Периодический закон — великий закон природы,— открытый Менделеевым, остается незыблемым. Но атомный вес, принятый им в качестве основной характеристики химического элемента, не выдержал испытание.
Именно изучение радиоактивных элементов дало возможность найти ответ на этот вопрос, важный для познания окружающего нас мира. Что же заменило атомный вес? Что вместо него определяет теперь положение каждого элемента в нашей современной менделеевской таблице?
Проследите внимательно по периодической системе элементов за путешествием распадающегося радиоактивного ядра. По пути атом от урана до свинца побывает в десяти клетках двух последних рядов таблицы Менделеева. Он испытает четырнадцать последовательных превращений, образуя по дороге восемнадцать изотопов десяти различных элементов. Некоторые атомы на этом пути даже распадаются сразу по двум направлениям.
При этом атом урана, превращаясь, в конце концов, в атом свинца, теряет восемь -частиц и шесть --частиц. Этому соответствует потеря десяти положительных зарядов:
8X(+2)+6X(-1)=10.
При этом с химическим элементом происходят такие глубокие изменения его химической природы, которые соответствуют его перемещению из той клетки таблицы, где находится место урана, в ту, где должен быть свинец. Десяти потерянным положительным зарядам соответствует перемещение на десять последовательных клеток в таблице Менделеева.
Таким образом, химия радиоактивных элементов показала, что в основе периодического закона должен лежать другой фундамент: не атомный вес, а положительный заряд атомного ядра.
На помощь химикам пришла физика. Была предложена модель строения атома.
26 октября 1868 г. на заседании Парижской академии наук были прочитаны одно за другим два письма. Одно было прислано из Индии, от астронома Жансена, другое — из Англии, от астронома Локьера. Оба сообщали, что в спектре солнечных протуберанцев они (независимо друг от друга) обнаружили новую желтую линию, которая не может принадлежать ни одному химическому элементу из существующих на земном шаре. Было решено, что новая линия в спектре принадлежит какому-то особому, «небесному», элементу. Он был назван древнегреческим именем Солнца — гелий.
Спустя 25 лет после открытия гелия на Солнце знаменитый английский физик Релей обнаружил очень странный факт: литр чистого азота, добытого из воздуха, тяжелее, чем литр того же азота, полученного из любого азотного соединения. Разница была ничтожна — тысячные доли грамма, но она была.
Релей написал об этом письмо в лондонский журнал «Природа». Он спрашивал, не сумеет ли кто-нибудь из читателей журнала объяснить, почему «воздушный» азот тяжелее. Но ответов не последовало. Тогда Релей обратился к своему другу — известному химику Рамзаю, и они решили, что каждый из них не покинет свою лабораторию, пока загадка не будет разгадана. Они работали разными методами и, наконец, нашли, что в обычном воздухе существует какая-то примесь, и не малая: в каждом литре воздуха содержится около 10 см3 еще неизвестного газа. Они дали ему имя «аргон». Странный это был газ. Подобных веществ химики еще не знали. Никакими средствами им не удавалось заставить его вступать в химические реакции. Это и было выражено в его названии: по-гречески «аргон» — значит «ленивый».
Аргон оказался новым химическим элементом. Затем Рамзай узнал, что известный химик Гильдебрант наблюдал некоторые минералы (они содержали уран или торий), которые при нагревании выделяют какой-то негорючий газ. Рамзай решил проверить, не аргон ли это.
Но газ, выделившийся из минерала клевеита, оказался не аргоном. У него был совершенно другой спектр, отличный от уже изученного спектра аргона. Рамзай дал ему имя «криптон» («тайный») и послал запаянную пробирку с «криптоном» одному из опытных спектроскопистов, Круксу, для точного исследования спектра. В ответ он получил телеграмму: «Криптон— это гелий. Приходите и поглядите. Крукс».
Не прошло и шести лет, как весь мир облетело известие: в 1875 г. молодой французский ученый-спектроскопист Лекок де Буабодран выделил из минерала, добытого в Пиренейских горах, новый элемент. Буабодрана навела на след слабая фиолетовая линия в спектре минерала, которую нельзя было приписать ни одному из известных химических элементов. В честь своей родины, которая в древности называлась Галлией, Буабодран назвал новый элемент галлием. Галлий — очень редкий металл, и Буабодрану стоило большого труда добыть его в количестве немногим больше булавочной головки. Но Буабодран оказался большим искусником. Он ухитрился с этой крупинкой проделать много интересных опытов и подробно описал новый металл: удельный вес галлия, температуру плавления, соединение с кислородом и даже соли.
Каково же было удивление Буабодрана, когда через Парижскую академию наук он получил письмо с русской маркой, в котором сообщалось: в описании свойств галлия все верно за исключением удельного веса: галлии тяжелее воды не в 4,7 раза, как утверждал Буабодран, а в 5,9 раза.
