О. ПИСАРЖЕВСКИЙ - Дмитрий Иванович Менделеев

• Название: Дмитрий Иванович Менделеев
• Автор: О. ПИСАРЖЕВСКИЙ
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1949

---

До главного торжества Периодической системы элементов Менделееву не пришлось дожить. Уже без него подробное изучение атома было продолжено десятками ученых в ряде стран.

Мы знаем сейчас, что важной составной частью каждого атома является крошечное плотное ядро. Оно много меньше самого атома. Для наглядности можно мысленно увеличить размеры атома до объема Большого театра в Москве. При таком увеличении ядро атома будет величиной с муху. Ядро окружено тонким и нежным облачком еще более мелких частичек вещества-электронов.

Сделаем еще одно усилие воображения и попробуем представить себе, как выглядит кусочек любого вещества не в наших привычных масштабах – не под микроскопом даже, а в масштабах атомных размеров. Удивительным показалось бы это воображаемое путешествие в недра вещества! Самый плотный металл представился бы нам в виде тончайшей ажурной сетки. Наш выдающийся физик, академик А. Ф. Иоффе, однажды пошутил по этому поводу, сказав, что если обыкновенная сетка, по ирландской поговорке, не что иное, как множество дыр, связанных между собою кусками веревки, то в сетке из атомов сама веревка оборвана и остались одни дыры и узлы…

Эти маленькие «узелки», маленькие сгустки материи, – электроны – на огромных, сравнительно с их размерами, расстояниях удерживаются около большого «узелка» – атомного ядра – теми же самыми силами, которые заставляют мелко нарезанные бумажки притягиваться к наэлектризованному о волосы гуттаперчевому гребешку. Это силы электрического притяжения. Притягиваются разноименные заряды: положительно заряженное ядро притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. В конечном счете заряд ядра и электронов уравнивается. В целом обычный нормальный электрический атом нейтрален.

Чем крупнее ядро, тем больше его заряд и тем большее количество электронов оно может держать вокруг себя. У ядра атома золота иной заряд, чем у ядра атома меди или серы. Уравновешиваются эти различные заряды электронными оболочками разных размеров. Эти разные оболочки в одних и тех же случаях будут вести себя совсем не одинаково. Атомы серы будут, например, легко соединяться с теми атомами, с которыми медь будет соединяться с трудом, и т. д. Таким образом, «индивидуальность» атома, тайну которой нам завещал Менделеев, и закономерность, которую он гениально предвосхитил в своей таблице элементов, в конечном счете определяется зарядом ядра. А когда этот заряд впервые был теоретически определен (это было сделано в 1914 году учеником Резерфорда Мозели), оказалось, что величина электрических зарядов атомных ядер совпадает с номерами клеток, которые Менделеев отвел для отдельных элементов в своей таблице.

Имя великого русского ученого снова было у всех на устах, когда англичанин Мозели специально взялся проверить, насколько прав был Менделеев, перемещая в соответствии с требованиями системы, как он их понимал, места кобальта и никеля, теллура и иода. Мозели измерил заряды ядер атомов этих элементов и показал, что Менделеев безошибочно, сообразуясь со своей системой, определил номера этих элементов, соответствующие, как оказалось, заряду ядер их атомов, вопреки отношению их атомных весов…

Между этими новыми работами физиков и законом Менделеева установилось сложное взаимодействие. Эти работы служили укреплению закона, но в то же время Периодический закон, как мощный прожектор, освещал их замысел в самом начале его формирования.

Его сиянием руководился датский физик Нильс Бор, который в 1913 году построил модель атома. Его исследования явились прямым откликом на задание, вытекающее из основной формулировки Периодического закона. Этот закон требовал объяснения сущности открытого Менделеевым факта периодического повторения одним элементом свойств другого. И, продолжая свое исследование естественной последовательности атомов, при котором проявлялась загадочная периодичность их свойств, Нильс Бор пришел к ее точному физическому истолкованию.

Из сказанного ранее должно быть понятно, что при переходе от одной клетки Периодической системы к другой заряд ядра атома элемента, соответствующего исходной клетке, возрастет на единицу. Соответственно этому к электронной оболочке прибавляется один электрон. К расчету движения электронов в оболочке атома неприменимы законы обычной механики – эти движения описываются особой, так называемой квантовой механикой. Из законов этой механики следует, что электроны, обращаясь вокруг ядра атома по своим орбитам, не могут находиться от ядра на любом расстоянии. Как планеты вокруг Солнца, на строго определенных расстояниях вокруг тяжелого ядра двигаются легкие «планеты»-электроны. Пути, по которым двигаются электроны, имеют предел своей «населенности». Ближайшие к ядру пути, образующие как бы внутренний слой электронной оболочки вокруг ядра, вмещают два электрона, следующий слой – восемь, еще более удаленный слой – восемнадцать, за ним – тридцать два и т. д. Этот порядок заполнения атома электронами и определяет свойства периодической таблицы.

