От водорода до …?

В жизни каждого человека, даже не имеющего отношения к науке, бывают такие минуты, когда он невольно задумывается над тайнами мироздания. Это бывает почти всякий раз, когда человек, как говорят, один на один сталкивается со спокойным величием природы. Так бывает теперь, так было и раньше.

Чем грандиознее картина природы, тем сильнее она приковывает внимание человека, тем чаще останавливает он на ней свой взор и внимание, постепенно переходя от пассивного созерцания к активному наблюдению и изучению. Вот почему картина звездного неба, самая грандиозная из всех картин вечной природы, давным-давно останавливала на себе взор мыслящего человечества.

Темно-синий, почти черный купол ночного неба с бесчисленным множеством трепетно мерцающих звезд: крупных и ярких, мелких и тусклых, то одиноких, то собранных в причудливые фигуры созвездий, пересеченный широкой лентой Млечного пути, в тумане которого сосредоточено огромное количество звезд, стоящих на границе нашего зрительного восприятия, производит своеобразное величественное впечатление.

И взгляд невольно скользит по глубинам ночного неба от одного светила к другому, от одного мира, затерянного в пространствах Вселенной, к другому, выделяя их в правильные фигуры созвездий, многие из которых известны каждому человеку. Мы не говорим о Луне, прославленной и воспетой поэтами всех времен и народов. Мы не говорим о Солнце, дающем нам свет, тепло, жизнь. Мы говорим о звездном небе, уже в отдаленные времена привлекавшем к себе внимание человека.

Со времени глубокой древности человек, отрываясь от вопросов насущного хлеба и мелочей жизни, на крыльях мысли стремился вторгнуться в глубь мироздания, не только созерцая, а наблюдая, не только восхищаясь, а стараясь понять некоторые тайны мироздания. И вопрос: из чего, из какого вещества состоят окружающие человека тела, сам он, вся Вселенная, — одним из первых возникал в мозгу человека.

Наивными кажутся в наши дни ответы на этот вопрос, соответствовавшие, однако, передовым представлениям своего времени. Так, например, древние египтяне, все материальное благополучие которых и даже сама жизнь зависела от разливов Нила, хотя и не поднялись в своем созерцании природы до первых ступеней натурфилософии, все же считали воду первоосновой всех вещей природы, о чем свидетельствует надпись на стене древнего храма: «Вода произвела все живые вещи, из воды выходит все». За основу всех вещей принимал воду и древнегреческий философ-материалист Фалес Милетский (624–547 гг. до н. э.).

Широкое распространение воды в природе, огромные скопления ее (моря и океаны), необходимость для жизни человека, животных и растений были основой того, что мысль о воде, как первооснове мира, долгое время господствовала в умах ученых и философов.

Анаксимен (585–528 гг. до н. э.), другой ученый древности, первоначалом всех веществ считал воздух, от уплотнения которого получались, по его мнению, облака, а из них вода, земля и все остальные тела природы. От разрежения же воздуха возникает огонь. Философ Гераклит (530–470 гг. до н. э.), основатель античной диалектики, первоначало всех вещей видел в огне. Из огня возникло когда-то Солнце, звезды, вся Вселенная, которая, по учению Гераклита, через бесконечное время в результате движения материи превращается в огонь, дает начало новому миру. И так будет вечно, утверждал Гераклит, так как вечна материя и ее движение. «…Мир, единый… был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим…», — учил Гераклит.

Философ Ксенофан (565–473 гг. до н. э.) первоматерией считал землю: из нее все возникает и в нее все обращается.

Однако среди ученых древности был распространен также взгляд, согласно которому Вселенная мыслилась состоящей не из одного, а из нескольких простых видов материи. В философских воззрениях древних индусов количество таких первооснов, или «элементов», мира определялось нечетными числами: 3, 5, 7. В старинных рукописях Китая говорилось о пяти составных частях Вселенной: воде, земле, дереве, металле и огне.

Представление о строении Вселенной из нескольких основных видов материи развивал также философ-материалист, виднейший политический деятель древней Греции, оратор, поэт и врач Эмпедокл из Агригента. Развивая учение о вечности материи, он полагал, что основными «корнями» ее являются вода, земля, огонь и воздух, из различных сочетаний которых состоят все тела природы, вся Вселенная.

Учение Эмпедокла о четырех «корнях» Вселенной было изменено в самой основе Аристотелем (384–322 гг. до н. э.). Материалистический взгляд Эмпедокла на природу Аристотель заменил идеалистическим представлением об основных свойствах тел, называемых Аристотелем «принципами». Таких «принципов» Аристотель считал четыре: тепло, холод, сухость, влажность. Все тела природы, утверждал он, состоят из различного сочетания этих «принципов», причем от соединения их по два образуются чистейшие носители их — «элементы»: земля = сухость + холод, вода = холод + влажность, воздух = тепло + влажность, огонь = тепло + сухость. Различие тел природы объяснялось Аристотелем тем, что в одних телах больше влажности, в других — тепла и т. д. Таким образом, свойства вещества отрывались от самого вещества и возводились в основные элементы мира. Кроме этого, по учению Аристотеля, основными качествами управляет некая нематериальная сила, названная им «пятой сущностью» (квинтэссенцией). Учение Аристотеля, поддержанное авторитетом отцов католической церкви, просуществовало многие века и оказало в общем отрицательное влияние на развитие науки.

