Страница 21 из 67
Точно так же Менделеев исправил атомные веса урана, ванадия, церия, титана.
При размещении всех известных тогда элементов некоторые клетки Менделееву пришлось оставить не занятыми. Значит еще не все элементы обнаружены — сделал вывод Менделеев. Со временем «хозяева» пустующих клеточек найдутся!
И хотя никто в мире даже не подозревал о существовании новых элементов, Менделеев заранее указал их свойства и атомные веса.
Многие ученые встретили установленный Менделеевым закон с явным недоверием. Русский химик, открывает новые элементы вне лаборатории, взвешивает их без весов! Он предсказывает свойства элементов без анализа, даже не видя их!
В 1875 году поступило первое сообщение: нашелся один из предсказанных Менделеевым элементов. Его свойства и атомный вес почти в точности соответствовали предначертаниям Менделеева.
Тогда химики стали проверять атомные веса элементов. Опять оказалось, что Менделеев прав, действительно атомный вес бериллия равен 9, а уран должен занять свое место не в середине списка, как раньше, а в самом конце его.
В 1879 году открыли еще один менделеевский элемент. Затем нашли третий элемент!
Это была замечательная победа русского ученого и всей русской науки! Слава Менделеева прогремела по всему миру. Ученые оценили все величие и значение трудов Менделеева.
Менделеев помог разоблачить гнилое идеалистическое учение о непознаваемости природы. Своим открытием Менделеев доказал, что настоящий ученый обязан не только видеть, но и предвидеть факты.
Именно поэтому Фридрих Энгельс оценил открытие Менделеева как «великий научный подвиг».
Таблица Менделеева стала настольным пособием всех химиков, физиков, геологов. С ее помощью стали искать новые элементы и не наугад, а заранее зная не только их свойства, но даже горные породы, в которых они могут содержаться.
Закон Менделеева признали все. Его изучали, применяли, постоянно убеждались в его непреложности. И вместе с тем — это был закон-загадка. Почему свойства элементов повторяются с математической правильностью? В чем скрыта причина периодичности?
Планетарная модель атома
Через 15 лет после опубликования закона Менделеева, известный русский ученый и революционер Н. А. Морозов указал, что причину периодичности свойств элементов следует искать в числе электрических зарядов, заключенных в атоме. Это замечательное предвидение оправдалось только в начале нашего столетия, когда ученые получили некоторое представление об устройстве атома.
Атомы чрезвычайно малы. В пяти каплях воды содержится атомов больше, чем капель в Черном море. Чтобы напечатать в этой книге только одну точку, был израсходован миллиард атомов углерода, входящего в состав типографской краски.
Несмотря на столь незначительные размеры атом имеет весьма сложное строение.
Первая разведка внутриатомного мира была сделана в начале нашего века. Ученые старались придумать модель атома, которая позволила бы наглядно представить его строение.
Самая первая из моделей атома была крайне проста. Атом — это шарик заряженный положительно, внутри которого, как семечки в огурце, расположены электроны, — утверждал автор этой гипотезы. Однако были обнаружены явления, которые никак не согласовались с такой моделью. Было найдено, что альфа-частица из радиоактивного вещества, пролетая в воздухе, пронизывает сотни тысяч атомов, почти не отклоняясь от своего пути. И только изредка она резко меняет направление, как бы натолкнувшись на что-то непроницаемое. Значит, атом нельзя представлять себе как шарик, сплошь заполненный веществом.
Вторая модель атома называется планетарной.
Еще в сороковых годах прошлого столетия профессор М. Г. Павлов в своих лекциях по физике утверждал, что строение вещества связано с электрическими зарядами и что химические элементы имеют строение, подобное, устройству солнечной системы.
Впоследствии эта забытая гипотеза была воссоздана и разработана англичанином Резерфордом и датчанином Бором. Их модель изображала атом в виде крохотной планетной системы. В центре атома находится маленькое, но массивное, положительно заряженное ядро, представляющее собой «солнце» атомного мира. Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, обращаются по своим орбитам электроны.
Планетарная модель атома больше похожа на действительный атом, чем первая.
Однако, наряду с некоторым сходством в устройстве атома и солнечной системы, между ними существует большая разница.
В солнечной системе действует сила тяготения. В атоме действуют иные силы. Ядро атома несет положительный заряд, а электроны являются простейшими отрицательными зарядами.
В солнечной системе планеты обращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости. В атоме электроны вьются вокруг ядра по всем направлениям, охватывая ядро со всех сторон.
Планеты не могут переходить с одной орбиты на другую или, покинув солнечную систему, перекочевывать в другие планетные системы. Электроны же под влиянием внешнего воздействия — ударов других частиц материи — могут перескакивать с орбиты на орбиту и даже совсем, покидать атом, превращаясь в «вольных путешественников».
Наконец, атом в 1022 раз меньше солнечной системы. Такая огромная разница в масштабах обусловливает глубочайшие качественные различия между солнечной системой и атомом. Механика атома настолько отличается от механики больших тел, что, в сущности, вообще нельзя говорить об орбитах электронов. Мы можем только сказать, что ядро атома окружено электронным облачком или электронной оболочкой.
Электроны внутри оболочки размещены слоями, на определенных расстояниях или уровнях от ядра атома, и современная физика позволяет только указать, сколько электронов находится в каждом слое электронной оболочки атома данного элемента.
Следует, однако, сказать, что для наглядного объяснения многих явлений можно все же представлять атом в виде ядра, окруженного электронами, движущимися по определенным орбитам. Нужно только помнить, что в действительности атом гораздо сложней такой упрощенной модели.
Устройство электронных оболочек
Самый простой и легкий из атомов — это атом водорода. Водородный атом состоит из ядра, несущего один положительный заряд[17], и одного единственного электрона. Ядро атома водорода получило особое название — протон, что значит первичный.
Следующий за водородом в системе Менделеева элемент — гелий. Ядро атома гелия примерно вчетверо тяжелее протона. Оно состоит из двух протонов и двух частиц, которые почти равны протонам по массе, но лишены электрического заряда. Такие, не имеющие заряда, нейтральные частицы названы нейтронами.
Вокруг ядра атома гелия движутся два электрона.
Третью клеточку в таблице Менделеева занимает щелочной металл литий. Вокруг его ядра обращаются три электрона.
Элемент № 4 — бериллий. Его ядро содержит четыре положительные заряда, и окружено оно четырьмя электронами.
Если мы возьмем наугад какой-либо элемент из середины менделеевской таблицы, то убедимся, что этот порядок соблюдается везде. У элемента № 6 — углерода — 6 электронов. У азота — 7, у кислорода— 8, у фтора — 9 и у неона — 10. Номер элемента в системе Менделеева, количество положительных зарядов в ядре и количество электронов в оболочке всегда выражается одним и тем же числом. Например, олово: номер — 50, положительных зарядов ядра — 50, электронов в оболочке — 50.
Вот это число, выражающее одновременно и порядковый номер, и количество положительных зарядов, и количество электронов, называется числом Менделеева.
Посмотрим теперь, как располагаются электроны внутри электронных оболочек различных атомов.
Единственный электрон водородного атома обычно находится очень близко от ядра — на минимальном расстоянии, которое возможно по законам атомной механики. Принято называть этот низший уровень первым.
17
То есть заряд по величине равный заряду электрона, но противоположный по знаку.