Если непосвященный войдет в лабораторию современного физика исследователя, он остановится в растерянности, пораженный причудливым нагромождением разнообразных замысловатых приборов, сильно опутанных паутиной бегущих от одного к другому проводов.
Заглянуть в самые глубокие, самые сокровенные тайны природы — задача, головоломная сложность которой бросается в глаза при первом же взгляде.
Даже узнав название и назначение всех этих приборов, «поняв, какие явления вызывает физик в своей установке и какие величины измеряет, посетитель все равно без помощи хозяина не сможет связать все это с конечной целью исследования.
Нужны месяцы, и иногда и годы, чтобы собрать сложную физическую установку. Выверяются приборы, доводятся до неслыханной точности измерения, тщательно очищаются требующиеся. при исследовании вещества, удаляются ничтожные следы газов, приставших к стенкам приборов… И, наконец, производится самый опыт: измеряется отклонение от определенного места какого-нибудь темного пятнышка на фотографической пластинке или улавливается. ничтожный ток, возникающий при облучении еле видной крупинки вещества лучами, самое существование которых подчас — лишь смелое предположение экспериментатора. Результат многократного измерения — цифра, в которой решающее значение имеет иной раз четвертый, а иной раз и седьмой десятичный знак. И от этой цифры прокладывается трудный, но непреложный путь к явлению, смысл которого необходимо раскрыть и которое невозможно сделать предметом прямого наблюдения.
Так сближаются в приборах физиков явления и законы, как будто бы очень далекие друг от друга. Тесная внутренняя связь всех явлений физического мира — вот вывод, к которому приходит наука сегодняшнего дня. Единство, причина которого понятна материалисту: ведь все явления, все процессы во вселенной — лишь вечное движение, вечное изменение материи, единственного «действующего лица» величественной книги, называемой «мирозданием», материи, бесконечно разнообразной в своих воплощениях, но единой по своей сущности.
Мир, непосредственно окружающий нас, представляет бесконечное сцепление медленных и быстрых превращений, нескончаемых разрушений и возникновений вещей. В течение тысячелетий возникают и рушатся скалы, океаны наступают на материки и откатываются назад в свои глубокие ложа, огромные деревья за десяток лет вздымаются из почвы на высоту большого дома, сотканные из воды и воздуха солнечными лучами; озера воды исчезают за полчаса, поднятые в воздух в виде невидимого пара жаром солнца; хрупкая руда становится в недрах плавильных печей ковким металлом.
Все эти сложные, комплексные процессы — предметы разных отраслей человеческого знания. Но нет ли внутри этих сложных явлений, в основе их, таких составных частей, таких первичных процессов, которые наблюдались бы в каждом из явлений природы, даже если иные, например явления жизни, нельзя свести к ним целиком?
Явления жизни — явления сложные, сплетающиеся из множества более простых процессов Их нельзя свести целиком к первичным процессам, потому что благодаря самой сложности этих комплексных явлений в них наличествуют новые свойства, не складывающиеся из свойств отдельных процессов, .а возникающие при усложнении. Но преобразование и превращение веществ — химические и физические процессы — обязательно являются составной частью жизненных явлений.
Для ученого, который встретит нас в описанной выше лаборатории, все существующие живые и неживые объекты — нежная хвоя елового молодняка, туманные хвосты комет, таинственные выделения желез, регулирующие жизнь организма, и лучащиеся препараты сегодня уже больше не загадочного металла радия — имеют то ебшее, что составляют прежде всего единый мир вещества, главного воплощения материй.
Мы говорим главного, а не единственного воплощения материи. Вещество — не вся материя. Материей является, например, и электромагнитное поле, в котором распространяются радиоволны. Всякий слышал, что радиоволны распространяются в «эфире» Но современная наука иначе смотрит на этот «эфир»: она отрицает за ним свойства вещественной среды, подобной атмосфере — носительнице звуковых воздушных волн, — и не пользуется названием «эфир».
Выводы этого ученого должны быть приняты во внимание и астрономом, изучающим строение отдаленных звезд, и биологом, ищущим решения загадки жизненных процессов, и геологом, углубляющимся в историю земной коры. Эта наука — наука о веществе, отдел или, вернее, ряд отделов физики, включая сюда и обширную отрасль знания — химию.
