Происхождение элементов и периодический закон

Открытие супругами Кюри радия и его удивительных свойств тридцать лет тому назад сильно взволновало не только ученые круги, но и людей, далеких от науки. Неудивительно, что к великому творцу периодической системы Д.И.Менделееву многие в то время обращались с вопросами по поводу превращения элементов; к этому допущению, как будто, приводили свойства только что открытого тогда радия.

Дмитрий Иванович, твердо стоя на почве неизменности элементов, обыкновенно отшучивался таким образом: «Я — Дмитрий Иванович, а вы — Иван Петрович. У каждого своя индивидуальность так же, как и у элементов!»

Прошло 30 лет со дня открытия явлений радиоактивности, и за такой сравнительно небольшой период выросла новая обширная наука — радиология, давшая уже чрезвычайно ценные выводы для дальнейшего развития физики и химии.

Радиоактивность уничтожила грань между материей и энергией и, как говорит Густав Лебон, установила, что вещество и энергия суть две различные формы одной и той же сущности: материя представляет собою устойчивую форму интраатомной энергии, теплота, свет, электричество, магнетизм и пр. — неустойчивые формы этой же энергии.

Но вместе с тем радиология указала и границы возможности превращений атомов. Она рассеяла многие вздорные фантазии и предположения в этой области. Мечты алхимиков осуществились совсем не в той форме, как об этом мечтали в древности; железо, медь, обыкновенные камни оказалось невозможно никакими способами превратить в серебро, золото и бриллианты. Новый философский камень-радий не дает и вечной молодости. Не так давно облетела весь свет весть о том, что германский ученый Мите получил из ртути золото. Никому в голову не пришло, что такое превращение было бы совершенно невыгодно, т.к. золота на земном шаре много, хотя оно и очень распылено, тогда как ртути — очень немного, хотя в двух-трех местах на Земле находятся довольно обильные ее месторождения. Впрочем, это открытие оказалось очередной ошибкой: Мите год тому назад публично отказался от этого открытия.

Многочисленные атомы элементов представляют собою уравновешенные системы внутриатомной энергии. Ядро атома состоит из положительных зарядов, количество которых равно количеству отрицательных электронов, вращающихся вокруг ядра. Химические изменения при соединении разнообразных атомов не разрушают атома, а лишь временно изменяют его свойства в каком-нибудь соединении. Возможно, что были времена, когда внутриатомная энергия не была уравновешена: тогда творились атомы. Разнообразие свойств зависит от количества зарядов ядра, но первичная субстанция, из которой сложены все атомы, одна — это электричество.

Радиоактивные элементы имеют неуравновешенные системы ядер и электронов в атомах. Если атом радиоактивного вещества потеряет заряд или электрон, то остаток образует уже другой атом, причем при потерях зарядов уменьшается и атомный вес элемента; таким образом, он переходит в другой атом.

Во времена Менделеева радий еще мало был исследован; но если бы Менделееву суждено было дожить до настоящего времени, то пришлось бы убедиться, что действительно от радия происходят два элемента: гелий с атомным весом = 4 и остальная часть атома радия — нитон (или эманация с ат. в. = 222). Оба эти элемента — газы.

Таким образом, в наше время открылся еще один путь образования элементов, т.е. путь радиоактивного распада. Казалось, ни одна классификация элементов, ни одна система, созданная до открытия радиоактивности, не могла бы предусмотреть место для будущих элементов. Но не такова оказалась та система, которую пророчески, с «величайшею дерзостью ума» создал Д.И.Менделеев, не только не знакомый с будущими открытиями, но и отрицавший возможность трансмутации атомов.

Эта система замечательна тем, что она, как ныне оказалось, является порядком, в котором природа творила атомы элементов. Многие места таблицы Менделеева были не заполнены, но для любого вновь открываемого элемента уже было готово место, на которое, по открытии, он становился. Поэтому и для гелия, и для эманации нашлись места так же, как и для тех элементов, которые, будучи предсказанными Менделеевым, были открыты Нильсоном, Лекок-де-Буабодраном и Винклером при жизни Менделеева. Это были скандий, галлий и германий.

