Book: Рассказ о строении вещества



Рассказ о строении вещества

Владимир Мезенцев

РАССКАЗ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Рассказ о строении вещества

Рассказ о строении вещества

ВВЕДЕНИЕ

Бесконечно велик и разнообразен мир, в котором мы живём!

Цветущие долины и высокие скалистые горы; бескрайние ковыльные степи и зелёные массивы лесов; песчаные, опалённые солнцем пустыни и тучные чернозёмные поля. Многоликая, многообразная природа!

А как богат и разнообразен мир животных и растений! От полярных областей до экватора поверхность Земли покрывают сотни тысяч разнообразнейших растений. Несколько десятков тысяч видов позвоночных животных известно учёным. А различных насекомых насчитывается свыше одного миллиона!

И всё это многообразие Земли расцвечено тысячами красок.

Но наша планета Земля — это лишь маленький островок в безграничном океане Вселенной. Взгляните на небо в тёмную безоблачную ночь. В мерцающем свете далёких звёзд открывается нам другой мир, мир без границ во времени и в пространстве. Каждая звезда — это огромное небесное тело.

Уже на заре развития человеческого общества многообразие мира рождало в сознании людей вопрос о природе окружающих тел. Из чего состоит огромный, разнообразный мир? Из каких материалов построены Земля, животные, растения? Из чего состоят далёкие миры Вселенной? Из каких основных веществ состоит сам человек?

Наивны были первые попытки людей объяснить природу мироздания. Преклоняясь перед неведомыми и потому таинственными и грозными силами природы, не имея сколь-либо основательных знаний об окружающем мире, человек далекого прошлого верил в самые нелепые басни о природе вещей, об устройстве Вселенной, распространяемые и поддерживаемые церковью.

На протяжении многих веков церковники проповедуют среди народа самые невежественные представления о мире, преследуют и осуждают передовые, материалистические взгляды на устройство Вселенной. Религиозные учения пронизаны ненавистью к науке, к просвещению.

Передовая, материалистическая наука вела и ведёт непримиримую борьбу с религиозными предрассудками, с суевериями. Она разбивает ложные, невежественные учения церкви о природе, неопровержимыми фактами доказывает лживость фантастических религиозных вымыслов о том, как устроен наш мир.

В течение многих столетий церковники учили, например, что наша Земля стоит неподвижно в центре Вселенной, а Солнце, Луна и звёзды обращаются вокруг неё и существуют лишь для того, чтобы освещать Землю. Знаменитый польский учёный Николай Коперник в XVI веке доказал, что это учение церкви ложно. В действительности наша Земля является рядовой планетой солнечной системы; она вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси. Учение Коперника было запрещено церковниками. Сторонники Коперника подвергались жестоким преследованиям. Один из талантливых последователей польского учёного Джордано Бруно был в 1600 году сожжён на костре по приговору церковного суда.

Религиозная идеология, антинаучная в своей основе, противоположна коммунистическому мировоззрению. В нашей стране ликвидированы социальные корни религии, уничтожаются причины, порождающие и питающие религиозные представления в сознании людей. Широчайшие народные массы Советского Союза порвали с религией, ставшей пережитком прошлого, остатком старины. Это одна из замечательных побед советского строя.

Церковь в нашей стране отделена от государства и школа от церкви. Конституция СССР признаёт за каждым советским гражданином свободу совести — свободу отправления религиозных культов и свободу антирелигиозной пропаганды. Но наши общественные и научные организации не могут быть нейтральны в отношении религии. Большевистская партия ведёт активную борьбу за преодоление пережитков капитализма в сознании людей. Одним из таких пережитков являются религиозные предрассудки и суеверия. «Партия не может быть нейтральна в отношении религии, — учит товарищ Сталин, — и она ведет антирелигиозную пропаганду против всех и всяких религиозных предрассудков, потому что она стоит за науку, а религиозные предрассудки идут против науки, ибо всякая религия есть нечто противоположное науке» (И. Сталин, Вопросы ленинизма, 10-е изд., стр. 192).

Религиозные суеверия и предрассудки поддерживают буржуазные реакционеры от науки. Учёные мракобесы отрицают возможность познания законов природы и общества, проповедуют бессилие науки, прославляют поповщину и идеализм. В буржуазных странах учёные шарлатаны всякого рода отравляют народ идеалистическим и религиозным опиумом. Все силы современного мракобесия, варварства поставлены на службу агрессивному англо-американскому империализму, направлены к тому, чтобы любыми средствами поддержать, подпереть падающее здание капитализма. Капитализм старается всеми силами держать трудящиеся массы в слепом повиновении. Этой цели хорошо служит религия, которая требует от человека слепой веры в мудрость творца, сулит ему счастливое будущее на небесах, является опорой всего отсталого и реакционного. И капиталистические хозяева — англо-американские империалисты, — стремясь поддержать религию, привлекают к ней на помощь своих учёных лакеев. Многие буржуазные учёные Европы и Америки проповедуют в наши дни взгляды, очень далёкие от настоящей науки, взгляды, отрицающие науку и поддерживающие религиозные суеверия. Современная буржуазная наука помогает церкви поддерживать у народных масс веру в библейские басни. Так, английские астрономы Эддингтон, Джинс и Милн пытаются доказать, что Вселенная конечна, имеет определённые размеры, и то, что находится за пределами этой Вселенной, уже непознаваемо.

Реакционные учёные капиталистических стран отрицают закономерность и причинность явлений в природе.

Во многих статьях американской и британской энциклопедий буржуазные мракобесы «доказывают» господство божественного начала в природе. Так, в 18-м томе американской энциклопедии читателю преподносится такая фраза: «наблюдая все явления целесообразности в строении живых существ, почти невозможно поверить, что они могли развиваться без участия творца».

И дальше: «…происхождение человека было творческим актом, выразившимся в проникновении в его животное тело некоего божественного начала, которое уподобило его творцу».

В британской энциклопедии протаскивается утверждение о существовании души, утверждение, что все организмы «созданы духовным началом, которое… может существовать продолжительное время после разрушения материального тела или его распада на элементы».

Авторы британской энциклопедии, поддерживая реакционные идеалистические учения, утверждают, что люди якобы пришли к выводу, что материя и движение — это лишь функции, порождённые умом, что «наука сама по себе имеет дело с кажущимся, а не обязательно с реальностью».

Все эти примеры говорят о том, что империалисты используют все средства, чтобы держать массы трудового народа своих стран в плену религиозных предрассудков и реакционных суеверий.

А. А. Жданов, выступая на философской дискуссии в июне 1947 года, указал, что идеалистическая философия теперь предстаёт в своём новом, отвратительно грязном естестве, отражающем всю глубину, низость и мерзость падения буржуазии. «Взять хотя бы учение английского астронома Эддингтона о физических константах мира, которое прямёхонько приводит к пифагорейской мистике чисел и из математических формул выводит такие „существенные константы“ мира, как апокалиптическое число 666, и т. д. Не понимая диалектического хода познания, соотношения абсолютной и относительной истины, многие последователи Эйнштейна, перенося результаты исследования законов движения конечной, ограниченной области вселенной на всю бесконечную вселенную, договариваются до конечности мира, до ограниченности его во времени и пространстве, а астроном Милн даже „подсчитал“, что мир создан 2 миллиарда лет тому назад. К этим английским учёным применимы, пожалуй, слова их великого соотечественника философа Бэкона о том, что они обращают бессилие своей науки в клевету против природы.

В равной мере кантианские выверты современных буржуазных атомных физиков приводят их к выводам о „свободе воли“ у электрона, к попыткам изобразить материю только лишь как некоторую совокупность волн и к прочей чертовщине».

Уже в древнем мире оформились два основных направления в учении о мире: истинное, научное — материалистическое и поповское, ненаучное, реакционное — идеалистическое. Борьба этих направлений прошла через века и сейчас продолжается в капиталистических странах. В Советском Союзе эта борьба закончилась победой материалистической науки, победой науки коммунизма — диалектического материализма.

Марксистско-ленинское мировоззрение, это воинствующее, последовательно материалистическое мировоззрение, победоносно проложило себе путь в ожесточённой борьбе с реакционными воззрениями.

В нашей книге мы расскажем о том, как в борьбе материалистической науки с идеализмом, с религиозными предрассудками рождалось истинное знание, как изменялся и совершенствовался взгляд на природу вещей, составляющих мир, какой ответ на вопрос «из чего состоит Вселенная, каково строение вещества?» даёт нам современная материалистическая наука,

I. В ПОТЁМКАХ СУЕВЕРИЙ

1. Элементы мира

Мировоззрение коммунизма — диалектический материализм — учит, что существует не зависимый от человека мир, единый в своей материальности, вечно движущаяся, изменяющаяся материя. Ленин учит, что материя есть объективная реальность, «…которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (В. И. Ленин, Соч., изд. 4-е, т. 14, стр. 117).

Мир по природе своей материален. Наблюдаемое многообразие явлений в природе представляет собой различные виды движущейся материи. Взаимная связь и взаимная обусловленность явлений, устанавливаемые диалектическим методом, представляют закономерности развития движущейся материи. Мир развивается по законам движения материи и не нуждается ни в каком «мировом духе». Материя есть единственный источник и последняя причина всех процессов в природе, так как всё состоит из материи и порождено материей. Атом, живая клетка, организм, мыслящий человек — разнообразные виды материи. Материя вечна и бесконечна. Она не исчезает и не создаётся вновь, она несотворима и неуничтожаема; материя только меняет свои формы. По словам Ф. Энгельса, ничто не вечно, кроме вечно изменяющейся, вечно движущейся материи и законов её движения и изменения.

Различные религиозные басни и ненаучные, реакционные учения утверждают, что мир неизменен: всё, что мы видим на земле и на небе, было создано когда-то богом из ничего и в таком неизменном виде существует до наших дней.

Наука тысячами фактов давно опровергла эти наивные и вредные утверждения.

Нет в мире ничего неизменного, застывшего. Первое и неотъемлемое свойство материи — движение. Товарищ Сталин учит, что природу надо рассматривать «не как состояние покоя и неподвижности, застоя и неизменяемости, а как состояние непрерывного движения и изменения, непрерывного обновления и развития, где всегда что-то возникает и развивается, что-то разрушается и отживает свой век» («Вопросы ленинизма», 11-е изд., стр. 537).

И действительно, в вечном движении, изменении, обновлении находится окружающая нас природа. Каждодневно и каждочасно рождаются и растут на Земле многочисленные животные и растения. Рядом с этим зарождением и развитием новой жизни мы видим смерть, разрушение живых существ. Ни один организм не живёт вечно.

Постепенно, в течение многих десятков и сотен тысяч лет неузнаваемо изменяется животный и растительный мир Земли (рис. 1).


Рассказ о строении вещества

Рис. 1. В течение многих тысячелетий неузнаваемо изменяется животный и растительный мир Земли. На рисунке вверху — Земля 130 миллионов лет назад; внизу — современный пейзаж.


Не существуют в неизменном виде и все тела неживой природы. Даже самые, казалось бы, постоянные из них, такие, как горы, и те постоянно изменяются. В течение многих тысячелетий под действием различных сил природы «старятся», изнашиваются огромные горы — они становятся всё меньше и меньше и, наконец, совсем исчезают, превращаясь в равнины. Под действием различных сил природы постоянно видоизменяется лицо Земли.

Не всегда, однако, замечает человек перемены, происходящие вокруг него. Это легко понять, — ведь изменения в природе происходят, как правило, так медленно, что нередко за целую жизнь мы не можем их заметить.

Существует красивое восточное сказание. На берегу большой реки стоял город. Со всех сторон приходили сюда караваны с товарами из далёких стран; на базарах города продавались изделия многочисленных городских ремесленников. Однажды в город пришёл с караваном купцов странник. У одного старика-горожанина он спросил: «Когда и кем основан этот город? Что здесь было раньше?» — Старик ответил: «Наш город стоит с незапамятных времён. Здесь родился и вырос я, здесь родились и умерли мой отец, мой дед и мой прадед. Когда я был маленький, старики рассказывали мне, что наш город основан очень, очень давно. Так давно, что никто не помнит ни имени основателя города, ни того времени, когда на этом месте не было нашего города».

Прошли века. Давно исчез с лица Земли восточный город. На его месте шумело море. На пустынном морском берегу стоял небольшой рыбачий посёлок. В постоянных трудах и заботах проходила тяжёлая жизнь рыбаков. Однажды в посёлок зашёл странник. На пороге хижины старый рыбак чинил сеть. «Давно ли существует здесь море? — опросил старика странник. — Что здесь было раньше?» Старый рыбак с изумлением посмотрел на пришельца и ответил: «О чём ты говоришь?! Море здесь было всегда. Я живу здесь уже семьдесят лет и никогда не слыхал, чтобы здесь было что-нибудь другое, кроме моря!».

И ещё прошли века. Давно ушло отсюда море. На том месте, где когда-то стоял шумный портовый город, а позднее ютились рыбацкие хижины, теперь простиралась равнина. Одинокий селянин пахал землю. По пыльной дороге шёл путник. Поравнявшись с пахарем, он остановился. «Как давно сеют здесь хлеб? — спросил он крестьянина. — Что здесь было раньше?». Пахарь ответил: «Я родился и вырос в этих местах. Здесь жили и умерли мои деды; и всегда люди пахали здесь землю».

О чём говорит это сказание? О том, что люди часто не замечают перемен, мало знают о прошлом.

Именно благодаря таким представлениям людей о неизменности природы, благодаря отсутствию знаний о прошлом Земли, животных, человека и возникло религиозное утверждение о том, что мир неизменен.

Однако уже в древнем мире наиболее пытливые, более наблюдательные люди видели, что всё в мире течёт, всё изменяется.

Так, древнегреческий философ Гераклит ещё более двух тысяч лет назад писал, что подобно тому, как мы не можем окунуться дважды в одну и ту же волну, потому, что вода её постоянно обновляется, так и всё существующее течёт.

Но, наблюдая постоянные изменения в живой и неживой природе, человек также видел, что мир в течение всей его жизни остаётся всё тем же давно знакомым миром обычных вещей. Всё такая же вода текла в реках, тот же воздух окружал Землю. Это наводило на мысль, что всё, что изменяется в мире, — это лишь изменение формы чего-то неизменного, каких-то немногих основных веществ.

Каковы же эти неведомые основные вещества мироздания? Сколько их? Что в мире неизменно?

Ответы на эти вопросы и были первыми ответами на вопрос: из чего построены окружающие нас тела?

К обобщённому выводу о единстве материального мира люди пришли путём долгого и медленного развития знаний об окружающей человека действительности. Еще первые древнегреческие философы признавали материю основой действительности, но они отождествляли материю с отдельными видами её.

Фалес, живший две с половиной тысячи лет назад в древней Греции, учил, что началом всех вещей, первоначальным веществом — основой всего является вода. Всё, что мы видим вокруг, произошло из воды.

Смешной и наивной кажется нам сейчас эта мысль, однако такой взгляд на воду, как на первооснову мира, поддерживался долгое время многими мыслителями и учёными прошлого. Так, еще в начале XVII века один голландский учёный, чтобы доказать справедливость учения Фалеса, поставил такой опыт. Он посадил в горшок с сухой землёй маленькое деревцо и ежедневно в течение пяти лет поливал его дождевой водой. Затем он вынул дерево и взвесил его. Дерево увеличилось в весе в 32 раза. Вес земли в горшке остался при этом почти прежним. Отсюда учёный заключил, что растения состоят из одной лишь воды; он не подозревал, что растительные организмы строят свои клетки не только из воды и солей, содержащихся в воде, но и из углекислого газа, находящегося в воздухе.



Другой философ древности, Анаксимен, утверждал, что весь мир — бесконечная материя — построен из воздуха.

Огонь — вот первичная форма вещества, первооснова всего, — говорил Гераклит — третий мудрец древнего мира. Огонь — это самое живое, самое подвижное и «одушевлённейшее» на свете, — учил он. — Из него возник наш мир; пройдут бесконечные времена, и снова всё обратится в первобытный огонь. По словам Гераклита, мир не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнём, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим.

Каждое из этих учений находило своих приверженцев и последователей, но с течением времени уже для учёных древнего мира становилось ясно, что всё разнообразие тел природы не может произойти из какого-то одного первоначального вещества, будет ли это вода, огонь, воздух или что-либо другое.

И число «первооснов» мира, или, как их назвали в древнем мире, «элементов», постепенно увеличивается.

Возникает философское учение Эмпедокла. Эмпедокл уже утверждает, что мир построен из четырех стихий-«корней»: земли, воды, воздуха и огня. «Корни» эти неизменны; они не переходят друг в друга, не возникают один из другого. Это основные, неразложимые вещества мироздания — элементы.

Через сто лет после Эмпедокла его учение развил один из самых крупных философов древнего мира — Аристотель.

Изучая свойства различных тел, учёные древнего мира не могли объяснить, почему эти свойства подчас легко изменяются. Многие из этого делают вывод, что свойства могут быть и не связаны с телами. Учение об основных свойствах тел и создаёт Аристотель.

Все тела состоят из одного и того же вещества, — учит Аристотель, — но это вещество может принимать различные свойства. Таких свойств, или стихий, присущих всем телам мира, — четыре; это — холод, тепло, влажность и сухость. Соединяясь по два, они и образуют элементы: землю — сухую и холодную, огонь — сухой и горячий, воду — влажную и холодную и воздух — влажный и горячий. Эти элементы невещественны. Они являются лишь носителями различных свойств, присущих всем телам. Это — элементы-свойства.

К названным элементам-свойствам Аристотель добавляет ещё пятую, объединяющую их, сущность, названную позднее квинтэссенцией. «Божественная квинтэссенция» (т. е. пятая сущность), объединяющая и как бы примиряющая противоречивые качества тела, играла очень важную роль в химических работах последующих веков.

Вот это философское учение об элементах-началах и четырёх стихиях мира особенно сильно укрепилось в сознании многих учёных прошлого.

Вера в невещественные элементы — элементы-свойства Аристотеля — просуществовала многие века, почти до XVIII столетия. На учении Аристотеля, во многом глубоко ошибочном, развилось и укрепилось таинственное и неверное учение первых и средних веков нашей эры — учение о превращении простых веществ друг в друга.

2. Эликсир мудрецов

С незапамятных времён человека поражали превращения одних веществ в другие. И чем больше присматривались люди к живой и неживой природе, тем больше они убеждались в том, что почти все окружающие нас тела и вещества способны видоизменяться, переходить из одной формы в другую, превращаться в совсем иные на вид тела и предметы.

Особенно это было заметно у различных металлов. Изменения в цвете, в блеске и в других физических свойствах металлов при сплавлении их друг с другом наводили уже древних людей на мысль, что все металлы могут превращаться друг в друга. Одним из самых наглядных и убедительных примеров этого было получение бронзы. Красная медь и белое олово давали, соединяясь вместе, сплав, похожий на золото.

В ещё большей степени возможность превращения веществ как будто бы была видна в металлургии, которая уже существовала в древнем мире. Землистое вещество — руда — превращалось обжигом в блестящий металл. Это ли не превращение веществ! Ведь руда — это земля, и, значит, металл рождается из земли после того, как она подвергается обжигу. Из этого учёные прошлого делали вывод, что земля, соединяясь с огнём, давала металл.

И вот в первые века нашей эры рождается «наука» о превращении всех металлов друг в друга, «искусство» делать драгоценный металл — золото, более того, «искусство» делать особый, необыкновенный, всесильный «философский камень», камень, дающий его обладателю богатство, власть, вечную молодость!

Позднее арабы назвали эту «науку» алхимией.

Алхимики считают, что все минералы и металлы подобны живым существам: они зарождаются, живут и умирают в земле; только развитие металлов происходит значительно медленней, чем животных и растений, и потому оно незаметно. При этом природа всегда стремится к совершенству — она все время старается производить золото, но различные неблагоприятные обстоятельства приводят к тому, что родятся «недоноски» — неблагородные металлы, такие, как медь и железо. Однако и эти неполноценные металлы совершенствуются, приближаются по своим свойствам всё ближе и ближе к золоту. Беда только в том, что такое совершенствование происходит слишком медленно.

Ускорить совершенствование неблагородных металлов — такую задачу и ставят себе алхимики. А достичь этого можно лишь при помощи «философского камня».

«Философский камень» алхимиков — это «квинтэссенция» Аристотеля.

Могущество «камня», по мнению алхимиков, безгранично. Он может превращать любой неблагородный металл в золото, лечить болезни, возвращать молодость.

Учение алхимиков распространяется по всей Европе. Все большее и большее число учёных примыкает к алхимикам. Всё больше находится людей, ослеплённых желанием найти лёгкий алхимический способ делать золото.

Этому помогают власти — светские и духовные.

Огромную власть над людьми приобрела в средние века церковь. Церковники объявляют ересью всякое научное исследование природы. На все вопросы о сущности вещей, о строении мира, об устройстве животных и растений попы и монахи отвечают: всё создано богом, и поэтому грешно пытаться проникать в «тайны божества». Ослушникам грозит жестокое наказание.

Иначе относятся церковники лишь к учению Аристотеля об элементах-свойствах. Это учение не подрывает «основ» религии. И католическая церковь берёт учение Аристотеля под своё покровительство, она объявляет его непогрешимым и обязательным для каждого верующего человека. Католические попы объявляют, что Аристотель — предшественник Христа. В средневековых университетах профессора приносят присягу в том, что они при объяснении студентам любых вопросов не будут отступать от евангелия и Аристотеля!

Но ведь Аристотель учит, что, соединяя первичные элементы — землю, огонь и др. — с элементами-стихиями, можно получить любое вещество. А отсюда следует, что можно превращать одни вещества в другие!

Таким образом, учение алхимиков о превращении простых веществ друг в друга не противоречит Аристотелю и потому благословляется церковью.

Цель, к которой стремились алхимики, увлекает людей, ослепляет их жаждой безмерного, лёгкого обогащения. Несовершенные же знания людей времени зарождения и развития алхимии были таковы, что они не только не опровергали возможности превращения металлов друг в друга, а, наоборот, как будто подтверждаемые многочисленными наблюдениями природных явлений, а позднее и чисто химических превращений в сосудах алхимиков, говорили о том, что превращение металлов — дело вполне осуществимое; надо лишь найти тот «философский камень», который помог бы осуществить это превращение.

В поисках химических способов получения золота и «философского камня» арабские учёные встали на новый путь — путь опыта. Они проводят многие тысячи самых различных опытов и убеждаются, что мир более сложен, чем учил Аристотель.

Изучая опытным путём превращение различных металлов друг в друга, арабы замечают, что многие металлы, соединяясь с серой, превращаются в землистые вещества. Однако если такое вещество подвергнуть обжигу, то снова возникает тело с металлическими свойствами.

Установили арабские алхимики и другой примечательный факт: металлическая ртуть во многих случаях оказывается способной «поглощать» различные металлы (теперь мы называем это явление амальгамированием) и «выделять» их из себя вновь при кипячении.


Рассказ о строении вещества

Рис. 2. Лаборатория алхимика.


Из всего этого некоторые средневековые учёные делают вывод, что в ртути и сере содержатся другие металлы, что все металлы состоят из этих двух основных веществ-качеств; всё зависит лишь от количества серы и ртути в каждом металле.

Поэтому алхимики вводят новые элементы. Это «ртуть» — металлическое начало, носитель металлических свойств, и «сера» — начало горючее. «Ртуть» придаёт металлам блеск и ковкость, а от «серы» зависит цвет металлов.

Оба этих алхимических элемента считаются, подобно началам Аристотеля, элементами невещественными, неосязаемыми. Они не являются теми веществами, которые с древних веков людям были известны под названием сера и ртуть. Нет, это всё те же невесомые элементы-свойства. Обыкновенная ртуть, так же как и прочие металлы, состоит из «ртути» алхимиков и небольшой добавки «серы».

Позднее алхимики включают в число первооснов мира третий неосязаемый элемент-свойство — «соль». Она, по мнению алхимиков, придаёт содержащим её телам вкус, твёрдость, способность растворяться в воде.

Постоянно опасаясь, что их секреты будут кем-нибудь украдены, алхимики стараются говорить и писать совершенно непонятным для «непосвящённых», иносказательным языком. Сочинения алхимиков пестрят различными знаками, полны зашифрованных описаний, недоговорок, нелепостей. Вот, например, каков «рецепт» приготовления «философского камня», предлагаемый одним из алхимиков:

«Чтобы приготовить эликсир мудрецов (т. е. философский камень), возьми меркурий философов, обжигай его, пока он не превратится в красного льва. Кипяти красного льва на песчаной бане в кислом виноградном спирте, выпари продукт, и меркурий обратится в камедистое вещество, которое можно резать ножом. Положи его в обмазанный глиной сосуд и немедленно перегоняй: получишь безвкусную жидкость, спирт и красные капли. Кимврийские тени покроют сосуд своим темным покрывалом, и ты найдешь внутри него истинного дракона, потому что он пожирает свой хвост. Возьми этого черного дракона, разотри на камне и прикоснись раскаленным углем. Он загорится и воспроизведет зеленого льва. Сделай, чтобы он пожрал свой хвост, и перегоняй снова продукт. Наконец, очисти заботливо, и ты увидишь появление жгучей воды и человеческой крови — это и есть эликсир».

Не правда ли, совершенная чепуха?

А между тем в этом рецепте идёт речь о самых обычных химических веществах. Оказывается, красный лев — это свинцовый сурик, меркурий — свинец, а черный дракон — порошок свинца с углистым веществом.

Алхимия просуществовала до XVI столетия. Многие поколения выдающихся учёных средних веков, ослеплённые блестящим призраком «философского» золота, почти бесплодно растратили огромное количество умственной работы. В этих поисках было забыто всё остальное. Надолго был забыт и вопрос: из чего построен мир?

Нельзя сказать, однако, что алхимия не дала ничего положительного. Кое-что в работах алхимиков оказалось и полезным. Занимаясь в течение долгих веков неосуществимым делом получения благородных металлов из неблагородных, алхимики собрали много ценных фактов, ускоривших в дальнейшем выяснение природы вещей. Были изучены свойства многих веществ, особенно металлов. Были открыты серная и азотная кислоты, выделен ряд соединений металлов с кислотами — едкий натр, селитра, квасцы и т. д. Были, наконец, открыты и описаны многочисленные и важные химические операции: перегонка, фильтрация, возгонка, кристаллизация и т. д., имевшие большое значение для дальнейшего развития науки.

Алхимия умерла лишь тогда, когда новые многочисленные опытные факты заставили учёных отказаться, наконец, от аристотелевских элементов; более того — заставили учёных изменить взгляд на самую сущность элементов, отказаться от мысли о безграничной превращаемости различных веществ друг в друга.

Для учёных стало ясно, что общее число основных веществ мира на самом деле несравненно больше, нежели четыре элемента учёных классической древности и два или три элемента алхимиков. Они убедились, наконец, и в том, что нельзя из ртути и свинца получить химическим путём золото потому, что всё это простые, не разложимые далее вещества, или элементы.

3. Загадка тепла

В XVI веке среди учёных находилось уже немалое число людей, которые не верили в «непогрешимость» учения Аристотеля, не признавали запретов церкви. К этому времени в Европе заметно расширяется производство, путешественники открывают новые земли, растёт торговля. В связи с этим начинает развиваться и наука. Влияние церкви начинает падать. Особенно успешно подрывают авторитет церкви новые замечательные открытия. Великие учёные Коперник и Галилей доказывают, что Земля — это рядовая планета: она вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца и не является неподвижным центром Вселенной. Первые кругосветные путешественники доказывают, что Земля имеет шарообразную форму. Эти факты противоречат библии, священному писанию. Но это — факты! И для всё большего и большего числа людей становится очевидным, что для познания законов природы, сущности вещей необходимо не слепое преклонение перед писаниями древних, а опытное, углублённое изучение природы, её явлений и закономерностей.

На этот путь и встают учёные. На смену суевериям постепенно приходит истинное знание.

Занимаясь изучением свойств различных веществ, химики видят, что свойства любого вещества определяются только его составом.

Если мы заставим, например, химически взаимодействовать друг с другом серу и железо, то получим новое вещество, не похожее по своим свойствам ни на серу, ни на железо. И свойства этого нового вещества зависят именно от того, что мы взяли серу и железо, а не что-либо другое.

