Помоги проекту - поделись книгой:
Широта и объем химико-технологических исследований, опыт естествоиспытателя-новатора были основой другой научно-технической победы Менделеева — изобретения нового вида бездымного пороха. До 80-х годов XIX века в армиях и флотах всего мира применялся по преимуществу черный порох (в основном состоявший из калиевой селитры, серы и угля). Черный порох называется также дымным. При сгорании этого пороха менее половины вещества превращается в пороховые газы, выталкивающие снаряд из канала ствола, а больше половины превращается в дым, позволяющий противнику судить о месте выстрела. Кроме того, черный, дымный, порох отличался легкой воспламеняемостью, и поэтому производство и хранение его было опасным. Издавна делались попытки получить порох, лишенный этих недостатков. Уже в 30-е годы XIX века был получен пироксилин — клетчатка (например, бумага), опущенная в азотную кислоту и затем вымытая водой и просушенная. Пироксилин при сгорании не дает дыма. Его пытались применить для армии и флота и заменить им черный порох. Но пироксилин обладал недостатками. Прежде всего он был химически нестойким, подвергался самовозгоранию, и многочисленные взрывы складов в конце концов привели к прекращению опытов с пироксилином в некоторых государствах. Кроме того, горение пироксилина было неравномерным, и это отражалось на качестве стрельбы. Дальнейший технический прогресс уменьшил опасность самовозгорания, но другие недостатки пироксилина сохранились. Он был недостаточно компактным, накаленный газ проходил через заряд, и он воспламенялся сразу весь, что вызывало высокие давления, приводившие к порче орудия. В 80-е годы был получен компактный пироксилин. Его смешивали с летучим растворителем, а затем под прессом получали пластинки различной толщины. Эти пластинки высушивались, растворитель улетучивался, и таким образом можно было располагать компактными роговидными пластинками желательной толщины. Оказалось, что эти пластинки сгорают параллельными пластами и поэтому время горения зависит от толщины пластинок. Таким образом, можно было управлять скоростью горения. Но до получения вполне пригодного бездымного пороха было еще далеко. Морское министерство обратилось в это время к русским ученым, и вскоре к разработке проблемы бездымного пороха был привлечен Менделеев. В одной из своих записок ученый говорил: «Бездымный порох составляет новое звено между могуществом стран и научным их развитием. По этой причине, принадлежа к числу ратников русской науки, я на склоне лет и сил не осмелился отказаться от разбора задач бездымного пороха, когда… угодно было обратиться ко мне с вопросами, относящимися до вводимого в армии и флоте бездымного пороха».
Менделеев был убежден, что ему удастся дать русскому флоту бездымный порох с высокими баллистическими качествами, устойчивый, получаемый сравнительно легким и простым способом. Пироксилиновый порох оказывался при существовавших тогда методах производства неоднородным. При сгорании такого неоднородного пороха различные части сгорали с различной скоростью, и это приводило к неожиданно быстрому повышению давления в канале и иногда к разрыву орудия. Эти недостатки оказывались решающими, когда речь шла об орудиях крупных калибров.
Менделеев решил получить из нитроклетчатки однородный бездымный порох с высокими баллистическими свойствами, производимый сравнительно простыми технологическими методами. К этой задаче Менделеев подошел как подлинный ученый. Он выдвинул исходное требование: нитроклетчатка должна была выделять наибольшее количество пороховых газов на единицу веса. От чего зависит выполнение такого требования, какая нитроклетчатка будет давать наибольшее количество газов, выбрасывающих снаряд и наименьший остаток углерода? Такая нитроклетчатка, отвечает Менделеев, должна содержать в своем составе достаточно кислорода, чтобы весь углерод превращался в окись углерода и весь водород в воду. Отсюда Менделеев выводил требующийся состав нитроклетчатки и указывал формулы химической реакции ее сгорания. И вот Менделеев, исходя из точного теоретического расчета, подошел к замечательному экспериментальному результату. Работая вместе с И. М. Чельцовым и другими сотрудниками, он в результате работ 1890–1892 годов получил нитроклетчатку, легко растворимую в смеси спирта с эфиром и обладающую составом, обеспечивающим необходимые качества бездымного пороха. Один из сотрудников Менделеева вспоминал, как в университетской лаборатории Менделеев показывал пробирку, где в смеси спирта с эфиром быстро, как сахар, растворялись кусочки нитрованной бумаги. Новую нитроклетчатку Менделеев назвал «пироколлодием». Стрельба пироколлодийным порохом дала блестящие результаты. Артиллеристы отмечали постоянство начальных скоростей вылета снарядов. В 1893 году бездымный порох Менделеева был применен для стрельбы из 12-дюймового орудия. Адмирал Макаров поздравил Менделеева с успешными результатами этой стрельбы. Наконец, флот мог располагать бездымным порохом.
Высокий уровень русской научно-технической мысли, экспериментальные и теоретические способности Менделеева сделали Россию родиной бездымного пороха, применимого для артиллерии крупных калибров и обладающего явными преимуществами перед ранее применявшимися взрывчатыми веществами. Однако сухопутное военное ведомство вовсе не приняло пироколлодийного пороха, а для флота его изготовляли в совершенно недостаточных количествах. В конце века морское ведомство, отказавшись от расширения принадлежавшего ему завода, передало крупный заказ на порох частным капиталистам, связанным с иностранным капиталом. В 1909 году завод, изготовлявший пироколлодийный порох, был закрыт. В Америке в то время узнали об открытии Менделеева и начали производство бездымного пороха по его методу.
Менделеев уделял большое внимание вопросам просвещения и школы. Он ратовал за введение в России всеобщего обязательного начального образования. Он подчеркивал необходимость ознакомления молодежи с русской культурой, языком и литературой. В то время среднее образование в России было основано на так называемой классической системе: учащимся преподносили в основном греческий и латинский языки. Менделеев был сторонником так называемого реального образования, знакомящего учащихся в значительно большей степени с математикой, естествознанием и современной культурой.
ФИЗИЧЕСКИЕ ИДЕИ И ОТКРЫТИЯ
В своих естественнонаучных работах Менделеев исходил из материалистического представления о природе; он был убежден в материальности и познаваемости мира. Он пришел к периодическому закону, исходя из идеи взаимной связи и превращения сил природы. Менделеев писал об открытии периодического закона: «Сущность понятий, вызывающих периодический закон, кроется в общем физико-математическом начале соответствия, превращаемости и эквивалентности сил природы».
Менделеев говорил, что естествознание открывает движение там, где на первый взгляд его не видно.
«Естественники, — писал он, — признали жизнь во всем мертвом, движение в каждом твердом теле, в каждой малейшей частице жидкости, чрезвычайно быстрые и поступательные движения в атоме газа. Для них оживотворенно то, что в общежитии считается неподвижным. Им немыслимо ныне представление о малейшей частице материи, находящейся в покое».
Менделеев резко возражает против идеалистических рассуждений о движении без материи. Он пишет: «Движение требует и предполагает движущееся…» Ленин в своей книге «Материализм и эмпириокритицизм» разбил взгляды немецкого химика Оствальда, заявлявшего в конце XIX века, будто в мире существует лишь энергия без ее носителя. Такое воззрение было названо «энергетикой», или «энергетизмом». Менделеев выступил против «энергетики» Оствальда. Он видел, что отрицание материи, отрицание вещества, сведение вещества к проявлению энергии ведет к отрицанию внешнего мира, к провозглашению внешнего мира субъективным представлением познающего «я». По словам Менделеева, «энергетики вовсе отрицают вещество, ибо, говорят они, мы знаем только энергию, веществом предъявляемую… и, следовательно, вещество есть только энергия. Такое, на мой взгляд, чисто схоластическое представление очень напоминает тот абстракт, по которому ничего не существует, кроме „я“, потому что все проходит через сознание».