Учение Аристотеля послужило благоприятной почвой для развития целого направления в химии, получившего название алхимии. Алхимики развили мысль о возможности превращения неблагородных металлов в золото. Для осуществления этой возможности необходимо было отыскать только то вещество, считали алхимики, которое подобно аристотелевской квинтэссенции может наделять превращаемые тела недостающими качествами. С течением времени алхимические воззрения сблизились с религиозными верованиями; гипотетическому веществу, могущему превращать неблагородные металлы в золото, начали приписывать все большее и большее число чудесных свойств; оно, по выражению Ф. Энгельса, «обладает многими богоподобными свойствами». И не случайно на поиски этого чудесного вещества, известного под названиями «универсал», «эликсир мудрецов», «красная тинктура», «великий магистерий», и особенно «философский камень», ушло 12 столетий.

Сейчас трудно указать первопричины, послужившие толчком к отысканию «философского камня». Несомненно, что в основе возникновения этих поисков лежали известные с древних времен превращения веществ. Возможно, что случайное наблюдение над попавшим в костер куском оловянной руды, внешне не отличавшимся от других камней, на которых костер был разложен, и давшим после обжига серебристый слиток металла, впервые утвердило мысль о превращении одних веществ в другие. И если камень «превращался» в металл, то почему же любому металлу не превратиться в золото?

Возможность таких «превращений» подтверждалась наглядными примерами из металлургии, зачатки которой существовали уже в глубочайшей древности, и в частности примером получения похожей по цвету на золото бронзы из красной меди и серебристого олова. Изменения цвета, блеска и других свойств металлов, известные с давних пор индийским и египетским ювелирам, укрепляло мысль о возможности превращения одних металлов в другие, и, естественно, толкало на отыскание способов получения золота из других металлов.

В условиях феодализма, когда с ростом богатства и власти в руках представителей эксплуататорских классов, с разорением, обнищанием и усилением гнета и политического бесправия крестьян в деревне и ремесленников в городе золото как материальная ценность приобретало неслыханную силу, для идей алхимии создается благоприятная почва. Жажда богатства, стремление к накоплению ценностей вообще и золота в особенности порождают низменные побуждения и жадность людей. Приобретение богатства превращается в одну из важнейших целей жизни. И войны, которые ведутся в этих условиях только ради грабежа, становятся постоянным занятием мелких феодальных государств.

Правда, феодальный строй открывал и другие пути к накоплению богатств, но ни один из них — торговля, ростовщичество, разнообразные формы эксплуатации крепостных — не давал такого быстрого эффекта к накоплению золота, как грабительские войны. «Недаром высятся грозные стены вокруг новых укрепленных городов»^[1].

Но человеческая фантазия открывала еще один путь к неограниченному получению золота: путь превращения одних неблагородных металлов в другой — благородный, в золото. Как известно, уже в глубокой древности под звездным небом Ассирии и Вавилонии родилась астрономия. Первые исследователи путем наблюдения светил, их положения и движения на «своде небесном» установили существование определенной связи между Землей и небом. Явление сна, приходящееся на темную часть суток, смена времен года по мере движения Солнца на небе, зависимость морских приливов от положения Луны и целый ряд подобных явлений натолкнули затем наблюдателей на мысль, что все явления и вещи на земле имеют непосредственную связь с небом и его светилами. Так возникает астрология — «искусство» предсказывать будущие события и, в частности, судьбу человека по положению светил на небесном своде^[2].

По «учению» астрологов, светила производят таинственное влияние и на металлы, которые, согласно этому «учению», рождаются от лучей небесных планет. А так как в древности число известных планет равнялось числу известных металлов, то каждой планете и «заведующему» этой планетой божеству приписывался один какой-либо металл.

Вот почему круг с точкой в центре , являвшийся у древних египтян и вавилонян символом солнца, божественности и совершенства, в то же время являлся символом золота как совершенного и благородного металла. Луну, которую наблюдали то в виде узкого лезвия серпа, то полного диска, сверкавшего как бы серебристой поверхностью, изображали, как и символизирующий ее металл — серебро, знаком полумесяца .

В более позднее время египтяне, перенявшие астрологию у вавилонян, изображали вращение небесных тел как восхождение по семи лестницам через семь ворот, из которых первые были из свинца, вторые — из олова, третьи — из меди, четвертые — из железа, пятые — из ртутного сплава, шестые — из серебра, наконец, седьмые — из золота.

Еще позднее греки, олицетворяя в планетах своих богов, дали металлам те же обозначения, которые служили символами для обозначения характерных признаков этих богов. Так, признаки бога войны Марса — копье и щит, изображавшиеся знаком — служили символом железа. Характерный признак бога Юпитера — молния, имевшая знак , — служил символом блестящего олова. Сатурн, имевший знак служил для обозначения свинца, а быстроногий посланник богов Меркурий, обозначавшийся знаком , — символом подвижной ртути. И, наконец, своеобразный признак богини Венеры — ее зеркало — был присвоен меди по той лишь причине, что Венера якобы возникла из морской пены у берегов Кипра, известного залежами медной руды.

Так появились первые символы для обозначения первых известных в те времена металлов. Этими знаками пользовались египтяне и греки, персы и арабы. От арабов эти знаки внедрились в алхимию, где, сохранившись на протяжении веков, дополнялись многочисленными символами, произвольно вводимыми каждым алхимиком.

Алхимики верили, что металлы подобны живым существам, что они рождаются, живут и умирают в земле. Светила, по мнению алхимиков, оказывали влияние не только на рождение металлов, но и на дальнейшее их развитие и совершенствование. Конечным итогом совершенствования является будто бы образование золота. Однако различные причины мешают этому совершенствованию и получаются неблагородные металлы: медь, свинец, железо, которые можно усовершенствовать, т. е. превратить в золото. По учению Аристотеля, различие между золотом и другими металлами заключается лишь в количестве основных «принципов» — сухости, влажности, тепла и холода. Отыскание нужного сочетания этих «принципов» и составляет задачу алхимии. Решить же эту задачу возможно с помощью «философского камня». Каких только веществ и их смесей в самых разнообразных сочетаниях при различных условиях не перепробовали алхимики — от кусочков «небесных» камней — метеоритов до экскрементов вшей, от срезанных с пальцев умерших красавиц ногтей до растертых в порошок эмбрионов.

