Практическая деятельность Дмитрия Ивановича Менделеева в области физики

Практическая деятельность Дмитрия Ивановича Менделеева в области физики.

1. 1 Цели работы.

1. 2 Задачи исследования.

Глава I. Д. И. Менделеев как физик.

2. 1 Полученное образование.

2. 2 Первые шаги в науке.

2. 3 Основные работы.

Глава II. Д. И. Менделеев в метрологии.

3. 1 Исторические сведения о метрологии.

3. 2 Исследования Д. И. Менделеева а) в спектроскопии; б) наблюдение полного солнечного затмения.

Глава III. Периодический закон.

Заключение.

«. Я люблю свою страну, как мать, а свою науку - как дух, который благословляет, освещает и объединяет все народы для блага и мирного развития духовных и материальных богатств».

(Д. И. Менделеев)

В истории мировой науки запечатлены имена прославленных ученых, чьи открытия способствовали совершенствованию и прогрессу наших знаний о природе, овладению ее тайнами, использованию их на благо человечества. Среди них имя Д. И. Менделеева по праву занимает одно из первых мест. В своей исследовательской работе мы обратились к жизненному и научному пути именно этого человека, одного из самых ярких естествоиспытателей. Совершенно неслучайно именно эта область была затронута нами, так как, к сожалению, в нашем отечестве большинству людей Дмитрий Иванович известен лишь с одной стороны: как основоположник периодического закона, то есть, попросту говоря, как химик. Да, это, действительно, так. Невозможно недооценить роль химии в жизни современного общества. Это – и продукты питания, и предметы обихода, и топливо, и многое другое. В наш век невозможно жить без знания химии. Д. И. Менделеев почти за сто лет до открытия трансурановых элементов сумел предсказать их существование. Все последующее время после открытия закона явилось лишь практическим подтверждением гениального предвидения Д. И. Менделеева. История науки не знает аналогов подобного триумфа. Великий русский учёный предсказал огромное будущее химии. Но Дмитрий Иванович занимался не только изучением химии. Это далеко не полная картина деятельности ученого. Значительные открытия ученый сделал и в области физики. Представления Д. И. Менделеева о растворах составили ядро современных физико-химических теорий растворов.

За время жизни ученого Россия преобразилась и модернизировалась. Наследие, завещанное нам этим гигантом научной мысли и научного дела, поистине неисчерпаемо. В 2009 году исполняется 175 лет со дня рождения Дмитрия Ивановича Менделеева. Память о нём очень дорога.

Я согласна с тем, что «феномен Менделеева» будет еще долго изучаться учеными разных специальностей. Исследователи каждой эпохи всегда будут находить в жизни и творчестве великого ученого новые, созвучные их времени моменты, прочитывая его биографию как бы заново.

Создавая свою работу, я имела некоторые поставленные передо мной цели и задачи:

- познакомиться с биографией ученого и его научной деятельностью и творчеством по его работам (первоисточники);

- выбрать из найденных работ Д. И. Менделеева те, что касаются физики;

- исследовать самое интересное и понятное для меня из найденного в работах;

- из работ Д. И. Менделеева:

•Докторская диссертация «О соединении спирта с водой»,

•«Растворы» - «Курс теоретической химии»,

•«Зависимость удельного веса растворов от состава и температуры»,

•«Исследование водных растворов по удельному весу»,

•«О приемах точных и метрологических взвешиваний»,

•«Основы химии»

Д. И. Менделеев как физик

Во второй половине 19 века для развития физики в России усилиями многих творческих талантов был «построен фундамент», на котором впоследствии выросла школа исследователей и первооткрывателей, изменивших взгляд на науку вообще и физику в частности. Одной из причин для этого был резкий подъем развития мировой физики. Среди русских светил нужно назвать: Умова Н. А. , Лебедева П. Н. , Попова А. С. , Вульфа Ю. В. , Эйхенвальда А. А. , Михельсона В. А. ,Гольдгаммера Д. А. , Пирогова Н. Е. , Голицина Б. Б. , Столетова А. Г. и других. На десятилетие раньше Столетова на научное поприще вступил Д. И. Менделеев, но вступил в качестве химика. Однако уже в первых своих исследованиях Менделеев обнаружил ломоносовское понимание химии как науки, тесно связанной с физикой и механикой. Этот физико-химический уклон работ Менделеева вызвал даже неудовольствие среди университетских химиков, и многие склонны были считать Менделеева скорее физиком, чем химиком.

Полученное образование

Глубокое, ломоносовское убеждение Менделеева в огромном значении физики для понимания химических процессов заставляло его предпринимать ряд чисто физических исследований. Его излюбленные экспериментальные методы были методами физическими, и способы обработки и использования полученных им экспериментальных данных были гораздо ближе к физике, чем к химии. Эта «физичность» мышления и экспериментальных методов Менделеева объясняется в известной степени характером полученного им образования. Он окончил естественно-математический факультет Петербургского педагогического института, где, как ясно из самого названия факультета, разделения на физико-математические и естественные науки (к которым впоследствии относилась и химия) проведено не было. Благодаря этому будущие физики и математики имели основательное представление о химии, а химики – о физике и математике.

Состав профессуры был блестящий: химию читал Воскресенский, математику – Остроградский, физику – Ленц, астрономию – Савич; все – крупнейшие ученые того времени.

Первые шаги в науке

Первая работа Менделеева по физике относится еще к 1861 г. в результате пребывания его в Гейдельберге, куда он в одно время с несколькими другими выдающимися русскими молодыми учеными – Сеченовым, Бородиным, Олевинским, Боткиным – был командирован.

Как на одну из характерных черт личности Менделеева следует указать на самостоятельность его мышления, выражающуюся в том, что он мало поддавался посторонним влияниям. Эта самостоятельность мышления сказывалась и в Гейдельберге.

Менделеев, недолго проработав у Бунзена, устроил лабораторию дома и здесь занимался изучением поверхностного натяжения, которым ни Бунзен, ни Кирхгоф, ни другие гейдельбергские ученые не занимались.

Изучение поверхностного натяжения привело Менделеева к выводам, опережавшим современную ему науку. Учения о критическом состоянии еще не существовало, так же как и его теоретической интерпретации, данной Ван-дер-Ваальсом; не было введено еще и понятие о фазах. Однако Менделеев, имея предшественников в лице Каньяр-де-ла Тура и Дриона, пришел к выводу, что существует некоторая температура, названная им температурой абсолютного кипения, при которой поверхностное натяжение, а, следовательно, и молекулярное сцепление становятся равными нулю. Тогда свойства жидкости совпадают со свойствами газа, который никаким давлением уже не может быть обращен в жидкость. Эта работа Менделеева была опубликована в 1861 году.

Скрытая теплота испарения при температуре абсолютного кипения также становится равной нулю. Идеи Менделеева были подтверждены только опытами Эндрюса, опубликованными через 8 лет (в 1869 г. ), но не получили должной оценки в свое время.

Большая часть первых работ Менделеева, за исключением немногочисленных аналитических и синтетических, либо относится к чистой физике, либо же касается еще более широкой проблемы – установления связи между физическими и химическими явлениями. Мысль о единстве физических и химических явлений, представляющих собой только различные проявления каких-то основных свойств вещества, зародилась у Менделеева еще в 1865 г. Эту мысль Менделеев сформулировал вполне определенно в качестве одного из «положений» своей докторской диссертации «О соединении спирта с водой».

«Можно отличить только механическое смешение от молекулярного, а подразделять последние на химическое и физическое неосновательно. Образование определенных химических соединений есть частный вид молекулярного смешения.

Неопределенные химические соединения, например растворы, нельзя резко отделять от определенных, или так называемых истинных, химических соединений».

Физические методы Менделеев применял и в своей работе «Исследование водных растворов по удельному весу», которой сам он придавал большое значение.

Менделеев говорил: «В дифференциальных свойствах скорее, чем в интегральных, можно ждать уяснения задач теории растворов, потому что свойства эти, очевидно, освобождены от некоторых усложнений, вошедших в интегральные, и вся история точных наук показывает, что постижение сущности явлений достигается обыкновенно легче при рассмотрении дифференциальных их выражений, чем интегральных, которые вытекают из первых и обыкновенно прямую задачу исследования составляют. Во всем предшествующем изложении очевидно, что дифференциальные свойства поддаются и в отношении к растворам легчайшему, чем интегральные свойства, анализу и синтезу».