В своей критике идеализма Менделеев подчеркивал, что идеализм в принципе не отличается от самого грубого суеверия, вроде распространенного в те времена в некоторых кругах «спиритизма» — веры в «духов», которых будто бы можно вызывать и беседовать с ними. Основа спиритизма, говорит Менделеев, неправильная, ложная мысль о самостоятельном существовании сознания, о сознании, не связанном с материей. «Оставаясь на подобном поле, легко впасть в тот род идей, по которому внешнего мира не существует, он только представляется нашему уму». Менделеев говорил об этом в связи с начатой им борьбой против спиритизма. В 1875 году он предложил Русскому физико-химическому обществу составить комиссию из ученых и проверить «вызовы духов», о которых говорили сторонники спиритизма, среди которых был кое-кто из крупных ученых. Работа комиссии приобрела широкую известность. Энгельс упомянул о ней в своей статье «Естествознание в мире духов»[5]. В этой статье Энгельс говорил, что естествоиспытатели, оторвавшиеся от научной философии, всегда рискуют стать жертвами самого крайнего легковерия и суеверия. Энгельс писал: «…Эмпирическое презрение к диалектике наказывается тем, что некоторые из самых трезвых эмпириков становятся жертвой самого дикого из всех суеверий — современного спиритизма»[6].
Менделеев, с его материалистическими представлениями о явлениях природы, естественно, стал руководителем группы прогрессивных ученых, выступивших против спиритизма.
Спиритизм был связан с прямым обманом и самым нелепым легковерием. Менделеев боролся и против других, более тонких проявлений идеалистической реакции. Выше говорилось об оствальдовской «энергетике». В конце прошлого века некоторые идеалисты и в особенности Мах, философия которого была разгромлена Лениным в «Материализме и эмпириокритицизме», выступили с заявлением, что учение об атомах — это чисто субъективное представление, что нельзя говорить о действительном существовании атомов. Менделеев защищал мысль о реальности атомов.
Убеждение в объективности научных законов, в материальности и познаваемости мира, в реальности атомов, мысль о непрерывном движении в природе, единстве и взаимной связи ее явлений проходит через все естественнонаучные труды Менделеева. Мы остановимся сейчас на физических трудах великого русского ученого.
Мы уже упоминали выше о работах, посвященных молекулярному сцеплению, начатых Менделеевым в юности. Эти работы были тесно связаны с химическими идеями Менделеева. Он хотел выяснить природу химических сил, заставляющих соединяться друг с другом атомы различных элементов. Менделеев стремился проникнуть в тайны химического сродства с физическими понятиями. Это было важным этапом в развитии физической химии, поднявшейся на новый уровень во второй половине XIX века благодаря трудам Менделеева.
Современная наука решает проблему химического сродства, пользуясь новыми мощными методами изучения явлений, происходящих внутри атома. Это было сделано значительно позже появления работ Менделеева, посвященных периодическому закону, и в значительной степени — на основе этого закона. После того как Менделеев, открыв периодический закон, показал связь различных элементов друг с другом, после того как было выяснено внутреннее строение атомов и явления, происходящие внутри атомов, наука смогла разъяснить природу химического сродства и валентности, т. е. способности атома присоединять к себе совершенно определенное число других атомов.
В 1860 году Менделеев еще не мог проникнуть в этот внутриатомный мир и найти причины химического сродства и валентности. Но его работы, посвященные молекулярному сцеплению, привели к крупному физическому открытию. Чтобы измерить силы молекулярного сцепления и выяснить, от чего зависит связь частиц жидкости, Менделеев пользовался тонкими капиллярными трубками, погруженными в жидкость. По таким трубкам жидкость, смачивающая их стенки, как известно, поднимается вверх. Сцепление частиц служит причиной такого подъема. Чем сильнее сцепление, тем выше поднимается жидкость. Таким образом столбик поднявшейся по капиллярной трубке жидкости измеряет силы молекулярного сцепления.
Менделеев изучал, как изменяется высота столбика, иначе говоря, как изменяются силы молекулярного сцепления в зависимости от температуры жидкости. Он нагревал жидкость, при этом молекулы жидкости начинали быстрее двигаться, связь между ними уменьшалась, и столбик в капиллярной трубке соответственно становился меньше. При определенной температуре сцепление частиц жидкости исчезало, жидкость превращалась в пар, в котором молекулы находятся в таком быстром движении, что взаимное притяжение не удерживает их друг около друга. Температуру, при которой даже при очень высоком давлении исчезают силы сцепления между молекулами жидкости, Менделеев назвал абсолютной температурой кипения жидкости. Ныне подобная температура называется критической. Когда тело нагрето выше этой температуры, всякая жидкость независимо от давления превращается в пар. В свою очередь всякий газ при охлаждении, достигая этой температуры, может быть превращен в жидкость.
Таким образом, при определенных условиях каждую жидкость можно превратить в газ и каждый газ — в жидкость. Однако такое превращение происходит, когда температура повышается (либо понижается) до абсолютной температуры кипения. Фарадей и другие физики и химики XIX века пытались, применяя высокие давления, сжать различные газы и превратить их в жидкости и во многих случаях достигали успеха. Однако, работая с некоторыми газами, они не могли достичь этой цели, и таким образом возникло ошибочное представление о «постоянных газах»: кислороде, водороде, азоте. Менделеев разъяснил, что такие газы нельзя было превратить в жидкость потому, что температура оставалась выше абсолютной температуры кипения, т. е., говоря современным языком, — выше критической температуры. Открытие Менделеева дало громадный толчок физике газов. В 70-е годы Л. Кайете и Р. Пикте удалось охладить воздух до температуры -184 °C и получить жидкий воздух. Несколько раньше ученые получили жидкую углекислоту. В конце XIX века удалось превратить в жидкость водород, а в начале нашего столетия Каммерлинг-Оннес получил в виде жидкости последний из «постоянных газов» — гелий. В дальнейшем стала развиваться во многих направлениях важная в практическом и теоретическом отношении отрасль физики — физика низких температур. В Советском Союзе работает несколько крупных лабораторий, в которых, в частности, исследуются замечательные свойства различных веществ при низких температурах вблизи температуры абсолютного нуля (-273°,13 по обычной шкале Цельсия).
Менделеев впоследствии не раз возвращался к вопросу о поведении газов и жидкостей и к разработке учения о молекулах, их движении, взаимном тяготении и отталкивании. Итогом длительных экспериментальных и теоретических исследований была работа Менделеева об упругости газов. Именно эта работа и привела Менделеева к метеорологическим исследованиям и разработке научных основ воздухоплавания, конструированию стратостата и автоматических записывающих приборов, которые можно было поднимать в атмосферу без наблюдателя.
Эта работа по упругости газов имела еще один практический результат — создание высотомера, т. е. прибора для определения высоты точки над уровнем моря. Обычный барометр показывает величину атмосферного давления, по которой можно судить о высоте точки, в которой производится наблюдение. В приборе Менделеева — высотомере отмечались лишь
Из других коренных вопросов физики Менделеева в течение всей его жизни интересовала проблема тяготения. Менделеев производил экспериментальные работы по весьма точному взвешиванию тел. В Палате мер и весов Менделеев производил тысячи экспериментов с тем, чтобы разработать методику точного взвешивания. Это было необходимо для получения образцовых гирь. В результате этих исследований точность взвешивания увеличилась в сто раз по сравнению с достигнутой ранее. Менделеев учитывал самые тонкие воздействия внешней среды, которые могли изменить результат взвешивания. Он, например, указывал на теплоту тела наблюдателя, которая может изменить показания точных весов, и помещал между наблюдателем и весами толстую деревянную доску, обитую жестью и оклеенную станиолем[7].