В поисках способов получения золота или «философского камня» алхимики проделывали неисчислимое количество опытов. Эти опыты позволили установить ряд фактов, послуживших основанием для создания новых алхимических «элементов» мира. Так, наблюдая способность ртути растворять (а тогда считалось — поглощать) в себе некоторые металлы и выделять их при нагревании, алхимики ввели в обиход отвлеченное представление о «философской ртути» как носителе металлических свойств. Способность серы соединяться со многими металлами, с образованием землистых масс, из которых при известных условиях (обжиг и т. д.) вновь выделялся металл, послужила поводом для появления в обиходе алхимиков нового «элемента» мира — «философской серы». Она являлась носителем изменяемости металлов от действия огня. Позднее в число алхимических «элементов» мира была включена «философская соль» — носитель вкуса, твердости, растворимости и вообще изменяемости от действия воды.

Но алхимические «элементы» мира, конечно, не могли способствовать развитию науки. Прогресс химических знаний был незначителен и определялся открытием отдельных химических соединений, случайно получавшихся в неисчислимом количестве опытов, связанных с поисками «философского камня». Схоластическая направленность знаний, слепой догматизм, метафизика, вера в колдовство, лженаучные теории астрологии, на которые опиралась алхимия, — все это было зданием на песке, и оно должно было неизбежно рухнуть.

Экономическая жизнь и дальнейшее развитие в городах таких отраслей промышленности, как металлургия, стеклоделие, красильное производство и др., становились невозможными без соответствующих практических данных химии. Алхимия же, запутавшись в поисках «философского камня» среди отвлеченных «элементов» мира — «ртути», «серы» и «соли» — не могла, конечно, удовлетворить практических запросов жизни. И все же «без алхимии не было бы и химии» (Ф. Энгельс).

В результате многовековых бесплодных поисков стало понятно, что для познания законов природы и сущности ее вещей недостаточно слепого преклонения перед авторитетом Аристотеля, а необходимо опытное изучение природных явлений и их закономерностей. Опыт показывал, что число основных веществ, из которых построена Вселенная, значительно больше четырех «элементов» Аристотеля и трех алхимических и что сами неблагородные металлы являются простыми, далее неразложимыми и не превращающимися в другие вещества природы.

В 1668 г. четырнадцатый сын Ричарда, графа Йоркского, Роберт Бойль, выдающийся ученый XVII столетия, опубликовал книгу под заглавием «Скептик-химик или сомнения и парадоксы относительно элементов алхимиков». В этой книге Бойль отрицал элементы-качества Аристотеля и «элементы» алхимиков и впервые в истории науки о веществе дал понятие об элементе, вытекавшее из экспериментальных наблюдений. Изучая природу металлов, Бойль заявлял: «Я очень хотел бы знать, каким образом можно разложить металлы на ртуть, серу и соль; я обязуюсь покрыть все издержки, необходимые для этого. Заверяю, что я никогда не мог этого достичь».

На основании многочисленных опытных данных Бойль называет «…элементами … некоторые первоначальные и простые, вполне несмешанные тела; эти тела не состоят из других тел или друг из друга и являются составными частями, из которых сложены все вполне смешанные тела и на которые последние в конце концов распадаются».

Таких неразложимых химическими средствами простых веществ, или элементов Бойля, к концу XVII в. насчитывали 15. Но сколько их есть в природе? Этого никто не знал. И на этот вопрос, казалось, нельзя было дать ответа даже с помощью опыта, который мог только указать: простое или сложное то или иное вещество. А так как средства химического анализа были весьма ограничены, то и этот вопрос не всегда разрешал опыт.

Если к сказанному добавить, что груз алхимического прошлого еще тяготел над мышлением ученых, и сам Бойль явился основоположником учения о «сверхтонкой материи огня» (флогистоне), то становится ясным, как далеко было до ответа на поставленный вопрос^[3]. Потребовалось еще много времени, потребовался гений М. В. Ломоносова, сумевшего в опытах по прокаливанию металлов в запаянных сосудах (без доступа воздуха) доказать отсутствие «сверхтонких материй» — тепла, холода, огня и других, которыми так плодовит был XVIII в., прежде чем вопрос об элементах стал на научную основу.

Спустя столетие после работ Р. Бойля французский ученый Антуан Лоран Лавуазье составил первый список химических элементов. Из тридцати пяти названий в нем только 23 действительно являлись элементами. К первой трети XIX в. число химических элементов достигло трех десятков, а к середине XIX в. их количество перевалило за пятьдесят. И по-прежнему никто из ученых не знал, сколько же элементов находится в природе, хотя в химических методах определения элементов теперь уже никто не сомневался. Никто не знал и того, конечно или бесконечно число элементов. А так как начиная с пятидесятых годов XIX в. почти не проходило года, чтобы кто-нибудь из химиков не открывал новый элемент, то некоторые ученые стали думать, что число различных элементов может быть столь же велико, как и число тел природы.

Многим «охотникам» за элементами казалось, что стремление найти ответы на эти вопросы является столь же бессмысленным, как было бессмысленно в свое время и отыскание «философского камня». Вот почему особенно величественно выступает из массы таких исследователей фигура гениального русского химика-ученого Дмитрия Ивановича Менделеева, поставившего перед собой цель разобраться во всем многообразии химических элементов и их соединений, свести их в единую естественную систему мира, отыскать закон природы, с помощью которого можно было бы предсказывать свойства еще не открытых химических элементов и соединений, которые они образуют.