Чтобы понять смысл превращений вещества, чтобы отделить глубокие изменения его от поверхностных, нужно заглянуть внутрь окружающих нас вещей, — так далеко внутрь, что при этом они окажутся совсем не похожими на наши обычные представления о них.
И вот с самого начала возникает один, по существу, основной вопрос.
Возьмем кусок какого-нибудь вещества — скажем, обломок каменной породы. Он напоминает по своей неправильной форме утес, от которого он мог быть отколот. Разобьем его на куски: это будут такие же каменные обломки. Будем измельчать его в порошок. Увеличительное стекло покажет нам, что крупинки порошка не отличаются от первоначального куска. И даже если при истирании порошка отлетит невидимая простым глазом пылинка и пристанет к стеклышку, на котором помешают объекты под микроскопом, последний покажет нам, что эта мельчайшая частица — такой же кусок скалы, как тот, от которого он произошел. И все свойства его будут в точности одинаковы со свойствами любого куска этой, скалы.
Будет ли продолжаться так без конца? Можно ли, истирая порошок, получить какие угодно мелкие частички, невидимые глазу, но обладающие по-прежнему свойствами, характерными для данного вещества?
Что происходит, когда вещество испаряется? В жару лабораторной печи можно испарить даже кремний, не говоря уже о металлах. Будут ли частицы пара обломками вещества, как его порошок?
Микроскоп не дает ответа. Самые мелкие частицы, которые еще видны в самый сильный микроскоп, слишком велики, слишком грубы. Это — все еще обломки. Увеличение микроскопа имеет предел, зависящий не от совершенства прибора, а от свойств света. Предметов, размеры которых меньше 0,0902 миллиметра, мы никогда не сможем увидеть глазом, — поэтому прямое наблюдение не разрешает загадки.
Сегодня мы можем видеть и более мелкие объекты — предел отодвинулся очень далеко вглубь. Однако для того чтобы это могло случиться, мы уже должны били иметь ответ ив вопрос о строении вещества. Здесь не место останавливаться на устройстве «электронного микроскопа», позволившего достичь гораздо больших увеличений.
Ответ на этот вопрос пытались дать уже в древности. Конечно, такой ответ мог быть тогда лишь догадкой; но удивительно, что на заре цивилизации, при отсутствии того огромного запаса наблюдений, который накопился у человечества впоследствии, проницательные умы сумели найти правильный путь.
Больше чем две тысячи лет тому назад, в V веке до нашей эры, греческий философ Демокрит из Абдеры, а двумя столетиями позже Эпикур учили, что дробление вещества нельзя продолжать безгранично. В конце концов мы дойдем до мельчайших, невидимых глазу, далее неделимых частиц, из которых и состоит всякое вещество. Демокрит так и назвал эти частицы неделимыми — атомами (по-гречески «атомос» — неделимый). Они неразрушимы и несоздаваемы, то есть вечны. Они так малы, что в скоплениях атомов мы видим лишь образованные ими предметы, как не различаем капель тумана в туче или пчел в пчелином рое. Во всей вселенной нет ничего, кроме вихря разнообразно сцепляющихся атомов, вечное роенье которых и создает тот внешне спокойный и устойчивый мир, который мы видим вокруг себя. Все явления мира — огонь, звук, смерть, холод, молния и т. д. — лишь воспринимаемая нашими грубыми чувствами внешняя видимость движения атомов, созидание и разрушение все новых и новых построек из этого вечного материала. Этот атомистический взгляд на мир был изложен в чеканных стихах римским поэтом Лукрецием Каром в I веке до нашей эры. Поэма его называется «О природе вещей».
Долгое средневековье не принесло заметного движения вперед наукам. Только алхимики, словно зачарованные бесконечным превращением веществ в природе («природа находит удовольствие во всевозможных превращениях», сказал некогда великий физик Исаак Ньютон), лихорадочно трудились, ища способ превращать «грубые» металлы в золото, в богатство… Наука XIX века открыла законы большинства превращений, признала возможными далеко не все изменения вещества и осмеяла алхимию, — самое слово это стало обозначением лженауки. И, однако, уже в начале XX века изумленный мир узнал, что превращения, какие искали алхимики, не так уж невозможны. И хотя золото было здесь ни при чем, открывшиеся сокровища заставили забыть об этом металле.