В 1865 г. Менделеев защищает диссертацию «О соединении спирта с водой», в которой он впервые формулирует положение созданной им гидратной теории растворов. В 1873 – 1874 гг. Менделеев читает первый в России курс по растворам, озаглавленный им «Растворы» - «Курс теоретической химии». Здесь Менделеев пытается сформулировать основные положения гидратной теории с точки зрения атомной механики, считая, что «атомы двигаются по эллиптическим орбитам вокруг какого-либо атома, составляя, таким образом, систему; последние в свою очередь могут также кружиться около своего центра движения и т. д. С переменой физического состояния тела формы этих эклиптик изменяются. Такое движение существует во всяком теле, и притом даже в состоянии покоя этого тела». Эта цитата показывает, что под химическим взаимодействием в растворах Менделеев понимал скорее то, что мы сейчас относим к действию молекулярных сил, чем чисто химические взаимодействия, что, впрочем, следует также и из приведенных раньше «положений» его докторской диссертации.

Основные работы

В 1887 г. появилась наиболее обширная из его работ по растворам – «Исследование водных растворов по удельному весу». Важнейшим результатом этой работы было установление распадения производных dр/dc, где р – плотность раствора, а с – концентрации, в виде ряда прямолинейных отрезков. Таким образом, оказалось, что при определенных концентрациях производные имеют разрывы, которые Менделеев считал доказательством наличия некоторых соединений между компонентами раствора, соответствующими данному процентному составу. Необходимо отметить, что сам Менделеев стоял на динамической точке зрения, совершенно забытой большинством его последователей и совсем не столь далекой от современных воззрений, как это многим кажется. Вот что он пишет: «А потому частицы, в эти условия поставленные, будут в постоянном друг с другом обмене. Одни соединяются в моногидрат, другие в пирокислоту, третьи в двугидрат, останется и часть свободных, что ясно по поверхностному испарению либо ангидрида, либо воды. И те частицы ангидрида, которые в данный момент и в данном месте свободны, через момент и в ином месте той же массы образуют или пирокислоту, или моно-, или двугидрат. При данной массе частиц воды и ангидрита среднее количество в данный момент каждого рода частиц будет определено условиями, в которых находится масса, но если эти условия сохранятся, а относительная масса частиц воды и ангидрита изменится, переменится и количество частиц, свободных или образующих то, либо другое из возможных соединений». Менделеев сам не считал, по крайней мере, в то время, свои взгляды окончательными: «Что касается до ближайшего разъяснения причины разрыва в химическом смысле, то, прежде всего, считаю необходимым высказать, что не будь ныне никакой возможности понять причину разрыва сплошности, все же его признать необходимо, как ясный признак химизма, а потому, если наше дальнейшее гипотетическое объяснение окажется не отвечающим истинной природе дела, это не должно колебать существа утверждаемого, а только должно заставить искать на место нашего другого, лучшего объяснения, которое будет опять сперва гипотезой, могущей превратиться в истину только по проверке ее приложимости к действительности, и особенно тогда, когда гипотеза, разрыв сплошности объясняющая, даст следствия неожиданные и новые, опытом или наблюдением оправдываемые».

Однако более тщательная обработка экспериментальных данных, в том числе и данных самого Менделеева, показала, что разрывы производных ((p/(c)т. р. в зависимости от концентрации раствора наблюдаются редко и поэтому образование химических соединений в жидких растворах является скорее исключением, чем правилам, позволяющим понять их свойства.

Взгляды Менделеева сыграли большую роль в развитии теории растворов особенно в России и Америке. Если не столько сам Менделеев, сколько его последователи пытались истолковать растворение как чисто химический процесс, то последовательное проведение точки зрения Вант-Гоффа приводило к другой крайности: индивидуальные свойства растворителя выпадали из рассмотрения, благодаря чему отодвигался и основной вопрос теории растворов – вопрос о растворимости. Кроме того, теория Вант-Гоффа, даже и дополненная гипотезой Аррениуса, была, в сущности, теорией идеальных растворов, в то время как взгляды Менделеева были приложимы ко всей области концентрации. Долгая борьба между этими взглядами не закончилась и до сих пор, так как и современная теория растворов электролитов, теория Дебая – Хюккеля, представляет, в сущности, также

теорию разбавленных растворов и учитывает роль растворителя только путем введения макроскопической диэлектрической постоянной в свои формулы.

Все попытки построения количественной теории более концентрированных растворов исходили из предположения о взаимодействии между молекулами растворенного вещества друг с другом или с растворителем, трактуя его или чисто химически, как это делал Менделеев, или электростатически. В настоящее время совершенно ясно, что будущая теория должна синтезировать взгляды Вант-Гоффа и комплексов, как два предельных Менделеева, охватывая идеальные растворы и растворы, состоящие из более прочных случая. В отдельных случаях, несомненно, возможно и образование истинных химических соединений между компонентами раствора.

Однако основную роль здесь играют молекулярные силы, являющиеся и причиной самого явления растворимости, более или менее удовлетворительной теории которого до сих пор не существует.

В 1884 г. Менделеев нашел империческое уравнение в первом приближении, довольно хорошо передающее изменение объема жидкостей с температурой. Оно обычно называется законом Менделеева и, если обозначить через V0 объем жидкости при температуре плавления, а Vt - при температуре t, имеет вид:

Vt = 1+k*(tпл – t) = 1+k*t’ , t’ = tпл – t.

k обозначает здесь некоторую постоянную, называемую обычно модулем расширения, tпл – температура плавления. Для плотности p этот закон имеет вид: p = p0*(1-kt0).

В 1886 г. Коновалов показал, что закон Менделеева может быть выведен из уравнения Ван-дер-Ваальса.

Этих работ было бы вполне достаточно, чтобы выдвинуть любого ученого в первые ряды физиков или физико-химиков XIX в. Следует еще раз подчеркнуть, что по характеру и точности методов исследования, по стилю обработки и широте высказываемых идей они были ближе физике, чем химии той эпохи. Интересно отметить, что Менделеев не пользовался термодинамикой в своих рассуждениях, но всегда старался истолковать их с молекулярно-статистической точки зрения. Не нужно забывать, что в это время термодинамика, особенно химическая, находилась еще в начальной стадии развития. Метод термодинамических потенциалов, ставший в наше время основным методом решения термодинамических задач, еще не получил своего развития, хотя работы Массье и Гельмгольца уже появились. Термодинамическая теория растворов была создана Гиббсом в 1875 – 1878 гг. , но оставалась неизвестной большинству химиков почти до начала XX в. Частично она было сформулирована Вант-Гоффом и Планком, не знавшими работ Гиббса, в 1886 – 1887 гг.

Докторская диссертация Менделеева «Рассуждение о соединении спирта с водой» вышла в 1865 г. , работа «Зависимость удельного веса растворов от состава и температуры» - в 1884 г. , и только «Исследование водных растворов по удельному весу» в 1887 г. Отсюда ясно, что идеи Менделеева возникли и сформировались вне влияния зародившейся позже термодинамической теории идеальных растворов, не говоря уже о том, что она неприменима к растворам, исследованным Менделеевым, свойства которых далеки от идеальности. Это стремление найти всегда наглядную молекулярную картину изучаемого явления роднит его с основоположником русской науки М. В. Ломоносовым, чрезвычайно интересовавшимся также и растворами и даже набросавшим план изучения этой области. Этот план не удалось выполнить не только ему самому, но и ученым всего мира за протекшие 200 лет.

Другой областью, в которой Менделеев проявил себя как выдающийся физик, является область метрологии.

Д. И. Менделеев в метрологии

Исторические сведения о метрологии

«Любая наука начинается там, где начинают измерять».

(Д. И. Менделеев).

Почти все единицы мер, принятые древнейшими народами, связаны с размерами частей человеческого тела. Такое происхождение имеют в частности дюйм (ширина пальца), фут (длина ступени), локоть (длина руки от локтя до конца среднего пальца), сажень (расстояние между концами средних пальцев двух вытянутых в стороны рук). Тысяча двойных шагов в древнем Риме получила название мили (от milia – тысяча).