Каким же образом поставленная Менделеевым задача была разрешена? Отвечая на этот неоднократно задаваемый ему вопрос, Д. И. Менделеев писал: «Посвятив свои силы изучению вещества, я вижу в нем два таких признака или свойства: массу, занимающую пространство и проявляющуюся в притяжении, а яснее или реальнее всего в весе, и индивидуальность, выраженную в химических превращениях, а яснее всего формулированную в представлении о химических элементах…». Отсюда, продолжал Д. И. Менделеев, «…невольно зарождается мысль о том, что между массою и химическими элементами необходимо должна быть связь, а так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, выражается окончательно в виде атомов, то надо искать … соответствия между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами». Так, в бесконечном многообразии свойств, присущих различным веществам, Менделеев усмотрел то общее свойство, которое, оказавшись присущим всем химическим элементам, привело его к открытию величайшего закона природы, ставшего руководящим законом не только химиков и физиков, но и любых специалистов, занимающихся изучением вещества. Таким общим, присущим всем веществам свойством, оказался вес составляющих их атомов — атомный вес^[4].

Сопоставляя между собой известные в то время химические элементы, Менделеев после колоссальной работы открыл, наконец, ту замечательную зависимость, ту общую закономерную связь между отдельными элементами, в которой они предстают как единое целое, где свойства каждого элемента являются не чем-то оторванным, самостоятельным, само собой существующим, а периодически и правильно повторяющимся явлением.

Менделеевым был открыт закон, который по периодической повторяемости свойств элементов, расположенных в порядке увеличения атомных весов, был назван им периодическим. В знак признания великой заслуги Менделеева открытый им закон стали называть периодическим законом Менделеева.

Расположив похожие по свойствам химические элементы один под другим в порядке возрастания атомных весов и установив явственную периодичность свойств, Менделеев создал естественную классификацию, которая под названием периодической системы химических элементов известна в настоящее время всему миру. В честь ее творца она называется в настоящее время периодической системой элементов Д. И. Менделеева, или, часто, просто таблицей Менделеева.

В таблице Менделеева каждый химический элемент занимает определенное место, отмечающееся соответствующей цифрой, — порядковым номером химического элемента.

Некоторые места в таблице, созданной Менделеевым, оказались незаполненными, так как элементы, которые должны были бы занимать эти места, еще не были открыты. Таким образом, пустые места в периодической системе указывали на наличие в природе еще не открытых химических элементов, а по числу свободных мест в таблице можно было установить и число неоткрытых элементов. Изучая свойства известных химических элементов, окружающих свободное место в таблице, можно заранее предсказать свойства еще не открытых элементов.

В марте 1869 г. Менделеев сообщил Русскому химическому обществу об открытом им законе в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов» и тогда же сформулировал основные положения открытого закона. Из них особенно замечательны следующие: «Величина атомного веса определяет характер элемента, как величина частицы определяет свойства сложного тела. Должно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел … Некоторые аналогии^[5] элементов открываются по величине веса их атома».

Пользуясь законом, Менделеев предсказал и подробно описал свойства некоторых еще не известных элементов. Дальнейшие открытия химических элементов подтвердили правильность предсказаний Менделеева и, явившись подлинным торжеством науки, поставили имя Менделеева на первое место в истории не только химии, но и всего естествознания. Всего Менделеевым было предсказано существование одиннадцати химических элементов, в том числе и таких, как полоний, радий, протактиний.

Закон Менделеева — могучее оружие познания природы и ее закономерностей; он по праву занимает в настоящее время ведущее место в науке о веществе. С помощью закона Менделеева ученые успешно раскрывали и раскрывают тайны природы. Когда на рубеже XIX и XX вв. были открыты радиоактивные элементы, периодический закон помог ученым не только изучить их свойства, но и проникнуть внутрь атома, что в свою очередь увенчалось величайшим достижением XX в. — использованием атомной энергии в практических целях. Не только химия, но многие науки, в числе их такие, как физика, биология, медицина и другие, пользуются законом Менделеева. Безусловно, прав выдающийся ученый академик А. Е. Ферсман, который, оценивая значение закона Менделеева, писал: «Будут, конечно, появляться и умирать новые теории, блестящие учения физики и химии будут изменять устаревшие понятия, будут открываться новые широкие горизонты, но несомненно, что периодический закон Менделеева будет жить всегда!».

Руководствуясь периодическим законом, Менделеев ответил и на тысячелетней давности вопрос о числе основных веществ природы, о числе тех разновидностей строительного материала, из которого состоят Земля, Луна, Солнце, звезды, вся Вселенная.

В своей статье «Периодическая законность для химических элементов» Менделеев в 1871 г. писал: «…судя по тому, что в метеорных камнях, на солнце и звездах существуют те же элементы, какие мы знаем, … можно думать, что число доступных нам элементов очень ограничено и если существуют немногие новые тяжелые элементы внутри массы земли, то число и количество их очень ограничено».

К настоящему времени все пустые места в периодической системе заполнены, атомы десяти следующих за ураном и искусственным путем полученных элементов радиоактивны, неустойчивы и быстро распадаются; если учесть, что при дальнейшем увеличении веса атома он, согласно данным современной науки, будет столь неустойчив, что его существование нельзя считать практически значимым, то общее число химических элементов, достоверно известных науке в настоящее время, равняется ста трем.

В заключение краткого введения к рассказам об элементах дадим самое сжатое изложение основных понятий и определений, которые встречаются в тексте.

Вещества могут быть простыми и сложными: в сернистом железе — сложном веществе — находятся элементы сера и железо. Но до соединения серы с железом каждое из них в отдельности представляло простое вещество. Водород и кислород в обычных условиях как простые вещества — это газы, но в одном из их соединений — перекиси водорода, содержатся не простые вещества, а элементы.

