Современная математика. Исток. Проблемы. Перспективы
Шрифт:
Между этими новыми работами физиков и законом Менделеева установилось сложное взаимодействие. Эти работы служили укреплению закона, но в то же время Периодический закон, как мощный прожектор, освещал их замысел в самом начале его формирования. Его сиянием руководился датский физик Нильс Бор, который в 1913 году построил модель атома. Его исследования явились прямым откликом на задание, вытекающее из основной формулировки Периодического закона. Этот закон требовал объяснения сущности открытого Менделеевым факта периодического повторения одним элементом свойств другого. И, продолжая свое исследование естественной последовательности атомов, при котором проявлялась загадочная периодичность
Н.Бором было выдвинуто предположение, что периодичность свойств химических элементов, обнаруженная Менделеевым, определяется количеством электронных оболочек в каждом атоме данного элемента. Чем легче ядро, тем меньше его заряд, и тем меньшее число электронов может удерживать атом внутри себя. И наоборот, чем крупнее ядро, тем больше его заряд и тем большее количество электронов оно может удержать на своих орбитах. «У ядра атома золота иной заряд, чем у ядра атома меди или серы. Уравновешиваются эти различные заряды электронными оболочками разных размеров. Эти разные оболочки в одних и тех же случаях будут вести себя совсем не одинаково. Атомы серы будут, например, легко соединяться с теми атомами, с которыми медь будет соединяться с трудом, и т. д.»
Далее физиками, шедшим по путям Менделеева, было установлено, что «при переходе от одной клетки Периодической системы к другой заряд ядра атома элемента, соответствующего исходной клетке, возрастет на единицу. Соответственно этому к электронной оболочке прибавляется один электрон. К расчету движения электронов в оболочке атома неприменимы законы обычной механики – эти движения описываются <…> квантовой механикой. Из законов этой механики следует, что электроны, обращаясь вокруг ядра атома по своим орбитам, не могут находиться от ядра на любом расстоянии. Как планеты вокруг Солнца, на строго определенных расстояниях вокруг тяжелого ядра двигаются легкие “планеты” – электроны. Пути, по которым двигаются электроны, имеют предел своей “населенности”. Ближайшие к ядру пути, образующие как бы внутренний слой электронной оболочки вокруг ядра, вмещают два электрона, следующий слой – восемь, еще более удаленный слой – восемнадцать, за ним – тридцать два и т.д. Этот порядок заполнения атома электронами и определяет свойства периодической таблицы.
Самый простой атом – водородный. Заряд его ядра равен единице, и вокруг этого ядра на определенном расстоянии обращается один единственный электрон. В электронной оболочке атома гелия два электрона. Они целиком заполняют самый близкий к ядру, внутренний слой электронной оболочки. Таким образом, прибавление числа электронов у последующих элементов может идти только за счет образования новых слоев.
Так происходит у третьего элемента – лития. Два электрона, из трех, которыми он обладает, движутся в первом, внутреннем слое электронной оболочки; третий электрон располагается уже во втором слое.
У четвертого по порядку элемента – бериллия – во втором слое прибавляется еще один электрон, то есть всего там их оказывается два. У бора с его зарядом ядра, равным пяти единицам, во втором слое будет три электрона. Углерод будет иметь во втором слое четыре электрона, азот – пять электронов, кислород – шесть, фтор – семь, неон – восемь. Этим достигается предел заполнения второго слоя электронной оболочки.
Таким образом, в атоме неона, как и в атоме гелия, ядро окружено законченными слоями электронной оболочки. Эта замкнутость слоев затрудняет отрыв какого-либо электрона от электронной оболочки и тем самым затрудняет вовлечение атома в какое-либо химическое соединение. И действительно, мы знаем, что и гелий и неон сходны по своей химической инертности.
Дальше, следуя за развитием менделеевских идей, мы переходим к новому периоду системы, который начинается с натрия (заряд ядра равен одиннадцати). Одиннадцатый электрон здесь уже не умещается ни в первом, ни во втором слое. Поэтому он размещается в третьем слое. Таким образом, у натрия и у его ближайшего родственника по Периодической системе – лития – в наружном слое имеется по одному электрону (у лития во втором слое, у натрия – в третьем). Это определяет родство химических свойств этих элементов, жадно соединяющихся с кислородом, и т. д.
