Можно определять эти состояния по внешним признакам: твердое тело сохраняет как объем, так и форму; жидкость сохраняет объем, но не сохраняет форму, газ не сохраняет ни то, ни другое. Но правильнее исходить не из внешней формы, а из внутреннего строения вещества. Все вещества состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Сложное вещество содержит различные элементы, его молекула обязательно состоит из нескольких различных атомов. Молекула же простого вещества может быть построена из двух или нескольких одинаковых атомов. Так, например, в каждой молекуле азота, кислорода, водорода два одинаковых атома. Но в молекулах инертных газов — гелия, неона, аргона — только по одному атому. Можно сказать, что они состоят из свободных атомов, но эти свободные атомы можно также называть и молекулами. Таким образом, при обычной для нас температуре все тела состоят из молекул.
Состояния вещества с точки зрения молекулярного строения различаются мерой порядка в расположении и движении молекул. Проще всего понять, что такое газ. В нем молекулы располагаются и движутся без какого-либо порядка. Если молекулы сравнить с людьми, то газ подобен беспорядочной толпе перепуганных людей, бегающих в панике по всем направлениям. Противоположность газу — тело, в котором молекулы «выстроились» в строгом порядке, как вымуштрованные солдаты. Такое упорядоченное тело — кристалл. Зная расположение одной частицы в кристалле, можно точно рассчитать, где находится не только соседняя, но и самая далекая частица. Это положение выражают определением: «В расположении частиц кристалла есть дальний порядок». Труднее понять природу жидкого состояния. В жидкости каждая частица связана со своими соседями, но только с соседями. Иными словами, в жидкости есть ближний порядок, но нет дальнего.
Тепло — это проявление движения молекул. Неподвижными они могли бы быть только при температуре абсолютного нуля. Но ведь в кристалле каждая частица занимает вполне определенное положение. Разгадка в том, что частицы в нем все же совершают колебательные движения. Когда мы говорим о положении такой частицы в кристалле, нужно понимать, что это — положение равновесия, вокруг которого частица колеблется, подобно маятнику. Пока размах (амплитуда) колебаний гораздо меньше, чем расстояние между соседними частицами, общий порядок сохраняется.
Первый за актиноидами. В эпоху географических открытий людей пытливых и смелых манили к себе белые пятна на картах. За ними скрывались неведомые страны.
Какими же картами и лоциями руководствовались мы, физики, намечая трассу к новым, еще неизвестным элементам — к белым пятнам таблицы периодической системы Менделеева? Это прежде всего сама система элементов.
На рис. 1 изображена часть таблицы Менделеева. После 88-й клетки идет клетка 89—103. В ней расположены все трансурановые элементы — от 93 до 103-го. Они входят в ряд актиноидов и, как вы знаете, созданы человеком. Все члены ряда мало отличаются друг от друга химическими свойствами и находятся в одной клетке. А какой элемент займет соседнюю, расположенную под гафнием? Ведь он должен обладать замечательными свойствами, должен резко отличаться от своих предшественников — актиноидов.
Теория предсказывала, что таким элементом будет 104-й. Его поведение в химических реакциях должно напоминать гафний. Экагафний — такое имя дал бы ему Д. И. Менделеев.
Если теоретические прогнозы подтвердятся и 104-й окажется аналогом гафния, то это будет новым триумфом периодической системы Менделеева. Но чтобы проверить это, нужно было создать не существующее на Земле ядро нового элемента.
Свойства ядра 104-го элемента. Напомним, что номер элемента в периодической системе равен числу протонов, входящих в его ядро. Число нейтронов в ядре того же самого элемента может меняться, а значит, могут существовать атомы элемента с разным количеством нейтронов.
Физики установили: каждой из элементарных частиц (кроме фотона) соответствует парная ей античастица с равной массой и противоположным зарядом. Античастица для отрицательного электрона — положительный позитрон. У протона есть свой отрицательный антипротон. Нейтральному нейтрону соответствует тоже нейтральный антинейтрон, они различаются магнитными свойствами. У атомов нашего мира ядра сложены из протонов и нейтронов, их внешние оболочки — из электронов. А может ли быть все наоборот? Как в старой английской детской сказке о девочке, попавшей в мир Зазеркалья. Возможны ли атомы, у которых будут антиядра из антипротонов и антинейтронов, а вместо электронов вокруг антиядер будут вращаться античастицы — позитроны. Возможен ли физически антимир, состоящий из таких антиатомов?
Да, физики считают, что вполне возможен. Мало того, такой мир даже будет неотличим от того, в котором мы живем. Свет от антизвезд будет в точности таким же, как и от обычной звезды. У фотонов — световых квантов — никаких антифотонов нет. Свет, испускаемый любым атомом, будет абсолютно тождествен свету от аналогичного антиатома. Но пока никто не знает, существуют ли во Вселенной антимиры.
Иногда из глубин Вселенной заходят в нашу солнечную систему очень странные кометы, и их поведение заставляет некоторых ученых думать, что они состоят из антивещества. Далеко, в недоступных глубинах космоса, существуют «радиозвезды». Одна из таких звезд — Лебедь-А — обладает такой невероятной интенсивностью излучения, что его легче всего можно объяснить тем, что в созвездии Лебедя происходит величайшая катастрофа: столкновение двух галактик, двух миров — нормального мира и антимира. Никто пока не может сказать, верно ли это. Вероятнее всего, что излучение Лебедя-А будет объяснено. Но все равно проблема антивещества остается, и наука сейчас усиленно ищет возможность обнаружить антимиры во Вселенной. Один такой путь уже намечен. Он исключительно труден, настолько труден, что, может быть, никогда и не будет осуществлен. Это — путь нейтринной астрономии.
Высоко, на границе стратосферы, ученые нашли очень странные атомные ядра. Быть может, это «гости» из неведомых глубин космоса. Построены они весьма необычно. Атомные ядра всех элементов состоят из нейтронов и протонов, а в этих ядрах один из нейтронов замещен необычной частицей, одной из тех частиц, которых физики, от удивления перед их странными свойствами, назвали «странными». Более точное название этой частицы ламбда-нуль-гиперон. Найдено уже немало легких ядер гипер-изотопов: гипер-водорода, гипер-гелия, гипер-лития, гипер-бериллия, даже гипер-углерода. По-видимому, они рождаются в космических лучах. Живут они всего 10-10 — 10-11 секунды и очень странным образом исчезают: каждое гипер-ядро может распадаться двумя различными способами. Это — особенность только «странных» частиц.
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».