В марте 1869 года была опубликована первая версия периодической системы Менделеева. Систематический вид из рядов и групп она приобрела через пару лет – вот так выглядел вариант от 1871 года. Как известно (о чем я уже упоминал в статье про пределы таблицы Менделеева и элемент фейнманий). Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) принципиально превзошел своих учителей и коллег, в частности, Роберта Бунзена, Жана Лекока Буабодрана и Лотара Майера в том, что пытался не только классифицировать уже известные к тому времени химические элементы, но и расположить их в соответствии с увеличением атомного веса и периодическим паттерном химических свойств. Поэтому он не только оставил в своей таблице пустые клетки, но и сделал два исключения из периодического закона на материале известных ему элементов. Тем не менее, Менделеев весьма превратно представлял себе варианты заполнения «краев» таблицы. Ошибки Менделеева, в которых он даже упорствовал, были связаны с двумя неверными исходными посылками. Во-первых, Менделеев всерьез воспринимал концепцию мирового эфира (написал о нем серьезную аналитическую статью в 1902 году), хотя, еще в 1887 году был неоднократно поставлен эксперимент Майкельсона-Морли, фактически доказавший, что эфир не существует. Кроме того, на момент составления таблицы еще не была известна внутренняя структура атома (атом считался неделимым). Также Менделеев не предусмотрел в таблице 8-й группы, то есть, столбца с благородными газами.
Менделеев полагал логичным, что «смыкаться» таблица должна на стыке противоположных по свойствам групп: щелочных металлов (степень окисления, как правило, +1) и галогенов (степень окисления, как правило, +7). Именно поэтому, воодушевившись первым успехом, Менделеев попытался достроить таблицу с такими натяжками и найти в ней место для мирового эфира. Все эти поиски, которые предпринимал не только Менделеев, привели к «открытию» множества фантомных, несуществующих элементов.
Атомный вес и прочее низкоуровневое устройство элементов
В группах элементов, которые Менделеев выстроил в таблицу, уже прослеживалось сродство химических свойств в вертикальном направлении. В правом верхнем углу таблицы оказалось сгруппировано большинство неметаллов, но отдельные неметаллы и полуметаллы (мышьяк, сурьма, теллур, йод) находятся и в нижних рядах таблицы. Именно в паре теллур и йод Менделеев сделал первое исключение из возрастания атомной массы, но в пользу периодического закона: йод оказался легче теллура, но по химическим свойствам теллур очевидно сближался с серой и селеном, а не с бромом и хлором – напротив, более похожими на йод.
Здесь Менделеев сделал первый шаг к пониманию делимости атома. В большинстве клеток периодической системы находится несколько сортов атомов (позже названных "изотопами"), в которых количество протонов совпадает (количество протонов равно номеру в таблице), а количество нейтронов – отличается. Соответственно, в среднем в теллуре преобладают атомы с большим количеством нейтронов, а в йоде – с малым. Концепцию изотопов только в 1913 году сформулировал Фредерик Содди (1877-1956), о чем блестяще рассказал в своей нобелевской лекции в 1922 году.
К середине XIX века, когда уже давно были открыты уран (1789) и торий (1828), еще не было ни малейшего понятия и о радиоактивности (случайно обнаружена Антуаном Анри Беккерелем в 1896 году – образцы урана в ящике его рабочего стола засветили фотопленку, на которой лежали). Радиоактивность обусловлена нестабильностью некоторых атомных ядер и лишь опосредованно зависит от тяжести изотопов. Действительно, последним элементом, имеющим стабильный изотоп, является свинец (атомная масса 208, атомный номер 82). До начала XXI века таковым считался висмут (атомный номер 83), но в 2003 году было доказано, что висмут-209 также радиоактивен, превращается в таллий-205, но период полураспада этого изотопа на порядки превышает нынешний возраст Вселенной.
