Открытие взаимопревращаемости химических элементов

Сказанное выше может быть отнесено и к истории открытия превращения элементов. Соответствующая идея опять-таки в виде натурфилософской догадки была выдвинута еще Аристотелем и подхвачена в средние века алхимиками. Как гипотеза она была разработана в XIX в. Прау-том и его последователями. Но в закон она смогла превратиться лишь в XX в. после открытия, что радиоактивность есть распад элементов, и особенно после работ Резерфорда над искусственным разложением элементов.

 

В молодости Менделеев склонялся к этой идее, но к концу жизни решительно выступил против нее. Поэтому к тому времени существенным недостатком у Менделеева стало признание абсолютной неизменности и непревращае-мости элементов (единичного). С точки зрения такого взгляда на единичное периодический закон как всеобщее должен был казаться чем-то совершенно непонятным и необъяснимым. В самом деле: объективно периодический закон представляет собой определенный закон развития вещества (в форме химических элементов и их соединений); развитие же вещества исключает всякую мысль о каких-то абсолютно неизменных и непревращаемых элементах, которые в действительности являются лишь отдельными звеньями общей цепи развивающихся форм материи; обратно, допущение идеи абсолютно неизменных элементов уничтожает самое представление о развитии вещества, а тем самым делает невозможным рациональное истолкование закона, которому это развитие подчиняется.

 

Уже в XIX в. некоторые химики и физики — Крукс, Бертло, Столетов и др.— склонялись к мысли, что менделеевская система выражает собой закон развития вещества в области неорганической природы; однако эта мысль получила научное подтверждение только в XX в. после открытия радиоактивности. В результате изучения естественной радиоактивности тяжелых элементов было доказано, что взаимные превращения и переходы элементов совершаются всегда в порядке расположения их мест в периодической системе. Известный закон «сдвига» выражает, например, что при альфа-излучении происходит сдвиг элемента на два места влево от данного элемента (ядро излучает альфа-частицу и уменьшает свой заряд на 2 единицы). Открытые позднее искусственные превращения элементов и особенно явления искусственной радиоактивности показали, что образование более сложных атомов (с большим зарядом и большей массой), представляющее собой процесс усложнения и развития вещества (в форме химических элементов), также происходит в последовательности мест, занимаемых элементами в системе.

 

С другой стороны, теперь установлено, что распределение химических элементов (в форме их соединений) между различными сферами Земли, особенно между отдельными участками ее коры, происходило также согласно расположению элементов в менделеевской системе. Сравнительно молодая отрасль естествознания — геохимия (стоящая между геологией и химией) доказывает, что периодический закон является как раз тем общим законом, в соответствии с которым образовывались последовательно отдельные горные породы по мере постепенного остывания Земли,— другими словами, в соответствии с которым совершалось историческое развитие нашей планеты.

 

Если Менделеев и допускал возможность эволюции вещества в форме химических соединений, то он категорически отрицал ее для химических элементов. Взгляды Менделеева на элементы пришли, таким образом, в вопиющее противоречие с содержанием открытого им закона природы. В системе Менделеева (как он сам понимал ее) развитие вещества хотя и было отражено, но только как остановленное, как выраженное в застывших формах; оживить эти формы могла только идея о превращении элементов, которую как раз и отрицал Менделеев. Не понимая действительной, более глубокой связи между отдельным (элементом) и всеобщим (периодическим законом), Менделеев неизбежно должен был прийти к некоторому отрыву всеобщего от единичного, к частичному признанию принципиальной непознаваемости всеобщего. Гносеологические корни подобных уступок агностицизму со стороны Менделеева целиком коренятся в ограниченности, одеревенелости некоторых химических понятий, в первую очередь понятия «химический элемент».

 

В связи с открытием изотопов старая гипотеза Праута, односторонне отражавшая в свое время момент всеобщего в классификации химических элементов, в известной своей части получила подтверждение. С большим приближением можно считать, что атомные веса отдельных изотопов представляют собою целые числа, кратные атомному весу обычного (легкого) изотопа водорода, точнее — одной шестнадцатой части атомного веса кислорода.

 

Однако это вовсе не означает, что целиком подтвердилась идея Праута, будто все элементы представляют собою простое механическое сложение или уплотнение атомов водорода.