Одни простые вещества нельзя превратить в другие обычными химическими способами, а ядерные превращения, с помощью которых возможно осуществить такие превращения, принципиально отличаются от методов химии.

Сложные вещества могут быть разложены, но не всегда при этом образуются простые: окись ртути при разложении дает два простых вещества — ртуть и кислород, но карбонат кальция распадается при нагревании на окись кальция и углекислоту, которые сами представляют собой вещества сложные. Сложное вещество не всегда получается непосредственно из простых. Так, гидрат окиси натрия получают из окиси натрия и воды. Таким образом, можно сказать, что простые вещества состоят из одного элемента, сложные — из различных элементов. Простое вещество водород — из элемента водорода, сложное вещество вода — из различных элементов.

Общепризнано и бесспорно, что все материальные тела состоят из атомов. Атом — это наименьшая частица элемента, которую нельзя измельчить, раздробить дальше без потери свойств данного элемента.

Атомы при взаимодействии образуют молекулы простых и сложных веществ. Молекулы многих простых веществ состоят из одного атома (например инертных газов).

Атомы химических элементов имеют сложную структуру.

Строение атома

Согласно современным представлениям, атом имеет сложное строение. Чтобы лучше представить себе его строение, давайте мысленно совершим путешествие в недра какого-нибудь наиболее распространенного и всем хорошо известного вещества, например, воды.

Если из определенного объема воды взять одну каплю и начать мысленно делить ее на все более и более мелкие капельки, то в конечном итоге мы можем получить столь мельчайшую капельку, дальнейшее деление которой при условии сохранения всех присущих воде свойств станет уже невозможным. Вот такие наименьшие частицы вещества, способные существовать самостоятельно, называются молекулами. Их название происходит от латинского слова «молес», что значит «массочка».

Все тела природы состоят из молекул. Даже крупные молекулы настолько малы, что их невозможно видеть в самые сильные оптические микроскопы современности. Чтобы судить о том, как малы размеры молекул и как велико их число, можно привести такой пример. Если в обыкновенном наперстке, наполненном водой, сделать отверстие, через которое в одну секунду вытекало бы по одному миллиону молекул воды, то вода из наперстка вытекла бы только через… один миллиард лет.

Химическими методами вода, как известно, может быть разложена на два газа — водород и кислород. Очевидно, что и мельчайшая частица воды — молекула также может быть разложена на водород и кислород. Наименьшие частицы водорода и кислорода, образующие молекулу воды, называются атомами, от греческого слова «атомос», что значит «неделимый». Атомы — частицы еще более мелкие, чем молекулы. Например, размеры атомов водорода таковы, что на отрезке линейки длиной в 1 см их укладывается 100 миллионов. До XX в. это название совпадало с основным представлением об атоме как наименьшей и действительно неделимой и неизменяемой частице. Исследованиями было установлено наличие в природе 92 различных видов атомов (элементов), из сочетания которых и состоят все вещества Вселенной.

К концу XIX в. в науке стали накапливаться факты, свидетельствовавшие об ошибочности представлений о неделимости и неизменности атомов. Мысль о том, что атомы делимы, что они состоят из более простых частиц, была впервые высказана независимо друг от друга русскими учеными Н. Н. Бекетовым и А. М. Бутлеровым. Так, например, в работе «Основные понятия химии», вышедшей вторым изданием в 1902 г., А. М. Бутлеров писал, что атомы «…не неделимы по своей природе, а неделимы только доступными нам ныне средствами и сохраняются лишь в тех химических процессах, которые известны теперь, но могут быть разделены в новых процессах, которые будут открыты впоследствии…».

Историческое развитие химии полностью подтвердило предвидение великих русских ученых. И первой частицей, обнаруженной в составе атомов, был электрон, несущий отрицательный электрический заряд и имеющий ничтожно малую массу, равную 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 910 г.

Нарушение старых представлений о неделимости и неизменности атомов было воспринято буржуазными учеными как научное доказательство «несостоятельности» материализма, как доказательство «исчезновения» материи и торжества идеалистических представлений.

Огромную роль в деле разоблачения идеалистов, стремившихся использовать новейшие достижения науки для борьбы с материализмом и укрепления позиций идеализма, сыграл В. И. Ленин. В своей книге «Материализм и эмпириокритицизм», написанной в 1908 г. и вышедшей в свет в 1909 г., В. И. Ленин показал, что открытие радиоактивности, превращение одних атомов в другие, существование электронов и другие открытия только углубляют представления о веществе, не только не опровергают материализм, а, наоборот, укрепляют его позиции, который всегда признавал, признает и будет признавать сложность любой, самой малой частицы (будет ли это атом, электрон и т. п.) и неисчерпаемость свойств материи.

Передовым ученым труды В. И. Ленина помогли разорвать идеалистические сети, расставленные на путях к познанию закономерностей природы, и проникнуть в глубь атома.

В начале XX в. ученым удалось установить основные черты строения атомов. В центре атома находится крохотное, в несколько тысяч раз меньше размера атома ядро, в котором почти полностью (99,9 %) сосредоточена масса атома. Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны. Число электронов в атоме каждого элемента можно определить по таблице Д. И. Менделеева: оно равно порядковому номеру элемента в таблице. Электроны размещаются на разных расстояниях от ядра, и те из них, которые расположены в наружном слое, т. е. наиболее удалены от ядра, называются «внешними», или валентными, электронами. «Внешние» электроны играют главную роль в химических превращениях. Переходя в процессе химических реакций от атома к атому, они обусловливают химическое поведение атома и определяют его валентность. Число валентных электронов в атоме можно также определить по таблице Д. И. Менделеева. Как правило, оно равно номеру группы, в которой находится соответствующий элемент в периодической системе.