Поскольку Менделеев на момент создания своей таблицы не догадывался о существовании изотопов, он также не вполне понимал, что за элементы могут находиться между водородом (атомная масса 1,008) и литием (атомная масса 6,939). Он полагал, что водород дает начало полноценному нулевому периоду таблицы и, возможно, именно в этом периоде окажутся один или несколько элементов, из которых состоит мировой эфир. В 1902 году Менделеев написал обстоятельную статью «Попытка химического понимания мирового эфира». В статье он определяет эфир как «жидкость невесомая, упругая, наполняющая пространство, проникающая во все тела и признаваемая физиками за причину света, тепла, электричества и проч.». В этой статье он уже пытается примирить концепцию мирового эфира с открытой незадолго до того радиоактивностью и сравнивает атомы с «вихревыми кольцами», а не с твердыми неделимыми «зернами», какими их представлял Джон Дальтон, в 1809 году доказавший, что атомы - это физическая реальность, а не умозрительный древнегреческий конструкт. Тем не менее, косвенные доказательства существования эфира Менделеев «получил» уже в конце 1860-х. Об этом он также упоминает в статье. Ниже я вернусь к этой статье, так как в ней Менделеев высказывает провидческие идеи о природе элементарных частиц.
В 1868 году видный американский ученый Норман Локьер, основатель журнала «Nature», открыл в солнечном спектре новый элемент с ранее не известными эмиссионными линиями, который назвал «гелием». В версиях таблицы Менделеева ни от 1869, ни от 1871 года (приведена выше) гелий не указан, так как Дмитрий Иванович не представлял, в какую группу его отнести. Все вещества на Солнце существуют в форме ионизированного газа, поэтому по одной лишь спектральной линии было сложно понять, что представляет собой гелий при комнатной температуре. Но в вышеупомянутой статье Менделеев уже упоминает как о свойствах гелия (в 1881 году выделен Луиджи Пальмьери из газа вулканических фумарол, позже получен шведскими химиками в количестве, достаточном для установления атомного веса), так и о свойствах аргона - обнаружен Уильямом Рамзаем в 1894 году в ходе последовательного вымораживания воздуха. Менделеев указывает, что и гелий, и аргон обладают выраженной химической «недеятельностью», то есть, не вступают в химические соединения с другими известными элементами. Не вполне понимая устройство атома, Менделеев допускал, что гелий является не началом восьмой группы (благородные газы с целиком заполненной внешней электронной оболочкой), а окончанием нулевого периода, за которым следует водород.
Открытие Локьера стимулировало и других ученых направить спектроскоп в небо и искать там новые элементы, явно «иной» природы, нежели «земли» и металлы, которые в конце XIX века открывались при помощи минералогии. Непонимание природы электронных оболочек (электрон был открыт только в 1898 году), а также непонимание того, из чего именно складывается атомный вес «неделимого» атома привело к нескольким заметным псевдооткрытиям. Наиболее известным из них является «элемент» короний. Линии этого «элемента» были обнаружены в 1869 году в солнечной короне Уильямом Харкнессом и Чарльзом Янгом. К 1887 году научное сообщество опровергло «мнения скептиков» относительно того, что обнаруженный элемент является сильно ионизированными атомами железа (в действительности это были именно запредельно ионизированные атомы железа) – и он был назван «коронием». Более того, в 1898 году итальянский ученый Рафаэлло Насини даже заявил, что выделил короний из фумарол Везувия – таким образом, продолжая указывать на его сходство с гелием.
Менделеев ухватился за идею корония, так как, казалось, вот и начал достраиваться нулевой период таблицы. В конце 1860-х – начале 1870-х он полагал, что гелий должен быть легче водорода и иметь дробный атомный вес. Но, когда атомный вес гелия был уточнен (4,00), Менделеев допустил, что короний является благородным газом, который расположен над гелием, и масса его составляет около 0,4 от массы водорода. Также Менделеев предположил, что левее корония должен находиться и другой химически нейтральный элемент с дробной массой (около 0,17), который он назвал «ньютонием»:
…я прибавляю в последнем видоизменении распределения элементов по группам и рядам не только нулевую группу, но и нулевой ряд, и на место в нулевой группе и в нулевом ряде помещён элемент x (мне бы хотелось предварительно назвать его «ньютонием» — в честь бессмертного Ньютона), который и решаюсь считать, во-первых, наилегчайшим из всех элементов, как по плотности, так и по атомному весу, во-вторых, наибыстрее движущимся газом, в-третьих, наименее способным к образованию с какими-либо другими атомами или частицами определенных сколько-либо прочных соединений, и, в-четвертых, — элементом, всюду распространённым и всё проникающим, как мировой эфир.
