Краткая история науки - Уильям Байнум

То, что началось как попытка Менделеева внести порядок в систему элементов, стало настоящим ключом к секретам природы. Сейчас его таблица висит в классах и химических лабораториях по всему миру.

Большую часть девятнадцатого века химики активно занимались проблемой химического состава: какие атомы и радикалы входят в те или иные соединения. Инициатор первого химического конгресса Август Кекуле рискнул заглянуть дальше, он попытался затронуть вопрос химической структуры.

Сегодняшняя химия и молекулярная биология опираются на знания ученых о том, как атомы и молекулы расположены внутри вещества: какие они принимают формы и какие места занимают. Без подобной информации невозможно разрабатывать новые лекарства, и Кекуле стал первопроходцем в этой области.

Он рассказал о сне, в котором увидел цепочку из атомов углерода, свернутую в кольцо подобно змее, кусающей свой хвост. Это озарение привело к одному из величайших открытий, к обнаружению структуры бензола, соединения из водорода и углерода, имеющего как раз кольцевую структуру; радикалы или атомы могут присоединяться к разным местам этой структуры.

Это стало большим шагом вперед в органической химии.

Сны – это одно, тяжелая и упорная работа – совсем другое, и Кекуле провел за экспериментами в своей лаборатории много часов. Он придал смысл органической химии – химии соединений углерода – и научил весь химический мир распределять эти соединения по группам.

Кекуле был изумлен тем, как гибко ведет себя углерод, соединяясь с другими химикалиями. Газ метан, широко использовавшийся для освещения и отопления, имеет формулу CH4 – один атом углерода присоединен к четырем атомам водорода. Два атома кислорода могут вступать в комбинацию с тем же углеродом, образуя CO2, диоксид углерода. Но эти способы соединения оказались вовсе не единственными, поскольку те же кислород и углерод могут соединяться поодиночке, образуя CO, смертоносный газ оксид углерода.

Химики в конечном счете придумали слово, чтобы описывать шаблоны объединения атомов: валентность. И ее можно определить по месту, которое занимает элемент в периодической таблице Менделеева. Тогда было много размышлений, почему все обстоит именно таким образом, но проблема оказалась решена много позже, когда физики разобрались во внутренней структуре атомов и узнали, что такое электрон.

Электрон связал атом химиков с тем атомом, который изучают физики, и в следующей главе мы узнаем эту историю.

Атом очень нравился химикам, именно он вступал в химические реакции, он занимал определенное место в соединениях, он обладал свойствами, которые можно грубо предсказать по его месту в периодической таблице. Каждый атом обязательно был либо отрицательным, либо положительным в отношениях с другими атомами и имел определенный шаблон для объединения с ними, именуемый валентностью.

Химики также весьма ценили разницу между единичным атомом и группировкой атомов, молекулой. Они понимали, что хотя большая часть элементов предпочитала существовать в виде единичных атомов – водород и кислород, например, – в природе имеется и молекулярная форма (Н2 или О2).

Относительные атомные массы тоже были определены точно и аккуратно, начиная с 1 у водорода.

Но совсем ничего не давало малейшего намека на внутреннюю структуру атома. Химики понимали, что могут манипулировать атомами в своих лабораториях, но не в состоянии сказать, чем же на самом деле являются эти единицы материи.

Большую часть девятнадцатого века физики больше интересовались другими вещами: как трансформируется энергия, как можно измерить электричество и магнетизм, какова природа тепла и почему газы ведут себя определенным образом. Физическая теория газов – именуемая кинетической теорией – также включала размышления об атомах и молекулах. Но физики подобно химикам соглашались, что хотя атомная теория очень полезна, чтобы объяснять то, что они видят и измеряют, но понять природу атомов они не в состоянии.

Первый намек на то, что атомы не просто мельчайшие частицы вещества, появился вместе с открытием первого компонента атома – электрона. Эксперименты давно показывали, что атомы могут обладать электрическим зарядом, поскольку электрический ток в растворе привлекал одни из атомов к положительному, а другие к отрицательному полюсу.

Физики вовсе не были уверены, что электрические свойства атомов играют какую-то роль в химических реакциях. Они измеряли их электрический заряд, и обнаружили, что он дискретен, то есть состоит из отдельных единиц, их и поименовали «электронами» в 1894 году, сразу после того как Дж. Дж. Томсон (1856–1940) в Кембридже начал использовать катодную трубку в экспериментальной работе.

Катодная трубка очень проста, и удивительным выглядит то, как столь несложное устройство может рассказать нам столько о фундаментальной структуре атома и Вселенной. Большая часть воздуха из трубки удаляется, чтобы создать частичный вакуум, и на каждом из концов устанавливается по электроду. Когда через трубку проводится электрический ток, то происходит множество интересных вещей, начиная с испускания разного рода лучей (радиации).

Радиация – это потоки частиц или энергии, и ее разновидность, порождаемая в катодной трубке, состоит большей частью из быстро движущихся заряженных частиц. Томсон и его коллеги из Кавендишской лаборатории начали измерять электрический заряд и вес некоторых из них, и еще они попытались понять, как эти два параметра связаны между собой.

В 1897 году Томсон высказал гипотезу, что эти лучи – потоки заряженных субатомных частиц, иначе говоря, кусочков атомов. Он оценивал, что они весят в разы меньше самого легкого из атомов, водорода. Несколько лет понадобилось ученым, чтобы согласиться с тем, что Томсон в самом деле обнаружил электрон, ту самую единицу заряда, которую он и другие уже измеряли некоторое время.

Итак, внутри атома есть электроны. Но что еще там находится?

Ответ на этот вопрос удалось получить не сразу, а постепенно, после многочисленных экспериментов с катодной трубкой. Вакуум внутри нее становился все более разреженным, и все более сильные электротоки проходили через прибор.

Среди тех, кто сумел получить выгоду от этих технических усовершенствований, оказался студент, потом сотрудник и в конце концов наследник Томсона в Кавендишской лаборатории, новозеландец Эрнест Резерфорд (1873–1937). В конце девятнадцатого века Резерфорд и Томсон идентифицировали два разных вида излучения, испускаемых ураном, элементом, который сыграл важную роль в развитии физики.

Один из видов лучей, производимых ураном, изгибался, попав в магнитное поле, другой не изгибался. Не имея представления, с чем он столкнулся. Резерфорд назвал их просто «альфа» и «бета» по именам двух первых букв греческого алфавита. Термины прижились, а Резерфорд продолжил экспериментировать с той и другой разновидностью излучения десятилетиями.