Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв
50 лет спустя Джеймс Франк вспоминал: «...Поскольку в то время среди физиков господствовало откровенное недоверие к попыткам сконструировать модель атома при тогдашнем уровне знаний, то мало кто давал себе труд внимательно прочитать посвященную этому работу. Особо следует отметить, что Густав Герц и я вначале были неспособны понять огромное значение работы Бора...»
ГЛАВА 5
Представьте, что вы решили изучить жизнь клетки. Вы ставите над нею всевозможные опыты: нагреваете, облучаете, разрушаете и тщательно рассматриваете в микроскоп. Однако все ваши знания о ней будут неполными, пока вы не вспомните, что клетка — это часть живого организма и только в нем проявляет всю полноту своих свойств.
Нечто похожее произошло и в науке об атоме. До сих пор мы намеренно пытались изолировать атом и отбирали только те опыты, которые могут прояснить свойства отдельного атома. Однако задолго до опытов, доказавших сложную структуру атома, Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) установил, что атомы различных элементов образуют единый организм — естественную систему элементов.
Свое название «элементы» получили по буквам l, m, n латинского алфавита. Все слова состоят из букв, а их совокупность образует алфавит. Точно так же все вещества в природе построены из небольшого числа химических элементов, а сами они являются членами единой системы — алфавита элементов.
Надо сказать, что химиков никогда не могла удовлетворить мысль о независимом множестве качественно различных элементов. Поэтому они всегда стремились представить себе элементы как различные скопления частиц одного и того же рода. Такие попытки предпринимались уже в древности и в дальнейшем развивались по двум направлениям.
Демокрит верил, что все вещества в природе построены из атомов, а свойства веществ зависят от различных сочетаний атомов. Аристотель утверждал, что все сущее состоит из элементов, которые являются носителями определенных качеств.
Отголосок этого давнего спора дошел даже до наших дней: при слове «атом» у нас невольно возникает зрительный образ чего-то твердого, имеющего форму и размеры; при словах «химический элемент» мы пытаемся представить себе некое чистое качество безотносительно к его носителю. Быть может, поэтому учение о химических элементах вначале развивалось совершенно независимо от идеи об атомах. Впоследствии эти два учения так переплелись, что их перестали различать, но и поныне не удалось преодолеть психологический барьер, разделяющий их в нашем сознании. Пока что мы подробно проследили «физические истоки» науки об атоме. Теперь пришло время отыскать ее «химические истоки».
УЧЕНИЯ ДРЕВНИХ
Философы ионической школы, знаменитым представителем которой был Фалес Милетский (630—550 гг. до н. э.), признавали только один элемент — воду, «на которой покоится земля и которая дала начало всему, что есть». Впоследствии Эмпедокл (490—430 гг. до н. э.) добавил к воде еще три элемента: землю, огонь и воздух. Наконец, Аристотель (384— 322 гг. до н. э.) к этим четырем элементам присоединил пятый, духовный — quinta essentia,— воспоминание о котором сохранилось до сих пор в слове «квинтэссенция».
Нечто похожее было создано и в индийской философии. Но в отличие от греков, которые под элементами понимали вещества, воздействующие на наши органы чувств, в Индии элементы представляли себе как некие проявления единого духовного начала. Этих проявлений-элементов в индийской философии тоже было пять — по числу чувств, способных их воспринять: эфир—слух, ветер — осязание, огонь — зрение, вода — вкус и земля — обоняние.
В средние века учение об элементах возродили алхимики, среди которых обычно отмечают египтянина Зосима, араба Гебера (VIII век) и Альберта Великого (XIII век). Под элементами алхимики (вслед за Аристотелем) понимали не вещества, а качества, или «принципы». Ртуть служила «принципом» металлического блеска, сера — горючести, соль — растворимости. Они были убеждены, что,
смешав эти «принципы» в надлежащих пропорциях, можно получить любое вещество в природе.
Как правило, со словом «алхимия» связывают сказки о превращении ртути в золото, о получении эликсира жизни и прочие чудеса. На этом основании укрепилось снисходительно-пренебрежительное отношение ко всей истории алхимии. А ведь она насчитывает несколько веков! И трудно поверить, что ее тщательно разработанная философия и практические рецепты состояли только из одних заведомых глупостей. Мало кто знает, что алхимики изобрели спирт и, быть может, одним этим оправдали свое существование. Основная же их заслуга состоит в том, что стихийное экспериментирование, которому они предавались, привело постепенно к накоплению фактов, без которых наука химия никогда бы не возникла.
ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ
В XVII веке алхимия вместе с натурфилософией уступила место химии и физике. В 1642 г. появилось сочинение Иоахима Юнгиуса (1587—1657) «Диспуты о принципах материи», которое он вполне в духе века заканчивает словами: «Какие принципы должны быть признаны первичными для однородных тел, может быть познано не путем догадок, а только на основании добросовестных, детальных и прилежных наблюдений».
В 1661 г. вышла в свет знаменитая книга Роберта Бойля (1627—1691) «Химик-скептик», в которой он определил химические элементы как «некоторые примитивные или простые или совершенно несмешанные вещества».
По существу, это первое и почти современное определение элемента: элемент — это прежде всего вещество, а вовсе не «принцип», субстрат или идея. Оставалось пока неясным, как выделять эти элементы из природных веществ и по какому признаку можно отличить чистые элементы от их смеси или соединения. Например, сам Бойль полагал, что вода чуть ли не единственный чистый элемент, в то время как золото, медь, ртуть и серу относил к химическим соединениям и смесям.
Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) принял целиком учение Бойля об элементах, но он жил столетием позже и пошел дальше: он научился выделять элементы из химических соединений. По-видимому, Лавуазье был одним из первых, кто использовал весы не для приготовления порошков и смесей, а для целей исследования. Он исходил из предположения, которое сейчас кажется тривиальным, но в эпоху флогистона требовало немалой смелости: каждый элемент соединения весит меньше, чем все соединение в целом. Последовательно применяя этот принцип, он составил первую таблицу, содержащую около 30 элементов.
Взгляды Лавуазье настолько противоречили общепринятым в то время воззрениям, что рьяные последователи теории
