ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Развитие представлений о химических элементах из "Химия изотопов Издание 2" Принципиальное значение открытия изотопии было бы недостаточно ясным вне связи с историей возникновения и развития представлений о химических элементах. Эти представления зародились еще в глубокой древности, но лишь около ста лет назад превратились в ту стройную систему, которая сейчас составляет фундамент физических наук. Подробное рассмотрение истории развития этих представлений не входит в задачи настоящей книги [34, 47], но на основных этапах следует коротко остановиться. [c.5] В течение многих веков в науке господствовали представления Аристотеля (IV в. до н. э.) об элементах. Они разнообразно видоизменялись и эволюционировали, 1ю сущность их оставалась той л е. Она заключалась в том, что первичными элементами считали не вещества, а свойства единой первоначальной материи. Материальные тела по этим представлениям возникают из комбинации первичных свойств, какими, по Аристотелю, являются холод и тепло, сухость и влажность. Из их попарного сочетания возникают четыре стихии вода (холод + влажность), земля (холод + сухость), воздух (тепло + влажность) и огонь (тепло Н-сухость). Объединяются они пятой стихией ( эссенция квинта ) — носителем духа и жизни. [c.5] Метафизические и лишенные опытной основы взгляды на элементы, как первичные свойства, а не материальные вещества, отвечали духу Аристотелевой науки, основанной на умозрительных абстракциях и отрицающей значение опыта в создании теорий и в познании природы. Только в 1661 г. Бойль выдвинул новое представление о химических элементах, как простых веществах, которые не состоят из более простых веществ и никакими химическими способами не могут быть разделены на еще более простые составные части. Бойлю не удалось, однако, дать вполне последовательрюго развития этих новых, близких к современным представлений. Он считал, что различие элементов заключается не в различии их атомов, а в разном их числе, сочетании и взаимодействии. Таким образом, химические элементы Бойля были еще лишены самой основной и характерной их особенности — качественных различий атомов. Бойль не вполне отказался от причисления к химическим элементам таких невесомых и невещественных свойств, как теплород и др. Представления о первичных частицах — атомах материи— также возникли еще в V в. до п. э. у Левкипа и Демокрита, были позже разработаны Эпикуром и Лукрецием, а затем развивались более или менее независимо от представлений об элементах. В настоящее время немыслимо отделять учение об элементах от атомистики, но долгое время никому не удавалось их объединить и найти ту неразрывную связь между индивидуальностью элементов и индивидуальностью составляющих их атомов, которая составляет основу современных взглядов на химические элементы. [c.5] Впервые это было сделано в середине XVIII в. М. В. Ломоносовым [114]— создателем современного материалистического учения о химических элементах, атомах и молекулах. [c.6] Уже в первых трудах студенческой диссертации (1739) и Элементах математической химии (1741) Ломоносов указывал, что все несмешанные тела состоят из однородных первичных корпускул , отвечаюш,их совре-ме1шым молекулам. В свою очередь, эти корпускулы состоят из физически неделимых элементов (позже названных им физическими монадами ) отвечающих современным атомам. Собрание таких элементов образует, начало , отвечающее современному химическому элементу. Каждый сорт корпускул образует смешанное тело , в котором соотношение начал такое же, как соотношение частей этих начал (т. е. атомов) в его корпускулах. В этих положениях заключены основы современных представлений о химических элементах и соединениях и основные стехиометрические законы, открытие которых обыкновенно связывают с химией конца XVIII и начала XIX в. [c.6] В следующих трудах Ломоносова — Опыт теории о нечувствительных частицах тел и вообще о причинах частных качеств и О составляющих природные тела нечувствительных физических частицах, в которых заключается достаточное основание частных качеств (1743—1744) эти положения получили дальнейшее развитие. В них, опираясь на ряд опытных фактов и логических рассуждений, Ломоносов показывает, что все тела состоят из мельчайших частиц, нечувствительных зрению , но вполне материальных, имеющих конечную протяженность, массу, инерцию и другие свойства физических тел. Предвосхищая за 120 лет работы Лошмидта, он даже вычисляет верхнюю границу величин атомов из толщины тончайших листиков золотой фольги. В этом же труде дано определение элементов, как предела разложения тел химическим путем. [c.6] Не останавливаясь на более поздних трудах Ломоносова, где эти взгляды были углублены и дополнены, нужно отметить, что он решительно отвергал разные невесомые флюиды , вроде теплорода и световой материи ( Размышления о причине теплоты и холода , 1749 ), которые Лавуазье сохранил еще в 1789 г. в своей таблице химических элементов. Ломоносов прямо не отрицал флогистона, как химическое вещество, но по существу его исторические опыты по обжигу свинца, приведите к открытию закона сохранения вещества, были одновременно первым и убедительным опровержением учения о флогистоне. С флогистоном из химии ушли последние пережитки Аристотелевых невещественных элементов. [c.6] Можно установить некоторую преемственность взглядов Ломоносова с его предшественниками, особенно Бойлем. Однако он пошел гораздо дальше их, впервые правильно определил различие между атомами и молекулами, связал их с химическими элементами, доказал, что те и другие являются материальными физическими тела ш, освободил химию от метафизических начал , заменив их материалистическими представлениями. [c.6] Взгляды Ломоносова значительно опередили современный ему уровень фактических знаний в области химии и не могли поэтому быть подкреплены достаточным экспериментальным материалом. [c.6] В конце XVIII и начале XIX в. было завершено создание основ химии. Лавуазье дал построенное на экспериментальной базе учение о химических элементах, а