По ту сторону кванта - Пономарев Леонид Иванович

Наоборот, в атомах фтора, хлора, брома и т. д. недостаёт одного электрона, чтобы замкнуть их внешнюю оболочку до оболочки благородного газа. Поэтому-то галогены так охотно присоединяют электрон, образуя отрицательные ионы F−, Cl−, Br− и т. д. Когда атомы натрия и хлора встречаются, то натрий отдаёт свой внешний электрон хлору, в результате чего возникают ионы Na+ и Cl−. Ионы эти притягиваются, образуя молекулы NaCl, из которых состоит хорошо известная всем поваренная соль.

Попутно нам удалось выяснить смысл понятия валентности, которое так трудно определить химически: валентность элемента в соединении — это число электронов его атома, участвующих в образовании химической связи. Легко видеть, что валентность вместе с другими химическими свойствами должна повторяться периодически через 2, 8, 18, 32 элемента при начале заполнения каждой следующей оболочки.

В прошлом веке числа 2, 8, 18, 32 вызывали недоумение и получили название «магических». Объяснить их пытались по-разному, например, вспоминали, что октаэдр — самый прочный многогранник и что в буддийской философии есть учение о восьмеричном пути добра. Но вряд ли кто предполагал, что для них существует такое простое и рациональное объяснение.

Если бы Дальтон, Лавуазье, Менделеев — все, кто в своё время посвятил жизнь и силы изучению системы химических элементов, попали хоть ненадолго в наше время, они бы, без сомнения, испытали совершенную радость чистого знания, которое наконец достигнуто в учении об элементах. Вместо случайного набора веществ, относительно которых даже не всегда было известно, элементы ли это или смеси, они увидели бы стройную иерархию атомов: от водорода до курчатовия.

Этой гармонией мы обязаны квантовой механике, к знакомству с которой теперь и перейдём.

ВОКРУГ КВАНТА

АТОМЫ, ЯДРА, ИЗОТОПЫ

Вероятно, бог, создавая уже на пятый день творения «всех животных, и птиц, и рыб» целиком, не знал ничего об атомах или же не хотел вникать в такие детали. Но если бы он захотел заготовить вначале все атомы, то проще всего ему было бы пойти по пути, который предлагал в своё время Праут: построить их все из атома водорода.

Ясно, однако, что при сближении двух ядер водорода (протонов) они отталкиваются, поэтому природа изобрела ещё один тип частиц — нейтроны, которые вместе с протонами уже могут образовать устойчивые ядра.

Заряд нейтрона равен нулю, а масса почти в точности равна массе протона. Если соединить вместе два протона и два нейтрона, то они образуют очень прочное ядро гелия (те самые α-частицы, которые использовал Резерфорд в своих опытах). Очевидно, что атом гелия в четыре раза тяжелее атома водорода и потому его атомный вес равен 4. Два электрона гелия занимают нижнюю оболочку с квантовыми числами n = 1, l = 0, m = 0, S = +½ и −½.

Если к ядру гелия добавить ещё один протон и один нейтрон, то получится ядро лития с атомным весом 6. Третий электрон лития уже не помещается на первой оболочке и попадает на следующую, с квантовым числом n = 2. Данный факт как раз и соответствует тому, что с лития начинается новый период таблицы Менделеева. На оболочке с n = 2 помещается 2n2 = 8 электронов (2 электрона на орбите n = 2, l = 0 и 6 электронов на орбитах n = 2, l = 1, m = −1, 0, 1). Постепенно добавляя к ядру лития протоны и нейтроны, а к его оболочке — электроны, мы таким образом последовательно построим весь второй период — от лития до неона.

