Взглянем на один из первых вариантов Менделеевской таблицы элементов. Как видно на рисунке, Менделеев поместил цинк (Zn) под кальцием (Са), мышьяк (Аs) под ванадием (V) и т. д. Таким образом, не нарушая последовательности расположения элементов в порядке возрастания их атомных весов, он подчеркивал существование периодической повторяемости их свойств.
Как мы уже говорили, у Менделеева остались в его системе пустые места.
Приглядитесь к этим маленьким пустым клеткам особенно пристально! Они хранят память о замечательнейшем сражении за знание…
Опираясь на открытый им закон, Менделеев дерзко заполнил эти клетки неизвестными элементами. В этом и состояло условие задуманного им опыта. Содержание этого опыта можно передать следующими словами:
Если обнаруженный новый закон распределения элементов по семействам имеет тот глубокий смысл, который в этом расположении увидел Менделеев, если это действительно закон природы, то свойства
каждого элемента обязательно должны определяться его местом в таблице. А если так, то, зная свойства элементов, окружающих пустые места в таблице, можно заранее описать все свойства тех элементов, которые должны будут эти пробелы восполнить. В действительности, конечно, этих пробелов не было. Исследователь просто еще не знал тех элементов, которые в природе соответствуют оставшимся пустым клеткам Периодической системы. Но, понимая систему, зная, например, через какой промежуток повторяются свойства элементов и как, примерно, они меняются в пределах одного семейства от одного элемента к другому, можно было догадаться, что именно представляют собой незнакомцы и как они будут выглядеть, если их когда-нибудь обнаружат в природе.
Таким образом, Менделеев решил воспользоваться открытой им системой элементов для того, чтобы предсказать новые элементы, «запланировать» их открытие.
Великий опыт, который должен был подтвердить его предположения, был начат в 1871 году.
В этом году Менделеев опубликовал в III томе «Журнала Русского химического общества» подробную характеристику веществ, которых не видел еще ни один человек в мире. (Статья так и называлась: «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов».)
Разберемся подробнее в условиях открытия новых элементов, намеченных Менделеевым. Одно из пустых мест, которые заполнили научное воображение мыслителя, находится между клетками алюминия и индия. Вещество, которое должно было быть на этом месте в системе, Менделеев назвал «экаалюминием». («Эка» по-санскритски значит «один», а все слово означает «алюминий плюс один». Менделеев пользовался санскритскими терминами, так как сильно недолюбливал латынь и греческий, откуда обычно заимствовали термины исследователи.)
Предсказывая свойства неоткрытого элемента, Менделеев рассуждал так: его атомный вес должен лежать где-то посередине между весом алюминия (27) и весом индия (115), то есть будет составлять приблизительно 70. По своим химическим свойствам это вещество должно относиться к той же группе, в какую входит и алюминий, то есть походить на него. Значит, это должен быть тоже легкий, белый металл. Плотность его тоже будет средней между плотностями окружающих его элементов. Свойства всех химических соединений «экаалюминия» будут средними между свойствами таких же соединений его соседей и т. д. и т. п.
Таким образом, из системы элементов Менделеев заимствовал все основания для своих смелых предсказаний. Это предвидение было таким удивительно отчетливым и подробным, что вам надо доставить себе когда-нибудь удовольствие прочитать его в изложении самого Менделеева.
Второе неизвестное вещество Менделеев назвал «экакремнием» (то есть «кремний плюс один»).
По сходству с элементами того же семейства, в которое, повидимому, входил элемент из незаполненной клетки, он должен был быть чем-то средним между цинком и мышьяком («но заметно ближе к мышьяку»,- заключил Менделеев). Вместе с тем он должен был представлять много сходства с кремнием.
Неизвестное вещество, которое должно было занять место на пустой клетке системы элементов под кальцием, Менделеев назвал «экабором» и таким же путем определил и его характеристики.
Итак, начало поискам было положено. Успех этих поисков должен был означать полное торжество Периодической системы. Их неудача означала бы ее крушение. И Менделеев с нетерпением жаждал результатов…
А поиски развернулись!