Атомное ядро, имея весьма малый объем, содержит вещество в весьма уплотненном состоянии. О плотности ядерного вещества можно судить по следующим данным. Если бы один кубический сантиметр наполнить только атомными ядрами, то масса этого кубика составила бы 100 млн. т. «Кубик» в один кубический миллиметр (приблизительно объем двух булавочных головок), наполненный ядерным веществом, имел бы массу двух линейных кораблей по 50 тыс. т каждый. Дальнейшее изучение структуры ядра, проведенное советским ученым Д. Д. Иваненко, вновь подтвердило основное положение диалектического материализма о сложности строения атомных частиц. Оказалось, что атомное ядро является сложным образованием и в своем составе содержит протоны и нейтроны, которые, вместе взятые, называются нуклонами.

Протон представляет собой частицу, несущую положительный электрический заряд. Этот заряд равен по величине заряду электрона. Протон обладает ничтожно малой массой, равной 0,000 000 000 000 000 000 000 001 672 г.

Так как в обычных условиях атомы электронейтральны, то это значит, что число протонов в ядре равно числу электронов, т. е. равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Нейтрон — частица нейтральная, т. е. не имеющая электрического заряда. Масса нейтрона ничтожна, практически равна массе протона и составляет 0,000 000 000 000 000 000 000 001 674 г. Таким образом, присутствие нейтронов в ядре, не сказываясь на его заряде, влияет на массу. Следовательно, масса ядра определяется суммой масс протонов и нейтронов и выражается в целых числах. Эта сумма называется массовым числом. Вычитая из этой величины число протонов (порядковый номер), легко определить и число нейтронов для любого элемента.

Условились ядра элементов обозначать теми же символами, что и соответствующие им атомы элементов, указывая цифрой слева внизу от символа число протонов, а справа вверху от символа — массовое число. Ядро атома гелия в такой записи будет изображаться: ₂He⁴.

Сложностью строения ядра объясняется наличие у одного и того же химического элемента разного вида атомов, отличающихся массовым числом. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами — равноместными (от греческих слов «изо» — равный и «топос» — место). Название объясняется тем, что изотопы определенного элемента, отличаясь по массовому числу, имеют одинаковый заряд ядра и, следовательно, одинаковые химические свойства. Поэтому они занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Каждый химический элемент представляет собой смесь нескольких изотопов. Число изотопов у различных химических элементов не одинаково. Так, например, олово имеет 10 изотопов, платина — 6, уран — 3 и т. д. Изотопы делятся на устойчивые, нерадиоактивные изотопы, и неустойчивые, или радиоактивные. Количество устойчивых изотопов достигает 250, количество радиоактивных изотопов приближается к тысяче.

Радиоактивностью называется явление самопроизвольного испускания атомами некоторых веществ невидимых, но сравнительно легко обнаруживаемых лучей. От латинского слова «радиус», что значит луч, такие вещества стали называть радиоактивными, «лучедействующими». Радиоактивные лучи обладают совершенно необычными, многообразными свойствами. Воздух, пронизываемый радиоактивными лучами, становится электропроводным. Радиоактивные лучи вызывают почернение светочувствительных материалов (фотопленки, пластинки, бумаги); проникают через толщу непрозрачных тел, изменяют цвет окрашенных веществ и окрашивают бесцветное стекло в различные цвета; вызывают свечение тел; разлагают воду на составляющие ее элементы; производят сильное биологическое действие: убивают микроорганизмы, разрушают ткани животных и в зависимости от дозы активизируют или угнетают жизненные процессы.

Изучение радиоактивности показало, что известные науке обычные воздействия: нагревание, охлаждение, давление, действие активных химических веществ — не изменяют силы радиации. Зная, что химические свойства атомов связаны с их внешними электронами, оставалось допустить, что радиоактивность — явление, связанное с глубинными частями атомов; что это не обычный химический, а глубокий — ядерный процесс. А так как радиоактивные излучения сопровождаются внезапным выделением энергии, то это свидетельствовало также и о том, что в атомных ядрах скрыты огромные запасы внутриатомной, или ядерной, энергии.

По природе и свойствам радиоактивные излучения делятся на три вида, называемые по первым буквам греческого алфавита альфа-, бета- и гамма-лучами. Из них только гамма-лучи действительно являются лучами, т. е. очень короткими электромагнитными волнами, распространяющимися со скоростью света (300 000 км в сек). Они обладают, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью, которая для воздуха измеряется сотнями метров. Для полного поглощения гамма-лучей требуется слой свинца не менее 15–20 см. Для ослабления действия гамма-лучей в два раза необходим слой свинца в 1,5 см или слой железа в 3 см; слой бетона должен иметь уже 10 см, а дерева — 25 см.

Бета-лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, одинаковых по природе, величине заряда, массе с электронами. Проникающая способность бета-лучей значительно меньше, чем гамма-лучей, и для воздуха измеряется 18–20 м. Слой свинца в 3 мм толщиной полностью задерживает бета-лучи.

Альфа-лучи — это поток положительно заряженных частиц, называемых альфа-частицами и представляющих собой ядра атомов гелия. Каждая альфа-частица содержит 2 протона и 2 нейтрона, т. е. массовое число ее равняется четырем, а заряд — двум единицам. Скорость распространения альфа-частиц достигает 20 000 км в сек. Проникающая способность альфа-лучей еще меньше, чем бета-лучей. В воздух альфа-лучи проникают на 10–12 см, а лист обыкновенной писчей бумаги задерживает их почти полностью. В состав радиоактивного излучения не обязательно входят все три вида лучей одновременно.