Впрочем алхимики, составлял и разлагая кислоты и купоросы, сжигая, осаждая и выпаривая свои порошки и растворы, накопили множество важных фактов и наблюдений. Исследователям, освободившимся от власти их предвзятой идеи, было легко основать на этом материале новую обширную науку — химию, предметом которой и являлись превращения вещества.
В эпоху Возрождения, когда великие мореплаватели открывали новые земли, а пришедшая на смену богословскому суемудрию трезвая наука наблюдения и опыта только начинала открывать великие закономерности природы, гипотеза об атомах снова привлекла к себе внимание. Ее развивали такие глубокие умы, как Декарт, Ньютон, Лейбниц.
В 1661 году в книге «Скептический химик» английский естествоиспытатель Роберт Бойль изложил основные положения атомной теории, ставшие для нас сегодня привычными представлениями. Атомы, писал он, бывают различных сортов. Если тела построены из атомов одного рода, они называются «простыми телами» (мы называем их теперь элементами). Но большинство веществ построено из разных атомов. В них по нескольку атомов разного рода соединены в особые, сложные частицы — комбинации. Это, по Бойлю, — «совершенные смеси». Мы называем их сегодня химическими соединениями, а сложные частицы, составленные из разных атомов, — молекулами. Соединение можно разложить на элементы, то есть расщепить его молекулы на составные атомы (сегодня мы знаем, что и простые вещества часто построены из молекул: в такой молекуле два или несколько одинаковых атомов). Элементы не разлагаются на более простые вещества. При физических процессах — испарении, растворении, плавлении — молекулы остаются неизменными. Лишь при химических реакциях происходит перекомбинирование атомов, преобразование молекул и, следовательно, превращение веществ. Все это совершенно верно — и, однако, во времена Бойля знания химиков были так скудны, что он считал чуть ли не единственным «простым телом» воду, соединение водорода и кислорода.
За полтораста лет после Бойля химики в значительной степени разобрались в множестве известных им веществ, установили понятие элемента и, перейдя от наблюдений к измерениям, открыли закон «сохранения», то есть неразрушимости и несоздаваемости, вещества (Ломоносов и Лавуазье). Весы стали основным инструментом химика. Именно «весовая химия» привела английского ученого Джона Дальтона к той «новой системе химической философии», которую он издал в виде книги в 1808 году. Молекулы сложных веществ, по Дальтону, составлены всегда из одинакового числа атомов входящих в них элементов. Атомы одного элемента строго одинаковы и отличаются от атомов других элементов, среди прочих свойств, своим весом. Поэтому веса входящих в соединение элементов находятся между собой в строго определенном отношении (закон постоянства состава). Так, вода состоит из восьми весовых частей кислорода и одной части водорода. Другое соединение водорода с кислородом, перекись водорода, содержит на одну часть водорода шестнадцать частей кислорода. Это происходит потому, что атом кислорода весит в шестнадцать раз больше, чем атом водорода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода; молекула перекиси водорода — из двух атомов водорода и двух — кислорода (H2O и H2O2 в современном обозначении: H — водород, по-латыни Hydrogenium; O — кислород, по-латыни Oxygenium; значок справа — число данных атомов в молекуле). Получаются по весу отношения 1 : 8 и 1 : 16. Пример этот взят как наиболее известный. Сам Дальтон в нем ошибался: он не знал перекиси водорода и считал, что в молекуле воды по одному атому обоих элементов. Истинное положение вещей было установлено очень скоро после него.
Так было установлено исключительно важное понятие атомного веса. Однако имеющиеся данные показывала лишь отношения весов — самих атомов никто не видел и не взвешивал. Поэтому за единицу атома был взят вес атома водорода, самого легкого из всех атомов.
