ОБЪЯСНЕНИЕ ТАБЛИЦЫ

При взгляде на таблицу Менделеева возникает (и всегда возникал) вопрос: «Что это — удобный способ запоминания элементов - или фундаментальный закон природы?» Понимающему взгляду химика таблица говорит очень много, но сейчас мы не в состоянии обо всем этом рассказать. Мы попытаемся понять только главное: если это закон природы, то:

Что определяет порядок расположения элементов в таблице?

В чем причина их периодических свойств?

От чего зависит длина периодов?

Ответить на эти вопросы пытались в течение полувека — от Менделеева до Паули. Таблицу элементов многократно переписывали, разрезали и снова склеивали на плоскости и в пространстве всеми возможными и невозможными способами. Но, как всегда, причина явления лежала вне его самого: объяснить таблицу смогла только физика после создания теории, атома.

Как мы видели, уже Менделеев знал, что атомный вес лишь приблизительно определяет положение элементов в таблице. И все же каким-то одному ему известным способом он сумел их расположить в таблице правильно. После уж не составляло труда пронумеровать их все подряд. Но имеет ли подобная нумерация глубокий смысл? Ведь с таким же успехом мы можем пронумеровать кубики из нашей детской игры-мозаики для того, чтобы можно было всегда и быстро восстановить всю картину. Это, конечно, удобно, однако глубокого смысла не имеет, поскольку номера кубиков никак не связаны с тем, что на этих кубиках изображено.

Существует ли глубокая внутренняя связь между химическими свойствами элемента и его порядковым номером в таблице? Или же это внешний и произвольный его признак, вроде порядкового номера дома на улице? Если бы это было действительно так, то с открытием каждого нового элемента пришлось бы менять их нумерацию, точно так же, как меняют нумерацию домов при дополнительной застройке улицы. Одним словом, порядковый номер элемента в таблице — это что: удобный способ найти его в этой таблице или же это его внутренняя характеристика, которая присуща ему независимо от всяких таблиц? История склоняется в пользу последнего предположения: за 100 лет существования таблицы нумерация элементов ни разу не изменилась.

Разгадку такой устойчивости таблицы удалось найти лишь после работ Резерфорда. В том же 1911 году, когда Резерфорд обнародовал свою планетарную модель атома, датчанин Ван дер Брок написал в немецкий журнал короткую заметку, в которой высказал предположение:

порядковый номер элемента в таблице Менделеева равен заряду ядра его атомов.

Два года спустя, изучая рентгеновские спектры различных элементов, эту гипотезу доказал один из лучших учеников Резерфорда Генри Гвин Джеффрис Мозли (1887—1915). Работа Мозли стала главным событием в физике даже в те полные открытий годы. Ему не удалось ее завершить: в августе 1915 года он был убит наповал в Греции в окопах Галлипольского полуострова.

В чем суть и важность этих открытий?

Прежде всего из них следует, что элементы в таблице расставлены верно.

Кроме того, они доказывают, что все элементы уже открыты, за исключением тех, для которых в таблице оставлены пустые места.

Такая окончательность утверждений всегда обладает необъяснимой притягательной силой. Она становится особенно ценной, когда речь идет о системе мира. После работ Мозли система химических элементов была наконец установлена окончательно и оставалось только понять ее особенности.

Природа позаботилась о том, чтобы как можно дальше упрятать свои главные свойства от глаз естествоиспытателей: заряд ядра атома надежно укрыт шубой из электронов и недоступен измерению никакими химическими и большинством физических методов. Это свойство атомов нащупали только после того, как начали обстреливать их такими снарядами, как «λ-частицы. Вместе с тем именно это так глубоко запрятанное свойство определяет структуру атома и все наблюдаемые свойства элементов, состоящих из этих атомов. И если мы хотим по-настоящему узнать атом, то вначале должны докопаться до его ядра. (Как в сказке о Кащее Бессмертном: высоко на горе растет дуб, на дубу — сундук, в сундуке — заяц, в зайце — утка, в утке — яйцо, в яйце — игла, а в кончике той иглы — жизнь и смерть Кащея.)

В силу каких-то глубоких причин, которые мы пока не вполне знаем, заряд ядра атома примерно вдвое меньше, чем его атомный вес. Поэтому, располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, мы более или менее правильно выстроим их и в порядке возрастания зарядов ядер их атомов. Менделеев, конечно, не знал о существовании ядер, но он почувствовал, что у атомов есть еще какое-то свойство, более глубокое, чем атомный вес, и поэтому, располагая элементы в таблице, доверял больше интуиции, чем атомным весам. Он как бы заглянул под электронную оболочку атомов, пересчитал там положительные заряды в ядре и затем это число присвоил элементу, назвав его порядковым номером. Очевидно, порядковый номер — внутренняя характеристика элемента, и, конечно, она не зависит от нашего произвола, как, например, номер дома на улице. (Если продолжить нашу аналогию с детской игрой-мозаикой, то можно сказать, что все ее кубики в действительности оказались пронумерованными. Только номера эти были запрятаны внутри кубиков.)

Теперь наконец можно дать точное определение элемента.

Элемент — это вещество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра.

Нам осталось выяснить последнее: почему монотонное изменение заряда ядра атомов приводит к периодическим изменениям их химических свойств? Изменяются при этом не только химические, но и физические свойства: удельный вес, твердость и даже агрегатное состояние. Например, элементы с порядковыми номерами 2, 10, 18, 36 — это газы гелий, неон, аргон, криптон, получившие название благородных за свою неспособность вступать в обычные химические реакции. Но если заряд ядер этих атомов увеличить всего на единицу, то мы получим элементы 3, 11, 19, 37 — щелочные металлы литий, натрий, калий, рубидий, которые никак не похожи на соседние газы ни по физическим, ни по химическим свойствам. Например, натрий и калий так легко вступают в химические реакции, что их нельзя держать на открытом воздухе — они там самовоспламеняются.