В самом деле, замените в этом соединении железо медью, и вы получите совсем другое вещество, с новыми, совершенно другими свойствами.

Свойства сложного соединения объясняются его составом. Выходит, что не какие-то неведомые свойства-стихии определяют характер того или иного вещества, а, наоборот, сама природа каждого вещества, каждого соединения, его состав обусловливают его свойства.

Причину свойств различных тел надо искать в самих телах.

Этот вывод, подготовленный многочисленными работами учёных XVI и XVII веков, и привёл к закату алхимии.

И действительно, такой вывод совершенно менял взгляд на природу элементов. Раз свойства любого химического соединения определяются его вполне вещественными составными частями — более простыми веществами, то нет смысла говорить о каких-то невещественных, неосязаемых «философских» элементах-свойствах. Они не нужны для объяснения свойств различных тел природы.

Только ощутимые, вполне определённые составные части соединения придают последнему присущие ему физические и химические свойства.

И в XVII веке возникает совершенно новое определение химического элемента. Химический элемент — это не неуловимый, таинственный элемент алхимиков; это вполне вещественное тело, составная часть сложного химического соединения. Химическим элементом надо считать всякое вещество, полученное при химическом разложении сложного тела, если оно не может быть разложено далее на более простые вещества.

Занимаясь анализом, т. е. разложением, различных тел, химики уже давно обратили внимание на то, что далеко не все тела можно разложить на другие, более простые составные вещества. Некоторые вещества, что бы с ними ни делали, остаются неразложимыми. Таковы, например, свинец, сера, золото, сурьма. Это простые тела. В то же время всякое сложное тело всегда состоит из сравнительно небольшого числа простых тел. Последние всегда оказываются веществами далее не разлагаемыми.

Сколько же существует основных веществ — элементов? Учёные этого не знают: разве можно заранее, без опыта, установить, сколько существует элементов или элементарных свойств и каковы они? Единственный путь для этого — опыт. Только опытом можно проверить, какой состав имеет каждое тело. И вот, если только какое-либо вещество мы не можем разложить на другие, более простые, то его-то и надо считать химическим элементом.

А сколько этих элементов — сказать пока невозможно. Ясно лишь, что химических элементов значительно больше четырёх, как учил Аристотель.

В течение короткого времени новое учение о химических элементах получает признание учёных. Постепенно начинает увеличиваться и число простых веществ — элементов.



Однако новое знание с трудом освобождается от устаревших представлений. Так, в списке химических элементов середины XVIII века мы по-прежнему видим воду и воздух. По мнению химиков того времени, это простые, неразлагаемые вещества. И наоборот, все металлы считаются веществами сложными — они состоят якобы из земель и так называемого флогистона («флогистос» — сожжённый) — особого невещественного элемента, говоря иначе, того же элемента-свойства — огня Аристотеля или «серы» алхимиков.

Считалось, что флогистон, заключённый в теле, придавал этому телу способность гореть или вообще изменяться при накаливании.

Лишь к началу XIX века химия окончательно освобождается от влияния старого. К этому времени учёные химики открывают различные газы — азот, кислород, водород, углекислоту и другие, и убеждаются в сложном составе воздуха и воды.

Единственным человеком среди учёных XVIII века и первым учёным, который полностью порывает со старыми, неверными взглядами, допускающими существование таинственных «тонких материй», является великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов.


Рассказ о строении вещества

Великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов.


Сын рыбака-помора, гениальный учёный с чрезвычайно широким кругом интересов, охватившим все области науки, поэт, художник, инженер и реформатор родного языка, Ломоносов был одним из тех редких гениальных людей, которые не только дают правильное объяснение тому или иному явлению, но своими работами опережают всё развитие науки на многие десятки лет.

Современники этого великого учёного не понимали, да и не могли понять всего значения его исследований и мыслей. Это было не удивительно. Ведь то, что сделал в физике и химии М. В. Ломоносов, опережало развитие этих наук на 50-100 лет! Почти все работы великого русского учёного были подтверждены и признаны учёным миром лишь много позднее — в XIX веке.

Великий учёный был непримиримым врагом предрассудков и суеверий. В своих работах он высмеивал, критиковал нелепые представления об окружающем мире, был врагом религиозных предрассудков. Он мечтал о том времени, когда народные массы освободятся от вредных суеверий.

Напрасно многие думают, — писал Ломоносов, — что все как видим, «с начала Творцом создано; будто не токмо горы, долы и воды, но и разные роды минералов произошли вместе со всем светом; и потому-де не надобно исследовать причин, для чего они внутренними свойствами и положением мест разнятся. Таковые рассуждения весьма вредны приращению всех наук, следовательно и натуральному знанию шара земного, а особливо искусству рудного дела, хотя оным умникам и легко быть философами, выучась наизусть три слова: Бог так сотворил; и сие дая в ответ вместо всех причин».

«Учёной нелепостью» М. В. Ломоносов считал и различные «тонкие материи».

Свою борьбу с невещественными элементами Ломоносов начинает с опровержения распространенного в его время представления о «тонкой материи» теплоты.

«В наше время, — пишет Ломоносов, — причина теплоты приписывается какой-то особой материи, которую большинство называют теплотворной, а некоторые — эфиром, третьи — даже элементарным огнем. Признают, что ее тем большее количество находится в каждом теле, чем больше тело имеет тепла… Мнение это в умах многих пустило столь глубокие корни… что в разных физических сочинениях можно прочитать, что названная выше материя вторгается в поры тел, как бы привлеченная каким-то любовным напитком, или наоборот, как бы охваченная ужасом, вырывается из пор».

Но откуда берётся эта огненная материя? — спрашивает Ломоносов. Отчего, например, «…зимою, при жесточайшем морозе… порох зажигается от только что возникшей маленькой искры и вдруг расширяется в огромное пламя? Откуда и в силу какого удивительного свойства собирается эта огненная материя? Слетается ли она со сказочной быстротой из очень отдаленных мест и зажигает порох? Но в этом случае необходимо, чтобы нагрелись и расширились от прилетающего огня прежде пороха другие тела…». И Ломоносов утверждает, что нет никакой таинственной тепловой «материи». «Очень хорошо известно, — пишет он, — что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается докрасна от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается и произведенный огонь тухнет».

Но что движется в тёплом теле? Почему, например, если раскрутить кусок железа, привязанный к верёвке, то он при этом совсем не нагреется?

И на этот вопрос мы находим ответ у М. В. Ломоносова. «Так как тела могут двигаться двояким движением — общим, при котором все тело непрерывно меняет свое место при покоящихся друг относительно друга частицах, и внутренним, которое есть перемена места…частичек материи; и так как при самом сильном общем движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии такого движения — наблюдается большая теплота, то, следовательно, теплота состоит во внутреннем движении материи».

Так великий русский учёный, намного опередив своих современников, указал истинную природу теплоты.

Нет в мире как тепловой, так и прочих «тонких невесомых материй»! Всё, из чего состоит мир, вещественно — имеет вес и меру.

Нет нематериальных элементов. Любой химический элемент — это не элемент-свойство, не нечто невесомое, неосязаемое, а материальное вещество, не разлагаемое далее доступными химику средствами.

И ясно также, что число таких не разлагаемых далее веществ в мире больше, чем три или четыре элемента древних учёных. К началу XIX века их найдено уже больше двух десятков.

Но какова же внутренняя природа этих основных веществ мира? Как и из чего построены сами химические элементы? Чем они отличаются друг от друга? Какими путями они соединяются друг с другом в сложных телах? Наконец, сколько же их, всех этих химических элементов, существует во всём мире?

Все эти вопросы встали перед химиками и физиками XVIII и XIX веков сразу же после того, как был решён вопрос о материальности химических элементов.

II. РОЖДЕНИЕ НАУКИ

1. Великий закон природы

В упорной борьбе со старыми, неверными взглядами средневековых учёных рождаются новые науки, изучающие природу, — химия и физика. Твёрдую научную основу для этих наук закладывает великий русский гений М. В. Ломоносов, изгнав из науки «тонкие материи».

Но Ломоносов делает для науки ещё большее. Он открывает великий закон природы — закон сохранения вещества и движения, закон сохранения материи.

Наблюдая взаимные превращения различных веществ, люди видели, что нередко отдельные тела как бы «исчезают», пропадают бесследно, или, наоборот, «возникают», рождаются из «ничего». Так при горении «исчезает» полено дров, сгорает «без остатка» свеча. Так из маленького семени вырастает в цветочном горшке растение; при этом вес земли, заключённой в горшке, остается прежним, вещество, из которого состоит растение, по видимости возникает «из ничего».

Возникал важный вопрос: может ли что-либо существующее в мире исчезнуть, превратиться в «ничто»? Возможно ли возникновение вещества из «ничего»? Другими словами, уничтожаема или неуничтожаема материя, из которой строится всё многообразие мира?

Много веков назад были высказаны первые правильные догадки, отвечающие на этот вопрос.

Из ничего ничто произойти не может; ничто существующее не может быть уничтожено — утверждал еще 2 400 лет тому назад Демокрит, философ-материалист древней Греции.

Его мысли повторил через несколько веков древнеримский поэт и философ Лукреций Кар: «Из ничего даже волей богов ничего не творится»; «…разлагает природа все вещи на составные частицы, пропасть же ничто в ней не может».

Однако все эти высказывания были лишь догадками, значение которых для науки не было ясно их авторам. Всё значение вопроса о неуничтожаемости материи для науки впервые было понято М. В. Ломоносовым.

До Ломоносова химики, как правило, не производили количественных измерений; все их опыты касались только чисто качественных изменений вещества. В химических опытах учёные почти не пользовались весами. А ведь это могущественное средство изучения природы. Как много неясных, непонятных вопросов может быть решено при помощи взвешивания.

Этот новый шаг в химии делает М. В. Ломоносов.

«Я думаю, — писал Ломоносов, — нет такого ученого, который бы не знал, какое бесчисленное множество имеется химических опытов; но при всем том он не может отрицать, что авторы почти всех их прошли молчанием такие весьма важные и крайне необходимые обстоятельства, как меру и вес. А сколько эти два фактора вносят в физико-химические опыты правдивости и проницательности, показывает употребление их каждому, усидчиво упражняющемуся в опытах такого рода».

Ставя множество различных опытов, русский академик, в отличие от учёных его времени, как правило, пользуется весами. И с каждым опытом он убеждается в необходимости измерения и взвешивания при любом исследовании.

Об этом он говорит неоднократно в своих заметках и рабочих дневниках. Например, составляя проект первой в России научной химической лаборатории, построенной в 1748 году, Ломоносов писал:

«При всех, помянутых опытах буду я примечать и записывать не токмо самые действия, вес или меру употребляемых к тому материй и сосудов, но и все окрестности, которые надобны быть покажутся».

Ломоносов считает, что материя неуничтожаема — при любых изменениях различных веществ, при любых химических взаимодействиях (реакциях) — соединяются ли простые тела в сложные или, наоборот, сложные вещества разлагаются на элементы — масса взаимодействующих веществ должна оставаться одной и той же, постоянной. Пусть химические элементы переходят при реакциях из одних соединений в другие, пусть в результате какой-либо реакции исчезают два взаимодействующих вещества и получается неизвестное третье — вес, масса всех веществ в этих случаях остается той же. Другими словами, если два вещества химически соединяются и дают третье — новое и более сложное вещество, то масса этого вновь полученного вещества равняется массе первых двух веществ.

Такой вывод Ломоносов записывает впервые в 1748 году:

«Все перемены в Натуре (то-есть в природе) случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте…»

И далее он добавляет: «Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя (т. е. силы) у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Это замечательное высказывание великого русского учёного, важнейшее по своей широте и значению, говорит о том, что Ломоносов первым в мире открыл и сформулировал всеобъемлющий великий закон природы — закон сохранения массы и энергии, закон сохранения материи, как объективной, существующей помимо нашего сознания реальности во всех её проявлениях. В отличие от всех предшественников, Ломоносов говорит не только о законе сохранения массы или о законе сохранения движения, взятых в отдельности. Он первым гениально предугадывает слияние этих законов в единый всеобъемлющий закон природы. Русский учёный говорит о любых «переменах в Натуре случающихся», об общем законе сохранения при этом и приводит примеры сохранения материи (массы вещества) и сохранение силы (энергии).

Открытый М. В. Ломоносовым великий закон единства и неуничтожаемости материи был подтверждён всеми последующими достижениями науки.

Прежде всего сам Ломоносов, понимая огромное значение открытого им закона, проводит в 1756 году опыты с целью узнать, насколько подтверждается при различных химических превращениях веществ закон сохранения их массы. Учёный повторяет опыты английского учёного Бойля, который утверждал, что если в закрытом стеклянном сосуде нагревать металл, то он увеличивается в весе благодаря тому, что в сосуд проникают через стекло «частицы огня» и соединяются с металлом.

Ломоносов сперва в точности повторил опыты Бойля; он помещал в запаянной реторте (стеклянный сосуд особой формы, употребляемый химиками) металл, взвешивал реторту и затем нагревал на огне в течение двух часов. После этого запаянное горлышко реторты обламывалось, в неё с шумом врывался наружный холодный воздух, реторта охлаждалась и снова взвешивалась, как и прежде, вместе с металлом.

Как и Бойль, Ломоносов обнаружил, что металл прибывал в весе. Чем это можно было объяснить? Бойль думал, что прибавка в весе объясняется тем, что «материя огня» проходит сквозь стекло колбы и проникает в поры металла. Но Ломоносов никаких таинственных «тонких материй», в том числе и «материи огня», как уже говорилось, не признавал. И вот тогда он поставил тот же опыт, но в конце, после нагревания реторты на огне и охлаждения её, он взвесил её, не отламывая горлышка сосуда.

«Оными опытами, — пишет Ломоносов, — нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере», а значит, и никакой «материи огня» в реторту не проникает.

Чем же объяснить прибыль в весе в том случае, когда реторта перед взвешиванием вскрывалась?

Ломоносов предполагал, что это зависит от поглощения металлом воздуха. И действительно, теперь мы знаем, что при нагревании металл окисляется, то-есть соединяется с кислородом (получается окисел металла), но окисляется металл за счёт того кислорода воздуха, который находится в закрытой реторте. При этом вес металла увеличивается ровно на столько, на сколько уменьшается вес воздуха в реторте, — ведь из него ушла часть кислорода на окисление металла. Благодаря этому общий вес закрытой реторты и металла не изменяется. Иными словами, хотя здесь и происходит химическая реакция окисления, общее количество вещества не прибывает и не убывает — вес веществ, участвующих в реакции, не изменяется. Но стоит лишь открыть реторту, как на место воздуха, поглощённого металлом, внутрь колбы ворвётся наружный воздух, причём наружного воздуха зайдёт в колбу ровно столько по объему, сколько ушло кислорода воздуха на окисление металла. Вот поэтому-то при вскрытии реторты в опытах Бойля наружный воздух и врывался с шумом внутрь неё.

Так впервые на опыте М. В. Ломоносовым был подтверждён закон сохранения массы при химических превращениях, один из важнейших законов химии, являющийся в то же время частью установленного им более общего закона сохранения материи. Так было показано огромное практическое значение великого закона.

Через 18 лет после Ломоносова открытый им закон подтвердил аналогичными опытами французский химик Лавуазье.

Вскоре новый количественный метод был признан всеми. Каждый учёный стал пользоваться по совету русского учёного «мерой и весом».

Великий закон, открытый Ломоносовым, явился блестящей победой материалистической науки, свободной от мистических «невесомых материй», от поповских «чудес» и прочих вредных и ненаучных бредней. Вещество, материя, из которой построен мир, неуничтожаема, вечна. Нет в мире невещественных материй, неуловимых и непознаваемых. Материя, сколь ни разнообразны её формы, может быть обнаружена, взвешена или измерена. Многогранны формы существования материи; ни на мгновение не прекращаются в природе разнообразнейшие изменения веществ, переход одной формы материи в другую. Но при всём этом материя не рождается из «ничего» и не превращается в «ничто». Материя вечна! Материя, охватывающая «все перемены в Натуре случающиеся» и сохраняющаяся в целом, о которой думал Ломоносов, близка к пониманию материи в ленинском диалектико-материалистическом философском значении этого слова.

Таково философское значение великого закона природы, открытого М. В. Ломоносовым.

Вместе с тем великий закон природы дал в руки учёных новый, неоценимый способ исследования природы. В науке начинают определять количественный состав тел.

Это позволяет в ближайшие же несколько десятков лет — на рубеже XIX века — открыть ряд важнейших законов современной химии, что даёт в свою очередь учёным ключ к разгадке природы вещества.

2. Что такое химическое соединение

Уже давно учёных занимал такой вопрос: постоянен ли состав сложных тел природы? Возьмём, например, воду. Химики знают, что это сложное тело: оно состоит из водорода и кислорода. Но каково отношение этих двух элементов в воде друг к другу? Содержит ли вода кислород и водород всегда в одинаковом процентном отношении? Быть может, вода рек отличается по своему составу от воды озёр, а вода подземных источников отлична от той и другой?

Пока в химии не существовало точного количественного анализа, ответить на такой вопрос было невозможно. С открытием Ломоносовым закона постоянства вещества и движения положение изменилось. Каждый опыт учёного стали контролировать чувствительные весы. Тогда и был найден ответ на вопрос о том, постоянен ли состав сложных тел.

Но далеко не сразу был найден правильный ответ на этот важнейший для химии вопрос. Многие химики считали, что состав химических соединений непостоянен, он зависит от того, в каких количествах были взяты действующие друг на друга вещества. Так, при образовании окиси железа процент кислорода и железа в этом соединении зависит от того, сколько частей кислорода взято на одну часть железа. Такой взгляд подтверждался опытами, и потому возражать против этого утверждения, казалось, было нельзя.

Но вот этим вопросом занялся химик Пруст. Он решил более подробно изучить состав различных веществ. Первое вещество, которое он исследовал, было природное соединение меди — водная углекислая соль меди. В науке о горных породах — минералогии — это соединение называют малахитом. Прежде всего химик решил получить углекислую медь в чистом виде. Для этого он взял небольшое количество малахита, растворил его в азотной кислоте и добавил к полученному раствору поташ. На дно сосуда выпал осадок. Это была чистая углекислая медь. Учёный отделил осадок углекислой меди от раствора и определил её состав. В углекислой меди оказалось по весу 51,5 процента меди, 9,7 процента углерода и 38,8 процента кислорода, то-есть, иными словами, в 100 весовых частях углекислой меди содержалось 51,5 части меди, 9,7 части углерода и 38,8 части кислорода.

Не изменится ли, однако, состав углекислой меди, если её ещё раз растворить в кислоте и затем снова выделить в осадок? Это можно было проверить только опытом. И Пруст поставил новый опыт — он растворил чистую углекислую медь и вновь выделил её в осадок при помощи поташа.

Но и теперь состав химического соединения не изменился: в углекислой меди содержалось по-прежнему 51,5 процента меди, 9,7 процента углерода и 38,8 процента кислорода.

Учёный снова переосадил углекислую медь, — и в этом случае процентный состав соединения не изменился.

Это было уже интересно. Получалось, что различные простые вещества — элементы — такие, как углерод, кислород, медь или железо, соединяются друг с другом только в определённых количественных соотношениях.

Сделав такое предположение, учёный начал проверять состав других тел природы. Он брал различные образцы соединений олова, сернистого железа, воду из разных источников, тщательно проверял их состав и находил его постоянным. К учёному поступали запечатанные бутылки с водой северных и южных морей, больших и малых рек, высокогорных и подземных озёр. Вода приходила со всех концов света. Но откуда бы ни была получена вода, её состав был совершенно одинаков — 88,9 процента кислорода и 11,1 процента водорода.

Выходило, что сложные химические соединения, где и как бы они образованы ни были, имели постоянный весовой состав, содержали всегда одни и те же весовые количества входящих в их состав элементов.

Но как же в таком случае объяснить переменный состав окислов железа? Учёный тщательно изучил состав этих окислов и доказал, что они являются не одним химическим соединением, а механической смесью нескольких различных химических соединений. Ряд окислов железа с различным содержанием железа был не чем иным, как простой смесью различных окислов железа. Кисло-род соединяется с железом, образуя окисел, не только в одной пропорции. Например, наиболее часто встречающийся окисел железа содержит 30 процентов кислорода и 70 процентов железа, но можно получить и другой окисел, в котором будет 22 процента кислорода и 78 процентов железа. Ясно, что если смешать эти два окисла, два разных химических соединения в различных соотношениях, то содержание железа и кислорода в таких смесях будет самым различным. Такие разнообразные цифры и получали химики, анализируя состав окислов железа.

Следовательно, можно считать, что состав химического соединения неизменен. Это был закон. Нет никакой разницы между окисью железа южного полушария и северного; во всём мире имеется только один хлористый натрий и одна селитра.

Но что такое химическое соединение? Все ли тела природы можно назвать химическими соединениями или нет?

Такой вопрос неоднократно задавали себе учёные и не могли дать на него полный и ясный ответ. Правда, для химиков XVIII века было уже ясно, что любое химическое соединение должно иметь какие-то определённые, постоянные свойства — определённые блеск, твёрдость, удельный вес и т. д. Ясно было также, что при образовании химического соединения из двух или нескольких тел получается вещество с совершенно другими, новыми свойствами.

Когда химики установили, что химическое соединение имеет постоянный состав, для них стало ясно, что следует считать настоящим химическим соединением. Это — такое вещество, которое, имея определённые характерные свойства, в то же время имеет и постоянный состав. Если же вещество не имеет постоянного соотношения входящих в него простых тел, то его нельзя называть химическим соединением; это — механическая смесь нескольких различных элементов или сложных химических соединений. Таких механических смесей кругом нас немало. К ним, например, относятся различные металлические сплавы, стекло и другие. Именно поэтому, сталкиваясь с механическими смесями, а не с химическими соединениями, и не могли учёные долгое время установить закон постоянства состава многих сложных тел природы. Смущало их и ещё одно обстоятельство. Дело в том, что, как мы это уже видели на примере с окислами железа, не всегда два каких-нибудь элемента соединяются друг с другом только в одном единственном соотношении. Часто бывает и так, что они могут давать несколько совершенно различных соединений и в каждом соединении процентное содержание двух элементов будет иным.

Итак, закон постоянства состава химических соединений был открыт. Как можно было объяснить этот закон? Почему, в самом деле, простые вещества соединяются в сложном теле только в каких-то всегда определённых, одних и тех же, соотношениях, а не как попало?

Очевидно, ответ на этот вопрос надо искать в самой природе вещества, в его внутреннем строении и свойствах.

Как же устроены окружающие нас тела?

III. МЕЛЬЧАЙШИЕ МАТЕРИАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ

1. Несколько простых вопросов

Подумаем над некоторыми простыми явлениями. Кто из вас не знает, как надевают обруч на новое колесо телеги? Обруч нагревают докрасна на огне, а затем быстро надевают его на деревянное колесо. По мере охлаждения обруч, сжимаясь, всё сильнее и сильнее охватывает колесо.

Или такой пример. Посмотрите на рисунок 3.


Рассказ о строении вещества

Рис. 3. Опыт с железным шаром.


Пока железный шар не нагрет, он без особого труда проходит через кольцо. Но стоит вам разогреть шар на огне, как он останется лежать на кольце. Очевидно, это можно объяснить только тем, что шар расширился от нагревания; его диаметр стал больше, кольцо стало тесным для горячего шара. И, действительно, оставьте нагретый шар полежать на кольце некоторое время, дайте ему охладиться; как только шар остынет, он снова сожмётся и упадёт через кольцо.

Если распилить такой шар пополам, можно убедиться, что он сделан из обыкновенного металла. Вы не увидите на его разрезе никаких раковин, никаких пустых мест. Это— сплошной кусок железа.

В чём здесь дело? Почему сплошное на вид тело расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении? Каким образом железо способно сжиматься и расширяться, оставаясь в то же время одним и тем же куском железа? Не правда ли, над этим общеизвестным, житейским явлением стоит подумать?

А вот другой пример, всем знакомый. Хорошо известно, что рыбы, как и наземные животные, не могут жить без кислорода. Спрашивается: откуда же рыбы, живущие в воде, берут воздух? Ответ ясен: очевидно, из воды. И действительно, воздух обнаруживается в воде на самых больших глубинах. Но как может проникать в неё воздух? Ведь вода, как вы к ней ни приглядывайтесь, кажется нам совершенно сплошным телом. Мы не видим в ней никаких «ходов», по которым воздух мог бы проникать в воду!

И над этим стоит подумать.

И вот вам, наконец, ещё пример. Если вы бросите в стакан воды кусочек каменной соли, он постепенно растворится в воде, исчезнет в ней. Что случилось с солью? Как получается, что кусок твёрдого вещества растворяется в воде, становится в ней невидимым? Ведь соль в этом случае не исчезает и не превращается в какое-то другое вещество. Вода, в которой растворена соль, становится солёной, как и кусок соли. Более того, если выпарить эту солёную воду, то на дне стакана вновь станет видна та же каменная соль, что была растворена в воде. Чем же объяснить, что твёрдое тело — кусок соли — способно растворяться в воде, делаться невидимым и в то же время оставаться солью?

Как объяснить эти простые, всем известные факты? Как могут сжиматься железо, проникать в воду воздух, растворяться в воде соль?

Ответ на эти вопросы и даёт нам в руки дальнейшую разгадку природы окружающих вещей, поможет нам выяснить их внутреннее строение.

Ответ на этот вопрос впервые родился как догадка много веков назад.

2. Поэма древнего мира

Мы уже приводили слова поэта древнего мира Лукреция Кара: «Из ничего даже волей богов ничего не творится». Эти слова взяты из его поэмы «О природе вещей». Около 2 000 лет назад была написана эта оригинальная поэма. В своём поэтическом произведении звучными стихами Лукреций рассказал об учении древнегреческого философа — материалиста Демокрита. Это было учение о мельчайших невидимых частичках, из которых построен весь мир.

Наблюдая различные явления, Демокрит пытался дать им объяснение.

Вот, например, вода. При сильном нагревании она превращается в невидимый пар и улетучивается. Как можно это объяснить? Ясно, что такое свойство воды связано каким-то образом с её внутренним строением.

Или почему, например, мы ощущаем запахи различных цветов на далёком расстоянии?

Размышляя над подобными вопросами, Демокрит пришёл к убеждению, что тела только кажутся нам сплошными; на самом деле они состоят из мельчайших частиц. У различных тел эти частицы различны по своей форме; но они настолько малы, что увидеть их невозможно. Поэтому-то любое тело и кажется нам сплошным.

Такое предположение, что все тела в мире — и земля, и животные, и растения, и воздух, и сам человек — построены из невидимых частиц, очень просто объясняло ранее непонятные явления природы. В самом деле, если вода не является сплошным телом, а состоит из «водяных» частиц, то не представляет особого труда объяснить её превращение в пар. Когда кипящая вода превращается в пар, то это означает, что частицы воды отрываются от её поверхности и улетают в воздух.

Так же легко можно объяснить и то, почему мы ощущаем запахи различных цветов. В этом случае от душистых веществ, находящихся в цветах, отрываются и разлетаются в воздухе отдельные невидимые частички. Эти частички, попадая в нос, и создают ощущение запаха.

К мысли о таком строении окружающих тел Демокрит приходит и другим путём. Размышляя над вопросом, что будет, если мы начнём делить какое-либо вещество, скажем, ту же воду, на всё более мелкие и мелкие части, он невольно задумывался о том, можем ли мы продолжать это деление беспредельно.

Нет! — отвечал философ, — если делить воду достаточно долго на всё более мелкие и мелкие капельки, то можно, наконец, получить такие частички воды, которые будут далее уже неделимы.

Демокрит назвал такие мельчайшие, неделимые далее частички, из которых состоят вода и все другие тела, «атомами», что по-гречески означает «неделимые».

Вот как записал он свое новое учение об атомах:

«Ничего не существует, кроме атомов и пустого пространства; все прочее есть мнение. Сладкое существует только во мнении… во мнении существует тепло, холод, цвета».

«Атомы бесконечны в числе и бесконечно различны по форме».

«Различие всех предметов зависит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия атомов не существует».

Через полтораста лет после Демокрита философ Эпикур внёс в учение об атомах существенную поправку; он высказал мысль, что число различных атомов в мире не бесконечно. Большинство тел природы имеет сложный состав: они состоят из простых, неделимых и неизменных тел. А таких простых тел в природе немного. Кроме того, Эпикур считал, что атомы имеют различную тяжесть, то-есть различный вес.