Наиболее разработанной из древнейших метрологий была вавилонская, оказавшая значительное влияние на метрологию иных древних народов. До настоящего времени мы пользуемся единицами измерения времени, заимствованными из вавилонской метрологии (сутки имеют 24 часа; час имеет 60 минут; минута имеет 60 секунд).

Древнейшие метрологии заключали в себе измерение длин, площадей (земельных участков), объемов, веса, времени, а также монетные системы, связанные обычно с измерением веса.

До конца XIX в. большинство европейских стран имело свои особые системы измерений; особенно много их было в средние века и в новое время, когда Европа была раздроблена на много мелких государств. Азиатские, американские и другие страны и народы также имели свои особые системы мер и весов.

В старых русских рукописях (в «Русской правде» и др. ) сохранились сведения о единицах измерения, используемых в IX – XIII вв. в Киевской Руси. Подобно тому, как это было в Западной Европе, отдельные русские земли имели свои меры и весы. Регламентация мер была начата в Московской Руси и получила свое завершение при Петре I. Единица длины – сажень, была приравнена 7 английским футам. Тогда же были установлены меры сыпучих тел: гарнец и четверик, равный 8 гарнцам. До XVII в. была установлена мера десятины как единицы измерения площадей, равная 80*30 саженей, а также сложились меры веса: 1 пуд равен 40 фунтам и др.

С развитием общества росли требования к точности мер и измерений. Усилились торговые связи между отдельными странами и народами. Однако развитие торговых отношений усложнялось тем, что в каждом государстве существовали разные исторически сложившиеся системы мер и под одним и тем же названием в разных местностях зачастую подразумевались разные величины, например, существовали 100 различных футов (рабочий, землемерный, ткацкий, портняжный, инженерный, геометрический и др. ), 120 различных фунтов (большой, малый, обыкновенный, казенный, торговый, городской, медицинский, горный и др. ), 46 различных миль и т. д.

Бессистемность мер использовали купцы и крупные землевладельцы для еще большего закабаления бедного населения: меряя собственным аршином и собственным фунтом, они извлекали для себя максимальные прибыли.

Реформа системы мер была вызвана не столько научными интересами, сколько материальными интересами народных масс, страдавших от путаницы всей системы мер, от отсутствия правительственного контроля за мерами, от права феодальных владельцев вводить собственные меры.

Метрическая система мер была разработана французской Академией наук в 90-х годах XVIII в. во время Французской буржуазной революции и была введена во Франции 7 апреля 1795 г. В основу метрической системы была положена единица длины – метр, равная длине одной сорокамиллионной части парижского меридиана. Все остальные единицы измерений находились в определенных соотношениях с метром, причем за основу была принята десятичная система счисления, вследствие чего метрическая система экономически была самой выгодной. Несмотря на это, проведение новой системы в жизнь встретило большие препятствия. Проведение реформы мер было не в интересах крупной буржуазии, пришедшей к власти во Франции, а восстановление королевской власти(1815 г. ) содействовало забвению метрической системы, наряду с другими достижениями революции.

Революционное происхождение метрической системы препятствовало ее распространению и в других странах. Например, в 1823 г. петербургский академик Н. И. Фусс забраковал руководство геометрии Н. И. Лобачевского, мотивируя тем, что в нем за единицу длины принят метр, а за единицу измерения дуг – градус, а «сие разделение выдумано было во время Французской революции, когда бешенство нации уничтожить все прежде бывшее распространилось даже до календаря и деления круга».

В 1869 г. Петербургская Академия наук обратилась к научным учреждениям всего мира с призывом пересмотреть основание метрической системы с тем, чтобы она могла стать международной.

Достижения науки требовали заменить определение метра как одной десятимиллионной четверти меридиана, так как архивный метр не совпадал ни с одним из результатов последних измерений. По предложению Петербургской Академии наук за прототипы были приняты архивные эталоны метра и килограмма.

В 1877 г. в Париже на средства двадцати государств – участников «Конференции метра» было создано «Международное бюро мер и весов», которому вменено в обязанность хранить эталоны мер и изготовлять их образцы.

Новый эталон метра был изготовлен из устойчивого сплава платины и иридия и вместе с эталоном килограмма (масса 1,000028 куб. дм. воды при 400С) помещен в подвалах бюро на хранение (Франция, Бретёйльский павильон).

В царской России большую работу по подготовке и внедрению в обиход метрической системы мер провели Б. С. Якоби и Д. И. Менделеев, который с 1892 г. стоял во главе Главной палаты мер и весов, преобразованной впоследствии во Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева.

Новая реформа мер (введение системы СИ) является дальнейшим шагом по уточнению единиц измерения в международных интересах.

Исследования Д. И. Менделеева

Менделеев придавал огромное значение точности измерений и много сделал сам в этом направлении. Поэтому не случайно, что он возглавил в России Главную палату мер и весов и успешно руководил ею.

По мысли Менделеева, в этом учреждении метрология должна была культивироваться как самостоятельная научная дисциплина, помогающая разрешению научных проблем и выясняющая вопросы прикладного характера, которые возникают в хозяйственной жизни страны. За 14 лет управления Главной палатой Менделеев организовал в ней все необходимые для метрологии лаборатории, поставил и разрешил ряд важнейших метрологических задач, основал «Временник Главной палаты мер и весов». Изучение метрологических работ Д. И. Менделеева имеет большое значение при подготовке соответствующих кадров, и знакомство с ними носит много нового в понимание характера творческой деятельности великого русского ученого.

Только непосредственное ознакомление с этими трудами Менделеева может в полной мере дать представление обо всей их ценности как в момент их проявления, так и в отношении многих из них в наше время. Кроме того, чтение их доставляет глубокое удовлетворение вследствие ясно выраженной в них работы мысли великого ученого, усматривающего в каждом вопросе, на первый взгляд, казалось бы, иногда не имеющим большого принципиального значения, то, что делает разрешение его необходимым звеном в цепи последующих рассуждений.

Работа Д. И. Менделеева «О приемах точных или метрологических взвешиваний»1 и в настоящее время должна служить отправной точкой для всякого исследователя, поставившего себе задачей работу над вопросами, связанными с природой тяготения массы и химизма материи. В ней собраны ценнейшие результаты произведенных Менделеевым исследований в области точных взвешиваний, способствовавших наряду с работами международного бюро мер и весов замечательному развитию техники этого вопроса в XX в. и составляющих дальнейший шаг вперед в развитии методов взвешиваний и расчетов, обычно применявшихся в Международном бюро.

В указанной работе, как и в других, относящихся к этому вопросу: «Колебания весов», «Устройство весов», Менделеев всесторонне изучает этот прибор, обсуждает методы или приемы точных взвешиваний, указывает ряд конструктивных усовершенствований. Он исходит в этих исследованиях от основного вопроса, от способа определения положения равновесия коромысла по наблюдениям над колебаниями, ищет и находит эмпирический закон для убыли размахов, дает формулы для вычисления положения равновесия. Метод точного взвешивания Менделеева хорошо известен всем, встречавшимся с необходимостью сохранять постоянной чувствительность весов при точном определении весов сильно разнящихся между собой предметов. Разрабатывая конструкцию весов, которые бы обеспечили необходимую степень точности, Менделеев останавливается на вопросе об устройстве коромысла, разрабатывает теорию колебаний весов для случая прогибающегося коромысла.

Рассматривая вопрос о затухании колебаний весов, он находит закон зависимости от твердости подушки, на которую опирается маятник. Этот закон был им применен в устройстве дифференциального, или склерометрического, маятника – прибора для определения твердости вещества. На том же принципе построен в 1924 г. распространенный в настоящее время прибор, служащий для тех же целей, - маятник Герберта. Менделеев усовершенствует устройство арретира, улучшает конструкцию точных весов введением теплораспределителя для устранения возможности неравномерного нагрева плечей коромысла.

Эти работы были вызваны как исследованиями различных проблем – упругости газов, удельных объемов, растворов и т. д. , так и работой Менделеева в качестве руководителя Главной палаты мер и весов.

Может быть не столь уж широким кругам известно, что трудами Менделеева возобновлены прототипы русских мер длины и веса и какой грандиозный труд представляет собой работа ученых по этому вопросу. Чтобы оценить деятельность Менделеева при выполнении этой задачи, можно указать, что возобновление английских прототипов длилось более 20 лет при участии большого числа первоклассных ученых Великобритании во главе с Эри. Международная

метрическая комиссия при участии знаменитейших ученых и при затрате громадных средств работала с 1872 по 1889 г. , пока выпустила свои прототипы.

