Вид с высоты

5. Совершенный элемент

На заре научной фантастики, когда писатели относились к науке с ребяческой наивностью, они разрешали себе гораздо большую свободу действий — включали в повествование «новый элемент», который обеспечивал успех произведения или по крайней мере спасал его от провала. При помощи «новых элементов» преодолевалось тяготение, атомы увеличивались до видимых размеров, осуществлялись любые превращения материи.

«Новые элементы» стали фетишизировать главным образом после того, как в 1898 году супруги Кюри открыли в урановой руде необычный элемент — радий. Но в том же десятилетии при более драматических обстоятельствах в той же урановой руде был найден еще один элемент. Хотя этот элемент и не произвел такого фурора, как радий, он оказался, как впоследствии выяснилось, самым необычным и обладал такими удивительными свойствами, о которых ни один научный фантаст не смел и мечтать.

В последние годы значение этого элемента для человека стало огромным. Размышляя об этом, я пришел к весьма занятным выводам, о которых вы узнаете в конце главы.

В 1868 году в Индии наблюдалось полное солнечное затмение, и жаждавшие открытий астрономы собрались, чтобы опробовать новый прибор.

Это был спектроскоп, созданный в конце 50-х годов прошлого века немецкими учеными Густавом Робертом Кирхгофом и Робертом Вильгельмом Бунзеном. Принцип действия спектроскопа заключался в том, что при пропускании сквозь стеклянную призму света, который излучают раскаленные пары элементов, образуется спектр, по частям которого можно было определить длину световой волны. Каждый элемент излучает свет с характерным для него набором длин волн, и таким образом у всех элементов удалось «взять отпечатки пальцев».

Значение нового, аналитического метода исследования было наглядно продемонстрировано в 1860 году, когда Кирхгоф и Бунзен, раскалив образцы некоторых руд, получили спектральные линии, не совпадавшие с уже известными, и в результате открыли редкий элемент — цезий. На следующий год они доказали, что их успех не был случайным, открыв еще один элемент — рубидий.

Убедившись в огромных возможностях нового прибора, астрономы с нетерпением ждали случая опробовать его для исследования атмосферы Солнца (тайну происхождения которой можно было раскрыть только во время затмений), чтобы определить ее химический состав сквозь всю космическую бездну.

Почти сразу же французский астроном Пьер Жюль Жансен обнаружил в спектре желтую линию, которую он не мог отождествить с известными ему спектральными линиями. Английский астроном Норман Локьер, особенно интересовавшийся спектроскопией, сделал вывод, что желтая линия принадлежит новому элементу. По имени греческого бога солнца Гелиоса Локьер назвал этот элемент гелием.

Итак, события развертывались весьма благоприятно, если не считать того, что очень немногие из земных химиков решились поверить в неземной элемент, открытый при помощи какой-то обыкновенной полоски света. К предположению Локьера одни отнеслись безразлично, другие насмешливо.

Конечно, сейчас такой консерватизм кажется позорным, хотя, в сущности, именно в наши дни мы можем найти оправдание этому скептицизму: ведь не обязательно каждая новая линия спектра принадлежит новому элементу.

В конце концов существование гелия было доказано, и, подстегнутые этим успехом, астрономы стали находить в космосе все «новые элементы». Появление таинственных линий излучения в спектрах некоторых туманностей было приписано элементу, названному небулием (от латинского nebula — туман). Неизвестные спектральные линии в солнечной короне приписывались «коронию», а подобные же линии в северном сиянии — «геокоронию».

Однако все эти «открытия» оказались заблуждением. «Новые» линии были обусловлены излучением старых, хорошо известных элементов, находившихся в необычных условиях, которые спустя много лет удалось воспроизвести в лабораториях. «Небулий» и «геокороний» оказались просто высокоионизированными смесями кислорода и азота. Линии «корония» свойственны высокоионизированным металлам (например, кальцию). Как видите, одно лишь существование линии «гелия» ни в коей мере не доказывало существования нового элемента.

Теперь, для того чтобы не нарушать логики в ходе наших рассуждений, придется углубиться в историю еще на один век и встретиться с человеком, который опередил свое время даже больше, чем Локьер.

В 1785 году английский физик Генри Кавендиш исследовал воздух, так как именно в то время было сделано открытие, что воздух состоит из двух газов — кислорода и азота. Азот — инертный газ, то есть он не соединяется с другими веществами так активно, как кислород.

В действительности азот «особо отличался» тем, что в нем обнаружили ряд отрицательных свойств. Оказалось, что он без цвета, запаха и вкуса, не растворяется и не горит. Установили также, что хотя сам по себе он не ядовит, но жизни не поддерживает.

Кавендиш открыл, что, пропуская через воздух электрические разряды, можно заставить азот соединяться с кислородом. Полученное соединение — окись азота — ему удалось отделить при помощи соответствующих химикалий. Добавляя к воздуху кислород, ученый удалял из него все большее и большее количество азота, пока наконец у него не остался крохотный пузырек газа, который составлял всего сотую часть объема воздуха, первоначально взятого для опыта. С этим пузырьком он ничего не мог поделать и заявил, что, по его мнению, в атмосфере присутствует небольшое количество неизвестного газа, еще более инертного, чем азот.

Это был четкий эксперимент, проделанный выдающимся ученым, который сделал, как мы теперь знаем, совершенно правильный логический вывод. Тем не менее работу Кавендиша игнорировали целое столетие.

В 1882 году английский физик Джон Уильям Стретт (более известный под именем Рэлея) измерял плотность газообразных водорода и кислорода, с тем чтобы уточнить их атомные веса; заодно он решил исследовать и азот. Каждый из этих элементов был получен различными способами, и всякий раз плотности водорода и кислорода оставались одними и теми же. Совсем иначе обстояло дело с азотом.

Рэлей получил азот из аммиака и обнаружил, что удельный вес его равен 1,251 грамма на литр. Затем он выделил азот из воздуха, удалив из него кислород, двуокись углерода и водяные пары; этот азот имел удельный вес 1,257 грамма на литр. Несмотря на все попытки, Рэлею не удавалось устранить выявившееся расхождение.

Отчаявшись найти решение, он опубликовал результаты своих опытов в научном журнале и попросил читателей высказаться по этому поводу, однако никто не откликнулся. Сам Рэлей выдвинул несколько возможных объяснений: атмосферный азот мог содержать примеси более тяжелого кислорода или трехатомные молекулы N₃, то есть что-то вроде азотного аналога озона; азот из аммиака мог быть загрязнен более легким водородом или атомарным азотом. Он проверил свои предположения, но все они не подтвердились.

Лет десять спустя шотландский химик Рамзай начал работать в лаборатории Рэлея и, взявшись за раскрытие тайны азота, вернулся к опытам Кавендиша. Он предположил, что в атмосфере имеется небольшое количество газа, который остается с азотом, после того как все прочие компоненты удалены, и, поскольку этот газ, очевидно, тяжелее атмосферного азота, он-то и вызывает «незаконное» повышение удельного веса.

В 1894 году Рамзай повторил опыт Кавендиша, применив более совершенную методику. Он пропускал атмосферный азот над раскаленным магнием. Азот оказался не настолько инертным, чтобы не вступить при таких условиях в реакцию с металлом. В результате образовался нитрид магния. Однако в реакцию вступал не весь азот. Как и у Кавендиша, у Рамзая тоже оставался загадочный газ, который оказался до такой степени инертным, что даже пышущий жаром магний не смог на него воздействовать. Рамзай измерил удельный вес этого газа, и он оказался заметно выше, чем у азота. Какой же следовало сделать вывод: открыт ли новый элемент, или это просто более «тяжелая» разновидность азота — N₃?

Но, к счастью, в это время появился спектроскоп. Неизвестный газ подвергли исследованию и, обнаружив в его спектре совершенно новые линии, сразу сделали вывод, что это новый элемент. Его назвали аргоном, что в переводе с греческого значит ленивый, ибо он не вступал ни в какие химические соединения.

В конце концов объяснение чрезвычайной инертности аргона было найдено. Каждый элемент состоит из атомов, имеющих определенное число электронов, находящихся на различных орбитах (подобно отдельным слоям в луковице). Чтобы максимально упростить объяснение, скажу только одно: атом наиболее стоек, когда на самой удаленной от ядра орбите-оболочке находится восемь электронов. Сущность химических реакций заключается в том, что атом либо освобождается от нескольких электронов, либо набирает их, добиваясь, таким образом, желанного числа восемь.