Вот это учение и записал Лукреций в стихах:

«Ныне внимательно должен ты выслушать истины слово,

Новые сведенья с силой хотят тебе в уши проникнуть,

И пред тобою откроются новые взгляды на вещи».

«Первоначальное правило ставит природа такое:

Из ничего даже волей богов ничего не творится».

«Надо заметить еще: разлагает природа все вещи

На составные частицы, пропасть же ничто в ней не может.

Если б погибнуть могли составные частицы все эти,

То существа умирали б, внезапно из глаз исчезая,

Ибо не нужно бы было усилий к тому, чтоб частицы

Разъединить в каждой вещи и связь между ними расторгнуть».

«Чтоб к положеньям моим ты не начал питать недоверья

Лишь потому, что твой глаз этих телец первичных не видит,

Я докажу, что бывают они несомненно в предметах

Даже тогда, когда глаз никакой их не может заметить.

Ветра порывы, во-первых, что волны морские колеблют,

Рушат суда величавые и облака разгоняют…

…Ясно нам ныне, что ветры — тела, недоступные взору».

«Далее. Запахи мы ощущаем от разных предметов,

Не замечая того, чтоб к ноздрям что-нибудь поступало,

Летнего зноя и холода тоже никак мы не можем

Зрением воспринимать, как не можем и звуков увидеть.

Все то, однако, являет телесное происхождение,

Так как имеет способность известные чувства в нас тронуть;

Трогать и тронутым быть одному только телу присуще.

Платья, затем, на морском берегу, разбивающем волны,

Влагу приемлют, на солнце же снова они высыхают.

Но каким образом влага воды в них проникла, а также

Как испарила ту влагу жара, — невозможно увидеть.

Так на мельчайшие части свои распадается влага,

Их же никоим мы образом глазом не можем заметить».

«Движутся сами собою сначала первичные тельца.

Вследствие многих толчков незаметных приходят в движенье

Тельца, которые малы и сплочены менее тесно,

И как бы больше доступны воздействию сил первобытных.

Дальше, затем, возбуждаются тельца немного крупнее;

И таким образом все возрастает движение, доколе

Нашему чувству отчасти не даст себя знать в том блужданье

Маленьких телец, которые можем в лучах мы увидеть,

Но от каких происходит толчков это, — нам неизвестно».

Уже приведённых отрывков необыкновенной поэмы древнего мира достаточно для того, чтобы видеть, каковы были взгляды первых мыслителей-материалистов, стоящих на правильном пути к познанию мира.

Вот она перед нами, первая разгадка внутреннего строения тел природы.

Весь окружающий нас мир, все химические элементы, всё многообразие вещей и тел, его населяющих, в том числе и мы с вами, читатель, состоит из мельчайших невидимых частичек.

Различны эти частички. Так, сахар состоит из особых «сахарных» частичек; железо составлено из частичек — «зернышек» железа; вода — это скопление огромного числа «водяных» частиц и т. д.

3. Догадка превращается в теорию

Замечательная догадка древнегреческих мыслителей необыкновенно просто объясняла такие явления природы, которые ранее казались сверхъестественными, происходящими с помощью божественных сил. Различные таинственные, необъяснимые природные явления оказывались естественными, легко объяснимыми. Этого не могла допустить церковь. Она объявляет учение об атомах ересью.

Помогают церкви и власти светские. В 1626 году, например, Парижский парламент запретил учение об атомах под страхом смертной казни!

Более тысячи лет в учёном мире безраздельно господствует ошибочное учение Аристотеля.

Утверждая, что все вещества могут взаимно превращаться друг в друга, Аристотель категорически отрицает существование атомов. «Поповщина убила в Аристотеле живое и увековечила мертвое» (Ленин).

Опасно было утверждать что-либо противное Аристотелю. За ним стояла всесильная католическая церковь, жестоко преследующая науку, свободную от религиозных суеверий.

Немного поэтому находится учёных, осмеливающихся оспаривать Аристотеля.

Но они находились!

Так, например, в 1348 году в Парижский университет было представлено сочинение Николая Ультрикурийского. Автор сочинения смело отвергал учение Аристотеля и доказывал, что атомы действительно существуют. Все разнообразные явления природы, — писал учёный, — сводятся к движению, соединению и разделению атомов. «Учёные» монахи университета заставили Ультрикурийского публично сжечь сочинение и признать свои взгляды ошибочными и еретическими. Церковники торжествовали.

Но вот постепенно оживляется промышленность европейских городов. Люди начинают нуждаться в науке, которая изучает природу, объясняет её закономерности.

И учёные всё чаще и чаще вспоминают догадку мыслителей прошлого, пытаются объяснить явления и закономерности природы при помощи атомов.

В 1647 году во Франции выходит в свет книга об атомах ученого Гассенди. Автор книги отрицает учение Аристотеля и утверждает, согласно с Демокритом, что все вещества в мире состоят из неделимых частичек — атомов. Атомы отличаются друг от друга формой, величиной и весом.

Соглашаясь с учением древних атомистов, Гассенди развил это учение дальше. Он объяснил, каким именно образом могут возникать и возникают в мире миллионы разнообразных тел природы. Для этого, утверждал он, не нужно большого числа различных атомов. Ведь атомы — это всё равно, что строительный материал для домов. Из трёх различных видов стройматериалов — кирпичей, досок и брёвен — можно построить огромное число самых разнообразных домов. Точно так же из нескольких десятков различных атомов природа может создать многие тысячи разнообразнейших тел. При этом в каждом теле различные атомы соединяются в небольшие группы. Эти группы Гассенди назвал «молекулами», то-есть «массочками» (от латинского слова «молес» — «масса»). Молекулы различных тел отличаются друг от друга числом входящих в них атомов и видом («сортом») этих атомов. Нетрудно сообразить, что из нескольких десятков различных атомов можно создать огромное количество различных их комбинаций — молекул. Вот почему так велико разнообразие окружающих нас тел.

Однако многое ещё во взглядах Гассенди ошибочно. Так, он считает, что имеются особые атомы для тепла, холода; вкуса и запаха. Как и другие учёные того времени, он не может полностью освободиться от влияния Аристотеля, от признания его невещественных элементов.

Более точное определение природы невидимых частичек и строения тел из этих частичек даёт великий Ломоносов. Атомно-молекулярную теорию впервые развил в химии М. В. Ломоносов.

Учение-догадку древних атомистов Ломоносов развивает в стройную теорию. Он подробно объясняет, каким именно образом строятся из невидимых частичек различные тела. Более того, учение об атомах он использует как средство научного исследования! Он объясняет непонятные явления природы, пользуясь атомным учением.

Великий учёный считает, что все видимые свойства различных тел природы объясняются внутренним устройством этих тел. Ломоносов первым ставит перед наукой огромную, не решённую полностью и по сей день задачу: «…сыскать причины видимых свойств, в телах на поверхности происходящих, от внутреннего их сложения». К этому же стремится и он сам во всех своих физических и химических работах.

Как объясняет русский учёный строение окружающих нас тел?

Ломоносов считает, что все тела состоят из мельчайших материальных частиц — корпускул («корпускула» — по-латыни «частица»). Все частицы материальны — они имеют свойства того тела, в состав которого они входят. Различием этих материальных, невидимых частиц и объясняется различие тел природы.

Частицу любого вещества можно разложить, разделить на ещё более мелкие частички — «элементы», но в этом случае исчезает и самое вещество с его определёнными, только этому веществу присущими качествами.

«Элементы», то-есть, иными словами, атомы, — это уже самые малые частички, на которые способны распадаться тела.

Корпускула, то-есть молекула, может быть однородной и разнородной. В первом случае в молекуле группируются одинаковые «элементы» — атомы. Во втором — молекула состоит из атомов, отличных друг от друга. Если какое-либо тело составлено из однородных молекул, то это тело надо считать простым. Наоборот, если тело состоит из молекул, построенных из различных атомов, такое тело Ломоносов называет смешанным.

Таковы взгляды Ломоносова на строение окружающих нас тел. Теперь мы знаем, что различные тела природы имеют именно такое строение. В самом деле, возьмем, например, газ кислород: в каждой его молекуле содержится по два одинаковых атома кислорода. Это молекула простого вещества. Если же атомы, составляющие молекулы, различны, это уже сложное химическое соединение или «смешанное тело», как говорил Ломоносов. Молекулы такого соединения состоят из атомов тех химических элементов, которые входят в состав этого соединения.

Можно сказать и иначе — каждое простое вещество построено из атомов одного химического элемента; сложное вещество включает в себя атомы двух и более элементов.

Таким образом, понятию сложного тела отвечает молекула, состоящая из различных атомов; простое тело строится из молекул, состоящих из одинаковых атомов.

Ломоносов видит различие в молекулах сложных тел не только в том, что эти молекулы состоят из различного числа различных атомов. Различие в свойствах сложных молекул зависит также и от того, каким образом расположены атомы в молекуле, как они связаны в ней друг с другом.

Такое заключение в XVIII веке мог сделать только гениальный учёный, каким и был Ломоносов! Лишь много позднее была установлена полная справедливость высказанной русским учёным мысли о зависимости свойств молекулы от характера расположения атомов в ней.

Таковы были взгляды замечательного русского физика и химика Ломоносова на строение вещества.

Великий учёный не останавливается на простом объяснении природы окружающих тел. Нет, он призывает к изучению этих невидимых частиц мироздания, в существовании которых он уверен, к познанию всех их свойств, ибо только таким путём мы можем придти к познанию сущности всех химических и физических явлений происходящих в мире.

Более того, Ломоносов, первым смело привлекает учение об атомах на помощь в изучении и объяснении ещё не ясных явлений природы. Об этом мы уже упоминали, когда говорили о том, как объяснял Ломоносов, что такое теплота.

А теперь пришла пора ответить на вопрос, поставленный в конце второй главы.

Как можно объяснить закон постоянства состава химических соединений?

Объяснить эту закономерность, и объяснить очень легко, можно только одним путём — если согласиться с тем, что все тела построены из молекул, а молекулы из атомов, имеющих совершенно определённые свойства и вес.

В самом деле. Каким путём должны образовываться в этом случае химические соединения? Возьмём простейший случай, как, например, образуется обыкновенная поваренная соль, которая, как известно, представляет собой химическое соединение двух элементов — натрия и хлора? Если и натрий и хлор состоят из атомов, то молекула поваренной соли образуется соединением атома хлора с атомом натрия. А если это так, то понятно, что где бы и как бы ни образовалась соль, она всегда будет иметь один и тот же весовой состав, так как все атомы хлора, с одной стороны, и все атомы натрия, с другой, всегда имеют один и тот же постоянный вес.

Возможен случай, когда с одним атомом какого-либо химического элемента будет соединяться не один атом другого элемента, а, скажем, два, три, четыре и более атомов. Весовой состав химического соединения в этом случае будет уже другим, чем тогда, когда один атом одного элемента соединяется с одним же атомом другого элемента, но зато и само химическое соединение здесь будет уже совсем другое — с другими свойствами. Свойства химического соединения этих двух элементов будут зависеть не только от вида вступающих в соединение атомов, но и от того, в каких соотношениях соединяются друг с другом эти атомы.

Чтобы показать, насколько меняются свойства отдельных атомов при их химическом соединении, достаточно привести пример с той же поваренной солью.

Она состоит, как уже было сказано, из элементов натрия и хлора. В каждой молекуле поваренной соли содержится один атом хлора и один атом натрия. Свойства поваренной соли — её солёный вкус и прочее — определяются свойствами её молекул.

Ну, а что представляют собой атомы химических элементов натрия и хлора, то-есть, иными словами, сами элементы натрий и хлор? Каковы их свойства?

Оказывается, оба эти элемента не имеют ничего общего с поваренной солью! Металл натрий — это несъедобное вещество, которое нельзя держать на воздухе, он очень быстро соединяется с кислородом воздуха. А газ хлор — это ядовитый желтовато-зелёный газ; в первую мировую войну он был применён немцами как отравляющее вещество. И вот такие два элемента, химически соединяясь, дают вещество не только безвредное, но даже необходимое для нашего организма!

Столь же сильно изменяются свойства соединения, если в его молекуле меняется число тех или иных атомов. Очень часто один лишний атом какого-либо элемента в молекуле соединения резко изменяет свойства этого вещества. Вот, скажем, вода. Молекула этого общераспространённого, необходимого для всех живых существ соединения состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Попробуйте, например, изменить число атомов кислорода в молекуле воды! Химики умеют это делать, но не вздумайте выпить такой «воды». Если к молекуле воды добавить ещё один атом кислорода, то получится совсем новое соединение, с совершенно другими свойствами, так называемая перекись водорода. Для питья она не годится.

Учение об атомах, атомная теория, просто и убедительно объясняет не только закон постоянства состава химических соединений, но и то, почему именно с изменением весового состава соединения изменяются его свойства.

Очень просто объясняет эта теория и ломоносовский закон сохранения массы. Действительно, если сложное вещество образуется путём присоединения атомов одного элемента к атомам другого, то масса, вес этого соединения, всегда должна быть равна сумме весов всех тех атомов, которые вступили в это соединение. Это ясно. А об этом и говорит как раз открытый Ломоносовым закон постоянства массы.

Неизменность же химических элементов, невозможность их разложения вытекают из того, что сами атомы неизменны по своим свойствам и неразложимы химическими методами.

Так «атомистический» взгляд на мир легко объяснил вновь открытые законы природы.

Ещё больший успех принесло атомной теории изучение свойств различных газов. Проводя опыты с газами, учёные обычно, поскольку это очень просто сделать, сравнивали объёмы различных газов.

В XVII веке были известны лишь немногие газообразные вещества, но к концу XVIII века были уже открыты многие газы, было установлено, что воздух является смесью различных газов. И вот с этими газами начинается работа. Химики и физики хотят знать свойства вновь открытых газообразных тел природы. Этого требует развивающаяся техника того времени.

И все вновь открываемые законы поведения газов очень легко объясняются, если только считать, что все тела состоят из быстро движущихся атомов и молекул. Именно так должны вести себя газы, если считать, что они состоят из отдельных беспорядочно движущихся частиц.

Атомная теория завоевывает себе всё большее число сторонников, но всё же общее количество их невелико. Учёные в большинстве своём, наблюдая поведение веществ в различных условиях, не догадываются о том, что в поисках истины необходимо руководствоваться атомной теорией, принимать её не как догадку, а как действительность, планировать свою работу, сообразуясь с этой действительностью.

И только отдельные, наиболее выдающиеся люди науки смело руководствуются в своей работе атомной теорией. И великая теория блестяще оправдывает себя. Она как бы является чудодейственным ключом к открытию всё новых и новых тайн, закономерностей природы.

Первым учёным, пошедшим по новому пути, был, как мы уже говорили, Михаил Васильевич Ломоносов.

IV. В ПОИСКАХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

1. Теория приходит на помощь

Почему при сжатии воздуха увеличивается его давление? Чем объяснить, что с уменьшением давления воздух расширяется? Говоря короче, в чём секрет упругости этого газообразного тела?

На эти вопросы современники Ломоносова давали такой ответ: в воздухе находится особая «материя упругости», она и расталкивает частички воздуха в разные стороны.

Такой маловразумительный, хотя и «учёный», ответ не удовлетворял великого учёного.

В самом деле, ну, а что же в таком случае представляет собой эта таинственная упругая материя? Об этом никто ничего не знал. Ломоносов начинает искать другое, правильное объяснение «упругой силы» воздуха. И на этот раз его могучим союзником является атомная теория.

«Мы считаем излишним, — пишет М. В. Ломоносов, — призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие — по обычаю века, изобилующего тонкими материями — применяют обыкновенно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его».

Ломоносов считает, что упругая сила воздуха происходит от «непосредственного взаимодействия» его атомов.

Вот как рассуждает учёный. Воздух, как и все тела природы, состоит из огромного числа невидимых частичек-молекул. Молекулы эти находятся в постоянном движении. Двигаясь в самых различных направлениях, молекулы воздуха постоянно сталкиваются друг с другом, отскакивают друг от друга, но тут же вновь и вновь налетают друг на друга. Результатом этого является то, что движение молекул газа получается совершенно беспорядочным. Молекулы как бы стремятся разлететься в разные стороны.

«…отдельные атомы воздуха, — пишет М. В. Ломоносов, — взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими… вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками они стремятся рассеяться во все стороны».

И вот, если мы помещаем какое-то количество воздуха в закрытый сосуд, то его стремящиеся разлететься молекулы будут беспрерывно с силой ударяться о стенки сосуда. Эти удары, настолько частые, что мы не можем различить их в отдельности, и создают давление.

Ну, а что же происходит с движением молекул при сжатии газа? Сжимая воздух, то-есть уменьшая его объём, мы тем самым уменьшаем промежутки между его отдельными частичками-молекулами. Молекулам остаётся меньше свободного места для движения. Столкновения частиц учащаются, и в каждую секунду о стенки сосуда ударяется большее количество молекул. Давление газа возрастает.

Так великий русский учёный, приняв атомные представления как рабочую гипотезу, просто и убедительно объяснил природу упругой силы газов. Это было в 1745 году.

Давая истинное объяснение теплоты, о котором мы рассказывали в первой главе, М. В. Ломоносов также исходит из атомных представлений о строении вещества. В самом деле, он говорит, что «теплота состоит во внутреннем движении материи», а внутреннее движение материи — это такое движение, при котором имеется «…перемена места мельчайших частичек материи». Иными словами, теплота характеризуется движением атомов и молекул. Мы не замечаем этого движения «вследствие малости частичек».

«Открытие, что теплота представляет собой некоторое молекулярное движение, составило эпоху в науке», — писал позднее Ф. Энгельс.

Ломоносов с гениальной прозорливостью наметил пути развития атомно-молекулярной теории на многие десятилетия вперед.

Спустя полвека после Ломоносова, когда был открыт важный закон химии — закон кратных отношений, — атомная теория получила новое убедительное подтверждение.

О чём говорит этот закон?

А вот о чём. Вспомните закон постоянства состава. Согласно этому закону химическое соединение двух простых тел осуществляется всегда одинаково — на определённое весовое количество одного элемента приходится также определённое количество другого элемента. В качестве простого примера этого приводилась вода; в ней 88,9 весовой части кислорода соединяются точно с 11,1 части водорода. Всякое другое соединение кислорода и водорода воды уже не даёт. Однако другие соотношения возможны. Так, и у кислорода с водородом существует другое соединение, уже упоминавшееся нами, — перекись водорода. И вот, естественно, возникает такой вопрос: скажем, мы имеем два простых тела — газы азот и кислород. Они, как и многие другие элементы, дают между собой не одно химическое соединение, а несколько. Известны, например, закись азота, окись азота, азотистый ангидрид и другие соединения азота с кислородом. Есть ли какая-нибудь связь между этими соединениями двух одинаковых элементов или нет? Вот на этот вопрос и был дан ответ в первой четверти XIX столетия.

Почему в разных химических соединениях каких-либо двух элементов содержится разное по весу количество этих элементов? Теперь уже не было никаких сомнений в том, что причину этого надо искать в атомной природе вещества. Когда два простых тела соединяются друг с другом в разных соотношениях, это означает, что соединяется в молекулы неодинаковое число их неделимых и имеющих равный вес атомов. Но каждый из этих двух элементов состоит из атомов, отличных друг от друга как по величине, так и по массе. Значит, и в молекулах химического соединения (то-есть в самом химическом соединении) входящие в них атомы будут неодинаковы по весу — одни легче, другие тяжелее. Возьмите, например, окись азота, молекулы которой состоят из одного атома кислорода и одного атома азота. В ней на 46,7 весовой части азота приходится 53,3 части кислорода. Это означает, что атомы кислорода, содержащиеся в окиси азота, тяжелее атомов азота, входящих в это соединение, в 1,14 раза.

Ну, а если два элемента дают между собой несколько различных химических соединений, тогда как?

Очевидно, что различие этих соединений заключается в том, что атомы двух элементов соединяются как-то иначе. Если, скажем, в первом случае один атом азота соединяется с одним же атомом кислорода, то ведь можно ожидать и другого — с одним атомом азота могут соединяться два или три атома кислорода; или, наоборот, к двум атомам азота может присоединяться один атом кислорода. Или, может быть, два атома азота соединятся с тремя атомами кислорода и т. д. Только так могут образовываться молекулы сложных соединений, только из целых атомов, а не из половинок или четвертушек их строятся молекулы.

Отсюда следует, что, сколько бы ни возникало различных химических соединений двух элементов, во всех этих соединениях весовые количества одного элемента, приходящиеся на одну весовую часть другого, должны относиться между собою, как простые целые кратные числа — 1, 2, 3 и т. д. Ведь соединяются-то друг с другом только целые атомы.

И учёный Дальтон так формулирует закон: когда два каких-либо элемента образуют между собой несколько различных химических соединений, то весовые количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одно и то же количество другого элемента, находятся между собой в простых кратных отношениях, то-есть относятся друг к другу, как целые числа.

Следует отметить, что, конкретизируя некоторые положения атомного учения, Дальтон не поднимался, однако, до уровня идей ломоносовского учения об атомах и молекулах в целом. Так, он отрывал движение от вещества, что было шагом назад в сравнении с гениальной идеей Ломоносова о неразрывности материи и движения.

Дальтон проверил закон кратных отношений на газообразных соединениях. Сперва учёный взял для испытания два газа — болотный газ, или метан, и маслородный газ (последний теперь называют этиленом). Оба этих газа представляют собой соединение двух элементов — углерода и водорода. И вот оказалось, что на одно и то же количество углерода водорода приходится в болотном газе ровно вдвое больше, чем в маслородном.

Точно так же в различных соединениях кислорода с азотом на одно и то же количество последнего приходится кислорода ровно в два, три и т. д. раза больше, чем в том соединении, где кислорода наименьший процент. На одну весовую часть азота приходится кислорода: в одном соединении — 0,57 части, в другом — 1,14 части, в третьем — 1,71 части и т. д. Другими словами, эти содержания кислорода относятся друг к другу, как простые целые числа: 0,57 относится к 1,14, как 1 к 2, к 1,71 как 1 к 3 и т. д.

После опубликования этих работ атомно-молекулярная теория получила широкое признание.

По примеру великого русского ученого М. В. Ломоносова, ею стал пользоваться в своей работе почти каждый учёный. И каждое новое открытие, каждый новый факт в физике и химии тут же находил своё объяснение с точки зрения этой теории.

Но в то время ещё не существовало прямых доказательств существования молекул и атомов. Неясно было, сколько различных видов частиц имеется кругом нас. Как они выглядят? Каким образом из них строятся различные тела?

Это давало возможность идеалистам не признавать реальности атомов и молекул, называть их «плодом человеческого воображения».

Перед учёными возникла новая задача — доказать, что атомы и молекулы реально существуют.

2. В вечном движении

Как же можно доказать реальность существования атомов и молекул?

Увидеть эти частички непосредственно очень трудно — они слишком малы. Однако в настоящее время в распоряжении учёных имеется много других, совершенно достоверных доказательств существования атомов и молекул. Существование этих частичек доказывается при помощи различных специальных приборов и опытов.

Раньше, в главе III, мы уже приводили некоторые косвенные доказательства существования атомов. Здесь мы расскажем ещё о нескольких простейших опытах, подтверждающих существование невидимых частичек вещества.

Однажды был проведён такой опыт. На отполированную свинцовую пластинку была положена и прижата к ней пластинка золота. Спустя несколько месяцев пластинки спаялись. Когда пластинки разрезали поперёк, то обнаружили, что в золоте на глубине до 1 миллиметра находятся мельчайшие частички свинца, а в свинце — частички золота.

Такое проникновение одного вещества в другое обычно называют диффузией.

Чем же можно объяснить диффузию мельчайших частичек золота и свинца в описанном опыте? Только одним — «зернистым» строением этих металлов. Отдельные атомы золота, находясь в движении, пробиваются между атомами свинца вниз; в свою очередь часть атомов свинца проникает между атомами золота вверх.

Диффузия частичек вещества наблюдается и среди жидкостей и среди газов.

Возьмите полстакана крепкого раствора медного купороса и влейте туда осторожно по стенке при помощи палочки немного чистой воды. Вода легче раствора купороса, поэтому она расположится отдельным слоем поверх него. Оставьте этот стакан в покое на длительное время и посмотрите, что произойдет со слоями воды и медного купороса.

Оба слоя обязательно перемешаются без каких-либо видимых причин.

В школах часто проделывают такой опыт. Толстостенный стакан с отшлифованными краями заполняют углекислым газом, который, как известно, значительно тяжелее воздуха. Затем сверху закрывают этот стакан другим, наполненным воздухом, и, не трогая с места оба стакана, оставляют их в покое на некоторое время.

Если после этого проверить содержимое обоих стаканов, то окажется, что тяжёлый углекислый газ проник из нижнего стакана в верхний, а более лёгкий воздух частично перешёл в нижний стакан и перемешался с углекислым газом.

Как можно объяснить оба последних примера с диффузией жидкостей и газов? Тем же самым. Молекулы углекислого газа и медного купороса пробиваются между молекулами воздуха и воды вверх; в то же время отдельные молекулы воздуха и воды проталкиваются между частичками углекислого газа и купороса вниз.

Диффузия жидкостей и газов наблюдается и в тех случаях, когда их разделяют какие-либо пористые перегородки. Так, если налить тот же медный купорос в свиной пузырь, крепко завязать его и опустить в банку с водой, то спустя некоторое время вода в банке окрасится — молекулы купороса проникнут через поры пузыря наружу в чистую воду.

Интересный опыт доказательства существования невидимых частичек вещества был произведён одним физиком. Он брал толстостенный стальной цилиндр, наполнял его маслом и сжимал масло под огромным давлением в несколько тысяч атмосфер. При этом, хотя сталь и не пористое тело, масло просачивалось через стенки цилиндра!

Все эти опыты говорят нам о том, что все окружающие нас тела действительно состоят из атомов и молекул.

Но какими силами удерживаются вместе эти отдельные невидимые частички твёрдых и жидких тел? Они удерживаются особыми так называемыми «силами сцепления». Именно этими силами и объясняется то, что для разрушения какого-либо твёрдого тела мы всегда должны затрачивать какую-то работу — эта работа необходима для преодоления сил сцепления отдельных частичек тела.

Лишь в телах газообразных отдельные частички совсем не связаны друг с другом. Поэтому любой газ всегда сам стремится распространиться, разлететься в разные стороны.

Говоря о реальном существовании атомов и молекул, нельзя не упомянуть об их неотъемлемом свойстве. Это свойство с совершенной очевидностью подтверждается многими из тех опытов, которые доказывают и самое существование невидимых частиц вещества.

Речь идёт о движении молекул. Вспомните хотя бы опыты с диффузией в газах, жидкостях и твёрдых телах.

Или всем известное явление переноса запахов на расстояние. О чём ещё говорят, кроме самого факта существования мельчайших частичек, эти опыты?

О постоянном, непрерывном движении молекул.

В самом деле, чем можно объяснить тот факт, что более тяжёлые молекулы углекислого газа и медного купороса поднимаются кверху и перемешиваются там с более лёгкими частицами воды и воздуха? Это можно объяснить только одним — непрерывным движением этих молекул.

Только движением молекул можно объяснить и диффузию в твёрдых телах и явление пахучести отдельных веществ.

Очевидно, что проникнуть на большое расстояние внутрь твёрдого вещества или оторваться, преодолевая силы сцепления, от поверхности какого-то твёрдого тела могут только частички, находящиеся в состоянии постоянного движения.

Впервые о движении мельчайших материальных частичек вещества совершенно чётко и подробно сказал наш великий Ломоносов, — вспомните его объяснение давления в газах!

Вот что сейчас известно учёным о движении молекул.

Как вы знаете, любое тело может находиться в трёх состояниях — в твёрдом, жидком и газообразном. Во всех этих трёх случаях движение молекул тел различно. Если это газ, то молекулы его находятся в совершенно беспорядочном движении; они стремятся разлететься в разные стороны и беспрерывно сталкиваются друг с другом. Именно поэтому газ не имеет определённой формы и не занимает определённого объёма; одно и то же количество газа может занимать сколь-угодно большой объём.

