Первым в таблице стоит водород (Н) с атомным весом, примерно равным единице. Далее в тот же период входит гелий (Не), которым и заканчивается самый короткий, первый, период. Затем начинается второй период, включающий восемь элементов: литий (Li), бериллий (Be), бор (В), углерод (С), азот (N), кислород (О), фтор (F) и неон (Ne). Следующий, третий, период также включает восемь элементов. Это три так называемых малых периода.
Вслед за ними идут большие периоды, каждый из которых включает по 18 элементов (четвертый и пятый периоды). Сначала считалось, что и в следующих периодах содержится также по 18 элементов. Впоследствии оказалось, что при этом большое число открытых позже элементов (так называемые редкоземельные металлы, или лантаниды; от элемента 57 до элемента 71) приходится все включать в одну клетку таблицы. Таким образом, следующий период включает на 18+14=32 элемента. Все эти сложные дополнительные обстоятельства были не только обнаружены, но и получили впоследствии исчерпывающее объяснение. Такое объяснение было дано уже в нашем столетии, в основном после смерти Менделеева. Периодический закон, как и ряд других великих открытий XIX века, не только обобщил и объяснил множество ранее известных фактов, но и поставил перед следующим столетием новые коренные вопросы. В самом конце XIX столетия периодическая система после триумфальных открытий 70–80-х годов (Лекок де Буабодран, Нильсен, Винклер) выдержала серьезное испытание. Как уже говорилось, к открытому в 1894 году не вмещавшемуся в таблицу Менделеева аргону в последующие годы прибавились другие инертные газы — гелий, неон, криптон и ксенон, образовавшие новую, нулевую, группу элементов. Теперь таблица состояла из девяти групп (0, I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII). Менделеев придал ей сравнительно простой вид, разделив каждый длинный период на два коротких. Это было сделано еще в 1871 году; после же открытия инертных газов «короткая» таблица получила несколько новый вид (см. таблицу на стр. 49).
Что же оставалось неясным в этой таблице? Какие вопросы ставила она перед дальнейшим развитием науки?
Прежде всего в таблице оставались свободные клетки. С другой стороны, ряд различных элементов (лантаниды) помещался в одной клетке. Но главный вопрос состоял в самой периодичности. Почему свойства элементов периодически повторяются, если элементы расположить в порядке возрастания их атомного веса. Отвечая на этот вопрос, физика XX века ответила и на многие другие столь же важные вопросы, поставленные перед ней периодической системой.
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И СТРОЕНИЕ АТОМА
Открытие Менделеева было одним из исходных пунктов развития новейшей физики, раскрывшей внутреннее строение атома и атомного ядра, освободившей атомную энергию и достигшей других замечательных успехов. В конце XIX и начале XX века физики открыли элементарные частицы, входящие в состав атомов, обнаружив таким образом сложную природу атома. Первоначально были найдены электроны — частицы, обладающие очень малой массой и отрицательным электрическим зарядом, равным единице[8]. Впоследствии были обнаружены гораздо более тяжелые (в 1836 раз тяжелее электрона) положительно заряженные частицы — протоны, электрически незаряженные частицы — нейтроны, а также ряд других элементарных частиц.
Исследование структуры атома и атомного ядра, а также открытие входящих в состав ядер элементарных частиц было тесно связано с изучением явлений радиоактивности. В 1896 году французский физик Анри Беккерель, исследуя свечение тел, пришел к важному открытию. Соли урана заставляли чернеть фотографическую пластинку, что свидетельствовало об излучении. Это ранее неизвестное излучение было названо радиоактивностью. Один из крупнейших физиков Франции Пьер Кюри и его жена уроженка Варшавы, Мария Склодовская-Кюри, изучая соединения урана, обнаружили, что смоляная урановая руда, «смоляная обманка», полученная из Чехии, отличается сильным радиоактивным излучением, бóльшим, чем даже чистый уран. Они предположили, что в этой руде имеется некий элемент, обладающий большей радиоактивностью, чем уран. В 1898 году им удалось выделить этот элемент. Действительно, оказалось, что он дает излучение в миллион раз более интенсивное, чем уран. Этот элемент был назван радием. Он испускает различного рода лучи, в том числе поток положительно заряженных частиц — альфа-лучи. Причиной излучения является распад ядер атомов радия. Уран также распадается, но так медленно, что только через 4,6 миллиарда лет его количество уменьшится вдвое. При распаде урана образуется открытый Марией Склодовской и Пьером Кюри радий. Его распад происходит быстрее, так что количество радия уменьшится вдвое примерно через 1590 лет.
В начале нашего столетия физики пришли к убеждению, что и другие элементы, кроме урана и радия, также радиоактивны. Рубидий и самарий распадаются со столь небольшой скоростью, что запас их уменьшится вдвое в течение многих миллиардов лет. Некоторые элементы распадаются в еще более длительные сроки.
