Сэм Кин - Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева

• Название: Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
• Автор: Сэм Кин
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-699-55823-0

«Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева» посвящена одному из величайших достижений науки – Периодической системе химических элементов, удивительно сложному человеческому изобретению. Вы познакомитесь с историей элементов, окунетесь в мир химии и удивительных превращений, узнаете тайны науки, которые тщательно скрывались и оберегались. Для всех увлеченных и неравнодушных.

---

С тех пор как в 1869 году Менделеев опубликовал свою знаменитую таблицу, в нее был внесен ряд изменений. Сначала Менделеев расположил таблицу продольно, пока кто-то не убедил его, что целесообразно повернуть всю схему на 90 градусов. В течение следующих сорока лет химики продолжали возиться с таблицей, добавляя столбцы и тасуя элементы. Тем временем в периодической системе все явственнее просматривались аномалии, заставлявшие ученых задуматься, на самом ли деле они верно понимают эту таблицу. Большинство элементов в таблице следуют друг за другом в порядке увеличения атомной массы. Согласно данному критерию, никель должен стоять перед кобальтом. Но, чтобы расположить элементы правильно – то есть чтобы и под кобальтом, и под никелем оказались похожие на них элементы, – химикам пришлось поменять два металла местами. Никто не знал, почему приходится сделать такое отступление от правила, а ведь таких пар было несколько! Чтобы обойти проблему, ученые изобрели атомный номер, дополнявший атомную массу, но это лишь подчеркивало, что истинного значения атомного номера никто не понимает.

Мозли было всего двадцать пять лет, когда он смог разгадать эту загадку. Он взглянул на химический вопрос с физической точки зрения. Важно понимать, что в то время лишь немногие ученые верили в существование атомного ядра. Резерфорд сформулировал гипотезу о существовании компактного ядра, обладающего большим положительным зарядом, но гипотеза оставалась непроверенной до 1913 года и слишком умозрительной для ученых, чтобы ее признать. Первые доказательства в ее пользу удалось получить только Мозли. Нильс Бор, другой ученик Резерфорда, вспоминал: «Вы знаете, работы Резерфорда [по атомному ядру] не считались серьезными. Сегодня мы не можем в это поверить, но они вовсе не рассматривались серьезно. Никто и нигде про них не упоминал. И только после работ Мозли все изменилось». Дело в том, что Мозли догадался связать место элемента в периодической системе с его физическими характеристиками, приравняв к атомному номеру положительный заряд ядра. И он подтвердил это равенство при помощи эксперимента, который было очень легко воспроизвести. Таким образом, было доказано, что отклонения от расположения элементов в порядке возрастания атомной массы не являются случайными, а связаны со сложным строением атомного ядра. Заковыристые случаи, например пара «кобальт – никель», вдруг прояснились. Дело в том, что у более легкого атома никеля больше протонов, чем у кобальта. Положительный заряд никеля больше, чем заряд кобальта, поэтому кобальт стоит в таблице раньше. Если Менделеев и другие открыли «химический кубик Рубика», то Мозли научился его складывать, и больше не приходилось выдумывать какие-то объяснения.

Более того, подобно спектроскопу, электронная пушка Мозли помогла упорядочить таблицу, рассортировав запутанные радиоактивные изотопы и развенчав многочисленные ошибочные утверждения об открытии «новых элементов». Мозли также смог заполнить четыре из остававшихся пробелов в периодической системе – расставил по местам элементы 43, 61, 72 и 75. Элементы тяжелее золота в те годы были слишком дорогостоящими, чтобы достать их необходимое количество для экспериментов. Если бы Мозли смог приобрести такие образцы, то, возможно, открыл бы еще элементы 85,87 и 91.

К сожалению, в начале XX века химики и физики не слишком доверяли друг другу. Некоторые знаменитые химики сомневались, что Мозли действительно удалось совершить настолько великое открытие. Француз Жорж Урбэн бросил смелому молодому человеку вызов, предложив ему разобрать смесь из множества редких и похожих друг на друга элементов (напоминавшую породы из Иттербю). Урбэн посвятил двадцать лет изучению химии редкоземельных металлов, и у него ушло несколько месяцев кропотливой работы, чтобы определить, какие четыре элемента содержатся в этом образце. Так Урбэн рассчитывал пристыдить или даже унизить Мозли. После первой встречи Мозли вновь увиделся с Урбэном через час, предъявив ему полный и совершенно точный список[51]. Редкоземельные металлы, приводившие в такое замешательство Менделеева, теперь можно было сортировать без малейшего труда.

Но эту работу пришлось выполнить не Мозли, а другим людям. Хотя он и стал пионером ядерной физики, боги наказали его, как Прометея, принесшего огонь людям и осветившего тьму для будущих поколений. С началом Первой мировой войны Мозли ушел на фронт (хотя армейские чиновники советовали ему этого не делать) и принял участие в тяжелых боях при Галлиполи в 1915 году. Как-то раз турецкая пехота двинулась на британские позиции фалангой глубиной в восемь рядов. Начался рукопашный бой, в котором в ход шли ножи, камни и зубы. Где-то в этой кровавой бойне пал и двадцатисемилетний Мозли. Вся бесплодность этой войны известна нам из стихов английских поэтов, также не вернувшихся с фронта. Но один из коллег-ученых заявил, что гибель одного только Генри Мозли обеспечила этой «последней из всех войн» славу «одного из самых гнусных и непоправимых преступлений в истории человечества»[52].

