Закон симметрии простых тел. ​К 150-летию открытия Периодического закона

Сохранившийся архив Дмитрия Ивановича Менделеева содержит немалое количество не дошедших до почты посланий с пометкой автора «Это письмо не отправлено». И среди них – откровенно-гневное «Его Превосходительству» Николаю Николаевичу Зинину, где среди прочего есть следующие строки: «Что же Вы хотите, пишу прямо, чтобы я оставил свою область?»…

Каждая наука имеет свои специальнейшие глубины,

противопоставленные высочайшим принципам,

которыми владеть не умеют столь многие (чаще всего — специалисты);

редчайший дар — увидеть научный ландшафт как феномен культуры;

и, пережив его всячески (эстетически, философски),

пропеть им в сердца толп,

чтобы десятки и сотни из них двинуть в химию;

мобилизация кадров научных поклонников Менделеева —

специальность еще более редкая,

чем специальность отсиживанья у приборов…

Андрей Белый,

«На рубеже двух столетий»

Личная переписка, говоря возвышенно, в чем-то напоминает стихи: только некоторые из множества написанных и прочитанных писем отзываются в нас раскатистым эхом, которое длится десятилетиями. Иногда корреспонденция становится достоянием потомков, и первичные отголоски приобретают совершенно новое звучание.

Сохранившийся архив Дмитрия Ивановича Менделеева содержит немалое количество не дошедших до почты посланий с пометкой автора «Это письмо не отправлено».  И среди них – откровенно-гневное «Его Превосходительству» Николаю Николаевичу Зинину, где среди прочего есть следующие строки: «Что же Вы хотите, пишу прямо, чтобы я оставил свою область, Полагаю, что Ваши слова вырвались оттого, что Вы не знаете того, что я сделал, не следите за тем, что делается в области моих занятий, мне принадлежит указание на закон симметрии простых тел, что обещает большую будущность. Можно это сделать не работая? Вы это ведь не знаете, потому что следите за другою стороной науки. Не тщеславие заставляет меня писать так и, поверьте, не расчет, а право защиты перед уважаемым человеком. Если немцы не знают моих работ, то это и понятно и не обидно мне… Если сделанное мною присваивается другими… – я не говорю ни слова, потому что не имею грубого и вредного для науки самообольщения… Вам пишу… для того, чтобы прямо и ясно сказать следующее: прошу или не осуждать и не судить меня, или уже говорить так об ошибках моих работ, а не о том, что я не работаю» [1, с. 209, 210].

Чего же не знал и за чем не следил Зинин?

Скорее всего, речь шла о предварительном наброске будущей картины Периодической системы химических элементов. Основанием для такого вывода может являться упоминание «закона симметрии простых тел», которому Менделеев предрекает «большую будущность». Слово «симметрия», употребляемое древними философами в значении «гармония» и «красота», в дословном переводе с греческого означает «соразмерность» [3, с. 413]; понятие «симметричность» подразумевает одинаковость в расположении частей, элементов формы и свойств чего-либо. Не об этом ли думал Менделеев, положив «стикер» с обозначением бериллия рядом со «стикером» алюминия – в то время эти элементы считались аналогами. И не это ли побудило его, после сопоставления химических свойств, поместить бериллий над магнием? Тогда же, к слову, он изменит и значение атомной массы бериллия, а формулу его оксида запишет в соответствии с формулой оксида магния. Точно так же Дмитрий Иванович поступит с теллуром и йодом, отправив их в столбцы с элементами соответствующей валентности.