А что произойдет, если у элемента в наружной «оболочке» с самого начала имеется восемь электронов? Что ж, ему повезло, так как тогда вообще нет надобности вступать в реакцию, и элемент остается инертным. Примером тому служит аргон. У него три электронные оболочки, и в третьей, самой удаленной от центра, — восемь электронов.

После открытия аргона были найдены и другие инертные газы: неон — с двумя электронными оболочками; криптон — с четырьмя оболочками; ксенон — с пятью; радон — с шестью. И в каждом случае на самой удаленной оболочке находилось по восемь электронов. (Криптон, ксенон и радон, как обнаружилось в 1962 году, вступают в некоторые химические реакции, но об этом я расскажу в следующей своей книге.)

Однако я упомянул только пять инертных газов; в настоящее время нам известно шесть. А где же шестой? Ах, да шестой — это гелий. Так давайте же вернемся к рассказу о гелии.

Как раз перед открытием инертных газов, а точнее, в 1890 году, американский химик Уильям Фрэнсис Гиллебранд, исследуя минерал, содержавший уран, заметил, что из него выделяется небольшое количество инертного газа. Газ был без цвета, вкуса и запаха, не растворялся и не горел, так что, по мнению Гиллебранда, он не мог быть ничем иным, кроме азота.

Когда Рамзаю — несколько лет спустя — попала в руки эта работа, он не удовлетворился таким объяснением. Оно основывалось только на том, что газ не имел цвета и запаха, не растворялся и не горел. Слабые доводы. Рамзай достал другой урановый минерал, собрал инертный газ и изучил его спектр.

Спектральные линии этого газа были совершенно непохожи на линии азота. Они оказались точно такими же, как и те, о которых давным-давно сообщали Жансен и Локьер, обнаружившие их в атмосфере Солнца. Итак, в 1895 году, через 27 лет после того, как Локьер впервые высказал свое предположение, солнечный элемент был найден на Земле. Гелий действительно существовал и был элементом. К счастью, и Жансен и Локьер дожили до признания их открытия (Жансен умер в 1907 году, Локьер — в 1920-м).

Гелий сразу же привлек к себе внимание. Он был самым легким из инертных газов, легче всех известных веществ, кроме водорода. Атом гелия имеет всего одну электронную оболочку; как известно, в этой внутренней оболочке может быть всего два электрона. Эти два электрона у гелия есть, и потому он оказался не просто инертным, а самым инертным из всех инертных газов, а следовательно, из всех известных веществ.

Крайняя инертность гелия была обнаружена в точке его сжижения, то есть температуре, при которой он может быть превращен в жидкость.

Когда близлежащие атомы (или молекулы) вещества сильно притягиваются друг к другу, образуется цельный кусок и мы имеем твердое тело. При нагревании оно может превратиться в жидкость или даже в газ. Переход в эти состояния совершается при таких температурах, когда тепловая энергия преодолевает силы притяжения между атомами или молекулами. Чем слабее силы притяжения, тем ниже температура, при которой происходит испарение вещества.

Если взаимодействие между атомами или молекулами достаточно слабое, то для испарения вещества требуется так мало тепла, что оно остается газообразным и при обычных условиях, а иногда даже при очень низких температурах.

Силы притяжения особенно слабы в тех случаях, когда электроны на внешней оболочке образуют устойчивую восьмиэлектронную конфигурацию. Молекула азота состоит из двух атомов азота, которые располагаются так, что каждый обладает частью из восьми электронов внешней оболочки. Сказанное верно и для других простых молекул, например хлора, кислорода, окиси углерода, водорода и прочих. Поэтому все эти газы сжижаются только при очень низких температурах.

Мало-помалу химики усовершенствовали способы достижения низких температур и научились сжижать один газ за другим. Нижеприведенная таблица иллюстрирует, как постепенно удавалось добиться все более низких температур. Точки сжижения даны в градусах по Кельвину, иначе говоря, они выражены числом градусов по Цельсию с началом отсчета от абсолютного нуля.

И вот в течение 70–80-х годов прошлого столетия, когда велась напряженная работа по получению низких температур, стало совершенно очевидно, что водород окажется самым твердым орешком. Вообще, температура сжижения падает вместе с плотностью, а водород в то время считался наименее плотным из всех известных газов и должен был иметь самую низкую температуру сжижения. Поэтому, когда впоследствии все же удалось получить жидкий водород, казалось бы, пала последняя крепость.

Однако всего за несколько лет до «покорения» водорода это достижение потеряло свое значение, потому что уже были открыты инертные газы. Атомы инертных газов, электронные оболочки которых укомплектованы, испытывают столь слабое притяжение друг к другу, что их температура сжижения значительно ниже, чем у других газов такой же плотности. Это видно из следующей таблицы, в которой даны все инертные газы, кроме гелия:

Итак, радон, ксенон и криптон, которые плотнее хлора, сжижаются при более низкой температуре. По сравнению с этиленом аргон более плотный газ, а сжижается он при значительно более низкой температуре, но неон, который в десять раз плотнее водорода, сжижается почти при такой же низкой температуре, как и этот самый легкий из газов.

Последний инертный газ, гелий, который только в два раза плотнее водорода, должен по логике вещей сжижаться гораздо труднее. Так оказалось и на самом деле. При температуре жидкого водорода гелий упорно остается в газообразном состоянии. Даже когда температура падает до точки затвердевания водорода (13° по Кельвину), гелий остается газом.

Гелий был сжижен лишь в 1908 году. Это удалось сделать голландскому физику Хейке Каммерлинг-Оннесу. Гелий переходит в жидкое состояние при 4,2° по Кельвину. Каммерлинг-Оннесу удалось охладить гелий до 1° по Кельвину путем испарения жидкого гелия в условиях полной тепловой изоляции.

Но даже при этой температуре не было никаких признаков, что гелий переходит в твердое состояние. И действительно, теперь установлено, что при обычных давлениях гелий не переходит в твердое состояние даже при абсолютном нуле, когда затвердевают все известные вещества. Гелий (странный элемент!) остается жидким. И это вполне объяснимо. Хотя обычно утверждают, что при абсолютном нуле прекращается всякое движение атомов и молекул, квантовая механика показывает, что очень небольшое остаточное движение все-таки есть. Этой малой энергии достаточно, чтобы гелий оставался в жидком состоянии. Но при температуре 1° по Кельвину и давлении около 25 атмосфер гелий становится твердым.

Жидкий гелий может проявлять и более любопытные свойства, чем просто устойчивость к низкой температуре; при охлаждении до температуры ниже 2,2° по Кельвину свойства его неожиданно меняются. Во-первых, гелий внезапно становится почти отличным проводником тепла. В любой обычной жидкости в пределах нескольких градусов от температуры кипения всегда существуют более горячие участки, где тепло аккумулируется быстрее, чем отводится. Появляются пузырьки пара, и начинается знакомое нам «волнение», которое мы связываем с кипением.

Гелий, имеющий температуру выше 2,2° по Кельвину (гелий-I), ведет себя точно так же. Однако гелий, охлажденный до температуры ниже 2,2° по Кельвину (гелий-II), испаряется без каких-либо волнений; слои атомов срываются прямо с поверхности. Теплопроводность этой жидкости (гелий-II) настолько высока, что ни одна ее часть не может быть значительно теплее другой и пузырьки не появляются вовсе.

Еще одна особенность: гелий-II практически не вязок. Он течет лучше, чем газ, и проходит сквозь такие отверстия, через которые газ не может проникнуть. Если его заключить в открытый сосуд, то он сперва покроет тонким слоем его внутренние стенки, как бы поползет по ним вверх, затем перельется через край и стечет по внешней стенке с такой скоростью, как будто он льется через отверстие в дне этого сосуда. Это явление называется сверхтекучестью.

При охлаждении до температуры жидкого гелия необычные свойства проявляются и у других элементов. В 1911 году Каммерлинг-Оннес определял электрическое сопротивление ртути при температуре жидкого гелия. Сопротивление падало вместе с температурой, и Каммерлинг-Оннес, хотя и предполагал, что оно упадет до невиданно низкого уровня, все же не ожидал его полного исчезновения. Однако это произошло. При температуре 4,12° по Кельвину электрическое сопротивление у ртути полностью исчезло. Это явление называется сверхпроводимостью.

Не только ртуть, но и другие металлы можно сделать сверхпроводниками. Есть несколько веществ, которые могут стать сверхпроводниками при температуре жидкого водорода. Некоторые сплавы ниобия становятся сверхпроводимыми уже при температуре 18° по Кельвину.

Сверхпроводимость влечет за собой появление нового качества, связанного с магнитным полем. Некоторые вещества диамагнитны, то есть они, по-видимому, отталкивают магнитные силовые линии. Через такие вещества проходит меньше силовых линий, чем через вакуум равного объема. А вещества, обладающие сверхпроводимостью, к тому же и совершенно диамагнитны; силовые линии через них вообще не проходят.

Однако, если создать достаточно сильное магнитное поле, некоторые силовые линии в конце концов смогут проникнуть в диамагнитное вещество, и тогда стоит нарушить одно необычное свойство, как все прочие идеальные свойства, включая сверхпроводимость, также меняются. (Странно говорить о совершенстве в природе. Обычно совершенство — это мечта теоретика: идеальный газ, идеальный вакуум и так далее. И только при температуре жидкого гелия в реальном мире, по-видимому, появляется подлинное совершенство.)

На явлении сверхпроводимости основано изобретение маленького устройства, которое действует как выключатель. В простейшем виде оно состоит из тонкой танталовой проволочки, намотанной на проволоку из ниобия. Если опустить это устройство в жидкий гелий, то ниобиевая проволока приобретает свойство сверхпроводимости, что позволяет пропускать по ней очень слабый электрический ток. Однако это свойство сохраняется только до тех пор, пока тока нет в танталовой обмотке. В противном случае создается магнитное поле, которое нарушает сверхпроводимость, и ток перестает течь по ниобиевой проволоке.

Если такой «криотрон» соответствующим образом отрегулировать, то его можно применять вместо электронных ламп или транзисторов. Крошечные приборы, состоящие из хитро сплетенных проволочек, смогут заменить большое число транзисторов и громоздких электронных ламп. Сложнейшая вычислительная машина будущего, вполне вероятно, будет величиной с письменный стол или даже меньше, если только ее полностью «криотронизируют».

Единственный недостаток такой машины заключается в том, что она может работать, только если ее целиком погрузить в жидкий гелий. Жидкий гелий будет при этом непрерывно испаряться, и каждая вычислительная машина станет в этих условиях причиной постоянного уменьшения запасов земного гелия.

Естественно, сразу возникает вопрос: а хватит ли на Земле гелия, чтобы поддерживать работу таких вычислительных машин, если они будут широко использоваться человечеством?

Главным и, в сущности, единственным источником не только гелия, но всех инертных газов является земная атмосфера, которая содержит на каждый миллион граммов:

Это означает, что всего в атмосфере имеется 4 500 000 000 тонн гелия. На первый взгляд эта цифра может показаться весьма внушительной, пока мы не вспомним, как сильно разбавлен этот гелий другими компонентами воздуха — кислородом и азотом. Гелий можно получать из жидкого воздуха, но ценой страшно больших затрат.

(Позвольте мне здесь перебить ход своих рассуждений и сообщить вам, что атмосферный гелий почти полностью состоит из единственного изотопа — гелия-4; правда, обнаруживают и следы стабильного изотопа, гелия-3, который образуется за счет расщепления радиоактивного водорода-3, в свою очередь возникающего в результате бомбардировки атмосферы космическими частицами. При тщательном изучении чистого гелия-3 установлено, что он превращается в жидкость только при 3,2° по Кельвину, то есть на целый градус ниже, чем обычный гелий. Однако гелий-3 не является эквивалентом сверхтекучего гелия-II. На миллион атомов атмосферного гелия приходится только один атом гелия-3, и, следовательно, его запас в атмосфере исчисляется всего в 45 000 тонн. Гелий-3, по-видимому, самый редкий из всех стабильных изотопов, имеющихся на Земле.)

Гелий находят не только в атмосфере, но и в почве. Уран и торий испускают альфа-частицы, которые являются ядрами атомов гелия. Следовательно, в течение миллиардов лет происходил процесс постепенного накапливания гелия в земной коре (вспомните, что впервые он был найден на Земле в урановой руде, а не в атмосфере). Считается, что по весу в земной коре гелия содержится примерно 0,003 миллиграмма на килограмм. Это означает, что запас гелия в земной коре примерно в 20 миллионов раз превышает запас гелия в атмосфере, но тем не менее «разбавлен» он в земной коре еще больше, чем в атмосфере.

Однако гелий — это газ. Он собирается в трещинах и пустотах, и при благоприятных условиях его можно извлекать из земли. В частности, в США скважины, из которых добывают природный газ, часто дают до одного процента гелия, а иногда и до 8 и даже до 10 процентов.

Но запасы природного газа довольно ограниченны, к тому же мы очень быстро исчерпываем их. Когда все запасы газа иссякнут, естественно, исчезнет и этот источник гелия, и нам останется только гелий, находящийся в атмосфере, и гелий, сильно рассеянный в земной коре.

Теперь представим себе общество будущего, оснащенное вычислительными машинами и расходующее последние несколько миллионов кубических метров гелия, который еще можно легко добыть. А что дальше? Наскрести ничтожнейшие его количества из воздуха и из земли? Иметь дело с жидким водородом? Отказаться от «криотронизированных» вычислительных машин и попытаться вернуться к малоэффективным гигантским электронным машинам прошлого? Допустить гибель культуры, которая будет полностью зависеть от кибернетических машин?

Я много думал об этом и вот к каким выводам пришел.

Общество, оказавшееся в таком угрожающем положении, должно развивать межпланетные путешествия (а почему бы и нет?), с тем чтобы людям не пришлось искать гелий только на Земле.

Конечно, самый значительный источник гелия в солнечной системе — это само Солнце, но в предвидимом будущем я не нахожу никакого способа, который дал бы нам возможность добыть солнечный гелий.

Другой богатейший источник гелия — Юпитер, с атмосферой глубиной, по-видимому, в тысячи километров. Она обладает исключительно высокой плотностью и, очевидно, на ¹/₃ состоит из гелия. Недавно были высказаны предположения, что атмосфера Юпитера почти целиком состоит из гелия. Как «выдоить» из Юпитера гелий, представить себе трудно, но можно.

Предположим, человечество сможет создать базу на Юпитере V, самом близком к Юпитеру спутнике. База будет расположена в каких-то 110 000 километров от видимой поверхности Юпитера (то есть от верхних слоев атмосферы). Значительное количество гелия в смеси с другими газами должно находиться даже в еще более высоких слоях атмосферы Юпитера (а следовательно, и ближе к Юпитеру V).

Теперь представьте себе армады управляемых с базы космических кораблей, которые устремляются к поверхности Юпитера и возвращаются с запасом сжатого газа. Такой газ легко разделить на составные части; гелий гораздо легче сжижать на Юпитере V, чем на Земле, так как температура там значительно ниже.

Возможно, удастся собрать, сжижить и запасти несчетное число тонн гелия. По логике вещей мы должны были бы воздержаться от отправки этого бесценного запаса куда бы то ни было, даже на Землю. Зачем тратить энергию и нести колоссальные потери, которые неизбежны при такой транспортировке?

Почему бы вместо этого не построить вычислительные машины прямо на Юпитере V?

Вот об этом-то я и обмолвился в начале главы. Думаю, что именно Юпитер V будет нервным центром солнечной системы. Я вижу, как этот маленький мир, диаметром 100 километров, обращается вокруг переполненного гелием Юпитера, извлекает из него столь необходимый для человечества газ и как постепенно на этом мире создается единый комплекс кибернетических машин, погруженных в самую необычную жидкость, которая когда-либо существовала.

Однако, по-видимому, мне повезет меньше, чем Жансену и Локьеру. Можете назвать меня пессимистом, но мне почему-то кажется, что я не увижу всего этого собственными глазами.

6. Как химики и физики нашли общий язык

Какова форма мышления людей, живущих в определенную эпоху, таковы и научные представления, присущие этой эпохе.

Например, еще в IV веке до нашей эры два греческих философа, Левкипп из Милета и Демокрит из Абдеры, разработали атомную теорию. Все предметы, говорили они, состоят из атомов. В те времена считалось, что различных видов атомов столько, сколько существует во Вселенной веществ, или «элементов», коренным образом отличающихся друг от друга. (Греки полагали, что таковых всего четыре: огонь, воздух, вода и земля.)

Многие известные нам вещества получены в результате комбинирования элементов в различных пропорциях. В процессе разложения веществ на компоненты и образования новых сочетаний в новых пропорциях одно вещество может превратиться в другое.

Все это прекрасно, но возник вопрос, по какому признаку элементы отличались друг от друга. Как установить разницу между атомами различных элементов?

Поскольку атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть или обнаружить каким-либо способом, греческие атомисты могли выбирать для атомов любой отличительный признак, какой им только заблагорассудится. Можно было предположить, что различные атомы имеют разный цвет, несходные отражательные свойства, всевозможные ярлычки на классическом греческом языке или что атомы различаются и по твердости, и по запаху, и по температуре.

Все эти предположения подходили для создания связанной теории построения Вселенной, которую можно было преподнести с подобающим достоинством (чего-чего, а достоинства у древних греков было хоть отбавляй!).

И вот тут-то и выходит на арену форма мышления. Греки специализировались на геометрии. Для них почти вся математика (хотя и не совсем вся) была геометрией, которая по возможности проникала и в другие области знания. Раз уж встал вопрос об отличительных чертах атомов, то ответ, конечно, зиждется на геометрии.

Атомы (решили греческие атомисты) отличаются друг от друга по форме. Атомы огня, очевидно, сильно иззубрены, и поэтому огонь причиняет боль. Атомы воды, наверно, гладкие и круглые, и поэтому вода так легко течет. Атомы земли, по-видимому, имеют форму кубиков, и поэтому земля такая крепкая и устойчивая. И так далее.

Все это звучало весьма правдоподобно и разумно, но так как никто никогда атомов не видел, то теория эта оставалась всего лишь схоластическим упражнением; она казалась не более правомерной, чем умствования греческих философов, не принадлежавших к школе атомистов. Но их рассуждения были более убедительны, и атомисты остались в меньшинстве (в значительном меньшинстве) на добрых две тысячи лет.

Атомистическое учение было пересмотрено в первом десятилетии XIX века английским химиком Джоном Дальтоном. Он также считал, что все состоит из атомов, которые комбинируются и переходят из одного сочетания в другое в различных пропорциях, образуя все известные нам вещества.

В эпоху Дальтона понимание природы элементов приблизилось к современному, и он уже мог говорить об атомах углерода, водорода или кислорода, а не об атомах огня и воды. Далее, в течение XVII и XVIII столетий в области химии было сделано множество открытий, для объяснения которых атомистическая теория оказалась крайне плодотворной. В результате предположение о существовании атомов (по-прежнему невидимых) оказалось гипотезой гораздо более полезной, чем во времена древних греков.

Но теперь Дальтон столкнулся с той же проблемой, что и греки. Как можно различать невидимые атомы?

Что ж, наука в канун XIX века уже перестала быть геометрической и стала просто метрической. Теперь она основывалась на измерении трех основных свойств: массы (обычно неправильно называемой весом), расстояния и времени. Этих трех измерений было достаточно, чтобы управляться с механистической Вселенной Ньютона.

Поэтому Дальтон, сообразуясь с формой мышления своих современников, игнорировал структуру и форму атомов. Все атомы для него были сходными маленькими шариками, не имеющими внутренней структуры. Он механически перенес понятие о массе, расстоянии и времени в свою теорию об атомах. Но из всех понятий он оперировал только понятием о массе. По Дальтону, все атомы одного элемента имеют одинаковую массу, которая, однако, отличается от массы атомов любого другого элемента.

Дальтон пошел в своих исследованиях дальше и (по-видимому, это самая большая его заслуга) попытался определить, каковы же эти различные массы.

Тогда речь вовсе не шла об определении массы атома в граммах. Сделать это оказалось возможным лишь много лет спустя. Совсем иное дело — определять массы относительно друг друга.

Например, атомы водорода и кислорода соединяются и образуют молекулу воды. («Молекула» — название, применимое к любому достаточно стойкому сочетанию атомов.) Можно установить путем химического анализа, что при образовании воды каждый грамм водорода соединяется с 8 граммами кислорода. Аналогично можно доказать, что при образовании метана 1 грамм водорода всегда соединяется точно с 3 граммами углерода. И, конечно, когда 3 грамма углерода соединяются точно с 8 граммами кислорода, то образуется окись углерода.

Таким образом мы определяем эквивалентные веса, то есть относительный вес различных элементов, остающийся неизменным при образовании соединений. (Соединение — это вещество, молекулы которого состоят из нескольких видов атомов.) Если произвольно установить, что эквивалентный вес водорода равен 1, то эквивалентный вес углерода будет равен 3, а кислорода — 8.

А какое это имеет отношение к атомам? Дальтон начал с простого предположения (это не мешало бы делать всем), а затем решил, что один атом водорода, соединяясь с одним атомом кислорода, образует воду. Если бы это было так, то атомы кислорода были бы, по-видимому, в 8 раз тяжелее атомов водорода; лучшего объяснения, почему 1 грамм водорода соединяется с 8 граммами кислорода, не найдешь. Как видите, число атомов обоих элементов одинаковое, но атомы кислорода тяжелее атомов водорода в 8 раз.

Следовательно, если произвольно установить, что атомный вес водорода равен 1, то атомный вес кислорода будет равен 8. По той же причине атомный вес углерода будет равен 3, если молекула метана состоит из одного атома углерода, соединяющегося с одним атомом водорода.

И сразу же неизбежно возникает вопрос: насколько правомерно предположение Дальтона? Непременно ли один атом соединяется только с одним атомом? Нет, не обязательно; 3 грамма углерода, соединяясь с 8 граммами кислорода, образуют окись углерода, а 3 грамма углерода, соединяясь с 16 граммами кислорода, образуют двуокись углерода.

Тогда можно предположить, что молекула окиси углерода состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, и, обозначив углерод буквой С, а кислород буквой О, написать формулу молекулы окиси углерода — СО. Но если углерод соединяется с двойным количеством кислорода и образует молекулу вещества, обладающего другими свойствами, то на основе учения об атоме можно предположить, что каждый атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода и образует двуокись углерода. Следовательно, формулу двуокиси углерода можно написать как СO₂.

С другой стороны, если вы считаете, что молекула двуокиси углерода — это СО, то молекула окиси углерода будет С₂О. Первое предположение, о котором говорилось выше, оказывается верным, однако в обоих случаях мы имеем дело с молекулой, в которой атом одного элемента соединяется с двумя атомами другого.

Если признать, что молекула может содержать несколько атомов определенного вида, то придется пересмотреть нашу структуру молекулы воды. Должна ли она состоять из одного атома водорода и одного атома кислорода согласно формуле НО? А что, если формула будет другой? Например, НO₂, или НO₄, или даже Н₁₇O₄₇?

К счастью, имеется способ разрешить наши сомнения. В 1800 году два английских химика, Уильям Никольсон и Энтони Карлайл, доказали, что, пропустив через воду электрический ток, можно получить газообразные водород и кислород. Тотчас же было установлено, что водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Таким образом, хотя масса кислорода в воде была в 8 раз больше массы водорода, по объему водорода было вдвое больше, чем кислорода.

Имело это какое-либо значение? Трудно сказать. Атомы газообразного водорода могли быть расположены друг от друга вдвое дальше, чем атомы газообразного кислорода, и поэтому разница в объеме, возможно, не имела никакого отношения к числу полученных атомов.

Однако в 1811 году итальянский химик Амедео Авогадро высказал предположение, что поведение газов при образовании химических соединений нужно объяснять исходя из того, что равные объемы различных газов содержат равное число частиц. (Этими частицами могли быть или атомы, или молекулы.)

Следовательно, если объем водорода, полученного при электролизе воды, будет вдвое больше объема кислорода, то и частиц в объеме водорода будет вдвое больше. Предположение, что эти частицы — атомы (или молекулы, содержащие одинаковое число атомов), оказалось верным. Из него следует, что в молекуле воды атомов водорода вдвое больше, чем атомов кислорода.

Тогда для воды не пригодна формула НО — должна быть хотя бы формула Н₂O. Если 8 граммов кислорода соединяются с 1 граммом водорода, то это значит, что единственный атом кислорода в 8 раз тяжелее двух атомов водорода. Если мы все же примем атомный вес водорода равным 1, то атомный вес кислорода будет тогда равен 16.

Аналогичным образом в конце концов была установлена формула метана, СH₄, так что один атом углерода должен быть в три раза тяжелее, чем все четыре атома водорода, вместе взятые. (Вспомните, что эквивалентный вес углерода равен 3.) Следовательно, если атомный вес водорода равен 1, то атомный вес углерода равен 12.

«Правило Авогадро» (так назвали предположение итальянского ученого) помогло решить и еще одну проблему. Один литр водорода, соединяющийся с одним литром хлора, образует хлористый водород. Было бы справедливо предположить, что молекула хлористого водорода состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. И тогда формула хлористого водорода (если обозначить хлор символом Cl) выглядела бы так: HCl.

Литр водорода и литр хлора, согласно правилу Авогадро, содержат одинаковое число частиц. Если предположить, что частицы состоят из отдельных атомов, то число молекул образовавшегося хлористого водорода должно быть равно только половине общего числа атомов водорода и хлора, взятых для реакции (так же как число супружеских пар равно половине общего числа мужчин и женщин, если предположить, что все состоят в браке).

Итак, казалось бы, полученный газообразный хлористый водород должен составить по объему только половину общего объема исходных водорода и хлора. Один литр водорода плюс один литр хлора (всего два литра) должны образовать лишь один литр хлористого водорода.

Однако этого не получается. Один литр водорода и один литр хлора, соединяясь, образуют два литра хлористого водорода. Общий объем газа не меняется, и поэтому не может измениться и общее число частиц. Проще всего разрешить эту дилемму, предположив, что газообразные хлор и водород состоят не из единичных атомов, а представляют собой скопление молекул, каждая из которых состоит из двух атомов.

Но молекула водорода (Н₂), соединяясь с одной молекулой хлора (Сl₂), образует две молекулы хлористого водорода (НСl, НСl). Не изменяется ни общее число частиц, ни общий объем. Аналогично можно показать, что газообразный кислород также состоит из молекул по два атома (O₂).

С помощью таких доказательств и других обобщений, которые я здесь опускаю, были определены атомные веса и молекулярная структура целого ряда веществ. Очень большой вклад в это внес шведский химик Йонс Яков Берцелиус, который к 1828 году определил атомные веса ряда веществ поразительно точно, даже если подходить к его работе с современными требованиями.

Однако тропы науки столь же тернисты, как и пути настоящей любви. Химик может быть так же слеп, как и безумно влюбленный; подтверждением служит то, что в течение всей первой половины XIX столетия понятия «атом» и «молекула» рассматривались как равнозначные. Мало было химиков, которые не путали бы эти понятия, и лишь немногие отличали атомный вес хлора, равный 35,5, от молекулярного веса того же хлора, равного 71 (поскольку молекула хлора содержит 2 атома). К тому же химики путали атомный вес с эквивалентным, и им было трудно понять, что, хотя эквивалентные веса углерода и кислорода равны 3 и 8 соответственно, атомные веса будут равны 12 и 16. Как бы для того, чтобы еще больше усложнить дело, молекулярный вес кислорода оказался равным 32!

Это внесло сущий хаос во все химические расчеты, на которых основывались выводы о структуре молекул. В неорганической химии, имевшей дело с простыми молекулами, положение было еще довольно сносное, но в органической, где молекулы состоят из десятков атомов, путаница была невероятная. Только для уксусной кислоты, одного из простейших органических соединений, молекула которой состоит всего из восьми атомов, было предложено 19 различных формул.

В 1860 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле, решив навести в этом деле порядок, организовал первый Международный химический конгресс, который собрался в Карлсруэ (Германия).

Душой конгресса оказался итальянский химик Станислао Канниццаро. В официальных выступлениях и неофициальных встречах он настойчиво указывал, как важно упорядочить дело с атомными весами, подчеркивал необходимость различать атомы и молекулы и эквивалентные и атомные веса. Вновь и вновь он говорил о значении гипотезы своего соотечественника Авогадро, гипотезы, которую большинство химиков игнорировало целых полстолетия.

И он добился своего: в следующем же десятилетии положение в химии выправилось и был взят верный курс.

Результат превзошел все ожидания. После того как Канниццаро сумел доходчиво показать, что такое атомный вес, некоторые химики стали располагать элементы в порядке его увеличения, чтобы посмотреть, нет ли в этом какой-либо закономерности. В 1860 году было известно около шестидесяти элементов; разнообразие их форм, видов, образцов приводило химиков в смятение. Никто не мог предсказать, сколько еще элементов будет найдено и какими свойствами они могут обладать.

Первые попытки расположить элементы по атомному весу были, по-видимому, интересны, но в общем все рассматривали их не более как своеобразную химическую классификацию. И тут выступил русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, который в 1869 году расположил элементы в таблицу. Его система значительно превосходила все прежние. Для того чтобы в таблице не нарушалась последовательность атомных весов, он оставлял в ней пустые места, которые, как он утверждал, означают, что существуют еще не открытые элементы. В частности, он предсказал свойства трех элементов. В последующие 10 лет эти элементы были открыты, и их свойства в точности совпали со свойствами, предсказанными Д. И. Менделеевым.

Невозможно описать, какая это была сенсация. Атомный вес элементов стал «гвоздем дня», и многие химики начали работать над все более и более точным определением атомных весов. Бельгийский химик Жан Сэрве Стас составил таблицу атомных весов элементов, которая была намного совершеннее таблицы, предложенной Берцелиусом в 60-х годах XIX века, но наибольших успехов в этой области удалось добиться лишь в первое десятилетие XX века, ровно через 100 лет после первых попыток Дальтона. Американский химик Теодор Уильям Ричардс анализировал различные химические соединения, принимая совершенно фантастические меры предосторожности по устранению загрязнений и других причин, которые могли бы внести ошибку в его расчеты, и получил настолько точные данные об атомных весах элементов, что в 1914 году был удостоен Нобелевской премии за успехи в области химии.

Однако получилось так, что с этого времени определение атомных весов элементов стало уделом физиков, а не химиков.

Все началось с открытия элементарных частиц в 1890 году. Выяснилось, что атом — это отнюдь не шаблонная сферическая частица. Оказалось, что он состоит из еще более мелких частиц, иные из которых электрически заряжены.

Было установлено, что атомы разных элементов в основном отличаются друг от друга не по весу, а по количеству положительных электрических зарядов, приходящихся на ядро атома. (И снова сказалась форма мышления людей данной эпохи, так как на исходе XIX столетия механистическая Вселенная Ньютона уступала место Вселенной силовых полей, которая соответствовала теориям английского химика Майкла Фарадея и шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла.) Понятие об электрическом заряде хорошо вписывалось в предлагаемую теорию силовых полей.

Оказалось, что большинство элементов состоит из ряда атомов, имеющих не совсем одинаковый атомный вес. Этот ряд атомов был назван изотопами (мы поговорим о них в главе 7).

То, что мы когда-то называли атомным весом, на самом деле является всего лишь средним из весов различных изотопов, слагающих химический элемент.

Физики стали определять относительные массы отдельных изотопов нехимическими методами, степень точности которых далеко превосходила все, что давали обычные способы, применявшиеся химиками и даже нобелевским лауреатом Ричардсом. Чтобы получить точный атомный вес, нужно было всего лишь взять средневзвешенные массы изотопов, из которых слагаются элементы, учитывая содержание каждого изотопа в элементе, найденном в природных условиях.

То обстоятельство, что атомный вес, таким образом, вошел скорее в физическую, чем в химическую, систему мер, не могло бы смутить даже самого самолюбивого химика, если бы только физики не начали пользоваться в своих расчетах величинами атомного веса не совсем так, как химики. К сожалению, все осложнилось тем, что правы оказались физики, а не химики.

Как это случилось, я сейчас объясню.

С самого начала измерение атомного веса требовало установления стандарта. Самым логичным, по-видимому, было бы взять в качестве стандарта атомный вес водорода. В то время предполагалось (а теперь это со всей достоверностью доказано), что атом водорода самый легкий, и поэтому вполне естественно было принять его вес за единицу.

Вся беда заключалась в том, что при определении атомных весов приходится танцевать от… эквивалентных весов (во всяком случае, на первых порах). Для определения эквивалентных весов надо работать с двумя элементами, которые легко соединяются. А тут водород непосредственно соединяется всего лишь с несколькими элементами, тогда как кислород — со многими. Поэтому практически в качестве стандарта оказалось удобнее принять кислород, а не водород. Это обстоятельство потребовало внесения некоторых поправок.

В конце-концов, частное от деления атомных весов элементов никогда не равно целому числу. Если принять атомный вес водорода точно за единицу, то атомный вес кислорода не будет равен точно 16; скорее — 15,9. Но раз кислород является элементом, который чаще всего используется при определении эквивалентных весов, то было бы неудобно пользоваться таким числом, как 15,9. Легче принять атомный вес кислорода точно за 16, и тогда атомный вес водорода станет чуть больше единицы (точно 1,008).

Можно назвать это стандартом «О-16». Химики были очень довольны и ничего не имели против до 20-х годов нашего столетия. Но затем опять начались осложнения.

В 1929 году было открыто, что кислород представляет собой смесь трех различных изотопов. Из каждых 100 000 атомов кислорода большинство — 99 759 — имеют атомный вес около 16. Однако 204 атома имеют атомный вес около 18, а остальные 37 — около 17. (Изотопы можно изображать символами О¹⁶, О¹⁷, О¹⁸.)

Приняв атомный вес кислорода за 16, химики считали, что средний вес трех изотопов равен 16. Самый распространенный изотоп кислорода имеет вес чуть-чуть меньше 16 (точно 15,9956), и массы сравнительно небольшого числа атомов более тяжелых изотопов кислорода как бы подтягивали эту цифру до отметки 16.

Физиков, изучавших строение ядра, в большей степени интересовали отдельные изотопы, а не произвольное сочетание изотопов в одном элементе. И логика была на их стороне, потому что масса отдельного изотопа, насколько известно, абсолютно постоянна, в то время как средняя масса атомов элемента слегка колеблется при очень малом изменении смеси в различных условиях.

Теперь мы имеем две шкалы. Первая — «химический атомный вес», на основе стандарта «O-16», вторая — «физический атомный вес», на основе стандарта «O¹⁶-16».

По шкале химических атомных весов атомный вес кислорода равен 16,000; по шкале физических атомных весов более тяжелые изотопы кислорода увеличивают средний вес до 16,0044. Естественно, атомные веса всех других элементов должны соответственно измениться, — у каждого элемента атомный вес по физической шкале будет на 0,027 процента выше, чем по химической шкале. Таким образом, химический атомный вес водорода равен 1,0080, а физический — 1,0083.

Разница небольшая, но все же неточность есть. Химикам и физикам не следовало доводить дело до таких разногласий. Хотя логика была не на стороне химиков, они не соглашались отказаться от своих прежних показателей, боясь путаницы при внесении поправок в уйму расчетов, которые основывались на старых химических атомных весах и были запечатлены в химической литературе.

И тут-то физикам пришло в голову, что, пользуясь стандартом «О¹⁶-16», они слепо следуют за предвзятым мнением химиков, давно уже потерявшим какую-либо ценность. Единственной причиной, почему кислород использовался в качестве стандарта, было то, что с его помощью легко определялись эквивалентные веса.

Но физикам не было дела до эквивалентных весов, поскольку они ими не пользовались. Физики определяли массы заряженных атомов, пропуская их через магнитное поле известной силы и измеряя эффект, который получался при прохождении этих атомов.

Для этих целей выбор атомов кислорода в качестве стандарта был не совсем удачен. Было бы удобнее пользоваться атомами углерода. Масса самого распространенного изотопа углерода, С¹², была определена более точно, чем масса любого другого изотопа. Тем более что С¹² имел массу, равную 12,003803 по физической шкале, а по химической шкале — почти точно 12.

Почему бы тогда не принять шкалу «С¹²-12»? Она столь же логична, как и шкала «O¹⁶-16». Более того, шкала «С¹²-12» была бы почти такой же, как и химическая шкала «О-16».

В 1961 году Международный союз теоретической и прикладной физики выпустил своего рода указ, узаконивший новую шкалу. Масса С¹² была принята точно за 12,000000 (при этом было допущено понижение на 0,033 %). Естественно, что значения масс всех других изотопов уменьшились соответственно на такой же процент, и шкала «С¹²-12» оказалась немного ниже шкалы «О-16».

Таким образом, химические атомные веса водорода и кислорода, равные 1,0080 и 16,0000 соответственно, по новой физической шкале стали равны 1,00797 и 15,9994 соответственно.

Теперь разница между химической и старой физической шкалами составляла только 0,003 процента.

Химики перестали сопротивляться; разница была так мала, что не влияла ни на какие прежние расчеты в химической литературе. Поэтому Международный союз теоретической и прикладной химии тоже принял шкалу «С¹²-12». С 1961 года физики и химики снова говорят на одном языке атомного веса.

Обратите внимание на то, как это было сделано. Физики взяли на себя труд найти компромиссное решение, и это было победой химиков. С другой стороны, химики признали логичным, что в качестве стандарта всем надо взять один изотоп, и это было победой физиков.

И так как стандарт, который ныне принят, является пока самым точным, то выиграли от этого все.

Вот так и надо решать все дела в мире.

7. Четные берут верх

Недавно меня попросили написать статью о применении радиоактивных изотопов в промышленности. Когда я писал, мне стало как-то грустно оттого, что приходилось иметь дело только с практическим использованием изотопов.

В изотопах есть много такого, что не находит применения на практике, но о чем стоило бы поговорить.

Путь, по которому термин «изотоп» вошел в научный лексикон, был довольно извилистым. За два тысячелетия большинство элементов было выделено и идентифицировано. В 1869 году русский химик Д. И. Менделеев расположил известные элементы в порядке возрастания атомного веса и показал, что можно составить таблицу, в которой элементы (в указанном порядке) располагаются так, что вещества, имеющие близкие свойства, попадают в одну колонку.

К 1900 году периодическая таблица стала святыней химиков. Каждый элемент имел свое место в таблице, и почти все клетки в ней были заполнены. Правда, были еще и пустые места, но это уже никого не беспокоило, так как все знали, что список известных элементов неполон. Со временем химики уверились в том, что каждое свободное место в таблице займет вновь открытый элемент. И они не ошиблись. Последний «пробел» был заполнен в 1948 году, а список элементов, известных Менделееву, был продолжен. В настоящее время известно 103 различных элемента^[5].

Однако после 1900 года возникло серьезное противоречие. Среди радиоактивных продуктов распада урана и тория были найдены вещества, которые по правилам XIX века следовало бы отнести к новым элементам, так как их свойства не были похожи на свойства ни одного из других элементов… но места для них в периодической таблице не оказалось.

Тогда несколько ученых решили помещать сразу по два, а то и по три элемента в одну клетку таблицы. В 1913 году английский физик Фредерик Содди предложил назвать такие элементы изотопами, что в переводе с греческого означает «то же место».

Последующие открытия реабилитировали периодическую таблицу. Английский физик Эрнест Резефорд уже в 1906 году показал, что атом состоит из крохотной центральной части, содержащей положительно заряженные протоны, и сравнительно большой внешней области, где обращаются отрицательно заряженные электроны. Число протонов в центре равно числу электронов на периферии, и так как величина положительного электрического заряда протона (произвольно принятая за +1) в точности равна величине электрического заряда электрона (которая, естественно, равна –1), то атом в целом электрически нейтрален.

Следующий шаг сделал молодой английский физик Генри Гвин-Джефрис Мозли. Изучая длину волн рентгеновского излучения различных элементов, он сделал вывод, что общий положительный заряд ядра каждого элемента имеет характерную величину. Она была названа атомным номером.

Например, атом хрома имеет ядро с положительным зарядом 24, атом марганца — ядро с положительным зарядом 25, атом железа — 26. Теперь можно сказать, что эти элементы имеют атомные номера 24, 25, 26. Далее, раз положительный заряд точно соответствует числу протонов в ядре, то каждый из этих трех элементов имеет соответственно по 24, 25 и 26 протонов в ядре, вокруг которого вращаются 24, 25 и 26 электронов.

В XIX столетии считали, что все атомы элемента тождественны. Это было лишь предположение, но оно лучше всего объясняло тот факт, что все образцы элемента имеют одинаковые химические свойства и одинаковый атомный вес.

Та же точка зрения господствовала и во времена, когда атомы считались твердыми, неделимыми, похожими один на другой шариками.

Но в XX веке такое объяснение уже никак не вязалось с новыми представлениями, согласно которым атомы — это сложные сочетания мельчайших частиц.

Обработка результатов рентгеновского анализа показала, что атомный номер элемента сообразуется с общей для каждого элемента закономерностью, то есть все его атомы имеют одинаковое число протонов в ядре, а следовательно, и одинаковое число электронов в наружных слоях. В период с 20-го по 30-й годы было доказано, что химические свойства элемента зависят от числа электронов в атоме и, следовательно, все атомы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами. На первых порах такое объяснение удовлетворяло всех.

Что касается атомного веса, дело обстояло не так просто. С самого начала возникновения теории атомного ядра было известно, что, кроме протонов, в ядре должны быть какие-то другие частицы. Например, ядро атома водорода легче ядер атомов всех прочих элементов, и оно несет положительный заряд, равный 1. Поэтому было естественно предположить, что ядро атома водорода состоит из одного-единственного протона. Атомный вес водорода принято было считать равным единице еще задолго до того, как решился вопрос о строении атома, и это оказалось вполне обоснованным.

С другой стороны, атомный вес гелия считался равным 4, так как было известно, что его ядро в 4 раза массивнее ядра атома водорода. Невольно напрашивался вывод, что в ядре гелия должно быть четыре протона. Однако его атомный номер, определяемый положительным зарядом ядра, был равен всего двум, а это в свою очередь наталкивало на мысль, что в ядре должно быть всего два протона.

С этими двумя различными, но вполне закономерными выводами что-то надо было делать. Единственной другой субатомной частицей, известной в первые десятилетия нашего века, был электрон. Если предположить, что в ядре атома гелия имеется четыре протона и два электрона, то его атомный вес оказывается равным четырем, потому что вес электронов ничтожен по сравнению с весом ядра. Атомный номер тогда был бы равен двум, так как положительный заряд двух протонов оказался бы компенсированным отрицательным зарядом двух электронов.

Однако даже при таком представлении о ядре концы с концами все равно не сходились. Например, получалось так, будто в ядре атома гелия шесть отдельных частиц — четыре протона и два электрона, а это противоречило другим уже известным из опытов фактам. Физики почесывали затылки и уныло перешептывались.

И вот в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, и в конце концов оказалось, что с теорией все в порядке. Нейтрон равен (вернее, почти равен) по своей массе протону, но заряда не имеет. Теперь можно было считать, что в ядре атома гелия два протона и два нейтрона. Положительный заряд и, следовательно, атомный номер равен двум, а атомный вес — четырем. Все четыре частицы ядра атома гелия оказались на своем месте, и теперь концы с концами сходились.

А как же влияет на химические свойства элементов присутствие нейтронов в ядре атома? Никак или по крайней мере незаметно.

Возьмем для примера атом меди. Он имеет атомный номер 29, и поэтому у каждого атома меди есть 29 протонов в ядре и 29 электронов, вращающихся вокруг ядра. Но атомный вес меди равен (приблизительно) 63, и поэтому ядро меди должно содержать, кроме 29 протонов, еще и 34 нейтрона. У нейтронов нет электрического заряда, который надо было бы нейтрализовать. 29 электронов уравновешивают 29 протонов; что касается нейтронов, то в этом плане их можно сбросить со счетов.

Теперь предположим интереса ради, что атом меди обладает ядром, в котором 29 протонов и 36 нейтронов, то есть на два нейтрона больше, чем предполагалось ранее. Такому ядру по-прежнему требовалось бы всего 29 электронов, чтобы сбалансировать электрический заряд, а его химические свойства, которые, как известно, зависят только от количества электронов, оставались бы такими же.

Другими словами, если судить только по химическим свойствам, то не все атомы элемента непременно должны быть тождественны. Число нейтронов в ядре может изменяться, и с химической точки зрения это не имеет никакого значения. Так как периодическая таблица опирается на химическую общность элементов, которые определяют по присущим им химическим свойствам, то каждое место в периодической таблице может занимать целая группа разнообразных атомов с различным числом нейтронов, но при условии, что число протонов во всех этих атомах будет одинаковым.

Как же это может повлиять на атомный вес?

Обе упомянутые разновидности атомов меди, естественно, должны были полностью перемешаться за все время существования Земли. Имея одинаковые химические свойства, они должны были бы пройти один и тот же путь в геохимических процессах; в равной мере взаимодействовать со средой, в одно и то же время и в одинаковой степени растворяться и выпадать из растворов. Оба вида атомов были неотделимы — и в результате любой образец элемента, взятый в природе или полученный лабораторным путем, должен содержать одинаковую смесь этих двух изотопов меди.

Таким образом, определяя атомный вес, химики XIX столетия получали средний атомный вес этого элемента. Средний вес был всегда одинаков, но это не означало, что каждый атом в точности похож на другой.

Что же нарушилось в столь удобной для химиков схеме, когда была открыта радиоактивность?

А вот что. Радиоактивный распад — процесс ядерный, и сама возможность его возникновения, скорость и характер протекания — все это зависит от расположения частиц в ядре и не имеет ничего общего с электронами, находящимися вне ядра. Следовательно, два атома, в ядрах которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, должны обладать одинаковыми химическими, но разными ядерными свойствами. Именно благодаря общности химических свойств они стоят в одной и той же клетке периодической таблицы. (Разные ядерные свойства тут не играют роли.)

Но в первом десятилетии нашего века, когда еще не знали о разнице между химическими и ядерными свойствами, началась общая паника: многим казалось, что периодическая система элементов терпит крах.

Было бы легко различить два изотопа (которые, как мы теперь знаем, являются двумя атомами с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов в ядрах), если бы все решала радиоактивность. А что, если ни один изотоп не радиоактивен? Может ли существовать не один, а несколько нерадиоактивных изотопов каждого данного элемента?

Что ж, если бы существовало множество нерадиоактивных изотопов, то они отличались бы друг от друга только по массе. Атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами имел бы массовое число 63, а с 29 протонами и 36 нейтронами — 65. (Выражение атомный вес остается для средних масс встречающихся в природе смесей изотопов каждого данного элемента.)

В 1919 году английский физик Фрэнсис Уильям Астон изобрел масс-спектрограф, в котором атомы в ионизированном виде (то есть с одним или несколькими выбитыми электронами, так что каждый атом имеет положительный заряд) можно было прогонять через магнитное поле. При этом ионы отклоняются и проходят по кривым, кривизна которых зависит от массы того или иного иона. Следы изотопов, имеющих различные массы, исчезают в разных местах фотопластинки, а по интенсивности следов можно определять соотношения количеств отдельных изотопов. Например, атомы меди с 34 нейтронами составляют 70 процентов всех атомов меди, а атомы с 36 нейтронами — остальные 30 процентов. Вот поэтому атомный вес меди равен не точно 63, а 63,54.

Чтобы различать изотопы, химики пользуются массовыми числами. Атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами имеет массовое число 63 (29 + 34 = 63) и поэтому может быть назван «медью-63», а атом с 29 протонами и 36 нейтронами соответствует «меди-65». Эти числа ставятся за символами, в индексе, например: Cu⁶³, Cu⁶⁵.

По такой системе мы узнаем только общее число протонов и нейтронов. Химики не пользуются ею, ибо, помня атомный номер каждого элемента наизусть (или украдкой заглядывая в периодическую таблицу, когда никого из посторонних нет поблизости), они знают и число протонов в ядре. Вычитая атомный номер из массового числа, они получают число нейтронов.

Но для наших целей я собираюсь обозначать изотопы иначе — ясно указывая как число протонов, так и число нейтронов. Например, медь-29/34 и медь-29/36. Если мне захочется назвать сразу оба изотопа, то я напишу: медь-29/34,36. Думаю, что такая система вам придется по душе.

Приняв на вооружение все вышеизложенное, мы можем теперь присмотреться к изотопам более внимательно. Давайте, например, разделим их на три разновидности. Во-первых, есть радиоактивные изотопы, которые распадаются так быстро (не более нескольких миллионов лет), что все они существуют, появившись на свет сравнительно недавно, в результате какой-нибудь ядерной реакции — либо в природных условиях, либо в лаборатории. Назовем их нестабильными изотопами. Хотя их известно более тысячи, каждый из них существует в таких фантастически малых количествах (если они вообще существуют), что они дают о себе знать только физикам-ядерщикам, вооруженным специальными приборами.