За десять лет после выхода работы Дальтона общими усилиями химиков были с большой точностью определены атомные веса всех известных элементов. При этом оказалось, что веса большинства атомов очень близки к целым числам. Не значит ли это, что атомы разных элементов имеют одну и ту же природу, что они попросту состоят из разного числа атомов водорода, весу атома которого кратен их вес? А уж эти атомы водовода, вероятно, соединены между собой в атомы других элементов — соединены крепче, чем атомы элементов в молекулы соединений: их нельзя отделить друг от друга химическим путем, так же как нельзя механическим путем разбить молекулы сложного вещества на атомы элементов…
Такое предположение было сделано лондонским врачом Вильямом Праутом. Он, впрочем, лишь видоизменил мысль Бойля, который тоже не считал атомы неразрушимыми и надеялся, что когда-нибудь будет найден «тонкий и сильный агент», с помощью которого удастся разбивать атомы на более мелкие части и превращать одни из них в другие. Мысль Праута была опровергнута химиками. Оказалось, что целочисленность атомных весов у многих элементов нарушается, и представить себе атомы всех элементов состоящими из водородных атомов не удается. Алхимики заблуждались. Превращение элементов невозможно. Атомы извечны, и их столько, сколько простых веществ.
Таков был ясный вывод науки. Мы не останавливались бы на гипотезе Праута, если бы ей не суждено было впоследствии неожиданно возникнуть в новой, удивительной форме. Но об этом ниже.
Возьмем столько граммов элемента, сколько единиц в его атомном весе, или столько граммов соединения, сколько весит его молекула в тех же водородных единицах (молекулярный вес — сумма весов атомов, составляющих молекулу. Так, для воды, H2O, — это 2+16=18). Такое количество вещества называется грамм-атомом или грамм-молекулой. Оказывается, что грамм-молекула или грамм-атом любого вещества содержат одинаковое, вполне определенное число молекул или атомов. Это число называют числом Авогадро и обозначают буквой N. Так, молекулярный вес воды равен 18, вес атома газа гелия (это — второй после водорода по легкости газ в природе; он не горит, встречается только в свободном виде и употребляется для наполнения дирижаблей) равен 4 весам атома водорода. Соответственно грамм-молекула воды — эго 18 граммов, грамм-атом гелия — 4 грамма, и в каждом из этих количеств содержится одно и то же число частиц: именно число N. Если бы мы знали это число, то, разделив на него вес грамм-молекулы любого вещества, получили бы истинный вес молекулы этого вещества в граммах, а не в водородных единицах.
Число N в настоящее время известно с большой точностью. Оно было определено различными способами — об этом будет рассказано ниже. Оно очень велико: чтобы изобразить его, нужно к шестерке приписать справа двадцать три нуля; физики пишут для краткости так: 6·1023 и говорят: шесть на десять в двадцать третьей степени. На обычном языке эта цифра — шестьдесят тысяч миллиардов миллиардов. Столько молекул содержится, например, всего в восемнадцати граммах воды. Чтобы составить себе представление об этой цифре, вообразим, что каждая молекула в капельке воды, помещающейся на кончике иголки, увеличилась до размеров обычной комнатной мухи (примерно 6 миллиметров), и капелька стала огромным мушиным роем. Выстроив гуськом одну за другой всех мух этого роя, мы могли бы дотянуть эту цепь до звезды Сириус, свет от которой идет к нам почти девять лет! Атом водорода весит столько, сколько получится от деления атомного веса его 1 на число N, то есть 1: 6·1023 — или 1,6:1024. Это значит, что перед 1,6 надо поставить 24 нуля и отделить один нуль запятой: 0,0000000000000000000000016. Физики пишут обычно 1,6·10-24 и говорят: 1,6 на десять в минус двадцать четвертой степени.
Число Авогадро играет очень большую роль в физике: оно участвует в формулировке множества физических законов. Смысл этого обстоятельства ясен: нужно исходить из предположения атомного строения вещества, чтобы получить истинные, подтверждаемые опытом законы природы. Физики, собственно говоря, исходили из этой гипотезы задолго до Дальтона. Представление об атомах и молекулах помогло физикам получить ясную картину множества явлений.