Начатые в 1893 г. работы Менделеева по изготовлению русских прототипов мер длины и веса привели не только к появлению его исследований о весах и взвешивании, но и целого ряда других исследований, относящихся к основным проблемам метрологии. В них разбирались вопросы о материале для эталонов, об их форме, отделке поверхности и методах ее обработки, о проверке. Степень точности взвешиваний, достигнутая благодаря разработке этого вопроса Менделеевым, обеспечивала результат, который при повторении точности взвешивания ныне нельзя требовать. Припомним, что 0,001 мг при грузе 1 кг взвешивания 1 кг отличался от следующего не более чем на 0,004 мг. «Выше такой составляет миллиардную долю, т. е. , например, при 1 миллионе рублей в золотых монетах только 0,1 копейки».

В главе II докторской диссертации «О соединении спирта с водой» главное внимание обращено на усовершенствование способов исследования и оценку данных опыта. В ней дается подробнейший анализ основных приемов определения удельных весов и разрабатывается метод применения пикнометров. Определение удельного веса двух главных действий: определения объема при двух главных действий: данной температуре и взвешивания. Изготовив определенной формы пикнометр (пикнометр Менделеева) и подробно разработал приемы его использования, Менделеев производит с ним те измерения, для которых пикнометр предназначался. Измерение производится так, что результаты получаются исправленными на расширение стекла, неправильность термометров (тщательная градуировка), на объем мениска, на неодинаковость объемов, на неточность гирь (тщательная градуировка) и весов и на взвешивание в воздухе; кроме того, удельные веса отнесены к воде при наибольшей плотности. По всеобщему признанию, данные относительно плотностей растворов спирта, полученные Менделеевым, до сих пор являются точнейшими в мировой литературе. Они легли в основу принятых в советское время в Союзе спиртометрических таблиц.

В связи с работами по восстановлению прототипов мер веса и длины перед Менделеев встал целый ряд вопросов о физических константах. К ним принадлежит вопрос о весе литра воздуха. В соответствующей статье Дмитрий Иванович дает критический анализ работ Реньо, Жолли, Людека и Рэлея, вводит в результаты, полученные указанными авторами, необходимые поправки и получает наиболее достоверное значение этой величины, принятое в основу работ Главной палаты мер и весов. Так же поступает он с вопросом о весе кубического дециметра воды. Он не считает последний вопрос разрешенным существующими работами и включает его в план работ Главной палаты, а пока в качестве временной константы вводит в обиход лабораторий Палаты среднее значение этой величины после внесения необходимых поправок из работ Шубур-Эвелина и Катери, Лефевра-Гино, Купфера и Ченея.

Изменение плотности воды при нагревании «представляет великий научный интерес как для понимания действия теплоты на вещество, так и для множества опытных исследований»2, - говорит Менделеев. Но вопрос этот не проработан в должной мере ни теоретически, ни опытным путем. В ряде работ великий ученый подвергает критическому разбору все известные ему наблюдения различных исследований этого вопроса и составляет эмпирическую формулу, наиболее достоверно выражающую закон расширения воды.

Много думал и работал Дмитрий Иванович над созданием благоприятных условий для развития отечественной промышленности. Он осматривал наиболее

крупные заводы и фабрики, изучал работу на всяком производстве не как узкий специалист, а во всем ее объеме. Он посещал промышленные выставки, как русские, так и иностранные; заботился о составлении справочников, энциклопедий в помощь техникам. Многие мысли этого величайшего ученого, касающиеся больших хозяйственных и экономических проблем страны, не могли быть осуществлены в условиях царской России. Еще до Рамзая Менделеев поставил проблему газификации углей, употребление 5 пылевидного твердого топлива, он мечтал о завоевании Арктики, он говорил об использовании Донецкого бассейна, Караганды, Кузнецкого бассейна. Многое, что он считал необходимым осуществить в интересах укрепления хозяйственной мощи России, как мы хорошо знаем, осуществлено было в СССР, а теперь и России.

Периодический закон

Величайшее и непрерывно возрастающее значение имеет открытие Менделеевым периодической системы химических элементов.

Чтобы более ясно представить себе значение указанного открытия, ознакомимся кратко с состоянием этого вопроса ко времени работы над ним Менделеева. Праут (1786 – 1850) высказал в 1815 г. гипотезу, что все элементы образовались в результате конденсации самого легкого из них – водорода. Их атомные веса поэтому должны быть целыми кратными атомного веса водорода. Гипотеза эта, вызвавшая много споров среди ученых, была полезна тем, что заставила произвести ряд точных определений атомных весов элементов. В то же время она побудила ученых к поискам связи между атомными весами элементах и другими характеризующими их свойствами.

Для нескольких аналогичных в химическом отношении групп из трех элементов – триад – Деберейнер (1780 – 1849) в своей статье «Попытка группировки элементарных веществ по аналогии» (1829) находит, что атомные веса средних элементов триады представляют почти точное арифметическое среднее крайних. В поисках установления закономерностей только триад Деберейнер не мог обнаружить химической близости для более крупных объединений элементов.

Значительные успехи в исследовании органических соединений, приведение к установлению гомологических рядов, в которых молекулярные веса возрастают на постоянную величину от члена к члену, позволили Петтенкоферу (1818 – 1901) в 1850 г. в работе «О правильных расстояниях между эквивалентными числами так называемых простых радикалов» (этот термин Петтернкофер дает аналогичным элементам) высказать ту идею, что простые соотношения между атомными весами проявляются не только в триадах, но и в более обширных естественных группах элементов.

Дальнейшие шаги расширить открытые Деберейнером и Петтенкофером закономерности, предпринятые Одлингом и Гладстоном, не привели к обнаружению периодичности свойств элементов. Причиной было то, что указанные авторы пользовались для классификации старыми атомными весами, найденными Берцелиусом.

Лишь после того, как для исследований по данному вопросу Ньюлендс в 1865 г. воспользовался предложенными Каниццаро атомными весами, ему впервые удалось нащупать периодическое появление химически аналогичных элементов при возрастании атомного веса, так называемые октавы Ньюлендса.

Можно упомянуть также гипотезу Шанкуртуа, предположившего в 1863 г. без каких-либо теоретических обоснований, что через каждые 16 элементов замыкается один период.

Приведенный здесь краткий обзор работ, предшествующих исследованиям Менделеева, свидетельствует о том, почва для проявления широкой научной обобщающей интуиции в этом вопросе была уже подготовлена. К этому моменту необходимо было появление исследователя, способного не только синтезировать уже известное, но могущего настолько отвлечься от этих исследований, чтобы, предвидя будущие открытия, не ограничивать свое мышление узкими рамками.

Открытие Менделеевым периодической системы не было случайным в развитии его творчества. Уже его студенческая диссертация об изоморфизме (1865) говорит о попытке установления связи между различными химическими свойствами и кристаллографической формой.

В дальнейшем Менделеев всегда искал связи между физическими и химическими свойствами.

Необходимо отметить, что основное понятие, которое было взято Менделеевым в качестве путеводной звезды при разыскании закономерности в распределении элементов, - атомный вес – приобрело право на признание химиков лишь на съезде в Карлсруэ в 1860 г. К моменту открытия Менделеевым периодической системы для многих из 63 к тому времени известных элементов атомные веса были определены или неточно, или совсем неверно. Менделеев устранил все эти затруднения.

Работая над составлением своих «Основ химии», Менделеев в 1869 г. открыл периодическую систему элементов. Менделеев сразу же понял чрезвычайную важность сделанного им открытия и, подробно его разработав, опубликовал. Независимо от Менделеева и почти в то же время к подобным, но к гораздо более узким выводам пришел и Лотар Мейер (1830 – 1895). Однако Мейер колебался в оценке своих результатов, и неизвестно, опубликовал бы он их, если бы не появилась по этому вопросу работа Менделеева.