Магний, у которого в третьем слое оказывается два электрона, именно поэтому подобен бериллию, алюминий аналогичен бору, кремний – углероду и т.д.» (О.Писаржевский «Дмитрий Иванович Менделеев», ЖЗЛ, Москва, 1949).
В 1922 году произошёл новый рывок в науке, для которого Периодическая система послужила хорошей катапультой. Вдохновленный примером гениального русского ученого, на основании уточнённой закономерности Периодической системы, всё тот же Н.Бор предсказал свойства ещё не открытого к тому времени элемента, который должен был занимать 72-ю клетку таблицы.
Его уже давно искали, этот неизвестный элемент. И его нашли, благодаря Менделееву, и назвали гафнием.
«Так, Периодический закон Менделеева, непрерывно вдохновлявший мысль исследователей, призывавший их к раскрытию сокровенных тайн вещества, ещё и ещё раз подтвердил своё значение основного, глубочайшего закона природы».
«В 1920 году величина заряда ядра была измерена уже прямыми экспериментами, полностью подтвердившими ее совпадение с порядковым номером атома в системе Менделеева. Развитие этих открытий привело к важнейшим событиям в физике атома.
Советские физики-теоретики Д.Д.Иваненко и Е.Н.Гапон в 1932 году нашли физическое истолкование величины заряда ядра. Оказалось, что она определяется числом протонов в ядре. Крупнейший вклад в развитие теории атома в связи с Периодической системой был сделан советской физикой в 1942 году, когда профессор А.П.Жданов открыл явление полного распада атомного ядра на его составные части под действием космических лучей.
Этим экспериментально были подтверждены представления Иваненко и Гапона, так как Жданов получил возможность непосредственно подсчитать число протонов, входящих в ядро (он проделал эти подсчеты на ядрах серебра и брома).
Таким образом, дальнейшее развитие науки, проходившее под знаком Периодического закона, позволило нам понять, что древнейшая проблема, волновавшая еще алхимиков, – проблема превращения одного элемента в другой, сводится всего-навсего к изменению в ядре числа протонов – положительно заряженных элементарных частиц. Точно так же, изменяя число других крепко упакованных в ядре строительных “блоков” – нейтральных простейших частиц, называемых нейтронами, принципиально мы можем получать разновидности атомов одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга лишь своим весом – так называемые изотопы.
Значение Периодической системы в развитии современной науки об атоме далеко еще не исчерпано. Еще не создана полная теория происхождения и распространения элементов Периодической системы, в разработку которой большой вклад сделала школа советских геохимиков – академиков В.И.Вернадского и А.Е.Ферсмана» (О.Писаржевский «Дмитрий Иванович Менделеев», ЖЗЛ, Москва, 1949)…
Всё это пишется и цитируется так подробно и много исключительно ради того, чтобы показать читателям масштаб личности Менделеева: что это был учёный-исследователь и новатор высочайшего уровня, каковых на планете Земля можно по пальцам двух рук перечислить! Кто своими открытиями буквально потрясли и покорили научный мир, в корне и полярно прежнее мировоззрение поменяли. Ньютон и Ломоносов, Лобачевский и Максвелл, Пуанкаре и Гильберт, Гёдель и Келдыш, Курчатов и Королёв, творцы релятивистской квантовой механики (их можно с пяток набрать), Никола Тесла. Из последних гениев и провидцев – Н.В.Левашов. Пожалуй и всё, и весь список… Но даже и среди этих мировых гениев и светил наш Дмитрий Иванович не затеряется, лишним не станет. Потому что по праву считается не только величайшим химиком планеты Земля, это помимо всего остального, не менее великого и замечательного, – но ещё и отцом-основателем современной квантовой физики (механики) – вершины мировой естественнонаучной мысли, как принято теперь думать. Резерфорд, Бор, Планк, Ферми, Дирак, Гейзенберг и Шрёдингер – дети малые в сравнении с ним. Потому что без менделеевского Периодического закона, ставшего фундаментом всего естествознания и неугасимым факелом одновременно, эта наука просто бы не родилась: у неё не было бы для рождения почвы…