Пожалуй, еще более странны мезо-атомы. Они обладают таким же положительно заряженным ядром, как и обычные атомы, но отличаются от них строением наружной электронной оболочки. В мезо-атомах один из электронов замещен на мезон — на тяжелую частицу с массой в 210 раз больше, чем у электрона. Мезоатомы настолько необычны, что ставят под сомнение многое из того, в чем физики, изучив размеры и строение атома, были до сих пор твердо уверены.
Чем больше заряд атома, чем больше его порядковый номер в таблице Менделеева, тем сильнее, конечно, его ядро притягивает электроны и тем меньше размеры атома — диаметр электронных орбит в его внешней электронной оболочке. Известно также, что диаметр орбиты зависит и от массы вращающейся частицы. Чем тяжелее она, тем ближе к центральному ядру орбита ее вращения. Таким образом, очень легко можно рассчитать, на каком расстоянии от ядра должна находиться орбита мезона в мезо-атоме.
Физики научились получать в своих ускорителях очень мощные потоки мезонов и точно регулировать скорость мезонов. Оказалось, что медленные мезоны, обладающие тепловой скоростью, блуждая между атомами, захватываются ими и замещают в орбите электроны. При захвате мезонов тяжелыми атомами были обнаружены загадочные, поистине удивительные явления.
Самый удивительный из странных атомов — это, конечно, атом позитрония — вещества, которому нет и не может быть места в менделеевской таблице. Однако это вещество теперь хорошо известно ученым. И не только физикам. Химики уже научились применять атомы позитрония в своей повседневной работе — когда они изучают строение сложных органических соединений.
Позитроний очень своеобразный атом — атом без атомного ядра. Он почти в тысячу раз легче самого легкого атома — атома водорода. Образуется он при встрече позитрона, возникающего при распаде ядер многих изотопов, с обычным отрицательным электроном. Атом позитрония состоит из двух античастиц.
В атоме позитрония нет тяжелого ядра, как в атоме водорода, где масса протона почти в две тысячи
раз больше массы вращающегося вокруг него электрона. Массы позитрона и электрона, образующих позитроний, очень малы и равны между собой. Этот странный атом лишен центрального атомного ядра. Обе элементарные частицы в нем вращаются вокруг друг друга или, вернее, вокруг их общего центра тяжести.
«Танец» двух античастиц очень сложен. Ученые установили, что он может происходить по-разному. Вращаясь на общей орбите друг за другом, оба микропартнера в то же время вращаются каждый вокруг своей собственной оси, а это вращение может быть различным: либо в одну и ту же сторону, либо в разные.
Поэтому возможно существование двух изомеров позитрония, т. е. он может существовать в двух формах. В первом случае возникает атом орто-позитрония, а во втором — атом пара-позитрония. По существу эти изомеры больше ничем друг от друга не отличаются, как не отличаются один от другого волчки, запущенные в разные стороны.
Но один из великих законов сохранения, управляющих атомным миром,— закон сохранения момента количества движения — вносит большие и важные различия в дальнейшую судьбу обоих атомов.
Орто-позитроний с точки зрения атомных масштабов времени живет очень долго. Каждый атом его существует в среднем почти полторы десятимиллионных доли секунды. За это время электрон и позитрон успевают в нем совершить не один миллион оборотов. По нашим привычным земным часам его существование неимоверно кратко. Он исчезает практически мгновенно. Жизнь пара-позитрония еще в тысячи раз короче.
Великий закон природы — периодический закон Менделеева — привел науку к раскрытию многих тайн, к разгадке многих загадок о строении вещества.
Мы теперь знаем, что все элементы, где бы они ни существовали — на Земле, на далеких планетах или на недосягаемых звездах,— все они построены по единому плану: вокруг тяжелого положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, вращаются легкие электроны. Число зарядов ядра, равное числу электронов, определяет химическую природу элемента.
В начале периодической таблицы на первом месте стоит водород. Его атом наиболее прост — один протон и один электрон.