Отряды искателей были вооружены новым тончайшим орудием исследования, о котором нам уже приходилось упоминать, – спектральным анализом.
После успехов Бунзена, Крукса и других в поисках новых элементов по их неизвестным спектрам французский астроном Жансен и англичанин Локьер нашли в свете солнечной короны спектральную линию неизвестного элемента, названного «солнечным веществом» – гелием.
После всех этих блистательных достижений наступила пора затишья. Углубившись в область спектрального анализа, профессионалы-исследователи тщательно изучали разнообразные спектры и медленно и терпеливо искали, искали, искали.
27 августа 1875 года, через четыре года после опубликования Менделеевым условий Великого Опыта, произошло первое событие, свидетельствовавшее, что опыт идет, что итог близок.
Об этом событии миру стало известно только через месяц – 20 сентября 1875 года. В этот день французский академик Вюрц вскрыл на заседании Парижской Академии наук пакет, полученный им от одного из его учеников, молодого химика, специализировавшегося по спектральному анализу, – Лекока де Буабодрана. В пакете находилось письмо, в котором Лекок писал:
«Позавчера, 27 августа 1875 года, между двумя и четырьмя часами ночи я обнаружил новый элемент в минерале цинковая обманка из рудника Пьерфитт в Пиренеях…»
Вскоре он мог отметить некоторые особенности нового элемента, его отличия от кадмия, индия и других обычных спутников цинка в естественных рудах. Так как он получил в отдельности только несколько долей от сотой части грамма нового элемента, то вначале он мог указать лишь немногие соединения, в которые он вступал. Первое, что ему удалось сообщить,-это то, что окись нового элемента осаждается из солей углебаритовой солью. Точно так же вел себя алюминий…
Менделеев внимательно следил за международной химической литературой. Протоколы Парижской Академии наук, где были упомянуты первые признаки сходства нового элемента с алюминием (Лекок де Буабодран назвал новый элемент галлием, в честь своей родины[39] ), не ускользнули от внимания Менделеева. Сухие строки этих протоколов были для него вестником новой огромной радости. У него не было никаких сомнений и колебаний в оценке открытия де Буабодрана: галлий не мог быть не чем иным, как экаалюминием.
Если вы захотите когда-нибудь просмотреть протоколы заседаний Русского физико-химического общества, то вы найдете под датой 6 ноября 1875 года такую запись:
«20. Д. Менделеев обратил внимание на то, что элемент, открытый недавно Лекок де Буабодраном и названный им галлием, как по способу открытия (спектром от искр), так и по свойствам, до сих пор наблюденным, совпадает с долженствующим существовать экаалюминием, свойства которого указаны четыре года тому назад и выведены Менделеевым на основании периодического закона. Если галлий тождественен с экаалюминием, то он будет иметь атомный вес 68, плотность 5,9…»
Продолжение предсказаний походило на волшебство, а на самом деле было победой разума, торжеством научной теории.
Менделеев не ограничился своим выступлением в Русском физико-химическом обществе. Он направил в Парижскую Академию письмо, в котором напоминал о поставленных им несколько лет тому назад и подтвержденных в новом протоколе Русского физико-химического общества условиях Великого Опыта.
А опыт развивался! Когда его неожиданный участник – французский химик – получил в руки уже 1/15 грамма галлия и смог определить его удельный вес, полученная им цифра не сошлась с менделеевской, названной по данным таблицы. Менделеев назвал 5,9. Лекок де Буабодран получил 4,7.
Менделеев – выступавший как теоретик – настаивал на том, что экспериментатор сделал ошибку в своих определениях.
Лекок де Буабодран -в Париже -стоял на своем.
Весь ученый мир следил за своеобразным турниром, происходившим между Петербургом и Парижем.
И Менделеев оказался прав. Более точные измерения подтвердили правильность его цифры.
Это было величайшим триумфом Периодической системы. Но на этом опыт еще не кончился.
