Текст книги "По ту сторону кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 22 страниц)

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ

В XVII веке алхимия вместе с натурфилософией уступила место химии и физике. В 1642 году появилось сочинение Иоахима Юнгиуса (1587–1657) «Диспуты о принципах материи», которое он вполне в духе века заканчивает словами:

«Какие принципы должны быть признаны первичными для однородных тел, может быть познано не путём догадок, а только на основании добросовестных, детальных и прилежных наблюдений».

В 1661 году вышла в свет знаменитая книга Роберта Бойля «Скептический химик», в которой он определил химические элементы как «некоторые примитивные, или простые, или совершенно несмешанные вещества».

^{Некоторые примитивные вещества}

По существу, это первое и почти современное определение элемента: элемент – это прежде всего вещество, а вовсе не «принцип», субстрат или идея. Оставалось пока неясным, как выделять элементы из природных веществ и по какому признаку можно отличить чистые элементы от их смеси или соединения. Например, сам Бойль полагал, что вода чуть ли не единственный чистый элемент, в то время как золото, медь, ртуть и серу относил к химическим соединениям и смесям.

Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) принял целиком учение Бойля об элементах, но он жил столетием позже, и ему этого было уже недостаточно: он хотел научиться выделять элементы из химических соединений. По-видимому, он был одним из первых, кто использовал весы не для приготовления порошков и смесей, а для целей исследования. Он исходил из предположения, которое сейчас кажется тривиальным, но в эпоху флогистона требовало немалой смелости:

Каждый элемент соединения весит меньше, чем всё соединение в целом.

Последовательно применяя этот принцип, он составил первую таблицу, содержащую около 30 элементов. Взгляды Лавуазье настолько противоречили общепринятым в то время воззрениям, что рьяные последователи теории флогистона в Германии устроили публичное сожжение его портрета.

Лавуазье не закончил своих исследований: по обвинению в государственной измене 8 мая 1794 года после полудня на площади Революции в Париже ему отрубили голову, а тело погребли в общей могиле. Наутро после казни Лагранж говорил с горечью:

«Чтобы снять эту голову, достаточно было мгновения, а чтобы создать другую, ей подобную, не хватит, быть может, и столетия».

Последующие сто лет были заполнены трудами химиков, которые постепенно дополняли таблицу Лавуазье. Среди них вызывает восхищение фигура «короля химиков» Иенса Якоба Берцелиуса (1779–1848), который за свою жизнь проанализировал свыше 2 тысяч веществ и открыл несколько новых элементов.

В это время было известно уже около 60 элементов – не так много, как думал Демокрит, но и не так мало, чтобы считать их все независимыми. Возникло подозрение, что совокупность элементов образует единую систему, и начались поиски этой системы.

По существу, такие поиски никогда не прекращались даже в то время, когда они были явно преждевременными. Например, Марне уже в 1786 году был уверен,

«что всё существующее в природе связано в один беспрерывный ряд»

и что

«…от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений…»

В 1815 году английский врач и химик Вильям Праут (1786–1850) развил идею Марне о родстве элементов и предложил простую гипотезу, по которой все элементы образовались при конденсации водорода.

Сейчас не время и не место подробно изучать все попытки найти систему элементов, которые в разное время предприняли Деберейнер (1817), Петтенкоффер (1850), Гладстон (1853), Олдинг (1857), Бегюэ де Шанкуртуа (1863), Ньюлендс (1865) и многие другие. Значительно важнее проследить идеи и побудительные причины, которые всеми ими двигали.

В основе любой науки лежит человеческая способность удивляться. А существование элементов всегда вызывало и будет вызывать удивление. В самом деле, разве не странно, что весь этот мир, наполненный красками, запахами, звуками и человеческими страстями, построен всего из нескольких десятков элементов. Причём, как правило, сами элементы невзрачны на вид и ничем не напоминают красочного мира, который из них построен.

