Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

Чтобы убедиться, насколько точны были предсказания Менделеева, сравним свойства экакремния и германия:

Свойства экакремния (обозначался Es), предсказанные Менделеевым в 1871 г.

Экакремний — серый металл, плавится с трудом, атомная масса — 72.

Плотность экакремния должна быть 5,5 г/см³.

Окись экакремния должна иметь формулу EsO₂ и плотность 4,7 г/см³. Под действием водорода из неё должен выделяться экакремний.

Хлористый экакремний EsCl должен иметь плотность 1,9 г/см³ и кипеть при 90 °C.

Фтористый экакремний EsF₄ не летуч.

Сернистый экакремний EsS₂ должен растворяться в сернистом аммонии.

Экакремний этил Es(C₂H₅)₄

должен иметь плотность 0,96 г/см³ и кипеть при 160 °C.

Свойства германия (обозначается Ge), изученные К. Винклером в 1886 г.

Германий — серый, трудно возгоняющийся металл, атомная масса — 72,6.

Плотность германия 5,409 г/см³.

Плотность окиси германия GeO₂ 4,703 г/см³. Под действием водорода из неё выделяется германий.

Хлористый германий GeCl₄ имеет плотность 1,887 г/см³ и кипит при 86 °C.

Фтористый германий GeF₄•3H₂O — твёрдое белое вещество.

Сернистый германий GeS₂ растворяется в сернистом аммонии.

Германий этил Ge(C₂H₅)₄ имеет плотность 0,991 г/см³ и кипит при 160 °C.

Пожалуй, можно сказать, что Менделеев предвидел в этом элементе всё, кроме его названия.

После такой блестящей победы никто уже не мог сомневаться в том, что «периодический закон» Менделеева действительно выражает какое-то весьма глубокое свойство химических элементов и что атомы химических элементов могут быть расположены в какой-то «системе родства». Но что означает это родство химических элементов, эти связи между разными атомами, не имеющими, казалось бы, ничего общего друг с другом, — этого в те времена ещё никто — в том числе и сам Менделеев — не сумел бы сказать.

Периодический закон Менделеева, как выразился один историк химии,

«среди многочисленных зданий научных теорий, воздвигнутых в XIX веке, был похож на обелиск, покрытый непонятными письменами; расшифровать эти письмена — вот великая задача, которую девятнадцатый век оставил в наследство двадцатому».

Приведём ещё периодическую таблицу элементов в том виде, который она имела в тридцатых годах. Заметим, что предсказания свойств новых элементов на основании периодического закона неоднократно делались и впоследствии; так, например, У. Рамзай, после открытия (им и Дж. У. Рэлеем) аргона и гелия, предсказал существование неона, криптона, ксенона, которые он потом и открыл вместе с Траверсом в 1898 году.

Нет ничего невозможного в том, что в природе существуют и элементы, обладающие большей атомной массой, чем уран.

Периодическая таблица элементов Менделеева (первая половина 30-х гг. XX века).

Эти элементы, если они существуют, должны были бы в нашей таблице попасть на места, идущие после урана. Но до сих пор эти элементы ещё не были обнаружены в природе [8] ).

8

Ряд таких «трансурановых» элементов был получен искусственно. (Прим. ред.)

Таково, в общих чертах, учение об атомах химических элементов, созданное Дальтоном и определившее всё дальнейшее развитие химии в XIX столетии. Но если гипотеза об атомах и молекулах оказалась такой важной и такой полезной для химии, то какую роль она сыграла в физике, занимающейся гораздо более широкой областью явлений природы, чем химия? Следует заметить, что в физике гипотеза атомов существовала и играла очень большую роль задолго до той поры, когда Дальтон сделал учение об атомах и молекулах необходимым для того, чтобы хоть что-нибудь понимать в химических явлениях. Ведь мы уже говорили о том, как и к теории атомов относился такой гениальный и авторитетный физик, как Исаак Ньютон. Представление об атомах служило физикам для того, чтобы составить ясное понятие о целом ряде физических явлений. Мы нагреваем тело — это тело расширяется. С точки зрения атомной гипотезы это значит,

что атомы несколько отошли друг от друга — пустые промежутки между ними увеличились. Как можно было бы наглядно представить себе такое простое явление, как расширение тел при нагревании, если считать вещество не состоящим из атомов, а непрерывный и сплошным? Все газы обладают гораздо меньшей плотностью, чем жидкости и твёрдые тела, — это значит, что атомы (или молекулы) газов находятся на очень больших расстояниях друг от друга; поэтому-то так легко сжать газ, т. е. уменьшить пустые промежутки между его атомами или молекулами. Сжать сколько-нибудь заметно жидкость или твёрдое тело очень трудно, а уменьшить посредством сжатия объём жидкого или твёрдого тела в несколько раз вовсе невозможно. Что это значит? Это значит, что в жидких и твёрдых телах между атомами почти нет пустых промежутков; атомы почти соприкасаются друг с другом, как дробинки в мешочке с дробью, если его хорошенько встряхнуть.