Наряду с собственно физическими проблемами Менделеева всегда интересовали вопросы, находящиеся на стыке между физикой и химией. Его не оставляла надежда перебросить мост между физическими теориями, описывавшими движение молекул газов, и химическими теориями, относящимися к образованию молекул из атомов. Поэтому Менделеев с такой энергией разрабатывал проблемы физической химии и ее практических применений. Среди физико-химических трудов Менделеева важное значение для современной науки приобрела выдвинутая им химическая теория растворов. В 1865 году в работе «О соединении спирта с водой» Менделеев описывал изменения плотности раствора спирта в воде в зависимости от процентного содержания спирта. Он доказывал существование связи между молекулярными и атомными явлениями, утверждал, что при изучении растворов обнаруживаются не только физические закономерности, но и химические.
В те годы большинство химиков резко разграничивало растворы и химические соединения. Господствовавшая физическая теория растворов рассматривала растворенное вещество как совокупность молекул, распространившихся между молекулами растворителя, и отрицала наличие химических связей между веществами, входящими в раствор. Напротив, химическая, или гидратная, теория утверждала, что между ними существует химическое взаимодействие. Химические соединения отличаются постоянным составом. Вода всегда состоит из одной весовой части водорода и восьми весовых частей кислорода. Разложив любые девять граммов воды, мы всегда получим один грамм водорода и восемь граммов кислорода. Таким постоянным составом отличаются и прочие химические соединения. Иное дело растворы. Если мы насыплем соду в сосуд с водой, то можно, прибавляя соду, делать раствор более концентрированным и, напротив, можно подлить в сосуд каплю, ложку, стакан — любое количество воды, и все равно мы будем иметь перед собой раствор соды, но все уменьшающейся концентрации. Таким образом, раствор этот переменного состава, в нем составные вещества могут быть представлены в самых различных весовых отношениях.
Менделеев убедительно доказал, что, несмотря на такое коренное различие между растворами и химическими соединениями, между ними существует связь — в растворах происходят химические взаимодействия между смешанными веществами. В своей капитальной работе, написанной в 1887 году, «Исследование водных растворов по удельному весу» Менделеев писал: «Я верю в то, что удельный вес растворов, как и другие их свойства, все более и более при дальнейшем изучении предмета станут искоренять убеждение о механической простоте растворения и все определеннее и яснее, реальнее и несомненнее станут убеждать в существовании чистого химизма при акте растворения».
В дальнейшем физическая теория растворов достигла больших успехов. Следует отметить, что в воззрениях Менделеева чисто физические представления соединялись с утверждением о химических связях в растворах. Именно Менделеев значительно раньше других химиков отметил столь важное для теории слабых растворов значение физического представления о распылении частиц растворимого вещества, подобно рассеянию газа. В 1887 году он писал: «Я уже давно рассматривал разбавленные растворы как наиболее интересные и представлял их себе аналогично рассеянному или распыленному состоянию материи в парообразной форме».
В «Основах химии» Менделеев говорил, что правильная теория растворов должна учитывать как химическое взаимодействие веществ, так и чисто физическую сторону дела — распыление молекул одного вещества среди молекул другого.
«Две указанные стороны растворения и гипотезы, до сих пор приложенные к рассмотрению растворов, хотя имеют отчасти различные и сходные точки, но, без всякого сомнения, со временем, по всей вероятности, приведут к общей теории растворов, потому что одни общие законы управляют как физическими, так и химическими явлениями».
Менделеев исследовал зависимость свойств растворов от их состава. Эти исследования получили впоследствии широкое развитие.
В советской химии достигло мощного развития направление физико-химического анализа, преемственно связанное с менделеевской теорией растворов. Н. С. Курнаков (1860–1941) и его ученики собрали и обобщили обширнейшие материалы о зависимости свойств растворов от их состава. Физико-химический анализ дал чрезвычайно важные результаты для современной техники.
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН
Напомним читателю о наиболее крупном событии в жизни Менделеева и одном из крупнейших событий в истории науки. В 1869 году Менделеев, расположив известные в то время химические элементы в определенном порядке (в общем соответственно возрастанию атомного веса), обнаружил периодичность химических и некоторых физических свойств простых тел и соединений элементов. Ученый пришел к периодической системе химических элементов. Он составил таблицу элементов, написав их названия один за другим в порядке возрастания атомного веса и расположив элементы со сходными химическими свойствами один под другим. При этом в столбцах таблицы — группах — оказались элементы со сходными свойствами. Эта таблица известна читателю: ее изучают во всех школах мира, ее подробно излагают во всех учебниках химии, и мы остановимся лишь на некоторых вопросах и сторонах периодической системы Менделеева, чтобы дать представление об историческом значении научного подвига великого русского ученого.
Открытие Менделеева — важная веха в истории представлений о природе. Уже великие мыслители древности Левкип, Демокрит и Эпикур говорили о мельчайших невидимых частицах вещества, из которых состоят все тела природы. Древняя атомистика возродилась, когда естествознание начало свою историческую борьбу против средневековой схоластики. В XVII–XVIII веках все корифеи естествознания размышляли о неделимых частицах, движение которых должно объяснить всю совокупность физических и химических явлений. Напомним о трудах Ломоносова, который, рисуя картину движущихся невидимых частиц, искал в ней ответа на вопросы о природе теплоты, упругости газов, химических реакций и множества других процессов.
В XIX веке картина движущихся и сталкивающихся молекул превратилась в стройное, детально разработанное, подтвержденное множеством экспериментов и практических применений учение — молекулярную физику. Одновременно химия получила множество достоверных знаний о составе различных молекул. Но внутрь атома наука еще не проникла, до этого было далеко. Объяснить различия атомов и, следовательно, различия между химическими элементами структурой атомов, числом и расположением входящих в них частиц можно было после того, как ряд крупных открытий, прежде всего открытие периодической системы, продемонстрировали известный порядок в свойствах атомов. Теперь каждое предположение о внутренней структуре атома должно было объяснить, почему при возрастании атомного веса периодически повторяются свойства элементов. Тем самым наука получила прочную опору и вместе с тем мощный стимул для дальнейшего движения. Большое значение при этом имела широта открытого Менделеевым периодического закона.
У Менделеева были предшественники, заметившие повторение свойств элементов. Но никто из этих предшественников, говоривших о сходстве между некоторыми свойствами различных элементов, не создал единой системы, объясняющей всю совокупность химических явлений.
Такую систему создал Менделеев. Он рассказывал, как в течение долгого времени происходили поиски, приведшие к открытию. На картонных карточках Менделеев писал названия элементов, атомные веса и отмечал формулы важнейших соединений. Особенное внимание он обращал при этом на валентность, т. е. на способность атома данного элемента соединяться с определенным числом атомов другого элемента. Менделеев раскладывал эти карточки в разных сочетаниях, руководствуясь мыслью о связи между элементами, о сходстве свойств различных элементов. Следует подчеркнуть, что Менделеев искал связь не только между элементами, сравнительно близкими друг к другу по своим химическим свойствам, но и между элементами несходными. Он находил такую связь, несходные элементы оказывались близкими друг к другу по атомному весу, и в свою очередь элементы со сходными свойствами отстояли друг от друга сравнительно далеко по атомному весу, причем расстояние между сходными элементами повторялось.