Однако вслед за удивлением в сознании учёных возникает потребность упорядочить впечатления, которые их поразили. Это чисто человеческое качество заложено в каждом из нас очень глубоко: ребёнок радуется, сложив из хаоса кубиков правильную фигуру, скульптор – вырубив из глыбы мрамора статую.

При всякой попытке что-либо упорядочить сразу же возникает вопрос: «А по какому признаку?» Если у вас в коробке навалены в беспорядке кубики с номерами, то упорядочить их очень просто: достаточно расставить их в порядке номеров. А теперь представьте, что вместо кубиков у вас в руках пробирки с химическими элементами. В пробирках вещества разного цвета и запаха, жидкие и твёрдые, тяжёлые и лёгкие. Какое из этих качеств следует взять за основу классификации? Например, пробирки можно расставить на полке так, что их цвета образуют радугу. Это будет красиво, но для науки об элементах бесполезно: всякая классификация имеет смысл лишь в том случае, если она позволяет выявить глубокие свойства или особенности строения. (Такова, например, классификация животного мира.)

^{Первые попытки}

Чем вообще полезна классификация, кроме того, что она удовлетворяет наше инстинктивное стремление к простоте? Прежде всего – и это самое важное – без неё невозможна никакая наука. Мозг учёного – лишь небольшая часть природы, и он может надеяться познать всю природу только в том случае, если научится выделять в ней главные черты среди нагромождения деталей.

Как раз в этом и состоит суть классификации: среди многочисленных свойств предметов или явлений выбрать лишь одно или два свойства, но зато такие, чтобы они позволили выявить закономерность изменения всех остальных свойств.

У химических элементов очень много свойств, что вполне понятно: иначе нельзя было бы построить весь мир. Самое важное из них – способность элементов вступать в химические реакции. Казалось бы, именно это свойство элементов и нужно положить в основу их классификации. Однако это не так: нет способа точно измерить (и даже строго определить) реакционную способность элементов. А без этого любая классификация ненадёжна. Чтобы не быть произвольной, она должна опираться на число, то есть элементы нужно классифицировать по тому их свойству, которое поддаётся точному измерению.

^Анализ

Но и здесь не всё так просто: удельный вес элементов мы можем измерить очень точно, однако положить его в основу их систематики нельзя – хотя бы потому, что среди них есть и газы, и жидкости, и твёрдые тела.

Многочисленные неудачные попытки найти систему элементов помогли наконец понять, что среди различных свойств элементов, доступных непосредственному наблюдению, нет того единственного свойства, которое необходимо положить в основу их классификации. Искомое свойство – атомный вес элемента – лежит вне химии и целиком принадлежит физике. Тот момент, когда это впервые поняли, можно считать началом современного учения о химических элементах. Этот решающий шаг сделал Джон Дальтон.

ЭЛЕМЕНТЫ И АТОМЫ

Среди учёных своего времени Джон Дальтон очень своеобразная фигура. В начале XIX века уже все уверовали в науку и поняли секрет её могущества: она имеет дело с числами, а числа не обманут. Поэтому превыше всего в то время ценили искусство ставить точные опыты. Дальтон решительно этим качеством не обладал и потому при жизни подвергался нападкам маститых учёных.

«Его инструменты, сделанные в основном своими руками, не были приспособлены для получения аккуратных результатов, а его манера экспериментирования была небрежной, если не сказать неряшливой»,

– писал один из его биографов.

По складу ума это был типичный теоретик, как мы себе представляем сейчас эту профессию. Поэтому не следует слишком строго судить неточности измерений в его работах: на их основе он высказал светлые и плодотворные мысли, которые определили развитие химии на ближайшие сто лет. Суть его открытия состоит в том, что он указал экспериментальный путь проверки атомной гипотезы.

Дальтон определил элемент как вещество, состоящее из атомов одного вида. Атомы различных веществ различаются между собой по весу и при всех превращениях вещества остаются неизменными – происходит лишь их перегруппировка.