В чем же по существу состоит открытие Менделеева? Для получения естественной периодической системы элементов, отвечающей их природе и свойствам, надо элементы расположить в последовательности их атомных весов в несколько рядов так, чтобы элементы, обладающие аналогичными свойствами, находились в одних и тех же вертикальных столбцах. При этом надо было иметь в виду, что общее число размещаемых элементов тогда было неизвестно, точно так же как и число еще не открытых элементов с промежуточными свойствами по отношению к известным. Дмитрию Ивановичу Менделееву наука обязана установлением двух форм периодической системы элементов, известных под названием «длинная» и «короткая» системы.

В «длинной» системе элементы должны быть расположены рядами, в порядке возрастающего атомного веса, и новый ряд должен начинаться с такого элемента, который очень близко повторяет свойства первого элемента вышестоящего ряда. В настоящее время мы хорошо знаем, что для элементов с малыми атомными весами это происходит через 8 мест, а для более тяжелых элементов – через 18 или 32 места.

Чрезвычайно трудно было при первоначальном решении задачи о периодической системе элементов подметить наличие этих периодов и расположить элементы в таком порядке, чтобы в нем отчетливо выступала указанная периодичность в свойствах элементов. Необходимо помнить при этом, что инертные газы в ту пору еще не были открыты. Самую длинную периодичность из 32 элементов Менделееву не позволило установить существование многих, еще не открытых элементов. Но все известные элементы были им с поразительной точностью помещены в «длинную» систему даже в тех случаях, когда валентность элементов не была достаточно хорошо известна. С глубокой проницательностью им были оставлены свободные места между некоторыми элементами. Впоследствии они были заполнены вновь открытыми элементами.

Как уже было указано выше, в длинной системе, кроме периодичности 18 элементов (17, по Менделееву), для веществ с малым атомным весом должна наблюдаться периодичность в 7 элементов. Вследствие того, что внутри рядов изменение свойств происходит постепенно, можно догадаться, что каждый такой длинный ряд скомбинирован из двух восьмичленных. Для этого надо только поставить или три определенных элемента на одно место, или же по два элемента на двух местах какого-либо из таких укороченных рядов. Расположению элементов в такой «короткой» системе мы также обязаны трудам Менделеева. В этой последней форме таблица, им составлена, известна нам как периодическая система элементов и из учебников, и из работ, использующих периодичность свойств химических элементов, отличаясь от данной Менделеевым лишь заполнением свободных мест вновь открытыми элементами.

Менделеев показал, что периодический закон является не только средством, позволяющим систематизировать весь громадный материал экспериментальной химии, но и орудием для предсказания существования еще неизвестных химических элементов и их химических и физических свойств, доказав этим, что периодический закон действительно является одним из основных законов физики и химии. Вскоре Менделеев имел возможность гордиться блестящим подтверждением правильности своих идей. Лекок де Буабодран в 1875 г. открыл галлий, Никольсон в 1879 г. – скандий, и Винклер в 1886 г. – германий. Все по своим свойствам в точности соответствуют трем предсказанным Менделеевым элементам. Созданная Менделеевым периодическая система элементам явилась одним из триумфов научной мысли того времени, однако, лишь в области химии. Значение периодического закона для физики, а также других областей науки, например геохимии, было понято лишь в XX в.

Периодический закон является вершиной научного творчества Менделеева. Его значение увеличивается с течением времени, а область применения только расширяется. Если в конце XIX в. периодическая система имелась только в наиболее передовых учебниках химии, то ныне все учебники химии строятся по принципу периодической системы, а сама система занимает почетное место во всех учебниках общей физики, теории атома, рентгеноскопии, радиоактивности, астрофизики, минералогии и многих других, на первый взгляд далеких от физике и химии дисциплин.

Теперь иногда приходиться слышать, что истинный периодический закон появился только после работ Резерфорда и Мозли, которые нашли величину, лежащую в его основе, - заряд ядра. Это неверно, и чтобы убедиться в этом, нужно только вспомнить, что понятие атомного номера, связавшее периодический закон с зарядом ядра, было введено Фан-дер-Бруком. Фан-дер-Брук в 1913 г. указал, что заряд ядра в единицах элементарного заряда совпадает с порядковым номером данного элемента в периодической системе, т. е. что периодическая система содержит правильный закон, завуалированный неправильно избранной независимой переменной – атомным весом. Этот неправильный выбор и создавал наличие в системе трех кажущихся противоречий: более тяжелые Ar, Ni и J стояли перед более легкими K, Co и Fe. Но Менделеев недаром советовал при исследованиях «ясно отличать правду действительности от истины умозаключения»1, и в данном случае он предпочел «правду действительности, т. е. совокупность физических и химических свойств Ar, Ni, J, заставляющих поместить их перед K, Co, Fe, «истине умозаключения» - принципу следования элементов по атомному весу. И он оказался прав: периодический закон остался, а понятие атомного веса как классификационный принцип расплылось и стало неопределенным в плеядах изотопов.

Таким образом, идея важнейшей характеристики атомного ядра – введение атомного номера – заимствована из периодического закона.

Обычно периодический закон рассматривают как основной закон химии; теперь совершенно ясно, что он является и одним из основных законов физики вещества. Убедиться в этом можно чрезвычайно просто, стоит только просмотреть зависимость ряда физических величин от атомного номера. На рисунке 1 (см. приложение) изображена кривая зависимости атомного объема от атомного номера; на рисунке 2 (см. приложение) показана зависимость первых ионизационных потенциалов, равных работе отрыва наиболее слабо связанного электрона в атоме, от атомного номера; на рисунке 3 (см. приложение) показана зависимость сжимаемости от атомного номера. Наконец, на рисунке 4 (см. приложение) показана зависимость температур плавления от атомного номера. К перечисленным примерам можно еще прибавить зависимость от атомного номера атомных электропроводностей (т. е. произведения удельной электропроводности на атомный вес) спектральных свойств и др.

Спектроскопия

Спектральные закономерности, связанные с периодической системой, особенно замечательны в том отношении, что они обнаруживают полный параллелизм между оптическими и химическими свойствами атомов. Мы остановимся на одной из этих закономерностей, связывающей основную химическую характеристику элемента, его валентность, его так называемой мультиплетностью. Мультиплетностью называется наблюдаемое в сильные спектроскопы расщепление спектральных линий на несколько близко расположенных линий; общеизвестным примером таких линий является знаменитая желтая двойная линия в спектре натрия. Как известно, каждой спектральной линии соответствует переход электрона с одной орбиты, на которой он имеет энергию En, на другую, где его энергия равна Em. По условию частот Бора испускаемая при этом переходе линия имеет частоту c En – Em v = ( = h, где h = 6,6256 * 10-27 * эрг * сек – постоянная Планка. Если возможны две орбиты с близкими энергиями En’ и En’’, то мы будем наблюдать две линии:

En’ - Em En’’ - Em v’ = h и v’’ = h.

Формулы для v показывают, что v всегда могут быть выражены в виде разности двух величин: En/h и Em/h, представляющих собой частное от деления энергии электрона в данном состоянии на постоянную Планка. Величины E/h называются спектральными. Оказывается, что кратность спектральных термов, т. е. число близких по величине энергетических уровней, на единицу больше химической валентности данного атома. Поэтому в спектре одновалентного натрия наблюдаются двойные линии – дублеты, у двухвалентных атомов магния, кальция и других элементов 2-й группы встречаются тройные термы, у трехвалентного алюминия – четверные и т. д. Так же как атомы многовалентных элементов проявляют в различных соединениях различную валентность, причем высшая валентность проявляется с трудом, так у одного и того же элемента существуют термы различной мультиплетности, и термы наивысшей мультиплетности встречаются редко.

С точки зрения наших современных представлений об атоме как о сложной системе электронов, расположенных вокруг центрального положительного заряженного ядра, совершенно ясно, что все эти вторичные закономерности являются только внешним выражением некоторой основной закономерности, заключающейся в периодичности определенных расположений электронов. Ясно также, что все эти закономерности связаны с внешними электронами атома. Свойства внутренних электронов никакой периодичности не обнаруживают, правильнее сказать, периодические свойства как бы затухают по мере того, как мы проникаем в глубь атома, как это показывает изучение рентгеновских спектров. Следовательно, задача теоретического обоснования периодического закона сводится к задаче теоретического определения свойств атома в зависимости от заряда ядра и числа электронов вокруг него (для ионов эти числа не совпадают).

