Терри Пратчетт - Наука Плоского Мира

В нашей Вселенной люди пришли к пониманию того, что же делает элементы уникальными и отличает их от химических соединений. И снова проблески правильной идеи впервые возникают у древних греков. Демокрит предполагал, что материя состоит из неделимых частиц, которые он называл атомами («неделимый» в переводе с греческого). Неизвестно, верил ли кто-нибудь (даже сам Демокрит) во времена Древней Греции — возможно, это просто была интересная тема для дискуссии. Позднее Бойль возродил эту идею, предположив, что каждый элемент соответствует одному виду атомов, а соединения образованы комбинацией нескольких атомов. То есть элемент кислород состоит только из атомов кислорода, а элемент водород — только из атомов водорода. Вода же — это соединение и состоит не из атомов воды, а из атомов водорода и кислорода.

В 1807 году произошло событие, которое стало одним из самых значимых в истории как физики, так и химии. Англичанин Джон Дальтон нашел способ упорядочить различные атомы, из которых состоят элементы, и тем самым систематизировать химические соединения. Его предшественники обратили внимание на то, что когда элементы образуют соединение, они всегда следуют простой и неизменной пропорции. Такое-то количество кислорода + такое-то количество водорода дает такое-то количество воды, причем соотношение масс кислорода и водорода всегда одно и то же. Более того, эти пропорции соответствуют составу других соединений водорода или кислорода.

Дальтон пришел к выводу, что эти явления объясняются наличием у атомов постоянной массы, причем атом кислорода должен быть в 16 раз тяжелее атома водорода. Доказать эту напрямую было невозможно, так как атом слишком мал, чтобы его можно было взвесить. Однако даже косвенные доказательства были исчерпывающими и вполне убедительными. Так появилась теория «атомных весов», позволившая химикам расположить элементы в порядке возрастания атомного веса.

Начинается этот список так (в скобках указаны современные значения атомных весов): водород (1,00794), гелий (4,00260), литий (6,941), бериллий (9,01218), бор (10,82), углерод (12,011), азот (14,0067), кислород (15,9994), фтор (18,998403), неон (20,179), натрий (22,98977). Любопытно, что атомный вес почти всегда находится близко к целому числу (первое исключение — хлор с весом 35,453). Все это казалось непонятным, но начало все же было положено: теперь ученые могли искать новые закономерности и соотносить их с атомными весами. Однако проще было сказать, чем сделать. Никакой структуры в списке не было, свойства менялись практически случайным образом. Ртуть, единственный элемент, который при комнатной температуре находился в жидком состоянии — это металл (позже был обнаружен еще один жидкий элемент — бром). Многие элементы были твердыми металлами с самыми разными свойствами: железо, медь, серебро, золото, цинк, олово; сера и углерод твердые, но к металлам не относятся; многие элементы газообразны. Список был настолько беспорядочным, что когда несколько ученых, Иоганн Дёберейнер, Александр-Эмиль Бегуйе и Джон Ньюлендс, высказали оригинальную идею, что за видимым хаосом и неразберихой скрывается настоящий порядок, над ними просто посмеялись.

Заслуга за открытие правильной по сути системы принадлежит Дмитрию Ивановичу Менделееву, который в 1869 году построил первую из множества «периодических таблиц». В его таблице было 63 известных элемента, расположенных по возрастанию атомного веса. В ней также были пустые клетки — для еще неоткрытых элементов, которые предстояло занять свое место. «Периодичность» таблицы означала, что свойства элементов начинают повторяться через некоторое количество ячеек — в основном, через восемь.

Согласно Менделееву, элементы делятся на группы, члены которых разделены упомянутыми периодами, причем в каждой группе систематически проявляются сходства физических и химических свойств. Эти свойства повторяются настолько регулярно, что просматривая элементы одной группы можно обнаружить отчетливые, хотя и не абсолютно точные, числовые закономерности. Особенно хорошие результаты получаются, если предположить, что некоторые элементы еще не известные (это те самые пустые ячейки). К тому же сходства элементов группы позволяют предсказывать свойства неизвестных элементов до того, как они будут открыты. Если эти предсказания окажутся верными — вы достигли цели. Небольшие изменения в систему Менделеева вносятся до сих пор, но ее главные свойства остаются неизменными. Сейчас мы называем ее Периодической системой элементов.

Теперь мы знаем, что лежит в основе закономерности, открытой Менделеевым. Происходит это из-за того, что атомы на самом деле вовсе не такие неделимые, как считали Демокрит и Бойль. Действительно, их нельзя расщепить химическим путем — с помощью реакции в пробирке. Но зато это можно сделать с помощью особого физического (а не химического) процесса и подходящего оборудования. Эти «ядерные реакции» требуют значительно больших затрат энергии — в расчете на один атом — чем необходимо для химических реакций. Поэтому средневековые алхимики так и не смогли превратить свинец в золото. В наше время это возможно, однако стоимость оборудования будет колоссальной, а количество полученного таким путем золота — микроскопическим. В результате ученые были бы похожи на алхимиков Плоского Мира, которые сумели только найти способ превратить золото в меньшее количество золота.

Благодаря усилиям физиков, мы знаем, что атомы состоят из других, более мелких частиц. Сначала были известны только три таких частицы: нейтрон, протон и электрон. Массы протона и нейтрона примерно равны, в то время как масса электрона намного меньше. Нейтрон не имеет электрического заряда, протон заряжен положительно, а электрон несет отрицательный заряд, в точности соответствующий заряду протона. Атомы в целом не заряжены, поэтому количество протонов и электронов в них одинаково. На нейтроны же такое ограничение не распространяется. Приблизительный атомный вес элемента можно вычислить как сумму количества протонов и нейтронов — например, в атоме кислорода и тех, и других восемь штук, поэтому его атомный вес составляет 8 + 8 = 16.

По человеческим меркам атомы чрезвычайно малы — например, диаметр атома свинца составляет примерно 100 миллионных долей дюйма (250 миллионных сантиметра). Однако составляющие их частицы существенно меньше. Наблюдая за соударениями атомов, физики пришли к выводу, что протоны и нейтроны занимают крошечную область в центре — так называемое ядро — в то время как электроны, в сравнении с ними, занимают значительно большее пространство. В течение некоторого времени атом изображали в виде миниатюрной солнечной системы, в которой ядро играет роль Солнца, а электроны кружатся по орбитам, подобно планетам. Но эта модель себя не оправдала, ведь электрон — это движущийся заряд, который в соответствии с законами классической физики должен излучать энергию. В результате подобная модель предсказывала, что в течение доли секунды электрон должен потерять всю энергию и упасть на ядро. Физика, построенная на великих открытиях Ньютона, не в состоянии объяснить атом, построенный в виде солнечной системы. Тем не менее, планетарная модель все еще остается массовым заблуждением, «ложью для детей», которая автоматически всплывает в сознании. Она впитала в себя столько рассказия, что избавиться от нее уже невозможно.