«Мы с таким же успехом можем стараться прибавить новую планету в солнечную систему, как уничтожить или создать атом водорода»,

– писал Дальтон.

Дальтона начинается современная история атома. Он впервые не только твёрдо поверил в атомную гипотезу, но стал искать вытекающие из неё и притом наблюдаемые следствия. Ход его рассуждений состоял примерно в следующем.

Допустим, что все элементы состоят из атомов. Тогда, скажем, в 16 г кислорода содержится N атомов кислорода. Теперь допустим, что мы сжигаем в этом кислороде водород. Легко измерить, что для сжигания 16 г кислорода надо затратить 2 г водорода, и в результате мы получим 18 г воды.

Первое предположение, которое приходит в голову стороннику атомной гипотезы, состоит в том, что каждый атом кислорода O соединяется с одним атомом водорода H и в результате образуется молекула воды HO. Именно так думал и Дальтон.

В дальнейшем Берцелиус доказал, что он немного не прав, а именно: с каждым атомом кислорода соединяются два атома водорода и поэтому формула воды принимает привычный для нас вид: H₂O. Но здесь самое важное идея: с каждым атомом кислорода соединяется целое число атомов водорода. Поэтому если в 16 г кислорода содержится N атомов, то в 2 г водорода – 2∙N атомов. А это означает, что один атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.

Таким образом, появилась возможность сравнивать между собой вес атомов различных элементов. Появилось понятие – атомный вес– число, которое показывает, во сколько раз вес атома какого-либо элемента тяжелее атома водорода. По определению атомный вес водорода приняли равным единице, и, следовательно, атомный вес кислорода равен 16.

Чем может быть полезно это простое рассуждение? Прежде всего теперь можно измерить атомные веса всех других элементов, изучая их соединения с водородом и кислородом. Например, можно убедиться, что в тех же 16 г кислорода удаётся сжечь только 16 г серы и получить сернистый газ. Что отсюда следует? Можно, как всегда, предположить простейшее: с каждым атомом серы соединяется один атом кислорода по формуле S + O = SO, и сделать отсюда вывод, что атомный вес серы равен 16. Но если (как мы теперь знаем) горение происходит по формуле S + O₂= SO₂, то атомный вес серы следует положить равным 32.

^{Измерение атомного веса}

На этом примере мы видим, что сама по себе атомная гипотеза ещё не даёт способа предсказывать состав химических соединений, однако она не позволяет ошибаться больше чем в целое число раз. Например, мы заранее можем предсказать, что с 32 г серы (в которых содержится N атомов) может соединиться либо N, либо 2∙N и т. д. атомов водорода, то есть либо 1 г, либо 2 г, но ни в коем случае не 1,35 г водорода. Это утверждение как раз и составляет содержание знаменитого закона кратных отношений:

Веса элементов, входящих в соединение, относятся между собой как целое кратное их атомных весов.

К этим результатам Дальтон пришёл в 1804–1805 годах, а в 1808 году вышла его знаменитая книга «Новая система химической философии», открывшая Целую эпоху в науке. Его выводы тут же проверил английский врач и химик Уильям Волластон (тот самый, который впервые обнаружил тёмные линии в спектре Солнца) и убедился в их справедливости.

Нам сейчас трудно представить ту смутную эпоху, когда отвергали не только атомную гипотезу, но вообще сомневались в том, что химические соединения имеют постоянный состав. Известен знаменитый восьмилетний спор между Прустом и Бертолле, лишь в конце которого Пруст наконец доказал, что независимо от того, как и откуда получено соединение, оно всегда имеет один и тот же неизменный состав. И вода всегда остаётся водой H₂O, упала ли она с неба, взята ли из реки или же получена сжиганием водорода в кислороде.

Оставалось сделать последнее: научиться определять атомные веса элементов. Для этого нужно было выбрать простейшие вещества. Прежде всего обратили внимание на газы. И тут сразу же, в 1809 году, бывший ассистент Бертолле французский учёный Джозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) (которого мы знаем по «газовому закону Гей-Люссака») сделал очень важное открытие: объёмы двух газов, вступающих в реакцию, всегда относятся друг к другу как простые целые числа.