Менделеев рассматривал, например, литий, легкий металл, принадлежащий к числу так называемых щелочных металлов. По некоторым свойствам литий напоминает натрий — другой легкий щелочной металл. Менделеев отметил, что если расположить элементы по их атомному весу, то между литием и натрием находится шесть элементов, непохожих ни на тот, ни на другой. Следовательно, по атомному весу рядом с литием находится металл, непохожий на него по своим свойствам, а сходный с литием натрий встречается лишь на седьмом месте после лития. Вслед за натрием идет следующий промежуток, заполненный шестью элементами, непохожими на литий и натрий, и далее вновь стоит легкий щелочной металл калий. Менделеев видел, что подобные повторения появляются и в других случаях.
Обнаружив периодическое повторение химических свойств в ряду элементов, расположенных по возрастающему атомному весу, обнаружив, что между сходными элементами стоит одно и то же число других элементов, Менделеев составил таблицу элементов, написав названия сходных элементов одно под другим. Если включить в эту таблицу также все элементы, открытые позднее, то все клетки в таблице будут заполнены, таблица будет иметь вид, изображенный на рис. 2. В каждой клетке таблицы мы видим символ элемента (первые буквы латинского названия), порядковый номер и число, обозначающее атомный вес (округленно). Из клеток составляются вертикальные столбцы (группы элементов) и горизонтальные строки (периоды). В периодической системе первоначально было восемь групп элементов, т. е. между элементами со сходными свойствами находился промежуток, заполненный шестью элементами. Впоследствии Менделеев обнаружил, что свойства элементов повторяются иногда не через семь номеров (после интервала из шести элементов), а через семнадцать номеров. Таким образом, появилось представление о малых и больших периодах. Периодическая система развивалась и дополнялась.
Менделеев был настолько уверен в объективности открытого им закона, что счел возможным исправить на основании этого закона атомные веса, приписывавшиеся в то время некоторым элементам. Если бы он расположил элементы в порядке возрастания атомного веса, руководствуясь во всех случаях существовавшими тогда значениями атомных весов, то наблюдалось бы отступление от периодичности. При этом, например, под алюминием мы встретили бы титан, который отнюдь не повторяет свойства алюминия, под кремнием оказался бы ванадий, который непохож на кремний, фосфор оказался бы в одном ряду с непохожим на него хромом и т. д. Исходя из химических свойств элементов, Менделеев исправил атомные веса десяти элементов. Смелость ученого, твердое убеждение в универсальном характере открытого им закона заставили Менделеева исправить атомные веса урана, индия, платины, осмия, иридия, золота, титана, тория, церия и иттрия. Далее он с такой же смелостью отступил от правильного возрастания атомного веса и поставил кобальт, обладающий большим атомным весом, перед более легким никелем, теллур перед иодом.
Правильная периодичность наблюдалась только в том случае, когда после некоторых элементов оставалась свободная клетка. На эти свободные места своей таблицы Менделеев поставил элементы, которые тогда еще не были известны. Такие элементы следовали за алюминием (Менделеев назвал его «экаалюминием» — на санскритском языке «эка» значит «один», «экаалюминий» означает «алюминий плюс один»), кремнием («экакремний») и бором («экабор»). Менделеев предсказал даже свойства элементов, которым он заранее предоставил свободные места в своей таблице.
В 1875 году на заседании парижской Академии наук произошло чрезвычайно важное событие. Был вскрыт присланный за месяц до этого конверт. Там содержалась заметка с описанием открытия, которое сделал Лекок де Буабодран. Французский ученый пропускал через стеклянную призму свет, исходящий из различных раскаленных газов; при этом, как известно, можно видеть характерные для каждого элемента цветные линии в определенном месте спектра. Изучая цинковую обманку, добытую в Пиренейских горах, Лекок де Буабодран 25 августа 1875 года заметил новую яркую фиолетовую линию в спектре. Такая линия не принадлежала ни одному из известных тогда химических элементов. Лекок де Буабодран предположил, что в состав цинковой обманки входит до сих пор не известный новый химический элемент. Он решил получить таинственный элемент в чистом виде. При известных химических реакциях этот элемент действительно очищается от примесей, и фиолетовая линия в спектре становится более интенсивной.
В результате таких экспериментов Лекок де Буабодран получил новый элемент. В честь родины химика Галлии (Франции) этот новый элемент был назван галлием. Описание этого элемента было помещено в трудах парижской Академии наук. Менделеев прочел описание и сразу написал в Париж, что открытый Лекоком де Буабодраном галлий представляет собой описанный им ранее «экаалюминий» периодической системы. Менделеев указал при этом, что удельный вес галлия-экаалюминия должен быть не 4,7, как определил Лекок де Буабодран, а 5,9–6.
Лекок де Буабодран, ознакомившись с письмом Менделееву, продолжил свои опыты и нашел в конце концов для удельного веса галлия значение, предсказанное Менделеевым — 5,96. «Я думаю, — писал он, — нет необходимости настаивать на огромном значении подтверждения теоретических выводов Менделеева относительно плотности галлия».
Вскоре последовали новые замечательные открытия. Шведский химик Нильсен, обнаружив не известный до того элемент (названный в честь Скандинавии «скандием»), сразу понял, что перед ним менделеевский «экабор». «Следовательно, — заключил он описание свойств открытого вещества, — не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор… так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперед указать его важнейшие свойства».
В 1886 году немецкий химик Винклер, открыв новый элемент, названный германием, сначала не понял, что перед ним экасилиций, описанный Менделеевым. Но сразу же после того, как открытие Винклера было помещено в печати, он получил письмо от Менделеева из Петербурга, от Рихтера из Бреславля и Лотара Майера из Тюбингена. Все трое ученых сообщили Винклеру, что он открыл именно «экасилиций» и что германий тождествен с экасилицием. В свое время Менделеев подробнее, чем для других элементов, указал свойства экасилиция и его соединений. Поэтому изучение германия было особенно убедительной демонстрацией торжества периодического закона. Винклер писал:
«Вряд ли может существовать более яркое доказательство справедливости учения о периодичности элементов, чем открытие до сих пор гипотетического экасилиция; оно составляет, конечно, более чем простое подтверждение смелой теории, — оно знаменует собой выдающееся расширение химического поля зрения, гигантский шаг в области познания».
Впоследствии был сделан ряд новых фундаментальных открытий, подтвердивших периодический закон. В 1894 году английские ученые Рэлей и Рамзай открыли новый элемент — аргон, так называемый благородный, или инертный, газ, не вступающий в химические соединения, составляющий около одного процента атмосферного воздуха.
Вскоре Рамзай открыл другой инертный газ и послал его физику Круксу для исследования спектра. Крукс увидел, что спектральная линия новооткрытого газа совпадает со спектральной линией, наблюдавшейся еще раньше в солнечном спектре. Одна из линий солнечного спектра свидетельствовала о наличии в солнечной атмосфере некоего газа, который на Земле не был еще обнаружен. Этот газ был назван гелием (по-гречески Солнце — «гелиос»), а газ, присланный Рамзаем Круксу, давал ту же характерную спектральную линию. Крукс ответил Рамзаю короткой телеграммой: «Это гелий». Атомный вес гелия оказался равным приблизительно четырем.
