Атомы и электроны - Бронштейн Матвей Петрович

Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы), затем эти молекулы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., подобно тому, как танцоры, переходя от одного танца к другому, образуют новые комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется только их распределение.

«Каждая частица воды, — говорит Дальтон в своей „Химической философии“, — в точности похожа на любую другую частицу воды; каждая частица водорода в точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое разложение и химическое соединение означают лишь то, что атомы удаляются друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен уничтожить материю или создать её вновь. Пытаться создать или уничтожить хотя бы один атом водорода так же безнадёжно, как пытаться прибавить ещё одну планету к Солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из существующих планет. Всё, что мы можем сделать, — это разъединить атомы, соединившиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соединить те атомы, которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга».

«Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность создания хотя бы одного нового атома данного химического элемента, невозможность превращения одних атомов в другие — всё это было необходимым выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась научная химия. Когда-то, в средние века, химики — тогда они назывались алхимиками — поставили своей целью искусственное приготовление золота; но это невозможно, как следует из «химической философии» Джона Дальтона, потому что ведь золото — это химический элемент, и, значит, невозможно ни создать, ни разрушить хотя бы один-единственный атом ; можно лишь извлечь золото из какого-нибудь химического соединения, в котором оно уже находится, но невозможно создать новое золото из свинца или ртути. И в самом деле, разве из всех стараний алхимиков хоть что-нибудь вышло? Получить золото из свинца или ртути им так и не удалось. И «химическая философия» Дальтона раз и навсегда ставила крест над попытками алхимиков: эти попытки были обречены на неудачу, потому что атомы вечны и неразрушимы.

В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить одни атомы в другие. Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать друг в друга. Впрочем, в 1816 году неожиданно нашёлся один сторонник этой мысли Роберта Бойля, пытавшийся подтвердить её фактами. Это был лондонский вольнопрактикующий врач Уильям Праут, который напечатал в журнале «Философские анналы» («Annals of Philosophy») статью, где обращал особенное внимание на тот факт, что все атомные массы, которые определил Дальтон и которые приведены в его «Химической философии», выражаются целыми числами. Это — очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы всех химических элементов были первичными, основными частицами, подлинными «кирпичами мироздания», неразложимыми на части и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислорода — ровно в семь раз? Праут предложил совсем другом взгляд на атомы, нисколько не противоречащий химическим опытам, но вместе с тем объясняющий и тот замечательный факт, что все атомные массы (измеренные в предположении, что масса атома водорода принята за единицу) оказались целыми числами. Мнение Праута вот какое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, — это и есть пять атомов водорода, очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода — это семь атомов водорода, тесно сцепленных друг с другом; атом ртути — это 167 тесно прижавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что всё на свете состоит в конечном счёте из водорода. А чем же объяснить, что всё-таки в химических опытах никак не удаётся, например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, всё дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда, например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удаётся разложить молекулу воды на атом водорода и атом кислорода, но никак не удаётся разложить атом кислорода на семь атомов водорода, т. е. удаётся разложить воду на водород и кислород, но не удаётся превратить кислород в водород. Атомы всех веществ, кроме водорода, по мнению Праута, — это такие же молекулы, но только гораздо более прочные и тесно сцепившиеся, а поэтому, действуя обыкновенными химическими способами, не удаётся их разложить. Но что произойдёт, если когда-нибудь будет найден «сильный и тонкий агент», о котором мечтал Роберт Бойль? Ведь с его помощью возможно будет превращать элементы друг в друга и даже, если угодно, осуществить идеал алхимии — получение золота: например (см. таблицу Дальтона), разбить атом на один атом и двадцать семь атомов , т. е. разложить ртуть на золото и водород.

Статья Праута была очень убедительна, — многие поверили в то, что водород есть действительно «первичное вещество», из которого состоит всё на свете. Одна только была беда — те химические анализы, основываясь на которых Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны: Дальтон был, правду сказать, плохой экспериментатор. Если провести анализы тщательнее и вычислить атомные массы точнее, то окажутся ли они по-прежнему целыми числами?

За грандиозную работу точного определения атомных масс и точного анализа состава химических соединений взялся знаменитый шведский химик Пенс Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. Берцелиус был убеждённейшим сторонником атомистической теории Дальтона, которую он называл «одним из величайших успехов химии». Но в других отношениях он многого не мог простить Дальтону.

«Следует упрекнуть Дальтона в том, — писал Берцелиус, — что он чересчур доверял своей собственной гипотезе и мало подвергал её экспериментальной проверке. Можно подумать, что даже в тех немногочисленных химических анализах, которые производил Дальтон, он руководствовался желанием получить определённый результат, а ведь такого способа действий всегда нужно остерегаться, особенно если цель опытов — получить решающее доказательство в пользу или против какого-нибудь предвзятого теоретического мнения».

И Берцелиус вооружился самой точной химической аппаратурой, какую только он мог достать или построить, и принялся за свои анализы. В течение своей жизни Берцелиус проанализировал больше двух тысяч различных химических соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних результатов не больше чем на 1–2 % (попутно Берцелиус открыл и несколько химических элементов, до него неизвестных: селен, кремний, циркон[4], торий, тантал). Вычисляя атомные массы, Берцелиус никогда не определял состав молекулы анализируемого вещества наугад, как это делал Дальтон, предположивший «для простоты», что молекула воды имеет состав , а молекула аммиака — состав (т. е. что каждая из этих молекул состоит из двух атомов). Берцелиус стремился определить состав молекулы так, чтобы удовлетворительно объяснить возможно большее число химических фактов. Таким образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух атомов, а из трёх — одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырёх атомов — одного азотного и трёх водородных, и т. д. Всё это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее подтверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные цифры — атомные массы — оказались сплошь неверны. Берцелиус опубликовал свои атомные массы два раза. Один раз в 1818 году он выпустил таблицу атомных масс, основанную на химических анализах, которые представляли рекорд возможной тогда в химии точности (но, всё же в атомных массах, выведенных из этих анализов, ещё было очень много ошибок вследствие неверных формул состава молекул). В 1826 году Берцелиус опубликовал новую таблицу, в которой он побил свои собственные рекорды точности. Атомные массы, которые были помещены в этой таблице, в громадном большинстве случаев очень близки к тем, которые приняты в химии и теперь.