В настоящее время различают естественную и искусственную радиоактивность. Естественной называют радиоактивность естественных, т. е. встречающихся в природе, химических элементов, или их изотопов. Радиоактивность, которой обладают элементы, или их изотопы, полученные искусственным путем, называется искусственной радиоактивностью.

Изучение радиоактивности показывает, что испускание тех или иных лучей сопровождается распадом атомов одних химических элементов и образованием других. Иными словами, атомы элементов могут превращаться друг в друга. Так, например, твердый радиоактивный элемент радий в процессе излучений переходит в другой, тоже радиоактивный, но уже газообразный элемент — радон. Последний в процессе излучения, вновь распадаясь, превращается в новый элемент полоний и т. д.

Все образующиеся в процессе излучения продукты можно расположить в единый радиоактивный ряд, или семейство элементов. Такое превращение одного радиоактивного элемента в другой происходит до тех пор, пока в результате радиоактивного распада не образуются атомы устойчивого нерадиоактивного элемента. В настоящее время известны 4 радиоактивных ряда: ряд урана, ряд тория, ряд актиния и ряд нептуния. Каждый ряд заканчивается нерадиоактивным изотопом свинца. Поэтому все элементы, расположенные в таблице Д. И. Менделеева за свинцом, как правило, обладают естественной радиоактивностью. Для характеристики продолжительности существования, или, как говорят, «жизни» радиоактивного элемента, пользуются специальным понятием, называемым периодом полураспада. Периодом полураспада называется время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину. Так, например, период полураспада радия с массовым числом 226 равен 1590 лет. Это значит, что от одного грамма радия через 1590 лет останется полграмма, через следующее 1590 лет — четверть грамма и т. д. Периоды полураспада могут колебаться в весьма широких интервалах. Так, период полураспада урана с массовым числом 238 равен 4,5 млрд. лет, в то время, как полоний с массовым числом 213 имеет период полураспада, равный одной миллионной доле секунды.

Изучение радиоактивности открыло новый способ воздействия на атомное ядро, а именно: воздействие радиоактивным излучением. В 1919 г. английский физик Резерфорд применил для разрушений атомных ядер энергию альфа-частиц. «Бомбардируя» имя атомы азота, он получил ядра одного из изотопов кислорода. Вскоре с помощью альфа-частиц удалось расщепить ядра и других химических элементов.

Изучая действие альфа-частиц на атомы устойчивых элементов, известные французские ученые Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли возможность получения радиоактивных изотопов многих элементов искусственным путем. Открытый этими учеными способ заключается в облучении атомов химических элементов быстро двигающимися частицами. Для сообщения частицам больших скоростей в настоящее время применяют специальные устройства — ускорители. Это огромные технические сооружения, позволяющие с помощью электрической энергии сообщать частицам огромные скорости, а значит и энергию. Чтобы судить о развиваемой при этом скорости, достаточно сказать, что в одну секунду частица совершает путь, во много раз превышающий длину окружности экватора. В крупнейшем ускорителе, советском синхрофазотроне, вступившем в строй в 1957 г., частицы получают огромные энергии — в 10 млрд. электронвольт. О размерах советского синхрофазотрона можно судить по электромагниту, весящему 36 000 т.

Открытие ядерных реакций, ведущих к получению новых, не встречающихся в природе радиоактивных изотопов, явилось величайшим достижением человеческого гения, позволившим создавать радиоактивные изотопы для любого элемента периодической системы Д. И. Менделеева. Хотя общее число радиоактивных изотопов, полученных в настоящее время, как уже указывалось, приближается к тысяче, наибольшее практическое применение имеет сравнительно небольшое их число.

Сами о себе

Многие века ученые полагали, что все существующие в природе цвета и их оттенки происходят в результате смешивания света с… «тьмой!». А так как «тьму» представляли носительницей черного цвета, то считалось, что основным цветом в природе является черный, от разбавления которого бесцветным «светом» получаются все остальные. Выходило, что, например, в синем цвете много «тьмы» и мало «света», в желтом, наоборот, много «света» и мало «тьмы».

Так думали, так считали, так утверждали. Однако никто не мог доказать справедливость такого заключения, никто не мог разложить какой-либо цвет на «тьму» и «свет».

И только в 1666 г. тогда еще молодой и мало известный, а впоследствии знаменитый физик, математик и астроном Исаак Ньютон впервые провел свой знаменитый опыт по разложению света с помощью стеклянной призмы. Суть этого опыта состоит в том, что если свет пропустить через стеклянную призму, то, пройдя ее, он развертывается в яркую полоску, составленную из различных постепенно переходящих один в другой цветов. В цветной полоске, получившей название спектра (от латинского слова «спектрум» — видимое) насчитывается семь цветов. Ньютон доказал, что существовавшее объяснение цветов неправильно. Оказалось, что не «тьма», а бесцветный свет, или белый цвет, как стали называть его впоследствии, является основным и состоит в свою очередь из семи цветов.

Почти двести лет спустя (в 1858 г.) после опытов Ньютона, профессор химии в Гейдельбергском университете Роберт Бунзен изобрел горелку для сжигания горючих газов. С помощью горелки Бунзена можно было получать пламя очень высокой температуры. Помещая в пламя горелки различные вещества, Бунзен заметил, что они, раскаляясь и превращаясь в пар, окрашивают пламя в различные цвета. Замечательным было то, что каждое вещество окрашивает пламя в определенный цвет. Так, например, медь дает пламя зеленого цвета, натрий — желтое пламя, стронций — малиново-красное.

