Под знаком кванта.

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

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

Свое название «элементы» получили по буквам l, m, n латинского алфавита. Все слова состоят из букв, а их совокупность образует алфавит. Точно так же все вещества в природе построены из небольшого числа химических элементов, а сами они являются членами единой системы — алфавита элементов.

Надо сказать, что химиков никогда не могла удовлетворить мысль о независимом множестве качественно различных элементов. Поэтому они всегда стремились представить себе элементы как различные скопления частиц одного и того же рода. Такие попытки предпринимались уже в древности и в дальнейшем развивались по двум направлениям.

Демокрит верил, что все вещества в природе построены из атомов, а свойства веществ зависят от различных сочетаний атомов. Аристотель утверждал, что все сущее состоит из элементов, которые являются носителями определенных качеств.

Отголосок этого давнего спора дошел даже до наших дней: при слове «атом» у нас невольно возникает зрительный образ чего-то твердого, имеющего форму и размеры; при словах «химический элемент» мы пытаемся представить себе некое чистое качество безотносительно к его носителю. Быть может, поэтому учение о химических элементах вначале развивалось совершенно независимо от идеи об атомах. Впоследствии эти два учения так переплелись, что их перестали различать, но и поныне не удалось преодолеть психологический барьер, разделяющий их в нашем сознании. Пока что мы подробно проследили «физические истоки» науки об атоме. Теперь пришло время отыскать ее «химические истоки».

УЧЕНИЯ ДРЕВНИХ

Философы ионической школы, знаменитым представителем которой был Фалес Милетский (630—550 гг. до н. э.), признавали только один элемент — воду, «на которой покоится земля и которая дала начало всему, что есть». Впоследствии Эмпедокл (490—430 гг. до н. э.) добавил к воде еще три элемента: землю, огонь и воздух. Наконец, Аристотель (384— 322 гг. до н. э.) к этим четырем элементам присоединил пятый, духовный — quinta essentia,— воспоминание о котором сохранилось до сих пор в слове «квинтэссенция».

Нечто похожее было создано и в индийской философии. Но в отличие от греков, которые под элементами понимали вещества, воздействующие на наши органы чувств, в Индии элементы представляли себе как некие проявления единого духовного начала. Этих проявлений-элементов в индийской философии тоже было пять — по числу чувств, способных их воспринять: эфир—слух, ветер — осязание, огонь — зрение, вода — вкус и земля — обоняние.

В средние века учение об элементах возродили алхимики, среди которых обычно отмечают египтянина Зосима, араба Гебера (VIII век) и Альберта Великого (XIII век). Под элементами алхимики (вслед за Аристотелем) понимали не вещества, а качества, или «принципы». Ртуть служила «принципом» металлического блеска, сера — горючести, соль — растворимости. Они были убеждены, что,

смешав эти «принципы» в надлежащих пропорциях, можно получить любое вещество в природе.

Как правило, со словом «алхимия» связывают сказки о превращении ртути в золото, о получении эликсира жизни и прочие чудеса. На этом основании укрепилось снисходительно-пренебрежительное отношение ко всей истории алхимии. А ведь она насчитывает несколько веков! И трудно поверить, что ее тщательно разработанная философия и практические рецепты состояли только из одних заведомых глупостей. Мало кто знает, что алхимики изобрели спирт и, быть может, одним этим оправдали свое существование. Основная же их заслуга состоит в том, что стихийное экспериментирование, которому они предавались, привело постепенно к накоплению фактов, без которых наука химия никогда бы не возникла.

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ

В XVII веке алхимия вместе с натурфилософией уступила место химии и физике. В 1642 г. появилось сочинение Иоахима Юнгиуса (1587—1657) «Диспуты о принципах материи», которое он вполне в духе века заканчивает словами: «Какие принципы должны быть признаны первичными для однородных тел, может быть познано не путем догадок, а только на основании добросовестных, детальных и прилежных наблюдений».

В 1661 г. вышла в свет знаменитая книга Роберта Бойля (1627—1691) «Химик-скептик», в которой он определил химические элементы как «некоторые примитивные или простые или совершенно несмешанные вещества».

