Менделеев

Начало первому — химическому — этапу положила формулировка самого Менделеева: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Система по этому принципу строится очень просто: все элементы, от легчайшего водорода до тяжелейшего урана, располагаются в порядке возрастания их атомного веса. Поскольку свойства элементов через определенный период повторяются, их можно разбить на восемь групп, каждая из которых характеризуется одинаковой максимальной валентностью. Мы уже знаем, как удачно еще при жизни Менделеева разрешился вопрос с инертными газами, составившими еще одну — нулевую — группу.

Но сколько непонятного содержится в периодической системе на химическом этапе, сколько в ней необъяснимого, основанного только на изумительном химическом чутье самого Менделеева! Неизвестно, например, должны ли быть элементы между водородом и гелием. Неизвестно, сколько должно быть редкоземельных элементов и почему все они помещены в одну клетку. Непонятно, почему в восьмой группе из девяти элементов только у двух — рутения и осмия — валентность равна восьми. Необъяснимо и то, что более тяжелые аргон, кобальт и теллур вопреки принципу помещены соответственно перед более легкими калием, никелем и йодом.

Исследования, к которым с такой тревогой присматривался Менделеев, шли и шли своим чередом, пока в 1913 году ряд открытий не убедил ученых в том, что атомы — это не однородные упругие шарики, а сложные системы, состоящие из очень плотного, положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов, образующих так называемую электронную оболочку атома.

И оказалось: заряд ядра в точности равен порядковому номеру, под которым тот или иной элемент стоял в периодической системе. Ничего не зная о сложном строении атома, не подозревая о существовании ядер и электронных оболочек, Дмитрий Иванович расположил все элементы в точном соответствии с возрастанием заряда их ядра. Вскоре были открыты изотопы — элементы с одинаковым зарядом ядра и разными атомными весами. С этого момента менделеевская формулировка периодического закона стала звучать иначе: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от величин заряда ядер их атомов».

Новая формулировка объяснила многое, что прежде было неясным: теперь можно было смело утверждать: между водородом с зарядом ядра, равным 1, и гелием с зарядом ядра, равным 2, не может быть промежуточных элементов. Между водородом и ураном можно разместить лишь те 90 элементов, которые указал Менделеев, поэтому никакой фундаментальной перестройки внутри периодической системы в будущем не предвидится. Наконец, нашло исчерпывающее объяснение помещение более тяжелых аргона, кобальта и теллура перед более легкими калием, никелем и йодом: заряд ядра первых ровно на единицу меньше, чем у вторых. Интуиция позволила Менделееву пренебречь тем случайным фактом, что в природных аргоне, кобальте и теллуре содержится тяжелых изотопов больше, чем в природных калии, никеле и йоде.

И тем не менее новая формулировка не отвечала на вопрос, почему при монотонном возрастании атомного веса и заряда ядер свойства элементов меняются периодически. Ответ на этот вопрос дало изучение электронных оболочек атомов, которые оказались построенными по строгим математическим законам. Так, атом водорода состоит из ядра и вращающегося «округ него одного-единственного электрона. В атоме гелия — 2 электрона, вращающихся примерно на одном уровне. Переход к литию добавляет еще одна электрон. Но стоп! Первый, ближайший к ядру уровень может содержать лишь 2 электрона, поэтому в литии третий электрон открывает счет на более далеком от ядра втором уровне. В отличие от первого этот уровень для насыщения требует 8 электронов, и постепенный переход от лития, с одним электроном на втором уровне к неону с восемью дает нам второй период из восьми элементов. Третий уровень может содержать еще 8 электронов — так возникает третий период системы от натрия до аргона. Примерно такая же картина и в пятом периоде, содержащем еще 18 элементов.

В шестом периоде картина усложняется еще больше. В него входят редкоземельные элементы, у которых на внешнем — шестом уровне находятся два электрона, а число электроном на четвертом уровне последовательно растет с 18 до 32, поэтому в шестом периоде содержится уже 32 элемента.

Конечно, реальная картина неизмеримо сложнее приведенного здесь схематического описания, но даже его достаточно, чтобы оценить глубину формулировки менделеевского закона на новом, электронном, этапе: Периодическое изменение свойств элементов, а также формы и свойства их соединений зависят от периодического повторения подобных электронных структур атомов.

…Однажды на полях личного экземпляра «Основ химии» Дмитрий Иванович написал: «Естествознание учит, как форма, внешность отвечает внутренности… Так кристаллическая форма и вид соли отвечают их внутреннему виду… Это равновесие внешнего с внутренним проявляется, когда мы музыкою, игрою лица, живописью узнали внутреннее, — это секрет знания».

«Электронная» формулировка периодического закона дает почти исчерпывающее описание химической внешности элементов. Но разгадка самих электронных структур потребовала проникновения в еще большие глубины строения материи. Было выяснено, что электронные оболочки атомов есть внешнее отображение внутренней структуры их ядер, состоящих из положительно заряженных протонов и не несущих заряды нейтронов. Эти частицы, из которых состоят ядра атомов, называют нуклонами. Именно количество и соотношение нуклонов в ядре полностью определяют его строение.

Ясное понимание этого факта открыло новый — ядерный — этап в развитии периодического закона, который формулируется теперь так: «Периодическое изменение свойств ядер зависит от их строения, определяемого числом нуклонов в ядерных уровнях. Протоны, нейтроны и электроны оказались кирпичиками той первичной материи, из которой построены элементы — единые по составу элементарных частиц и индивидуальные по их количеству и строению атома.

Вся глубокая индивидуальность атома оказалась спрятанной в его ядре. Вот почему из рук химиков периодическая система в 1930-х годах окончательно переместилась в руки физиков-ядерщиков, внесших за последнее десятилетие колоссальный вклад в открытие новых элементов.

За 38 лет, прошедших со дня открытия периодического закона до смерти Менделеева, было открыто химическими методами 23 элемента. В последующие тридцать лет усилиям химиков поддались еще три элемента — протактиний, гафний и рений. И к 1937 году между водородом и ураном остались незаполненными всего четыре клетки — 43, 61, 85 и 87.

Открытие этих элементов можно считать настоящим торжеством науки, ибо они, строго говоря, не были открыты. Они были созданы искусственно: № 43 — технеций — в 1937 году, № 87 — франций — в 1939 году, № 85 — астат — в 1940 году, № 61 — прометий — в 1947 году.

В ходе этих синтезов были получены еще более фантастические результаты: физики-ядерщики получили нептуний и плутоний — элементы с большим атомным номером, чем у урана, который во времена Менделеева замыкал периодическую систему. Вслед за этими элементами американские ученые синтезировали семь трансурановых элементов, не существующих в природе. В их числе оказался и элемент № 101. В 1958 году в распоряжении физика Г. Сиборга было всего 100 атомов этого доселе невиданного металла. И, поддерживая лучшие научные традиции XIX века, которым всегда следовал Дмитрий Иванович, американские ученые нарекли новый элемент «менделевием». «В знак признания пионерской роли великого русского химика Дмитрия Менделеева, — писал в своей статье Сиборг, — который первым использовал периодическую систему для предсказания химических свойств еще не открытых элементов, — принцип, который послужил ключом для открытия последних семи трансурановых элементов». А в 1964 году группа советских физиков, возглавляемая академиком Г. Флеровым, синтезировала элемент, открывающий четвертую группу седьмого периода, названный в честь выдающегося советского физика «курчатовием».