Самый простой атом – водородный. Заряд его ядра равен единице, и вокруг этого ядра на определенном расстоянии обращается один единственный электрон.

В электронной оболочке атома гелия два электрона. Они целиком заполняют самый близкий к ядру, внутренний слой электронной оболочки. Таким образом прибавление числа электронов у последующих элементов может итти только за счет образования новых слоев.

Так происходит у третьего элемента – лития. Два электрона, из трех, которыми он обладает, движутся в первом, внутреннем слое электронной оболочки; третий электрон располагается уже во втором слое.

У четвертого по порядку элемента – бериллия – во втором слое прибавляется еще один электрон, то есть всего там их оказывается два.

У бора с его зарядом ядра, равным пяти единицам, во втором слое будет три электрона;

Углерод будет иметь во втором слое четыре электрона, азот – пять электронов, кислород – шесть, фтор – семь, неон – восемь. Этим достигается предел заполнения второго слоя электронной оболочки.

Таким образом, в атоме неона, как и в атоме гелия, ядро окружено законченными слоями электронной оболочки. Эта замкнутость слоев затрудняет отрыв какою-либо электрона от электронной оболочки и тем самым затрудняет вовлечение атома в какое-либо химическое соединение. И действительно, мы знаем, что и гелий и неон сходны по своей химической инертности.

Дальше, следуя за развитием менделеевских идей, мы переходим к новому периоду системы, который начинается с натрия (заряд ядра равен одиннадцати). Одиннадцатый электрон здесь уже не умещается ни в первом, ни во втором слое. Поэтому он размещается в третьем слое. Таким образом, у натрия и у его ближайшего родственника по Периодической системе – лития – в наружном слое имеется по одному электрону (у лития во втором слое, у натрия – в третьем). Это определяет родство химических свойств этих элементов, жадно соединяющихся с кислородом, и т. д.

Магний, у которого в третьем слое оказывается два электрона, именно поэтому подобен бериллию, алюминий аналогичен бору, кремний – углероду и т. д. и т. п.

В 1922 году снова Периодическая система послужила плацдармом для рывка науки вперед. Вдохновленный примером гениального русского ученого, на основании уточненной закономерности Периодической системы, Нильс Бор предсказал свойства не открытого к тому времени элемента, который должен был занимать 72-ю клетку таблицы.

Его уже давно искали, этот неизвестный элемент. Но искали в лантановых рудах, считая, что он химически близок к лантану.

Бор сравнил строение электронных оболочек атомов лантана и неизвестного 72-го элемента и увидел, что прежние поиски были основаны на ошибке. Расчеты показывали, что 72 электрона в атоме неизвестного элемента должны быть расположены так, что ближе всего будут напоминать расположение электронов в атоме элемента циркона. Следовательно, искать надо неизвестный элемент в минералах, которые содержат в себе циркон. Бор поручил голландскому физику Костеру и венгерскому химику Хевеши, работавшим под его руководством, раздобыть циркониевые минералы и поискать в них элемент 72. По указанию Бора 72-й элемент был отыскан и назван гафнием в честь города Копенгагена, где находится лаборатория Нильса Бора (от латинского названия этого города – Гафния).

Так Периодический закон Менделеева, непрерывно вдохновлявший мысль исследователей, призывавший их к раскрытию сокровенных тайн вещества, еще и еще раз подтвердил свое значение основного, глубочайшего закона природы.

В 1920 году величина заряда ядра была измерена уже прямыми экспериментами, полностью подтвердившими ее совпадение с порядковым номером атома в системе Менделеева. Развитие этих открытий привело к важнейшим событиям в физике атома. Советские физики-теоретики Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон в 1932 году нашли физическое истолкование величины заряда ядра. Оказалось, что она определяется числом протонов в ядре. Крупнейший вклад в развитие теории атома в связи с Периодической системой был сделан советской физикой в 1942 году, когда профессор А. П. Жданов открыл явление полного распада атомного ядра на его составные части под действием космических лучей. Этим экспериментально были подтверждены представления Иваненко и Гапона, так как Жданов получил возможность непосредственно подсчитать число протонов, входящих в ядро (он проделал эти подсчеты на ядрах серебра и брома).