Истории открытий галлия, скандия и германия свидетельствуют о том, что на сами процессы этих открытий закон периодичности и периодическая система фактически никак не повлияли. Но ведь те свойства, которые предсказывал Д. И. Менделеев для экаалюминия, экабора и экасилиция, совпали со свойствами, экспериментально найденными для галлия, скандия и германия. Все основное об этих элементах Д. И. Менделеев узнал задолго до их обнаружения в природе. Это ли не ярчайшее свидетельство прогностических возможностей, заложенных в менделеевской периодической системе!

Открытие галлия и установление его тождества с экаалюминием стали большими событиями в истории периодического закона и в истории открытия элементов. После 1875 г. к периодической системе стали со вниманием относиться даже те ученые, которые раньше вообще ее игнорировали. А среди них были исследователи самого высокого класса, например, такие, как Р. Бунзен — создатель спектрального анализа (он как-то обронил, что классифицировать элементы — это то же самое, что искать закономерности в числах биржевых бюллетеней) или П. Клеве (он в своих лекциях ни разу не упомянул о периодической системе). Открытия скандия и германия способствовали дальнейшему триумфу учения Д. И. Менделеева о периодичности.

Кроме этой классической триады, Д. И. Менделеев предвидел существование еще нескольких неизвестных элементов. В целом около десяти пробелов в своей системе отметил ученый еще в 1870 г. Он видел пустоты в седьмой группе, где вообще не было аналогов марганца и отсутствовал тяжелый аналог иода (самый тяжелый галоген, который уже должен был обладать свойствами металла).

В трудах Менделеева мы встречаем упоминания об эка-, дви- и тримарганце и об экаиоде. Ученый был твердо уверен в их существовании. Но здесь мы сталкиваемся с любопытным моментом в проблеме прогнозирования. Ведь экамарганец (будущий технеций) и экаиод (будущий астат) были искусственно синтезированы. Д. И. Менделеев же, естественно, не мог знать об их отсутствии в природе, он был убежден в том, что они должны существовать, ибо они дополняли структуру периодической системы, делали ее логичнее и стройнее.

Прогнозирование включает в себя две последовательные стадии: предсказание того, что данный неизвестный элемент существует в природе, и предсказание важнейших свойств этого элемента. Первую стадию Д. И. Менделеев во многом вынужден был осуществлять наугад. Ведь никто еще не знал такого явления, как радиоактивность, которая делает некоторые элементы короткоживущими иногда настолько, что они вовсе не способны к земному существованию или существуют только благодаря тому, что являются продуктами радиоактивных превращений долгоживущих элементов (тория и урана).

Вторая стадия была всецело во власти Д. И. Менделеева и зависела от его твердости и уверенности. Иногда ученый вершил свои прогнозы смело и решительно, с обстоятельностью. Именно так было в случае экаалюминия, экабора и экасилиция. Это не случайно, ибо перечисленные элементы попадали в ту область периодической системы, где располагалось много известных, хорошо изученных элементов, — в своеобразную область достоверного прогнозирования. Иногда же Д. И. Менделеев судил о свойствах недостающих элементов с предельной осторожностью, например, когда речь шла об аналогах марганца, иода и теллура; отсутствующих элементах начала седьмого периода: экацезии, экабарии, экалантане и экатантале. Тут характеристики неизвестных элементов весьма сдержанны: оценивались величины атомных масс, предполагались формы оксидов. Д. И. Менделеев считал, что трудно судить о свойствах отсутствующих элементов, расположенных на краях системы, поскольку вокруг них слишком мало элементов известных. Здесь находились области прогнозирования недостоверного, приблизительного. Разумеется, сюда нужно причислить и область, занимаемую РЗЭ.

И наконец, оставались участки периодической системы, где предсказания не имели оснований. Это те загадочные пространства, которые простирались влево и вправо от границ периодической системы, в стороны гипотетических элементов легче водорода и тяжелее урана. Д. И. Менделеев никогда не считал, что водородом должна начинаться система элементов. Известна его работа, где он описывал два элемента, предшествующие водороду. Когда физики объяснили суть периодического закона, ошибка стала очевидной: ядро атома водорода имело наименьший заряд, равный единице. И за ураном Д. И. Менделеев допускал существование лишь очень ограниченного числа элементов и ни разу не взял на себя смелости хотя бы приблизительно обрисовать их возможные свойства. Прогнозы в этой области стали делать позднее, что привело в итоге к знаменательным событиям в истории науки.

ГЛАВА X.

ПОСЛЕДНИЕ ИЗ СТАБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ГАФНИЙ И РЕНИЙ)

Элементы с порядковыми номерами 72 и 75 были обнаружены в природе позднее всех прочих стабильных элементов — только в 20-х годах нашего столетия. Они являются редкими, особенно рений, который по своей распространенности занимает одно из последних мест. Но едва ли это обстоятельство может служить решающим для попытки объяснения столь позднего открытия гафния и рения. Дело здесь в другом — в своеобразном геохимическом поведении гафния и рения. Они относятся к рассеянным элементам, которые не образуют в земной коре собственных руд и минералов, а входят в руды и минералы других элементов в качестве небольших примесей. Здесь большую роль играет явление изоморфизма — замещение ионов одних элементов в кристаллических решетках соединений другими (при условии близости величины ионных радиусов). Величины ионных радиусов циркония и гафния практически одинаковы, и этот фактор объясняет большое сходство их химических свойств (разделение элементов и поныне представляет трудную задачу). Гафний в малых количествах всегда присутствует в природных источниках циркония, но из-за своего сходства с цирконием словно бы теряется на его фоне.

Рений не тяготеет определенно к минералам какого-либо распространенного элемента. Поэтому если существование гафния было доказано сравнительно быстро и легко, то достоверному обнаружению рения предшествовало несколько лет мучительных поисков.

Для обоих элементов характерно то, что их поиски были целенаправленными. Ученые заранее составляли программы, в которых предусматривалось, что, где и как они хотят обнаружить. Они точно знали: одно «что» должно быть элементом № 72, а другое — элементом № 75. Но если гафний был найден сразу, то блистательный теоретический прогноз по отношению к рению на первых порах сработал вхолостую.

Судьбы семьдесят второго и семьдесят пятого элементов сближает еще одно обстоятельство: в открытии обоих был использован новый метод спектрального анализа (рентгеноспектральный), изучение рентгеновских спектров элементов. В 1913–1914 гг. английский физик Г. Мозли установил закон, который связывал длину волны характеристического рентгеновского излучения элемента с его порядковым номером в периодической системе. Этот закон позволял заранее рассчитать, какими должны быть рентгеновские спектры элементов. Никогда ранее открытие новых элементов не было подготовлено с такой основательностью, как в случае гафния и рения.

Местом рождения нового элемента с Z=72 стал Институт теоретической физики Копенгагенского университета в Дании; временем рождения — конец декабря 1922 г., хотя дата публикации статьи об открытии в научном журнале помечена январем 1923 г. Голландский спектроскопист Д. Костер и венгерский радиохимик Д. Хевеши дали ему название в честь древнего имени Копенгагена — Гафниа. У колыбели гафния стоял Н. Бор, чья роль в обнаружении гафния оказалась решающей.