Почему твердые тела не рассыпаются на атомы? Очевидно, частицы их удерживаются вместе какими-то силами, которые действуют между ними. Атомы не находятся в неподвижности, но энергия их движения в твердом веществе настолько мала, что они не отходят на заметные расстояния от своих положений равновесия. Нагревание тела увеличивает эту энергию движения; теплота, содержащаяся в теле, и есть энергия движения его молекул или атомов, а температура тела — мерило этой последней. Однако, пока тело остается твердым, атомы (или молекулы) в нем уложены, «упакованы», в строгом порядке, рядами и слоями, по геометрическим законам. Об этом свидетельствует геометрически правильная внешняя форма кристаллов, из которых состоит подавляющее большинство твердых веществ (иногда, как в металлах, кристаллы эти очень мелки, но под микроскопом «зернистая» структура металла видна ясно). Эта правильная форма, очевидно, отражает правильность расположения атомов в кристалле.
Но вот температура переходит известный предел, энергия движения возрастает настолько, что связи между атомами не могут удержать их вблизи положений, соответствующих строению твердого тела. Структура разрушается — тело плавится, получается жидкость, в которой молекулы или атомы еще удерживаются вместе силами сцепления, но движение их совершенно беспорядочно, и они не занимают определенных положений. Поэтому жидкость не имеет формы, хотя и сохраняет свой объем. Частицы жидкости находятся еще очень близко друг к другу. Вот почему объем жидкости, так же как объем твердого тела, так трудно уменьшить сжатием.
При дальнейшем увеличении температуры энергия движения молекул становится так велика, что и силы сцепления не могут удержать их вместе. Вещество рассыпается на атомы или молекулы — оно превращается в газ. Частицы газа уже не взаимодействуют друг с другом, а только очень быстро и совершенно беспорядочно мчатся во все стороны, сталкиваясь и разлетаясь, как шары на бильярдном столе, и поэтому беспрестанно меняя направление движения. В какой бы большой объем ни поместить порцию газа, частицы его, благодаря этому беспорядочному движению, почти мгновенно равномерно распределятся по всему объему. Если объем ограничен стенками, то частицы газа все время ударяются о стенки и отскакивают от них. Эта беспрестанная бомбардировка стенок и создает давление газа, заключенного в сосуде.
Величина этого давления определяется общей силой толчков, воспринимаемых стенкой. И вот оказывается, что при данном, количестве газа и при данной температуре к каждому квадратному сантиметру стенки подлетает за секунду в среднем одно и то же число молекул, и энергия движения каждой частицы в среднем также одинакова. Это не значит, что в движении молекул газа есть каком-то порядок. Нет, оно совершенно беспорядочно, скорости и направления отдельных молекул совершенно произвольны. Но если сосчитать очень большое число ударов, окажется что существует определенная, наиболее частая величина скорости молекул, и сколько имеется отклонений от этой величины в одну сторону, столько же имеется и в другую. Это — закон больших чисел; он вносит порядок и закономерность в совокупность процессов, по отдельности совершенно произвольных.
Поэтому давление газа имеет строго определенную величину. Если увеличится объем, занимаемый газом, молекулы будут распределены реже, на единицу поверхности стенки будет приходиться меньше ударов в единицу времени — давление уменьшится. Если поднимется температура, возрастет энергия движущихся молекул, возрастет сила ударов, а с ней — давление. Так объяснились издавна известные законы Бойля и Гэй-Люссака, знакомые каждому школьнику. Объяснились и другие тепловые законы. Атомно-молекулярная теория тепловых и связанных с ними явлений была одним из блестящих достижений физики прошлого века.
Газовые законы и помогли впервые подсчитать число Авогадро. Впоследствии оно определялось и многими другими способами. Это число долго было пробным камнем правильности теорий физиков; не раз доказательством истинности новой гипотезы служило совпадение вычисленного по ней значения числа N с установленной его величиной.
