Менделеев

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.