Значительно позднее, уже в ХХ веке, знаменитый писатель-фантаст и популяризатор науки Айзек Азимов напишет в своей «Краткой истории химии»: «Основываясь на увеличении и уменьшении валентности, Менделеев разбил элементы на периоды; первый период включает только один водород, затем следуют два периода по семь элементов каждый, затем периоды, содержащие более семи элементов Для того чтобы выполнялось требование, согласно которому в столбцах должны находиться элементы с одинаковой валентностью, Менделеев в одном или двух случаях был вынужден поместить элемент с несколько большим весом перед элементом с несколько меньшим весом… Поскольку этого оказалось недостаточно, Менделеев счел также необходимым оставить в своей таблице пустые места (пробелы). Причем наличие таких пробелов он объяснил не несовершенством таблицы, а тем, что соответствующие элементы пока еще не открыты. В усовершенствованном варианте таблицы (1871 г.) существовало много пробелов, в частности, не заполнены были клетки, отвечающие аналогам бора, алюминия и кремния. Менделеев был настолько уверен в своей правоте, что пришел к заключению о существовании соответствующих этим клеткам элементов и подробно описал их свойства. Он назвал их экабор, экаалюминий и экакремний («эка» на санскрите означает «одно и то же»). Тем не менее, часть химиков была настроена скептически и, возможно, их недоверие еще долго не удалось бы преодолеть, если бы смелые предсказания Менделеева не подтвердились столь блестяще» [1, с. 200].

Первое из таких подтверждений состоялось в 1875 году, после того, как француз Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл новый элемент, названный им галлием. Химические свойства галлия полностью совпали с гипотетическими свойствами «экаалюминия». А в 1879-м швед Ларс Фредерик Нильсон обнаружит «экабор» – скандий. И, наконец, в 1886-м, немец Клеменс Александр Винклер представит миру германий, тождественный «экакремнию». Но даже после этого таблице Менделеева предстояло множество передряг, связанных с ее структурной логикой. Еще ожидал своего ответа вопрос лантанидов, Бог знает, почему стеснившихся в одной клетке, а будущее уже припасло проблему размещения в таблице гелия, аргона и их аналогов, а также семьи радиоэлементов. К тому же, многие известные в мире химики, будто сговорившись, еще долгие годы продолжали работать, упорно не замечая Периодического закона. Более того, даже на родине, в России, в лучших ученых умах Петербурга бытовал весьма странный взгляд на химические науки, отражающий до крайности абсурдную ситуацию, в которой химику Менделееву вообще не нашлось места. Тот же самый Зинин, к примеру, несмотря на уже открытый Дмитрием Ивановичем закон, постоянно советовал ему заняться «своим», «чисто химическим» делом, чем вызывал в конце-концов гневные строки упомянутого выше письма, адресованного «Его Превосходительству»: «Вам пишу… для того, чтобы прямо и ясно сказать следующее: разработку фактов органической химии считаю в наше время не ведущей к цели столь быстро, как то было 15 лет тому назад, а потому мелочными фактами этой веточки химии заниматься не стану…»  [Там же, с. 207]. Хорошо, что письмо осталось неотправленным…

Справедливости ради стоит заметить, что и сам Дмитрий Иванович не уделил должного внимания работам своих предшественников и многого не знал об их попытках расположить химические элементы по возрастанию атомных масс. Менделеев почти не имел информации о работах француза Александра Эмиля Бегюйе де Шанкуртуа, англичанина Джона Александра Рейна Ньюлендса и немца Юлиуса Лотара Мейера, публикации которых не очень-то привлекли внимание ученого мира по причине явных ошибок и не слишком внятного изложения идей, довольно оригинальных, к слову, для отдельно взятых групп элементов, но лишенных обобщенной универсальности. По словам Айзека Азимова: «Менделеев воспользовался данными, не только для того, чтобы построить график, как это сделали Мейер и Бегюйе де Шанкуртуа, но и для того, чтобы построить таблицу, подобную таблице Ньюлендса. Такая периодическая таблица элементов была яснее и нагляднее, чем график, и, кроме того, Менделеев сумел избежать ошибки Ньюлендса, настаивавшего на равенстве периодов. Свою таблицу Менделеев опубликовал в 1869 году, т. е. раньше, чем была издана основная работа Мейера. Однако честь открытия Периодической системы элементов принадлежит Менделееву не из-за приоритета публикации, действительная причина состоит в том, как Менделеев построил свою таблицу» [Там же, с. 200].

