Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

флогистона в Германии устроили публичное сожжение его портрета. Лавуазье не закончил своих исследований: по обвинению в государственной измене 8 мая 1794 г. 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» Йенса Якоба Берцелиуса (1779—1848): за свою жизнь он изучил свыше 2 тысяч веществ, с большой точностью определил атомные массы 46 из 49 известных тогда элементов и сам открыл селен, торий, литий, ванадий и некоторые из редкоземельных элементов. (Кстати, именно он в 1814 г. ввел современные обозначения химических элементов по первым буквам их латинских и греческих названий.)

К середине XIX века было известно уже около 60 элементов — не так много, как предполагал Демокрит, но и не так мало, чтобы считать их все независимыми. Постепенно окрепло убеждение, что элементы образуют единую систему, и начались поиски этой системы. В сущности, они никогда не прекращались — даже в то время, когда были явно преждевременными. Например, Марне уже в 1786 г. был уверен, «что все 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 г. английский врач и химик Уильям Праут (1786—1850) развил идею Марне о родстве элементов и предложил простую гипотезу, согласно которой все элементы образовались из легчайшего элемента водорода путем его последовательной конденсации.

Сейчас не время и не место подробно изучать все попытки найти систему элементов, которые в разное время предприняли Деберейнер (1817 г.), Петтенкоффер (1850 г.), Гладстон (1853 г.), Одлинг (1857 г.), Бегюэ де Шанкуртуа (1863 г.), Ньюленде (1865 г.) и особенно Лотар Мейер (1830—1895). 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. Причем, как правило, эти элементы невзрачны на вид и ничем не напоминают красочного мира, который из них построен.

Однако вслед за удивлением в сознании ученых возникает потребность упорядочить впечатления, которые их поразили. Это чисто человеческое качество заложено в каждом из нас очень глубоко: ребенок радуется, сложив из груды кубиков правильную фигуру, скульптор — вырубив из глыбы мрамора статую, музыкант — упорядочив звуки в мелодию.

При всякой попытке привести что-либо в систему сразу же возникает вопрос: «А по какому признаку?» Если у вас в коробке навалены в беспорядке кубики с номерами, то упорядочить их не составляет труда: достаточно расставить их в порядке номеров. А теперь представьте, что вместо кубиков у вас в руках пробирки с химическими элементами. В этих пробирках вещества разного цвета и запаха, жидкие и твердые, тяжелые и легкие. 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 систематика имеет смысл лишь в том случае, если она позволяет выявить глубокие свойства или особенности строения. (Такова, например, систематика зоологических видов.)

Чем вообще полезна любая система, кроме того, что она удовлетворяет наше инстинктивное стремление к простоте? Прежде всего — и это самое важное — без нее невозможна никакая наука. Мозг ученого — 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.

У химических элементов очень много свойств, что вполне понятно: ведь из них построен весь мир. Самое важное из них — способность 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 систематика ненадежна: чтобы не быть произвольной, она должна опираться на число, то есть элементы нужно классифицировать по тому их свойству, которое поддается точному измерению.

Но и здесь не все просто: плотность веществ мы можем измерить очень точно, однако положить ее в основу систематики нельзя — хотя бы потому, что среди элементов есть и газы, и жидкости, и твердые тела.

Многочисленные неудачные попытки найти систему элементов помогли, наконец, понять, что среди различных их свойств, доступных непосредственному наблюдению, нет того единственного, благодаря которому была найдена система элементов. Это свойство — атомная масса 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 ученых своего времени Джон Дальтон — очень своеобразная фигура. В начале XIX века уже все уверовали в науку и поняли секрет ее могущества: она имеет дело с числами, а числа не обманут. Поэтому превыше всего в то время ценили искусство ставить точные опыты. Дальтон этим качеством решительно не обладал и потому при жизни подвергался нападкам маститых ученых. 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 последующие 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 массе 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. Он не только твердо поверил в атомную гипотезу, но стал искать вытекающие из нее 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