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

Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) принял целиком учение Бойля об элементах, но он жил столетием позже и пошел дальше: он научился выделять элементы из химических соединений. По-видимому, Лавуазье был одним из первых, кто использовал весы не для приготовления порошков и смесей, а для целей исследования. Он исходил из предположения, которое сейчас кажется тривиальным, но в эпоху флогистона требовало немалой смелости: каждый элемент соединения весит меньше, чем все соединение в целом. Последовательно применяя этот принцип, он составил первую таблицу, содержащую около 30 элементов.

Взгляды Лавуазье настолько противоречили общепринятым в то время воззрениям, что рьяные последователи теории

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

Последующие сто лет были заполнены трудами химиков, которые постепенно дополняли таблицу Лавуазье. Среди них вызывает восхищение фигура «короля химиков» Йенса Якоба Берцелиуса (1779—1848): за свою жизнь он изучил свыше 2 тысяч веществ, с большой точностью определил атомные массы 46 из 49 известных тогда элементов и сам открыл селен, торий, литий, ванадий и некоторые из редкоземельных элементов. (Кстати, именно он в 1814 г. ввел современные обозначения химических элементов по первым буквам их латинских и греческих названий.)

К середине XIX века было известно уже около 60 элементов — не так много, как предполагал Демокрит, но и не так мало, чтобы считать их все независимыми. Постепенно окрепло убеждение, что элементы образуют единую систему, и начались поиски этой системы. В сущности, они никогда не прекращались — даже в то время, когда были явно преждевременными. Например, Марне уже в 1786 г. был уверен, «что все существующее в природе связано в один беспрерывный ряд» и что «от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений...» В 1815 г. английский врач и химик Уильям Праут (1786—1850) развил идею Марне о родстве элементов и предложил простую гипотезу, согласно которой все элементы образовались из легчайшего элемента водорода путем его последовательной конденсации.

Сейчас не время и не место подробно изучать все попытки найти систему элементов, которые в разное время предприняли Деберейнер (1817 г.), Петтенкоффер (1850 г.), Гладстон (1853 г.), Одлинг (1857 г.), Бегюэ де Шанкуртуа (1863 г.), Ньюленде (1865 г.) и особенно Лотар Мейер (1830—1895). Значительно важнее проследить идеи и побудительные причины, которые всеми ими двигали.

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

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

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

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

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

Но и здесь не все просто: плотность веществ мы можем измерить очень точно, однако положить ее в основу систематики нельзя — хотя бы потому, что среди элементов есть и газы, и жидкости, и твердые тела.

Многочисленные неудачные попытки найти систему элементов помогли, наконец, понять, что среди различных их свойств, доступных непосредственному наблюдению, нет того единственного, благодаря которому была найдена система элементов. Это свойство — атомная масса элемента — лежит вне химии и целиком принадлежит физике. Тот момент, когда это впервые поняли, можно считать началом современного учения о химических элементах. Этот решающий шаг сделал Джон Дальтон.

ЭЛЕМЕНТЫ И АТОМЫ

Среди ученых своего времени Джон Дальтон — очень своеобразная фигура. В начале XIX века уже все уверовали в науку и поняли секрет ее могущества: она имеет дело с числами, а числа не обманут. Поэтому превыше всего в то время ценили искусство ставить точные опыты. Дальтон этим качеством решительно не обладал и потому при жизни подвергался нападкам маститых ученых. По складу ума это был типичный теоретик, как мы себе представляем сейчас эту профессию. Поэтому не следует слишком строго судить неточности измерений в его работах: на их основе он высказал светлые и плодотворные мысли, которые определили развитие химии на последующие сто лет. Суть его открытия состоит в том, что он указал экспериментальный путь проверки атомной гипотезы.

Дальтон определил элемент как вещество, состоящее из атомов одного вида. Атомы различных веществ различаются между собой по массе и при всех превращениях вещества остаются неизменными — происходит лишь их перегруппировка. «Мы с таким же успехом можем стараться прибавить новую планету в Солнечную систему, как уничтожить или создать атом водорода»,— писал Дальтон. Он не только твердо поверил в атомную гипотезу, но стал искать вытекающие из нее и притом наблюдаемые следствия. Ход его рассуждений состоял примерно в следующем.