В периодической системе, правда, были сомнительные места. Казалось странным, почему:

Аргон А с ат. в. = 39,9 стоял раньше

Калия К с ат. в. = 39,1;

Кобальт Со с ат. в. = 58,97 стоял раньше

Никкеля Ni с ат. в. = 58,68;

Теллур Те с ат. в. = 127,5 стоял раньше иода с ат. в. = 126,9.

Менделеев и сам был обеспокоен этим нарушением Принципа периодичности, но до самой смерти был уверен, что атомные веса этих тел определены неверно и упорно стоял за сохранение установленного им порядка, ибо он вполне согласовался с правильной периодичностью химических свойств элементов.

И это упорство великого ученого было вознаграждено много позже его смерти. Оказалось, что в периодичности свойств элементов играет роль не столько атомный вес, сколько число атомных положительных зарядов, правильно возрастающих в порядке, данном Менделеевым. Согласно этому порядку, оказалось, что аргон имеет 18, калий — 19, кобальт — 27, никкель — 28, теллур — 52 и иод — 53 заряда, что согласуется и с правильностью в периодичности свойств и в возрастании зарядов.

Таким образом, периодичная система есть также и генеалогическая таблица элементов. Различие свойств атомов зависело от накопления числа зарядов в ядре. Это накопление росло от одного заряда водородного атома и достигло своих пределов в 90 зарядах тория и 92 урана; после этого предела атом начинает разрушаться для того, чтобы вернуться к началу периодической системы.

Порядок возрастания зарядов получил подтверждение в исследовании спектров рентгеновских лучей элементов.

В заключение, напоминая, что в1928 г. исполняется 60 лет с тех пор, как появилась книга Д.И.Менделеева «Основы химии», в которой периодическая система впервые увидела свет, мы должны с удовольствием отметить, что закон Менделеева не только не отступил на задний план, но, наоборот, составляет важнейшую опору современной физики и химии и даже всего химического миропонимания.

Историки науки чаще всего сосредотачиваются на изучении успешных идей, оказавших существенное влияние на становление современной картины мира. В этом есть особенная прелесть — просматривать архивы научной литературы, отыскивая зачатки таких идей, первые несовершенные представления, развившиеся позже в стройные научные концепции. Приведенная выше статья из журнала «Вестник знания» интересна именно с этой стороны. В то время еще не существовало устоявшейся точки зрения на источники энергии звезд, и представить их себе как «кухню» химических элементов было достаточно сложно (в статье выдвинуто предположение о том, что образование элементов происходило в иных условиях в далеком прошлом). Тем не менее, общий путь синтеза атомных ядер от более легких к более тяжелым обозначен в целом верно, и в будущем именно эта идея развилась в современную теорию нуклеосинтеза.

С другой стороны, удивительно наблюдать существенную «научную отсталость» советского журнала по сравнению с уровнем развития физики и химии середины 20-х годов прошлого века. Дело даже не в том, что в публикации используются устаревшие варианты написания названий химических элементов («никкель»), а термин «нитон», предложенный для обозначения наиболее долгоживущего изотопа радона британскими химиками Уильямом Рэмзи и Робертом Уитлоу-Греем (William Ramsay, Robert Whytlaw-Gray) в1910 г., к моменту выхода «Вестника знания» уже практически вышел из употребления. Ни разу не встречается в статье и широко употребляемый ныне термин «изотоп», появившийся еще в1913 г. благодаря шотландской писательнице Маргарет Тодд (Margaret Todd). Но самым потрясающим фактом является полное отсутствие упоминания о первом удачном опыте трансмутации элементов, осуществленном в1919 г. Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди (Ernest Rutherford, Frederick Soddy) — в их экспериментах ядро азота с атомной массой 14 после поглощения альфа-частицы превращалось в ядро кислорода-17. В свое время эти результаты стали настоящим прорывом в ядерной физике и получили всемирную известность, поэтому странно, что «Вестник знания» не сообщил о них своим читателям.

…А ядерная реакция превращения ртути в золото позже все же была осуществлена — правда, как совершенно правильно указано в статье А.Пылкова, ее продукт оказался слишком дорогим и не мог серьезно повлиять на мировые цены «желтого металла». Сейчас иногда используется обратный процесс: из золота путем облучения нейтронами получают сверхчистый изотоп ртути с атомной массой 198, необходимый для радиофизических и медицинских исследований.