В далекой Скандинавии, почти одновременно, Нильсон и Клеве нашли в редком минерале гадолините тот самый элемент, который под именем «экабора» был описан Менделеевым на пустой восемнадцатой клетке его таблицы. Вслед за рутением, который был назван так в честь России, галлием, названным в честь Франции, реальный «экабор» получил в честь Скандинавии название скандия.
И, наконец, последний из описанных Менделеевым неизвестных элементов – экакремний – был обнаружен Винклером в серебряном минерале из рудников Химмельсфюрст и назван германием.
Вскоре после этого, подготовляя к печати одно из очередных переизданий прославленного курса «Основы химии», Менделеев писал:
«Признавая путь опыта единственно верным, я сам проверял, что мог, и дал в руки всем возможность проверять или отвергать закон… По моему… мнению следовало новую точку опоры, представляемую периодическим законом, или утвердить, или отвергнуть, а опыт ее везде оправдал, где ни прилагались к тому усилия».
Когда Леверрье и Адамс «на кончике пера», то есть с помощью теоретического расчета, открыли новую планету – Нептун, астрономия гордилась научным подвигом этих ученых. Энгельс сравнивал с их замечательным достижением торжество предсказаний Менделеева. «Менделеев, – писал Энгельс, – […] совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверрье, вычислившего орбиту еще неизвестной планеты – Нептуна»[40]. Леверрье и Адамс открыли Нептун, опираясь на установленные прямым наблюдением неправильности в движении Урана. Они основывались при этом на всеми признанном законе Ньютона. Менделеев открыл элементы и предсказывал их свойства, ориентируясь на им же самим оставленные пробелы в своей системе элементов, далеко не всеми признанной. Сила научного предвидения Менделеева основывалась на том, что в своем учении о Периодическом законе он стоял не только на материалистической, но стихийно, бессознательно и на диалектической позиции. На это указывал Энгельс. Глубокий философский смысл Периодического закона, имеющего первостепенное значение для обоснования диалектико-материалистического взгляда на природу, отмечал в своей работе «Анархизм или социализм?» тов. Сталин. Он писал: «Менделеевская «периодическая система элементов» ясно показывает, какое большое значение в истории природы имеет возникновение качественных изменений из изменений количественных»[41].
«Писавши в 1871 году,-продолжал Менделеев в тех же «Основах химии»,- статью о приложении периодического закона к определению свойства еще не открытых элементов, я не думал, что доживу до оправдания этого следствия периодического закона, но действительность ответила иначе. Описаны
были мною три элемента… и не прошло 20 лет, как я имел уже величайшую радость видеть все три открытыми и получившими свои имена от тех стран, где найдены редкие минералы, их содержащие, и где сделано их открытие: галлия, скандия и германия. Л. де-Буабодрана, Нильсона и Винклера, их открывших, я, со своей стороны, считаю истинными укрепителями периодического закона».
Незыблемо в веках утвердилась Менделеевская система элементов, навсегда прославившая имя своего творца.
А опыты продолжались…
Прошло много лет с тех пор, как астрономы обнаружили на Солнце присутствие неизвестного элемента, который они назвали по имени Солнца (Ге-
лиос) – гелием, и этот газ был, наконец, открыт на Земле. Атомы гелия неспособны химически соединяться с атомами других веществ. Гелий – это газ-одиночка. Он мог быть открыт только сам по себе, как это, в конце концов, и случилось. Но чтобы найти, надо искать. Специально гелий никто не искал. Даже когда он сам однажды пришел в руки к исследователю, его не признали. Впервые в заметных количествах он достался минералогу Геологического бюро в Вашингтоне Хиллебрандту. Известный путешественник Норденшильд привез ему из Гренландии несколько кусков минерала клевеита, содержащего уран. При нагревании клевеита из него выделялся какой-то газ. Хиллебрандт принял его за азот. Этот минералог сохранил свое имя в науке тем, что добросовестно опубликовал свои наблюдения над кипящим в серной кислоте клевеитом, хотя он их неверно истолковал. Его статья дала повод английскому химику Рамзаю выделить из клевеита тот же самый газ, который описывал американец. С помощью спектроскопа Рамзай опознал в нем то самое «солнечное вещество», которое посредством своего желтого луча некогда сигнализировало о своем присутствии в солнечной короне.