Всякий газ давит изнутри на поверхность стенок того сосуда, в котором этот газ заключён. Как это понять? Очень просто: стоит только предположить, что атомы (или молекулы) газа не находятся в покое, а, напротив, всё время очень быстро движутся. Если это так, то они должны всё время наталкиваться на стенки сосуда и отскакивать от них, как отскакивают бильярдные шары от борта бильярда; стенки сосуда, в котором заперт газ, должны всё время испытывать изнутри целый град толчков, целую бомбардировку со стороны молекул газа. Если увеличить объём сосуда, отодвинув в нём крышку или поршень, или если открыть перед молекулами газа дверь, ведущую в соседнее пустое пространство, то быстро движущиеся молекулы сейчас же начнут проникать в предоставленный им новый объём, пока весь сосуд не заполнится газом равномерно и целиком. Вот почему всякий газ всегда стремится расшириться и заполнить весь предоставленный ему объём. Легко понять, что будет, если сжать газ, находящийся в каком-нибудь сосуде с поршнем: молекулы газа, занимавшие раньше большой объём, теперь вынуждены будут сконцентрироваться в меньшем объёме, а поэтому на каждый квадратный сантиметр поверхности стенки будет приходиться в течение секунды больше ударов молекул, т. е. молекулярная бомбардировка на каждый квадратный сантиметр стенки возрастает. Давление газа, запертого в сосуде, увеличивается при уменьшении объёма этого сосуда. Если нагреть газ, запертый в сосуде, не изменяя его объёма, то давление газа, как показывают опыты, возрастает. Так как число атомов и молекул осталось тем же самым, то для того, чтобы понять, почему молекулярная бомбардировка увеличилась, необходимо допустить, что при повышении температуры молекулы и атомы начинают двигаться быстрее: вследствие увеличившейся скорости их движения возрастёт и число ударов в секунду о стенку (ведь при возросшей скорости каждая молекула успевает в течение секунды большее число раз слетать от одной стенки сосуда до другой и обратно) и, кроме того, возрастёт и сила каждого отдельного удара. Это допущение о том, что при повышении температуры скорость движения атомов и молекул растёт, должно относиться не только к газам, но и к жидкостям, и к твёрдым телам: без этого невозможно понять, каким образом при нагревании происходит испарение.

В самом деле, как должны мы наглядно представлять себе твёрдые тела и жидкости? Жидкости очень подвижны и текучи; это значит, что атомы и молекулы жидкостей, всё время тесно соприкасаясь друг с другом, вместе с тем легко и быстро скользят, перемещаясь по всему объёму жидкости (иногда бывает, что молекула какой-нибудь жидкости так же легко и просто может перемещаться среди молекул другой жидкости; вот почему так быстро происходит, например, перемешивание воды и спирта, если спирт налит поверх воды в какой-нибудь сосуд).

Твёрдые тела, наоборот, имеют некоторую упругость, т. е. стремятся всё время сохранить свою форму; поэтому приходится заключить, что атомы твёрдых тел всегда находятся в каких-то определённых положениях равновесия и могут только совершать около этих положений более или менее быстрые колебания. Быстрота движений, совершаемых молекулами и атомами жидких и твёрдых тел, должна, как и в газах, возрастать при увеличении температуры. Этим объясняется испарение при нагревании, так как более быстро движущиеся молекулы жидкости могут преодолеть притяжение со стороны окружающих молекул той же жидкости и выскочить из жидкости наружу. Пар, насыщающий пространство над поверхностью данной жидкости, — это и есть тот газ, который состоит из таких «сбежавших из жидкости» молекул. Из жидкости выскакивают, правда, всё новые и новые молекулы, но молекулы пара, падающие на жидкость, проникают туда вновь, и, поэтому, в конце концов устанавливается равновесие между жидкостью и её паром, когда в каждую секунду столько же молекул выскакивают из жидкости («испаряется»), сколько их падает в жидкость обратно.