Сон химика Менделеева об электрических атомах
Химик Менделеев после открытия своей знаменитой таблицы стал популярен – настолько, что это его стало раздражать. Вот и на этом званом обеде к нему пристали какие-то барышни вместе с журналистами:
– А правда, что вы сделали своё открытие во сне? Проснулись и записали уже готовую таблицу?
Химик тяжёло вздохнул в ответ – ну что сделаешь с этими легкомысленными людьми? – и ответил:
– Я над ней, может быть, двадцать лет размышлял, а вы думаете – раз и готово…
Навязчивые посетители давно ушли, а пожилой учёный погрузился в воспоминания, машинально поглаживая густую седоватую бороду. Он вспоминал своё детство в Тобольске и долгую поездку в Санкт-Петербург, где получил университетское образование. Но этого молодому хваткому сибиряку было мало, и он, начав карьеру с должности школьного учителя в Симферополе и Одессе, написал диссертацию и стал в 23 года приват-доцентом Санкт-Петербургского университета. А потом были годы исследований – в России и в Европе, обустройство лаборатории с изготовлением нужных Менделееву точнейших приборов, множество экспериментов и тысячи прочитанных книг и статей.
План исследований у молодого учёного был глобален: связать химические свойства элементов с их физическими свойствами, в первую очередь с массой, объёмом и силой взаимодействия атомов. Годы и годы ушли на рассматривание и анализ карточек, на которых были записаны свойства известных элементов. Никакой сон не помог бы, если бы не было этих долгих лет…
Проблема классификации химических элементов по свойствам и весу атомов заключалась в том, что далеко не все химические элементы в то время были открыты, а для тех элементов, что были открыты, физические параметры нередко определялись с большой ошибкой. И молодому учёному нужно было сначала уловить скрытый ритм химических свойств элементов, а потом понять – если какие-то элементы не укладываются в найденную закономерность, то является ли это признаком ошибочности данной закономерности или признаком неправильно определённых свойств химических элементов?
Гениальность и смелость Дмитрия Ивановича Менделеева, достигшего к 1869 году, времени открытия своего Периодического закона, 35-летнего возраста, как раз в том и выразились, что он верно уловил гармонию в периодичности химических свойств элементов, а параметры тех элементов, которые ей не соответствовали, он смело исправил. Для этого нужно твёрдо верить в открытый закон! Например, в те времена атомный вес урана считался равным 120 единицам.
– А что такое единица атомного веса? – спросил Андрей.
– Это одна двенадцатая массы атома углерода. Так как ядро углерода имеет массу 12 и состоит из шести протонов и шести нейтронов, то получается, что за единицу принимается величина, близкая к массе одного нуклона в ядре, то есть протона или нейтрона. Возвращаясь к урану: Менделеев взял и увеличил его массу со 120 до 240 единиц! Впоследствии оказалось, что уран имеет среднюю массу в 238.
– То есть Менделеев, исходивший из теоретических соображений, оказался гораздо точнее, чем все экспериментаторы? – удивился Андрей.
– Да, хорошая теория должна обладать способностью к верным предсказаниям. Учёный исправил параметры девяти элементов: например, известную атомную массу тория учёный изменил с 174 до 231; массу индия исправил с 75,6 на 113,4; массу церия поднял с 92 до 140. Все эти и ряд других сдвигов в параметрах элементов потом полностью подтвердились. Более того – таблица Менделеева позволила не только правильно разместить известные элементы, она также указала на пропуски или пустые клетки в таблице.
– А в этих пустых клетках должны были находиться ещё не открытые элементы? – догадалась Галатея.
– Верно. На основе открытых периодичностей свойств химических элементов Менделеев детально описывал возможные характеристики ещё не открытых элементов, указывал их атомный вес и химические свойства.
Учёный писал: «Без Периодического закона мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения… Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь».
Базируясь на своём законе периодичности, Менделеев предсказал наличие десяти ещё не открытых химических элементов: скандия, галлия, германия, гафния, полония, астата, технеция, протактиния, рения и франция. Все они были впоследствии открыты, что стало настоящим триумфом Периодического закона Менделеева.
Дзинтара раздала детям красивые цветные листки с таблицей.
– Возьмите таблицу Менделеева и внимательно посмотрите на неё. Она рекордсмен по информационной ёмкости: эта таблица, умещающаяся на одной странице, рассказывает невообразимо много о тайнах нашего мира. Таблицу Менделеева, как и физическую карту Земли, можно рассматривать бесконечно долго.
– Мама, а почему химические элементы проявляют такую периодичность? – спросила Галатея.
Дзинтара призадумалась, а потом молча потянулась к вазе, заполненной разными ягодами, и стала что-то сортировать.
Вскоре на столе выросли три кучки: тёмно-красных вишен, полупрозрачного желтоватого винограда и ягод чёрной смородины.
– С помощью этих ягод мы сейчас смоделируем набор элементов, из которых создан наш материальный мир. Пусть вишни означают протоны, виноградинки – нейтроны, а мелкие ягоды смородины – электроны.
Дзинтара взяла прозрачные стаканы и расставила их в ряд. В первый стакан она бросила одну вишенку, во второй – две, в третий – три.
– Каждый стакан – это ядро какого-то химического элемента. В таблице Менделеева больше сотни элементов, но мы не будем брать сотню стаканов – ведь нам важно понять общий принцип строения ядер химических элементов. В каждый следующий стакан мы кладём на одну вишенку больше, так что количество вишенок в стакане будет означать его порядковый номер в общем ряду.
– Значит, заряд каждого элемента будет всё время нарастать! – сказал Андрей.
– Верно, – согласилась Дзинтара. – Электрический заряд ядра каждого элемента, измеренный в зарядах протона, который равен заряду электрона, строго равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева – и растёт вместе с ним. Масса ядра тоже увеличивается с порядковым номером, но по более сложной функции.
Дело в том, что все протоны заряжены положительно и отталкиваются друг от друга. Чтобы склеить их вместе, нужны нейтроны – частицы, очень похожие на протоны, но не обладающие электрическим зарядом. Протоны и нейтроны притягиваются друг к другу за счет мощных сил, которые так и называют – ядерными. Нейтроны нужны, чтобы «сцементировать» атомные ядра. Нейтроны склеиваются с протонами ядерными силами – и делают ядро стабильным, не радиоактивным.