К сожалению, в настоящее время эту задачу еще нельзя считать решенной в общем виде. Громадный экспериментальный материал, накопленный спектроскопистами, позволил выяснить связь между расположением электронов в атоме и периодическим законом. Прежде всего, оказалось, что изменению в тех свойствах атома, которые являются периодическими, всегда соответствуют изменения в числе и расположении внешних электронов атома. Каждому периоду соответствует образование электронного слоя; все электроны, принадлежащие этому слою, характеризуются одним и тем же главным квантовым числом n, почти целиком, вместе с зарядом ядра, определяющим энергию электрона. Расположение электронов внутри слоев характеризуется значениями так называемых побочных квантовых чисел l, могущих для данного слоя принимать все значения от 0 до n-1.

С точки зрения модельных представлений l характеризует отклонение возможных положений электрона от циклической симметрии, или, выражаясь языком теории Бора, эллиптичность его орбиты. Значение l=0 соответствует полной симметрии: вероятность нахождения электрона на расстоянии r от ядра одинакова во всех направлениях. Замечательно, что на протяжении всей периодической системы заполнение электронных слоев происходит таким образом, что слои с l>1 никогда не возникают раннее, чем появляются электроны в следующем слое. Это обстоятельство имеет чрезвычайно важное значение для оптики и химии, поэтому мы остановимся на нем далее. В 1924 г. Стонер мог сформулировать чрезвычайно важную закономерность, которой подчиняются все электроны атома, заключающуюся в том, что в атоме не может быть более двух электронов, двигающихся одинаково. Характер движения электронов в атоме определяется квантовыми числами n, l, me (последнее определяет пространственную ориентировку орбит, выражаясь на наглядном языке модели Резерфорда – Бора), следовательно, по Стонеру, в атоме не может быть более двух электронов с одинаковыми n, l, me. Одновременно со Стонером к такому же выводу пришел Мэйн Смит, исходивший не из спектральных, а из чисто химических соображений.

В 1925 г. Юленбек и Гоудсмит ввели предположение о наличии у электрона вращения вокруг оси, направление которого характеризуется четвертым квантовым числом s. Паули тогда обобщил принцип Стонера в такой форме: в атоме не может быть электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы равными. Это положение, известное под названием принципа Паули, хотя его справедливее было бы назвать принципом Стонера – Мейна – Смита – Паули, играет весьма большую роль в современной атомной физике. К сожалению, оно до сих пор не обосновано теоретически и представляет собой эмпирическую закономерность, выведенную из спектроскопических данных; уже поэтому ясно, что принцип Паули не может противоречить периодическому закону. Однако периодический закон не может быть выведен из одного только принципа Паули и связей между значениями различных квантовых чисел, вытекающими из квантовой механики.

Величины квантовых чисел n, l, me, s связаны друг с другом таким образом: l <= n-1; –l <= me +l; s = +/– (1/2), поэтому, если n = 1 n = 2 n = 3

l = 0 l = 0; l = 1 l = 0; l = 1; l = 2

me = 0; me = -1; 0; +1

me = 0 me = 0; me = -1; 0; +1 me = -2; -1; 0; +1; +2

s = +/- ½ ; s = +/- ½ ; s = ½; s = +/- ½; +/- ½; +/- ½;

s = +/- ½ +/- ½; +/- ½ s =+/- ½; +/- ½; +/- ½; +/- ½; +/- ½

2 2+2+2+2 = 8 2+2+2+2+2+2+2+2+2 = 18 то в слое с n=1 не может быть больше двух электронов, с n=2 – больше восьми, с n=3 – больше восемнадцати и т. д. Легко заметить, что общее число электронов в слое N равно: n-1

N = 2((2l+1) = 2n2.

Если мы сравним эти максимальные числа электронов в слое с длинами периодов менделеевской системы, то увидим, что они действительно совпадают: первый период содержит два, второй и третий – восемь, четвертый и пятый – восемнадцать, шестой – тридцать два элемента. Такие же значения N мы получаем для n = 1, 2, 3, 4. Но если учесть, что главное квантовое число для третьего периода равно 3, для четвертого – 4 и т. д. , мы уже получаем расхождение между периодическим законом и принципом Стонера – Паули. Правда, это расхождение исчезает при ближайшем рассмотрении таблицы, показывающей расположение электронов в различных атомах, потому что мы видим из нее, что третий и четвертый слои конце концов заполняются, и число электронов в них согласуется с принципом Стонера – Паули. Но принцип Стонера – Паули не может объяснить, почему заполнение третьего слоя обрывается на 8-м, четвертого, так же как пятого и шестого слоев, - на 28-м электроне, а седьмого, так же как и восьмого, - на 32-м. Нетрудно понять, что можно построить любое количество закономерностей, ничего общего не имеющих с периодическим законом Менделеева и вполне удовлетворяющих принципу Стонера – Паули.

Теперь мы можем оценить роль значительного и не объясненного до сих пор теоретического факта, заключающегося в том, что во внешних электронных слоях атомов всех элементов никогда не встречаются электроны с квантовым числом l>1. Таблица показывает, что по принципу Стонера – Паули при n=2 общее число электронов с l=0 и l=1 никогда не может быть больше 8. Однако и для n от 3 до 7 число электронов во внешних оболочках никогда не превышает 8 (этим числом электронов обладают атомы газов нулевой группы, кроме гелия с его двумя электронами). Но число электронов во внешнем слое определяет все основные оптические и химические свойства атомов и образующихся из них ионов, чем и обуславливается громадная значимость этого на первый взгляд как будто несущественного факта отсутствия во внешних оболочках атомов электронов с l>1.

Первая удачная попытка теоретического обоснования периодического закона была сделана в 1928 г. Ферми, который, основываясь на боровской теории и на предложенной Дираком и им самим статистике, вычислил число электронов, имеющих различные в зависимости от заряда ядра Zn (т. е. занимаемого элементом места в системе Менделеева).

По самому существу метода, дающего числа электронов N как непрерывную функцию Z и, следовательно, допускающего и дробные значения N, результаты формулы имеют приближенный характер. Однако они дают почти правильный ответ на наиболее существенный вопрос о номерах тех элементов, у которых появляются электроны с новым значением l. По Ферми, слой с l=0 начинается у водорода, с l=1 – у бора, с l=2 – у скандия, что вполне совпадает с действительностью, только для l=3 теория Ферми указывает на цезий (55) вместо церия (58). Так же приближенно передает теория и другие детали строения атома; например, у 30-го элемента число электронов с l=0 и с l=2 по теории одинаково. Интересно отметить, что проблема периодического закона почти не затронута с точки зрения квантовой механики, что, очевидно, объясняется отсутствием разработанной теории многоэлектронных систем. Для решения частных задач, т. е. предвычисления свойств отдельных атомов, квантовая механика разработала ряд методов, дающие превосходные результаты. Наиболее точным из этих методов является метод, предложенный Хартри и обоснованный и уточненный В. А. Фоком.

Сохраняется ли периодический закон при всех условиях? Должны ли мы считать, что при любых давлениях, температурах и т. д. у нас из ядра и электронов образуются те же атомы меди, хлора, неона и других привычных нам элементов? Этот вопрос требует еще дополнительных исследований. Высокие давления, несомненно, должны изменять расположения электронов и приводить к образованию изомерных элементов с тем же числом электронов, но характеризуемых другим набором квантовых чисел. Что такие элементы возможны, показывает, например, He, который существует при обычных условиях в виде двух изомеров – орто- и парагелия. Достаточно было бы появления во внешних слоях электронов с l=2, чтобы вся оптика и химия изменились, появились бы 9-, 10- и n-валентные элементы и термы с кратностью 10, 11. Возможно, что существование таких изомеров помогло бы выяснить некоторые проблемы геофизики и астрофизики.

Второй вопрос, который предлагает периодический закон современной теоретической физике, заключается в объяснении причин обрыва системы на элементе уране и в выяснении места обрыва. К теории самого периодического закона этот вопрос не имеет отношения, поскольку он относится к свойствам ядра, а не к электронной оболочке. Теперь ясно, что за ураном существует много элементов, но в земных условиях элементы 93 – 103 являются неустойчивыми, относительно быстро распадаются; по своим химическим свойствам они чрезвычайно близки к урану, что, может быть, является причиной первоначальных неудач в их поисках. Это является совершенно естественным, если представить себе периодическую систему в виде, предложенном в 1895 г. Юлиусом Томсеном, что в 7-ом периоде у нас имеется подгруппа, аналогичная редким землям, начинающаяся с Ac. В настоящее время все элементы группы актинидов, являющиеся аналогами группы лантанидов, включая и аналог гафния элемент 104, известны, их открытие, или, правильнее, создание, доставило периодическому закону новый триумф.