Несмотря ни на что, исходная таблица быстро совершенствовалась. Исследуя кислородные и водородные соединения, Менделеев берется утверждать, что высшая форма этих соединений характеризует принадлежность элемента к данной группе. Затем приходит к выводу об ошибочном размещении таллия, свинца и висмута и после сопоставления удельных объемов отправляет их в третью, четвертую и пятую группы соответственно. Уран, местоположение которого в третьей группе Менделеев изначально находил сомнительным, будучи аналогом хрома, молибдена и вольфрама, надежно приютился в шестой группе. Освободившуюся вакансию заполнил индий. И только поиск и размещение в таблице предсказанных редкоземельных элементов оставались проблемой, неподъемной для исследователя-одиночки. В конце-концов, определив правильное расположение лантана и иттрия, Менделеев в декабре 1871 года прекратит свои изыскания, остановившись на красивом промежуточном решении: он отведет «редким землям» почти три ряда своей таблицы… (Впоследствии этим вопросом займется его верный ученик, пражский химик Богуслав Браунер, которого Дмитрий Иванович назовет «одним из истинных укрепителей Периодического закона» и специально закажет ему статью «Элементы редких земель», включенную затем в седьмое издание «Основ химии».) И конечно же Менделеев даже не мог предполагать, что чуть более полувека спустя с его таблицей будет связана еще одна, во многих отношениях показательная история…

11 декабря 1922 года Нильс Хендрик Давид Бор читал в Стокгольме свою Нобелевскую лекцию «Строение атома». На тот момент никто в мире не знал о строении атома больше, чем он. А Бор знал, что не знает, отчего атом устроен так, а не иначе. И не скрывал своего незнания: «…Существует еще много фундаментальных вопросов, ожидающих разрешения» [2, с. 241].

Еще в июне-июле 1912 года в «Памятной записке» Эрнесту Резерфорду, которую Бор никогда не публиковал, но всегда хранил, он «запрограммировал» квантовое истолкование Периодического закона Менделеева. В придуманных для устойчивости атомов электронных кольцах ему мерещилась неизбежная повторяемость свойств химических элементов. По его мысли, в каждом кольце могло быть от нуля до семи электронов. Всего восемь допустимых комбинаций. А по его соображениям, химия атома зависела от внешнего кольца. Как следствие, все элементы с одинаковым числом электронов в наружном кольце должны демонстрировать схожую химию. И сама собой возникала периодичность: у каждого элемента менделеевской таблицы через восемь клеток находился брат-близнец по поведению…

Увы, но проницательный взгляд на таблицу Менделеева неизбежно приводил к выводу: гармонию периодического закона числом «восемь» не исчерпать. В ней непонятным образом участвовали и другие числа – «два», «восемнадцать», «тридцать два»… И летом 1919-го Бор больше не утверждал, что электроны в каждом кольце водят коллективный хоровод по одной и той же орбите. Да и не было необходимости в кольцах: новая теория Бора разрешала каждому электрону устойчиво двигаться вокруг ядра по индивидуальной орбите, отвечающей дозволенному значению энергии. Можно было уверенно утверждать, что жильцы-электроны расселялись в доме-атоме по этажам. Причудливым был этот дом: цоколем служило атомное ядро, на первом этаже было две квартиры, на втором и третьем – по восемь, на четвертом и пятом – по восемнадцать, на шестом – тридцать две… Так объединяются химические элементы в периоды. И точно так же в группы-этажи с математической четкостью объединялись электроны в доме-атоме. Вспоминая тогдашние частично гадательные, частично логические построения Нильса Бора Оскар Клейн говорил: «…Они создали базу для открытия фундаментального закона природы, которому предстояло стать одним из краеугольных камней физики элементарных частиц: Принципа запрета…» [Там же, с. 201].