Не веса, а объёмы!

Как мы скоро увидим, это очень важно. Например, чтобы получить воду, нужно в одном объёме кислорода сжечь ровно два объёма водорода. Отсюда уже сам собой напрашивается вывод: в равных объёмах газов содержится одинаковое количество атомов.

Именно к такому выводу пришёл в 1811 году итальянский учёный Амедео Авогадро (1776–1856) (Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья э ди Керрето), только сформулировал его точнее:

В равных объёмах газов содержится одинаковое количество молекул.

Как мы теперь знаем, молекулы большинства газов: водорода, кислорода, азота и т. д. – состоят из двух атомов H₂, O₂, N₂. После этого уже ничего не стоит понять классический опыт по сжиганию водорода в кислороде. Известно, что при этом из 1 объёма кислорода и 2 объёмов водорода образуется 2 объёма водяного пара. Коротко этот факт записывают уравнением:

2H₂+ O₂= 2H₂O

В чём значение открытий Гей-Люссака и Авогадро и почему мы так подробно остановились на этих простых фактах?

Проследим ещё раз цепочку рассуждений. В равных объёмах газов содержится одинаковое число молекул. Известно, что 2 г водорода занимают объём 22,4 л; обозначим число молекул, которое содержится в этом объёме, через N. Те же самые N молекул кислорода занимают тот же объём 22,4 л, но весят они при этом не 2 г, а 32. Отсюда следует, что каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода; а это означает, что, измерив удельный вес какого-либо газа, мы сразу же определим его атомный вес.

Нигде до сих пор реальность атомной гипотезы не была видна так явно. Действительно, удельный вес – величина легко измеримая и привычная, поскольку она воздействует на наши органы чувств. Поразительно то, что таким простым способом можно измерить атомный вес – величину, не данную нам в ощущении непосредственно и тем не менее безусловно реальную.

Число молекул N, которые помещаются в 22,4 л любого газа, называют теперь числом Авогадро. Это одна из основных постоянных физики – подобно скорости света c или постоянной Планка h. Чтобы определить её, достаточно знать абсолютный вес M одного атома водорода. И поскольку в 22,4 л содержится 2 г таких атомов, то число N = 2/M.

Впервые удалось оценить число N после вычислений Йозефа Лошмидта, который определил абсолютный вес и размеры атома водорода. Кстати, из его вычислений следовало, что расстояния между молекулами газа примерно в 10 раз превышают размеры самих молекул. Если знать этот результат заранее, то гипотеза Авогадро совершенно очевидна: средние расстояния между атомами газа не зависят от их размеров, которые от газа к газу меняются очень незначительно.

Гипотеза Авогадро была вскоре забыта, и лишь полстолетие спустя, в 1858 году, ей возвратил жизнь другой итальянский учёный, Станислао Каниццаро (1826–1910). Это было как нельзя более кстати, поскольку между химиками той поры не было согласия: почти каждый из них признавал только свою собственную таблицу атомных весов, органики не доверяли неорганикам, а созванный в 1860 году в Карлсруэ съезд самых знаменитых химиков ни к какому соглашению не пришёл.

Немецкий химик Лотар Мейер (1830–1895), много сделавший для установления системы элементов, вспоминал, как, возвращаясь со съезда в Карлсруэ, он читал в вагоне поезда брошюру Каниццаро и как во время этого чтения у него «упала пелена с глаз».

Только теперь наконец были достаточно правильно определены атомные веса элементов, и можно было приступить к их классификации.

ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Казалось бы, чего проще – надо расположить все элементы в порядке возрастания атомных весов, и сразу же сама собой обнаружится периодичность их свойств. И часто дело изображают так, будто Менделеев, выписав все известные в то время элементы на оборотной стороне визитных карточек, долго раскладывал их как пасьянс, пока не забылся кратким дневным сном. Во время этого-то сна к нему и пришло решение проблемы. По-видимому, так оно и было, но при этом всегда следует помнить, что счастливому дню 1 марта 1869 года предшествовало много других дней и ночей – бессонных и бесплодных, когда проблема казалась безнадёжной.