Так в течение целого столетия физики и химики пользовались понятием атомов и молекул и построили на этом фундаменте стройное и высокое здание. Исходя из этой теории, они объяснили огромное множество сложнейших явлений, ни разу не придя в противоречие с опытом. И, однако, еще до очень недавнего времени у атомистической теории были противники, отрицавшие реальность «никем непосредственно не наблюденных» атомов. Была целая школа физиков и философов, которая считала атомы лишь способом представления, оборотом речи, а не реальными объектами. Один из представителей этой школы Оствальд сказал в своих лекциях по философии природы в Лейпциге в 1901 году, что «атомистической теории следовало бы уже давно истлеть в пыли библиотек». Уничтожающей критике подверг воззрения этих физиков и философов В. И. Ленин в своей классической работе «Материализм и эмпириокритицизм». Вскоре явилось и непререкаемое прямое подтверждение существования атомов.
Явление, которое послужило этому подтверждением, было известно уже давно. Еще в 1828 году английский ботаник Роберт Броун, рассматривая в микроскоп капли жидкости, содержащиеся в зернах пыльцы растений, увидел в них непрерывно и причудливо движущиеся, словно приплясывающие, твердые частички. Это были ничтожно малые твердые зернышки — включения, которые всегда в большом числе содержатся в таких капельках. Однако они двигались так оживленно, словно были живыми. Явление это получило имя открывшего его исследователя: его назвали броуновским движением. Через пятьдесят лет броуновское движение было обнаружено и в газах.
Истинная причина этого движения была угадана давно. Всякая твердая частичка в жидкости (или газе) подвергается непрерывной бомбардировке со всех сторон молекулами жидкости… Если частица велика, то число ударов по любому направлению будет очень большим и поэтому окажется в среднем одинаковым — частичка будет неподвижна. Однако, если частичка очень мала размерами и весом, то может случиться, что в каждый данный момент сумма толчков с одной стороны будет больше, чем со всех других, и лёгкая частичка двинется под толчками молекул, пока избыток толчков с другой стороны не изменит ее движения. Так как частичка находится в густом, беспорядочно движущемся рое, ее будут толкать то в одну, то в другую сторону, и получится замысловатая пляска.
Броуновское движение подробно изучил французский физик Жан Перрен в 1908 году. Он провел целый ряд замечательных, очень кропотливых исследований, изготовив микроскопически мелкие частички смолы — гуммигута и наблюдая их движение в жидкости. Эти ничтожные тельца он сумел измерить и отобрать из них строго одинаковые по размерам — с диаметром меньше 0,5 микрона! Он сумел сосчитать количество их в заданном объеме, и объем этот был порядка нескольких кубических микронов! Оказалось, что если рассматривать вертикальный столбик жидкости, то число зернышек в единице объема быстро уменьшается в высоту, и уменьшается по закону, общему для всех находящихся под действием силы тяжести движущихся легких частиц, которым собственное движение не дает попросту упасть вниз. По такому закону уменьшается, скажем, в атмосфере число молекул кислорода (или, что то же самое, его плотность и давление) по мере возрастания высоты. Именно, плотность (число молекул в единице объема) уменьшается в одинаковое число раз по мере перехода вверх на одно и то же расстояние. Так, плотность кислорода в атмосфере на высоте 5 километров вдвое меньше, чем у поверхности земли. Еще пятью километрами выше она снова вдвое меньше, и т. д. Но это расстояние, на которое надо подняться, чтобы плотность уменьшилась, скажем, в два раза, для разных молекул неодинаково. Оно во столько раз меньше, во сколько раз больше вес молекулы. Для углекислого газа CO2 оно равно не 5, а всего 3,6 километра, то есть плотность углекислого газа в атмосфере уменьшается вдвое при подъеме не на 5 километров, а на 3,6 километра. Это потому, что молекула углекислого газа во столько раз тяжелее молекулы кислорода, во сколько раз 3,6 меньше 5.
Значит, для зерен гуммигута высота, на которой число их в одинаковом объеме уменьшается вдвое, во столько раз меньше 5 километров, во сколько раз такое зернышко тяжелее молекулы кислорода. Перрен знал вес своих зернышек, и он измерил это расстояние. Отсюда он получил вес одной молекулы кислорода и число Авогадро. Атом был взвешен словно на весах!