Провозглашенный шесть лет спустя Вольфгангом Паули Принцип запрета не разрешал даже двум одинаковым электронам проживать в доме-атоме по одному и тому же адресу. И потому, что в естественной структуре атома он каждому электрону указывал свое место, было немыслимым без знания этого Принципа дать безукоризненное толкование периодической системы элементов. Летом 1919 года Бор только-только начал нащупывать дорогу в таинственные глубины менделеевской таблицы. А в мае 1922-го в Копенгагене случился день, когда он перешагнул порог лабораторной комнаты Института теоретической физики на Блегдамсвей, где в то время работали венгерский радиохимик Дьердь фон Хевеши и голландский спектроскопист Дирк Костер. Бор пришел с текстом своей статьи о Периодической системе, и ему хотелось проконсультироваться у них по поводу небольшого примечания, в котором шла речь о семьдесят втором элементе.

В те майские дни 1922 года произошло нечто сенсационное: «Доклады» Парижской академии опубликовали сообщение спектроскописта Довийе об открытии слабых рентгеновских линий семьдесят второго элемента в спектре сложной смеси атомов из группы «редких земель». Сразу же последовало утверждение, что семьдесят второй тоже принадлежит к этой группе. Информация вызвала торжество французского химика Жоржа Урбэна, который питал особое пристрастие к редкоземельным элементам. Их группа обладала близнецовой общностью химических свойств. С непростой задачей их химического разделения и были связаны научные восторги Урбэна. Пятнадцать лет назад ему посчастливилось открыть самый тяжелый из этих элементов – семьдесят первый. В честь древнего названия Парижа он дал ему имя «лютеций». И ему страстно хотелось, чтобы и следующий, семьдесят второй элемент, тоже был отнесен к «редким землям». Опережая события, Урбэн даже нарек его «кельтием», полагая тем самым увековечить память о древних обитателях Франции – кельтах.

Дьердь фон Хевеши и Дирк Костер отлично все это знали. У Бора не было необходимости посвящать их в историю вопроса. Он просто появился в лаборатории с коротеньким текстом решительной фразы: «Элемент с атомным номером 72 не может быть редкоземельным» [Там же, с. 233]. По его мысли выходило, что если следовать принципу поэтажного заселения дома-атома электронами – 2, 8, 8, 18, 18, 32… – то предсказания в пределах менделеевской таблицы сводятся, в конечном счете, к арифметике. И элемент с семьюдесятью двумя электронами будет обязан походить на тот, у кого их сорок, т. к. 72-32=40. А это далеко не редкоземельный цирконий. И потому Урбэну рано торжествовать. К тому же, со стороны Довийе было крайне неосторожным провозгласить открытие нового элемента, базируясь на двух слабеньких рентгеновских линиях в донельзя запутанном спектре. Дирк Костер сразу же уверенно заявил это. А несколько месяцев спустя, в сентябре 1922-го, Хевеши предложил Костеру противопоставить французам результаты своего исследования проблемы. Путеводной звездой был боровский прогноз: семьдесят второй элемент химически подобен цирконию. Оставалось только приготовить циркониевый препарат из природного минерала. «…Первый же образец показал присутствие 72-го! Это было истинным везением», – вспоминал позднее Хевеши [Там же, с. 234].

Однако, следовало убедиться, в том, что спектры не лгут. Предстояло выделить новый элемент в чистом виде и изучить его химию. И хотя Костер с Хевеши уже придумали для «новорожденного» имя «гафний» – в честь древнего названия Копенгагена, – их исследование еще было очень далеким от завершения…

Когда 11 декабря 1922 года Нильс Хендрик Давид Бор поднимался на кафедру в Стокгольме, настроение его было приподнятым вдвойне. Телеграфные строки полученной накануне из Копенгагена телеграммы лаконично сообщали, что Хевеши и Костер довели свое исследование до абсолютно надежного финала. Утверждалось, что семьдесят второй элемент есть безусловный аналог циркония и с «редкими землями» у него нет ничего общего! «Кельтий» Урбена навечно войдет в историю научных заблуждений, а вакансию в Периодической системе по праву займет «гафний». Обещавший «большую будущность» «закон симметрии простых тел», открытый Дмитрием Ивановичем Менделеевым, полностью подтвердился.

Литература:

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

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

Философский энциклопедический словарь. – М.: ИНФРА – М, 1998.

Об авторе:

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