дического закона. Но никогда не удалось бы узнать, как построен атом, если бы у исследователей, ученых не было яркого путеводного маяка — периодического закона. Без него было бы невозможно проникнуть внутрь атома и овладеть его энергией. Без него стало бы немыслимым величайшее проявление могущества человеческого гения — создание новых искусственных элементов.
Если бы Менделеев не открыл периодический закон, несомненно, этот закон все равно был бы открыт. Но кто может сказать, на сколько лет задержалось бы развитие науки!
Естественная, как назвал ее Менделеев, система элементов не только требовала объяснить загадочную тайну периодичности, но она же и руководила наукой в поисках разгадки.
НОВЫЙ СМЫСЛ И ЗНАЧЕНИЕ АТОМНОГО ВЕСА
Менделеев считал, что химические свойства элементов зависят от их атомных весов. Это
оказалось не так. Место в менделеевской таблице, а следовательно, и всю химию элемента определяет не его атомный вес, а атомный номер — заряд его ядра.
Значит ли это, что атомный вес оказался науке больше ненужным и что теперь все его значение ограничивается очень полезной, но скромной ролью при расчетах состава вещества в процессе химического анализа?
Нет. Для физики значение атомного веса не только не уменьшилось, но, пожалуй, даже неизмеримо возросло, особенно с точки зрения практики. Масса атома в настоящее время стала основной величиной для всех расчетов ядерной энергетики и ядерной химии. Не зная точное значение атомной массы, абсолютно невозможно установить механизм ядерных реакций и рассчитать количество энергии.
Недоступный прямому восприятию, до сих пор еще никем не виденный атом ученые научились взвешивать с точностью в сотни и даже в тысячи раз большей, чем мы можем измерять любую другую величину в окружающем нас мире.
Единица шкалы атомных весов
Запомните, что теперь 1/12[6С12]=1.
При составлении самой первой таблицы периодического закона Д. И. Менделеев принимал атомный вес водорода равным единице и сравнивал с ним атомные веса всех других элементов.
На Международном съезде химиков в 1860 в. было решено принять водород за основу шкалы атомных весов. Почти полстолетия самый легкий элемент водород занимал это почетное место. Только в 1906 г. химики перешли к кислородной шкале, за основу шкалы атомных весов принят был атомный вес кислорода — его 1/16 часть. Это, конечно, было гораздо удобнее, так как кислород образует соединения почти со всеми элементами.
Когда было открыто, что в природе существуют три различных изотопа кислорода и что содержание их в природном кислороде непостоянно, физики установили для себя «физическую» шкалу атомных весов. Они условились считать единицей для атомных весов 1/16 веса атома наиболее распространенного легкого изотопа кислорода и вес его считать равным точно шестнадцати. Это устраняло погрешность, происходящую из-за непостоянства изотопного состава кислорода разного происхождения.
Долгое время в науке было такое «двоевластие». При современной высокой точности измерений это стало приводить к очень многим недоразумениям и ошибкам. Кроме того, выяснилось, что изотоп О16 не оправдывает возлагавшихся на него надежд и не может обеспечить необходимую точность. Он оказался неудобным эталоном для атомных весов.
Совсем недавно, в период 1958— 1961 гг., ученые еще раз пересмотрели этот исключительно важный не только для химии, но и для всего естествознания вопрос: что должно быть положено в основу современной шкалы точных атомных весов? После многочисленных тщательных исследований и подробных обсуждений было установлено, что из всех элементов только два могут претендовать на почетную роль основной константы химии и физики — фтор и углерод.
У фтора только один изотоп, и атомный вес элемента фтора — постоянная величина. Была предложена «фторная» шкала, в которой 1/19[9F19]=1.
У углерода два изотопа, но зато его соединения с водородом очень удобны для непосредственного сравнения масс атомов различных изотопов почти всех элементов. Это—важное
преимущество углерода. Многие ученые настаивали на углеродной шкале; в которой за основу принимали наиболее распространенный изотоп С12.
Поскольку обе эти новые шкалы для атомных весов обладали каждая своими важными и ценными преимуществами, было решено провести всемирное голосование (опрос) ученых — химиков и физиков: какую шкалу — «фторную» или «углеродную» — они предпочитают?