Когда после этого Рамзай вместе с физиком Релеем нашел в воздухе другой инертный газ – аргон, они убедились, что эти газы великолепно укладываются в систему Менделеева, образуя в ней совершенно новый ряд химически бездеятельных элементов. Размещая новые элементы в системе Менделеева, Рамзай обнаружил одно незанятое место между гелием и аргоном и два пустых места после аргона.
«По образцу нашего учителя Менделеева, – писал Рамзай, – я описал, поскольку было возможно, ожидаемые свойства и предполагаемые отношения газообразного элемента, который должен был бы заполнить пробел между гелием и аргоном».
Такие же предсказания, пользуясь методом Менделеева, сделал датский физик Ю. Томсен. Ими было предсказано существование других элементов той же группы и их атомные веса. Эти предсказания также блестяще подтвердились…
Разгадка тайны самой Периодической системы должна была привести исследователей к разоблачению секретов строения атома. Развитие науки в этом направлении обещало грандиозно увеличить могущество созидательного гения человечества.
Остались незамеченными современной ему наукой работы русского ученого Б. Н. Чичерина (1828-1904), опубликовавшего в 1888-1892 годах ряд статей, в которых, математическим путем, на основании данных Периодической системы Менделеева, он создал модель атома, задолго до Резерфорда (1912) и Бора (1913), располагавших громадным количеством опытных данных.
То медленнее, то быстрее, но непрерывно и последовательно разматывалась бесконечная нить познания. Она крепла, она превращалась в стальную цепь знания. И цепь вытягивалась звено за звеном…
В этой бесконечной цепи часто приходится заменять более надежными отдельные звенья, сделанные наспех, из непрочных исходных материалов.
История науки хранит память о многих теориях и многих гипотезах, которые сыграли свою полезную вспомогательную роль, а затем были опровергнуты опытом, или дополнены, или изменены, во всяком случае уступили место более точным представлениям о действительности. И в то же время наука знает мало примеров такого блистательного, победоносного взлета на крыльях опыта, какой испытал на протяжении десятилетий установленный Менделеевым Периодический закон.
Опубликованная Менделеевым система элементов будила новые жгучие вопросы. Система открывала родство между собою всех химических элементов, охватываемых несколькими периодами. На чем это родство основывалось? Это оставалось загадкой. Для разгадки сущности периодизма элементов в системе нужно было открыть строение атома и выяснить отличия в строении атомов разных элементов. Чтобы подойти к выполнению этой исторической миссии, завещанной Менделеевым, науке пришлось совершить много труднейших переходов, на первый взгляд, казалось бы, по очень окольным путям.
Но это только так казалось…
Нужно было, прежде всего, чтобы французский физик Анри Беккерель обратил внимание на удивительным образом зачерненную фотопластинку, пролежавшую некоторое время в шкафу рядом с кусочком одного из соединений урана.
Беккерель искал одно, а нашел другое. Он собирался изучать действие рентгеновских лучей, а нашел их соперника – мощное излучение неизвестного происхождения, исходившее из некоторых веществ.
Невидимые лучи, открытые Рентгеном в конце прошлого века, появляются во время электрического разряда в трубке, из которой выкачан воздух. Открытие их было настолько неожиданным, что не нашлось сразу слова, чтобы его описать.
Рентген назвал новые лучи «икс-лучами» (иксом, как мы знаем даже из школьной алгебры, обычно обозначается неизвестная величина). На самом деле Рентген очень быстро узнал об этих лучах очень многое. Он узнал, например, что они способны заставить некоторые вещества светиться в темноте. Этим пользуются сейчас во всех наших лечебницах. Светящимся под действием лучей Рентгена веществом покрывают экран. Если стать перед этим экраном, можно увидеть тень, которую отбрасывает скелет. Врач видит на таком экране кости, изуродованные при переломе, и может их соединить так, чтобы они правильно срослись.