Последняя загадка

Очевидно, причину периодического изменения свойств элементов следует искать не в ядре, а в окружающей его электронной оболочке. Первая мысль, при этом возникающая, состоит в том, что электроны вокруг ядра расположены не беспорядочно, а слоями-оболочками. Начало заполнения новой оболочки совпадает с началом нового периода, и как раз в этот момент скачком изменяются химические свойства элементов. После работ Бора подобная мысль казалась очень естественной, и он сам же ее впервые и высказал.

Однако приведенные наблюдения не подсказывают способа вычислить длину периода. На первый взгляд длина периодов в таблице меняется весьма прихотливо: в I периоде — два элемента, во II и III — восемь, в IV и V — восемнадцать, в VI — тридцать два. Но еще в 1906 году Иоганн Ридберг заметил, что ряд чисел 2, 8, 18, 32 подчиняется простой формуле: 2n². Эту закономерность удалось объяснить Паули только в 1924 году, после открытия им принципа запрета.

Ход рассуждений Паули легко понять. В самом деле, движение электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, о которых мы подробно говорили в предыдущей главе и которые напомним теперь еще раз:

n — главное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3,...;

l — орбитальное квантовое число, которое при заданном n принимает значения О, 1, 2,..., (n — 1);

m — магнитное квантовое число; при заданных n и l оно пробегает ряд значений —l, —(l—1),... —1, О, 1, ... (l—1), l, — всего 2l+1 значений;

S — спиновое квантовое число, принимающее значения +1/2 и -1/2.

Принцип запрета Паули гласит:

В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами.

Поэтому на оболочке с порядковым номером n может поместиться только ограниченное число электронов. Например, на первой оболочке умещаются только два электрона. В самом деле, если главное квантовое число n = 1, то для орбитального момента допустимо только одно значение l = 0, а следовательно, и магнитное квантовое число m = 0; спин электрона не зависит от других квантовых чисел и может принимать два значения S = 1/2 и S= -1/2. В соответствии с этим на первом квантовом уровне могут поместиться только два электрона с квантовыми числами: (n = 1; l = 0; m = 0; S = 1/2) и (n = 1; l = 0; m = 0; S= —1/2). Рассуждая точно так же, можно убедиться, что на второй оболочке умещается 8 электронов, на третьей — 18 и вообще на оболочке с главным квантовым числом n помешается 2n² электронов. То есть число электронов на заполненных оболочках атомов равно длине периодов таблицы Менделеева.

Чтобы нагляднее уяснить себе причину появления этих чисел, представьте, что вам надлежит заселить жилой квартал, в котором n домов, пронумерованные числом l = О, 1, 2, ... (n — 1), причем в доме с номером l только (2l+1) квартир. Если в каждую квартиру запрещено поселять больше двух жильцов, то во всем квартале поместится 2n² человек и не более.

Каждый период в таблице Менделеева начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом. Химические свойства этих элементов резко различны. Теперь легко понять и причину их различия. Инертные газы — гелий, неон, аргон и т. д. — отличаются от всех остальных элементов тем, что у них оболочки полностью заполнены.

Атомы щелочных металлов: лития, натрия, калия и т. д., которые в таблице расположены следом за инертными газами, содержат по одному электрону в следующей, более высокой оболочке. Эти электроны связаны с ядром много слабее, чем остальные, и поэтому атомы щелочных металлов легко их теряют и становятся положительными однозарядными ионами:

Li⁺, Na⁺, К⁺ и т. д.

Наоборот, в атомах фтора, хлора, брома и т. д. недостает одного электрона, чтобы замкнуть их внешнюю оболочку до оболочки благородного газа. Поэтому-то галогены так охотно присоединяют электрон, образуя отрицательные ионы F^-, Cl^- Вr^- и т. д. Когда атомы натрия и хлора встречаются, то натрий отдает свой внешний электрон хлору, в результате чего возникают ионы Na⁺ и Cl^-. Ионы эти притягиваются, образуя молекулы NaCl, из которых состоит хорошо известная всем поваренная соль.

Попутно нам удалось выяснить смысл понятия валентности, которое так трудно определить химически: валентность элемента в соединении — это число электронов его атома, участвующих в образовании химической связи. Легко видеть, что валентность вместе с другими химическими свойствами должна повторяться периодически через 2, 8, 18, 32 элемента при начале заполнения каждой следующей оболочки.

В прошлом веке числа 2, 8, 18, 32 вызывали недоумение и получили название «магических». Объяснить их пытались по-разному, например, вспоминали, что октаэдр — самый прочный многогранник и что в буддийской философии есть учение о восьми путях добра. Но вряд ли кто предполагал, что для них существует такое простое и рациональное объяснение.

Если бы Дальтон, Лавуазье, Менделеев — все, кто в свое время посвятил жизнь и силы изучению системы химических элементов, попали хоть ненадолго в наше время, они бы, без сомнения, испытали совершенную радость чистого знания, которое наконец достигнуто в учении об элементах. Вместо случайного набора веществ, относительно которых даже не всегда было известно, элементы ли это или смеси, они увидели бы стройную иерархию атомов: от водорода до курчатовия.

Этой гармонией мы обязаны квантовой механике, к знакомству с которой теперь и перейдем.