А могут ли быть атомы легче водорода? Во всех ли атомах вокруг ядра вращаются электроны? Возможны ли атомы без положительного ядра? Существуют ли атомы без электронов? Совсем еще недавно подобные вопросы звучали бы просто нелепо. Но в последние годы физики обнаружили, что существуют весьма странные «атомы». Правда, их жизнь очень коротка. Они рождаются в созданных человеком ускорительных установках, возникают при распаде искусственных радиоактивных изотопов. Много еще загадочного в этих таинственных частицах, и много надежд связывает наука с полной разгадкой их тайны.
Трудно даже вообразить, что человек может изучить химию Солнца. Но наука сумела многое сделать: мы знаем теперь химический состав Солнца, знаем (и знаем уже немало) о грандиозных процессах — источниках солнечной энергии.
С помощью спектрального анализа было найдено на Солнце более шестидесяти элементов периодической системы Менделеева. Наверное, будут найдены и остальные.
Определены даже количественные соотношения между химическими элементами на Солнце. Оказалось, что Солнце — это мир раскаленного водорода. Водородных атомов там почти в пять раз больше, чем атомов гелия, ив тысячу раз больше, чем атомов всех остальных элементов, вместе взятых.
Среди других элементов на Солнце преобладают углерод, кислород и азот. Немало там и магния, алюминия, кремния, серы, железа. В меньшем количестве присутствуют калий, кальций, натрий, свинец и другие. Обнаружено даже несколько представителей редких земель; можно быть уверенным, что будут найдены и остальные. Как и повсюду в мироздании, на Солнце преобладают легкие элементы, с малыми атомными номерами. Кроме того, как правило, элементов с четными порядковыми номерами на Солнце значительно больше, чем их соседей по периодической таблице с нечетными номерами.
Мало того, если не считать водорода и гелия, занимающих в мироздании вообще особое положение, то наблюдается замечательное соответствие между относительным содержанием остальных элементов на Солнце и в каменных метеоритах.
Обнаружены на Солнце и простейшие химические соединения, молекулы которых способны выдержать очень высокую температуру. Это не какие-нибудь особые, «солнечные» соединения — нет, химики умеют их получать и исследовать на Земле. Это простейшие радикалы: СН, ОН, NH, CaH, SiH, CN. Более сложные молекулы, вероятно, не могут существовать на Солнце.
Своеобразна химия больших планет. Пока еще она очень мало изучена.
Юпитер — самая большая планета солнечной системы. Химическим составом он похож на Солнце. Он почти целиком состоит из водорода, на долю гелия приходится только 10%, а на все остальные элементы — не более 5 %. Это мир страшного холода, вечных бурь в атмосфере метана и аммиака, мир непрерывных гроз чудовищной силы. Радиоволны от молний на Юпитере достигают Земли. Эти условия и определяют странную химию Юпитера. Ее удалось разгадать совсем недавно.
Химики воспроизвели в своих приборах условия, царящие на поверхности Юпитера: низкую температуру до -140°Ц, мощные электроразряды. Оказалось, что при этом в метане и аммиаке образуются ярко окрашенные соединения, неустойчивые в земных условиях: свободные радикалы — ненасыщенные производные метана и радикалы кислородных соединений азота.
Так была объяснена загадка — цветные облака в атмосфере Юпитера. По-видимому, этим же можно объяснить и красное пятно на поверхности Юпитера. Оно больше, чем все материки на Земле, и состоит, вероятно, из свободных радикалов — обычной формы существования вещества на этой планете.
В недрах Юпитера больше всего атомарного водорода в свободном состоянии. В центральных областях планеты, при очень высоких давлениях, он образует фазу неведомого в земных условиях металлического водорода.
Но не ограничиваются ли роль и значение закона Менделеева только областью химии? Быть может, он важен и нужен только химикам?Он помогает им познавать химические свойства вещества, дает возможность создавать новые соединения с удивительными свойствами. Но нужен ли он биологам, изучающим жизнь, и геологам, проникающим в глубь земного шара, и астрономам, открывающим тайны мироздания? Быть может, он их мало интересует, чужд им, далек так же, как далеки пробирки и колбы в лаборатории химика от сияющей на небосводе звезды? Нет, это не так.