Допустим, что все элементы состоят из атомов Тогда, скажем, в 16 г кислорода содержится N атомов кислорода. Предположим теперь, что мы сжигаем в этом кислороде водород. Легко измерить, что для сжигания 2 г водорода надо затратить 16 г кислорода, в результате чего получается 18 г воды. Первая мысль, которая приходит при этом в голову стороннику атомной гипотезы, состоит в том, что каждый атом кислорода О соединяется с одним атомом водорода Н, образуя молекулу воды НО. Именно так думал и Дальтон. В дальнейшем Берцелиус доказал, что он немного неправ, а именно: с каждым атомом кислорода соединяются два атома водорода и поэтому формула воды принимает привычный для нас вид: Н₂О. Но здесь самое важное — идея: с каждым атомом кислорода соединяется целое число атомов водорода. Поэтому если в 16 г кислорода содержится N атомов, то в 2 г водорода — 2Ν атомов. А это означает, что один атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.

Таким образом, появилась возможность сравнивать между собой массы атомов различных элементов. Ввели понятие атомная масса — число, которое показывает, во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома водорода, атомную массу которого по определению приняли за единицу.

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

Оставалось сделать последнее: научиться определять атомные массы элементов. Для этого нужно было выбрать простейшие вещества. Прежде всего обратили внимание на газы. Почти сразу же, в 1809 г., бывший ассистент Бертолле французский ученый Джозеф Луи Гей-Люссак (1778— 1850) — мы знаем его по «газовому закону Гей-Люссака» — сделал очень важное открытие: объемы двух газов, вступающих в реакцию, всегда относятся друг к другу как простые целые числа. Не массы, а объемы. Как мы скоро увидим, это очень важно. Например, чтобы получить воду, нужно в одном объеме кислорода сжечь ровно два объема водорода. Отсюда уже сам напрашивается вывод: в равных объемах газов содержится одинаковое число атомов.

Именно к такому выводу пришел в 1811 г. итальянский ученый Амедео Авогадро (1776—1856), только сформулировал его точнее: в равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Теперь мы знаем, что молекулы большинства газов (водорода, кислорода, азота и т. д.) состоят из двух атомов (Н₂, О₂, Ν₂). После этого уже ничего не стоит понять классический опыт по сжиганию водорода в кислороде. Известно, что при этом из 1 объема кислорода и 2 объемов водорода образуется 2 объема водяного пара. Коротко этот факт записывают уравнением

2Н₂ +О₂ = 2Н₂О.

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

Проследим еще раз цепочку рассуждений. В равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Известно, что 2 г водорода занимают объем 22,4 л; обозначим число молекул, которое содержится в этом объеме, через N_A. Те же самые N_A молекул кислорода занимают тот же объем 22,4 л, но масса их при этом не 2 г, а 32 г. Отсюда следует, что каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода; это означает, что, измерив плотность какого-либо газа и сравнив ее с плотностью водорода, мы сразу же определим его атомную массу.

Нигде до сих пор реальность атомной гипотезы не была видна так явно. Действительно, плотность — величина легко измеримая и привычная, поскольку она воздействует на наши органы чувств. Поразительно то, что таким простым способом можно измерить атомную массу — величину, недоступную непосредственному восприятию.

Число молекул N_A, которые помещаются в 22,4 л любого газа при 0°C и давлении 1 атмосфера, называют теперь постоянной Авогадро. Это одна из основных постоянных физики — подобно скорости света с или постоянной Планка h. Чтобы определить ее, достаточно знать абсолютную массу М одного атома водорода. И поскольку в 22,4 л содержится 2 г таких атомов, то число N_A = 2/M.

Гипотеза Авогадро была вскоре забыта, и лишь полстолетия спустя, в 1858 г., ей возвратил жизнь другой итальянский ученый — Станислао Каниццаро (1826—1910). Это было как нельзя более кстати, поскольку между химиками той поры не было согласия: почти каждый из них признавал только свою собственную таблицу атомных масс, органики не доверяли неорганикам, а созванный в 1860 г. в Карлсруэ съезд самых знаменитых химиков ни к какому соглашению не пришел. (Впрочем, резолюцией от 4 сентября 1860 г. он все-таки закрепил различие между атомом и молекулой.)