 

Прежде всего чисто количественный процесс (увеличение массы атома) сопровождается резким изменением (уменьшением) суммарного запаса внутренней энергии исходных систем. Уже по одному этому более сложная система не может рассматриваться как простая сумма исходных, более простых ее составных частей. Устойчивость вновь образующейся системы, как ее качественная характеристика, прямо зависит от запаса ее энергии; возможность дальнейшего уменьшения энергии определяет такие свойства ядер некоторых атомов, как, например, их способность к радиоактивному превращению; в зависимости от энергетического баланса этого превращения определяется и самый тип радиоактивного процесса.

 

Но этим не исчерпывается отличие современной трактовки изотопии от точки зрения Праута. Согласно закону Эйнштейна, между массой и энергией имеется взаимосвязь, именуемая иногда их эквивалентностью. Поэтому потеря системой определенного количества энергии влечет за собой потерю эквивалентного количества массы. Так, атомный вес гелия не равен точно четырехкратному атомному весу обычного (легкого) изотопа водорода, а немного меньше этой величины, так как при образовании гелия выделяется огромное количество энергии и, следовательно, происходит уменьшение массы. В связи с этим атомные веса изотопов не представляют собою в действительности целых чисел и не являются кратными (в строго математическом смысле этого слова) атомному весу изотопа водорода.

 

Признаком кратности, с точки зрения современных физики и химии, обладает не атомный вес изотопов и не масса ядра атомов, а «массовое число»; это число показывает, из скольких структурных частиц (обладающих массой, близкой к единице) образовано данное ядро. Обычный изотоп водорода имеет массовое число 1, тяжелый изотоп (дейтерий) — 2, наиболее распространенный изотоп гелия — 4 и т. д. Количественное изменение массы атома можно рассматривать как происходящее постепенно путем увеличения массового числа на единицу. Однако этот процесс имеет свои строго определенные границы (верхнюю и нижнюю), за пределами которых данный качественно определенный вид атомов (элемент) существовать уже не может; увеличение или уменьшение массового числа при таких условиях вызывает качественное изменение, скачок. Но и внутри общих границ возможного существования данного элемента существуют еще и другие количественные пределы, разграничивающие качественно различные области: область устойчивых ядер от области относительно неустойчивых, со временем превращающихся в другие элементы; так, изотопы свинца с массовыми числами от 204 до 208 — устойчивы, от 210 до 214 — радиоактивны. Скачки имеются и внутри обеих областей при последовательном переходе от изотопов с четным массовым числом к изотопам — с нечетным. Как правило, первые являются более устойчивыми, а потому обладают большим распространением в природе, нежели вторые. Например, в ряду изотопов свинца с массовыми числами от 204 до 214 отсутствуют три изотопа с массовыми числами: 207, 209, 213. Соответствующие атомы, вследствие их неустойчивости, вообще не существуют в природе (по крайней мере, в количестве, доступном наблюдению). Таким образом, постепенный прирост массового числа у изотопов одного и того же элемента вызывает каждый раз скачкообразное изменение в ядре.

 

Дело, следовательно, идет не о каком-то простом механическом «сложении» атомов водорода друг с другом, как думали Праут и его последователи, а о таком усложнении вещества, при котором количественные изменения переходят в качественные.

 

Еще нагляднее несостоятельность концепции Праута обнаруживается при рассмотрении постепенного увеличения порядкового числа элементов или положительного заряда ядра. С увеличением этого числа на единицу, т. е. при переходе от одного элемента к смежному с ним в менделеевской системе, меняется не просто число электронов в нейтральном атоме, но сама конфигурация электронной оболочки как целое претерпевает глубокое изменение; меняется взаимодействие между электронами и ядром и между самими электронами; меняется энергетическая характеристика всего атома, способность его приобретать или терять валентные электроны, образующие химическую связь между соединенными атомами, прочность этой связи,— словом, меняется вся химическая природа элемента. Все это совершенно не укладывается в рамки гипотезы Праута, поскольку она игнорировала качественную сторону явлений и учитывала только их количественную сторону.

 

Но особенно ясно несостоятельность гипотезы Праута в этой ее части обнаружилась после открытия нейтрона (1932). Нейтрон, так же как и протон, обладает массой, почти равной одпой атомной единице. Но в то время как протон имеет один положительный заряд, нейтрон представляет электрически нейтральную частицу. Согласно современным представлениям, ядра атомов образуются из протонов и нейтронов. Число протонов составляет заряд ядра (порядковое число), сумма протонов и нейтронов — его основную массу (массовое число).