Гелий должен быть поставлен в периодической таблице непосредственно после водорода. Но после водорода стоял литий, для гелия, казалось, не было места. Не было места и для других инертных газов. Рамзай предположил тогда, что гелий и аргон начинают собой новую группу в периодической системе и что через определенное число следующих за аргоном клеток таблицы в этой группе должны стоять другие инертные газы. Руководствуясь периодической таблицей Менделеева, Рамзай и его ученики нашли и другие инертные газы: неон, криптон и ксенон. Менделеев после этого дополнил свою таблицу еще одной группой — нулевой группой. Теперь в таблице, во второй и в третьей горизонтальных строках, помещается по восемь элементов (затем по 18 и далее по 32), и свойства элементов повторяются в начале таблицы через каждые восемь номеров, затем через 18 и далее через 32. Но первый период состоит всего из двух элементов — водорода и гелия.
Первым в таблице стоит водород (Н) с атомным весом, примерно равным единице. Далее в тот же период входит гелий (Не), которым и заканчивается самый короткий, первый, период. Затем начинается второй период, включающий восемь элементов: литий (Li), бериллий (Be), бор (В), углерод (С), азот (N), кислород (О), фтор (F) и неон (Ne). Следующий, третий, период также включает восемь элементов. Это три так называемых малых периода.
Вслед за ними идут большие периоды, каждый из которых включает по 18 элементов (четвертый и пятый периоды). Сначала считалось, что и в следующих периодах содержится также по 18 элементов. Впоследствии оказалось, что при этом большое число открытых позже элементов (так называемые редкоземельные металлы, или лантаниды; от элемента 57 до элемента 71) приходится все включать в одну клетку таблицы. Таким образом, следующий период включает на 18+14=32 элемента. Все эти сложные дополнительные обстоятельства были не только обнаружены, но и получили впоследствии исчерпывающее объяснение. Такое объяснение было дано уже в нашем столетии, в основном после смерти Менделеева. Периодический закон, как и ряд других великих открытий XIX века, не только обобщил и объяснил множество ранее известных фактов, но и поставил перед следующим столетием новые коренные вопросы. В самом конце XIX столетия периодическая система после триумфальных открытий 70–80-х годов (Лекок де Буабодран, Нильсен, Винклер) выдержала серьезное испытание. Как уже говорилось, к открытому в 1894 году не вмещавшемуся в таблицу Менделеева аргону в последующие годы прибавились другие инертные газы — гелий, неон, криптон и ксенон, образовавшие новую, нулевую, группу элементов. Теперь таблица состояла из девяти групп (0, I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII). Менделеев придал ей сравнительно простой вид, разделив каждый длинный период на два коротких. Это было сделано еще в 1871 году; после же открытия инертных газов «короткая» таблица получила несколько новый вид (см. таблицу на стр. 49).
Что же оставалось неясным в этой таблице? Какие вопросы ставила она перед дальнейшим развитием науки?
Прежде всего в таблице оставались свободные клетки. С другой стороны, ряд различных элементов (лантаниды) помещался в одной клетке. Но главный вопрос состоял в самой периодичности. Почему свойства элементов периодически повторяются, если элементы расположить в порядке возрастания их атомного веса. Отвечая на этот вопрос, физика XX века ответила и на многие другие столь же важные вопросы, поставленные перед ней периодической системой.
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И СТРОЕНИЕ АТОМА
Открытие Менделеева было одним из исходных пунктов развития новейшей физики, раскрывшей внутреннее строение атома и атомного ядра, освободившей атомную энергию и достигшей других замечательных успехов. В конце XIX и начале XX века физики открыли элементарные частицы, входящие в состав атомов, обнаружив таким образом сложную природу атома. Первоначально были найдены электроны — частицы, обладающие очень малой массой и отрицательным электрическим зарядом, равным единице[8]. Впоследствии были обнаружены гораздо более тяжелые (в 1836 раз тяжелее электрона) положительно заряженные частицы — протоны, электрически незаряженные частицы — нейтроны, а также ряд других элементарных частиц.
Исследование структуры атома и атомного ядра, а также открытие входящих в состав ядер элементарных частиц было тесно связано с изучением явлений радиоактивности. В 1896 году французский физик Анри Беккерель, исследуя свечение тел, пришел к важному открытию. Соли урана заставляли чернеть фотографическую пластинку, что свидетельствовало об излучении. Это ранее неизвестное излучение было названо радиоактивностью. Один из крупнейших физиков Франции Пьер Кюри и его жена уроженка Варшавы, Мария Склодовская-Кюри, изучая соединения урана, обнаружили, что смоляная урановая руда, «смоляная обманка», полученная из Чехии, отличается сильным радиоактивным излучением, бóльшим, чем даже чистый уран. Они предположили, что в этой руде имеется некий элемент, обладающий большей радиоактивностью, чем уран. В 1898 году им удалось выделить этот элемент. Действительно, оказалось, что он дает излучение в миллион раз более интенсивное, чем уран. Этот элемент был назван радием. Он испускает различного рода лучи, в том числе поток положительно заряженных частиц — альфа-лучи. Причиной излучения является распад ядер атомов радия. Уран также распадается, но так медленно, что только через 4,6 миллиарда лет его количество уменьшится вдвое. При распаде урана образуется открытый Марией Склодовской и Пьером Кюри радий. Его распад происходит быстрее, так что количество радия уменьшится вдвое примерно через 1590 лет.
В начале нашего столетия физики пришли к убеждению, что и другие элементы, кроме урана и радия, также радиоактивны. Рубидий и самарий распадаются со столь небольшой скоростью, что запас их уменьшится вдвое в течение многих миллиардов лет. Некоторые элементы распадаются в еще более длительные сроки.
Распад атомов и существование элементарных частиц, из которых состоят атомы, помогли объяснить периодичность свойств химических элементов, открытую Менделеевым в конце 60-х годов. Если атомы состоят из одних и тех же элементарных частиц, в различном числе и различным образом сгруппированных, то появляется надежда объяснить сходные свойства различных элементов сходством структур различных атомов, числом и расположением элементарных частиц, входящих в атомы. В начале нашего столетия многие физики и химики задумывались над этой проблемой. Следует упомянуть о размышлениях известного русского революционера народовольца Н. А. Морозова, заключенного в 1884 году в Шлиссельбургскую крепость и пробывшего там до 1905 года. Морозов в своей одиночной камере много размышлял о причинах открытой Менделеевым периодичности и пришел к мысли о сложной структуре атома, об атоме, в котором электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Он передал свою рукопись в 1901 году на волю, но глубину содержащихся в ней идей не оценили, и открытие Морозова не было опубликовано вплоть до 1907 года. О физической природе периодичности свойств химических элементов думали и другие ученые. Они подчеркивали, что периодическая таблица Менделеева приобретает характер родословного дерева, по которому можно судить о превращении одного элемента в другой, об их происхождений. Мысль о том, что периодическая таблица отражает развитие природы, историю происхождения химических элементов, была, в частности, высказана в 1911 году известным русским химиком Чугаевым, который писал, что в периодическом законе заключено «выражение того плана, по которому совершалась эволюция существующих элементов, выражение тех сложных и многочисленных факторов, которые оказывали влияния на ход этой эволюции».
Каким же образом современная физика и химия объясняют периодическое повторение химических свойств элементов, расположенных в порядке возрастания атомного веса?
Открытие электронов, радиоактивности, а вслед за ними элементарных положительно заряженных частиц (протонов) и электрически нейтральных частиц (нейтронов) позволило с очень большой точностью и конкретностью объяснить периодическое появление элементов со сходными химическими свойствами, последовательное (хотя и не совсем равномерное) нарастание атомного веса элементов в менделеевской таблице, существование малых и больших периодов и многое другое.