Распад атомов и существование элементарных частиц, из которых состоят атомы, помогли объяснить периодичность свойств химических элементов, открытую Менделеевым в конце 60-х годов. Если атомы состоят из одних и тех же элементарных частиц, в различном числе и различным образом сгруппированных, то появляется надежда объяснить сходные свойства различных элементов сходством структур различных атомов, числом и расположением элементарных частиц, входящих в атомы. В начале нашего столетия многие физики и химики задумывались над этой проблемой. Следует упомянуть о размышлениях известного русского революционера народовольца Н. А. Морозова, заключенного в 1884 году в Шлиссельбургскую крепость и пробывшего там до 1905 года. Морозов в своей одиночной камере много размышлял о причинах открытой Менделеевым периодичности и пришел к мысли о сложной структуре атома, об атоме, в котором электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Он передал свою рукопись в 1901 году на волю, но глубину содержащихся в ней идей не оценили, и открытие Морозова не было опубликовано вплоть до 1907 года. О физической природе периодичности свойств химических элементов думали и другие ученые. Они подчеркивали, что периодическая таблица Менделеева приобретает характер родословного дерева, по которому можно судить о превращении одного элемента в другой, об их происхождений. Мысль о том, что периодическая таблица отражает развитие природы, историю происхождения химических элементов, была, в частности, высказана в 1911 году известным русским химиком Чугаевым, который писал, что в периодическом законе заключено «выражение того плана, по которому совершалась эволюция существующих элементов, выражение тех сложных и многочисленных факторов, которые оказывали влияния на ход этой эволюции».
Каким же образом современная физика и химия объясняют периодическое повторение химических свойств элементов, расположенных в порядке возрастания атомного веса?
Открытие электронов, радиоактивности, а вслед за ними элементарных положительно заряженных частиц (протонов) и электрически нейтральных частиц (нейтронов) позволило с очень большой точностью и конкретностью объяснить периодическое появление элементов со сходными химическими свойствами, последовательное (хотя и не совсем равномерное) нарастание атомного веса элементов в менделеевской таблице, существование малых и больших периодов и многое другое.
Важнейшим поворотным пунктом в развитии представлений о структуре атомов были опыты великого английского физика Резерфорда, произведенные в 1911 году. Резерфорд направлял положительно заряженные частицы, выбрасываемые радием (так называемые альфа-лучи), на различные вещества и регистрировал отклонение альфа-лучей, т. е. направления движения альфа-частиц по прохождении через вещество. Оказалось, что альфа-частицы по большей части проходят через вещество не отклоняясь, т. е. не испытывая электрического отталкивания от атомов, но изредка отталкиваются и испытывают значительное отклонение от первоначального пути. Получалось так, как будто альфа-частицы, бомбардирующие атом, проходят через него, но изредка делают резкий поворот в сторону, как бы испытав отталкивающее действие маленького положительного заряда, находящегося в центре атома.
Такие результаты опытов заставили Резерфорда предположить, что в центре атома находится небольшое по сравнению с объемом атома положительно заряженное ядро. Он сравнивал число положительных частиц, прошедших через атом без резкого отклонения, с числом положительных частиц, испытывающих отталкивающее действие ядра, и таким образом мог вычислить размеры атомных ядер. Их диаметр примерно в сто тысяч раз меньше диаметра атомов. Резерфорд пришел к мысли, что вокруг такого положительного ядра на различных орбитах вращаются электроны. Электроны и ядра заряжены разноименным электричеством; однако электроны не падают на ядра вследствие центробежной силы, так же как планеты не падают на Солнце.
Такая планетарная модель атома позволила объяснить периодичность химических свойств. В таблице Менделеева каждому элементу присвоено порядковое число. Это число возрастает на единицу при переходе к следующей клетке таблицы. В результате работ ряда ученых выяснилось, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева — это величина положительного заряда атомного ядра. Поскольку же в незаряженном атоме положительному заряду ядра соответствует число электронов, то атомному номеру соответствует в таких незаряженных атомах и число электронов.
В 20-е годы нашего столетия была получена следующая картина, объясняющая периодическое повторение химических свойств. В простейшем атоме, атоме водорода, ядро имеет положительный заряд, равный единице. Иными словами, ядро атома водорода — это одна положительно заряженная частица — протон. Вокруг него движется единственный электрон. В атоме гелия вокруг ядра (с двойным положительным зарядом) вращаются два электрона. Нарастание числа электронов продолжается до последнего встречающегося в природе и найденного в естественных условиях элемента — урана, где целый рой из 92 электронов вращается сложным образом вокруг ядра с зарядом 92 и далее. Заметим еще раз, что речь идет пока об атомах, где число электронов равно положительному заряду ядра. На всем протяжении менделеевской периодической системы — от водорода до самых тяжелых элементов — мы встречаем последовательное нарастание заряда ядра и соответственно возрастание числа электронов. Эти электроны движутся по орбитам, причем электроны с близкими орбитами образуют некоторую оболочку (слой) атома. Таких оболочек (слоев) может быть одна, две, три — до семи. Каждая оболочка заполняется определенным числом электронов. Особенно важно число электронов во внешней оболочке. Заполнению внешних оболочек электронами соответствует завершение периодов системы Менделеева. Два электрона в атоме гелия заполняют первую оболочку. Дальше, уже во втором периоде, третий внешний электрон начинает собой вторую оболочку, которая постепенно заполняется электронами в атомах бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора и, на