Упомянем еще об одной возможной причине неустойчивости тяжелых ядер. При увеличении заряда ядра радиус ближайшей к ядру устойчивой орбиты должен уменьшиться и, наконец, станет меньше той величины1, при которой применимы законы квантовой механики. Можно думать, что в этих условиях ближайшие к ядру электроны будут «пожираться» им, а потому само ядро будет, уменьшая свой заряд, переходить в другие формы. (Это явление носит название К-захвата. )

Является весьма распространенным взгляд, что Менделеев был убежденным сторонником «вечности и неизменности» химических элементов. Б. М. Кедров нашел в не опубликованных до этого работах Менделеева ряд высказываний, опровергающих эти взгляды. Менделеев не только размышлял о возможности превращения одних элементов в другие, но, даже, предугадывая связь между массой и энергией, предполагал уменьшение атомного веса за счет выделения энергии при таких превращениях. В своем дневнике в 1870 – 1871 гг. он пишет: «В суждении об элементах надо не забыть следующее. Что же такое вес? При сложении весов получается вес, равный их сумме, но может быть, когда образовывались простые тела, этого и не было. Если FeCl2 разложить, то сумма Fe + Cl = FeCl2. Но если Pt превратить в Fe +Fe + Fe + Fe, то не получится 224, а только может быть 197 – т. к. потерялась часть веса.

Мы говорим, что материя вечна, а потому и простые тела вечны, но надо обратно: мы не умеем разлагать простые тела, а потому вес постоянен».

Нельзя не признать, что в истории науки немного примеров такой гениальной интуиции, почти на 70 лет опередившей состояние науки во время написания этого замечательного предсказания. Никаких указаний на такую возможность не существовало, и поэтому Менделеев был прав, не опубликовав этих своих мыслей, хотя в более осторожной форме он все-таки высказал их в статье «Периодическая законность для химических элементов», появившейся в 1871 г. : «Соглашаясь даже с тем, что материя элементов совершенно однородна, нет повода думать, что весовых частей одного элемента или n его атомов, давши один атом другого тела, дадут n же весовых частей, т. е. что атом второго элемента будет весить ровно в n раз более чем атом первого. Закон постоянства веса я считаю только частным случаем закона постоянства сил или движений. Все зависит, конечно, от особого рода движений материй, и нет никакого повода отрицать возможность превращения этого движения в химическую энергию или какой-либо другой вид движения, когда образуются атомы элементов. Два явления, ныне наблюдаемые: постоянство веса и неразлагаемость элементов, стоят поныне в тесной, даже исторической связи, и если разложится известный или образуется новый элемент, нельзя отрицать, что не образуется или не уменьшится вес. Этим способом есть возможность до некоторой степени объяснить и различие в химической энергии элементов» («Новые материалы», стр. 66)3. Ядерная химия, ставшая в наше время одной из отраслей техники, блестяще подтвердила правоту предвидений Менделеева. Из кратких данных, приведенных выше, ясно, что периодический закон является основным законом физики вещества; значение этого закона возрастает и укрепляется из года в год. Его направляющее влияние на экспериментальные и теоретические исследования громадно и далеко еще не исчерпано. Открытие периодического закона является примером исключительной интуиции, позволившей Менделееву из открытой им закономерности сразу сделать все возможные в его время выводы до предсказания существования и свойств не открытых еще элементов, совершив, по словам Энгельса, «научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверье и Адамса, вычислившими орбиту еще неизвестной планеты (периодический закон) и его применение (предсказания свойств неизвестных еще элементов). Периодический закон является одним из основных законов физики вещества. Но Леверье и Адамс решили задачу о Нептуне превосходно разработанными еще до них методами небесной механики, а Менделеев сам разработал метод значимости для современного естествознания. Его открытие можно сравнить только с законом сохранения энергии. Открытие периодического закона позволяет нам считать Менделеева крупнейшим русским физиком и ставит его имя рядом с величайшими учеными – создателями современной физики.

Наблюдение полного солнечного затмения

Развитие авиации и воздухоплавания неразрывно связано с именем Д. И. Менделеева. Работы по газам, особенно изучение их упругости, метеорологические исследования всегда привлекали внимание прославленного творца периодического закона, пришедшего в связи с работами над указанными проблемами к творчеству в областях, связанных с техникой овладения воздушной стихией. Работы Д. И. Менделеева имели большое значение для развития наук, на которых основываются воздухоплавание и авиация.

В 1887 г. Менделеев решил использовать воздушный шар для наблюдения солнечного затмения. Седьмого августа был серый дождливый день, все небо затянуто тучами, и шар, наполненный водородом, лениво натягивал тросы. К Менделееву подошел его ассистент В. Е. Тищенко и сказал: «Дмитрий Иванович, у аэростата нет подъемной силы. Я вижу, я знаю дело, лететь нельзя, уверяю вас, нельзя».

Менделеев ответил, и в этом ответе он был весь — и как ученый, и просто как человек: «Аэростат — это тоже физический прибор. Вы видите, сколько людей следит за полетом как за научным опытом. Я не могу подорвать у них веру в науку».

Вместе с пилотом Менделеев перелез через борт высокой корзины и сразу же понял: шар не поднимет даже двоих. И он немедленно решает лететь один. Подумать только: человек, никогда раньше не летавший на шаре, решается лететь в одиночку!

В полете, он хладнокровен, все делает «по науке», а, закончив все наблюдения, обнаруживает, что веревка, идущая от выпускного клапана, запуталась и не позволяет открыть его. Тогда Менделеев вылезает из корзины, взбирается по строповке и распутывает злополучную веревку.

Этому отважному полету посвящена его работа: «Воздушный полет из Клина во время затмения».

Оценивая вклад крупнейших ученых в развитие науки XIX в. , историки науки обычно называют имена Дж. Дальтона, И. Берцелиуса, Г. Дэви, М. Фарадея, М. Бертло, А. Кекуле, Я. Вант-Гоффа, С. Аррениуса. Их деятельности в особенности обязано окончательное формирование классической химии, ибо они закладывали фундаментальные основы химической науки.

Правомерно ли причислить к этому ряду Д. И. Менделеева? Объективно - нет. Действительно, органическая химия (за исключением краткого периода 1861 - 1862 гг. ) никогда не была сферой его деятельности. Он фактически не проявил себя как экспериментатор в области химии неорганической, хотя и ориентировался в ней гораздо увереннее, чем подавляющее большинство его современников. Гениальный химик, первоклассный физик, плодотворный исследователь в области гидродинамики, метеорологии, геологии, в различных отделах химической технологии (взрывчатые вещества, нефть, учения о топливе и др. ) сопредельных с химией и физикой дисциплинах, глубокий знаток химической промышленности вообще, особенно русской, оригинальный мыслитель в области учения о народном хозяйстве – вот кем был Д. И. Менделеев. Его достижения как физикохимика, воплотившиеся в создание новой теории растворов, получили широкий резонанс. Его экспериментальные исследования приобрели вполне конкретный характер. Это были чисто физические исследования. Здесь уместно подчеркнуть, что Менделеева по праву можно считать одним из крупнейших, среди немногочисленных, физиков-экспериментаторов России второй половины ХIХ в. Обессмертило же его имя учение о периодичности. Ученый разрабатывал и совершенствовал свои представления о периодичности на протяжении почти четырех десятилетий. Хотя только после кончины ученого периодический закон и периодическая система получили физическое обоснование, они стали одной из фундаментальных основ современной атомистики.

Дмитрий Иванович Менделеев, несомненно, принадлежит к таким выдающимся деятелям науки и культуры, о которых говорят, что они создавали свою жизнь как произведение искусства.

Литературное наследие Д. И. Менделеева огромно. Оно содержит 431 печатную работу, из которых – 40 посвящено химии, 106 — физикохимии, 99 — физике, 22 — геофизике, 99 — технике и промышленности, 36 — экономическим и общественным вопросам и 29 — другим темам. Приблизительно две трети статей и трудов были посвящены оригинальным научным и техническим работам и одна треть — литературным и обзорным работам и учебным пособиям.