Если это жидкость, молекулы её также движутся в самых различных направлениях, сталкиваются друг с другом каждое мгновение; но здесь каждая отдельная молекула уже не может совсем оторваться от других: молекулы слишком близко находятся друг около друга, и между ними действуют силы сцепления. Поэтому жидкость уже имеет определённый объём.

И у твёрдого тела частички не находятся в покое. Правда, здесь каждая частичка как бы привязана к определённому месту и не движется поступательно, а лишь колеблется около своего положения равновесия.

Поэтому твёрдое тело имеет определённые как объём, так и форму.

С движением молекул связаны многие свойства тел. Так, например, как мы уже говорили, в прямой зависимости от движения невидимых частичек находится теплота.

Согласно современным воззрениям скорость движения молекул любого тела характеризует его температуру. Чем быстрее молекулы тела колеблются или движутся, тем это тело теплее. Когда мы нагреваем какой-нибудь твёрдый предмет, скажем, на огне, мы ускоряем колебания его молекул за счёт энергии, излучаемой раскалёнными газами пламени. Предмет нагревается. Наоборот, при охлаждении мы замедляем эти колебания. Чем сильнее мы нагреваем какое-либо тело, тем быстрее и быстрее движутся его невидимые частички. Если это твёрдое дело, то постепенно, с повышением температуры, промежутки между его отдельными частичками увеличиваются.

Этим-то и объясняется наблюдаемое в действительности расширение многих тел при нагревании. Такое увеличение промежутков между частичками тела может привести к тому, что форма тела уже не сможет сохраниться. Силы сцепления не смогут удержать частички на своих местах. Тогда тело расплавляется, превращается в жидкость. При этом отдельные частички жидкости приобретают такие скорости движения, что отрываются с поверхности жидкости. Говорят, жидкость испаряется. С повышением температуры жидкости число отрывающихся частичек будет увеличиваться. Жидкость будет испаряться быстрее.

В обратном случае, когда движение частичек замедляется, мы наблюдаем превращение газа в жидкость — сжижение газа, а жидкости — в твёрдое тело — затвердевание жидкости. Уменьшить скорости движения молекул можно путём понижения температуры. Вот почему и превращается вода в лёд, если температура её падает до 0 градусов.

Но ведь из этого следует, что любой газ можно превратить в жидкость и твёрдое тело!

Да, можно! И учёные в наше время умеют это делать со всеми газами. Так, можно, например, превратить в жидкость все составные части воздуха. Для этого необходимо лишь сильно понизить температуру этих газов, почти до 200 градусов мороза.

Движение молекул можно увидеть и почти непосредственно.

Один ботаник ещё более ста лет назад наблюдал странное явление. Рассматривая под микроскопом внутреннее строение растения, он заметил, что крошечные частички вещества, плавающие в соке растения, беспрерывно движутся во всех направлениях. Какие силы заставляют частички двигаться? Может быть, это какие-то живые существа? Учёный решил рассмотреть под микроскопом мелкие частички глины, взмученные в воде. Но и эти, несомненно, неживые частички не находились в покое; они были охвачены непрерывным движением (рис. 4).


Рассказ о строении вещества

Рис. 4. Мелкие частички глины, взмученные в воде, находятся в беспрерывном движении. На рисунке показаны пути движения трех таких частичек.


Чем меньше были частички, тем быстрее они двигались. Долго рассматривал ботаник такую каплю воды. Но так и не мог дождаться, когда движение частичек прекратится. Выходило, что их как бы постоянно толкали какие-то невидимые силы.

Что это были за силы? Человек, первый заметивший пляску частичек, умер, не найдя ответа. Правильная разгадка этого явления была найдена много позднее. Оказывается, это невидимые молекулы жидкости ударяются беспрерывно о частички вещества и приводят их в движение.

Конечно, видимые под микроскопом частички, в сравнении с отдельными молекулами жидкости, очень велики — они не «чувствуют» ударов отдельных молекул. Но всё дело в том, что в одно и то же время о каждую частичку ударяются многие тысячи молекул, и при этом сила ударов молекул не одинакова с разных сторон каждой отдельной частички. В результате таких ударов частички вещества и мечутся в жидкости в самых различных направлениях. Сколько бы вы ни смотрели на такие частички, вы не дождётесь того момента, когда их движение прекратится. Это и понятно, ведь тепловое движение молекул на земле никогда не прекращается.

В некоторых минералах, например в кварце, можно найти включённые капельки жидкости, не высыхающие очень долгое время. И вот, когда учёные стали рассматривать такие капли под микроскопом, то обнаружили, что и здесь пылинки, находящиеся в жидкости, совершают беспрерывное, беспорядочное движение!

И вот вам, наконец, ещё один очень наглядный опыт, доказывающий как существование невидимых частичек, так и их движение.

Подсчитано, что любая молекула газа, например молекула воздуха, при атмосферном давлении и комнатной температуре каждую секунду испытывает огромное число столкновений — в среднем около 50 миллиардов. Расстояние, которое проходят молекулы в этом случае без столкновения, ничтожно мало — в среднем около одной стотысячной доли миллиметра. Однако свободный путь молекулы можно увеличить, если уменьшить давление газа, другими словами, откачать из сосуда большинство его молекул. И если довести давление газа до одной миллионной доли миллиметра ртутного столба, то в нём останется уже так мало молекул, что каждая из них будет пролетать, не сталкиваясь с другой, по нескольку десятков метров. Таким образом, в сосуде, содержащем такой разрежённый газ, молекулы будут свободно, без столкновений, пролетать от стенки до стенки.

Воспользовавшись этим, можно поставить опыт, наглядно доказывающий существование атомов металла и их движение.

Сосуд, из которого по возможности откачан весь воздух, разделён на две части перегородкой с небольшим отверстием. В одной половине такого сосуда начинают испарять какой-либо легкоплавкий металл. Атомы металла, отрываясь от куска, разлетаются во все стороны и при этом не сталкиваются на своём пути с оставшимися молекулами воздуха и друг с другом благодаря тому, что раньше ударяются о стенки сосуда и прилипают к ним. Какая-то часть этих атомов проникает через отверстие в перегородке и во вторую половину сосуда и здесь движется прямолинейно, пока не ударится о стенку. Таким образом, на стенке сосуда, вскоре после того как вы начнёте испарение металла, появится резко ограниченное пятно, по форме одинаковое с отверстием в перегородке. Это пятно — тончайший слой атомов металла, прилипших к стенке сосуда. Выходит, что атомы металла, пролетая в виде «атомного пучка» через отверстие, создают на противоположной стенке как бы «изображение» этого отверстия. Если же на пути такого «атомного луча» поместить какое-нибудь препятствие, скажем, маленькую звёздочку, то на месте пятна на стенке вы увидите «тень» от этой звёздочки.

Таким опытом доказывают как существование атомов металла, так и их движение.

А нельзя ли все-таки, как ни малы атомы и молекулы, увидеть их непосредственно?

До самого последнего времени учёные твёрдо отвечали нам: нет, этого сделать нельзя, слишком малы эти невидимые частички.

Так было. Но теперь, с изобретением нового изумительного прибора — электронного микроскопа — этот ответ уже неверен. Можно увидеть молекулы!

Посмотрите на рисунок 5.


Рассказ о строении вещества

Рис. 5. Снимок молекул гемоцианина, как они видны в электронном микроскопе.


Вы видите на нём изображение молекул одного сложного химического соединения — гемоцианина.

Правда, это одни из крупнейших молекул, встречающихся в природе, но это первые молекулы, которые люди увидели собственными глазами!

Чтобы понять, насколько это действительно замечательное достижение человеческого ума, нужно ясно себе представить, как малы атомы и молекулы.

3. Сколько молекул в капле воды

Человеку, привыкшему иметь дело с большими вещами, трудно представить себе величину отдельного атома, отдельной молекулы.

Возьмём, например, каплю воды. Как вы думаете, сколько молекул воды содержится в этой капле?

Оказывается, около 1 600 000 000 000 000 000 000. Трудно даже назвать такое число. Это — тысяча шестьсот миллиардов раз по миллиарду частиц! Вот насколько малы эти материальные частички.

Представим себе на минуту, что мы отметили каким-то образом молекулы, содержащиеся в капле, так, что узнаём их в любом месте (а сейчас это умеют делать!), и выпустили эту каплю в самый большой водоём мира. Предположим, что через какой-то промежуток времени меченые молекулы разойдутся по всему водоёму. Как вы думаете, легко ли будет найти после этого наши меченые молекулы? Очень легко! Зачерпните в любом месте водоёма ведро воды, и вы найдёте в нем десятки меченых молекул капли воды!

Столь же малы и молекулы твёрдых тел. Возьмите крупинку поваренной соли и бросьте её в ведро с водой. Соль растворится, её молекулы разбегутся по всей воде, находящейся в ведре. На вкус вы не почувствуете этой соли. Но можно легко обнаружить эти невидимые частицы иным путём. Для этого достаточно внести в пламя маленькую капельку воды из нашего ведра. Пламя огня сразу сделается жёлтым. Это значит, что в капельке есть молекулы соли — пламя желтеет от металла натрия, входящего в состав поваренной соли.

Таким путём можно обнаружить в капле воды одну миллиардную долю грамма соли! Значит, вес одной молекулы соли должен быть уж никак не больше этой величины.

Ещё меньшее количество вещества можно обнаружить при помощи обоняния. Вот какие, например, опыты были проделаны однажды двумя учёными. Один из них распылял в пустой комнате небольшие количества различных пахучих веществ и затем тщательно перемешивал воздух. После этого сюда входил второй учёный и определял, чем пахнет в комнате. Если человек чувствовал запах, то, зная количество распылённого пахучего вещества в комнате и объём этой комнаты, было уже нетрудно определить, какое количество вещества мы сможем уловить обонянием.

Оказалось, что мы способны чувствовать запах некоторых особенно пахучих веществ даже в том случае, если в нос попадает всего одна пятисотмиллиардная доля грамма этого вещества! Значит, в одном грамме такого вещества содержится никак не меньше чем 500 миллиардов молекул.

Нельзя ли, однако, каким-либо способом измерить невидимые молекулы более или менее точно? Можно. И таких способов имеется не один, а несколько. Вот, например, как можно определить величину молекулы масла. Капните капельку масла на воду; масло образует на ней тонкую плёнку. Эту плёнку можно сделать настолько тонкой, что она станет невидимой. Но в том, что плёнка существует, нетрудно убедиться при помощи кусочка камфары. Брошенная в чистую воду камфара, растворяясь, энергично движется по поверхности. Но если на воде находится плёнка масла, хотя бы и невидимая на глаз, камфара не движется. Используя таким образом камфару для обнаружения плёнки масла, делают плёнку такой тонкой, что она начинает разрываться на части. Но ведь в момент, предшествующий разрыву, плёнка масла, надо думать, состоит, по крайней мере, из одного слоя молекул. Значит, если подсчитать, какую площадь занимает в этот момент маленькая капля с известным нам объёмом, то нетрудно уже и определить путём расчёта размер масляных молекул.

Такие расчёты показали, что диаметр молекулы масла лежит в пределах между десятимиллионной и двадцатимиллионной долями сантиметра.

Рассчитанные другими способами еще в прошлом веке размеры атомов и молекул различных веществ оказались примерно того же порядка — в пределах между одной десятимиллионной и одной стомиллионной долями сантиметра.

В настоящее время размеры многих атомов и молекул определены очень точно. Так, например, диаметр молекулы водорода равен 2,4 стомиллионной доли сантиметра; диаметр атома серебра составляет 2,9 стомиллионной доли сантиметра и т. д.

Надо заметить, что способы, при помощи которых учёные так изумительно точно определяют размеры невидимых «кирпичиков» мира, подчас бывают исключительно остроумны.

Учёные установили, что атомы различных химических элементов по величине не отличаются особенно сильно один от другого.

Иное дело молекулы. Между этими частичками существуют и очень «большие», например молекулы белков, и совсем «небольшие», близкие к размерам отдельных атомов, скажем, молекулы воды. Это вполне объяснимо. Ведь молекулы представляют собой группы атомов, причём в каждой такой группе может быть как два-три атома, так и десятки и даже сотни и тысячи атомов. К последним относятся молекулы многих сложных веществ органического происхождения — нередко они состоят из многих сотен и тысяч атомов. Неудивительно, что эти молекулы по своим размерам во много раз больше своих собратьев. Однако диаметры и таких молекул — порядка миллионных долей сантиметра.

Именно такие молекулы и увидели учёные в электронный микроскоп.

Таковы размеры молекул, определённые учёными. Но этого для них было мало. Они постарались также взвесить невидимые частички. И взвесить опять-таки совершенно точно, словно атомы и молекулы были обычным товаром в магазине. Правда, для этого, конечно, не потребовалось класть на весы каждый отдельный атом или отдельную молекулу.

Можно поступить иначе. Вот, скажем, вы хотите узнать вес одной горошины, но у вас под рукой имеются только грубые десятичные весы, на которых взвешивают товар лишь в десятки килограммов весом. Вес одной горошины такие весы и не почувствуют. Как быть в этом случае? Очень просто. Надо взять не одну горошину, а, скажем, тысячу, или десять тысяч таких горошин и взвесить все вместе. А зная общий вес тысячи горошин, совсем нетрудно высчитать и вес каждой отдельной горошины. Точно таким же путём можно определить и веса некоторых отдельных атомов и молекул, если знать, какое число их содержится в каком-либо определённом объёме.

Нашли учёные и другие способы определения веса невидимых частичек. Мы не будем здесь рассказывать обо всех этих способах. Приведём лишь в качестве примера веса отдельных атомов и молекул. Вот сколько весит один атом водорода:

1,66/1 000 000 000 000 000 000 000 000 грамма.

Это самый лёгкий атом в мире.

Атомы всех других элементов весят несколько больше. При этом атомы различных химических элементов имеют свой собственный, отличный от других вес!

Были взвешены и различные молекулы. Они имели самые различные веса. Крупные из них, например молекулы белка крови, весят примерно в 8 тысяч раз больше, чем молекула водорода.

Существуют и ещё более тяжёлые молекулы: это молекулы пластических масс, молекулы-гиганты. Некоторые из них в сотни тысяч раз тяжелее атома водорода.

Надо сказать, что атомные веса всех известных элементов определялись химиками уже очень давно — с самого начала прошлого столетия. Дело в том, что для каждого химика в его повседневной работе важно знать вес атомов элементов. Ведь, зная «сорт» и вес атомов в молекуле какого-то сложного вещества, можно вычислить состав этого вещества, то-есть узнать, что это за вещество, разработать способы его получения и использования и т. д.

Но здесь следует оговориться. Определяя веса атомов различных элементов, химики определяли не истинный вес того или иного атома, а его относительный, сравнительный вес, то-есть, другими словами, вес одного атома сравнивали с весом другого и определяли, во сколько раз один атом весит больше другого.

В этом случае учёные также прибегли к взвешиванию не отдельных атомов, а многих миллиардов их.

Уже давно наукой был установлен один замечательный факт: в одинаковых объёмах любых газов, если только эти газы имеют одно и то же давление и одинаковую температуру, содержится всегда одинаковое количество молекул.

Этим обстоятельством и воспользовались химики при определении относительных атомных весов. Вот как, например, были определены относительные атомные веса водорода и кислорода. При одинаковом давлении и температуре были взвешены две бутылки равного объёма, наполненные одна — чистым кислородом, другая — чистым водородом. При этом получилось, что все молекулы газа кислорода, заключённые в одной бутылке, весят почти в 16 раз больше, чем все молекулы водорода, содержащиеся в другой. Но ведь число молекул кислорода и водорода как в той, так и в другой бутылках одинаково. Что же означает разница в весе? Только то, что каждая молекула кислорода тяжелее молекулы водорода почти в 16 раз. А отсюда были определены и веса атомов этих газов — элементов. Было установлено, что каждая молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода, а каждая молекула водорода в свою очередь также из двух атомов водорода. Выходит, что и каждый атом кислорода весит почти в 16 раз больше атома водорода.

Таким способом, а позднее и многими другими, были определены с большой точностью атомные веса всех известных нам элементов. При этом сначала вес атомов различных элементов сравнивали с весом самого лёгкого атома — атома водорода, вес которого был принят равным единице. Благодаря этому относительные атомные веса всех других элементов оказываются больше единицы: атомный вес углерода, например, равен 12, азота — 14, серы — 32, железа — около 56 и т. д.

Позднее веса атомов стали сравнивать с весом атома кислорода, принятым равным 16; при этом точный атомный вес водорода оказался равным 1,008.

Между прочим, во многих случаях определить атомные веса можно, пользуясь законом кратных отношений. Действительно, вспомните пример с окисью азота. В ней, как говорилось, на 46,7 весовой части азота всегда приходится 53,3 части кислорода. Выходит, каждый атом кислорода тяжелее атома азота в 1,14 раза. Но мы уже знаем, что атомный вес кислорода равняется 16. Отсюда нетрудно рассчитать, что атомный вес азота должен равняться 14.

Такова арифметика атомов.

4. Единство живой и неживой природы

Итак, атомы и молекулы это — действительность. Весь мир, всё многообразие тел природы действительно состоит из мельчайших частичек. Чрезвычайно малы эти частички, но человек, вооружённый всемогущим знанием, не только убедился в их существовании, он даёт всё более подробное их описание.

Самые разнообразные тела состоят из различных комбинаций атомов.

Таково же устройство и всех живых существ мира. Не составляет исключения и сам человек; он также состоит из разнообразных молекул.

Долгое время люди резко делили природу на две совершенно различные части — живой и неживой мир. Живой природе приписывали особую духовную «жизненную силу» и считали, что ничего общего между двумя мирами — живым и неживым — нет и не может быть.

Что может быть общего между мясом и кровью животных и, скажем, какой-нибудь горной породой или воздухом? — говорили защитники такого деления мира на две части.

Такой ненаучный, ошибочный взгляд всячески поддерживали церковники. В таинственной «жизненной силе» они видели поддержку религиозных представлений о бестелесной, нематериальной душе.

Но действительность разбила и это суеверие. Когда химики научились определять, из каких веществ состоят различные живые и неживые тела природы, то оказалось, что многие совершенно, казалось бы, несравнимые вещи состоят из одних и тех же простых веществ. Было установлено, что все живые тела содержат в себе те же самые элементы, что и неживые тела природы! В составе различных живых существ были найдены такие элементы, как углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор, железо, кальций, кремний и другие.

Вот, например, какой средний химический состав имеет человек: кислорода — 65 процентов; углерода— 18,2 процента; водорода — 10 процентов; азота — 2,7 процента; кальция — 1,4 процента; фосфора — 0,8 процента; калия — 0,3 процента; натрия — 0,3 процента; хлора — 0,25 процента; серы — 0,2 процента; магния и железа — несколько сотых процента; цинка и кремния — несколько тысячных долей процента; алюминия, брома, меди, фтора, иода, марганца — несколько десятитысячных долей процента; мышьяка, бора, свинца и титана — по нескольку стотысячных долей процента.

Вот и всё, из чего состоит человек! Но ведь из этих же самых химических элементов построены и многие другие, повсеместно встречающиеся тела неживой природы!

Когда это было установлено, защитники особой «жизненной силы» стали говорить, что в живых существах, хотя и из тех же материалов, строятся с помощью этой «силы» такие сложные вещества, построить которые искусственно невозможно.

Но и это, последнее утверждение было опровергнуто наукой. В 1828 году удалось получить мочевину — соединение, которое до того времени вырабатывалось только в живых организмах. В 1842 году крупнейший русский химик Н. Н. Зинин создал искусственно основу красителей — анилин, вещество, которое раньше получали только из естественного красителя — индиго. Теперь из анилина получают краски, лекарства и многое другое, что раньше получали из растений. Химическая реакция, при помощи которой русский учёный получил искусственно анилин, дала в руки химиков способ получения многих других веществ «живого происхождения». С тех пор химики научились изготовлять искусственным путём многие соединения живой природы. Более того, теперь человек умеет даже получать много и таких органических веществ, которые не обнаружены в природе.

Единство живого и неживого мира было доказано. Все тела природы состоят из немногочисленных элементов; а так как каждое простое вещество построено из атомов и молекул, то и все мы и все окружающие нас тела построены, состоят в конечном счёте из мельчайших частичек — атомов и молекул, различных по размерам и весу. Существует столько «сортов» атомов, сколько имеется в мире химических элементов.

Но сколько в мире химических элементов? Естественно-научные основы для решения этого вопроса дал великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев.

V. ВЕЛИКОЕ ОТКРЫТИЕ РУССКОГО ХИМИКА

1. История открытия

В 1871 году в III томе «Журнала Русского физико-химического общества» появилась статья, в которой были даны подробные характеристики нескольких ещё никем не виданных элементов. Автор статьи предсказывал, какие еще должны быть открыты химические элементы, подробно описывал их свойства.

Что это было? Неосторожные высказывания какого-то химика, пытающегося на счастье угадать будущее? Нет, это было обоснованное научное предвидение крупного учёного. Это означало конец той неизвестности, той случайности, которые существовали до сих пор в науке об основных веществах мира.

В конце XVII и начале XVIII века было известно около 15 веществ, которые считались неразложимыми. Наступает вторая половина XVIII столетия, и учёные устанавливают, что число химических элементов значительно больше 15. К этому времени учёные открывают один за другим несколько ранее не известных газов, в том числе азот, водород, кислород, убеждаются в том, что сера и фосфор — это простые, неразложимые вещества, и т. д.

В конце этого же столетия был составлен первый наиболее полный для того времени список всех химических элементов. В этом списке уже 35 различных названий. Правда, лишь 23 из них — действительно химические элементы. Остальные 12 — это или несуществующие, невещественные элементы — теплород и другие, либо сложные вещества, такие, как едкий натр и едкий калий.

Но и этот список продолжает расти. С начала XIX столетия открытия новых химических элементов начинают происходить ещё более часто.

Теперь уже почти не проходит года-двух без того, чтобы кто-нибудь из химиков не открывал новый вид атома, новое химически не разложимое вещество.

«Охота» за новыми химическими элементами становится основным занятием многих крупных учёных-химиков.

Вместе с этим идёт изучение свойств вновь открытых элементов, определение их атомных весов.

Устанавливаются единые для всех стран химические обозначения — значки химических элементов. Каждый химический элемент получает свой значок, состоящий из начальной или начальной и одной из последующих букв его латинского названия. Так, углерод отныне отмечается буквой С, водород — Н, сера — S, ртуть — Нg и т. д.

А число «начал» мира растёт и растёт!

К 50-м годам прошлого столетия в химических руководствах описывалось уже свыше 50 различных неразложимых веществ.

И тогда новые сомнения начали одолевать учёных. Всё новые и новые элементы присоединяются к ранее открытым. И таким открытиям не видно конца. Не означает ли это, что различных сортов атомов в природе может быть почти так же много, как и самих тел?

Правда, узнавая состав сложных тел, химики видят, что большинство веществ состоит из небольшого числа элементов. Так, им уже известно, что в состав десятков тысяч веществ органического, «живого» происхождения входит всего-навсего каких-либо 6–8 простых веществ — углерод, водород, азот, кислород и некоторые другие.

Анализ наиболее распространённых на Земле минералов говорит о том же: и здесь чаще всего встречаются одни и те же немногие элементы — железо, кремний, кислород, алюминий, магний, кальций.

Однако поскольку всё время открывались, пусть редкие, но новые элементы, вопрос о числе элементов для химиков прошлого века не терял своей остроты.

И всё это усугублялось ещё одним обстоятельством. Открытия новых элементов были совершенно случайными. Учёные работали вслепую. Никто не знал, где мог оказаться новый элемент, каковы должны быть его свойства.

Действительно, так, например, был открыт новый элемент иод. Изучая золу морских водорослей, химик прибавил к ней однажды большее количество серной кислоты, чем обычно. И вдруг над раствором показались пары фиолетового цвета. Это оказался иод.

Так же случайно были впервые обнаружены бром, кадмий и другие элементы.

Всё было случайно!

А число элементов увеличивалось.

Где же был конец этим случайностям? Где тот закон, которому подчиняются сами атомы?

Ответ пришёл из России.

В марте 1869 года на заседании Русского физико-химического общества было зачитано замечательное сообщение молодого, но уже известного к тому времени химика Д. И. Менделеева. В своём сообщении Менделеев писал, что им создана естественная система всех химических элементов. На основе этой системы автор смело предсказывал также свойства новых, еще не известных ни одному человеку, простых веществ мира.

Помещённая через два года в журнале Русского физико-химического общества статья Менделеева уже более подробно излагала основы великого открытия. Статья называлась «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов». В ней Д. И. Менделеев писал:

«Свойства простых тел (элементов), а также формы и свойства соединений их находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Таким образом, Менделеев открыл давно искомое родство химических элементов, установил связь между разрозненными отдельными элементами мира, единство основных веществ мира, единство материи. Это было открытие нового великого закона природы, закона, которому подчинялись атомы всех элементов.

Дмитрий Иванович Менделеев родился в 1834 году в семье директора Тобольской мужской гимназии. Получив высшее образование в Петербургском педагогическом институте, Дмитрий Иванович очень быстро становится известным учёным. Двадцати двух лет он защищает диссертацию на степень магистра химии. В 1865 году, на тридцать втором году жизни, Менделеев получает учёную степень доктора наук.

Трудно немногими словами рассказать хотя бы об основных работах, выполненных великим русским химиком. В самых различных областях знания работал Менделеев. Он был одним из пионеров воздухоплавания; он разработал новый способ изготовления бездымного пороха; он подготовил введение в нашей стране метрической системы мер и весов; он первый указал на возможность подземной газификации углей, на значение подземных богатств Донбасса и Урала, на необходимость более полной, комплексной переработки нефти, на огромную энергию русских рек. И это только незначительная часть сделанного им.


Рассказ о строении вещества

Великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев.


Но, несомненно, главнейшей заслугой Менделеева перед наукой и человечеством является его знаменитая периодическая, как ее называют, система элементов.

Какими же путями пришёл Менделеев к открытию великого закона природы и в чём сущность этого закона?

Еще студентом, досконально изучив всё, что было известно химикам его времени, Менделеев много думал над тем, каково общее число различных видов атомов, образующих различные элементы, что именно роднит, связывает друг с другом все химические элементы. Ответить на этот вопрос, интересовавший многих учёных и до Менделеева, было очень трудно. Слишком различные свойства имели известные химикам простые вещества. Тут были твёрдые тела, жидкости и газы; металлы и землистые вещества; вещества твёрдые и мягкие, стойкие и неустойчивые, тяжёлые и лёгкие.

Как найти общее в пестроте всех этих свойств? Как установить порядок в самих элементах? Чем объяснить их свойства?

Ответить на эти вопросы до Менделеева оказалось не под силу ни одному химику. Для этого нужен был человек с блестящими химическими знаниями, учёный, обладающий необыкновенным даром обобщения и предвидения, убеждённый в правоте своих взглядов и выводов, человек, мыслящий диалектически. Именно таким человеком и был Менделеев.

Отыскивая родство между столь различными по своим свойствам веществами, Менделеев настойчиво ищет то общее свойство, которое было бы присуще всем химическим элементам.

Что же может быть общего между такими, казалось бы, различными веществами, как мягкий, легко окисляющийся на воздухе, блестящий металл натрий и жёлтый, с резким удушающим запахом, легко окисляющий другие вещества газ хлор? Или сравним гибкую легко тянущуюся в виде проволоки, хорошо проводящей электричество, медь и хрупкую, не проводящую электричество, легко загорающуюся на воздухе серу.

Понадобился гений Менделеева для того, чтобы взять за основу общее свойство, которое присуще всем столь различным веществам, свойство, на основе которого можно было найти искомое родство химических элементов. Это общее всем элементам свойство — их атомный вес.

Не является ли атомный вес элементов в то же время свойством, их связывающим?

Не зависят ли свойства простых тел от массы, веса их атомов? Ведь не могли же химики назвать двух различных простых веществ с совершенно схожими свойствами, как не могли указать и двух элементов с совершенно одинаковыми атомными весами.

Так Менделеев приходит к убеждению, что количественная характеристика элемента, общая всем веществам, — его атомный вес — должна быть связана с его качеством, с его свойствами.