Вот как выглядела периодическая система в приложении к этой статье, экземпляр 1905 года (извините за качество):
Здесь рамзаевские благородные газы находятся по левому, а не по правому краю таблицы. Также здесь предусмотрены нулевой период и первый период с водородом, где левее водорода оставлена клетка для благородного газа. Вероятно, через x Менделеев обозначает короний, а через y – ньютоний. При этом, в нулевом периоде должны располагаться элементы, из которых состоит мировой эфир.
Поиски необычных «небесных» элементов продолжались и в XX веке.
Одной из наиболее заметных «находок» такого рода был небулий, об «обнаружении» которого в эмиссионных линиях диффузных туманностей в 1898 году сообщала Маргарет Хаггинс. Предполагалось, что атомный вес небулия составляет около 2,74; соответственно, этот элемент должен был находиться между водородом (1) и гелием (4) и представлять собой нечто вроде «надкислорода».
Также в этом ряду заслуживают внимания протофтор («сверхлегкий галоген», предположительно расположенный в нулевом периоде выше фтора) и, в особенности, нейтроний. Нейтроний был теоретически предсказан в 1926 году немецким химиком Андреасом фон Антропоффым. Антропофф предположил, что этот элемент должен иметь вес примерно около 0,1 от веса водорода, практически не вступать в химические соединения и быть при этом всепроникающим.
Заключение
Эпоха этих странных открытий практически закончилась к началу 1930-х. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, в 1928 году Поль Дирак предположил о существовании позитрона, и в том же 1932 году существование позитрона подтвердил американский физик Карл Андерсон. 1930-е годы стали первым ключевым периодом, в который изучались механизмы радиоактивности, а в 1936 году было открыто деление ядра урана.
Стало понятно, что химических элементов с дробной массой менее единицы не бывает. Практическое и теоретическое изучение изотопов позволило понять, что ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов – не точечное, а имеет некоторую конфигурацию. Именно это осознание позволило заполнить две последние клетки в основной части таблицы Менделеева (до урана). Это были технеций (№ 43, открыт в Италии в 1937 году) и прометий (№ 61, открыт в США в 1945-1946 годах).
Тем не менее, сделанный исторический экскурс наводит меня на мысли, что описанные гипотезы Менделеева и других химиков XIX века привели не столько к неизбежному развенчанию теории мирового эфира и окончательному уточнению верхнего предела периодической системы элементов, сколько к предвосхищению элементарных частиц. Действительно, материя может существовать в виде частиц, сравнимых по размеру и массе с атомом водорода (протоном), но при этом инертных. Ньютоний подобен нейтрону, а нейтроний – нейтрино; кстати, для нейтрония было даже гипотетически указано свойство проникновения через любые вещества, которым так знамениты нейтрино. Более того, сегодня уже известно, что свободные нейтроны имеют период полураспада около 10 минут. Также существует гипотеза, что свободные нейтроны могут объединяться в своеобразные «изотопы» - динейтроны, тринейтроны и в особенности тетранейтроны; есть данные, что такие экзотические частицы могли быть экспериментально получены в 2016 году.
Разрозненные естественнонаучные ошибки и выдача желаемого за действительное редко могут объединиться в подобие новой научной теории. Но отчаянные попытки Менделеева открыть мировой эфир и концептуализировать мировой эфир, возможно, подвели его к идеям, которые могли бы предвосхитить открытия Резерфорда, Дирака, Ферми и огромную часть физики, а не химии XX века.
