Под знаком кванта.

Проследим еще раз цепочку рассуждений. В равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Известно, что 2 г водорода занимают объем 22,4 л; обозначим число молекул, которое содержится в этом объеме, через N_A. Те же самые N_A молекул кислорода занимают тот же объем 22,4 л, но масса их при этом не 2 г, а 32 г. Отсюда следует, что каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода; это означает, что, измерив плотность какого-либо газа и сравнив ее с плотностью водорода, мы сразу же определим его атомную массу.

Нигде до сих пор реальность атомной гипотезы не была видна так явно. Действительно, плотность — величина легко измеримая и привычная, поскольку она воздействует на наши органы чувств. Поразительно то, что таким простым способом можно измерить атомную массу — величину, недоступную непосредственному восприятию.

Число молекул N_A, которые помещаются в 22,4 л любого газа при 0°C и давлении 1 атмосфера, называют теперь постоянной Авогадро. Это одна из основных постоянных физики — подобно скорости света с или постоянной Планка h. Чтобы определить ее, достаточно знать абсолютную массу М одного атома водорода. И поскольку в 22,4 л содержится 2 г таких атомов, то число N_A = 2/M.

Гипотеза Авогадро была вскоре забыта, и лишь полстолетия спустя, в 1858 г., ей возвратил жизнь другой итальянский ученый — Станислао Каниццаро (1826—1910). Это было как нельзя более кстати, поскольку между химиками той поры не было согласия: почти каждый из них признавал только свою собственную таблицу атомных масс, органики не доверяли неорганикам, а созванный в 1860 г. в Карлсруэ съезд самых знаменитых химиков ни к какому соглашению не пришел. (Впрочем, резолюцией от 4 сентября 1860 г. он все-таки закрепил различие между атомом и молекулой.)

Только теперь, наконец, были достаточно правильно определены атомные массы элементов и можно было приступить к их классификации.

ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Довольно часто можно услышать рассказ о том, как Менделеев, выписав все элементы на оборотной стороне визитных карточек, долго раскладывал их, как пасьянс, пока не забылся кратким дневным сном. Во время этого-то сна к нему и пришло решение проблемы. Быть может, история эта не вполне достоверна, но даже те, кто относится к ней с полным доверием, должны все-таки понимать, что счастливому дню 1 марта 1869 г. предшествовало много других дней и ночей — бессонных и бесплодных, когда проблема казалась безнадежной.

В чем состояла трудность задачи? Вспомните пример с беспорядочной грудой пронумерованных кубиков — расставить их по порядку не составляет труда. Но на химических элементах нет ярлыков с номерами — это просто вещества разного цвета, твердые, жидкие, газообразные. Мы знаем только, что каждому из них можно поставить в соответствие число — атомную массу. Это число возрастает монотонно от элемента к элементу, и потому именно его приняли за основу классификации. Самое простое — многие именно так и поступали — расположить все элементы в порядке возрастания атомных масс, но это — занятие, достойное ремесленника, а не мастера. Прежде всего, откуда известно, что мы знаем уже все элементы? А без этой уверенности какой смысл располагать их по возрастающим атомным массам?

Проблема в действительности напоминает известную детскую игру в кубики, на которых изображены части картины и нужно сложить их все вместе так, чтобы эту картину воспроизвести. Теперь представьте, что часть кубиков утеряна, а на части других рисунки искажены. В этом случае изображение все равно можно восстановить, хотя, конечно, и с большим трудом. Нужно только стремиться представить себе именно картину, всю целиком, а не надеяться, что она сама собой получится, если произвольно и бездумно комбинировать между собой кубики. Менделеев владел как раз этим даром синтетического мышления. Он с самого начала представлял себе элементы не как набор случайных веществ, а как части единой системы. И в поисках этой системы элементов он не ограничился только их физическим свойством — атомной массой (хотя и положил его в основу систематики), а держал в памяти и комбинировал все остальные их — химические — свойства.

Во времена Менделеева было известно 63 элемента. В таблице, которую он составил в 1869 г., только 36 из них подчинились принципу возрастания атомных масс. Для 20 элементов этот принцип был нарушен, а для оставшихся 7 элементов Менделеев исправил атомные массы на основании своей таблицы. Он настолько верил в найденную систему, что предсказал на ее основе открытие еще 5 элементов: скандия (Sc), германия (Ge), галлия (Ga), технеция (Тс) и рения (Re), оставив для них пустые места в своей таблице. Эти элементы и в самом деле были впоследствии открыты: скандий (№ 23) в 1875 г., галлий (№ 31) в 1879 г., германий (№ 32) в 1886 г., рений (№ 75) в 1925 г., а технеций (№ 43) был синтезирован только в 1937 г.