«Я был с самого начала глубоко убежден в том, — пишет Менделеев, — что самое основное свойство атомов, атомный вес или масса атомов, должно определять основные свойства каждого элемента… Я уже… в первые годы самостоятельного труда чувствовал, что должно существовать обширное обобщение, связывающее атомный вес со свойствами элементов… Я искал это обобщение с помощью усидчивого труда во всех возможных направлениях. Только весь этот труд дал мне необходимые точки опоры и вселил уверенность, позволившую мне преодолевать препятствия, казавшиеся тогда непреодолимыми…В короткое время я пересмотрел массу источников, сопоставляя огромный материал. Мне надо было, однако, совершить большое усилие, чтобы в имевшихся сведениях отделить главное от второстепенного, решиться изменить ряд общепризнанных атомных весов, отступить от того, что было признано лучшими тогда авторитетами. Сопоставив все, я с неотразимой ясностью увидел периодический закон и получил полное внутреннее убеждение, что он отвечает глубочайшей природе вещей».

Чтобы наглядно сопоставить различные элементы друг с другом, Менделеев записал все химические элементы, а их было известно к тому времени уже 63, на отдельные небольшие карточки. На каждой такой карточке были указаны, кроме названия элемента, его атомный вес и основные свойства. После этого учёный расположил карточки в таком порядке, что все элементы следовали друг за другом по мере увеличения их атомных весов. Первым в этом ряду был водород — атомы его имели самый маленький вес.

Много дней изучал Менделеев полученный ряд элементов и не находил в этой последовательности никакой закономерности. И действительно, ни один элемент не походил по своим свойствам в ряду Менделеева на своего соседа. Но учёный не сдавался. Он был твёрдо уверен в том, что в созданном им ряду элементов в порядке увеличения атомных весов должна существовать какая-то закономерность. И Менделеев снова и снова всматривался в ряд элементов, ещё и ещё раз сопоставлял их свойства друг с другом.

И победа пришла. Великий учёный подметил, наконец, ту не заметную для глаза последовательность в изменении свойств химических элементов, сходство свойств различных элементов в зависимости от их атомных весов. Это сходство наблюдается не у рядом стоящих элементов, а у веществ, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии, разделённых иными, несходными элементами. В самом деле, вот, например, в ряду Менделеева на втором месте стоит элемент литий (рис. 6).


Рассказ о строении вещества

Рис. 6. Первая таблица химических элементов, составленная Д. И. Менделеевым в 1869 году.


Этот лёгкий металл по химическим свойствам относят к так называемым щёлочным металлам. Если бросить кусочек лития в воду, он будет соединяться с ней, образуя щёлочь. Следующие за литием шесть элементов ничем на него не похожи. Но седьмой элемент — натрий — оказывается по своим свойствам близким «родственником» лития; это так же щёлочной металл, он так же бурно и жадно соединяется с водой и другими веществами[1].

Пропустите снова шесть элементов, и вы увидите элемент калий — опять активный щёлочной металл.

Возьмите теперь не второй элемент в ряду, а третий — бериллий. И опять вы увидите ближайших родственников этого элемента не рядом, а дальше в ряду и на таком же расстоянии; следующие за бериллием шесть веществ непохожи на него, но седьмой — магний — по всем своим химическим свойствам очень похож на бериллий. Ещё через шесть элементов — новый родственник бериллия — кальций и т. д.

В четвёртом ряду Менделеева стоит элемент бор; этот элемент входит в состав борной кислоты и буры. Его ближайший родственник — алюминий, седьмой по счёту от бора элемент.

Таким образом, определённые свойства элементов в ряду Менделеева повторялись через определённый промежуток, через период элементов. Поэтому Менделеев и назвал свою таблицу элементов периодической системой элементов.

Наблюдая свойства элементов, заключённых в каком-либо одном периоде, скажем, в первом — от лития до натрия — Менделеев заметил и другую замечательную закономерность. Оказывается, свойства находящихся в одном периоде элементов изменяются не случайно, а строго следуя определённому закону.

Свойства элементов одного периода отражают всё многообразие свойств различных химических элементов!

В самом деле, в таблице в начале периода стоит литий; это активный элемент с ярко выраженными металлическими свойствами. За ним следует бериллий; это чуть менее активный металл; он уже не так похож на типичный металл. Третий элемент — бор — ещё менее похож на металл, химическая активность его ниже, чем у двух первых элементов. Дальше идёт углерод — основа всех органических веществ. Это уже «переходный» элемент — от металлов к неметаллам. Следующий элемент азот — первый в периоде металлоид[2] и самый малоактивный среди них. Он входит в состав воздуха и носителей жизни — белков. Идущий за азотом кислород уже более активен — он легко вступает в химическое соединение со многими веществами. Заканчивает период элемент фтор; это самый активный и ярко выраженный металлоид.

Так, в одном периоде мы видим полный набор самых различных элементов. Тут есть и металлы и неметаллы с их характерными признаками, и химически активные элементы и неактивные, с трудом вступающие в соединения элементы.

Неудивительно поэтому, что за такой группой элементов, охватывающей все их различные свойства, следуют элементы, свойства которых повторяют свойства веществ первого периода.

Таким образом, Менделеев открыл естественную последовательность элементов, ту последовательность, какую подсказывает сама природа.

Но и это было ещё не всё! Самое замечательное было в тех выводах, которые сделал Менделеев из своего открытия.

Располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, Менделеев делал это не ради того, чтобы любой ценой связать их свойства с их атомными весами. Совсем нет. Великий химик только искал более всеобъемлющую связь простых тел природы, указывающую на единство всех известных элементов. И вот, когда он нашёл периодическую зависимость свойств этих элементов от их места и от их атомного веса, то сразу же сделал правильный, гениальный вывод. Ведь теперь, зная, как именно должны изменяться свойства рядом стоящих элементов, зная, сколько элементов и с какими именно свойствами должно находиться в каждом отдельном периоде, можно проверить правильность атомных весов у различных элементов; мало того, можно видеть, где, в каких местах нет элементов с нужными для полного периода качествами, то-есть можно строго научно предсказать, какие элементы должны еще существовать в природе, предсказывать свойства этих неоткрытых веществ.

Вот какой замечательный вывод сделал из своего открытия Менделеев.

А сделав такой вывод, учёный смело приступил к исправлению и дополнению своей таблицы. Так, если строго следовать установленным атомным весам элементов, то элементы иод и теллур, например, нарушали последовательность свойств элементов в природе. Если же их переставить местами, то эта последовательность восстанавливается. Значит, так именно и нужно поместить эти элементы — иод за теллуром, а не наоборот, как следовало бы сделать, руководствуясь только атомным весом.

Атомный вес урана в то время считался равным примерно 120. Если верить этому весу, уран должен располагаться в середине менделеевской таблицы. Однако химические свойства этого элемента говорили о том, что его место должно быть в самом конце таблицы, там, где расположились химические элементы с большими атомными весами. И Менделеев смело исправляет ошибку — он увеличивает атомный вес урана вдвое. Так говорит периодический закон, и так должно быть в действительности. С новым атомным весом уран становится на последнем месте таблицы.

Проверка атомного веса урана, проведённая после этого, устанавливает, что Менделеев оказался прав.

Сравнивая далее свойства элементов по периодам, Менделеев увидел в отдельных местах разрывы в последовательности свойств. Например, на месте родственника алюминия стоял совсем не похожий на него титан. А от этого нарушалось сходство в периодах и у других элементов. Значит, на месте титана должен стоять какой-то другой, еще не открытый элемент, по своим химическим свойствам обязательно схожий с алюминием. И Менделеев оставляет на этом месте в таблице пустую клетку. Мало того, он подробно описывает все химические и физические свойства этого неизвестного химикам простого вещества — его цвет, растворимость, удельный вес и пр. Он настолько ясно представляет себе свойства этого никому неведомого элемента, что даже предсказывает, как будет открыто новое простое вещество. Менделеев пишет, что этот металл будет обладать большей летучестью, чем алюминий, а потому можно надеяться, что он будет открыт спектральным исследованием (особый способ физического исследования тел).

Таким же образом Менделеев оставляет пустые места и ещё для двух неоткрытых элементов — родственников кремния и бора.

Оставляя пустые клетки в своей таблице и описывая свойства ещё никем не виданных химических элементов, Менделеев был твёрдо уверен в правоте своего закона. Он был убеждён, что эти неизвестные пока элементы рано или поздно будут открыты.

«Мы не имели до сих пор никакой возможности предвидеть отсутствие тех или других элементов, — писал русский учёный, — потому именно, что не имели никакой строгой для них системы, а тем более не имели повода предсказывать свойства таких элементов. Решаюсь сделать это ради того, чтобы хотя со временем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых мною тел, иметь возможность окончательно увериться самому и уверить других химиков в справедливости тех предположений, которые лежат в основании предлагаемой мною системы».

С другой стороны, открытый закон говорил о том, что нечего искать какой-либо неизвестный щёлочной металл, скажем, между натрием и калием; или пытаться обнаружить элементы, которые по своим свойствам и атомному весу могли бы расположиться между азотом и кислородом. Таких элементов в природе нет — так говорил закон Менделеева.

Но так ли всё это обстоит в действительности?

Слово было за будущим. Подтвердит ли оно научное предвидение Менделеева?

2. Проверка временем

Уже давно, около 300 лет назад, было установлено, что обычный белый свет, идущий к нам от солнца или какого-либо искусственного источника, — свет сложный. Он содержит в себе сумму, или, как говорят, спектр различных цветных лучей — красных, оранжевых, жёлтых, зелёных, голубых, синих и фиолетовых.

Мы часто видим эти цвета во многих природных явлениях, например в радуге. При этом явлении белый солнечный свет как раз и разлагается на свои составные части — отдельные цветные лучи. Можно такого разложения добиться и у себя в комнате. Для этого достаточно луч белого света пропустить через трёхгранную стеклянную призму. Пройдя такую призму, свет преломится и распадётся на составные цвета (рис. 7).


Рассказ о строении вещества

Рис. 7. Трехгранная стеклянная призму разлагает сложный белый свет в спектр.


Объясняется это тем, что различные цветные лучи преломляются в призме под разными углами.

Это было известно давно.

Но вот в середине прошлого века, незадолго до открытия Менделеева, изучая спектры света, идущего от различных источников, учёные установили один замечательный факт. Было замечено, что пока свет идёт от какого-либо раскалённого и благодаря этому светящегося тела, твёрдого или жидкого, спектр этого света всегда одинаков и подобен спектру солнечных лучей. Какое бы тело ни было взято, спектр его сплошной, цветные лучи следуют друг за другом и в одном и том же порядке.

Но стоит превратить какое-то твёрдое или жидкое тело в раскалённые газы, как свет, испускаемый этими газами, начинает давать уже совсем иной, так называемый линейчатый спектр. Такой спектр состоит не из цветных полосок, а из цветных линий, разделённых тёмными промежутками. При этом — и это самое замечательное — каждый химический элемент, входящий в состав тела, даёт свой собственный, отличный от всех других, линейчатый спектр!

Так, пары калия дают спектр, состоящий из красной и фиолетовой линий; в спектре водорода три характерные линии: красная, зелёно-голубая и синяя.

Таким образом был открыт новый, замечательный способ исследования различных тел природы — спектральный анализ. В самом деле, стоило лишь каким-либо путём раскалить неизвестное испытуемое вещество так, чтобы раскалённые пары его начали светиться, и направить затем свет, идущий от паров, в аппарат — спектроскоп (основной частью которого является трёхгранная призма), как можно было легко увидеть по спектру излучения, с каким веществом мы имеем дело. И что особенно важно — чувствительность этого нового метода анализа была необычайно велика. Миллионные и миллиардные доли грамма какого-либо элемента обнаруживали своё присутствие в спектроскопе!


Рассказ о строении вещества

Рис. 8. Внешний вид одного из современных спектроскопов: А — зрительная труба; Б — система призм в «оправе»; В — трубка, перед которой ставится испытуемое вещество.


Какой это был чудесный незаменимый способ для открытия новых элементов! Ведь, если только исследователь нападал где-либо на малейшие количества нового, ещё не известного простого вещества, спектральный анализ немедленно обнаруживал этот элемент: в спектроскопе появлялось новое, неизвестное до сих пор сочетание цветных лучей — линий. Обнаружение таких малых количеств неизвестного элемента химическими способами часто бывает невозможно.

Вооружившись этим новым оружием познания, изучив спектры всех известных элементов, химики и физики всех стран ринулись на поиски новых, не известных ещё науке химических элементов.

И в первые же годы применения спектрального анализа учёные открывают ряд новых элементов — тантал, рубидий, цезий, таллий. Но и при помощи этого нового, чудесного средства исследования тел поиски новых элементов остаются все так же случайными.

И несмотря на то, что в 1869–1871 годах Д. И. Менделеев публикует в печати свой великий закон и предсказывает свойства будущих, неизвестных элементов, «охота за неизвестными» продолжается, как и прежде, «вслепую». Мало кто из прочитавших сообщение Менделеева понял всю важность этого открытия. А подавляющее большинство химиков мира и совсем ничего не знало об этом, пока… пока не наступил 1875 год.

В этом году французский химик Лекок-де-Буабодран обнаружил новый элемент в минерале цинковая обманка, привезенном с Пиренейских гор. Незнакомец выдал себя фиолетовым лучом, обнаруженным при помощи спектроскопа, когда Буабодран исследовал несколько крупинок цинковой обманки.

Назвав новый элемент галлием и известив об этом коротким письмом Парижскую академию наук, Буабодран продолжал свою работу. Вскоре он уже смог выделить несколько сотых долей грамма галлия и определить некоторые его свойства. Новый элемент по характеру своих соединений был похож на алюминий. Это сообщение было напечатано в протоколах Парижской академии наук.

С этим сообщением к русскому учёному пришла мировая слава. Ведь это был найден тот самый родственник алюминия — экаалюминий, как его назвал Менделеев, открытие которого он предсказал четыре года назад.

Но тогда должны подтвердиться и предсказанные Менделеевым свойства этого элемента, например, его удельный вес должен быть около 6, атомный вес 68. И Менделеев спешит сообщить обо всём учёному миру, 6 ноября 1875 года он выступает на заседании Русского физико-химического общества. Сообщение Менделеева протоколируется: «Менделеев обратил внимание на то, что элемент, открытый недавно Лекок-де-Буабодраном… совпадает с долженствующим существовать экаалюминием, свойства которого указаны четыре года назад и выведены Менделеевым на основании периодического закона. Если галлий тождественен с экаалюминием, то он будет иметь атомный вес 68, плотность 5,9…».

Такое же сообщение Менделеев направил в Париж.

Между тем, химик, открывший новый элемент, продолжал исследование. И вот, наконец, он держит в руках такое количество галлия, что можно уже определить удельный вес нового вещества Не теряя времени, Буабодран ставит опыт, исследует свойства найденного им элемента.

И удельный вес нового элемента оказывается 4,7, а не 5,9, как предполагал Менделеев на основании периодического закона.

Выходит, Менделеев ошибся. Ведь опыт — великий законодатель науки, он последний судья, решающий участь любой теории. Результат опытов Буабодрана говорит о том, что периодический закон неверен, что свойства элементов случайны, что нет путеводной нити, позволяющей уверенно искать новые элементы.

Но Менделеев уверен в своей правоте. Он такой же сторонник опыта, как и другие химики, но ведь опыт может быть и ошибочен!

И русский химик пишет в Париж новое письмо, в котором утверждает, что его французский коллега ошибся. Удельный вес галлия не может быть 4,7; он должен быть от 5,9 до 6,0. Это было очень смелое утверждение. В самом деле, как это может химик из Петербурга, не видя в глаза нового элемента, не присутствуя при опытах с ним, так смело упрекать в ошибках человека, открывшего и исследовавшего новый элемент. Но Менделеев настаивает. И тогда Буабодран решает ещё раз проверить себя. Получив новую порцию очищенного от примесей галлия, он проверяет опыт. И… удельный вес нового элемента оказывается равным 5,94!

Так блестяще подтвердился великий закон, открытый русским химиком. Это означало конец слепых поисков, конец случайностям в поисках новых атомов. Великий закон давал в руки учёных могучее орудие научного предвидения!

Но, может быть, случай с галлием был только единственным «счастливым совпадением»? Нет! Через 5 лет после Буабодрана открывают новый элемент — скандий. На этот раз уже все химики мира ищут для скандия место в менделеевской таблице. И это место находится. Это тот элемент, который был описан Д. И. Менделеевым под названием экабора.

Указывая в своей статье на совпадение свойств скандия со свойствами экабора, существование которого за десять лет до его открытия было предсказано Д. И. Менделеевым, учёный, открывший новый элемент, пишет: «…так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперед дать его важнейшие свойства».

И еще через 6 лет — в 1886 году — немецкий химик Винклер открывает элемент германий и пишет Менделееву:

«Уведомляю Вас о… новом триумфе Вашего гениального исследования и свидетельствую Вам своё почтение и глубокое уважение».

Германий — это менделеевский экакремний.

Казалось бы, справедливость великого закона природы была окончательно доказана.

Но нет! В 1894 году закон Менделеева подвергается ещё одному испытанию. В этом году учёные открывают новый химический элемент — аргон. Необыкновенны свойства этого элемента: он не даёт никаких соединений с другими химическими элементами! Это совершенно инертный, бездеятельный газ. Позднее были открыты ещё пять таких же инертных газов — гелий, неон, криптон, ксенон и радон.

Как быть с этими элементами? Им, казалось бы, нет места в существующей таблице Менделеева.

Но это было только кажущимся затруднением. Периодический закон сам наталкивал на мысль о необходимости существования элементов со свойствами инертных газов. Трудно, действительно, представить себе непосредственный переход от активного металлоида фтора к активному металлу натрию и от активного металлоида хлора к активному металлу калию. Невольно рождалась мысль о необходимости существования группы элементов со свойствами, одинаково чуждыми и свойствам металлов и свойствам металлоидов.

Этими необычайными элементами и явились инертные газы. Они заняли уготованную им в периодической таблице нулевую группу.

Интересно отметить, что существование в природе инертных газов предсказал задолго до их открытия известный революционер учёный Н. А. Морозов. Осуждённый царским правительством на пожизненное заключение, этот замечательный человек просидел в одиночестве в Шлиссельбургской крепости 28 лет. Освобождённый революцией 1905 года, он вынес на волю много томов научных трудов, написанных в заключении. В числе его работ имеется книга «Периодические системы строения вещества». В ней Н. А. Морозов, давая несколько замечательных научных предсказаний, говорит о существовании химических элементов нулевой группы. В периодической таблице элементов, помещённой в книге, Н. А. Морозов вводит нулевую группу и в ней на месте открытых в будущем инертных газов проставляет числа 4, 20, 40, 82 и т. д., соответствующие атомным весам предсказываемых элементов.

Это предсказание Н. А. Морозов сделал в 1883 году.

Так, пополняясь и уточняясь с каждым новым открытием, таблица Менделеева приобрела в наше время вид, изображённый на рисунке 9.


Рассказ о строении вещества

Рассказ о строении вещества

Рис. 9. Современная периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева.


Всего Менделеевым было предсказано существование одиннадцати неизвестных в его время элементов. Все они теперь найдены.

Утверждением справедливости закона Менделеева заканчивается важный этап в многовековой борьбе за познание основ нашего мира.

Ни вода и ни воздух, ни земля и ни огонь, ни ртуть и ни сера — ни все эти вещества вместе, ни каждое из них в отдельности не являются теми простыми веществами, из которых строится всё многообразие мира. Элементов мира много больше, всего их в природе 92 — от самого легкого — водорода до самого тяжёлого — урана. Так говорил великий закон Менделеева[3].

«Менделеевская „периодическая система элементов“ ясно показывает, какое большое значение в истории природы имеет возникновение качественных изменений из изменений количественных» (Сталин, Соч., т. 1, стр. 301).

Д. И. Менделеев завершает период, начатый в химии Ломоносовым. Он открывает новую эпоху в развитии учения о строении вещества. Менделеев дает новое, диалектическое представление о химических элементах, о глубокой взаимосвязи и взаимозависимости различных атомов, существующих в мире.

Химические элементы составляют одну большую семью. Разбитые Менделеевым на группы и периоды, они наглядно показывают своё родство — свойства каждого элемента повторяются из периода в период; при этом в таком повторении мы видим как бы развитие каждого более лёгкого элемента, заключённого в первом периоде таблицы, в более тяжёлый и более сложно устроенный элемент — свойства этого элемента, в основном, повторяют качества своего более лёгкого родственника, но в то же время они не тождественны — это свойства нового, более сложного элемента. Так, более тяжёлый магний, в основном, повторяет качества бериллия, но при этом он активнее бериллия, легче загорается и т. д.

Таким образом, закон Менделеева не только утверждает единство материи нашего мира, но и показывает, что уже в самом единстве материи заложено её развитие, движение.

Выдержавший испытание истории великий закон Менделеева с каждым годом укреплялся и становился всё более всеобъемлющим. Было установлено, что закон этот справедлив не только для нашего мира. Это закон всей Вселенной. Вся необъятная Вселенная с её огромными мирами без конца и без края построена из тех же самых материалов, что и наша Земля. Об этом людям рассказали сами звёзды. Далёкий свет, идущий от небесных тел, был исследован учёными при помощи спектроскопа, и оказалось, что в состав миров Вселенной входят уже знакомые нам по таблице Менделеева элементы, и только эти элементы!

В том же нас убеждает и анализ «небесных камней» — метеоритов. Падающие на Землю из глубин Вселенной, они состоят из элементов, которые имеются в таблице Менделеева.

Мир, Вселенная построены из одних и тех же материалов!

Более того. Периодический закон явился огромным толчком к дальнейшему развитию наук, могучим незаменимым помощником учёных в новых исследованиях вещества. Таким же помощником учёных великий закон является и в наши дни!

3. Что же такое атом?

Открытый гением Менделеева великий закон порождал новые смелые мысли. В самом деле, периодическая система элементов открыла их родство друг с другом. Но чем объяснить, что свойства всех атомов, какие только существуют в природе, изменяются так закономерно? Ведь ещё Менделеев говорил о том, что свойства различных атомов зависят как от их массы, так и от их состава. А что значит состав атома? Ведь химики XIX века привыкли думать, что атом — это действительно «атом», то-есть нечто «неделимое» («атом» — по-гречески «неделимый»). Но так ли это в действительности? Да и как можно себе представить, что существуют какие-то, пусть самые мельчайшие, частички, которые никак нельзя разделить? Не правильнее ли будет предположить, что атом — это такая частичка вещества, которая неделима только в том смысле, что является самой маленькой частичкой, отражающей свойства какого-то вполне определённого вещества? Ведь это будет равносильно тому же, что мы наблюдаем и при делении какого-либо сложного вещества.

Возьмём, скажем, воду. Мы можем её делить до тех пор, пока у нас не останется самая крохотная частичка этого вещества — его молекула. Молекула воды будет наименьшей частичкой, имеющей свойства воды. Дальнейшее деление такой частички приведёт уже к исчезновению воды как вполне определённого вещества. Тем не менее разделить молекулу воды можно, её можно разбить на три части — один атом кислорода и два атома водорода. Эти частички — осколки молекулы воды — уже не будут иметь ничего общего с водой, но они реально существуют.

Почему же нельзя допустить нечто подобное и по отношению к атомам различных веществ?

О сложности строения атомов говорит и другое важное обстоятельство. Мы уже знаем, что свойства атомов периодически повторяются по мере возрастания их атомных весов так, как будто бы в строении атомов повторяются какие-то сходные черты. Об этом писал Менделеев сразу же после открытия своего замечательного закона:

«…При всей видимой простоте дела ныне еще нет возможности утверждать какую-либо гипотезу, достаточно объясняющую этот закон периодичности… Легко предположить, но ныне пока нет возможности доказать… что атомы простых тел суть сложные вещества, образованные сложением некоторых еще меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами».

К этой же мысли приходили и другие, наиболее прозорливые умы прошлого века. Первым совершенно чётко об этом сказал другой замечательный русский химик XIX столетия А. М. Бутлеров, так много сделавший для изучения строения молекул сложных химических соединений:

«…атомы…неделимы не по своей природе, а неделимы только доступными нам средствами и сохраняются лишь в тех химических процессах, которые известны теперь, но могут быть разделены в новых процессах, которые будут открыты впоследствии. Такое строгое отношение к понятию об атоме вполне отвечает духу точной науки…»

Об этом же в прошлом столетии писал Энгельс: «…Атомы отнюдь не являются чем-то простым, не являются вообще мельчайшими известными нам частицами вещества».

Интересно высказывание Н. А. Морозова.

«Можно ли заключить, — писал он в прошлом веке, — что атомы не распадаются никогда на более первоначальные частички при каких-либо иных космических условиях, вроде тех небесных пожаров, которые обнаруживаются время от времени при спектральном исследовании внезапно вспыхивающих звезд?

Конечно нет! Есть много данных, что атомы химических элементов совершают свою эволюцию в бесконечной истории мироздания».

Морозов считал, что атомы состоят из центральной части и лёгких электрических частиц.

Более того, о сложном строении атома уверенно говорил московский профессор М. Г. Павлов еще в первой четверти прошлого века! Убеждённый атомист, он писал в те годы в своих лекциях, что атом представляет собой сложную систему, наподобие солнечной.

Подробную картину строения атома, основанную на математических расчетах, давал в конце прошлого века русский химик Б. Н. Чичерин.

Новый великий вопрос встал перед наукой XIX века: что же таит в себе атом? Как устроена, из чего состоит эта мельчайшая частичка вещества?

Решили эту новую загадку вещества учёные нашего, XX века.

VI. НА ПОРОГЕ НОВОГО МИРА

1. Электрические заряды и атом

Кто из вас не знает такого опыта: если гребешок из пластмассы слегка потереть куском сукна, то гребешок, а также суконка приобретают способность притягивать к себе различные лёгкие тела — кусочки бумаги, пушинки. Говорят, гребешок и суконка в этом случае «наэлектризовываются», приобретают «электрический заряд».

Убедиться в том, что оба натёртых тела — гребешок и суконка — действительно приобретают электрические заряды, можно при помощи простого физического прибора — электроскопа. Этот прибор представляет собой стеклянный или металлический сосуд, закрытый пробкой из эбонита, янтаря или другого вещества, в котором движение электрических зарядов невозможно (такие вещества называются изоляторами). В пробку вставлен металлический стержень, а к концу его прикреплены два тонких, лёгких алюминиевых или золотых листочка или же листочки из папиросной бумаги.

Если металлический стержень зарядить, то-есть перенести на него электрический заряд с какого-либо наэлектризованного тела, то листочки электроскопа разойдутся. И чем больше будет заряд стержня, тем сильнее разойдутся листочки электроскопа. Если удалить со стержня заряд, например, дотронувшись до него пальцем, то листочки под действием собственной тяжести снова сойдутся.

Поднесите поочерёдно оба натёртых тела к стержню электроскопа — его листочки в обоих случаях разойдутся. И вот что интересно: в том и другом случае листочки прибора разойдутся на один и тот же угол. Это говорит о том, что оба заряда, возникшие на гребешке и на суконке, одинаковы по величине.

Если же вы перенесёте электрические заряды с гребешка и суконки — один за другим — на электроскоп, не разряжая его после перенесения заряда с гребешка, то листки электроскопа сначала разойдутся, а потом снова упадут. Оба заряда как бы уничтожат, нейтрализуют друг друга!

Выходит, что если по количеству заряды на суконке и гребешке и равны друг другу, то в качественном отношении они различны.

И действительно, было установлено, что в природе существуют электрические заряды двух «родов».

Чтобы различать эти два вида электрических зарядов, один из них называют положительным и обозначают знаком «+», а другой заряд отрицательным и обозначают знаком «—».

Таким образом, при электризации двух тел — и не только при электризации трением — на них всегда возникают заряды обоих видов и притом в одинаковом количестве.

Если зарядить два лёгких пробковых шарика зарядами одного и того же знака, то шарики будут отталкиваться друг от друга, словно их отбрасывает какая-то сила. И, наоборот, когда шарики имеют электрические заряды разных знаков, они притягиваются друг к другу (рис. 10).


Рассказ о строении вещества

Рис. 10. Взаимодействие заряженных шариков.


Все эти факты были известны давно. Но как их объяснить?