Но Беккерель сомневался в том, что на фотопластинку действуют именно икс-лучи. Он подозревал, что в этом повинны скорее излучения светящегося экрана. И он решил это проверить, воспользовавшись веществами, которые начинают светиться, побывав не только под рентгеновскими лучами, но и просто под лучами солнца. «Если засиявшее под действием солнечных лучей флюоресцирующее вещество зачернит фотопластинку, недоступную для солнечных лучей, значит прав буду я, а икс-лучи окажутся ни при чем»,-так думал Беккерель, и для опыта он воспользовался сильно светящимся в темноте соединением самого тяжелого элемента менделеевской таблицы – урана, – металла, похожего на потемневшее серебро.
Он был поражен, когда однажды убедился, что фотопластинку испортили излучения того же соединения урана, не успевшего побывать на солнце, а пережидавшего в темном шкафу окончания облачной погоды. Разглядывая следы, оставшиеся на фотопластинке, Беккерель впервые в истории человечества наблюдал реальное действие внутриядерной энергии. Как мы увидим дальше, на фотопластинку действовали осколки самопроизвольно «взрывавшихся», распадавшихся неустойчивых ядер атомов урана.
Он этого, конечно, не подозревал, как не подозревал и того, что этим наблюдением открывается цикл исследований, раскрывших, в конечном счете, глубокий смысл Периодической системы элементов. Для Беккереля рассматриваемые им следы были только загадкой. Как проста может быть в своих внешних очертаниях самая многозначительная загадка!
– Подумайте, какой счастливый случай, что Беккерель взял для своих исследований именно соединения урана, – удивлялись потом некоторые рассказчики этой истории. На самом деле случайной здесь была только дата исследования – сумрачное, пасмурное 1 марта 1896 года. А в том же направлении, что и Беккерель, работали многие ученые. Не он, так другой скоро известил бы мир о том же самом открытии…
Для того чтобы расшифровать сущность периодизма, понадобилось далее, чтобы скромные и самоотверженные супруги Кюри занялись подробным изучением нового свойства вещества, свойства, которому они дали название «радиоактивности».
С помощью своего мужа, крупного французского ученого Пьера Кюри, молодая исследовательница Мария Кюри-Склодовская соорудила прибор, который мог измерять силу урановых лучей. Производя свои измерения, она натолкнулась на необычайный факт: некоторые образцы руды, из которой добывается уран, давали излучение гораздо больше, чем
Сам уран в чистом виде. Объяснить это можно было только тем, что в руде, кроме урана, таился еще какой-то излучающий элемент, несравненно более сильный, чем уран. Никому неизвестный еще элемент!.. Кюри назвали его «радием». Выделение этого элемента, о присутствии которого они только догадывались, в чистом виде представляло подлинный научный подвиг. Даже сейчас для получения одного грамма радия сто пятьдесят квалифицированных химиков, не считая сотни рабочих, должны трудиться больше месяца, переработать за это время 500 ООО килограммов руды, использовать 500 000 килограммов различных реактивов, 1 000 тонн угля и целое озеро – 10 000 кубических метров – воды.
Супруги Кюри вдвоем – только вдвоем – должны были потратить год напряженного труда, чтобы к тому времени, как иссякла добытая ими тонна руды, накопить сначала сотые, затем десятые доли грамма радия, смешанного с барием. Они выяснили, что излучение радия не вдвое, не втрое, не в тысячу раз даже, а в миллион раз сильнее, активнее излучения урана.
Для того чтобы приблизиться к пониманию сущности периодизма, надо было еще в мощном разрушительном излучении радия разглядеть поток осколков взрывающихся атомов, так же как в следах, оставленных ураном на фотопластинке, угадать действие осколков самопроизвольно же распадающихся атомов урана.
Английский физик Резерфорд установил такую природу радиоактивности. Именно он показал, что это явление состоит в самопроизвольном распаде неустойчивых атомов радиоактивных веществ, рас-
паде, при котором самый атом изменяется – и, Следовательно, меняет свое место в Периодической системе, а обломки его вылетают из него с огромной скоростью.