В чём состояла трудность задачи? Вспомните пример с беспорядочной кучей пронумерованных кубиков – расставить их по порядку не составляет труда. Но на химических элементах нет ярлыков с номерами – это просто вещества разного цвета, твёрдые, жидкие, газообразные. Мы знаем только, что каждому из них можно поставить в соответствие число – атомный вес. Именно это число приняли вначале за основу классификации. Можно, конечно, расположить все элементы в порядке возрастания атомных весов – многие именно так и поступали, – но это будет занятие, достойное ремесленника, а не мастера. Прежде всего, откуда известно, что мы знаем уже все элементы? А без этой уверенности какой смысл располагать их по возрастающим атомным весам?

^{Трудность задачи}

Проблема в действительности напоминает известную детскую игру в кубики, на которых изображены части картины и нужно сложить их все вместе так, чтобы получилась вся картина целиком. Теперь представьте, что часть кубиков утеряна, а на части кубиков куски картины искажены. В этом случае целую картину всё равно можно восстановить, хотя, конечно, и с большим трудом. Только при этом нужно стремиться представить себе именно картину всю целиком, а не надеяться, что она сама получится, если произвольно и бездумно переставлять кубики.

Дмитрий Иванович Менделеев владел как раз этим даром синтетического мышления. Он с самого начала представлял себе элементы не как набор случайных веществ, а как части единой системы. И в поисках этой системы элементов он не ограничился только их физическим свойством – атомным весом (хотя и положил его в основу классификации), а держал в памяти и комбинировал все остальные их – химические – свойства.

Во времена Менделеева было известно 63 элемента. В таблице, которую он составил в 1869 году, только 36 из них подчинялись принципу возрастания атомных весов. Для 20 элементов этот принцип был нарушен, а для оставшихся 7 Менделеев исправил атомные веса на основании своей таблицы. Он настолько верил в найденную им систему, что предсказал на её основе свойства ещё не открытых элементов и оставил для них пустые места в таблице. Эти элементы и в самом деле были вскоре открыты: скандий, № 21, в 1875 году, галлий, № 31, в 1879 году, германий, № 32, в 1886 году, технеций, № 43 и рений, № 75, в 1925 году.

Если быть строгим, то приходится признать, что Менделеев открыл свою систему не на основании фактов, а вопреки им. Он как будто видел заранее всю таблицу и принимал во внимание лишь те факты, которые ей не противоречили. Как в загадочной картинке «Найди охотника!», Менделеев в беспорядочном нагромождении линий вдруг увидел чёткие контуры правильной картины. А различив её однажды, уже нельзя в дальнейшем её не заметить – даже если очень стараться. (Это свойство человеческой психики каждому хорошо знакомо.) Здесь Менделеев обнаружил ту сторону своего ума, которая отличает гения от таланта: большую интуицию – редкий дар природы, позволяющий увидеть истину сквозь шелуху неверных фактов.

В периодической системе элементов Менделеева нашёл наконец успокоение давний спор между представлениями Аристотеля и Демокрита о природе элементов. По горизонтали таблицы изменяется ненаблюдаемое свойство атома Демокрита – атомный вес (количество); по вертикали элементы естественно группируются в семейства с аналогичными химическими свойствами: валентность, способность вступать в реакции и т. д. Эти свойства наблюдаемы, воздействуют на наши органы чувств и сродни древним «качествам» Аристотеля.

Лагранж как-то сказал:

«Счастлив Ньютон, ибо систему мира можно установить лишь однажды».

Менделеев установил систему химического мира. Это тоже можно сделать только один раз. Поэтому его имя, как и имя Ньютона, никогда не будет забыто, пока существует наука.