И вот тогда родилась догадка о существовании электрического вещества, причём вещества двух родов — положительного и отрицательного. В самом деле, когда оба рода такого электрического вещества находятся в каком-либо теле в одинаковых количествах, тело не имеет электрического заряда, положительное и отрицательное электрическое вещество нейтрализуют друг друга. Если же каким-либо образом в теле создаётся избыток одного вида электрического вещества, тело становится электрически заряженным, приобретает электрический заряд.

Если это так, то всякий процесс электризации тел сводится лишь к тому, что мы должны каким-то способом разделить частицы положительного и отрицательного электричества. При этом в одном теле окажется избыток положительного электрического вещества — положительный электрический заряд, а в другом — избыток отрицательного электричества — отрицательный заряд. По величине оба заряда будут одинаковы.

Такая догадка оказалась в известном смысле правильной, хотя никакой «тонкой электрической жидкости», наполняющей материю, о которой так много писали физики в XVIII веке, и не существует. Оказалось, что электрический заряд является свойством материи.

В конце прошлого века было твёрдо установлено, что электрический заряд не может быть бесконечно мал. Был найден и измерен самый маленький, далее уже неделимый заряд — своего рода «атом электричества». Иначе говоря, оказалось, что электрические заряды, подобно химическим элементам, состоят из мельчайших равных между собой частичек.

Правда, это можно было сказать пока только об отрицательных электрических зарядах, так как обнаружен был лишь «атом отрицательного электричества». Он получил название электрон.

Таким образом, если какое-то тело имеет отрицательный заряд, то это означает, что в нём в избытке находятся мельчайшие частички «отрицательного электричества» — электроны.

Ну, а что же тогда представляет собой заряд «положительного электричества»? И что, вообще, представляют собой эти частички электричества?

Эти вопросы возникли в науке в конце прошлого и начале нашего столетия и требовали настоятельного ответа.

В 1888 году известный русский физик профессор Московского университета А. Г. Столетов проводил очень интересные опыты.

Он наблюдал рождение электрического тока под действием света!

Установка Столетова изображена на рисунке 11.


Рассказ о строении вещества

Рис. 11. Опыт А. Г. Столетова.


В ней два небольших диска — сплошная металлическая пластинка и тонкая металлическая сетка — соединялись друг с другом проволокой. Тут же были включены электрическая батарея и чувствительный прибор для измерения слабых электрических токов — гальванометр. Таким образом получалась так называемая электрическая цепь. При этом отрицательный полюс батареи соединялся с металлической пластинкой.

Поскольку электрическая цепь была разомкнута, между дисками находился воздушный промежуток, то естественно, что электрического тока в ней не наблюдалось, хотя в цепь и была включена электрическая батарея.

Однако стоило только направить на металлическую пластинку сильный свет от электрической дуги, как стрелка гальванометра тотчас же отклонялась — в цепи появлялся ток!

Выходило, что свет как бы переносил электрические заряды с диска на диск — с пластинки на сетку.

Столетов брал для своих опытов диски из самых различных металлов — алюминиевые, цинковые, медные, серебряные, и во всех случаях он наблюдал, что под действием света электрической дуги в цепи его опытной установки возникал электрический ток. Это наблюдалось, однако, лишь в том случае, если металлическая пластинка была соединена с отрицательным полюсом батареи, а сетка — с положительным. Если же переместить полюсы батареи, то-есть металлическую пластинку соединить с положительным полюсом батареи, а сетку — с отрицательным, ток в цепи не появляется.

Таким образом, выходило, что свет способен переносить с пластинки на сетку лишь отрицательные электрические заряды.

Заинтересованный этим необычным физическим явлением, названным позднее «фотоэлектрическим эффектом» («фотос» — по-гречески «свет», а латинское слово «эффект» означает «влияние», «действие»), Столетов ставит новые и новые опыты.

И устанавливает ещё более замечательный факт.

Оказывается, что даже совершенно не заряженная пластинка при освещении её светом электрической дуги приобретает небольшой положительный электрический заряд.

В то же время было установлено, что при освещении металлической пластинки из неё вылетают «атомы отрицательного электричества» — электроны. Именно они и создавали электрический ток в цепи установки Столетова.

Но как можно объяснить это явление? Откуда здесь взялись электроны? Ведь пластинка, на которую падает свет, состоит только из атомов.

Выходит, что электроны входят в состав самих атомов.

Да. Так именно и обстоит дело в действительности. Электроны входят в состав атомов всех элементов[4]. В настоящее время в этом нельзя сомневаться. Учёные доказали этот факт самыми различными опытами. Так, те же опыты с фотоэлектрическим эффектом показали, что это явление можно наблюдать почти у всех тел природы — у твёрдых, жидких и газообразных. Нужно только подобрать соответствующее освещение. У одних тел электроны вылетают из атомов под влиянием обычного белого света, для других необходимы ультрафиолетовые лучи и т. д.

Оказалось, что можно удалять электроны из металлов и другим, ещё более простым способом — нагреванием. Достаточно, например, взять тонкую проволочку из вольфрама (из этого металла делают волоски электрических лампочек) и раскалить её докрасна, и из проволочки, как из сита, «посыплются» электроны. Если около такой нити поместить положительно заряженное тело, то электроны, вылетающие из нагретой проволочки, устремятся к нему. В то же время можно убедиться, что при вылете электронов из раскалённой нити последняя приобретает положительный электрический заряд.

Были получены электроны из атомов и другими путями. И во всех случаях электроны, как бы они ни были получены, были тождественны друг другу. Они притягивались положительно заряженными телами, отклонялись при своём движении под действием магнита, имели один и тот же заряд и одну и ту же массу. Масса электрона, определённая очень тонким и сложным способом, была во всех случаях равна 1/1840 доле массы самого лёгкого атома — атома водорода.

Таким образом, было твёрдо установлено, что в атомах всех химических элементов, а значит, и во всех телах Вселенной имеются электрически заряженные частички — электроны. Но мы знаем, что в обычном состоянии атом не имеет электрического заряда, как говорят, он нейтрален. Значит, ясно, что в нём, наряду с отрицательными частичками, должны находиться и положительные заряды.

Что же представляют собой эти положительные заряды атома? Как они располагаются в атоме вместе с электронами? Вообще, как устроен атом, эта, как долго думали, простейшая неделимая частичка материи?

2. Когда «умирают» атомы

Кто не знает в наше время рентгеновских лучей. Эти лучи обладают способностью проникать через тела и предметы, непрозрачные для лучей видимого света. При помощи рентгеновских лучей можно «просвечивать», видеть внутреннее строение человеческого тела, куска дерева, металлического предмета. Под действием этих лучей светятся в темноте некоторые химические вещества. Действуют эти невидимые лучи и на фотографические пластинки. Если фотопластинку, завёрнутую в плотную бумагу, подвергнуть воздействию рентгеновских лучей, она будет испорчена: лучи пронижут бумагу и разрушат светочувствительный слой пластинки.

Открытие рентгеновских лучей помогло сделать в конце прошлого века новое, очень интересное открытие.

Французский учёный Беккерель изучал свечение различных тел. Особенно интересовался он веществами, которые приобретали способность светиться после освещения их солнечными лучами. Желая узнать, не испускают ли эти вещества невидимых лучей, проходящих через непрозрачные тела, он каждый день брал какое-либо светящееся вещество, клал его на завёрнутую в плотную чёрную бумагу фотографическую пластинку и выставлял всё это на некоторое время на свет. Позднее в тёмной комнате он вскрывал пакет с фотопластинкой, проявлял её и смотрел, каков был результат действия лучей, исходящих из излучаемого вещества.

Много опытов уже сделал учёный. Самые различные вещества, побывавшие на солнечном свету вместе с фотопластинкой, не действовали на неё. Но вот однажды — это было в 1896 году — учёный ставил свой очередной опыт. Только он собрался выставить кусок нового светящегося вещества и завёрнутую в бумагу пластинку на солнечный свет, как набежали облака, и солнце скрылось. Учёный решил подождать, когда выглянет солнце, а пока убрал закрытую фотопластинку и кусок изучаемого вещества в тёмный шкаф. Занявшись другими делами, Беккерель вспомнил о пластинке только спустя несколько дней. Достав из шкафа пластинку, учёный решил проявить её, не выставляя на солнце — ведь на пластинке, хотя и в темноте, лежал несколько дней кусок испытуемого вещества.

Велико было изумление учёного, когда он проявил эту пластинку. На ней чётко отпечаталась форма того куска вещества, который лежал в тёмном шкафу на пластинке. Отпечаток был такой яркий, как будто кусок вещества был снят на фотопластинку обычным способом — при помощи фотоаппарата.

Обнаруженное явление заставило исследователя забыть все свои остальные дела и заняться его изучением. Прежде всего надо было повторить опыт. Но новые опыты дали тот же результат. Тогда учёный обратился к куску вещества. Это была урановая руда — минерал, содержащий самый тяжёлый химический элемент менделеевской таблицы — уран. Выходило, что этот элемент испускал какие-то невидимые лучи, которые, подобно невидимым лучам Рентгена, действуют на фотопластинку.

Что это были за лучи?

Задавшись первый раз таким вопросом, исследователь и не подозревал, что он стоял перед великим открытием.

Работы Беккереля продолжили польская ученая Мария Склодовская и ее муж Пьер Кюри. И уже через два года они сообщили о результатах своих исследований. Они нашли, что не только урановая руда испускает новые лучи. Существует несколько таких веществ, и особенно замечательно среди них одно. Действие лучей этого вещества в 2 миллиона раз сильнее, чем действие лучей, испускаемых ураном! Новое вещество супруги Кюри назвали «радием», что означает «лучистый» («радиус» — по-латыни «луч»).

Удивительны были свойства этого вещества! Постоянно испуская какие-то невидимые лучи, радий делает находящийся вокруг воздух хорошим проводником электричества. Для людей и животных его лучи очень опасны. Достаточно лишь на 15–20 секунд поднести руку к крупинке радия, и на ней спустя некоторое время образуется пятнышко, как от ожога. Более длительное облучение радием ведёт к появлению открытых язв. Листья растений желтеют и сохнут от его лучей. Как и лучи Рентгена, лучи радия проникают сквозь непрозрачные для солнечного света тела.

Изучение лучей урана и радия привело к столь же неожиданным, сколь и удивительным результатам. Оказалось, что часть лучей этих веществ есть не что иное, как поток частичек — осколков атомов! Атомы — «вечные и неизменные» основы Вселенной — распадались на глазах человека!

Вылет этих частичек можно было наблюдать воочию. Стоило лишь рядом с маленьким кусочком радия поместить небольшой экран, покрытый специальным, светящимся под ударами летящих частичек, веществом, как на нём становились видны маленькие попеременные вспышки, напоминающие собой мельчайшие звёздочки. Это ударялись об экран вылетающие из кусочка радия частички — осколки его атомов.

Позднее учёные нашли простой и красивый способ делать видимыми пути полёта таких частичек.

Известно, что в воздухе, как правило, находятся водяные пары. При этом чем выше температура воздуха, тем большее количество паров воды он может содержать. С понижением температуры избыточные водяные пары обычно превращаются в мельчайшие капельки воды, становятся видимыми. Облака, туман, утренняя роса — всё это и есть как раз охладившиеся и превратившиеся в жидкость пары воды.

Замечено, что образование капелек воды из паров происходит легче всего на пылинках, почти всегда находящихся в воздухе. Если же воздух очень чист, то сжижения водяных паров не наступает, даже если температура воздуха и сильно понижена. Однако стоит только загрязнить воздух пылью, дымом, как тут же вокруг каждой пылинки начнётся образование капелек воды Ещё лучше водяные пары конденсируются, то-есть сжижаются, на заряженных частичках вещества. Вот это-то свойство водяных паров и используется в приборе, в котором можно воочию наблюдать полёт быстро летящих заряженных частичек, вылетающих при распаде атомов (этот прибор называют камерой Вильсона).

Представьте себе небольшой закрытый цилиндрический сосуд, дно которого представляет собой как бы поршень насоса (рис. 12).


Рассказ о строении вещества

Рис. 12. Схема камеры Вильсона.


Сосуд наполнен воздухом, насыщенным водяными парами. Если теперь дно-поршень прибора быстро опустить, то воздух, находящийся в нём, расширяется, а вместе с этим в камере понижается и температура воздуха. Однако заряженных частичек, на которых могли бы образовываться капельки воды, в камере нет, и сжижение паров в ней не наблюдается.

Но совсем другую картину можно наблюдать, если в камеру Вильсона направить быстрые частички, вылетающие из атомов радия. Эти частички вещества отрывают на своём пути от молекул воздуха электроны; «пострадавшие» молекулы становятся, таким образом уже электрически заряженными (атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, называются положительно заряженными ионами; наоборот, атомы, к которым присоединены лишние электроны, называются отрицательными ионами) и в этом состоянии начинают играть роль зародышей микроскопических капелек; на электрически заряженных молекулах воздуха начинают образовываться из переохлаждённого пара капельки воды. В результате на всём пути полёта каждой такой частички образуется туманный след; таким образом становятся видимыми пути летящих частичек, вырывающихся из атомов.

Ещё лучший способ наблюдения и изучения различных радиоактивных процессов изобретён советскими учёными Л. Мысовским и А. Ждановым. Быстрые заряженные частички, подобно лучам света, действуют на фотопластинку. Этим и воспользовались изобретатели, предложив свой способ наблюдения невидимых частиц. Если через пластинку пролетит такая частица, она оставит на ней после проявления тонкий чёрный след.

Применяя специальные фотопластинки с толстым слоем светочувствительной эмульсии, можно после проявления пластинки проследить под микроскопом отдельные следы пролетевших через эмульсию быстрых частиц (рис. 13).


Рассказ о строении вещества

Рис. 13. Микрофотография следов излучения радия по способу Мысовского — Жданова.


Некоторые физики увидели в том, что атомы вещества оказались делимыми, разрушающимися, противоречие с материалистической философией, утверждающей вечность, неуничтожаемость материи. Атом перестал быть материальным, «материя исчезла» — утверждали они. Противники материализма с торжеством объявили, что новые открытия физики дали «научное опровержение» материализма.

Убедительный ответ всем этим мракобесам дал Владимир Ильич Ленин в своей замечательной книге «Материализм и эмпириокритицизм».

«Мир есть движущаяся материя, ответим мы, — писал Ленин, — …Разрушимость атома, неисчерпаемость его, изменчивость всех форм материи и ее движения всегда были опорой диалектического материализма. Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи…».

В. И. Ленин указал, что новейшие достижения физики, разрушившие старое представление об атоме, как неделимой и неизменной частице, приблизили нас к познанию истинной природы материи.

Он указал также, что нельзя смешивать общее, философское понятие материи как объективной реальности с конкретным физическим понятием её, которое постоянно и неизбежно меняется с ростом нашего знания о мире.

Открытие разложимости атома говорит лишь о том, что мы должны расширить наше представление о материи, о её физическом строении.

«„Материя исчезает“ — это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, — пишет В. И. Ленин, — наше знание идёт глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными… и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи. Ибо единственное „свойство“ материи, с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания».

«Признание каких-либо неизменных элементов, „неизменной сущности вещей“ и т. п. не есть материализм, а есть метафизический материализм, т. е. антидиалектический материализм».

По мере того, как человечество всё глубже познаёт окружающий мир, изменяются формы отображения этого мира в нашем сознании.

Вскоре после открытия распада атомов радия было установлено, что из кусочка радия выделяются три вида лучей, резко отличающихся друг от друга (рис. 14).


Рассказ о строении вещества

Рис. 14. Действие магнитного поля на излучение радия.


Один вид излучения — альфа-лучи, или альфа-частицы (альфа — первая буква греческого алфавита) — оказался потоком частиц с положительным электрическим зарядом. Вторая разновидность лучей радия — это не что иное, как поток быстро летящих электронов; этот вид лучей был назван бета-лучами (бета — вторая буква греческого алфавита). А третий вид излучения по своей природе подобен лучам Рентгена; это гамма-лучи (гамма — третья буква греческого алфавита).

Теперь уже ни у кого больше не было сомнений в сложном строении атомов, в том, что в состав атомов входят как отрицательно заряженные электрические частички, так и положительные.

Мало того, открытие радиоактивности (так было названо явление распада атомов радия, урана и других, открытых позднее радиоактивных элементов) дало в руки учёных незаменимое средство изучения строения атома. Помощниками учёных в этом деле оказались альфа-частицы, вылетающие из атомов радиоактивных веществ с огромной скоростью — до 22 000 километров в секунду. Эти частички были использованы в дальнейшем для бомбардировки атомов!

3. Атом под обстрелом

И вот началась труднейшая и увлекательнейшая работа по изучению атома. Учёные пошли на штурм невидимых крепостей.

К этому времени было уже известно, что легче всего из атомов удалять электроны. Значит, можно предположить, что эти частички находятся в атоме где-то в его наружных частях. Будь они далеко внутри атома, не так-то просто было бы их выбить. Но если это так, то внутри атома должны находиться другие частички, положительно заряженные.

Как же расположены в атоме эти отрицательно и положительно заряженные частички?

Чтобы узнать это, и были использованы «атомные снаряды» — альфа-частицы (альфа-частицы, как было установлено, представляют собой положительно заряженные ионы химического элемента гелия). Скорость этих частиц огромна, и можно ожидать, что при любом столкновении с атомом альфа-частица либо влетит в него, подобно пуле, и застрянет в нем, либо разрушит его, подобно снаряду. А о попаданиях и промахах можно будет судить по характеру путей «атомных снарядов».

И вот обстрел атома начался.

В первом опыте мишенью был листочек золота толщиной в одну полутысячную долю миллиметра. Чтобы наблюдать полёт альфа-частиц, за листочком золота был поставлен специальный экран, на котором были видны вспышки-удары отдельных альфа-частиц.

И как неожиданны оказались результаты первой атаки на атом!

Оказалось, что альфа-частицы, по своему весу в 7 300 раз более тяжёлые, чем электроны, пролетали через золотой листок так, словно это было пустое пространство! Выходило, что альфа-частицы совсем не сталкивались с атомами золота, словно этих атомов и не было на пути «атомных снарядов».

Правда, так вели себя не все «снаряды». Некоторые из них, пролетая мишень, слегка отклонялись от своего первоначального направления А отдельные, очень редкие, альфа-частицы оказывались и отброшенными в сторону.

Но все-таки основная масса частиц пролетала сквозь атомы золота свободно, и никакого разрушения атомов при этом не было. Обстрелянные альфа-частицами, они лишь теряли один или несколько электронов и становились положительно заряженными ионами.

После этого опыта можно было уже представить себе, как примерно должен выглядеть атом. В самом деле, результаты обстрела атомов золота говорят о том, что эти атомы далеко не сплошные; пустое пространство занимает большую часть атома. Это видно из того, что основная часть альфа-частиц пролетает через атомы, совершенно не отклоняясь. Второй вывод — внутри атома имеются какие-то препятствия, которые успевают отбрасывать в сторону некоторые «снаряды» даже за тот миг, в который альфа-частица пролетает сквозь атом. Что это могут быть за препятствия? При помощи каких сил они отбрасывают в сторону быстро несущуюся альфа-частицу? Ясно, что это силы электрического взаимодействия либо с положительно заряженными частицами атома, либо с его отрицательными частицами. Но мы уже знаем, что отрицательно заряженные частички атома — это электроны. Воздействовать сколько-либо сильно на альфа-частицу они не могут; наоборот, известно, что альфа-частицы легко выбивают электроны из атома. Значит, остаётся положительно заряженная часть атома. Но тогда она должна быть, во-первых, сосредоточена в совсем небольшом ядре — о небольшом размере ядра свидетельствует редкость прямых столкновений альфа-частиц с ним — и, во-вторых, в этом маленьком ядре должна находиться почти вся масса атома — иначе ядро атома не смогло бы отклонить пролетающие рядом альфа-частицы, оставаясь в то же время на своём месте.

Как же в таком случае должен выглядеть атом? А вот как. В центре атома находится атомное ядро; в нём заключены весь положительный заряд атома и почти вся его масса. Вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные частички — электроны (рис. 15), образуя так называемые электронные оболочки.


Рассказ о строении вещества

Рис. 15. Схема атома водорода; вокруг положительно заряженного ядра вращается один электрон.


Пространство между электронными оболочками атома и его ядром не заполнено никакими частичками. Здесь действуют электрические силы взаимодействия между положительно заряженным ядром и отрицательными электронами.

Именно поэтому альфа-частицы, которыми учёные бомбардировали атомы, и пролетали в подавляющем большинстве случаев через атомы, как через пустоту. Однако сказать, что во время полёта альфа-частиц на них не действовал заряд ядра атома, нельзя. Чем ближе от ядра пролетают «атомные снаряды», тем сильнее сказывается действие электрических сил, исходящих из ядра.

Ведь как альфа-частицы, так и ядро атома заряжены положительно; значит, силы взаимодействия между ними отталкивают их друг от друга. Правда, силы эти становятся особенно заметными лишь в тех случаях, когда «атомный снаряд» пролетает в непосредственной близости от ядра. Во всех же остальных случаях электрические силы, исходящие из ядра, почти не успевают подействовать на быстро пролетающую частичку, не успевают отклонить ее.

Последующие опыты бомбардировки атомов дали учёным возможность вычислить и размер атомного ядра. Оказалось, что, хотя размеры ядер у различных химических элементов и отличаются несколько друг от друга, в среднем размер ядра в десятки тысяч раз меньше размера атома.

Получается, что ядро занимает приблизительно 1/100 000 000 000 000 часть объема атома!

Чтобы яснее представить себе, на каких больших, сравнительно с размерами отдельных частичек атома, расстояниях находятся в атоме электроны и его ядро, приведём такое сравнение: если размер атома принять равным комнате, то размеры ядра не будут превышать размера пылинки. И в этом ничтожном объёме сосредоточена вся масса атома.

Как же велик должен быть удельный вес тела, если бы оно состояло из сложенных вместе атомных ядер, лишённых своих электронных оболочек (рис. 16)!


Рассказ о строении вещества

Рис 16. Если бы все атомы, из которых состоит изображённый на рисунке дом, сбросили свои электронные оболочки, этот дом превратился бы в маленький кубик.


Сколь ни фантастичным кажется такое предположение, нечто подобное имеет место в действительности у так называемых «карликовых» звёзд, например у спутника большой звезды Сириус. Когда учёные стали вычислять вес этой маленькой звезды по тому влиянию, какое она оказывает на своего гигантского соседа, то они неожиданно пришли к совершенно ошеломляющим результатам. Оказалось, что эта карликовая звезда весит примерно в 50 тысяч раз больше, чем такое же количество по объёму воды. Другими словами, удельный вес вещества, из которого состоит звезда, равен 50 тысячам! И эту цифру учёные подтвердили многочисленными расчётами.

Еще больший удельный вес найден у других карликовых звёзд; один грамм вещества этих звёзд весит в сотни тысяч и миллионы раз больше одного грамма воды!

Чем можно объяснить такой огромный вес вещества карликовых звёзд?

Очевидно, что некоторая часть атомов этих звёзд благодаря, надо думать, исключительно высокой температуре сбросили с себя либо все, либо свои внешние электронные оболочки, и их ядра теснее сблизились друг с другом!

Но вернёмся к вопросу строения атомов.

Многочисленные опыты по изучению строения различных атомов позволили определить не только массу атомных ядер разных элементов, но и их заряды.

И оказалось… Оказалось, что была открыта ещё одна замечательная тайна природы.

Оказалось, что положительный заряд атомных ядер был различным у различных элементов; если принять заряд электрона за единицу, то заряд атомного ядра золота окажется равным 79, платины — 78, меди —29 и т. д.

Что же удивительного в этих цифрах? — спросите вы.

Посмотрите ещё раз на менделеевскую таблицу химических элементов. Взгляните, под каким номером находится в таблице золото. Под номером 79, не так ли? А чему равен заряд ядра атома золота? 79! Точно так же медь помещается в 29-й клетке таблицы, и заряд ядер её атомов равняется 29. Заряд атомного ядра платины равен 78, и она согласно с этим расположена под 78-м порядковым номером.

Порядковый номер химических элементов в таблице Менделеева советские учёные называют числом Менделеева.

Вот где разгадка удивительности этих цифр. Ведь так обстоит со всеми элементами менделеевской таблицы — положительные заряды атомных ядер элементов равны порядковым номерам этих элементов в таблице, или, что то же, числам Менделеева соответствующих элементов. Многочисленные исследования величины зарядов атомных ядер многих элементов подтвердили этот замечательный вывод с полной достоверностью.

Таким образом, было установлено, что не вес атома, а заряд его ядра — число Менделеева — главное отличие одних атомов от других.

Не атомный вес, а положительный заряд ядра определяет место того или иного элемента в естественной последовательности элементов.

И здесь нельзя не сказать ещё раз о гениальной прозорливости великого русского химика. Действительно, строя свою систему элементов, Менделеев пользовался различием в весе их атомов только потому, что в его время это был главный отличительный признак атомов, общий атомам всех элементов. Но он отнюдь не придавал атомному весу решающего значения. Куда, в какую клетку таблицы поставить тот или иной элемент, Менделеев решал, сообразуясь со всеми свойствами элементов. В отдельных случаях он ставил элементы не туда, куда следовало бы их поставить, руководствуясь только их атомными весами. Так было с никелем и кобальтом, так было с иодом и теллуром. И вот, теперь, спустя много лет, физики и химики ещё раз убедились в гениальности Менделеева. Строя свою знаменитую таблицу, он безошибочно определил места элементов по их свойствам, и такое их расположение соответствовало заряду ядер их атомов!

Но ведь если заряд атомных ядер у разных элементов различен, то это означает, что и число электронов в атомах разных элементов различно. Иначе не может быть. Ведь в целом любой атом электрически нейтрален.

Таким образом, зная величину заряда ядер различных элементов, мы, тем самым, знаем и число электронов, входящих в состав различных атомов. Заряд электрона мы приняли равным единице. Значит, в атоме меди, заряд ядра которой равняется 29, содержится 29 электронов. Электронные оболочки каждого атома золота содержат в себе 79 электронов. Вокруг ядра атома кислорода вращается 8 электронов, а вокруг водородного ядра — всего один.

Так вот чем, оказывается, определяется индивидуальность атомов различных элементов, их положение в периодической системе — числом электронов в электронных оболочках нейтрального атома, или, что то же самое, величиной заряда ядра.

Определив число электронов в различных атомах, учёные задались целью узнать, как именно располагаются электроны в электронной оболочке. Оставалось пока совершенно неясным и то, из чего состоят, как устроены ядра атомов.

А поиски ответов на эти вопросы привели учёных к новым необычным открытиям, которые изменили все наши прежние взгляды на природу материи, на природу простейших частичек вещества, таких, например, как электрон.

VII. СТРОЕНИЕ АТОМА

1. Пути электронов

Вспомните, как мал атом. Его нельзя увидеть даже при увеличении в 40–50 тысяч раз. И тем не менее физики проникли внутрь этой ничтожно малой частицы, узнали много подробностей о её строении.

И сколько изумительных остроумнейших опытов ставилось и ставится физиками нашего времени для выяснения природы атомов и молекул! Сколько делается сложнейших расчётов! Сколько высказывается догадок и предположений!

Обо всём этом не расскажешь просто и коротко. Ведь на помощь себе учёные XX века привлекают все достижения науки.

Поэтому мы лишь кратко расскажем здесь о некоторых успехах физики наших дней, связанных с вопросом строения вещества.

В результате многочисленных опытов и расчётов было твёрдо установлено, что электроны располагаются в атоме не на одном расстоянии от ядра, а как бы по слоям. При этом в каждом слое, в каждой электронной оболочке может находиться лишь определённое число электронов. Так, в первом, ближайшем к ядру атома, слое может располагаться только 2 электрона, во втором — не более 8 электронов, в третьем — до 18, в четвёртом слое могут разместиться целых 32 электрона и т. д.

Наиболее совершенное, законченное строение имеют те атомы, у которых целиком заполнены одна (два электрона), две (десять электронов), три (двадцать восемь электронов) и более оболочки. Таковы, например, атомы гелия, они имеют два электрона, то-есть одну полную оболочку, или атомы неона, имеющие десять электронов — две полные оболочки. У этих элементов очень трудно оторвать хотя бы один электрон — здесь силы взаимодействия между частичками таковы, что любой электрон вырвать из атома одинаково трудно. И в этом как раз и кроется причина того, что оба эти элемента — и гелий и неон — не вступают в химическое соединение с другими веществами. Недаром эти газы называются инертными, то-есть бездеятельными.