Перрен измерял также смешение частицы в единицу времени. Это смешение — результат сложнейшего движения, теория которого была разработкам великим физиком наших дней Альбертом Эйнштейном. Формула Эйнштейна содержит также число Авогадро N. Подставив в эту формулу результат своих измерений, Перрен получил для N снова то же самое значение. Два способа дали один и тот же результат; он не мог быть неправилен. Это было первое непосредственное определение числа Авогадро.
Работы Перрена окончательно доказали реальное существование атомов и сломили самых упорных скептиков. Тот же Вильгельм Оствальд писал позднее в предисловии к своему курсу химии: «Теперь я убежден, что в последнее время мы получили опытное доказательство прерывного, или зернистого, строения материи. Атомистическая гипотеза возведена, таким образом, в ранг научной, прочно обоснованной теории».
Пока физики разрабатывали атомно-молекулярные теории физических явлений, химики разыскивали все новые элементы, новые разновидности атомов. К середине XIX столетия их было известно уже около семи десятков. Эти несколько десятков сортов атомов — и еще немного других, которые, возможно, предстояло открыть, — были для ученых прошлого столетия теми простейшими, неизменными и дальше неразложимыми кирпичами, из которых построено все мироздание. Идеи дальтоновской «химической философии» властвовали над физикой и химией до самого конца века.
Между тем по мере того, как число открытых и исследованных элементов становилось все больше, между ними стали обнаруживаться удивительные сходства и совпадения свойств. Понемногу стали определяться довольно отчетливо очерченные группы «родственных» элементов. Похожие элементы образуют одинаковые соединения, легко замещают друг друга в них, вступают в одинаковые реакции. Так, хлор, фтор, бром и йод легко соединяются с водородом; металлы — натрий, калий, рубидий и цезий разлагают воду и выделяют водород. У родственных элементов одинаковая валентность, то есть способность присоединять к себе одинаковое число других атомов, образуя с ними молекулы.
Причины сходства элементов казались таинственными. Но попытки рассортировать элементы, произвести классификацию их делались не раз. Так, животный мир был классифицирован Линнеем значительно раньше, чем теория Дарвина установила его единство и взаимную связь всех его видов. Однако попытки просто разделить элементы на группы — триады, семерки и т. д. — не привели к последовательной, логически связной системе элементов.
Задача эта оказалась под силу лишь гениальному русскому ученому Дмитрию Ивановичу Менделееву. Он расположил элементы в порядке возрастания атомных весов и обнаружил единый периодический закон, определяющий свойства всех элементов. Оказалось, что по мере продвижения вперед по такому списку свойства элементов через определенное число промежуточных веществ повторяются! Так, через семь элементов после лития (№ 3 в списке), на восьмом от него месте, стоит 11-й элемент — натрий, удивительно похожий на него; еще через семь мест найдем калий, № 19, опять повторяющий те же свойства. Дальше периодичность несколько сложнее, но все же укладывается в правильную схему и дает стройную систему, известную поныне под названием «периодической системы Менделеева».
Периодический закон оказался так точен, что Менделеев сумел предсказать с его помощью существование ряда до него неизвестных элементов, по своим свойствам «обязанных» занимать место между двумя уже известными последовательными по атомному весу элементами. Так он «потребовал» существования элемента с атомным весом больше цинка и меньше мышьяка, по свойствам сходного с алюминием, и назвал этот элемент «экаалюминием». И через пять лет элемент с предсказанными свойствами (и даже, приближенно, атомным весом) был найден и назван галлием! Менделеев предсказал еще целый ряд элементов, исправил в согласии с периодическим законом несколько неточно измеренных до него атомных весов, — все это блестяще оправдалось на опыте. Свойства «предсказанных» элементов он определял исключительно точно, вплоть до цвета и растворимости того или другого их соединения!
Периодическая система была блестящей классификацией атомов, но она впервые установила и наличие чего-то объединяющего все эти разные «несовместимые» кирпичи мироздания. Выглядело так, словно при переходе от элемента к элементу в них происходило накапливание чего-то одинакового, каких-то таинственных причин, вызывающих эти странные закономерные повторения… Система Менделеева была блестящим завершением классической атомистики нерушимых атомов, но в своей загадочности таила начала ее разрушения. Она увенчала здание словно величественный купол, но купол этот оказался слишком тяжел для фундамента.