Важнейшим поворотным пунктом в развитии представлений о структуре атомов были опыты великого английского физика Резерфорда, произведенные в 1911 году. Резерфорд направлял положительно заряженные частицы, выбрасываемые радием (так называемые альфа-лучи), на различные вещества и регистрировал отклонение альфа-лучей, т. е. направления движения альфа-частиц по прохождении через вещество. Оказалось, что альфа-частицы по большей части проходят через вещество не отклоняясь, т. е. не испытывая электрического отталкивания от атомов, но изредка отталкиваются и испытывают значительное отклонение от первоначального пути. Получалось так, как будто альфа-частицы, бомбардирующие атом, проходят через него, но изредка делают резкий поворот в сторону, как бы испытав отталкивающее действие маленького положительного заряда, находящегося в центре атома.
Такие результаты опытов заставили Резерфорда предположить, что в центре атома находится небольшое по сравнению с объемом атома положительно заряженное ядро. Он сравнивал число положительных частиц, прошедших через атом без резкого отклонения, с числом положительных частиц, испытывающих отталкивающее действие ядра, и таким образом мог вычислить размеры атомных ядер. Их диаметр примерно в сто тысяч раз меньше диаметра атомов. Резерфорд пришел к мысли, что вокруг такого положительного ядра на различных орбитах вращаются электроны. Электроны и ядра заряжены разноименным электричеством; однако электроны не падают на ядра вследствие центробежной силы, так же как планеты не падают на Солнце.
Такая планетарная модель атома позволила объяснить периодичность химических свойств. В таблице Менделеева каждому элементу присвоено порядковое число. Это число возрастает на единицу при переходе к следующей клетке таблицы. В результате работ ряда ученых выяснилось, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева — это величина положительного заряда атомного ядра. Поскольку же в незаряженном атоме положительному заряду ядра соответствует число электронов, то атомному номеру соответствует в таких незаряженных атомах и число электронов.
В 20-е годы нашего столетия была получена следующая картина, объясняющая периодическое повторение химических свойств. В простейшем атоме, атоме водорода, ядро имеет положительный заряд, равный единице. Иными словами, ядро атома водорода — это одна положительно заряженная частица — протон. Вокруг него движется единственный электрон. В атоме гелия вокруг ядра (с двойным положительным зарядом) вращаются два электрона. Нарастание числа электронов продолжается до последнего встречающегося в природе и найденного в естественных условиях элемента — урана, где целый рой из 92 электронов вращается сложным образом вокруг ядра с зарядом 92 и далее. Заметим еще раз, что речь идет пока об атомах, где число электронов равно положительному заряду ядра. На всем протяжении менделеевской периодической системы — от водорода до самых тяжелых элементов — мы встречаем последовательное нарастание заряда ядра и соответственно возрастание числа электронов. Эти электроны движутся по орбитам, причем электроны с близкими орбитами образуют некоторую оболочку (слой) атома. Таких оболочек (слоев) может быть одна, две, три — до семи. Каждая оболочка заполняется определенным числом электронов. Особенно важно число электронов во внешней оболочке. Заполнению внешних оболочек электронами соответствует завершение периодов системы Менделеева. Два электрона в атоме гелия заполняют первую оболочку. Дальше, уже во втором периоде, третий внешний электрон начинает собой вторую оболочку, которая постепенно заполняется электронами в атомах бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора и, наконец, достигает завершения во втором благородном газе — неоне. Последовательное прибавление восьми электронов от гелия до неона точно соответствует малому периоду системы Менделеева (второму периоду), содержащему восемь элементов. Одиннадцатый внешний электрон (натрия) помещается уже в третью оболочку (слой). Ясно, что тем самым натрий должен был походить по своим химическим свойствам на литий, атом которого также включает один электрон на внешней (второй) оболочке. Действительно литий и натрий — щелочные металлы, походят друг на друга. Остальные щелочные металлы — калий, рубидий, цезий — состоят также из атомов, где на внешней оболочке находится один электрон. Если взять атом благородного газа, т. е. атом с заполненной внешней оболочкой, и добавить один протон в ядро и один электрон, то мы получим из гелия литий, из неона натрий, из аргона калий, из криптона рубидий, из ксенона цезий.
Следует отметить, что при переходе от элемента к элементу оболочки заполняются электронами, вообще говоря, в определенном порядке, определенными группами орбит. Иногда же последовательное заполнение групп близких орбит в рамках одной оболочки нарушается, и более далекие от ядра орбиты заполняются раньше других. Тогда внутри атома оказывается ряд пропущенных, незаполненных орбит. Впервые подобный пропуск имеет место в атоме калия. После калия заполняются не только внешние, но и внутренние орбиты. Поэтому здесь мы встречаем первый большой период менделеевской таблицы из восемнадцати элементов. После калия (атомный номер 19) ближайшим щелочным металлом будет не 27-й (19+8) элемент, а 37-й, именно рубидий (37=19+18).
Наиболее интересный пример заполнения глубоких внутренних, пропущенных орбит представляет уже известная нам группа редкоземельных металлов из 14 элементов (с 58 по 71), которые стоят вместе с лантаном в одной клетке менделеевской таблицы. Атомы этих элементов различаются не внешними электронами, резко меняющими валентность и другие химические и физические свойства, но глубокими внутренними электронами, не играющими существенной роли в химических реакциях. Ясно, что все эти атомы должны быть весьма похожи друг на друга, что и наблюдается в действительности. Этим оправдано помещение указанных элементов в одну клетку периодической системы.
Такое представление об атоме позволяет разъяснить природу химических реакций и связь атомов внутри молекул. Атомы могут терять часть своих внешних электронов или, наоборот, приобретать их. В первом случае число отрицательно заряженных частиц в атоме становится меньше, и атом в целом приобретает положительный заряд, становится положительным ионом. Если же к атому присоединятся дополнительные электроны и заполнят свободные места на его внешней оболочке (слое), то число отрицательно заряженных частиц увеличивается, атом в целом приобретает отрицательный заряд и становится отрицательным ионом. От заполненности внешней оболочки (слоя), т. е. от числа внешних электронов, зависит число электронов, которые могут быть присоединены или отброшены при его превращении в ион, и, следовательно, пропорция, в которой данные элементы соединяются с другими, — валентность. В ряде молекул, например в молекуле соляной кислоты отрицательные и положительные ионы связаны друг с другом электрическим притяжением, как тела с разноименными зарядами.
Но атомы могут соединяться в молекулы и более сложным способом.
Рассматривая химические реакции и силы химического сродства как результат присоединения и потери электронов атомами, современная физика объясняет поведение благородных газов. В атоме благородного (или инертного) газа внешняя оболочка целиком заполнена. Такие атомы с заполненной внешней оболочкой химически инертны; им не надо для заполнения внешней орбиты отбрасывать или присоединять электроны и при этом приобретать соответственно положительный или отрицательный заряд. Поэтому атомы инертных газов не ионизируются, сохраняют равновесие между отрицательным и положительным электрическими зарядами и не соединяются с другими элементами.
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ИЗУЧЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА
Периодический закон помог раскрыть строение атома, он позволил вскрыть природу валентности и химических реакций. Периодический закон помог также проникнуть внутрь самого атомного ядра.
Атомное ядро занимает весьма малый объем по сравнению с объемом всего атома; но именно в ядре сосредоточена в основном масса атома, так как электроны обладают массой, примерно в 1836 раз меньшей, чем масса частиц, входящих в состав атомного ядра. Диаметр атомного ядра в десятки тысяч раз меньше, чем диаметр атома. Если бы диаметр атома увеличился до размеров диаметра Москвы, то атомное ядро выглядело бы как футбольный мяч.
