Величайшее эмпирическое обобщение​. К 150-летию открытия Периодического закона

Научные догадки вполне можно уподобить внезапным грозам: они приходят «без расписания». И если следовать одной из популярных версий открытия Периодического закона одна из таких «внезапных гроз» случилась утром 17 февраля 1869-го года, когда Дмитрий Иванович Менделеев, проснувшись в великолепном настроении и выпив по своему обыкновению стакан теплого молока, встал, умылся и сел завтракать…

Реформатский казался каким-то химическим синтезом:

из «Основ химии» и его дум о ней рождалась неповторимая песня,

пропетая всей культурной Москве и зажегшая неугасимую лампаду

огромнейшего восхищения перед ландшафтом науки,

увиденном в его целом.

Он поставил в курсе периодическую систему,

как некий космический, песни поющий орган;

из нажимов клавишей рокотали мелодии соединений веществ,

данные в ритме системы,

где качественность, вес и цвет элементов рождались из места таблицы, которую понимал Реформатский как музыку;

прямо с лекции этого непередаваемого химического вдохновителя

я окунулся в «Основы химии» Менделеева,

ставшей и мне химическим евангелием.

Андрей Белый,

«На рубеже двух столетий»

Научные догадки вполне можно уподобить внезапным грозам: они приходят «без расписания». И если следовать одной из популярных версий открытия Периодического закона одна из таких «внезапных гроз» случилась утром 17 февраля 1869-го года, когда Дмитрий Иванович Менделеев, проснувшись в великолепном настроении и выпив по своему обыкновению стакан теплого молока, встал, умылся и сел завтракать. За завтраком неожиданно для всех схватил подвернувшееся под руку письмо секретаря Вольного экономического общества А. И. Ходырева по поводу предстоящей командировки, связанной с объездом тверских артельных сыроварен, и записал на его обороте символы хлора и калия – элементов близких по атомному весу. Затем, забыв о еде, стал отыскивать сходные в этом отношении новые пары: фтор и натрий, бром и рубидий, йод и цезий… После чего уединился у себя в кабинете и, достав из конторки пачку визиток, принялся составлять понятную лишь ему картотеку, записывая на обратной стороне визитных карточек латиницу химических элементов вкупе с их основными свойствами. Притихшие домочадцы вспоминали, как за запертой изнутри дверью хозяин кабинета время от времени грозно рычал: « У-у-у! Рогатая. Ух, какая рогатая! Я те одолею. Убью-у!» [1, с. 197]. Происходившее в какой-то мере напоминало карточную игру, и биографы Менделеева впоследствии предположили, что Дмитрий Иванович, перемещая визитки из ряда в ряд, выкладывал своеобразный пасьянс, руководствуясь значениями атомной массы и свойствами простых веществ, образованных атомами того или иного элемента. «Я был с самого начала глубоко убежден в том, что самое основное свойство атомов – атомный вес или масса атома должна определять основные свойства каждого элемента Это вполне естественная мысль, но на нее не обращали тогда достаточного внимания. 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 преодолеть препятствия, казавшиеся тогда непреодолимыми», – говорил позднее Менделеев своему сыну Ивану [Там же, с. 197].

Тогда же, тем же февральским вечером 1869-го, Дмитрий Иванович отправил «новорожденную» таблицу в типографию, желая поскорее напечатать ее и разослать для ознакомления многим людям. А еще через пару дней Менделеев передаст написанную по этому же поводу статью Николаю Александровичу Меншуткину – для оглашения от имени автора на заседании Русского химического общества и публикации в соответствующем журнале. Там будут и такие строки: «Привожу за сим одну из многих систем элементов, основанных на их атомном весе. Они служат только опытом, попыткой для выражения того результата, который можно достичь в этом отношении. Сам вижу, что эта попытка не окончательна, но в ней, мне кажется, уже ясно выражается применимость выставляемого мной начала ко всей совокупности элементов, пай которых известен с достоверностью. На этот раз я желал преимущественно найти общую систему элементов» [Там же, с. 203]. Спустя 57 лет, в феврале 1926-го, Владимир Иванович Вернадский назовет это «эмпирическим обобщением» и в своем очерке «Биосфера в космосе» напишет: «Эмпирическое обобщение может очень долго существовать, не поддаваясь никаким гипотетическим объяснениям, являться непонятным и все же оказывать огромное благотворное влияние на понимание явлений природы.

Но затем часто наступает момент, когда оно вдруг начинает освещаться новым светом, становиться областью создания гипотез, начинает менять наши схемы мироздания и само меняться. Очень часто тогда оказывается, что в эмпирическом обобщении мы имели не то, что думали, или в действительности имели много больше, чем думали.

Типичным примером такой истории эмпирического обобщения может служить одно из величайших эмпирических обобщений – периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, которая после открытия Д. Мозли (J. Moseley), сделанного в 1915 г., стала широким полем для научных гипотез» [2, с. 51].

О каком «широком поле» говорил Вернадский?