Радиоактивный распад был, таким образом, объяснен с помощью менделеевской Периодической системы. Если физик знает, в результате каких именно превращений получились те или иные вещества из исходного элемента, он может точно указать места вновь образованных атомов в Периодической системе. Менделеевская таблица тем самым сумела выразить отношения элементов не только по их положению, но, так сказать, и по их происхождению.
После тою как перед взором исследователя предстал атом, способный внезапно перестраиваться, выстреливать осколками, летящими с чудовищной скоростью, эта конструкция не могла уже быть признана элементарной.
До главного торжества Периодической системы элементов Менделееву не пришлось дожить. Уже без него подробное изучение атома было продолжено десятками ученых в ряде стран.
Мы знаем сейчас, что важной составной частью каждого атома является крошечное плотное ядро. Оно много меньше самого атома. Для наглядности можно мысленно увеличить размеры атома до объема Большого театра в Москве. При таком увеличении ядро атома будет величиной с муху. Ядро окружено тонким и нежным облачком еще более мелких частичек вещества-электронов.
Сделаем еще одно усилие воображения и попробуем представить себе, как выглядит кусочек любого вещества не в наших привычных масштабах – не под микроскопом даже, а в масштабах атомных размеров. Удивительным показалось бы это воображаемое путешествие в недра вещества! Самый плотный металл представился бы нам в виде тончайшей ажурной сетки. Наш выдающийся физик, академик А. Ф. Иоффе, однажды пошутил по этому поводу, сказав, что если обыкновенная сетка, по ирландской поговорке, не что иное, как множество дыр, связанных между собою кусками веревки, то в сетке из атомов сама веревка оборвана и остались одни дыры и узлы…
Эти маленькие «узелки», маленькие сгустки материи, – электроны – на огромных, сравнительно с их размерами, расстояниях удерживаются около большого «узелка» – атомного ядра – теми же самыми силами, которые заставляют мелко нарезанные бумажки притягиваться к наэлектризованному о волосы гуттаперчевому гребешку. Это силы электрического притяжения. Притягиваются разноименные заряды: положительно заряженное ядро притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. В конечном счете заряд ядра и электронов уравнивается. В целом обычный нормальный электрический атом нейтрален.
Чем крупнее ядро, тем больше его заряд и тем большее количество электронов оно может держать вокруг себя. У ядра атома золота иной заряд, чем у ядра атома меди или серы. Уравновешиваются эти различные заряды электронными оболочками разных размеров. Эти разные оболочки в одних и тех же случаях будут вести себя совсем не одинаково. Атомы серы будут, например, легко соединяться с теми атомами, с которыми медь будет соединяться с трудом, и т. д. Таким образом, «индивидуальность» атома, тайну которой нам завещал Менделеев, и закономерность, которую он гениально предвосхитил в своей таблице элементов, в конечном счете определяется зарядом ядра. А когда этот заряд впервые был теоретически определен (это было сделано в 1914 году учеником Резерфорда Мозели), оказалось, что величина электрических зарядов атомных ядер совпадает с номерами клеток, которые Менделеев отвел для отдельных элементов в своей таблице.
Имя великого русского ученого снова было у всех на устах, когда англичанин Мозели специально взялся проверить, насколько прав был Менделеев, перемещая в соответствии с требованиями системы, как он их понимал, места кобальта и никеля, теллура и иода. Мозели измерил заряды ядер атомов этих элементов и показал, что Менделеев безошибочно, сообразуясь со своей системой, определил номера этих элементов, соответствующие, как оказалось, заряду ядер их атомов, вопреки отношению их атомных весов…
Между этими новыми работами физиков и законом Менделеева установилось сложное взаимодействие. Эти работы служили укреплению закона, но в то же время Периодический закон, как мощный прожектор, освещал их замысел в самом начале его формирования.