С представлением о составе атомных ядер связана важная проблема, поставленная периодической системой. В этой системе мы встречаем, во-первых, порядковое число, правильно вырастающее на единицу при переходе от клетки к соседней, следующей клетке. Во-вторых, мы встречаем атомный вес, характеризующий элемент, находящийся в каждой клетке. Атомный вес также растет, но он растет не так правильно, как порядковый номер элемента. Это отношение между порядковым числом (номером) и атомным весом разъяснилось в 30-е годы нашего столетия, когда были открыты электрически незаряженные частицы — нейтроны — и выяснилось, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон имеют примерно одинаковую массу (равную, естественно, массе атомного ядра водорода, так как ядро водорода— это протон). Эту массу можно принять за единицу. Тогда масса ядра каждого атома, например, кислорода (атомный номер 8), равна 16. В тяжелых же ядрах, например, в ядре ртути (атомный номер 80, масса, или, точнее, массовое число, 200) на 80 протонов приходится 120 нейтронов. Таким образом, массовое число равно числу нейтронов и протонов вместе в данном ядре. Это дает нам ответ на вопрос о параллельном возрастании порядковых номеров и атомных весов элементов. При данном числе протонов атомные ядра могут обладать в известных пределах различным числом нейтронов. Веса подобных ядер, а значит и атомов, будут различны, но заряд ядра и число электронов, вращающихся вокруг ядра, — одинаковы. Следовательно, химические свойства этих атомов будут также практически совпадать, и мы должны будем поместить их в одну и ту же клетку периодической системы.
Подобные разновидности элементов, состоящие из атомов с одним и тем же числом протонов и различным числом нейтронов в ядре, называются изотопами. Они были впервые открыты у естественно радиоактивных элементов. Дальнейшие исследования показали, что и все обычные устойчивые элементы также являются смесями изотопов. Кислород, например, есть смесь изотопов с массами 16, 17, 18. Кроме обычного водорода, существует еще «тяжелый водород», или дейтерий, с массой 2, который, соединяясь с кислородом, дает «тяжелую воду». Масса атома дейтерия приблизительно вдвое больше массы атома водорода, потому что в ядре дейтерия, так называемом дейтероне, содержится протон плюс нейтрон, а ядро водорода состоит только из одного протона. Дейтерий содержится в обычном водороде в очень небольших количествах, в среднем около 0,02 %.
Природный уран также является смесью различных изотопов. Большую часть смеси составляет тяжелый изотоп, в ядре которого, кроме 92 протонов, имеется 146 нейтронов — всего 238 частиц. Это так называемый уран 238 (U238). Наряду с ним в природном уране имеется небольшое количество (около 0,7 %) более легкого изотопа, в ядре которого вместе с 92 протонами содержится 143 нейтрона — всего 235 частиц. Этот более легкий изотоп урана называется уран 235 (U235).
Теперь нам придется вернуться к радиоактивному излучению. Выше говорилось об альфа-лучах. Они представляют собой поток альфа-частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, альфа-частица — это ядро гелия. Мы писали и о других лучах, испускаемых радиоактивными телами, — бета-лучах. Бета-лучи — это поток электронов. Радиоактивное излучение происходит вследствие распада атомных ядер. Альфа-распад (т. е. распад, в результате которого возникают альфа-лучи) означает, что из ядра данного элемента вылетает альфа-частица, т. е. ядро гелия. Иными словами, при альфа-распаде ядро теряет четыре частицы: два протона и два нейтрона. Потеря четырех частиц означает уменьшение атомного веса на четыре единицы. При бета-распаде, т. е. при вылете из атомного ядра электрона, образуется новое ядро почти с тем же атомным весом (масса электрона очень мала), но при этом заряд ядра становится на единицу больше. Дело в том, что при бета-распаде один из нейтронов превращается в протон плюс электрон; электрон-то и вылетает из ядра, а образовавшийся вместо нейтрона протон увеличивает заряд ядра на единицу. Поэтому после бета-распада каждый элемент оказывается уже в другой клетке менделеевской таблицы, так как его порядковое число (равное положительному заряду атома) становится на единицу больше. Иначе говоря, элемент переходит направо, в следующую клетку менделеевской таблицы. Напротив, при альфа-распаде атомное ядро теряет два нейтрона и два протона, иначе говоря — два положительных заряда, поэтому число протонов и вместе с тем заряд ядра уменьшается на две единицы, следовательно, элемент передвигается на две клетки налево, приближаясь к началу периодической таблицы. Если в ядро влетает нейтрон — частица, электрически незаряженная, то заряд ядра не меняется, а масса ядра увеличивается примерно на единицу атомного веса. Таким образом, элемент остается в той же клетке периодической системы и его порядковый номер не изменяется. Однако, поскольку число нейтронов и, следовательно, масса ядра увеличивается при этом на единицу, перед нами оказывается новый, более тяжелый изотоп того же элемента.
Нужно сказать, что попадания протонов в ядра могут происходить лишь при определенных условиях: протон заряжен положительно, так же как и ядро атома, поэтому ядро и протон отталкиваются друг от друга и протон может попасть в ядро лишь при движении с большой скоростью. Поэтому бомбардировка атомного ядра протонами требует, чтобы летящим протонам была сообщена очень большая энергия.
Бомбардировка атомных ядер протонами, нейтронами или альфа-частицами широко применялась в начале 30-х годов нашего века и привела к ряду важных в практическом и теоретическом отношении открытий. Значительные успехи были достигнуты после того, как для бомбардировки ядер начали применять нейтроны. Нейтроны не имеют электрического заряда, они не испытывают отталкивания со стороны атомного ядра и легче попадают в цель.
В самом конце 30-х годов нашего века с помощью нейтронной бомбардировки были получены результаты, все значение которых можно было оценить только впоследствии. Благодаря работам немецких ученых О. Гана и Ф. Штрассмана, а также австрийского физика Лизы Мейтнер выяснилось, что при бомбардировке нейтронами ядер урана ядро раскалывается на приблизительно равные части. Эти части ядер, имея положительный заряд, отталкиваются друг от друга с громадной силой. Поэтому деление ядер урана — источник чрезвычайно большого количества энергии. Ее можно было получить только в том случае, если реакция распада, раз начавшись, продолжалась бы сама собой, иначе процесс для своего продолжения требовал бы затраты большой энергии со стороны.
Подобная цепная, непрерывная и самоускоряющаяся, реакция деления атомных ядер урана была получена главным образом благодаря работам Фредерика Жолио-Кюри, который в 1939 году одним из первых открыл, что при раскалывании (делении) ядра урана (как впоследствии выяснилось, урана 235) выделяются свободные нейтроны, которые могут попасть в соседние ядра урана и т. д. и вызвать непрерывную и быстро ускоряющуюся реакцию. Деление урана будет продолжаться в быстро растущих масштабах. Когда речь идет о делении атомного ядра урана, для начала цепной реакции даже и не нужен внешний источник нейтронов. Советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли важное свойство урана. Оказывается, ядра урана время от времени самопроизвольно делятся. Это происходит крайне редко, но этого достаточно, чтобы в куске урана началась цепная реакция деления.