Рихтер, Дальтон, Авогадро и другие ученые этого периода разработали и обосновали атомистические представления в химии. С тех пор прошло еще почти полстолетия, прежде чем различия между атомами и молекулами широко вошли в химию, хотя они были уже ясно сформулированы Ломоносовым. [c.6] После ТОГО, как учение о химических элементах получило опытную базу и значительное число элементов было открыто, явилась потребность в их классификации и в установлении взаимной связи между ними. Этот новый этап разработки учения о химических элементах завершился периодическим законом Д. И. Менделеева (1869) [115], который и сейчас остается величайшим и наиболее плодотворным открытием в химии. [c.7] Периодический закон, выражаемый в сжатом виде общеизвестной таблицей системы элементов Менделеева, всегда был той путеводной нитью, которая вела к фундаментальным открытиям в химии. С его помощью были найдены остальные элементы, сверх 60 элементов, известных к моменту его открытия. Периодический закон систематизировал все основные знания в области химии и, что особенно важно, устанавливая связь между элементами, он был отправной точкой и постоянной опорой для разработки теории строения атомов и молекул, а затем и для тех открытий в ядерной физике, которые недавно привели к использованию атомной энергии. Открытие изотопов и дальнейшее развитие учения о них также неразрывно связано с периодическим законом. [c.7] Все эти открытия дополняли и совершенствовали периодический закон, но ни одно из них не потребовало его пересмотра. Наиболее существенным изменением была замена атомных весов порядковыми номерами в качестве характеристики расположения элементов в таблице и периодичности их свойств. Эта замена, однако, ни в коем случае не была ревизией закона Менделеева. Начиная от первых работ и вплоть до последних, Менделеев подчеркивал, что в поисках связи между свойствами элементов он остановился на атомных весах, во-первых, потому, что тогда они были единственной известной постоянной и точной характеристикой индивидуальности химических элементов, и, во-вторых, потому, что атомные веса выражают массу атомов, с которой тесно связаны запас их энергии и все свойства [116]. Менделеев не имел в своем распоряжении более непосредственного числового критерия, каким позже оказался порядковый номер, равный числу элементарных положительных зарядов ядра и равному ему числу электронов, окружающих ядро. Как известно, замена атомных весов этими числами ни в одном случае не потребовала изменения расположения элементов в таблице Менделеева и, более того, самые эти числа первоначально были установлены именно по последовательности элементов в таблице. [c.7] Вместе с созданием правильных представлений о химических элементах возник и всегда оставался актуальным вопрос о том, действительно ли они являются последним пределом деления веществ и не образованы ли они из еще более простых составных частей. [c.7] Еще в 1815 г. Праут обратил внимание на то, что атомные веса многих элементов кратны атомному весу водорода. Из этого он заключил, что атомы всех элементов построены из атомов водорода. Последующие точные определения атомных весов опровергли эту когда-то очень популярную гипотезу в ее первоначальном виде, но химикам всегда было ясно, что близкие к целым числам атомные веса встречаются слишком часто (особенно у легких элементов), чтобы можно было это объяснить одной лишь случайностью. Достаточно взглянуть на таблицу атомных весов, чтобы в этом убедиться из 25 первых эле.ментов у 11 атомные веса отклоняются от целых чисел не более чем на 0,02 единицы, а отклонения более чем на 0,1 единицы встречаются лишь у четырех. [c.7] Открытие периодического закона снова поставило на очередь вопрос о сложности элементов. Этот закон с очевидностью указывает на взаимную связь элементов и общность их состава. Сейчас можно не останавливаться на многочисленных прежних попытках разрешения проблемы строения атомов и сложности элементов, носивших из-за недостатка экспериментального материала спекулятивный характер и, большей частью, основанных на слишком поверхностном толковании таблицы Менделеева. Из них, однако, следует обособить работы известного революционера и ученого H.A. Морозова [117], сделанные в 90-х годах прошлого века в Шлиссельбургской крепости. Не имея возможности ни экспериментировать, ни знакомиться с новой литературой, Морозов с удивительной проницательностью предсказал ряд современных взглядов и открытий в области строения материи. Анализируя периодический закон и таблицу Менделеева, он предположил, что все атомы построены из трех первичных частиц и электрических зарядов, объяснил этим путем периодичность свойств, а также правильно предсказал нулевую группу инертных газов и су1дествование некоторых изотопов. [c.8] Теоретические и экспериментальные возможности физики прон1Лого века были недостаточными для разрешения задачи о сложности атомов, но уже в конце его были открыты электроны, радиоактивность, законы строения спектров и другие явления, подготовившие создание современных представлений о строении атомов и молекул. Сейчас мы знаем, что все атомы построены из трех сортов частиц протонов и нейтронов, образующих ядро, и окружающих его электронов. Изменяя число этих частиц, можно превращать атомы одного сорта в атомы другого сорта и таким путем искусственно превращать и изготовлять элементы. Изучая при помощи квантовой механики строение электронных оболочек ядер, можно дать точное количественное объяснение периодического закона и воссоздать таблицу Менделеева. Однако историческое развитие этих успехов шло в обратном направлении законы строения электронных оболочек и теория валентности были созданы на основании таблицы Менделеева. Современные взгляды на строение атомов из трех сортов элементарных частиц являются лишь промежуточным этапом, так как самая элементарность этих частиц очень условна они способны превращаться друг в друга и в другие элементарные частицы (нейтрино, позитроны, мезоны и др.), наблюдаемые при ядерных реакциях и в космических лучах. [c.8] Вернуться к основной статье