Здесь, однако, мы впервые столкнёмся с новым явлением. В самом деле, мы точно знаем: для того чтобы получить ядро кислорода, нужно к ядру лития добавить 5 протонов, поскольку заряд ядра лития равен трём, а заряд кислорода — восьми. Но сколько при этом надо добавить нейтронов? Оказывается, что иногда 5, а иногда 7. В соответствии с этим атомный вес кислорода иногда равен 16, а иногда 18. Но что в таком случае мы понимаем под словом «кислород»? Тот кислород, которым мы дышим? Сейчас мы знаем, что это естественная смесь изотопов кислорода с атомными весами 16 и 18, которая однажды образовалась в природе и которую никакими химическими способами разделить нельзя, поскольку химические свойства элементов зависят не от их атомного веса, а лишь от заряда ядра их атомов и от особенностей строения их электронной оболочки. (Только теперь мы можем по-настоящему оценить глубину мысли Менделеева, который к понятию атомного веса относился уважительно, но с большой осторожностью и, располагая элементы в таблице, доверял больше своей интуиции, чем естественному порядку атомных весов.)

Термин изотопы ввёл Фредерик Содди в 1912 году. Его буквальный перевод с греческого означает «занимающие одно и то же место» (в таблице Менделеева). Оказалось, что в природе существует по нескольку изотопов каждого элемента, иногда очень много; например, у водорода их три (водород, дейтерий и тритий), а у свинца — десять.

Больше всего изотопов у олова — двадцать шесть. А всего в природе насчитывается около полутора тысяч изотопов различных элементов.

После открытия изотопов стали различать «чистый элемент» и «смешанный».

«Чистый элемент» — это вещество, состоящее только из одного вида атомов: с одинаковым зарядом ядра и одинаковой массой. Чтобы обозначить такой элемент, пишут коротко, например: 8O16. Это означает: кислород с зарядом 8 и атомным весом 16. «Смешанный элемент», или — что то же — обычный химический элемент, — это естественная смесь «чистых элементов».

С открытием изотопов возникла новая проблема: а как измерять теперь атомные веса? То есть с весом какого элемента их надо теперь сравнивать? Оказалось, что сравнивать их с весом атома водорода уже неудобно, и с 1961 года во всём мире принята углеродная шкала, в которой за единицу атомного веса принята 1/12 веса изотопа углерода 6C12.

Благодаря работам Фрэнсиса Вильяма Астона (1877–1945) и многих других мы умеем теперь измерять атомные веса очень точно. Скажем, атомный вес водорода 1H1 в углеродной шкале равен 1,00782522.

«Чистый элемент» или «смешанный» — для химии всё равно; она их не различает даже с помощью самых тонких методов анализа. Тем более недоступно это для человеческих несовершенных чувств. Но иногда это различие становится для всех видимым, а для многих — гибельным. Оставшиеся после атомной бомбардировки в живых жители Хиросимы и Нагасаки навсегда запомнят разницу между безобидными изотопами урана и изотопом 92U235, которым была начинена первая атомная бомба.

АТОМЫ И ЛЮДИ

Случайно это или нет, но факт остаётся фактом: среди учёных, которые установили систему элементов, было много интересных людей.

Роберт Бойль (1627–1691). Это был незаурядный человек. Решающее влияние на него оказала философия Фрэнсиса Бэкона с его учением об опыте как основном мериле истины. Быть может, поэтому он установил один из первых количественных законов в физике, известный теперь как газовый закон Бойля-Мариотта. Любопытно, что по стилю своей работы Бойль ближе к нам, чем к своей эпохе: он не писал статей, а диктовал их секретарю, он не делал сам опытов, а поручал их ассистенту (с которым ему, впрочем, повезло: это был знаменитый впоследствии Роберт Гук).

Бойль был четырнадцатым ребёнком и седьмым сыном в богатой семье. С детских лет его мучили камни в почках, которые, быть может, отчасти определили его образ жизни. Бойль не был женат, был глубоко религиозен и, по свидетельству друзей, знавших его в течение сорока лет, никогда не произносил слова «бог» без благоговейной паузы. В течение 16 лет (1661–1677) он был председателем знаменитой Ост-Индской компании и на этом посту больше всего заботился о деятельности миссионеров в колониях. Примерно треть его учёных трудов посвящена теологии. Он самолично финансировал переводы библии на турецкий, арабский, малайский языки и даже на язык американских индейцев.