В дальнейшем усилия физиков были направлены на то, чтобы осуществить цепную реакцию деления урана. Дело в том, что наиболее распространенный в природных условиях изотоп — уран 238 — захватывает выделившиеся нейтроны, и они остаются в атомных ядрах этого изотопа, не приводя к делению и появлению новых нейтронов. Цепная реакция могла бы осуществляться, если бы удалось выделить из природного урана легкий изотоп — уран 235. Но оба изотопа химически почти не отличаются друг от друга, и их трудно разделить. В конце концов это удалось сделать. Одновременно физики пришли к другому результату, также значительно приблизившему возможность получения и использования атомной энергии. Уран 238, захватывая нейтроны, переходит в новый, более тяжелый изотоп — уран 239. Этот радиоактивный изотоп испускает бета-частицы, в результате чего, как мы знаем, увеличивается порядковый номер, иначе говоря, элемент переходит в следующую клетку периодической таблицы, получается новый элемент с порядковым номером 93 (порядковый или атомный номер обычно обозначают буквой Z). Новый элемент получил название нептуния. Он также радиоактивен и испытывает бета-распад. Из него образуется новый элемент плутоний с порядковым номером 94. Этот элемент распадается медленно, период его полураспада около 24 тысяч лет. Наиболее важным для получения атомной энергии является то, что плутоний 239, как и уран 235, делится под влиянием столкновений с нейтронами и при делении каждого ядра вылетает в среднем два нейтрона. В этом отношении плутоний ведет себя так же, как и уран 235: деление ядер плутония приобретает характер ускоряющейся цепной реакции.
Впоследствии удалось получить ряд так называемых трансурановых элементов, занимающих следующие после урана клетки периодической системы Менделеева. За нептунием (Z=93) и плутонием (Z=94) идет америций (Z=95), кюрий (Z=96), беркелий (Z=97), калифорний (Z=98), эйнштейний (Z=99), фермий (Z=100), менделевий (Z=101), нобилий (Z=102). Названия элементов 96, 99, 100 и 101 напоминают о естествоиспытателях, проложивших путь к открытию трансурановых элементов и в целом к новой эпохе в развитии представлений об элементах, атомах и атомных ядрах. Мировая наука запечатлела в названиях элементов имена Кюри, Эйнштейна, Ферми и Менделеева. Имя супругов Кюри связано с открытием радия и началом систематического изучения ядерных реакций, объяснивших связь между различными элементами, установленную еще в 60-е годы прошлого века открытием периодического закона. Эйнштейн показал связь энергии с массой вещества и этим далеко продвинул вперед изучение энергии атомного ядра. Ферми внес очень большой вклад в представления о воздействии нейтронной бомбардировки на атомные ядра и в разработку представлений о ядрах атомов. Имя Менделеева, запечатленное в названии 101 элемента, периодической системы, напоминает о великом научном подвиге русского ученого, указавшего на связь между элементами как на универсальный закон природы. Расшифровывая эту связь, наука поднялась на новую ступень, пришла к представлению об элементарных частицах, к новой картине строения атомных ядер, атомов и молекул, к новой картине строения вещества в целом.
Новая ступень в развитии науки неразрывно связана с новой техникой, использованием новых источников энергии, перестройкой на этой основе технологии всех отраслей промышленности, созданием новой техники транспорта и новых условий быта. Речь идет об атомной энергии и ее промышленном применении.
В конце 1942 года Ферми и его ученики и сотрудники построили новую установку, в которой происходило деление атомных ядер урана. Такая установка получила название атомного реактора, или «атомного котла». В таком реакторе находятся урановые стержни, и с течением времени из урана образуется плутоний. Урановые стержни через некоторое время вынимают из котла, отправляют в химические цехи, где плутоний отделяют от урана различными химическими операциями. Уран направляется снова в атомный котел, а плутоний хранится на складах небольшими кусками. Почему эти куски должны быть небольшими? Здесь мы подходим к чрезвычайно важному обстоятельству. Когда начинается цепная реакция, то появившиеся вторичные нейтроны до того, как они сталкиваются с атомными ядрами, проходят в среднем сравнительно большое расстояние — около 10 см. Если кусок урана 235 или плутония невелик, то большая часть нейтронов вылетает наружу и не поддерживает цепную реакцию. Но если масса куска урана равна или больше так называемой критической массы, то значительная часть нейтронов не достигает поверхности куска, попадает в ядра урана, вызывает деление этих ядер, и дело принимаем иной оборот. С каждым новым делением нейтронов становится все больше, реакция ускоряется после каждого нового деления, число свободных нейтронов растет в прогрессии 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и т. д., т. е. чрезвычайно быстро. В течение миллионной доли секунды произойдет примерно сто последовательных делений, т. е. за этот срок большая часть ядер урана разделится, или, проще говоря, этот кусок урана взорвется. Если быстро соединить два куска урана, не достигающих критической массы, в один кусок, превышающий критическую массу, то произойдет атомный взрыв.
При взрыве освобожденная энергия резко повышает температуру среды, окружающую точку, в которой произошел взрыв. В центре огненного шара эта температура достигает на короткое время миллионов градусов. Огненный шар быстро увеличивается и, остывая, превращается в клубящееся облако, которое поднимается на высоту 10–15 км и постепенно рассеивается. Атомный взрыв сопровождается одновременным действием мощной ударной волны, светового излучения, проникающей радиации, а также радиоактивным заражением воздуха и местности.
Атомные бомбы, сброшенные в 1945 году на японские города Хиросима и Нагасаки, были причиной гибели сотен тысяч мирных жителей. Народы всего мира ведут непрерывную борьбу за запрещение атомного оружия, за мирное применение энергии ядер.
Наряду с распадом атомных ядер тяжелых элементов, например урана, существует другой способ получения атомной энергии, основанный уже не на распаде, а на соединении легких ядер в более тяжелые. Из тяжелых элементов, находящихся в самом конце периодической таблицы Менделеева — урана, плутония и т. д., энергия выделяется при распаде ядер, а у легких элементов, стоящих в начале менделеевской периодической системы, энергия выделяется при образовании более тяжелых ядер из легких. Подобные реакции называются термоядерными. Примером их служит образование ядра гелия из ядер водорода. Такая реакция используется в водородной бомбе. Водородная бомба — еще более разрушительное оружие, чем атомная бомба из урана или плутония.
Если применение деления тяжелых атомных ядер и термоядерных реакций в военных целях угрожает человечеству разрушительными взрывами атомных и водородных бомб, то мирное применение ядерных реакций позволяет создать новую техническую базу во всех отраслях производства. Советский Союз, располагая атомным и водородным оружием, борется за его запрет и за мирную атомную и термоядерную энергетику. Его поддерживает в этой борьбе подавляющее большинство человечества.
На пороге атомной эры человечество отметило пятидесятилетие со дня смерти великого русского ученого, который своим гениальным открытием — периодической системой — помог науке проникнуть в тайны внутренней структуры атома и найти пути освобождения атомной энергии. Человечество видит в Менделееве одного из тех людей, чьи работы стали вехами прогресса. Жизнь ученого, его постоянное стремление принести возможно большую пользу родному народу и всему человечеству, благородная настойчивость, поразительная научная смелость делают образ Менделеева близким и дорогим советскому народу и всем простым людям мира. Они хранят благодарную память о мыслителе, весь жизненный и творческий путь которого был непрерывным служением людям и научной истине.
ГЛАВНЫЕ ДАТЫ ЖИЗНИ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
1834 (27 января — 8 февраля н. ст.) — Рождение Менделеева.
1841 — Поступление в Тобольскую гимназию.
1849 — Окончание гимназии.
1850 — Поступление в петербургский Главный педагогический институт.
Поделиться книгой: