בעיית ה"אפס" ביצירותיו של מנדלייב

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

… ככל שהייתי צריך לחשוב יותר על טבעם של יסודות כימיים, כך חרגתי הן מהמושג הקלאסי של החומר הראשוני, והן מהתקווה להגיע להבנה הרצויה של טבעם של יסודות על ידי לימוד תופעות חשמל ואור, ובכל פעם באופן דחוף יותר וברור יותר הבנתי שמוקדם זה או ראשון יש צורך לקבל מושג יותר אמיתי על ה"מסה" ושל ה"אתר" מאשר עכשיו.

ד י מנדלייב

בינואר 1904 פרסם עלון פטרבורג מס' 5, לרגל יום הולדתו ה-70 של דמיטרי איבנוביץ' מנדלייב, ראיון עמו. כשנשאל באיזה סוג של מחקר מדעי הוא עוסק כיום, השיב המדען: "הם מכוונים אך ורק לאשש את התיאוריה שהעליתי בשנה האחרונה, או ליתר דיוק, ניסיונות של הבנה כימית של האתר העולמי".

מהי התיאוריה הזו שאנחנו יודעים עליה כל כך מעט?

DI מנדלייב סיים את מאמרו "ניסיון להבנה כימית של האתר העולמי" באוקטובר 1902, ופרסם אותו בינואר 1903 במס' 1-4 של ה"עלון וספריית החינוך העצמי". במאי 1904, במכתב לאסטרונום המפורסם סיימון ניוקומב, הוא הודיע כי בעתיד הקרוב הוא עומד לכתוב מאמר "על רעיונות מודרניים על מורכבותם של יסודות כימיים ועל אלקטרונים…"

דיוקן D. I. Mendeleev מאת I. N. Kramskoy. השנה היא 1878. הרעיון של אתר "כימי", שלפי DI מנדלייב, קשור קשר הדוק לטבלה המחזורית של היסודות, טיפח המדען מאז שנות ה-70.

על המורכבות של יסודות כימיים ועל אלקטרונים - זה מובן לקורא המודרני, אבל האתר העולמי? עכשיו אפילו תלמידי בית ספר יודעים שהרעיון הזה נזנח על ידי המדע. לכן, כנראה, אחת מיצירותיו האחרונות של מנדלייב מוזכרת לעתים רחוקות מאוד, כמעט בשום מקום, ובדרך כלל קשה למצוא אותה. בספריות מדעיות וחינוכיות רבות ב"עבודות" רב הכרכים של DI מנדלייב, חסר כרך 2, המכיל את הפרק "ניסיון להבנה כימית של האתר העולמי". לפעמים אפילו מתרשם שהם מנסים איכשהו בבושה למחוק את העבודה ה"סקרנית" הזו מהמורשת של המדען. נראה שרבים חושבים בהתנשאות שמנדלייב הגדול, בזקנתו, אולי עלה על רמת כשירותו.

אבל בואו לא נקפוץ למסקנות. DI מנדלייב טיפח את התיאוריה ה"מביכה" הזו כמעט במשך כל חייו היצירתיים. שנתיים לאחר גילוי המערכת המחזורית (מנדלייב עוד לא היה בן 40) על טביעה מ"יסודות הכימיה" בידו, ליד סמל המימן, נוצרה כיתוב, שניתן לפענח באופן הבא: " האתר הוא הקל מכולם, מיליוני פעמים." ככל הנראה, "אתר" נראה למנדלייב כיסוד הכימי הקל ביותר.

"מאז שנות ה-70, השאלה תקועה בי בהתמדה: מהו אתר במובן הכימי? זה קשור קשר הדוק למערכת המחזורית של היסודות, והתרגש מזה בי, אבל רק עכשיו אני מעז לדבר על זה".

אז, היסוד הכימי של האתר - יסוד האתר - האטומיות של האתר - הדיסקרטיות של האתר. זה לא האתר שהפיזיקה המודרנית זרקה כקב מיותר. בואו נפתח את המילון:

"אתר (איתר יווני - בינוני חומרי היפותטי שממלא חלל)… בפיזיקה הקלאסית, האתר הובן כמדיום הומוגני, מכני ואלסטי הממלא את החלל הניוטוני המוחלט" (מילון פילוסופי / עורך מ.מ. רוזנטל. - מ., 1975).

בהגדרה הקלאסית של אתר, הדגש הוא על הומוגניות או המשכיות. האתר, עליו מדבר מנדלייב, מורכב מיסודות, הוא אטומי, הוא לא הומוגני, הוא בלתי רציף ובדיד.יש לו מבנה.

התעניינותו של דמיטרי איבנוביץ' בבעיית האתר בשנות ה-70 קשורה קשר הדוק למערכת המחזורית ("זה זה שהלהיב אותי") ולעבודה שלאחר מכן על חקר גזים. "בהתחלה גם האמנתי שהאתר הוא סכום הגזים הנדירים ביותר במצב המגביל. הניסויים בוצעו על ידי בלחצים נמוכים - כדי לקבל רמזים לתשובה".

אבל העבודות הללו לא סיפקו אותו: "… הרעיון של האתר העולמי כנדיר האולטימטיבי של אדים וגזים אינו עומד אפילו בהתקפי ההתחשבות הראשונים - בשל העובדה שלא ניתן לדמיין את האתר אלא כחומר, חודר לכל דבר ולכל מקום; זה לא אופייני לאדים וגזים".

הפיתוח המפורט של "המושג הכימי של האתר העולמי" החל עם גילוי גזים אינרטיים. DI מנדלייב חזה אלמנטים חדשים רבים, אבל גזים אינרטיים היו בלתי צפויים אפילו עבורו. הוא לא קיבל מיד את הגילוי הזה, לא בלי מאבק פנימי, ולא הסכים עם רוב הכימאים לגבי מיקומם של גזים אינרטיים במערכת המחזורית. היכן הם צריכים להיות ממוקמים? כימאים מודרניים, ללא היסוס, יאמרו: כמובן, בקבוצת השמיני. ומנדלייב התעקש באופן מוחלט על קיומה של קבוצת האפס. גזים אינרטיים כל כך שונים מיסודות אחרים שהיה להם מקום איפשהו בצד המערכת. נראה, איזה הבדל, בקצה הימני (קבוצת VIII) או השמאלי (קבוצת אפס) הם יהיו. זה נראה לנו חסר עקרונות לחלוטין, במיוחד באותם זמנים שבהם לא הכירו את המבנה האלקטרוני של האטומים, למרות שגם עכשיו אנחנו רק משלים את עצמנו שאנחנו יודעים. מנדלייב חשב אחרת. הצבת גזים אינרטים בצד ימין פירושה קבלת סדרה שלמה של חללים בין מימן להליום. זה היה אתגר לחפש יסודות חדשים בין מימן להליום! אולי יש הלוגן קל יותר מפלואור (מנדלייב הודה בהסתברות לקיומו של הלוגן כזה, בהנחה שהליום באמת נמצא בקבוצה VIII) או יסודות קלים אחרים בין מימן להליום? הם לא שם, אז מקומם של הגזים האינרטיים הוא בצד שמאל, בקבוצת האפס! יתר על כן, סביר להניח שהערך שלהם יהיה אפס מאשר VIII. והיחס הכמותי של משקלים אטומיים מצביע באופן חד משמעי על מיקומם של גזים אינרטיים בצד שמאל, בתחילת כל שורה.

"המיקום הזה של אנלוגי הארגון בקבוצת האפס הוא תוצאה הגיונית בהחלט של הבנת החוק המחזורי", טען DI מנדלייב.

לפי הצעתו של וויליאם רמזי, מנדלייב כולל את קבוצת האפס בטבלה המחזורית, ומשאיר מקום ליסודות קלים יותר ממימן.

מתברר מדוע דמיטרי איבנוביץ' התעקש על קיומה של קבוצת האפס: האזכורים שלו לגבי הלוגן היפותטי קל יותר מפלואור מובנים; לפיכך, החיפוש שלו אחר יסוד קל יותר ממימן אפילו מובן, שעל קיומו הוא חשב זמן רב: "מעולם לא עלה בדעתי שמספר יסודות צריכים להתחיל במימן." "למנוע מימן את המיקום הראשוני הזה, שהוא תפס זה מכבר, ולגרום לו לחכות ליסודות עם אפילו פחות מזה של מימן, משקלו של אטום, שתמיד האמנתי בו" - אלו הן מחשבותיו הפנימיות ביותר של המדען., שהוא הסתיר עד שהחוק התקופתי לבסוף לא יאושר. "היו לי מחשבות שלפני מימן אפשר לצפות ליסודות עם משקל אטומי של פחות מ-1, אבל לא העזתי להתבטא במובן הזה בגלל חיזוי ההנחה ובעיקר בגלל שאז נזהרתי שלא לקלקל את הרושם של המערכת החדשה המוצעת, אם הופעתה תהיה מלווה בהנחות כמו לגבי היסודות הקלים ביותר ממימן."

דווקא במערכת עם קבוצת אפס שעליה הגן, שהוצעה לראשונה על ידי המדען הבלגי ליאו הררה בשנת 1900 בפגישה של האקדמיה המלכותית הבלגית למדעים (Academie royale de Belgique), מימן אולי לא נראה הראשון, מכיוון שהוא בהכרח מופיע מולו מקום פנוי לאלמנט אולטרה-קל - אולי זה "אלמנט האתר"?

"עכשיו, כשהחל לא להיות נתון ולו ולו הספק שלפני קבוצה I, שבה צריך לשים מימן, יש קבוצת אפס, שלנציגיה יש משקלים אטומיים פחותים מאלה של יסודות קבוצה I, זה נראה לי בלתי אפשרי להכחיש את קיומם של יסודות קלים יותר ממימן, "כתב דמיטרי איבנוביץ'.

בחוק שגילה מנסה מנדלייב להבין מנקודת המבט הפיזיקלית את טבעה של המסה כמאפיין העיקרי של החומר. כשהוא מגלה את היסודות הפיזיים של הכבידה (על כמה מאמץ וזמן הוא הקדיש לבעיה זו, אנחנו גם יודעים מעט), הקשורים קשר הדוק למושג האתר העולמי כמדיום "משדר", הוא מחפש את היסוד הקל ביותר. עם זאת, תוצאות הניסויים של שנות ה-70 של המאה ה-19, שהסתכמו בהוכחה ש"אתר הוא סך הגזים הנדירים ביותר", לא סיפקו את מנדלייב. במשך זמן מה הוא הפסיק לחקור בכיוון הזה, לא כתב בשום מקום, אבל, כנראה, מעולם לא שכח אותם.

באחרית ימיו, בחיפוש אחר תשובות לשאלות הנוגעות לתכונות העמוקות של החומר, הוא פונה שוב אל "האתר העולמי", בעזרתו הוא מנסה לחדור לטבעו של מושג היסוד של מדעי הטבע ב. המאה ה-19 (ואפילו המאה ה-20, ואפילו המאה ה-21) - המונים, כמו גם לתת הסברים לתגליות חדשות ובעיקר לרדיואקטיביות. הרעיון המרכזי של מנדלייב הוא כדלקמן: "לא ניתן להשיג הבנה אמיתית של האתר על ידי התעלמות מהכימיה שלו ואי ראייתו כחומר יסודי; חומרים אלמנטריים הם כעת בלתי נתפסים ללא כפיפות הלגיטימיות התקופתית שלהם." בתיאור האתר העולמי, מנדלייב מחשיב אותו, "ראשית, הקל ביותר מכל היסודות, הן בצפיפות והן במשקל האטומי, שנית, הגז הנע במהירות הגבוהה ביותר, ושלישית, הפחות מסוגל להיווצר עם אטומים או חלקיקים אחרים של חזקים מסוימים. תרכובות, ורביעית, אלמנט שנמצא בכל מקום נפוץ ומפושט בכל."

משקלו של אטום של יסוד היפותטי זה X, לפי חישוביו של מנדלייב, יכול לנוע בין 5.3 × 10^-11 עד 9.6 × 10^-7 (אם המשקל האטומי של H הוא 1). כדי להעריך את המסה של יסוד היפותטי, הוא מסתמך על ידע מתחום המכניקה והאסטרונומיה. יסוד X קיבל את מקומו בטבלה המחזורית בתקופת האפס של קבוצת האפס, כאנלוגי הקל ביותר של גזים אינרטים. (מנדלייב קורא ליסוד זה "ניוטוניום".) בנוסף, דמיטרי איבנוביץ' הודה בקיומו של יסוד נוסף קל יותר ממימן - היסוד Y, קורוניום (ככל הנראה קווי הקורוניום תועדו בספקטרום עטרה של השמש במהלך ליקוי החמה של שמש בשנת 1869; גילוי הליום על פני כדור הארץ סיפק את הבסיס לשקול את קיומו של יסוד זה כאמיתי). יחד עם זאת, מנדלייב הדגיש שוב ושוב את האופי ההיפותטי של היסודות X ו-Y ולא כלל אותם בטבלאות היסודות של המהדורות ה-7 וה-8 של יסודות הכימיה.

קפדנות ואחריות מדעית ביצירותיו של מנדלייב אינן זקוקות להערות. אבל, כפי שאנו יכולים לראות, אם ההיגיון של החיפוש דרש זאת, הוא העלה באומץ את ההשערות החריגות ביותר. כל התחזיות שנעשו על ידו על בסיס החוק התקופתי (קיומם של 12 יסודות לא ידועים באותה תקופה, כמו גם תיקון המסות האטומיות של היסודות), אושרו בצורה מבריקה.

כשהחלתי את החוק התקופתי על האנלוגים של בורון, אלומיניום וסיליקון, הייתי צעיר יותר ב-33 שנים, הייתי בטוח לגמרי שבמוקדם או במאוחר מה שצפוי חייב להיות מוצדק, כי הכל היה גלוי לי בבירור. התירוץ הגיע מהר ממה שיכולתי לקוות. אז לא סיכנתי את זה, עכשיו אני סיכנתי את זה. זה דורש נחישות. זה בא כשראיתי תופעות רדיואקטיביות…וכשהבנתי שכבר אי אפשר לדחות ושאולי המחשבות הלא מושלמות שלי יובילו מישהו לדרך נכונה יותר מזו האפשרית, הנראית לראייתי הנחלשת.

אז האם זו הטעות הגדולה הראשונה, אולי אפילו אשליה עמוקה של מדען גדול, כפי שרבים מאמינים כעת, או סתם אי הבנה מצערת של גאונות של תלמידיו חסרי היכולת?

בתחילת המאה ה-20, לא רק מנדלייב, אלא גם פיזיקאים וכימאים רבים האמינו בקיומו של "אתר". אולם לאחר יצירת תורת היחסות המיוחדת והכללית על ידי אלברט איינשטיין, אמונה זו החלה לדעוך. מקובל בדרך כלל שעד שנות ה-30 בעיית ה"אתר" כבר לא הייתה קיימת, ושאלת היסודות הקלים ממימן נעלמה מעצמה. אבל, שוב, הבעיה של האתר הקלאסי, האתר ההומוגני נעלמה, אבל האתר המבני (האתר של מנדלייב) די חי, רק שהוא נקרא כעת הוואקום המבני או הוואקום הפיזי של דיראק. אז השאלה היא רק בטרמינולוגיה.

נחזור ליסודות הקלים יותר ממימן. כל כימאי מכיר סדרות הומולוגיות וכיצד חבריה הראשונים מתנהגים, במיוחד הראשונים. הראשון תמיד מיוחד. הוא תמיד בולט חזק מהשורה הכללית. מימן ממוקם בשתי קבוצות I ו-VII (הוא דומה במקצת למתכות אלקליות והלוגנים בו זמנית). אז מימן אינו כמו הראשון… בחיפוש אחר היסודות האמיתיים של תקופת האפס, אנו מוצאים את עצמנו בעולם אחר לגמרי, ונראה שזהו עולם החלקיקים היסודיים.

ההבנה של כימיה כמדע של שינויים איכותיים, על פי חוקרים רבים, באה לידי ביטוי בצורה הברורה ביותר בטבלה המחזורית, ובתחילת המערכת היא פשוט בהירה מסנוורת. "לגופים הפשוטים הנפוצים ביותר בטבע יש משקל אטומי נמוך, וכל היסודות בעלי משקל אטומי נמוך מאופיינים בחדות תכונות. לכן, הם אלמנטים אופייניים ", וכאשר מתקרבים ל"נקודת האפס ", צריכות להתרחש קפיצות חדות" פנטסטיות, הנובעות מאופיו הייחודי, שכן"… כאן לא רק קצה המערכת, אלא גם אלמנטים אופייניים, ולכן אנו יכולים לצפות למקוריות ולמוזרויות."

לעתים קרובות אנו מדברים על טיבו היסודי של החוק התקופתי, אך נראה שאיננו מבינים זאת באמת. הבה נחזור על מנדלייב: "מהות המושגים הגורמים לחוק המחזורי נעוצה בעקרון הפיזיקוכימי הכללי של התאמה, טרנספורמציה ושקולות של כוחות הטבע."

הערך שערך ידו של DI מנדלייב על הדף עם המערכת המחזורית של 1871 בספר הלימוד שלו "יסודות הכימיה" ב-1871, מאוחסן בארכיון המדען: "האתר הוא הקל מכולם, מיליון פעמים".

לסיכום, ברצוני לצטט את דבריו של דמיטרי איבנוביץ':

"אני מסתכל על הניסיון הרחוק מהשלמות שלי להבין את טבעו של האתר העולמי מנקודת מבט כימית ממש, לא יותר מאשר ביטוי של סך הרשמים שהצטברו בי, שבורח רק מהסיבה שאני לא רוצה המחשבות בהשראת המציאות להיעלם. סביר להניח שמחשבות דומות עלו לרבים, אך עד שהן נאמרות, הן נעלמות בקלות ולעתים קרובות ואינן מתפתחות, אינן גוררות הצטברות הדרגתית של ודאות, שרק נשארת. אם הם מכילים לפחות חלק מהאמת הטבעית שכולנו מחפשים, הניסיון שלי לא לשווא, הוא יעובד, יושלם ויתוקן, ואם המחשבה שלי שגויה ביסודותיה, הצגתה, לאחר אחד או סוג אחר של הפרכה, ימנע מאחרים לחזור. אני לא מכיר דרך אחרת לתנועה איטית אך יציבה קדימה."

ואקום פיזי - בראייה המודרנית, מצב הקרקע של שדות קוונטיים, מעין מדיום עם אפס מטען חשמלי, תנע, תנע זוויתי ומספרים קוונטיים אחרים. לשדות יש אנרגיה מינימלית, אך הם נתונים לתנודות עם משרעת גדולה. הופעתם של רעיונות קוונטיים הובילה ליצירת תמונה אוניברסלית של מבנה יחיד של חומר. במקום שדות וחלקיקים של הפיזיקה הקלאסית, הם מחשיבים כיום אובייקטים פיזיקליים בודדים - שדות קוונטיים במרחב-זמן ארבעה-ממדיים, אחד לכל שדה "קלאסי" (חשמלי, מגנטי וכו') ולכל סוג של חלקיקים.לדוגמה, ואקום דיראק הוא שדה של חלקיקים עם ספין ½ (אלקטרונים, פוזיטרונים, מיואונים, קווארקים וכו'). כל אינטראקציה בודדת של חלקיקים או שדות היא תוצאה של חילופי קוונטים של שדות אלה בנקודה במרחב-זמן. מכמה נקודות מבט, הוואקום הפיזי מביא לידי ביטוי את תכונות הסביבה החומרית, ונותן סיבה לראות בה "אתר מודרני".

ד מנדלייב. ניסיון להבנה כימית של האתר. 1905.pdf יסודות הכימיה. חלק ראשון. 1949. Mendeleev D. I.djvu Fundamentals of Chemistry. חלק שני. 1949. מנדלייב D. I.djvu מאמרים בנושא:

החיים וההתפתחויות של D. I. Mendeleev - עובדות לא ידועות

מי ולמה הסתיר את האתר מהטבלה המחזורית? אחת הדעות

מנדלייב: לוחם נגד אוליגרכים נפט ותומך בתורת האתר