Самая лучшая посмертная почесть, которую могли ученые воздать Мозли, заключалась в поиске тех недостающих элементов, на которые он указал. Действительно, Мозли так вдохновил искателей элементов (наконец-то у энтузиастов было четкое понимание того, что надо делать), что такая «химическая охота» стала даже слишком популярной. Вскоре начались жаркие споры о том, кому же именно удалось впервые выделить гафний, протактиний и технеций. Другие группы исследователей смогли в конце 1930-х годов заполнить пустые клетки 85 и 87 – соответствующие элементы были искусственно синтезированы в лабораториях. К 1940 году оставался неоткрытым лишь один природный элемент – номер 61.

Странно, но лишь немногие исследователи во всем мире пытались его найти. Одна из групп, которой руководил итальянский физик Эмилио Сегре, пыталась получить искусственный образец и, возможно, даже достигла успеха в 1942 году. Но изолировать элемент не удавалось, и после нескольких неудачных попыток работа была заброшена. Прошло еще целых семь лет. И вот в Филадельфии состоялась научная конференция, на которой выступили трое ученых из американской национальной лаборатории Оук-Ридж в штате Теннеси. Они заявили, что смогли получить шестьдесят первый элемент, просеяв отработанную урановую руду. После долгих сотен лет развития химии последний пробел в периодической системе наконец был заполнен.

Объявление не произвело никакого фурора. Трое коллег уточнили, что сделали это открытие двумя годами ранее, но не имели возможности о нем сообщить, так как были слишком заняты исследованиями урана – своей основной работой. В прессе эта новость также освещалась очень сдержанно. В газете New York Times заголовок о последнем недостающем элементе соседствовал со статьей о каком-то сомнительном геологическом методе, который якобы мог обеспечить многовековую бесперебойную добычу нефти. Журнал Time вскользь упомянул этот элемент в обзоре, посвященном филадельфийской конференции, и снисходительно охарактеризовал его как «практически бесполезный»[53]. Затем ученые рассказали, что планировали назвать открытое ими вещество «прометий». Элементы, открытые ранее в XX веке, получали гордые или как минимум очевидные названия. Прометий же был назван в честь Прометея, древнегреческого титана. Согласно известному мифу, Прометей похитил у богов огонь и подарил его человечеству, за что понес жестокое наказание – боги приковали его к скале и ежедневно присылали огромного орла клевать и терзать печень титана. Неудивительно, что это название навевает суровые, мрачные, в чем-то даже преступные ассоциации.

Итак, что же произошло в период между экспериментами Мозли и открытием шестьдесят первого элемента? Почему охота на элементы настолько измельчала: смерть Мозли многими признавалась невосполнимой утратой, а открытие прометия удостоилось лишь беглого упоминания на газетной полосе? Действительно, прометий оказался практически бесполезен. Но ученые более, чем кто-либо из людей, приветствуют такие непрактичные открытия. Последний шаг в расшифровке основной части периодической системы стал эпохальным событием, кульминацией миллионов человеко-часов работы. Дело не в том, что люди просто устали искать новые элементы – ведь этот поиск продолжали вести на протяжении большей части холодной войны ученые-соперники из СССР и США. Но за прошедшие годы изменилась как сущность, так и масштабы ядерной физики. Люди начали понимать, как это работает, и среднестатистический элемент прометий уже не воодушевлял их так, как тяжелые элементы – плутоний и уран. А уж что говорить о самом знаменитом «порождении» этих элементов – атомной бомбе.

Утром одного дня 1939 года молодой физик, учившийся в Калифорнийском университете в городе Беркли, решил постричься и уселся в пневматическое парикмахерское кресло в студенческом клубе. Неизвестно, о чем беседовали в тот день парикмахер со студентом – возможно, об этой сволочи Гитлере или о том, выиграют ли «Янки» Мировую бейсбольную серию в четвертый раз подряд. Так или иначе, этот студент – молодой Луис Альварес, которому много позже предстояло выдвинуть теорию о вымирании динозавров, – о чем-то болтал с парикмахером, а тем временем пролистывал номер San Francisco Chronicle. В рубрике новостей телеграфного агентства он прочитал об экспериментах, которые Отто Ган проводил в Германии. Эксперименты заключались в исследовании ядерного распада – точнее, расщепления атома урана. Кто-то из друзей вспоминал, что Альварес вдруг отстранил руку парикмахера с машинкой, сорвал с себя покрывало и ринулся в лабораторию, где немедленно настроил счетчик Гейгера и поспешил за образцами облученного урана. Совершенно не стесняясь своей недостриженной шевелюры, Альварес стал громко звать всех, кто был поблизости, чтобы продемонстрировать им открытое Ганом явление.