Утвержденный Менделеевым принцип расположения элементов казался истинным почти полвека. Однако, уже самому Дмитрию Ивановичу пришлось дважды его нарушить и поставить более тяжелый кобальт перед более легким никелем, а теллур – перед йодом, иначе элементы в обеих парах не попадали на правильные места по своим химическим характеристикам. А в ХХ веке изучение продуктов радиоактивных распадов и вовсе смешало все карты: было найдено немало элементов, химически совершенно неразличимых, но обладающих разными атомными весами! Это уже было вопиющей ересью: любого различия в весе было бы достаточно, чтобы проявились различия в химическом поведении. Теперь же выяснилось, что это не так. Появилось несколько «свинцов», несколько «ториев», несколько «радиев»… Такие элементы Фредерик Содди назвал изотопами, то есть занимающими одно и то же место – одну и ту же клетку в менделеевской таблице. Нечто неизвестное позволяло им одновременно проявлять совершенно одинаковые химические свойства и при этом обладать разной массой! Принцип Менделеева попал по удар. И стало ясно, что химические элементы принципиально отличаются друг от друга не атомным весом, а чем-то другим. Объявить это надо было без всяких уловок. А без них, к слову, не обошлось. В стороне не остался даже сам Дж. Дж. Томсон! По его мысли, из двух химически неразличимых элементов более тяжелый вовсе не элемент, а соединение более легкого с атомами водорода… Идея тут же вызвала улыбки химиков: отличить чистый элемент от водородистого соединения они уж наверняка бы сумели!..

У многих тогда не нашлось решения возникшей проблемы. А некоторые вообще считали, что для этого еще крайне недостаточно фактического материала. И, скорее всего, никто не предполагал, что в апреле 1912-го, в Манчестерской лаборатории Эрнеста Резерфорда этим вопросом займется скромный и тихий датчанин Нильс Бор, у которого было преимущество неведения: он просто не знал, что поиски ответа преждевременны. И, как водится в таких случаях, сумел извлечь из неизвестности научные истины потрясающей простоты…

Согласно планетарной модели масса атома сосредоточена в его ядре. Планеты-электроны не в счет, они слишком легки. И если у различающихся по массе изотопов одинаковая «химия», то, стало быть, не ядра диктуют атомам их химическое поведение. Но если не ядра, то электроны! Больше-то в атоме ничего нет! Следовательно, у химически тождественных атомов должны быть тождественные электронные структуры. Но любой атом электрически нейтрален: электронов в нем столько, сколько способно удержать вокруг себя положительно заряженное ядро. И значит, ядра изотопов хоть и разной массы, но равного заряда. А это могло значить только одно: химическое поведение атомов зависит от величины заряда атомного ядра! И это же неизбежно меняло сам принцип построения периодической системы: элементы в ней следовало располагать в порядке возрастания заряда ядра. Последний же не бывает дробным: от клетки к клетке он может меняться только скачком и не меньше, чем на единицу. Что если так и идет до самого конца таблицы?! Тогда атомный номер элемента в Периодической системе просто равен заряду ядра!

Многое удалось бы объяснить, окажись справедливым это предположение. Но тут уж для безупречного вывода экспериментальных данных было и в правду маловато. И тогда, в апреле 1912-го, в беседе с венгерским радиохимиком Дьердем фон Хевеши Бор ограничился лишь устным замечанием по этому вопросу. В январе 1913-го, уже не устно, а в печати, эту же идею выдвинул амстердамский юрист и физик-любитель Ван-ден-Брук. А в июле того же года Генри Гвин Джеффрис Мозли заговорил с Бором о возможности проследить с помощью рентгеновских спектров, как меняется заряд ядра от элемента к элементу в таблице Менделеева. Впоследствии Бор рассказывал историкам: «Я объяснил, какова была моя точка зрения на истолкование Периодической таблицы… И тогда, насколько я помню, Мозли сказал:

– Олл райт! Увидим, так ли это» [4, с. 147].

Мозли сработал с фантастической быстротой. «…Уже в ноябре 1913 года я получил от него интереснейшее письмо с изложением важных результатов», – писал Бор, вспоминая свое тогдашнее удивление стремительностью произошедшего [3, с. 402].

Итоги исследований Мозли обладали редкой наглядностью. Сравнение фотографий рентгеновских спектров прямо показывало, как в излучении следующих друг за другом металлов наиболее яркая линия шаг за шагом сдвигалась в сторону все больших частот. А в формуле для этих частот некая величина увеличивалась с каждым шагом на единицу. Мозли назвал ее фундаментальной характеристикой атома и из простых соображений умозаключил: «Эта величина может быть только зарядом центрального положительного ядра, существование которого уже с определенностью доказано» [Там же, с. 403].

Между прочим, сравнивая спектры кобальта и никеля. Мозли тотчас увидел, что Менделеев был абсолютно прав, когда поставил более тяжелый кобальт перед никелем: для заряда кобальтового ядра получилось число «+27», а для никелевого – «+28». Бор так написал об этом: «Это было немедленно осознано как потрясающе выразительное свидетельство силы интуиции Менделеева, заставившей его в определенных местах периодической таблицы отступить от последовательности возрастающих атомных весов» [Там же, с. 404].

Периодическая система была гениальным обобщением-догадкой Менделеева: он ведь ничего не знал об устройстве атомов. И, тем не менее, сумел навести человечество на мысль, которая в современной формулировке звучит так: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов» [1, с. 204]. Есть мнение, что методологические принципы, разрабатываемые Менделеевым начиная с его студенческих исследований изоморфизма, были изначально сориентированы на поиск некой общей системы признаков веществ [5]. И это был его путь в науке. Иначе он не был бы Менделеевым.

Литература

Беленький М. Д. Менделеев. – М.: Молодая гвардия, 2010.

Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. – М.: АЙРИС – пресс, 2013.

Данин Д. С. Резерфорд. – М.: Молодая гвардия, 1966.

Данин Д. С. Нильс Бор. – М.: Молодая гвардия, 1978.

Дмитриев И. С. Человек эпохи перемен. Очерки о Д. И. Менделееве и его времени. – СПб, 2004.

Об авторе:

Игорь Анатольевич Изюмов – учитель физики гимназии № 3 города Аксая Ростовской области

Фото из архива «Учительской газеты»

Нильс Бор. – М.: Молодая гвардия, 1978.