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

ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Довольно часто можно услышать рассказ о том, как Менделеев, выписав все элементы на оборотной стороне визитных карточек, долго раскладывал их, как пасьянс, пока не забылся кратким дневным сном. Во время этого-то сна к нему и пришло решение проблемы. Быть может, история эта не вполне достоверна, но даже те, кто относится к ней с полным доверием, должны все-таки понимать, что счастливому дню 1 марта 1869 г. предшествовало много других дней и ночей — бессонных и бесплодных, когда проблема казалась безнадежной.

В чем состояла трудность задачи? Вспомните пример с беспорядочной грудой пронумерованных кубиков — расставить их по порядку не составляет труда. Но на химических элементах нет ярлыков с номерами — это просто вещества разного цвета, твердые, жидкие, газообразные. Мы знаем только, что каждому из них можно поставить в соответствие число — атомную массу. Это число возрастает монотонно от элемента к элементу, и потому именно его приняли за основу классификации. Самое простое — многие именно так и поступали — расположить все элементы в порядке возрастания атомных масс, но это — занятие, достойное ремесленника, а не мастера. Прежде всего, откуда известно, что мы знаем уже все элементы? А без этой уверенности какой смысл располагать их по возрастающим атомным массам?

Проблема в действительности напоминает известную детскую игру в кубики, на которых изображены части картины и нужно сложить их все вместе так, чтобы эту картину воспроизвести. Теперь представьте, что часть кубиков утеряна, а на части других рисунки искажены. В этом случае изображение все равно можно восстановить, хотя, конечно, и с большим трудом. Нужно только стремиться представить себе именно картину, всю целиком, а не надеяться, что она сама собой получится, если произвольно и бездумно комбинировать между собой кубики. Менделеев владел как раз этим даром синтетического мышления. Он с самого начала представлял себе элементы не как набор случайных веществ, а как части единой системы. И в поисках этой системы элементов он не ограничился только их физическим свойством — атомной массой (хотя и положил его в основу систематики), а держал в памяти и комбинировал все остальные их — химические — свойства.

Во времена Менделеева было известно 63 элемента. В таблице, которую он составил в 1869 г., только 36 из них подчинились принципу возрастания атомных масс. Для 20 элементов этот принцип был нарушен, а для оставшихся 7 элементов Менделеев исправил атомные массы на основании своей таблицы. Он настолько верил в найденную систему, что предсказал на ее основе открытие еще 5 элементов: скандия (Sc), германия (Ge), галлия (Ga), технеция (Тс) и рения (Re), оставив для них пустые места в своей таблице. Эти элементы и в самом деле были впоследствии открыты: скандий (№ 23) в 1875 г., галлий (№ 31) в 1879 г., германий (№ 32) в 1886 г., рений (№ 75) в 1925 г., а технеций (№ 43) был синтезирован только в 1937 г.

В каком-то смысле можно сказать, что Менделеев открыл свою систему не на основании фактов, а вопреки им. Он как будто видел заранее всю таблицу и принимал во внимание лишь те факты, которые ей не противоречили. Как в загадочной картинке «Найди охотника!», Менделеев в нагромождении линий вдруг увидел четкие контуры другой, осмысленной картины. А различив ее однажды, не замечать ее в дальнейшем уже невозможно. (Это свойство человеческой психики каждому хорошо знакомо.) Здесь Менделеев обнаружил ту сторону своего ума, которая отличает гения от таланта: большую интуицию — редкий дар природы, позволяющий увидеть истину сквозь шелуху неверных фактов.

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

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

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

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

что определяет порядок расположения элементов в таблице?

В чем причина их периодических свойств?

От чего зависит длина периодов?

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

Уже Менделеев знал, что атомная масса лишь приблизительно определяет положение элементов в таблице. И все же каким-то одному ему известным способом он сумел их упорядочить, а уже затем пронумеровал. Но имеет ли подобная нумерация глубокий смысл? Ведь с таким же успехом мы можем пронумеровать кубики из нашей детской игры-мозаики для того, чтобы можно было всегда и быстро восстановить всю картину. Это, конечно, удобно, однако глубокого смысла не имеет, поскольку номера кубиков никак не связаны с тем, что на этих кубиках изображено, и могут быть заменены другими значками, например, буквами алфавита.

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

Разгадку такой устойчивости таблицы удалось найти лишь через 44 года. В 1913 г. голландец Ван ден Брук (1870—1926) написал короткую заметку, в которой высказал предположение: порядковый номер элемента в таблице Менделеева равен заряду ядра его атомов.

