Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Шрифт:
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] .
52
Рассказ о бездарных приказах и проигранных битвах, которые, в конечном итоге, привели к гибели
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.
53
В статье журнала Time, где упоминалось об открытии этого элемента, есть и следующий фрагмент о том, как предполагалось назвать элемент: «Кто-то пошутил, что этот элемент можно было бы назвать гровезием в честь сурового генерала Лесли Гровса, умевшего как следует гаркнуть. Химический символ этого элемента мог бы записываться как Gr».
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
Анекдот об Альваресе забавен, но он к тому же отлично характеризует то состояние, в котором находилась к концу 1930-х ядерная физика. Ученые все лучше понимали, как ведут себя атомные ядра, пусть прогресс и был очень медленным. И вдруг в результате одного открытия произошел прорыв. Мозли сформулировал строгое обоснование для науки, изучавшей атомы и ядра, и в 20-е годы XX века в этой области трудилось множество очень талантливых людей. Тем не менее научный поиск оказался сложнее, чем можно было предположить. Частично в этом был виноват сам Мозли. Его работа показала, что отдельные изотопы, например свинец-204 и свинец-206, обладают одинаковым положительным зарядом, но разной атомной массой. В мире, знавшем лишь о существовании протона и электрона, ученым оставалось лишь выдвигать нескладные гипотезы. Например, предполагалось, что положительные протоны могут «проглатывать» отрицательные электроны, как Пакман [54] . Кроме того, для понимания взаимодействий субатомных частиц ученым пришлось изобрести новый математический аппарат – квантовую механику. Потребовались многие годы, чтобы понять, как законы квантовой механики объясняют строение даже простейших изолированных атомов водорода.
54
Кроме этой протонно-электронной модели ядра ученые того времени также разработали модель «кекса с изюмом», согласно которой электроны сидели в положительно заряженном атоме как изюминки в тесте. Эту модель атома опроверг Резерфорд, доказавший, что в атоме существует компактное положительно заряженное ядро. После открытия ядерного распада была предложена капельная модель ядра, согласно которой большое ядро распадается, как капля на гладкой поверхности – на две другие «капли» (более мелкие ядра). Важнейшее значение для развития капельной модели ядра сыграли работы Лизы Мейтнер.
Тем временем физики активно разрабатывали и смежное научное поле, изучая явления радиоактивности, заключающегося в распаде атомов. Любой «традиционный» атом мог отдавать или красть электроны. Но самые дальновидные ученые – например, Эрнест Резерфорд и Мария Кюри – также осознали, что ядра некоторых редких элементов могут изменяться, распыляя своеобразную «атомную шрапнель». Одна из особых заслуг Резерфорда заключается в том, что он смог классифицировать эту «шрапнель» и выявить три ее основных типа, названных по первым буквам греческого алфавита. Это были альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. Гамма-лучи – это самый простой и наиболее смертоносный продукт ядерного распада. Они возникают, когда атом испускает концентрированные рентгеновские лучи. Сегодня гамма-излучение – одна из известнейших научных страшилок. Первые два типа радиоактивности связаны с превращением одних элементов в другие – в 1920-е годы этот процесс очень волновал научные умы. Но каждый элемент проявляет свойство радиоактивности особым образом, так что глубинная природа альфа– и бета-распада озадачивала физиков, которые все менее уверенно представляли себе и строение изотопов. «Пакмановская [55] » модель казалась все более несостоятельной, а некоторые отчаянные физики даже полагали, что единственный способ как-то разобраться с непостижимым множеством изотопов – отказаться от периодической системы.
55
Пакман – знаменитая примитивная компьютерная игра, в которой большой кружочек перемещается по лабиринту и поедает маленькие. – Прим. пер.
Массовый коллективный шлепок по лбу в духе «Ах, как же я сам не догадался!» произошел в 1932 году, когда Джеймс Чедвик, один из учеников Резерфорда, открыл нейтрон – элементарную частицу, не имеющую заряда, но имеющую массу. Этот феномен, рассмотренный в контексте идей Мозли об атомной массе, мгновенно позволил понять, как же построены атомы (по крайней мере, изолированные). Из-за разного количества нейтронов в ядрах изотопы свинца-204 и 206 относятся к одному химическому элементу и располагаются в одной клетке периодической системы. Ведь положительный заряд у них одинаков, а атомная масса разная. Внезапно прояснилась и природа радиоактивности. Бета-распад оказался превращением нейтронов в протоны и наоборот. Именно из-за изменения количества протонов один элемент в процессе бета-распада превращается в другой. Альфа-распад тоже сопровождается превращением элементов, при этом в ядре происходят наиболее серьезные изменения: при каждом акте альфа-распада атом теряет сразу два нейтрона и два протона.
В течение следующих нескольких лет нейтрон уже стал чем-то большим, чем теоретический инструмент. Во-первых, он оказался изумительным средством для зондирования недр атома, так как при «выстреле» нейтроном по атому эта частица не отталкивалась, в отличие от электрически заряженных «снарядов». Кроме того, нейтрон помог ученым описать новый тип радиоактивности. Элементы, особенно самые легкие, «пытаются» поддерживать в ядре стабильное соотношение между протонами и нейтронами – примерно 1 к 1. Как только в атоме накопится слишком много нейтронов, он самопроизвольно распадается, испуская при этом энергию и лишние нейтроны. Если эти нейтроны попадают в соседние атомы, то эти атомы также становятся нестабильными и испускают все больше нейтронов. Возникает своеобразный каскад, называемый цепной реакцией. Физик Лео Сцилард придумал концепцию цепной реакции примерно в 1933 году, стоя однажды утром в Лондоне на перекрестке со светофором. Сцилард запатентовал эту идею в 1934 году. Первые попытки осуществить цепную реакцию с легкими элементами (правда, неудачные) он предпринимал уже в 1936 году.