Его сиянием руководился датский физик Нильс Бор, который в 1913 году построил модель атома. Его исследования явились прямым откликом на задание, вытекающее из основной формулировки Периодического закона. Этот закон требовал объяснения сущности открытого Менделеевым факта периодического повторения одним элементом свойств другого. И, продолжая свое исследование естественной последовательности атомов, при котором проявлялась загадочная периодичность их свойств, Нильс Бор пришел к ее точному физическому истолкованию.
Из сказанного ранее должно быть понятно, что при переходе от одной клетки Периодической системы к другой заряд ядра атома элемента, соответствующего исходной клетке, возрастет на единицу. Соответственно этому к электронной оболочке прибавляется один электрон. К расчету движения электронов в оболочке атома неприменимы законы обычной механики – эти движения описываются особой, так называемой квантовой механикой. Из законов этой механики следует, что электроны, обращаясь вокруг ядра атома по своим орбитам, не могут находиться от ядра на любом расстоянии. Как планеты вокруг Солнца, на строго определенных расстояниях вокруг тяжелого ядра двигаются легкие «планеты»-электроны. Пути, по которым двигаются электроны, имеют предел своей «населенности». Ближайшие к ядру пути, образующие как бы внутренний слой электронной оболочки вокруг ядра, вмещают два электрона, следующий слой – восемь, еще более удаленный слой – восемнадцать, за ним – тридцать два и т. д. Этот порядок заполнения атома электронами и определяет свойства периодической таблицы.
Самый простой атом – водородный. Заряд его ядра равен единице, и вокруг этого ядра на определенном расстоянии обращается один единственный электрон.
В электронной оболочке атома гелия два электрона. Они целиком заполняют самый близкий к ядру, внутренний слой электронной оболочки. Таким образом прибавление числа электронов у последующих элементов может итти только за счет образования новых слоев.
Так происходит у третьего элемента – лития. Два электрона, из трех, которыми он обладает, движутся в первом, внутреннем слое электронной оболочки; третий электрон располагается уже во втором слое.
У четвертого по порядку элемента – бериллия – во втором слое прибавляется еще один электрон, то есть всего там их оказывается два.
У бора с его зарядом ядра, равным пяти единицам, во втором слое будет три электрона;
Углерод будет иметь во втором слое четыре электрона, азот – пять электронов, кислород – шесть, фтор – семь, неон – восемь. Этим достигается предел заполнения второго слоя электронной оболочки.
Таким образом, в атоме неона, как и в атоме гелия, ядро окружено законченными слоями электронной оболочки. Эта замкнутость слоев затрудняет отрыв какою-либо электрона от электронной оболочки и тем самым затрудняет вовлечение атома в какое-либо химическое соединение. И действительно, мы знаем, что и гелий и неон сходны по своей химической инертности.
Дальше, следуя за развитием менделеевских идей, мы переходим к новому периоду системы, который начинается с натрия (заряд ядра равен одиннадцати). Одиннадцатый электрон здесь уже не умещается ни в первом, ни во втором слое. Поэтому он размещается в третьем слое. Таким образом, у натрия и у его ближайшего родственника по Периодической системе – лития – в наружном слое имеется по одному электрону (у лития во втором слое, у натрия – в третьем). Это определяет родство химических свойств этих элементов, жадно соединяющихся с кислородом, и т. д.
Магний, у которого в третьем слое оказывается два электрона, именно поэтому подобен бериллию, алюминий аналогичен бору, кремний – углероду и т. д. и т. п.
В 1922 году снова Периодическая система послужила плацдармом для рывка науки вперед. Вдохновленный примером гениального русского ученого, на основании уточненной закономерности Периодической системы, Нильс Бор предсказал свойства не открытого к тому времени элемента, который должен был занимать 72-ю клетку таблицы.
Его уже давно искали, этот неизвестный элемент. Но искали в лантановых рудах, считая, что он химически близок к лантану.