Великий периодический закон имеет громадное значение в самых различных областях знания. Совершенно ясно, что периодический закон необходим школьнику, только начинающему изучать химию. А если седовласый академик перестал заглядывать в таблицу Менделеева, то это просто потому, что он давно ее знает наизусть.
Химия Земли
Для геологов, исследующих нашу планету, наиболее важно знать самые общие законы, определяющие поведение вещества на поверхности земной коры, в ее толщах и в глубинах земного шара. Геолог не может искать вслепую. Он заранее должен знать, где он может найти железо, где — уран, где — фосфор, где — калий. Он должен знать, какие условия создают на Земле залежи углерода: где надо искать уголь, где — графит и где — алмазы. Геологу нужно знать, какие элементы сопутствуют друг другу в земной коре, он должен знать законы образования совместных месторождений различных элементов.
В сложных, грандиозных химических процессах, протекавших в земной коре и на ее поверхности сотни миллионов лет, продолжающихся и в наши дни, сходные своим положением в периодической системе элементы обладают сходной геохимической судьбой. Это позволяет геохимикам проследить их движение в земной коре и выяснить законы, распределяющие их на поверхности Земли.
Геохимическое поведение различных элементов определяется прежде всего строением внешних электронных оболочек в их атомах, размерами атомов и соответствующих ионов. Элементы с завершенными внешними электронными оболочками (благородные газы) существуют только в атмосфере; они не вступают в природных условиях в химические соединения. Даже гелий и радон, образующиеся при радиоактивном распаде, не захватываются полностью горными породами, а непрерывно поступают из них в атмосферу. Редкие земли, стоящие в одной клетке таблицы, встречаются в природе почти всегда вместе. В одних и тех же рудах всегда присутствуют совместно и цирконий, и гафний.
Пустых мест в менделеевской таблице больше нет. Все они уже заполнены. Все элементы открыты. Уже создано немало новых, каких никогда на Земле не бывало. Так, может быть, все уже сделано? Может быть, могучая идея Д. И. Менделеева, многие десятки лет руководившая развитием химии, завершила все, что она могла дать, и для нее остается только почетная роль повседневной помощницы химиков в их будничной работе? Может быть, принцип периодичности, на котором основана естественная система химических элементов, ограничен только электронной оболочкой атомов? Нет, это неверно.
Когда великий ученый начинал свою работу над естественной системой химических элементов, из 92 известны были 63, а о существовании многих других вообще никто не подозревал. Сколько же элементов мы знаем теперь? Сколько изотопов известно для каждого элемента? Сколько различных атомных ядер существует в природе? Сколько новых создано человеком?
Мы теперь уже знаем сто четыре элемента. Есть основания думать, что скоро будут открыты элементы 105 и 106. Нет ни одного элемента, у которого был бы только один изотоп. Одни элементы состоят из доброго десятка различных видов атома, у других их меньше. Есть много элементов, у которых вообще нет устойчивых изотопов, но нет ни одного элемента, у которого не было бы радиоактивных изотопов.
Всего теперь (1965 г.) уже известно около 1600 различных атомных ядер для 104 элементов.
Сколько же из них создала природа и сколько создано человеком? Такое сопоставление приводит к неожиданному и удивительному результату.
В природе найдено для восьмидесяти девяти элементов только около 325 различных изотопов. Совсем еще недавно считалось, что в природе очень мало неустойчивых радиоактивных изотопов.
Вопрос о границах периодической системы, пожалуй, наиболее сложен. Сколько элементов существует в природе? Сколько их может быть создано человеком?
В пределах от водорода до урана их ровно 92 — ни больше, ни меньше. Это доказано периодическим законом. До водорода нет ни одного: не может быть атома с зарядом ядра меньше единицы. Но периодический закон химических элементов не дает ответа на вопрос, сколько же элементов за ураном.
Много труда положили химики, разыскивая в природе элементы тяжелее урана. Не раз в научных журналах появлялись торжествующие извещения о «достоверном» открытии нового тяжелого элемента с атомным весом большим, чем у урана. Например, элемент № 93 «открывали» в природе многократно, он получал имена «богемий», «секваний». Но эти ложные открытия оказывались каждый раз следствием ошибок. Они по существу характеризуют чрезвычайную трудность точного аналитического определения ничтожных следов нового неизвестного элемента с неизученными свойствами.