В том же году, изучая рентгеновские спектры различных элементов, эту гипотезу доказал один из лучших учеников Резерфорда Генри Гвин Джеффрис Мозли (1887—1915). Работа Мозли стала главным событием в физике даже в те, полные открытий, годы. Ему не удалось ее завершить: в солнечный день 10 августа 1915 г. в бухте Сува на Дарданеллах в окопах под Галлиполи офицер связи саперной роты Генри Мозли был убит прямым попаданием в голову.

После него остались его труды, из которых следовало, что все известные элементы в таблице расставлены верно, а пустые клетки оставлены как раз на месте еще неоткрытых элементов. Такая окончательность утверждений всегда обладает необъяснимой притягательной силой. Она приобретает особое значение, когда речь идет о системе мира. После работ Мозли система химических элементов была, наконец, установлена окончательно и оставалось только понять ее особенности.

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

В согласии с законами ядерной физики заряд ядра атома примерно вдвое меньше, чем его атомная масса. Поэтому, располагая элементы в порядке возрастания их атомных масс, мы более или менее правильно выстроим их в порядке возрастания зарядов ядер их атомов. Менделеев не знал о существовании ядер, но он почувствовал, что у атомов есть еще какое-то свойство, более глубокое, чем атомная масса, и поэтому, расставляя элементы в таблице, доверял больше интуиции, чем атомным массам. Он как бы заглянул под электронную оболочку атомов, пересчитал там положительные заряды в ядре и затем это число присвоил элементу (впоследствии Ван ден Брук назовет его порядковым номером, а Резерфорд — атомным номером). Очевидно, порядковый номер — внутренняя характеристика элемента, и, конечно, он не зависит от нашего произвола, как, например, номер дома на улице. (Если продолжить нашу аналогию с детской игрой-мозаикой, то можно сказать, что все ее кубики в действительности оказались пронумерованными. Только номера эти были запрятаны внутри кубиков.)

Теперь, наконец, можно дать точное определение элемента: элемент — это вещество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра.

Нам осталось выяснить последнее: почему монотонное изменение заряда ядра атомов приводит к периодическим изменениям их химических свойств? Изменяются при этом не только химические, но и физические свойства: плотность, твердость и даже агрегатное состояние. Очевидно, причину периодического изменения свойств элементов следует искать не в ядре, а в окружающей его электронной оболочке. Первая мысль, при этом возникающая, состоит в том, что электроны вокруг ядра расположены не беспорядочно, а слоями-оболочками. Начало заполнения новой оболочки совпадает с началом нового периода, и как раз в этот момент скачком изменяются химические свойства элементов. После работ Бора подобная мысль казалась очень естественной, и он сам же ее впервые высказал.

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

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

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

l — орбитальное квантовое число, которое при заданном n принимает значения

l = 0, 1, 2, ..., n-1.

m — магнитное квантовое число; при заданных n и l оно пробегает ряд значений

m = -l, - (l-1), ..., -1, 0, 1, ..., (l-1), l.

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

Принцип запрета Паули гласит: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами.

Сосчитаем вслед за Паули, сколько электронов помещается в слое с номером n. В слое n = 1 возможны только значения l = 0 и m = 0, a s равно +1/2 и - 1/2, то есть на первой оболочке может поместиться только 2 электрона. В соответствии с этим в I периоде — только 2 элемента, водород и гелий.

В следующей оболочке с номером n = 2 орбитальный момент l может принимать два значения: l = 0 и l=1. При каждом l магнитное квантовое число принимает 2l+1 значений, то есть одно при l=0 и три при l=1. При каждом из этих значений возможны два спина: +1/2 и —-1/2, то есть в состоянии с l = 0 помещается 2 электрона, а в состоянии с l = 1 шесть электронов. Всего же на оболочке n=2 помещается 2 + 6 = 8 электронов; именно такова длина II периода — от лития до неона.

Точно так же легко сосчитать, что в слое n=3 помещается 18 электронов, то есть не более 2n² электронов в слое с номером n. Теперь удалось также понять и существование особой группы элементов — лантаноидов — в VI периоде таблицы.

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

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

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

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

Эта гармония знания основана на квантовой механике, к знакомству с которой теперь и перейдем.

ВОКРУГ КВАНТА Атомы и люди