Вначале Бунзен решил, что он открыл чрезвычайно простой, точный и, главное, быстрый способ анализа. Вместо длительных операций химического исследования вещества достаточно было внести исследуемое вещество в пламя горелки, чтобы по окраске пламени решить вопрос о природе вещества. Зеленое пламя укажет медь, желтое «скажет» о натрии, малиново-красное «откроет» стронций.

Но вскоре же пришло разочарование. Оказалось, что, например, литий дает пламя одинакового цвета со стронцием, слабая фиолетовая окраска пламени от калия исчезает, если вместе с ним присутствуют соединения натрия. Убедившись в том, что различные вещества, нагреваясь в горелке, дают очень часто пламя одинакового цвета, Бунзен уже был склонен прекратить свои исследования. Но ему помог Густав Кирхгоф, профессор физики, занимавший кафедру в том же Гейдельбергском университете.

Кирхгоф решил пропускать свет от окрашенного пламени через призму, рассчитывая установить закономерности спектра различных веществ. Расчет Кирхгофа оправдался: оказалось, что пламя каждого из различных веществ дает особый, отличный от всех других, спектр. Причем спектры пламени отличались от спектра белого света своим видом: они были не сплошными, а состояли из отдельных узких цветных полосок, почти линий, располагающихся в различных частях спектральной дорожки. Так, спектр лития состоял из одной яркой красной линии и одной оранжевой послабее. Спектр стронция, пары которого окрашивали пламя бунзеновской горелки в такой же малиново-красный цвет, как и литий, состоял из одной голубой, двух красных, оранжевой и желтой линий. Пары натрия давали спектр с двумя желтыми линиями, так близко расположенными друг к другу, что вначале она была принята за одну.

Усовершенствовав прибор для наблюдения спектров и назвав его спектроскопом (от слов «спектр» и «скопео» — наблюдаю, смотрю), Кирхгоф передал свой прибор Бунзену, который стал исследовать буквально все, что попадалось ему под руку. Множество различных веществ исследовал Бунзен, помещая их в жаркое пламя своей горелки и наблюдая спектр раскаленных паров. Теперь у него уже не было сомнений в том, что открыт новый способ распознавания химических веществ. Вскоре Бунзен убедился и в необычайной чувствительности и точности нового способа исследования. Так, исследуя кусочки гранита, отколотые от скалы в окрестностях Гейдельберга, Бунзен обнаружил в них с помощью спектроскопа литий. Это вещество он нашел и в воде источника, вытекавшего у подножья той же скалы. Тогда Бунзен решил исследовать листья растений, цепляющихся за склоны скалы, желая проверить в листьях наличие лития. По мнению Бунзена, этот элемент должен был попасть в растения вместе с водой, поглощенной корнями растений из почвы, покрывавшей тонким слоем гранитные глыбы. Спектроскоп указал наличие лития и в листьях растения. Бунзен покормил корову этими листьями и обнаружил после этого в ее молоке тот же литий. Больше того, литий был обнаружен и в крови людей, пивших молоко этой коровы.

Точность и чувствительность нового метода была исключительной. Достаточно было, например, потереть пальцами над пламенем горелки, чтобы в спектроскопе вспыхнула желтая линия натрия, входящего в состав ткани. В буквально невесомых частицах, стертых с поверхности кожи, содержится не более одной десятимиллионной доли миллиграмма^[6]. Никакими иными способами невозможно обнаружить такие количества вещества. И действительно, достаточно было человеку, носящему, например, очки в медной оправе, поправить их, у себя на носу, чтобы можно было с помощью спектроскопа обнаружить медь на его пальцах.

Возникновение и характер спектров, как это было установлено значительно позже, связаны со строением атомов вещества. Так как различные атомы дают и различные спектры, то, очевидно, в природе существует столько же различных спектров, сколько и различных «сортов» атомов. Атомы любого вещества, подобно микроскопическим радиостанциям, способны подавать свой, им только свойственный «сигнал» — спектр, по которому эти атомы и могут быть обнаружены, где бы они ни находились.

В 1860 г., исследуя спектр минерала, полученного из Саксонии и называвшегося лепидолитом, Бунзен и Кирхгоф увидели красные линии, которые не совпадали с положением линий в спектрах известных в то время элементов. С тем же самым столкнулись исследователи и при изучении спектра сухого остатка, полученного при выпаривании воды из источников курортного местечка Дюркгейм. Только на этот раз линии в спектре были красивого небесно-голубого цвета. Бунзен решил, что лепидолит и дюркгеймская вода содержат новые еще неизвестные элементы.

Действительно, в том же году Бунзен выделил из лепидолита и минеральной воды новые элементы. Один из них за красный цвет спектральных линий назвали рубидием (от латинского слова «рубидус» — красный), другой за голубые линии — цезием («цезиус» по-латыни — голубой).

В качестве веселого курьеза можно рассказать о проделке известного физика Роберта Вуда. У студентов, проживающих в частном пансионате, возникло сомнение в доброкачественности пищи; не готовит ли хозяйка завтрак из остатков обеда? Вуд оставил во время обеда на тарелке кусок мяса, посыпав его хлористым литием. Получив завтрак, он озолил его в муфельной печи, а золу проверил с помощью спектроскопа. Появилась предательская красная линия!

Хозяйка пансионата была разоблачена!

Открытие новых элементов было блестящей победой нового способа исследования природы, который был назван спектральным анализом. Спектральный анализ получил в науке широкое распространение и обогатил ее большим числом замечательных открытий. С помощью спектроскопа человек определил состав далеких звезд, Солнца, метеоров, сгорающих в яркой вспышке высоко над Землей и т. д. В настоящее время спектроскоп — необходимый прибор каждой хорошо оборудованной лаборатории. Он нужен физику и химику, астроному и геологу, агроному и минералогу, врачу и биологу, инженеру и металлургу.