В этом всемирном опросе приняли участие и ученые нашей страны. Победил углерод. Было решено за основу новой единой шкалы атомных масс принять атом изотопа углерод-12 и считать 1/12[6С12]=1.
321
Вот с какой точностью измеряются теперь массы атомов:
Н1—1,007 82522
D2—2,014 102 19 Не4-4,002 603 61 N14—14,003 074 38 О16—15,994 914 94
Чтобы почувствовать, зачем нужна такая огромная точность, попробуйте сами рассчитать из этих значений, сколько энергии получается на Солнце при синтезе гелия из килограмма водорода. Стоит ли синтезировать его из дейтерия? Сколько энергии получается в звездах за счет «выгорания» гелия, в результате чего образуется углерод? Без точных значений атомных масс наука обойтись не может.
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН—ЗАКОН СТРОЕНИЯ АТОМА
Тайна периодической системы элементов была разгадана, когда удалось понять сложнейшую структуру атома, строение его внешних электронных оболочек, законы движения электронов вокруг положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
Сотни и тысячи талантливых и самоотверженных ученых трудились, выясняя структуру атома. Они шли к ней разными путями и с разных сторон. Теоретики и экспериментаторы, физики и химики, открывая новые факты, отыскивая новые закономерности, всегда сопоставляли свои результаты и выводы с системой Менделеева.
Долгим и трудным путем шла наука к разгадке великой тайны периодического закона. Он воплотил в себе все необозримое многообразие бесконечного множества химических процессов и превращений в окружающем нас мире. Он внес ясность и порядок в химию, где до него царствовал хаос отрывочных и несвязанных сведений, фактов, наблюдений, накопленных многими поколениями химиков.
Почему элементы так послушно повинуются закону Менделеева? Почему существует таинственная правильная повторяемость свойств у химических элементов? Почему натрий похож на калий, а фтор сходен с хлором? Почему кислород и сера присоединяют по два атома водорода, а атомы углерода и кремния образуют соединения, в которых по четыре водородных атома? Почему химик, хорошо изучивший таблицу Менделеева, заранее скажет, какие соединения могут возникнуть при взаимодействии различных элементов?
Какова таинственная причина этих поистине удивительных закономерностей, управляющих течением всех химических реакций между всеми элементами, дающих бесчисленное множество соединений, из которых состоят все тела в окружающем нас мире, не только на нашей Земле, но и далеко за ее пределами, в безграничном космосе?
Много, очень много можно задать подобных вопросов. Ответ на них один. Все химические и физические свойства вещества определяются строением атомов. Великий закон, открытый Менделеевым, потому и есть всеобщий закон природы, что он выражает закон строения атома.
АТОМ САМ РАССКАЗАЛ О СВОЕМ УСТРОЙСТВЕ
Атом... Само его имя — «неделимый» отражает почтительную робость науки недавнего прошлого перед его непостижимостью. До сих пор его еще никто не видел. Никакие примеры и сравнения не могут дать правильное представление о его размерах.
Как же невообразимо сложно должен построен атом. Ведь его строение определяет бесконечное многообразие всего, что нас окружает. А ведь вокруг нас неисчерпаемый, безграничный мир, замечательный и прекрасный, полный света и красок.
И все, что мы видим на всем доступном нам протяжении безграничности мироздания, — все это состоит из немногих, аккуратно разложенных Менделеевым по клеткам его таблицы различных видов атомов.
Проникнуть в тайну того, как построен атом, помогло изучение спектров. Оказалось, что атом сам рассказывает о себе на удивительном красочном языке, на языке спектральных линий испускаемого атомом света. Но ученые долго не могли понять его загадочный шифр. И в самом деле, попробуйте представить себя в положении человека, которому необходимо разгадать устройство механизма никогда им не виданного рояля, только слушая исполняемые на нем музыкальные произведения. Перед физиками же стояла задача неизмеримо труднее, но они сумели с ней справиться. Правда, для того чтобы понять шифр спектральных линий, им пришлось создать новую науку — механику микромира, квантовую механику.
322