Книга Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Цепь великих открытий

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

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

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

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

Оказалось, именно порядковый номер!

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

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

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

По-видимому, атом химического элемента устроен так, что в центре