX) и актиний-икс (AcX) претендовали на «жилплощадь» радия. Причем если редкоземельные элементы удавалось все же отделить друг от друга, то отделить, например, торий-икс от радия или торий от иония при помощи химических операций было невозможно.

В клеточках периодической системы становилось тесновато. Ну, положим, поместить их в одну клеточку можно, но как же быть с атомными весами? Выходит, тогда нужно примириться с фактом, что некоторые элементы с разными атомными весами попадут в одну клеточку, а с одинаковыми атомными весами — в разные. Это ли не опровержение периодического закона?

Вспомнилось, кстати, несоответствие между атомным весом и положением в периодической системе таких элементов, как калий К, и аргон Ar; кобальт Co, и никель Ni; йод J, и теллур Te. Обратите внимание: в периодической системе более тяжелые Ar, Co и Te предшествуют легким К, Ni и J, когда, казалось бы, должно быть наоборот. И если раньше можно было думать, что атомные веса этих элементов определены неверно, то теперь на это не приходилось рассчитывать. К 1906 году многочисленными исследованиями было твердо установлено, что K легче Ar, Ni легче Co, a J легче Te.

Так снова, как прежде, встал вопрос: верен ли периодический закон, и если все-таки да, то что является основой периодического изменения свойств элементов?

Ясно было одно — атомный вес больше не может служить строго научной основой естественной системы элементов. И именно тогда, когда казалось, что периодический закон увяз в неразрешимых противоречиях, последовала цепь блестящих открытий, которые не только подтвердили его правильность, но и сделали неизмеримо большее — вскрыли истинную причину периодичности, повторяемости свойств химических элементов. Но это случилось далеко не сразу, не вдруг…

В 1910 году английский ученый Содди пришел к выводу, что радиоактивные элементы, которые отличаются друг от друга по физическим свойствам, но абсолютно похожи по химическим, — это разновидности одного элемента. Содди назвал их изотопами («изо» — «одинаковый», «топос» — «место»). А когда оказалось, что изотопия характерна не только для радиоактивных, но вообще для большинства элементов периодической системы, многое сразу встало на свое место.

Прежде всего стало ясно, почему атомный вес элементов, как правило, выражается не целым числом, а дробным. Ведь в таком случае атомный вес элемента есть среднее между весами составляющих элемент изотопов, и, значит, вполне вероятно, что в некоторых случаях этот средний атомный вес может быть у предыдущего элемента больше, чем у последующего. Так оно и произошло в случае йода и теллура, калия и аргона, кобальта и никеля.

«Предыдущий», «последующий». А какое, собственно, мы имеем право употреблять теперь эти слова? Ведь мы только что узнали, что атомный вес (а ведь мы располагали элементы в порядке возрастания атомного веса, вспомните!) становится довольно ненадежным критерием в решении вопроса, какой же элемент «предыдущий», а какой «последующий».

Что же в таком случае брать за основу при пользовании периодической системой? Не порядковый же номер элемента!

Оказалось, именно порядковый номер!

Вот теперь мы вплотную подошли к тому, как физика помогла расшифровать самую большую тайну Страны элементов — причину периодичности их свойств.

Вскоре после открытия явления радиоактивности ученые установили, что радиоактивное излучение неоднородно. Оно состоит из трех различных типов лучей, которые получили название альфа-, бета- и гамма-лучей. Нас сейчас будут интересовать только альфа-лучи, ибо именно им принадлежит решающая роль в той увлекательной истории, о которой пойдет речь.

Альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц. В 1912 году замечательный английский физик Э. Резерфорд, изучая их свойства, обнаружил любопытное явление. Если направить пучок лучей на тонкую металлическую фольгу, скажем алюминиевую или медную, и следить за поведением альфа-частиц по свечению экрана из сернистого цинка, то можно заметить, что при прохождении через фольгу они изменяют направление движения. А некоторые даже отбрасываются назад. Размышляя над тем, какая сила действует на частицы, Резерфорд пришел к следующему выводу.

По-видимому, атом химического элемента устроен так, что в центре его находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Поскольку атом в целом электронейтрален, то число отрицательных зарядов (число электронов) должно быть численно равно заряду ядра. Для альфа-частицы такой атом должен быть совершенно «прозрачен», и только положительно заряженное ядро должно действовать на пролетающую мимо альфа-частицу. В отдельных, очень редких случаях, когда она попадает прямо в ядро, она отскакивает назад (одноименные заряды отталкиваются по закону Кулона).

Основываясь на этой гипотезе, Резерфорд теоретически рассчитал величину отклонения альфа-частицы в зависимости от заряда ядра атома. Но если выведенная им формула верна, то возможно решение и обратной задачи: зная отклонение, можно вычислить заряд ядра.

За проверку формулы взялись соотечественники Резерфорда Гейгер и Марсден. Опытным путем они установили, что формула справедлива, и, пользуясь ею, вычислили заряды ядер атомов меди, серебра и платины. Эти заряды оказались равными соответственно 29, 47 и 78 элементарным единицам заряда.

А теперь посмотрите на систему Менделеева, обратите внимание на порядковые номера меди, серебра и платины. Что это? Совпадение? Те же самые числа: 29, 47 и 78!

Нет, это не могло быть случайностью. И голландский ученый Ван-ден-Брук первый высказывает следующее предположение: величина заряда ядра атома каждого химического элемента, измеренная в элементарных единицах заряда, равна атомному номеру, то есть порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Наконец-то открыта истинная основа периодического закона. Не атомный вес, а заряд ядра — вот что должно указать место элемента в периодической системе.

Оставалось теперь измерить заряды ядер атомов всех известных элементов, чтобы этот вывод стал бесспорной истиной. Гипотезу нужно было превратить в теорию.