Как-то, уже в старости Д. И. Менделеев написал: «Сам удивляюсь, чего только я не делывал на своей научной жизни». Да, талант многогранен. Гений — тем более.

Гений? Услышав однажды, как кто-то из его учеников произнес это вслух, рассердился всерьез, замахал руками и крикнул сварливо: «Какой там гений! Трудился всю жизнь, вот и гений. »

Нет, все-таки гений.

Подлинный феномен Менделеева заключался в необычайной широте его интересов, в редкостной эрудированности в самых различных областях науки и практики. Здесь некого поставить рядом с ним. "Наука и промышленность - вот мои мечты", - написал он в дневнике 10 июля 1905 г, незадолго перед своей смертью. Наука с тех времен ушла далеко вперед, но не стоит забывать, что первый камень, ее фундамент, возложили ученые 19 в. , одним из которых был и Менделеев. Патриотизм и вера в возрождение Руси через собственный кропотливый труд должны быть заразительным примером для нынешнего поколения. Это, пожалуй, главный урок, который преподнес он нам. В настоящее время имя нашего соотечественника украшает научные заведения, и даже географические объекты. Менделеев был избран членом и почетным членом более 70 Академий наук и научных обществ разных стран мира.

Работы Д. И. Менделеева послужили толчком для развития не только химии, но и науки в целом. Ученых, которые были сведущи в различных областях знаний, в старину называли полигисторами. По словам М. В. Ломоносова «они знали разные науки так довольно, что могли в них производить новые приращения». В девятнадцатом столетии это почетное звание унаследовал в России Д. И. Менделеев с девизом «Я немедленно двинул дело».

Английский ученый Т. Э. Торп говорил: «Ни один русский не оказал более важного, более длительного влияния на развитие физических знаний, чем Менделеев. Способ работы и мышление у него настолько самобытны, его метод преподавания и чтения лекции так оригинален, а успех великого обобщения, с которым связано его имя и слава, так поразительно полон, что в глазах ученого мира Европы и Америки он стал для России тем же, чем был Берцелиус для Швеции, Либих для Германии, Дюма для Франции».

Закончить всё хотелось бы вещими словами, обращенными к нам, его потомкам: «Посев научный взойдет для жатвы народной!»

Меры русской метрологии

(до введения метрической системы)

XI - XV вв.

МЕРЫ ДЛИНЫ

"Вержение камня" = 42,5 м

"Перестрел" = 60- 70 м

"День пути" = 25 км (пеший), 50 - 70 км (конный)

Верста (поприще) = 1,07 км

Сажень = 4 локтям = 8 пядям = 152 см

Локоть = 2 пядям = 38 см

Пядь = 19 см

Вершок = 4,5 см

МЕРЫ ПЛОЩАДИ

"Плуг" = 8 десятинам

"Село" =16 десятинам

Соха = 10 сошкам = 30 обжам

Коробья = 1 десятине = 1,09 га

МЕРЫ СЫПУЧИХ ТЕЛ

Кадь = 2 половникам = 4 четвертям = 8 осьминам = 14 пудам

Половник = 2 четвертям = 4 осьминам = 7 пудам

Четверть = 2 осьминам = 3,5 пуда

Лукошко = 1 пуду ржи

МЕРЫ ЖИДКИХ ТЕЛ

Бочка = 4 насадкам = 10 ведрам

Насадка = 2,5 ведра

МЕРЫ ЖИДКИХ ТЕЛ

Бочка = 4 насадкам = 10 ведрам

Насадка = 2,5 ведра

МЕРЫ ВЕСА

Гривна = 96 золотникам = 1 фунту = 409,512 г

Гривенка = 48 золотникам = 204,7З г

Золотник = 25 почкам = 4,27 г

Почка = 0,17 г

Пирог =0,04 г

ДЕНЕЖНЫЙ СЧЕТ

Гривна =20 ногатам = 25 кунам = 50 резанам = 150 веверицам

Рубль = 2 полтинам = 200 денгам

XVI - XVII вв.

МЕРЫ ДЛИНЫ

Верста межевая = 2 путевым верстам = 1000 саженям = 2,16 км

Верста путевая = 500 саженям = 1,08 км

Сажень = 3 аршинам 12 четвертям = 48 вершкам = 216 см

Аршин = 4 четвертям = 16 вершкам = 72 см

2 аршина = 3 локтям

Четверть = 4 вершкам = 18 см

Вершок = 4,5 см

МЕРЫ ПЛОЩАДИ

Десятина = 2 четвертям= 4 осьминам= 8 полуосьминам= 16 четверикам =1 га 1197,4 кв. м

Четверть = 2 осьминам =4 полуосьминам = 8 четверикам

МЕРЫ СЫПУЧИХ ТЕЛ

Четверть = 2 осьминам = 8 четверикам =4,6,8 пудов

Осьмина = 4 четверикам = 2,3,4 пудам

МЕРЫ ЖИДКИХ ТЕЛ

Ведро = 10 кружкам = 100 чаркам = 25,34 фунтам воды =11,24 л

Кружка = 10 чаркам = 1,12 л

Чарка = 0,11 л

МЕРЫ ВЕСА

Ласт = 72 пудам

Четверть = 12 пудам

Берковец = 10 пудам

Контарь = 2,5 пуда

Пуд = 16 безменам = 40 фунтам =80 гривенкам =16,38 кг

Фунт = 96 золотникам = 409,512 г

Золотник = 4,267 г

ДЕНЕЖНЫЙ СЧЕТ

Рубль =33 алтынам и 2 денгам = 200 денгам =2 полтинам= 10 гривнам

Алтын 6 денгам =3 копейкам

Денга = 2 полушкам

Полтина = 5 гривнам = 100 денгам

Гривна = 20 денгам

Копейка = 2 денгам

XVIII - начало XX вв.

МЕРЫ ДЛИНЫ

Миля = 7 верстам =7,4676 км

Верста = 500 саженям =1,0668 км

Сажень = 3 аршинам = 7 фунтам =2,1336 м

Аршин = 16 вершкам =28 дюймам = 71,12 см

Фунт = 12 дюймам = 30,48 см

Вершок = 1,75 дюйма = 44. 45 мм

Дюйм = 10 линиям =25,4 мм

Линия = 10 точкам =2,54 мм

Точка = 0,00083 фута = 254 микронам

МЕРЫ ПЛОЩАДИ

Десятина = 2 полдесятины =4 четверти =8 осьмин =1,0925 га

Кв. сажень =9 кв. аршинам = 49 кв. футам =4,552 кв. м

Кв. аршин = 256 кв. вершкам = 784 кв. дюймам =0,0929 кв. м

Кв. дюйм = 100 кв. линиям = 6,45 кв. см

МЕРЫ СЫПУЧИХ ТЕЛ

Четверть = 2 осьминам = 8 четверикам = 2. 099гл

Осьмина = 4 четверикам = 1,0495 гл

Четверик = 8 гарнцам = 26,239 л

Гарнец = 3,279 л

МЕРЫ ЖИДКИХ ТЕЛ

Бочка = 40 ведрам = 491,96 л

Ведро = 4 четвертям = 10 штофам = 20 бутылкам = 12. 299 л

Четверть =2,5 штофа = 5 бутылкам = 3,07 л

Штоф = 2 бутылкам = 10 чаркам = 20 шкаликам = 1,229 л

Бутылка = 2 полубытылкам = 5 чаркам = 10 шкаликам =0,61 л

Чарка = 2 шкаликам = 122,99 мл

Шкалик = 61,5 мл

МЕРЫ ВЕСА

Берковец = 10 пудам = 1,63 ц

Пуд = 40 фунтам = 16. 38 кг

Фунт = 32 лотам = 96 золотникам = 409,512 г

Лот = 3 золотникам = 12,797 г

Золотник =96 долям = 4,266 г

Доля = 44,43 мг

Фунт аптекарский = 12 унциям =358,323 г

Унция = 8 драхмам =29,86 г

Драхма = 3 скрупулам = 3,732 г

Скрупул = 20 гранам = 1,255 г

Гран = 62,209 мг

Карат = 0,2 г

ДЕНЕЖНЫЙ СЧЕТ

1 рубль = 100 копейкам

1 империал = 15 рублям