Вид с высоты

И он добился своего: в следующем же десятилетии положение в химии выправилось и был взят верный курс.

Результат превзошел все ожидания. После того как Канниццаро сумел доходчиво показать, что такое атомный вес, некоторые химики стали располагать элементы в порядке его увеличения, чтобы посмотреть, нет ли в этом какой-либо закономерности. В 1860 году было известно около шестидесяти элементов; разнообразие их форм, видов, образцов приводило химиков в смятение. Никто не мог предсказать, сколько еще элементов будет найдено и какими свойствами они могут обладать.

Первые попытки расположить элементы по атомному весу были, по-видимому, интересны, но в общем все рассматривали их не более как своеобразную химическую классификацию. И тут выступил русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, который в 1869 году расположил элементы в таблицу. Его система значительно превосходила все прежние. Для того чтобы в таблице не нарушалась последовательность атомных весов, он оставлял в ней пустые места, которые, как он утверждал, означают, что существуют еще не открытые элементы. В частности, он предсказал свойства трех элементов. В последующие 10 лет эти элементы были открыты, и их свойства в точности совпали со свойствами, предсказанными Д. И. Менделеевым.

Невозможно описать, какая это была сенсация. Атомный вес элементов стал «гвоздем дня», и многие химики начали работать над все более и более точным определением атомных весов. Бельгийский химик Жан Сэрве Стас составил таблицу атомных весов элементов, которая была намного совершеннее таблицы, предложенной Берцелиусом в 60-х годах XIX века, но наибольших успехов в этой области удалось добиться лишь в первое десятилетие XX века, ровно через 100 лет после первых попыток Дальтона. Американский химик Теодор Уильям Ричардс анализировал различные химические соединения, принимая совершенно фантастические меры предосторожности по устранению загрязнений и других причин, которые могли бы внести ошибку в его расчеты, и получил настолько точные данные об атомных весах элементов, что в 1914 году был удостоен Нобелевской премии за успехи в области химии.

Однако получилось так, что с этого времени определение атомных весов элементов стало уделом физиков, а не химиков.

Все началось с открытия элементарных частиц в 1890 году. Выяснилось, что атом — это отнюдь не шаблонная сферическая частица. Оказалось, что он состоит из еще более мелких частиц, иные из которых электрически заряжены.

Было установлено, что атомы разных элементов в основном отличаются друг от друга не по весу, а по количеству положительных электрических зарядов, приходящихся на ядро атома. (И снова сказалась форма мышления людей данной эпохи, так как на исходе XIX столетия механистическая Вселенная Ньютона уступала место Вселенной силовых полей, которая соответствовала теориям английского химика Майкла Фарадея и шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла.) Понятие об электрическом заряде хорошо вписывалось в предлагаемую теорию силовых полей.

Оказалось, что большинство элементов состоит из ряда атомов, имеющих не совсем одинаковый атомный вес. Этот ряд атомов был назван изотопами (мы поговорим о них в главе 7).

То, что мы когда-то называли атомным весом, на самом деле является всего лишь средним из весов различных изотопов, слагающих химический элемент.

Физики стали определять относительные массы отдельных изотопов нехимическими методами, степень точности которых далеко превосходила все, что давали обычные способы, применявшиеся химиками и даже нобелевским лауреатом Ричардсом. Чтобы получить точный атомный вес, нужно было всего лишь взять средневзвешенные массы изотопов, из которых слагаются элементы, учитывая содержание каждого изотопа в элементе, найденном в природных условиях.

То обстоятельство, что атомный вес, таким образом, вошел скорее в физическую, чем в химическую, систему мер, не могло бы смутить даже самого самолюбивого химика, если бы только физики не начали пользоваться в своих расчетах величинами атомного веса не совсем так, как химики. К сожалению, все осложнилось тем, что правы оказались физики, а не химики.

Как это случилось, я сейчас объясню.

С самого начала измерение атомного веса требовало установления стандарта. Самым логичным, по-видимому, было бы взять в качестве стандарта атомный вес водорода. В то время предполагалось (а теперь это со всей достоверностью доказано), что атом водорода самый легкий, и поэтому вполне естественно было принять его вес за единицу.

Вся беда заключалась в том, что при определении атомных весов приходится танцевать от… эквивалентных весов (во всяком случае, на первых порах). Для определения эквивалентных весов надо работать с двумя элементами, которые легко соединяются. А тут водород непосредственно соединяется всего лишь с несколькими элементами, тогда как кислород — со многими. Поэтому практически в качестве стандарта оказалось удобнее принять кислород, а не водород. Это обстоятельство потребовало внесения некоторых поправок.

В конце-концов, частное от деления атомных весов элементов никогда не равно целому числу. Если принять атомный вес водорода точно за единицу, то атомный вес кислорода не будет равен точно 16; скорее — 15,9. Но раз кислород является элементом, который чаще всего используется при определении эквивалентных весов, то было бы неудобно пользоваться таким числом, как 15,9. Легче принять атомный вес кислорода точно за 16, и тогда атомный вес водорода станет чуть больше единицы (точно 1,008).

Можно назвать это стандартом «О-16». Химики были очень довольны и ничего не имели против до 20-х годов нашего столетия. Но затем опять начались осложнения.

В 1929 году было открыто, что кислород представляет собой смесь трех различных изотопов. Из каждых 100 000 атомов кислорода большинство — 99 759 — имеют атомный вес около 16. Однако 204 атома имеют атомный вес около 18, а остальные 37 — около 17. (Изотопы можно изображать символами О16, О17, О18.)

Приняв атомный вес кислорода за 16, химики считали, что средний вес трех изотопов равен 16. Самый распространенный изотоп кислорода имеет вес чуть-чуть меньше 16 (точно 15,9956), и массы сравнительно небольшого числа атомов более тяжелых изотопов кислорода как бы подтягивали эту цифру до отметки 16.

Физиков, изучавших строение ядра, в большей степени интересовали отдельные изотопы, а не произвольное сочетание изотопов в одном элементе. И логика была на их стороне, потому что масса отдельного изотопа, насколько известно, абсолютно постоянна, в то время как средняя масса атомов элемента слегка колеблется при очень малом изменении смеси в различных условиях.

Теперь мы имеем две шкалы. Первая — «химический атомный вес», на основе стандарта «O-16», вторая — «физический атомный вес», на основе стандарта «O16-16».

По шкале химических атомных весов атомный вес кислорода равен 16,000; по шкале физических атомных весов более тяжелые изотопы кислорода увеличивают средний вес до 16,0044. Естественно, атомные веса всех других элементов должны соответственно измениться, — у каждого элемента атомный вес по физической шкале будет на 0,027 процента выше, чем по химической шкале. Таким образом, химический атомный вес водорода равен 1,0080, а физический — 1,0083.

Разница небольшая, но все же неточность есть. Химикам и физикам не следовало доводить дело до таких разногласий. Хотя логика была не на стороне химиков, они не соглашались отказаться от своих прежних показателей, боясь путаницы при внесении поправок в уйму расчетов, которые основывались на старых химических атомных весах и были запечатлены в химической литературе.

И тут-то физикам пришло в голову, что, пользуясь стандартом «О16-16», они слепо следуют за предвзятым мнением химиков, давно уже потерявшим какую-либо ценность. Единственной причиной, почему кислород использовался в качестве стандарта, было то, что с его помощью легко определялись эквивалентные веса.