 

Взаимная связь и природа сил, действующих между частицами внутри ядра, настолько сложны, что современная физика пока не в состоянии полностью их объяснить. Предполагается, что связь нейтронов с протонами внутри ядра носит «обменный» характер и что через их непрерывное взаимопревращение осуществляется их связь в ядре атома. Это показывает, что в образовании элементов принимают участие не какие-то однородные, тождественные между собой, абсолютно неизмененные частицы, как это считалось согласно механистической концепции развития вещества, а качественно различные, все время изменяющиеся частицы, взаимодействие которых носит несравненно более сложный характер, чем простое механическое и даже электромагнитное взаимодействие.

 

Если современная наука отвергла механистические выводы из гипотезы Праута, то в то же время она полностью подтвердила главную мысль этой гипотезы — идею развития элементов. Количественная сторона этого развития, отраженная в гипотезе Праута, выступила теперь в признании, во-первых, того, что ядра атомов сложны по своему составу; во-вторых, что атомные веса (правильнее — массовые числа) кратны единице, т. е. кратны массовому числу водорода; и, наконец, в-третьих, что эта кратность указывает на образование (развитие) более сложных ядер из более простых «единиц». Существенная поправка состоит в том, что те соотношения, которые Праут приписывал самим атомам в целом, в действительности касаются прежде всего их ядер. Последнее обстоятельство не умаляет принципиального значения открытия Праута, особенно если учесть, что его гипотеза была высказана всего несколько лет спустя после опубликования первых работ Дальтона по химической атомистике.

 

Следовательно, момент всеобщего в учении о химических элементах выступил теперь не только в признании всеобщей закономерной связи элементов, раскрытой Менделеевым, но и в признании всеобщего развития элементов, мысль о котором высказал Праут.

 

Сама идея о превращении элементов также прошла ряд этапов, которым отвечают категории единичного, особенного и всеобщего. В 1896 г. Беккерель случайно обнаружил у солей урана особого рода радиацию; спустя два года был открыт новый элемент — радий, обладающий тем же свойством, но в гораздо большей степени; однако сначала было еще не ясно, в чем состоит явление радиоактивности. Первым суждением о нем, по существу, явилась теория, высказанная Резерфордом и Содди в 1903 г. Эти ученые установили, что радиоактивность есть спонтанный распад единичных элементов.

 

Можно, сказать, что в это время учение о превращении элементов находилось на стадии суждения единичности. Констатировалась способность отдельного элемента превращаться в более простые формы материи.

 

В течение последующих десяти лет накопился огромный фактический материал о естественной радиоактивности; были установлены особые виды радиоактивного распада: а- и (3-излучение; были изучены, сначала порознь, а затем в их взаимном отношении, три особых радиоактивных ряда— урана, тория и актиния. Наконец, в 1913 г. был открыт основной закон радиоактивного распада, благодаря чему удалось выяснить отношение между радиоактивными процессами, а также между участвующими в них элементами.

 

К этому времени твердо установилось мнение о радиоактивности как особом естественном свойстве некоторой группы тяжелых элементов. Можно сказать, что учение о превращении элементов достигло тогда ступени суждения особенности.

 

Но уже в 1919 г. Резерфорду впервые удалось искусственным путем разрушить ядро атома первого легкого нерадиоактивного элемента — азота. А еще через два года были разрушены ядра ряда других легких элементов. Последующие открытия новых элементарных частиц, искусственной радиоактивности, новых видов ядерных реакций все больше подтверждали мысль о том, что при определенных условиях любой элемент может и должен претерпевать коренное превращение. В настоящее время многие из этих процессов еще не осуществлены, но можно считать, что физика на практике уже доказала в качестве общего принципа, что при определенных условиях любой элемент может и должен превращаться, прямо или через ряд промежуточных ступеней, в любой другой элемент. Можно сказать, что в целом с момента открытия Резерфорда (1919) учение о превращении элементов достигло ступени суждения всеобщности.

 

Таким образом, так же, как в истории открытия отдельных элементов и их периодической системы, так и в истории открытия превращения элементов, познание вещества двигалось в рамках категорий единичности, особенности и всеобщности. Поэтому к рассмотренной истории целиком применимы слова Энгельса: «Итак, то, что у Гегеля является развитием мыслительной формы суждения как такового, выступает здесь перед нами как развитие наших, покоящихся на эмпирической основе, теоретических знаний о природе движения вообще. А ведь это показывает, что законы мышления и законы природы необходимо согласуются между собой, если только они надлежащим образом познаны».

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (24.01.2019)
Просмотров: 78 | Рейтинг: 0.0/0