Результат этих поисков был отрицательным, потому что элементов, соответствующих тем клеткам таблицы Менделеева, которые должны быть расположены за 92-й клеткой, на Земле фактически нет.
Первые попытки искусственно получить новые элементы тяжелее урана были связаны с одной из замечательных ошибок в истории развития науки. Было замечено, что под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать -лучи. Ядро атома, потеряв отрицательный заряд, сдвигается в периодической таблице на одну клетку вправо, и его порядковый номер становится на единицу больше — происходит превращение элементов. Под воздействием нейтронов образуются более тяжелые элементы.
Естественно, что была сделана попытка подействовать нейтронами и на уран. Ученые надеялись, что, так же как и у других элементов, у урана при этом появится -активность и в результате -распада возникнет новый элемент с номером на единицу большим, который и должен занять 93-ю клетку в системе Менделеева. Было высказано предположение, что этот элемент должен быть похож на рений, поэтому он был заранее назван «экарением».
Пожалуй, больше всего загадок в современной менделеевской таблице приходится на ее последний, седьмой, период. Этот период особый. Его начала создавать природа, а завершать пришлось человеку. Все элементы седьмого периода радиоактивны. Стабильных в нем нет. Интересно, что во времена Менделеева вообще химикам не было известно ни одного элемента, подходящего своими свойствами для седьмого периода. Этот период был целиком предсказан Менделеевым. Он начинается с экацезия (№ 87), затем идут экабарий (№ 88) и экалантан («N° 89), для тория и урана Менделеев предсказал правильные атомные веса. Между ними он оставил место для экатантала (№ 91). Уверенность великого ученого в истинности открытого им закона была так велика, что он даже предусмотрел в таблице пять мест для элементов тяжелее урана. Эти места теперь занимают трансураны— искусственно созданные человеком элементы. Но теперь их известно уже 12. Последний — 104-й.
Как же построен седьмой период? На этот очень важный для химии вопрос теория пока еще не может дать ответ. Его можно выяснить,только изучая оптические и химические свойства элементов.
Большинство исследователей в настоящее время придерживается мнения, что седьмой период менделеевской системы сходен с предыдущим — шестым. В нем снова повторяется постепенное заполнение f-электронами орбит, глубоко расположенных в третьей, считая снаружи, O-оболочке. В нем поэтому тоже должна быть группа из пятнадцати элементов-близнецов, сходных между собой и со своими собратьями из шестого периода — лантаноидами. Так и принято теперь изображать седьмой период менделеевской таблицы. В нем элементы с № 89 и по № 103 выделяются в обособленную группу актиноидов.
Однако в современном построении таблицы все еще остаются следы сомнений и неуверенности ученых. Очень сложными и запутанными оказались химические свойства актиноидов. Первые из них: актиний, торий, протактиний и уран — тяготеют химическими свойствами к местам, отведенным для них еще Менделеевым. Зато последние из них — трансураны, по-видимому, ведут себя в точности как их собратья по предыдущему периоду — лантаноиды. Это замечательное сходство и помогло ученым и их сложной работе: в создании новых для таблицы элементов — в синтезе трансуранов.
Если теория объясняет — делает ясным то, что долго было непонятным и загадочным, это, конечно, ее несомненное достоинство. Впрочем, пожалуй, иначе ее и нельзя было бы назвать теорией. Но главное, на чем испытывается истинность теоретических представлений, — это способность теории предвидеть, предсказывать неизвестное.
Величайшим историческим примером этого должна быть, конечно, признана сама теория о существовании периодичности свойств химических элементов. В ней, как в зародыше, были заложены все великие открытия науки о веществе и его строении, достигнутые человечеством за последующее столетие.
Одним из больших достижений физики может быть названа и теория строения атома и его электронных оболочек. Созданная на основе менделеевской таблицы, эта теория сделала ясным очень многое из загадочного и непонятного в свойствах вещества. Но этого мало. Истинность наших теоретических представлений о строении атома наиболее полно раскрывается в том, что на их основе ученым удалось предсказать многое, чего наука еще не знала. В качестве примера можно указать на очень интересную историю элемента № 72.