Во-вторых, есть изотопы, которые радиоактивны, но распадаются так медленно (по меньшей мере сотни миллионов лет), что те, которые мы обнаруживаем сегодня, существовали и при образовании Земли. Каждый из них, несмотря на медленный распад, находится в природе в таких количествах, что их можно обнаружить даже допотопными химическими методами XIX века. Назовем их полустабильными изотопами.

И, наконец, есть изотопы, которые вообще нерадиоактивны или настолько слабо радиоактивны, что даже самые чувствительные приборы не могут этого обнаружить. Назовем их стабильными изотопами.

В этой главе речь пойдет только о полустабильных и стабильных изотопах.

Не менее 20 из 103 известных сегодня элементов обладают только нестабильными изотопами и потому существуют в природе в незначительном количестве. Перечислим их в таблице.

Заметьте, что все эти элементы, кроме двух, стоят в самом конце известного перечня элементов и имеют атомные номера от 84 до 103. Здесь не хватает только двух элементов, а именно элемента с атомным номером 90 (торий) и с номером 92 (уран); оба номера, как видите, четные. С другой стороны, в начале нашей таблицы приведены два элемента с нечетными атомными номерами — 43 (технеций) и 61 (прометий). Остальные 83 элемента обладают по крайней мере одним стабильным или полустабильным изотопом и поэтому встречаются на Земле в достаточном количестве. (Нет таких стабильных или полустабильных изотопов, которые бы не встречались в природе в достаточном количестве.) Некоторые из этих элементов обладают только одним таким изотопом, другие — двумя, тремя и даже большим числом.

Мне кажется весьма странным, что, хотя во всех учебниках химии, которые я когда-либо читал, всегда перечисляются элементы, ни в одном из них не дается систематизированного перечисления изотопов.

Например, я никогда не встречал полного перечня всех тех элементов, которые обладают только одним стабильным или полустабильным изотопом. Дабы заполнить этот пробел, привожу здесь такой перечень (звездочками здесь и в последующих таблицах помечены полустабильные изотопы).

Имеется 21 элемент с одним стабильным или полустабильным изотопом, и заметьте, что во всех случаях, кроме двух (бериллий и торий — первый и последний в списке), одиночные изотопы имеют нечетное число протонов в ядре и четное число нейтронов. Назовем их изотопами «нечет/чет».

Теперь давайте перечислим элементы, которые обладают двумя стабильными или полустабильными изотопами.

Как видите, таких элементов 23, из них 20 обладают нечетным числом протонов.

Если вы взглянете на эти таблицы, то увидите, что из 52 известных элементов с нечетными атомными номерами 12 не обладают стабильными или полустабильными изотопами, 19 обладают только одним стабильным или полустабильным изотопом и 20 — только двумя. Всего получается 51 элемент.

Есть один-единственный элемент с нечетным атомным номером, который нами еще не упоминался; и если вы просмотрите список, то установите, что пропущенный элемент имеет атомный номер 19 — это калий. У него три стабильных или полустабильных изотопа. Привожу его данные отдельно, не занося в таблицу: калий-19, 20, 21*, 22. (Напоминаю: звездочка у числа нейтронов означает, что это полустабильный изотоп.)

На 10 000 атомов калия приходится всего лишь 1 атом полустабильного калия-19/21* (самого легкого из всех полустабильных изотопов), так что этот элемент едва ли имеет больше двух изотопов.

Пятьдесят два элемента с нечетными атомными номерами имеют 62 различных (перечисленных нами) стабильных и полустабильных изотопа. Из них 53 имеют четное число нейтронов, и поэтому существует всего 53 стабильных и полустабильных изотопа «нечет/чет». 53 изотопа можно разделить на 50 стабильных и 3 полустабильных (рубидий-37/50*, индий-49/66* и рений-75/112*).

Есть всего девять стабильных и полустабильных изотопов атомов с нечетным атомным номером, которые имеют также и нечетное число нейтронов. Вот полный список существующих стабильных или полустабильных изотопов «нечет/нечет»:

Как видите, из этих девяти изотопов пять полустабильных. Это означает, что в мире существует только четыре полностью стабильных изотопа «нечет/нечет». Из них водорода-1/1 «нечет/нечет» в 10 000 раз меньше, чем водорода-1/0 «нечет/чет» (я буду считать 0 четным числом). Лития-3/3 «нечет/нечет» в 13 раз меньше лития-3/4 «нечет/чет» и бора-5/5 «нечет/нечет» в 4 раза меньше, чем бора-5/6 «нечет/чет». Итак, из четырех стабильных изотопов «нечет/чет» три составляют меньшинство в собственных элементах.

Остается азот-7/7, изотоп «нечет/нечет», который не только совершенно стабилен, но и составляет 99,635 процента всех атомов азота. В этом отношении он самый нечетный из всех «нечет/нечетов».

А что можно сказать об элементах с четным атомным номером?

Здесь положение обратное. Только восемь элементов с четным атомным номером не имеют стабильных или полустабильных изотопов, и все они располагаются за атомным номером 83, где не существует ни одного полностью стабильного изотопа и почти нет полустабильных изотопов. Более того, все три полустабильных изотопа, оказавшиеся в этой части таблицы, принадлежат к элементам с четным атомным номером.

Есть еще два элемента с четными атомными номерами, которые имеют лишь по одному стабильному или полустабильному изотопу, и три элемента, у которых только по два стабильных изотопа. Вы можете убедиться в этом, просмотрев приведенные выше таблицы.

Получается, что из 51 элемента с четными атомными номерами 39 обладают более чем двумя стабильными изотопами. Один из них, олово, имеет не менее десяти стабильных изотопов. Я не буду сводить эти элементы в подробные таблицы.

Вместо этого укажу, что существует две разновидности изотопов, имеющих отношение к элементам с четными атомными номерами. Есть изотопы с нечетным числом нейтронов («чет/нечет») и с четным числом («чет/чет»).

Сведения о стабильных и полустабильных изотопах приведены в следующей таблице:

Среди изотопов преобладает группа «чет/чет», составляющая 60 процентов. Если же для сравнения взять за основу массу, то преобладание этой группы становится еще значительнее.

Среди 43 элементов с четными атомными номерами, которые обладают стабильными и полустабильными изотопами, только у одного нет изотопа «чет/чет». Это бериллий, который имеет всего один стабильный или полустабильный изотоп, — бериллий-4/5, то есть «чет/нечет».

Среди 42 других изотопов изотопы «чет/нечет» неизменно составляют большинство атомов. Изотопом «чет/нечет», который наиболее распространен в пределах собственного элемента, является платина-78/117, составляющая ¹/₃ всех атомов платины. Там, где элемент с четным атомным номером имеет более одного изотопа «чет/нечет» (у олова их три), все вместе они иногда оказываются в еще лучшем положении. Рекорд ставят ксенон-54/75 и ксенон-54/77, которые вместе составляют почти 48 процентов всех атомов ксенона. Но ни в одном случае (за исключением, конечно, бериллия) содержание изотопов «чет/нечет» не превышает 50 процентов.

Более того, изотопы «чет/нечет» господствуют именно в наименее распространенных элементах. Платина и ксенон относятся к самым редким элементам со стабильными и полустабильными изотопами. А вот в самых распространенных элементах превалируют изотопы «чет/чет».

Это наглядно проявляется при рассмотрении процентного состава земной коры. Как-то я подсчитал, какие разновидности изотопов в нее входят, и вот результат:

Почти 87 процентов земной коры состоит из элементов с четными атомными номерами. А если взять весь земной шар, то этот процент еще увеличится. Из главы 14 вы узнаете, что шесть элементов составляют 98 процентов земного шара: это железо, кислород, магний, кремний, сера и никель. Каждый из них имеет четный атомный номер. Мне думается, что наш земной шар на 96 процентов «чет/чет».

Это, пожалуй, безобразие. Как давний энтузиаст научной фантастики и активный противник существующего порядка вещей, я всегда питал необъяснимую симпатию к «нечет/нечету» в той же мере, как и ко всему необычному.