Бор сравнил строение электронных оболочек атомов лантана и неизвестного 72-го элемента и увидел, что прежние поиски были основаны на ошибке. Расчеты показывали, что 72 электрона в атоме неизвестного элемента должны быть расположены так, что ближе всего будут напоминать расположение электронов в атоме элемента циркона. Следовательно, искать надо неизвестный элемент в минералах, которые содержат в себе циркон. Бор поручил голландскому физику Костеру и венгерскому химику Хевеши, работавшим под его руководством, раздобыть циркониевые минералы и поискать в них элемент 72. По указанию Бора 72-й элемент был отыскан и назван гафнием в честь города Копенгагена, где находится лаборатория Нильса Бора (от латинского названия этого города – Гафния).
Так Периодический закон Менделеева, непрерывно вдохновлявший мысль исследователей, призывавший их к раскрытию сокровенных тайн вещества, еще и еще раз подтвердил свое значение основного, глубочайшего закона природы.
В 1920 году величина заряда ядра была измерена уже прямыми экспериментами, полностью подтвердившими ее совпадение с порядковым номером атома в системе Менделеева. Развитие этих открытий привело к важнейшим событиям в физике атома. Советские физики-теоретики Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон в 1932 году нашли физическое истолкование величины заряда ядра. Оказалось, что она определяется числом протонов в ядре. Крупнейший вклад в развитие теории атома в связи с Периодической системой был сделан советской физикой в 1942 году, когда профессор А. П. Жданов открыл явление полного распада атомного ядра на его составные части под действием космических лучей. Этим экспериментально были подтверждены представления Иваненко и Гапона, так как Жданов получил возможность непосредственно подсчитать число протонов, входящих в ядро (он проделал эти подсчеты на ядрах серебра и брома).
Таким образом, дальнейшее развитие науки, проходившее под знаком Периодического закона, позволило нам понять, что древнейшая проблема, волновавшая еще алхимиков,-проблема превращения одного элемента в другой, сводится всего-навсего к изменению в ядре числа протонов-положительно заряженных элементарных частиц. Точно так же, изменяя число других крепко упакованных в ядре строительных «блоков» – нейтральных простейших частиц, называемых нейтронами, принципиально мы можем получать разновидности атомов одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга лишь сбоим весом – так называемые изотопы. Практически эта задача была решена, когда был найден достаточно мощный таран, которым удалось ударить в атомное ядро, разломать его или отбить от него кусочек. С открытием этой возможности родилась новая область физики, которую часто называют «ядерной химией», или «новой алхимией», потому, что она изучает различные взаимные превращения элементов, которые некогда считались «вечными» и «неизменными». И во все уравнения этой ядерной химии (одной из побочных ветвей которой является добывание внутриядерной энергии, освобождающейся при ядерных превращениях) входит решающей важности число, обозначенное в скрижалях науки еще рукой Менделеева. Это «число Менделеева» – порядковый номер элемента в периодической таблице, или, что то же, число, обозначающее величину заряда атомного ядра этого элемента. Все преобразования атомных ядер сводятся к изменению этого числа, к передвижению преобразуемых атомов из одной клетки Периодической системы в другую.
Значение Периодической системы в развитии современной науки об атоме далеко еще не исчерпано. Еще не создана полная теория происхождения и распространения элементов Периодической системы, в разработку которой большой вклад сделала школа советских геохимиков – академиков В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана.
Ученые еще не знают природы сил, связывающих тяжелые частицы (определяющие атомный вес) с зарядом атома, то есть его атомным номером. Мы являемся сейчас свидетелями нового штурма этой крепости знания, который предпринят советскими исследователями, изучающими глубины атома. Можно рассчитывать, что новый свет на эту проблему, поставленную Менделеевым еще в 1869 году, прольют выдающиеся исследования, предпринятые в СССР известными советскими физиками А. И. Алиханяном и А. И. Алихановым и приведшие к открытию варитронов – целой серии элементарных, простейших частиц, «кирпичей мироздания»- своего рода периодической системы частиц. Быть может, в мире ядерных частиц этой «периодической системе» суждено сыграть роль, в некоторой степени аналогичную той, которую сыграла первооснова этой системы в химии.
Так, крупнейшие достижения современного знания оказались следствием гениальных открытий Дмитрия Ивановича Менделеева.