Неужели кто-то другой открыл галлий раньше? Озадаченный Буабодран заново определил удельный вес галлия, подвергнув металл более тщательной очистке. И оказалось, что он ошибся, а автор письма — это был, конечно, Менделеев, который никогда и не видел галлия,— прав: удельный вес галлия равен не 4,7, а 5,9.
Что же означают пустые места в таблице Менделеева? Может быть, это пробелы в природе и потому химики не нашли элементы, подходящие к пустым клеткам таблицы? Или это пробелы в человеческом знании о природе? Существует ли, например, в природе элемент, атомный вес которого больше, чем у кальция, и меньше, чем у титана, и в то же время похожий химическими свойствами на бор и алюминий?У Менделеева сомнений не было. Каждое место в таблице соответствует определенному химическому элементу, который должен обязательно существовать.
Места, на которых были расположены карточки с названиями элементов, клетки в периодической таблице, где вписаны символы элементов и их атомные веса, для великого ученого были полны глубочайшим содержанием; они определяли всю природу каждого элемента, все его физические и химические свойства и свойства всех его соединений.
В 1871 г. в журнале Русского химического общества появилась большая работа Менделеева. Она называлась «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов». Вряд ли в мировой научной литературе когда-либо была опубликована статья, похожая на эту! В ней Менделеев описал три никем, никогда и нигде в мире не виданных химических элемента, причем описал их так обстоятельно, как не смог бы это сделать иной ученый-исследователь, державший в руках их соединения и посвятивший долгие годы опытному изучению их в лаборатории.
Но, продолжая построение своей таблицы, Менделеев разместил карточки с элементами совсем не так.
Под карточкой натрия была помещена карточка с очень похожим на натрий калием; и калий стал началом нового ряда. Под магнием тогда оказался также очень сходный с ним кальций.
Следующим, в порядке возрастания атомного веса, должен был бы идти ванадий, но его карточка пока отложена в сторону, а вместо нее рядом с кальцием Менделеев кладет пустую(!) карточку. С точки зрения химика прошлого столетия, это— удивительный, непонятный и ничем не оправданный поступок.Вслед за пустой карточкой можно было ждать, что будет положена карточка ванадия. Но вместо ванадия на следующем месте оказывается титан, у которого Менделеев осмеливается, не проводя сам никаких исследований, вопреки всему, что известно о титане всем химикам во всем мире, изменить произвольно его атомный вес с 52 на 48 (!). После чего, наконец, за титаном следует карточка ванадия, и только за ней идут карточки хрома и марганца.
Как же все-таки располагал свои карточки Менделеев? Ведь и в этом ряду таблицы он разместил элементы вопреки возрастанию известных в то время атомных весов. Прежде чем поместить карточку титана в таблицу, Менделеев, по существу, предсказал истинное значение его атомного веса так же, как это он сделал для бериллия.
А было ли все так просто, как рассказывал сам Менделеев? На первый взгляд и в самом деле нет ничего трудного в том, чтобы, написав на отдельных карточках названия элементов, их атомные веса и свойства, расположить их по порядку.
Ведь из всех способов, какими можно было бы комбинировать эти карточки, наиболее простой — расположить их в ряд по возрастанию атомного веса начиная с элемента с наименьшим весом.
Это, конечно, первое, что должно прийти в голову каждому. Подметить же закономерность в изменении свойств правильно расположенных элементов не так уж должно быть трудно. Ведь эти свойства во времена Менделеева были хорошо известны.
В чем же заслуга Менделеева? Давайте условимся на некоторое время забыть все, что нам уже известно о химии, все, что мы успели узнать в школе о периодической системе, вообразим, что мы перенеслись в середину прошлого века и можем знать только то, что знали современники Менделеева.
К этому времени было открыто и изучено примерно шестьдесят химических элементов. Свыше тридцати элементов были еще неизвестны, и об их существовании никто тогда и подозревать не мог.
Открытие периодического закона было очень незаметным и скромным.
17 февраля 1869 г., собираясь в дорогу, профессор Петербургского университета Дмитрий Иванович Менделеев на обороте письма, в котором его просили приехать и помочь производству, сделал первый набросок таблицы химических элементов. В этой таблице он расположил элементы в порядке возрастания их атомных весов и проследил периодическую повторяемость их свойств.
Этот день должен быть отмечен в истории науки как начало новой эры: в этот день зародились смелые предсказания о существовании в мироздании никому не известных элементов. Этот день положил начало одной из наиболее могущественных наук — современной химии. К этому дню восходят истоки наших познаний об атоме и его строении, истоки, которые, развиваясь, привели в наши дни человечество к овладению атомной энергией.
В тот день Менделеев отложил свою поездку. Он написал на отдельных карточках все известные тогда элементы с их важнейшими химическими и физическими свойствами. Располагая эти карточки в различном порядке, сообразуясь с атомными весами элементов, с их свойствами и со свойствами их соединений, Менделеев составил свой первый вариант естественной системы химических элементов.