Наоборот, если мы возьмём третий элемент таблицы Менделеева — литий, то его атомная постройка оказывается уже не столь завершённой. Два электрона у него располагаются в первом электронном слое, а третий, как показывают расчёты, находится дальше от ядра атома — во втором слое. Но этот слой может вмещать в себя до 8 электронов, и таким образом второй слой оказывается как бы недостроенным. А это сказывается на свойствах лития. Электрон этого элемента, расположенный во втором слое, удерживается в атоме много слабее, нежели другие. Поэтому достаточно какого-либо химического воздействия на атом лития, чтобы он уже потерял свой третий электрон. Поэтому-то он и вступает так легко в различные химические соединения. Поэтому-то он и имеет ярко выраженные свойства металла. Ведь во всех металлах, как теперь установлено, имеется много «свободных» электронов, перемещающихся в любом куске металла среди его атомов.

«Родственником» лития является металл натрий. И у этого элемента, имеющего 11 электронов, такая же картина строения — он имеет два полных электронных слоя (10 электронов) и один, последний, электрон, расположенный в третьем слое. Положение последнего электрона здесь еще более неустойчиво, чем у третьего электрона лития. Ведь он располагается еще дальше от атомного ядра. Значит, он еще легче может быть оторван от своего атома. Вот почему натрий еще более активен при химических реакциях, чем литий.

Бериллий имеет уже два электрона (из своих четырёх) во втором слое, и эти электроны также держатся в нём не так прочно, как в атомах гелия и неона. Однако отнять их от атома уже труднее, чем у лития и натрия; этим и объясняется, почему бериллий менее химически активен, чем, скажем, натрий.

Так вместе с выяснением порядка расположения электронов в атомах был разгадан секрет физико-химических свойств различных элементов.

То, что электроны располагаются в атомах именно таким образом, как было сейчас рассказано, блестяще подтвердилось одним замечательным предсказанием.

В 1923 году был открыт один из последних остававшихся неоткрытыми элементов менделеевской таблицы — гафний (порядковый номер 72). Долгое время этот элемент искали в рудах его «родственника» — лантана. Поиски были тщетны. Но вот в 1922 году, рассчитав, как должны быть расположены в атомах этого неизвестного элемента электроны, учёные пришли к выводу, что он по расположению электронов более родственен цирконию, чем лантану. Значит, его нужно искать не в лантановых рудах, а в природных минералах, содержащих цирконий. И уже через год предсказанный элемент был найден в норвежской цирконовой руде!

После того как было выяснено расположение электронов в различных атомах, удалось установить, каким путём атомы соединяются в молекулы.

Вот как это происходит. Когда атомы соединяются в молекулы, то при этом в них изменяется движение некоторых электронов — как раз тех, которые наиболее удалены от ядра. Так, например, когда соединяются два атома кислорода и атом углерода в молекулу углекислого газа, то часть электронов углерода и кислорода перестаёт уже принадлежать одному атому — они охватывают теперь все ядра. Так образуется молекула (рис. 17).


Рассказ о строении вещества

Рис. 17. Схема образования молекулы углекислого газа.


А вот другой способ соединения атомов: атом натрия (11 электронов) имеет один «лишний» электрон (рис. 18).


Рассказ о строении вещества

Рис. 18. Схема образования молекулы поваренной соли.


Этот электрон только начинает «надстраивать» третью оболочку атома, и поэтому натрий без особого труда отдаёт его другим атомам. Наоборот, атом хлора (17 электронов) имеет в своей третьей оболочке семь электронов; эта оболочка уже достаточно прочная И вместо того, чтобы отдавать электроны из неё, атом хлора захватывает чужой электрон, необходимый для «достройки» своей оболочки. Поэтому как только атом натрия приближается к атому хлора, «лишний» электрон натрия переходит в электронную оболочку хлора. Атомы натрия и хлора становятся электрически заряженными — атом натрия становится положительно заряженным ионом, а атом хлора — отрицательно заряженным. Это сделал электрон-«перебежчик». Теперь оба атома-иона будут держаться вместе — ведь заряды их противоположны, и они притягиваются друг к другу.

Такими способами — как первым, так и вторым — и соединяются атомы. При этом замечено, что атомы в молекулах сложных веществ чаще имеют наружное электронное окружение, состоящее из восьми электронов. Это, как показывают исследования, наиболее устойчивое окружение.

Русский ученый М. Г. Павлов, о котором мы уже говорили ранее, первый предугадал, что происходит при объединении атомов в химическое соединение. Он писал, что «…при сем возбуждаются противуположные электричества. А поелику химическое соединение совершается между атомами, то между ними же должно быть и возбуждение противуположных электричеств, и в сем состоит взаимное атомов одного на другой действие».

Установлена физиками XX века и структура различных молекул. На рисунке 19 для примера показано строение молекул воды, углекислого газа и нафталина.


Рассказ о строении вещества

Рис. 19. Так соединяются атомы в молекулах воды, углекислого газа и нафталина.


Основоположником этой отрасли знания является А. М. Бутлеров, который еще в 50-х годах прошлого века разработал свою знаменитую теорию строения молекул органических веществ. Многие известные иностранные учёные того времени такие, как Жерар и Бертело, утверждали, что наука никогда не сможет узнать, как располагаются атомы в молекулах. Русский учёный разбил эти взгляды. Он показал, что, испытывая вещество различными физико-химическими методами, можно очень точно установить, как именно располагаются атомы в его молекулах, то-есть определить строение, структуру молекул.

Свойства органических веществ определяются прежде всего строением их молекул, их структурой — такова суть структурной теории А. М. Бутлерова.

Структурная теория Бутлерова объяснила загадку так называемых изомеров — веществ, имеющих одинаковый состав, но резко различные свойства. Оказывается, различные свойства изомеров объясняются различным расположением атомов в молекулах этих веществ.

Так было подтверждено гениальное предвидение Ломоносова о зависимости свойств вещества от расположения атомов в его молекулах!

Вместе с тем структурная теория А. М. Бутлерова необычайно облегчила задачу искусственного получения новых органических веществ. Ведь теперь стало возможным строить молекулы сложных органических веществ «с открытыми глазами», — приступая к синтезу нового вещества, химик имел перед собой структурную формулу его молекул.

2. Частицы-волны

Итак, физики установили, как располагаются электроны в атомах.

Было доказано, что электроны вращаются вокруг ядер по замкнутым орбитам, образуя электронные оболочки атомов.

Но, установив это, современные физики отнюдь не исчерпали всего того, что таит в себе атом. Наоборот, именно теперь они оказались на пороге необычайных и удивительных открытий.

Еще задолго до того, как люди убедились в реальном существовании атомов, многие учёные искали ответа на вопрос: что такое свет?

Многочисленными работами физиков прошлого века на этот вопрос был дан совершенно определённый ответ: свет — это электромагнитные волны, распространяющиеся от светящегося тела во все стороны.

Что такое электромагнитная волна?

Если в какой-либо точке пространства происходит изменение электрического состояния, например по проводу проходит переменный электрический ток, постоянно меняющий своё направление, то вокруг этого провода, в пространстве, возникает так называемое электромагнитное поле, напряжение которого будет также постоянно меняться. Иными словами, здесь возникает колебание магнитных и электрических сил, причём это-колебание, как только оно возникает в каком-либо месте, сразу вызывает подобное же себе колебание и в соседних точках пространства. Таким путём и возникает в пространстве электромагнитная волна, то-есть периодически изменяющееся электромагнитное состояние пространства.

Такое колебание электрических и магнитных сил напоминает собой колебание частичек воды, когда по ней идут волны. Как на воде отдельные частички её не передвигаются вместе с волной, а лишь колеблются вверх и вниз, образуя таким образом гребни и впадины волн и передавая это колебательное движение дальше, так и в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства происходит как бы волнообразное изменение электрического состояния с образованием «гребней» и «впадин», приводящее к передаче энергии от одной точки пространства к другой.

Исследование таких электромагнитных волн показало, что они подобны световым лучам.

Как и свет, они распространяются в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду, как и свет, они отражаются, преломляются, как и свет, они дают явление, называемое дифракцией.

Что это за явление?

Известно, что световые лучи распространяются прямолинейно. Но бывают и исключения из этого правила: при определённых условиях световые лучи как бы начинают изгибаться.

Посмотрите на рисунок 20. Это — фотография тени небольшого винта.


Рассказ о строении вещества

Рис. 20. На рисунке изображена тень от маленького винтика; расстояние от источника света до винта и от винта до экрана составляет более десяти метров.


Но что же это за странная тень, почему она так расплывчата?

А вот это и есть тот случай, когда нарушается закон прямолинейного распространения света.

Чтобы получить такую тень, надо сильно увеличить расстояние между источником света и винтом, а также между винтом и экраном, на котором появляется тень от винта. На приведённой фотографии, например, расстояние от источника света до винта и от винта до экрана составляет более 10 метров. А диаметр источника света — всего 0,2 миллиметра.

При таких условиях становится ясно видным нарушение закона прямолинейного распространения света.

В самом деле, посмотрите внимательно на рисунок. Вы видите, что граница тени от винта расплывчата, нерезкая. Это говорит о том, что отдельные световые лучи огибают края винта и проникают в область самой тени.

Столь же показательно и образование тёмных полос вокруг тени винта — там, где, казалось бы, должно быть полностью освещённое место.

Чёрные полосы говорят о том, что здесь есть места, куда свет не проникает. А это также говорит о том, что свет распространяется непрямолинейно.

Описанный пример лишь один из многих случаев непрямолинейного распространения света.

Все такие явления, при которых наблюдается отклонение от прямолинейного распространения света, и называют явлениями дифракции света.

Явление дифракции легко наблюдается у водяных волн. Заметить его совсем нетрудно.

Вот, скажем, бегущие по воде волны встречают на своём пути какое-либо большое препятствие, например скалу. Волны в этом случае разбиваются о камень, и позади него создаётся «тень» — спокойная поверхность (рис. 21).


Рассказ о строении вещества

Рис. 21. Дифракция водяных волн.


Но иное дело, если на пути водяных волн встречается небольшое по размерам препятствие, например колышек или шест. Здесь волны обогнут препятствие и пойдут дальше. Это и есть дифракция водяных волн. Учёные доказали, что это загибание волн в область «тени» является характерным их свойством.

И вот то, что свет способен дифрагировать подобно волнам на воде и убедило окончательно физиков в том, что по своей природе свет — это также волны. Дальнейшие исследования показали, что они могут быть только волнами электромагнитными.

Такое объяснение природы света во второй половине прошлого века было общепризнанным.

Но вот неожиданно в конце XIX столетия учёные столкнулись с новыми явлениями, необъяснимыми с течки зрения волновой природы света.

Вспомните опыты А. Г. Столетова. Свет, падая на различные тела, «выбивает» с их поверхности электроны, рождает электрический ток. Столетов установил, что фотоэффект зависит от длины световой волны. Например, из одного и того же тела световые волны с длиной 1–2 стотысячных доли сантиметра «выбивали» поток электронов, а волны с длиной 5–6 стотысячных долей сантиметра не могли «выбить» ни одного электрона.

Объяснить эту закономерность фотоэффекта очень трудно, если считать, что свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. В самом деле, если свет — это поток электромагнитных волн, то очевидно, что падающие на тело волны должны сообщать каждому электрону энергию, раскачивать их, и тем самым давать им возможность вылететь из вещества в окружающее пространство. Но почему же тогда фотоэффект зависит от длины волны световых лучей? Ведь любая световая волна при достаточно длительном облучении должна бы вырывать электроны!

Еще более загадочные явления встретились и совершенно необъяснимые противоречия возникли перед физиками, когда они стали определять скорости вырванных электронов, то-есть тот запас энергии, который приобретает под действием света каждый электрон в отдельности. Здесь был установлен поразительный факт, что хотя число вырываемых электронов зависит от силы света, но энергия каждого отдельного вырываемого электрона от силы света не зависит. Будем ли мы освещать тело светом очень сильным или ничтожно слабым, вылетающие из тела электроны будут иметь одну и ту же скорость, а значит, одну и ту же энергию.

Как понять этот факт, если мы считаем свет волной? Ведь с точки зрения волновой теории увеличение силы света означает, что энергия, которую приносит в данном месте водна, то-есть размах колебаний световой волны, стала больше. Почему же в таком случае электрон, вырываемый в этом месте волной, всегда имеет одну и ту же энергию, независимо от силы света?

Что же получается? Получается, что, с одной стороны, свет — это электромагнитные волны, но, с другой, — закономерности фотоэффекта, установленные чисто опытным путём, утверждают, что свет — это что-то иное, более сложное.

Уже в начале XX века из этих противоречий физики сделали замечательный вывод. Свет — это не просто электромагнитные волны; испускание и поглощение их происходит не непрерывно, как думали физики прошлого века, а отдельными порциями — квантами. Иными словами, свет — это не только поток электромагнитных волн, но в то же время это и поток частиц-фотонов, несущих с собой световую энергию в виде отдельных порций — квантов.

Была установлена и зависимость между квантами и длиной волны. Оказалось, что величина энергии каждого кванта не одинакова — чем длиннее волна, тем меньше энергия присущего ей кванта. Таким образом, например, квант красного излучения, с длиной волны в 7 стотысячных долей сантиметра, несёт с собой меньшую энергию, чем, скажем, квант синего света, длина волны которого около 4 стотысячных долей сантиметра.

И вот, с этой новой, квантовой, точки зрения стало возможным объяснить и явление фотоэффекта. Все особенности этого явления оказались легко объяснимыми. Так, если энергия кванта достаточно велика, чтобы вырвать из тела электрон, то ясно, что чем больше квантов, то-есть чем больше света будет падать на тело, тем больше будет вырвано электронов.

Понятна также зависимость фотоэлектрического эффекта от длины волны. Чем меньше длина волны, тем больше энергия квантов и, следовательно, тем вероятнее, что эти кванты вырвут электроны. Если же энергии каждого отдельного кванта недостаточно для того, чтобы совершить работу, необходимую для вырывания электрона из тела, то фотоэффекта вообще не будет, сколько бы света ни падало на тело. Вот почему и не наблюдается фотоэлектрического эффекта даже при освещении сильным светом, если только длина волны этого света настолько велика, что соответствующая порция энергии (квант) меньше «работы выхода» электрона, то-есть той энергии, которая необходима для вырывания электрона с поверхности тела.

Так же просто объясняются и многие другие, столь же загадочные, с волновой точки зрения, закономерности, известные физикам.

Однако как ни хорошо с квантовой точки зрения объяснять явления поглощения света, трудно понять, как это свет одновременно является потоком частиц и волной.

И тем не менее, в настоящее время мы можем совершенно уверенно говорить: да, это именно так и есть! Элементарные световые частицы — фотоны — действительно в некоторых явлениях ведут себя как частицы, а в некоторых — как волны.

Более того.

Квантовая механика утверждает, что и другие частицы — электроны, альфа-частицы, да и сами атомы — имеют такую же двойственную природу. Все они могут проявляться или как частицы, или как волны.

Это доказано неоспоримыми опытами. Так, например, установлено, что электроны эти, казалось бы, уже так хорошо знакомые физикам частицы, обладающие определённой массой и зарядом, пути полёта которых тысячи раз были засняты на фотографические пластинки, эти несомненные частицы показывают в некоторых случаях свойства волн. Пролетая через тончайший листик золота, электроны дают ярко выраженную картину дифракции (рис. 22)!


Рассказ о строении вещества

Рис. 22. Дифракция электронов.


Так же способны дифрагировать и атомы и молекулы!

А дифракция присуща, как мы знаем, именно волнам.

Разгадка этой новой, поистине замечательной тайны вещества позволила нам более правильно объяснить и строение атома.

Квантовая механика рисует движение электронов в атоме так: вращаясь вокруг ядра, электроны окружают его как бы «электронным облаком».

Плотность этого «облака» в разных местах различна. «Облако» гуще в тех точках пространства, где вероятность пребывания электрона больше.

Своеобразие такого подхода к решению вопроса объясняется тем, что микромир, мир электронов и атомных ядер, имеет свои особенности, отличающие его от окружающего нас, привычного нам, мира больших вещей.

Квантовая механика породила у ряда современных буржуазных физиков взгляды и выводы, далёкие от истинной науки.

Изучая пути движения электронов в атоме, физики не могут определить одновременно точное положение электрона и его скорость. Из этого некоторые реакционные физики и философы делают идеалистический, поповский, далёкий от науки вывод. Так, физики Гейзенберг и Бор утверждают, что раз мы не можем определить в одно и то же время точное положение электрона в атоме и его скорость и, таким образом, не можем сказать, по какому пути движется этот электрон, то, значит, движение электронов в атомах не является закономерным; оно не может быть познано нами вообще, так как электроны якобы обладают «свободой воли»!

Другие реакционеры идут еще дальше и утверждают, что электроны вообще не являются вещами, существующими вне нашего сознания; они не существуют независимо от нас и наших приборов.

Нечего и говорить, что эти вздорные, ненаучные взгляды поддерживают все противники передовой, материалистической науки. Ведь согласно таким взглядам наука бессильна объяснить окружающую действительность, человек никогда не сможет понять и объяснить отдельные явления природы. А это значит, что есть в мире те таинственные, необъяснимые «силы», на которых держатся все суеверия и религии.

Иное, действительно научное объяснение «поведению» электрона в атоме даёт наша материалистическая наука.

Мир необычайно малых частиц, как мы уже сказали, — мир особый. Поэтому мы не можем подходить к нему только с теми законами, к которым привыкли в мире больших вещей.

В мире малого имеются, кроме того, свои законы, свои закономерности.

Каковы эти законы? Пока мы их полностью не знаем. А то, что мы уже знаем, подчас не вяжется с нашими привычными представлениями.

Так именно и обстоит дело с дифракцией мельчайших частичек. Очевидно, что все эти частички движутся по каким-то своим законам, а не по законам хорошо известной нам механики, управляющей движением больших тел. Согласно этим особым законам движутся и электроны в атомах.

Мы стремимся при помощи опыта познать законы мира малого. Путь к этому один — дальнейшее изучение строения атома и главным образом его центральной части — ядра, в котором действуют ещё мало изученные ядерные силы. При изучении атомного ядра, можно надеяться, будут найдены и объяснены многие закономерности мира малых частиц.

По этому пути и идёт наука наших дней. И уже теперь, спустя немного лет после своего зарождения, ядерная физика достигла изумительных результатов.

Что же мы знаем о строении ядра в настоящее время и что это нам дало в применении к практической жизни?

3. К центру атома

Когда мы нагреваем воду, её невидимые частички — молекулы — с повышением температуры движутся всё быстрее и быстрее. Однако какого-либо нарушения внутреннего строения молекул при этом не происходит. Так бывает при любом физическом изменении тел — при их плавлении, испарении и т. д.

Если же происходит химическое изменение какого-либо тела, то при этом изменяются уже молекулы: они распадаются на атомы, и из последних образуются молекулы новых веществ; соединяясь по-новому, атомы образуют новые атомные группы, новые молекулы. Таким образом, говоря иными словами, все химические реакции связаны с движением электронов в атомах. Атомные же ядра не принимают в этом никакого участия. При любых химических превращениях с ядром ничего не случается — оно лишь переходит вместе с атомом из одного соединения в другое. Поэтому-то и не могли иметь успеха все многовековые попытки алхимиков превратить один элемент в другой химическим путём.

Не меняется атомное ядро и при таких воздействиях, как сильное сжатие, нагревание или обработка химических соединений различными растворителями.

Проникнуть внутрь очень плотного ядра, разбить его на части также чрезвычайно трудно. Узнать поэтому, как устроено атомное ядро, оказалось несравненно труднее, нежели выяснить строение самого атома. Однако физики успешно справляются и с этой задачей, хотя изучением атомного ядра занялись совсем недавно — всего каких-нибудь 30 лет назад.

Как же устроено ядро согласно данным современной физики?

Как известно, положительный заряд ядра самого лёгкого атома — атома водорода — равен 1. Поэтому ядро атома водорода стали считать за простейшую положительную частичку и назвали его протоном («протон» значит «первичный»). Позднее было найдено, что протон действительно является элементарной частичкой с минимальным положительным зарядом. В опытах по расщеплению атомных ядер учёные установили, что протоны входят в состав ядер всех атомов.

Однако состоять из одних протонов ядра атомов не могут. Если бы это было так, то масса каждого атома должна была бы быть во столько же раз больше массы атома водорода, во сколько раз число электронов в оболочке этого атома больше числа электронов в атоме водорода. В самом деле, в атоме водорода находится один электрон, и масса его равна массе одного протона. Значит, масса атома следующего элемента — гелия, который имеет в своей оболочке два электрона, должна была бы быть равной массе двух протонов. Точно так же углерод, имеющий 6 электронов, должен иметь массу, равную 6 протонам. В действительности мы, однако, наблюдаем другое. Масса атома гелия равна массе не 2 протонов, а 4; атом углерода имеет массу не 6 протонов, а 12. Таким образом, ясно, что в атомном ядре содержатся ещё какие-то другие частицы, помимо протонов.

Что это за частицы?

Было предположено, что в состав ядра входят наряду с протонами электроны. При этом всегда число протонов в ядре больше, чем электронов, так, чтобы остающийся неуравновешенным положительный заряд ядра был равен отрицательному заряду всех электронов электронной оболочки.

Такой взгляд на строение атомного ядра, казалось бы, подтверждался также и тем, что как при самопроизвольном распаде радиоактивных веществ, так и при искусственном расщеплении атомных ядер из них часто вылетают электроны.

Однако ряд опытов и расчётов заставил физиков отказаться от такого объяснения устройства ядра.

И перед учёными снова встал вопрос: каково же строение атомного ядра? Ведь неоспоримо, что что-то должно входить, помимо протонов, в состав ядра.

Это «что-то» было найдено в 1932 году. При опытах «бомбардировки» альфа-частицами атомов бериллия была найдена новая частица, не имеющая никакого заряда. Масса этой частицы, названной нейтроном, оказалась почти точно равной массе протона.

Открытие нейтрона имело большое значение для учения о составе атомного ядра. Согласно теории, впервые предложенной советским учёным Д. Д. Иваненко и теперь общепризнанной, ядро атома состоит из нейтронов и протонов, входящих в него примерно в равном количестве. Так, считают, что ядро атома гелия содержит 2 протона и 2 нейтрона. Таким образом, общая масса атома гелия равна массе 4 протонов, а заряд его ядра — 2 элементарным зарядам. Ядро фосфора, имеющее заряд 15 и массу 31, построено из 16 нейтронов и 15 протонов и т. д.

Вопрос о природе и характере тех особых сил, которые связывают в ядре нейтроны с протонами и обусловливают огромную устойчивость большинства ядер обычных (нерадиоактивных) атомов, остаётся ещё окончательно не решенным.

Что, действительно, может удерживать нейтроны и протоны в атомном ядре? Электрические силы? Но электрические силы оказывают только «разрыхляющее» действие на ядро, вызывая отталкивание протонов друг от друга. Таким образом, здесь мы встречаемся с какими-то особыми силами, названными ядерными, природа которых для нас еще далеко не ясна. Ясно лишь, что эти особые ядерные силы очень велики; ведь они должны не только «цементировать», скреплять в ядре нейтроны и протоны, но и преодолевать электрические силы взаимного отталкивания между протонами, потому что эти положительно заряженные частички, отталкиваясь друг от друга, стремятся разлететься во все стороны.

В действительности мы видим, что большинство атомных ядер настолько прочно, что ни высокая температура, ни высокое давление не могут их разрушить. Следовательно, ядерные силы, о природе которых мы можем пока только догадываться, должны быть огромны.

Таков этот необычный мир малого, мир атома. Как сложен, оказывается, этот «кирпич мироздания», еще так недавно считавшийся твёрдым, непроницаемым и неделимым!

VIII. РУКАМИ ЧЕЛОВЕКА

1. «Алхимики XX века»

А теперь, когда наш рассказ о строении вещества подходит к концу, вспомним еще раз об алхимиках.

Сколько поколений учёных прошлого ценой всей своей жизни старалось превратить заманчивую мечту в действительность. Свинец — в серебро, медь — в золото! Увы! Это так и осталось для них мечтой. Теперь, когда мы читаем о работах алхимиков, мы ясно видим, почему они не могли воплотить свою мечту в жизнь. Для этого у них не было главного — истинного знания природы вещей, не говоря уже об отсутствии технических возможностей нашего времени.

Ну, а как же обстоит дело с превращением элементов сейчас? Ведь теперь мы знаем об элементах и внутреннем устройстве их атомов несравненно больше алхимиков.

Научные знания, накопленные человечеством, — вот тот истинный и всесильный «философский камень», при помощи которого можно осуществлять превращения простых веществ!

Действительно, изучение строения атомов показало, что по существу природа всех атомов едина. Все они состоят из протонов, нейтронов и электронов. И вся разница между различными элементами заключается лишь в величине заряда и массе ядра, то-есть в количестве протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Следовательно, для того чтобы превратить один элемент в другой, надо лишь изменить каким-то образом число протонов и нейтронов, входящих в ядро данного элемента.

Можно ли это сделать? Оказывается, можно.

Прежде нем научиться делать это самим, учёные внимательно изучили, как это происходит в природе. Речь идёт о самопроизвольном распаде радиоактивных элементов. Оказалось, например, что атомы радия, распадаясь, превращаются в атомы тяжёлого газа радона.

Каким образом осуществляется здесь превращение элементов друг в друга? Альфа-частички, вылетающие из радиоактивных веществ, — это не что иное, как атомные ядра элемента гелия с массой 4 и положительным зарядом 2. Таким образом, когда из ядра атома радия, масса которого равна 226 и заряд 88, вылетает одна альфа-частица, то, очевидно, что ядро радия изменяет свою массу и заряд. Масса атома вновь образовавшегося элемента будет 222, а заряд 86. При этом перестраивается и электронная оболочка атома, теряя два лишних электрона. Это уже не атом радия. Это атом тяжёлого инертного газа радона.

Сходные превращения претерпевают и другие радиоактивные элементы: торий, уран и другие.

Естественный распад радиоактивных элементов с превращением их во всё новые и новые элементы заканчивается превращением всех их в элемент, по своим химическим свойствам не отличаемый от обычного свинца.

Есть и другой вид радиоактивного распада. Как мы уже говорили, при радиоактивном распаде выделяются и бета-лучи — быстро летящие электроны. Это означает, что ядра некоторых радиоактивных элементов распадаются с выбросом из себя не альфа-частиц, а электронов. В этом случае происходит следующее: вылетающий из ядра электрон, как отрицательно заряженная частичка, увеличивает положительный заряд ядра на 1. А раз изменяется заряд ядра — это опять-таки означает превращение элемента! Таким путём распадается, например, элемент с массой 234 и зарядом 90, по своим свойствам не отличимый от тория; он превращается в элемент, по химическим свойствам не отличимый от элемента протактиния.

Ядро вновь образовавшегося элемента (масса 234, заряд 91) в свою очередь выбрасывает один электрон и превращается снова в уран с массой 234 и зарядом 92.

Но что такое? Ведь атомный вес урана, как известно, равен 238. Между тем здесь, при бета-распаде, мы получаем уран с массой 234. В чем тут дело?

Дело заключается всё в том же — химические свойства атомов какого-либо элемента определяются только зарядом их ядер. Вес же ядра, как уже говорилось, решающего значения для химических свойств элемента не имеет. Таким образом, уран с массой 238 и уран с массой 234 химически неразличимы.

Такие атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разный вес его, занимают в таблице Менделеева одно и то же место; их называют изотопами.

Существование изотопов химических элементов гениально предсказал А. М. Бутлеров еще в 1882 году.

Дальнейшее изучение атомных ядер привело к открытию изотопов у всех элементов, как радиоактивных, так и нерадиоактивных. Число изотопов у различных элементов бывает самое различное. Так, медь (атомный вес 63,57), например, имеет изотопы с атомными весами 63 и 65; хлор (атомный вес 35,5) имеет также два изотопа с атомными весами 35 и 37 (определение массы отдельных атомов осуществляется при помощи прибора, называемого масс-спектрографом).

Именно потому, что медь и хлор имеют изотопы с разной массой, средний атомный вес природной меди и природного хлора, представляющих собой смесь изотопов, и получается дробным. Этим обстоятельством объясняются дробные числа атомных весов многих других элементов в менделеевской таблице.

Так происходит в природе.

С открытием радиоактивности учёные смело взялись за опыты по превращению элементов друг в друга. Впервые это удалось осуществить в 1919 году, когда были «обстреляны» атомы обыкновенного азота альфа-частицами.

При «бомбардировке» азота (вес 14 и заряд 7) ядрами гелия (вес 4, заряд 2) последние «застревают» в атомных ядрах азота. При этом получается ядро с массой 14 + 4 = 18 и зарядом 7 + 2 = 9. Это ядро элемента фтора. Однако такое ядро искусственно полученного фтора очень неустойчиво. Поэтому оно тут же распадается, выделяя из себя один протон, то-есть ядро водорода. Оставшееся ядро превращается в ядро изотопа кислорода (заряд 8 и масса 17).

Так, в XX веке было осуществлено первое действительное превращение элементов.

После этого учёные стали осуществлять в своих лабораториях превращения и многих других элементов. Так, при помощи тех же «атомных пуль» — альфа-частичек — было осуществлено превращение натрия в алюминий и магний, алюминия — в фосфор и кремний и т. д.

Правда, надо заметить, что количество полученных искусственно химических элементов ничтожно. И говорить сейчас о каком-либо широком практическом применении искусственных элементов мы, конечно, еще не можем. Исключением являются только два случая: это использование искусственно полученных элементов, не существующих в природе, о которых мы рассказываем дальше, для освобождения внутриатомной энергии и применение многих искусственных радиоактивных изотопов обычных элементов в научной работе и медицине.

И если в наши дни вы слышите порой о каких-то неведомых «учёных», якобы уже получающих золото искусственным путем, то можете быть уверены, что это лишь жульничество. К разряду именно таких «учёных» относились, например, японцы Мите и Нагаока, якобы получившие в 1924–1925 годах золото из ртути под влиянием сильнейших электрических разрядов.


Рассказ о строении вещества

Рис. 23. Образование ядра атома кислорода (левая более короткая ветвь вилки) при столкновении альфа-частицы с атомом азота (снимок в камере Вильсона).


В поисках более успешных способов ядерных превращений учёные нашли и другие «снаряды» для обстрела атомов. Были использованы протоны, нейтроны и другие частицы.


Рассказ о строении вещества

Рис. 24 Фотография распада ядра азота, поглотившего быструю частицу. Образуется четыре альфа-частицы способ Мысовского — Жданова).


Использование этих «снарядов» дало в руки физиков ещё большие возможности.

Были подвергнуты бомбардировке атомы почти всех элементов менделеевской таблицы. К настоящему времени осуществлено множество самых разнообразных ядерных превращений.

На этом пути учёные пришли к новым замечательным открытиям.

Так, прежде всего, при обстреле атомов различных нерадиоактивных элементов были получены искусственные радиоактивные изотопы этих элементов.

Некоторые из таких изотопов «жили» всего минуты и даже секунды.

Все такие неустойчивые изотопы содержали в своих ядрах либо избыток, либо недостаток нейтронов по сравнению со своими устойчивыми напарниками.

Например, ядро устойчивого, нерадиоактивного азота построено из 7 нейтронов и 7 протонов. А в ядре радиоактивного изотопа азота на 7 протонов приходится только 6 нейтронов. Наоборот, ядро радиоактивного изотопа натрия содержит в себе 13 нейтронов против 12, содержащихся в природном натрии.

Так была найдена разгадка устойчивости и неустойчивости атомов различных элементов. Оказывается устойчивость атомного ядра зависит от того, в каком соотношении находятся в нём нейтроны и протоны.

Только ядра с определёнными соотношениями числа нейтронов к числу протонов являются устойчивыми. Любое нарушение этих соотношений — и ядро атома становится радиоактивным. Распад ядра идёт до тех пор, пока в нём не восстановится нарушенное равновесие протонов и нейтронов.

Изучая процессы внутриядерных превращений, физики пришли и к ещё более изумительному достижению. Они получили совершенно новые, не существовавшие в природе элементы!

Вот история этого открытия.

Изучая воздействие быстрых нейтронов на ядра различных элементов, учёные добрались и до последнего, самого тяжёлого элемента таблицы — до урана. Ядро этого элемента имеет самый большой вес — 238 и самый большой заряд — 92. Когда атомы урана были «обстреляны» нейтронами, то оказалось, что нейтроны, поглощаемые ядрами урановых атомов, увеличивают массу этих ядер до 239. Полученный таким образом уран с весом 239 и зарядом 92, в отличие от своего изотопа 238 (природного урана), распадается очень быстро — в течение нескольких десятков минут. Уран 239 выбрасывает из себя не альфа-частицы, как природный уран, а бета-частицы, то-есть быстрые электроны. В результате такого распада заряд ядра увеличивается до 93, а вес остаётся тем же — 239 (такие химические элементы, имеющие одинаковый атомный вес, но различный заряд ядра, называются изобарами, то-есть «имеющими один и тот же вес»). Получился новый элемент с порядковым номером 93, которого нет в природе.

Этот элемент был назван нептунием.

Но нептуний также неустойчив. Из его ядер вновь вылетает по электрону. Получается новый элемент с зарядом 94 и весом 239 — плутоний. Этот элемент распадается уже медленно, как и уран, с выделением альфа-частиц.

Подобным же образом были получены и еще четыре новых элемента. Все они получили название трансурановых элементов, то-есть элементов, расположенных в таблице Менделеева за ураном.

Так периодическая таблица элементов пополнилась в наше время шестью новыми элементами, созданными искусственным путём.

Ещё более интересным было третье открытие. Производя опыты с «бомбардировкой» урана нейтронами, физики установили также, что под действием нейтронов с ядром урана могут происходить и другие превращения, а именно — в некоторых случаях ядро урана, захватив медленный нейтрон, раскалывается на две половины! В результате получаются два новых ядра, например, ядра атомов элементов криптона и бария или рубидия и цезия. Было установлено, что это происходит с ядром изотопа урана, имеющего массу 235.

И вот что оказалось замечательным при таком делении: во-первых, выделяется в короткое время огромное количество внутриядерной энергии и, во-вторых, из образовавшихся осколков урановых ядер вылетают новые освобождающиеся нейтроны (рис. 25).


Рассказ о строении вещества

Рис. 25. Цепная реакция распада атомных ядер урана-235.


А это последнее обстоятельство и явилось основой получения и использования внутриядерной, или, как ее часто называют, атомной энергии!

В самом деле, ведь вылетающие из разбитого первым нейтроном ядра несколько новых нейтронов в свою очередь способны вызывать деление новых ядер и создавать тем самым еще большее число «ядерных пуль» и т. д. Таким образом, стоит только расколоть одно-единственное ядро урана 235, как уже дальше реакция расщепления урановых ядер с массой 235 будет всё нарастать и нарастать, не прекращаясь до тех пор, пока разложится вся масса урана 235 (происходит так называемая цепная реакция распада урановых ядер). А вместе с этим будет выделяться всё большая и большая энергия.

Так изучение строения тел природы, поиски ответа на вопрос, из чего построен мир, привели учёных к открытию и использованию грандиозной энергии, заключённой в атомных ядрах.

Чтобы представить, насколько велика эта энергия, достаточно привести хотя бы такой пример: в теле весом один килограмм содержится ядерная энергия, равная энергии, которую можно получить при сжигании трёх миллионов тонн угля!

Советские учёные и инженеры успешно решают важнейшую задачу — направить внутриядерную энергию на службу нашему народу.

«Советская наука направлена на службу делу мира и процветания нашей Родины. Если атомная энергия в руках империалистов является источником производства смертоносных орудий, средством запугивания, орудием шантажа и насилия, то в руках советских людей она может и должна служить могучим средством невиданного ещё до сих пор технического прогресса, дальнейшего быстрого роста производительных сил нашей страны» (Г. Маленков).

2. Превращения элементарных частиц

Вспомните, что при бета-распаде из ядер атомов вылетают быстрые электроны. Однако, с другой стороны, как уже говорилось, ряд серьёзных соображений — опыты и расчёты — говорит о том, что электроны не входят в состав ядра.

Откуда же берутся вылетающие из ядра электроны?

Современная наука разгадала — секрет возникновения в ядре электронов. Оказывается, электрон «рождается» в ядре в тот самый момент, когда превращается в протон один из ядерных нейтронов. При этом выделяется также особая элементарная частица — нейтрино (о ней будет ещё сказано дальше). Никаких электронов до этого превращения в ядре не существовало. Так, ядро искусственного неустойчивого изотопа натрия содержит в себе 13 нейтронов и 11 протонов. Такое ядро распадается с выделением электронов, и при этом образуется уже устойчивое ядро с 12 протонами и 12 нейтронами — это устойчивый изотоп магния, встречающийся в природе.

Если же неустойчивый изотоп имеет недостаток нейтронов, то в этом случае при превращении ядра изотопа протон превращается в нейтрон; при этом из ядра иногда выбрасывается новая частица, о которой мы ещё не говорили, — позитрон. Величина заряда, вес и размеры этой элементарной частицы таковы же, как и у электрона, но заряд позитрона — не отрицательный, а положительный. Подобное превращение может происходить также при захвате ядром одного из окружающих его электронов.

Впервые позитрон был открыт при изучении космических лучей.

Взаимное превращение нейтронов и протонов друг в друга с выделением элементарных положительных и отрицательных зарядов не говорит, однако, ничего о сложности этих частичек. Нельзя сказать, что электрон входит в состав нейтрона, а позитрон в состав протона. Они образуются, «рождаются» в момент превращения одной частички в другую.

Ясно, что такое превращение частичек происходит за счёт уменьшения энергии возбуждённого ядра.

Подобно этому элементарные частички лучистой энергии — фотоны — возникают в атоме при изменении его энергетического состояния, хотя сказать, что фотоны были запрятаны где-то в атоме раньше, нельзя.

Открытие «рождения» элементарных частиц — электрона и позитрона — в процессах распада атомных ядер заставило физиков изменить взгляд на природу всех элементарных частиц вообще.

В самом деле, до открытия новых частиц — позитронов — казалось несомненным, что все три основные элементарные частицы — электроны, протоны и нейтроны — вечны и неизменны. Движение этих частиц в пространстве обусловливает все явления нашего мира.

Но вот открывается позитрон, и оказывается, что он возникает при превращении протона в нейтрон. Более того, изучение позитрона приводит учёных к ещё более неожиданному результату. Оказывается, что «родившийся» при образовании ядра позитрон очень быстро гибнет.

Для этого ему достаточно столкнуться с электроном. Обе частички — электрон и позитрон — при таком столкновении взаимно уничтожают друг друга, «исчезают». Энергия и масса частиц переходят в совершенно другую форму — в форму световой энергии. Говоря проще, при столкновении позитрона и электрона возникает световой квант — фотон, который и уносит с собой всю энергию и всю массу столкнувшихся частиц!

Таким образом, позитрон и электрон, столкнувшись, превращаются в другие элементарные частички — фотоны.

Жизнь позитрона коротка — «родившись», он очень скоро, через миллионную долю секунды, «умирает», столкнувшись с электроном.

Было замечено физиками и другое явление — так называемое «рождение пары» — электрона и позитрона. Это происходит иногда при падении на вещество гамма-лучей.

Таким образом, теперь ясно, что и элементарные частицы, подобно атому, «смертны»!

Из этого факта реакционные физики и философы вновь сделали ненаучный вывод об исчезновении материи. Раз позитрон и электрон при столкновении «исчезают», превращаются в свет, значит, в данном случае «исчезает материя» — говорят они. Ответ этим «учёным» давно дал В. И. Ленин. Он показал, что понятие материи, как только массы, неверно. Материя несравненно богаче в своих проявлениях, чем это думают противники диалектического материализма. Нельзя смешивать чисто физическое понятие материи, как обычного вещества, связанного с массой, с общим философским понятием материи, как объективной реальности.

В действительности открытие превращения элементарных частиц говорит о другом: человек силой своего разума открывает новые формы существования и проявления материи, глубже познаёт мир.

Критики материализма атакуют великий ломоносовский закон сохранения материи и с другой стороны. Так, датский физик Н. Бор и его последователи утверждают, что в ряде случаев в процессах, происходящих внутри атома, недействителен закон сохранения энергии — энергия якобы в этих процессах возникает из ничего или превращается в ничто.

О неприемлемости закона Ломоносова в недрах атома писал также в 1936 году американский физик Шенкланд и ссылался при этом на свои опыты. Вряд ли надо говорить, что «опыты» американца были вскоре опровергнуты, в частности работами советских физиков. Более углублёнными и точными исследованиями наших учёных опровергаются и утверждения Н. Бора.

Однако и сейчас борьба за закон, открытый Ломоносовым, не окончена. И сейчас находятся люди, готовые любой ценой «доказать», что великий закон природы — закон сохранения материи — не всегда справедлив, и тем самым доказать возможность возникновения материи из ничего и превращение её в ничто.

Излишне говорить, что все такие попытки идеалистов, невежд и просто продажных писак не могут иметь успеха.

Великий закон сохранения материи, гениально установленный русским учёным 200 лет назад, закон, подтверждающий основное положение диалектического материализма и являющийся основой всех прогрессивных естественных наук, незыблем. Это — абсолютный закон природы.

Более того. В процессе развития науки о природе всё более раскрывается глубочайшее, всеобъемлющее значение великого закона. Так, в последнее время можно говорить еще об одном законе сохранения — законе сохранения электрического заряда, который имеет важнейшее значение в физике наших дней. Раскрывается новое содержание закона Ломоносова.

Ломоносовское начало сохранения, неуничтожаемости материи всегда имело и будет иметь значение не только для естествознания и техники, но и для всего нашего мировоззрения. Это — одна из основных предпосылок философии диалектического материализма. Сохранение, неразрушимость материи как объективной реальности — одно из необходимых условий её материальности и её объективности. Больше чем когда-либо начало сохранения материи служит надёжнейшим путеводителем при раскрытии тайн природы.

3. Из чего же состоит мир?

Итак, все тела природы состоят из разнообразнейших частичек вещества — молекул — комбинаций обычно небольшого числа различных по своим свойствам атомов.

Каждый атом — это по-своему большой и сложно устроенный мир.

Учёные раскрыли многие тайны этого мира, дали описание его устройства. И то, что узнали люди об атоме, подтвердило диалектический закон единства материи, единства мира, как этот мир ни кажется нам разнообразным. Мир един. Все атомы построены из одного и того же материала, из одних и тех же частиц — протонов, нейтронов, электронов, находящихся в вечном движении.

Таким образом, картина на первый взгляд кажется как будто достаточно ясной и законченной: известны основные вещества мира — химические элементы, известны элементарные частички, составляющие атомы этих элементов. И в то же время бесконечно сложна, неисчерпаема окружающая нас природа. Материя, существующая помимо нас, независимо от нашего сознания, бесконечна в своих проявлениях.

Когда-то неделимыми считались воздух, вода и земля, затем «вечным, неделимым, простым» казался людям атом. В первые десятилетия XX века некоторые учёные склонны были считать «вечными и простыми» частички, составляющие атом.

Так ли это в действительности?

Совсем не так!

Истина заключается, говорит В. И. Ленин, в том, что «электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…».

Не материя исчезает, — указывал Ленин, — а тот предел, до которого мы знали материю до сих пор. Наши знания идут глубже и обнаруживают новые свойства материи.

В самом деле. Уже из того, что было написано в нашей книге о «двойственной» природе электрона, вытекает, что мы далеко ещё не раскрыли, не постигли природы даже такой, казалось бы, уже хорошо известной нам частицы, как электрон, не познали всех до одного законов, действующих в мире малых вещей.

Мало того, многие законы нашего обычного мира больших вещей, казалось бы, твёрдо установленные и проверенные, предстают теперь перед нами в новом свете, уточняются и обобщаются. Особенно характерным примером такого обобщения является открытие в начале нашего века фундаментального закона мира — закона эквивалентности массы и энергии. Этот закон выражает количественную связь закона сохранения массы и закона сохранения энергии, о единстве которых еще в XVIII веке сказал М. В. Ломоносов.

Мы все привыкли думать, что масса какого-либо тела, его вес не зависят от скорости его перемещения в пространстве. На самом деле это оказывается не так. Движение тела, частицы изменяет их массу! Масса тела оказывается мерой содержащейся в ней энергии.

Зависимость массы и энергии тел выражается уравнением m = E/с2.

Здесь m — масса тел; Е — величина энергии и с — скорость света. Таким образом, из этого уравнения следует, что с увеличением энергии тела увеличивается и его масса.

Когда мы имеем дело со скоростями тел, далёкими от скорости света, прирост массы тела в зависимости от его скорости ничтожен. Так, например, для пули весом в 10 граммов, летящей со скоростью 1 000 метров в секунду, масса увеличивается всего на 1/6 000 000 000 долю грамма. Однако, если скорость двигающегося тела или частицы близка к скорости света, прирост массы становится уже очень существенным. Это особенно ясно было показано в опытах с определением массы электронов, летящих с различными скоростями. Масса этих частиц существенно зависит от скорости их движения!

Этот пример убедительно показывает нам, что природа бесконечно сложна в своих законах и проявлениях.

Не можем мы также сказать сейчас, как не сможем сказать и в будущем, что вот, наконец-то, мы определили точное число основных веществ мира или число элементарных частичек его. Полученные в лабораториях учёных новые трансурановые элементы говорят о том, что природа неизмеримо богаче в своих проявлениях, чем это может нам казаться.

Об этом же говорят и открытия всё новых и новых «элементарных» частиц, помимо трёх основных, входящих в атом.

Так, исследование лучей, падающих на Землю из глубин межзвёздного пространства («космических лучей»), а также изучение процессов естественного распада ядер и искусственного расщепления их позволили физикам обнаружить новые, неизвестные дотоле элементарные частицы. Путём расчёта обнаружены нейтральные, почти неуловимые, всепроникающие частицы с массой, меньшей массы электрона — нейтрино. Советскими учёными были осуществлены опыты, установившие существование этой частицы. Были найдены, как уже говорилось ранее, и положительно заряженные частички с массой, равной массе электрона, — позитроны. Были обнаружены и еще особые частички — мезоны или мезотроны (от греческого слова «мезос» — «средний»); масса этих частиц примерно в 200 раз больше массы электрона. При этом существуют как положительные, так и отрицательные и, вероятно, нейтральные мезоны. Эти частички настолько неустойчивы, что живут всего миллионные доли секунды, после чего самопроизвольно распадаются. Отрицательно заряженный мезотрон «рождает» при распаде электрон и, по-видимому, нейтрино. Положительный мезон распадается на позитрон и нейтрино.

И наконец, недавно советские учёные, лауреаты Сталинской премии А. И. Алиханов и А. И. Алиханян обнаружили в составе космических лучей новые частицы. Их назвали варитроны. Как и некоторые другие элементарные частицы, варитроны несут электрический заряд.

Изучение этих новых частиц показывает, что в космических лучах имеются положительные и отрицательные варитроны с самыми различными массами.

Таким образом, открытие варитронов сразу резко увеличило число известных нам элементарных частиц.

С открытием варитронов было установлено, что мезон — это один из варитронов.

Срок жизни варитронов также не превышает миллионных долей секунды.

Существуют и совершенно особые элементарные частицы — это упомянутые уже нами фотоны. Это частицы, которые не имеют никакого электрического заряда; они не имеют также, как говорят, и массы покоя. Это означает, что фотоны не могут быть остановлены. Они всегда движутся и притом движутся с максимально возможной скоростью — скоростью света; сталкиваясь же с другими частицами, они исчезают, отдают им свою энергию. Нам знаком такой случай взаимодействия фотонов с частицами, с электронами: фотоэффект, основанный на том, что фотоны ускоряют движение электронов и последние вырываются из освещаемого тела.

Как природа, так и происхождение многих из элементарных частиц ещё очень мало изучены. Но уже сейчас твёрдо можно сказать, что нельзя рассматривать все эти частицы, как какие-то совершенно обособленные, неизменные. Вспомните хотя бы о том, как «рождается» позитрон при превращении протона в нейтрон, как возникают фотоны из пары позитрон-электрон.

И такой вывод о существовании связи, о существовании единого, общего у всех «элементарных» частиц мира опять-таки подтверждает закон диалектического материализма о единстве противоположностей, о единстве всего сущего.

Изучение всех известных нам частиц говорит и о другом.

В окружающем нас мире вечно только одно: материя в целом и её неотъемлемое свойство — движение. Все же тела и частицы, взятые в отдельности, «смертны». Нет частиц, которые живут вечно.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Едина, материальна и вечна Вселенная!

Наделённый от природы органами чувств, человек воспринимает, познает окружающий мир во всём его многообразии, изучает внутренние, необходимые связи его разнообразных явлений. Наши зрение, слух, осязание, вкус и обоняние дают нам представление о материальных вещах, реально, независимо от нашего сознания, существующих вокруг нас. Материя, по словам В. И. Ленина, есть объективная реальность, то-есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение. Всё красочное многообразие природы представляет собой материю в разных её формах.

По словам В. И. Ленина, могут устареть и стареют с каждым днём данные науки о строении вещества, о химическом составе пищи, об атоме и электроне, но философское понятие материи устареть не может. Таким образом, признание материи объективной реальностью, существовавшей до человека, а после появления человека существующей вне и независимо от человеческого сознания, является коренной предпосылкой всякого научного знания.

Нет покоя в природе. Всё существующее в мире находится в движении, изменении, развитии. Материя движется в вечном круговороте… «в котором каждая конечная форма существования материи — безразлично, солнце или туманность, отдельное животное или животный вид, химическое соединение или разложение — одинаково преходяща и в котором ничто не вечно, кроме вечно изменяющейся, вечно движущейся материи и законов ее движения и изменения» (Ф. Энгельс).

При этом природа развивается по восходящей линии, от низшей ступени к высшей, от простого к сложному, от старого качественного состояния к новому качественному состоянию.

Все явления, все закономерности природы взаимосвязаны. Ни одно явление не происходит в мире изолированно, вне связи с окружающим.

Диалектический, единственно правильный, метод познания «…рассматривает природу не как случайное скопление предметов, явлений, оторванных друг от друга, изолированных друг от друга и не зависимых друг от друга, — а как связное, единое целое, где предметы, явления органически связаны друг с другом, зависят друг от друга и обусловливают друг друга» (И. Сталин, Вопросы ленинизма, 11-е изд., стр. 536).

Невозможно уничтожить материю, так же, как невозможно её создать. Бесконечно и безначально существование материи в пространстве и времени. Не было никогда «сотворения» мира и не будет никогда «конца» Вселенной. Эти основные положения материалистического представления о сущности окружающего нас мира блестяще подтверждаются наукой.

Вооружённый знанием, человек всё полнее, всё глубже познаёт природу, познаёт внутренние необходимые связи многообразных явлений и процессов, происходящих в природе. Он привлекает на помощь своим чувствам разнообразнейшие аппараты и приборы и видит, слышит, осязает, обоняет теперь намного острее, дальше, лучше, чем раньше! И перед ним открываются всё новые и новые закономерности объективного мира.

Проникая в тайны строения вещества, наука уничтожает мистические, сверхъестественные представления о мире. Кажущиеся, на первый взгляд, таинственными, «чудесными» природные явления находят своё простое, естественное, действительно научное объяснение.

И с каждым новым научным открытием вновь и вновь подтверждается лживость реакционных утверждений о непознаваемости мира и его закономерностей, недостоверности наших знаний, что мир якобы полон «вещей в себе», которые не могут быть никогда познаны наукой.

Когда-то различные религиозные суеверия рождались из-за отсутствия знаний о природе. Не умея объяснить различные явления, страшась их, человек придумывал им наивные, божественные объяснения. Эти религиозные выдумки использовали и используют эксплоататоры в капиталистических странах. Но постепенно растущее знание раскрывало глаза человеку на мир во всех его проявлениях, объясняло его тайны. И теперь в мире нет места «необъяснимым», сверхъестественным силам, нет места суеверию.

И если в наши дни в странах капитализма процветают самые дикие суеверия, то причина этого кроется уже не в отсутствии знаний. Капиталистический мир эксплоатации и человеконенавистничества прекрасно знает, что истинное знание о законах развития природы и общества против него. Мы живём в такое время, когда все дороги ведут к коммунизму. Именно поэтому «учёные» защитники загнивающего капиталистического мира всеми силами поддерживают в наши дни в народе суеверия всех толков и направлений.

И какие только нелепости там не процветают! Буржуазные мракобесы из кожи лезут вон, стремясь доказать непознаваемость мира, уничтожаемость материи и создание её из «ничего», а значит и сотворение мира, существование бестелесной, нематериальной души и привидений, существование загробного мира и т. д. и т. п.

Английские, американские газеты помещают «достоверные» сообщения своих корреспондентов о том, как людей посещают привидения; «институты» изучают «мир духов»; издательства издают и распространяют сотни книг о жизни духов; мошенники «изобретают» различные «приборы» для связи с загробным миром! Так, один американский «физик» предлагал доверчивым простакам за два с половиной доллара книгу, где даётся полное описание радиотехнических приборов, при помощи которых можно вести беседы с «миром усопших»!

Все силы мрака, — писал великий русский учёный К. А. Тимирязев, — ополчились против двух сил, которым принадлежит будущее: в области мысли — против науки, в жизни — против социализма.

Советская материалистическая наука ведёт активную идейную борьбу против всякого рода проявлений чуждой, буржуазной идеологии, ведёт борьбу за преодоление пережитков капитализма в сознании людей.

Опираясь на материалистическое мировоззрение, наша наука разоблачает реакционную сущность «просвещённого» суеверия наших дней в капиталистических странах. Она даёт правильное непримиримое с религиозными суевериями научное объяснение закономерностей мира.

Советская власть создала неограниченные возможности развития науки, поставила науку на службу народу. «Раньше, — говорил В. И. Ленин, — весь человеческий ум, весь его гений, творил только для того, чтобы дать одним все блага техники и культуры, а других лишить самого необходимого — просвещения и развития. Теперь же все чудеса техники, все завоевания культуры станут общенародным достоянием…»

«Подлинная наука, связанная с жизнью, безжалостно рвёт со всеми устаревшими традициями, не терпит косности, рутины, равнодушия к росткам нового. Передовая наука в условиях социалистического общества смело смотрит в будущее. Социалистическое государство создаёт самые благоприятные условия для развития науки. Советская наука открывает беспредельные возможности для использования неисчислимых богатств нашей Родины, верно служит укреплению её сил и могущества» (Г. Маленков).

В нашей стране наукой овладевают миллионы. Советская наука не отгораживается от народа, она всё больше проникает в массы трудящихся. Товарищ Сталин поставил перед нашими учёными благородную задачу — работать с народом, работать для народа. Задача советской науки — всемерно помогать народу осуществлять строительство коммунистического общества.

И советские учёные, вооружённые великим учением Ленина — Сталина, успешно разгадывают новые и новые тайны строения вещества.

«…Марксистский философский материализм, — говорит товарищ Сталин, — исходит из того, что мир и его закономерности вполне познаваемы, что наши знания о законах природы, проверенные опытом, практикой, являются достоверными знаниями, имеющими значение объективных истин, что нет в мире непознаваемых вещей, а есть только вещи, еще не познанные, которые будут раскрыты и познаны силами науки и практики» («Вопросы ленинизма», 11-е изд., стр. 543).

За нашей передовой советской наукой и практикой будущее!


Рассказ о строении вещества

Примечания

1

В современной таблице Менделеева повторение свойств химических элементов наблюдается не через шесть, а через семь элементов, благодаря позднее открытым так называемым инертным газам.

2

Слово «металлоид» означает неметалл.

3

В настоящее время найдено 88 химических элементов, существующих в природе, и, кроме того, 10 элементов приготовлено в лабораториях учёных искусственным путём (о них будет еще рассказано в последней главе нашей книжки). Таким образом, вместе с искусственно приготовленными элементами их всего известно 98.

4

Теперь известно, что в металлах часть электронов, помимо того, находится и в «свободном» состоянии — они беспорядочно движутся между атомами по всему куску металла.


home | my bookshelf | | Рассказ о строении вещества |     цвет текста   цвет фона   размер шрифта   сохранить книгу

Текст книги загружен, загружаются изображения
Всего проголосовало: 1
Средний рейтинг 3.0 из 5



Оцените эту книгу