Бесплатный фрагмент - Элементы жизни

Элементы жизни
Наталия Теряева

В книге собраны и детально представлены в доступной форме широкому кругу читателей самые значительные эксперименты нашего времени в области ядерной физики и физики элементарных частиц, включая физику нейтрино и нейтринную астрофизику: синтез новых сверхтяжелых элементов в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне, эксперименты Большого адронного коллайдера Европейской организации ядерных исследований в Женеве и коллайдера тяжелых ионов NICA в Дубне, международные нейтринные эксперименты OPERA и Baikal-GVD.

Сюжет книги демонстрирует связь великих теоретических открытий в физике и расширения знаний об устройстве Вселенной с технологическим прогрессом человечества.

Автор убедительно и увлекательно рассказывает о деятельности великих российских физиков нашего времени — теоретиков и экспериментаторов, жизнь и творчество которых может служить достойным примером для молодого поколения.

Книга написана прекрасным и точным языком и повествует об исследованиях на самом переднем крае науки, результаты которых получаются и обрабатываются прямо сейчас, буквально на наших глазах в упомянутых выше крупнейших научных центрах мира. Автор показывает, как результаты таких исследований меняют жизнь отдельного человека и всего человечества.

Книга актуальна и созвучна нашему времени.

Академик В. А. Матвеев, научный руководитель Объединенного института ядерных исследований

Благодарности

Я выражаю искреннюю признательность и благодарность всем, кто помог мне создать эту книгу:

моему мужу, физику-теоретику Олегу Валериановичу Теряеву за вдохновение и ценные научные советы;

моим собеседникам, которые открыли мне глаза на тайны и загадки нашей Вселенной: академикам Юрию Цолаковичу Оганесяну, Дмитрию Васильевичу Ширкову, Виктору Анатольевичу Матвееву, Альберту Никифоровичу Тавхелидзе, Алексею Норайровичу Сисакяну, Владимиру Георгиевичу Кадышевскому, Григорию Владимировичу Трубникову, Исааку Марковичу Халатникову, Борису Лазаревичу Иоффе, нобелевскому лауреату Мюррею Гелл-Манну, членам-корреспондентам РАН Евгению Александровичу Красавину, Дмитрию Игоревичу Казакову, Владимиру Димитриевичу Кекелидзе, профессорам Самоилу Михелевичу Биленькому, Сергею Николаевичу Дмитриеву, Вячеславу Борисовичу Приезжеву, Виктору Васильевичу Воронову, Михаилу Игоревичу Панасюку, Хорсту Штокеру, Вальтеру Грайнеру, Юрию Алексеевичу Горнушкину, Александру Григорьевичу Ольшевскому, Александру Савельевичу Сорину, Владимиру Васильевичу Коренькову, доктору физико-математических наук Алексею Вячеславовичу Гуськову;

Объединенному институту ядерных исследований за поддержу в издании книги;

моим преподавателям, коллегам и собеседникам в Университете Регенсбурга (Universität Regensburg), в Политехнической школе (École Polytechnique) в Париже, в Лаборатории теоретической физики CNRS и Университета Париж-Юг (Université Paris-Sud) в Орсэ, в Центре теоретической физики CNRS в Марселе, в Институте физики частиц и ядерной физики Карлова университета в Праге, в Университете Инсубрии в Комо (Università degli Studi dell’Insubria) за помощь в понимании устройства европейской системы высшего образования и научных исследований и жизни общества стран Европы;

моим школьным учителям математики, физики, химии, биологии, немецкого языка, русского языка и литературы за мой интерес к этим предметам, превратившийся в профессию;

моим ученикам, надежда на разумное будущее которых поддерживала меня в написании этой книги.

Краткое Предисловие, или Вселенная элементарна

Если вы уверены, что рак лечится травами и подсолнечным маслом, то вам обязательно нужно прочесть эту книгу.

Забавно слышать советы вроде: «Бросьте ваши лекарства — это же химия! Лечитесь травами!» Дающие эти советы не подозревают, что все на свете — это химия. Травы, камни, звери, люди, небо, звезды — все во Вселенной состоит из химических элементов.

Пока нам известно, что самая последняя заполненная клетка в периодической таблице химических элементов Менделеева имеет номер сто восемнадцать. Девяносто два элемента в разных количествах присутствуют в земной природе. Остальные, начиная со 93-го, получены человеком в лабораторных условиях.

Кто-то может подумать, что элементы открывали в той же последовательности, в которой они расположены в таблице Менделеева. Вовсе нет. Время открытия первых восьмидесяти трех элементов никак не связано с их местом в периодической таблице химических элементов. Чаще всего люди обнаруживали химические элементы, когда те случайно вплетались в их бытовую жизнь.

Правда, некоторые элементы ученые искали специально, — иногда из любопытства, иногда предполагая в них особые, полезные свойства.

Каждый химический элемент получил в таблице место в зависимости от своего характера. Элементы, как и люди, наделены характером!

У людей характер определяется генами родителей и воспитанием. Химическим элементам характер формирует структура их атома. А проявляется характер химических элементов подобно человеческому — во взаимодействии с другими элементами.

Великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев потратил немало времени и изобретательности, чтобы сопоставив характерные особенности элементов (химические свойства и массу атома), придумать для них двумерную табель о рангах. В этой табели каждый химический элемент расположился на пересечении своей группы и своего периода. В любой из групп собраны элементы с похожими физико-химическими свойствами. А периоды составили элементы с последовательно возрастающей атомной массой. Химические свойства элементов одного периода меняются от щелочных металлов к инертным газам. И это повторяется от периода к периоду.

Возьмем для примера четвертый период таблицы Менделеева. Если атомная масса первого элемента этого периода, элемента номер девятнадцать — калия (К), — возрастет на единицу, то… вот те на — получаем из калия кальций (Са), металл уже не щелочной, а щелочно-земельный! Теперь к массе щелочно-земельного металла кальция добавляем единичку, и кальций превращается в легкий и мягкий переходный металл скандий (Sc) — редкоземельный элемент. Снова и снова прибавляя по единичке к атомной массе очередного элемента четвертого периода, постепенно добираемся от щелочного металла калия к последнему элементу периода — инертному газу под названием «криптон» (Kr). А если теперь массу атома криптона увеличим на единицу, то снова получим щелочной металл — рубидий (Rb), первый элемент следующего, пятого периода. Вот и прояснилось, отчего система химических элементов названа периодической — химические свойства элементов в таблице с возрастанием массы их атомов периодически повторяются.

Не зря американский журналист Сэм Кин (автор бестселлера «Исчезающая ложка») сравнил вклад Менделеева в создание картины мира, открывшейся перед человечеством, с заслугами Дарвина, создавшего теорию эволюции, и Эйнштейна — автора теории относительности. Ведь Дмитрий Иванович Менделеев не только классифицировал в своей таблице все химические элементы, которые к тому моменту времени были найдены в природе. Он подробно описал их свойства и структуру. И еще предсказал свойства тех элементов, которые людям только предстояло обнаружить.

«А кто и как добавил в таблицу остальные элементы?» — спросите вы. С остальными — история иная, поскольку их обнаружение связано с открытием радиоактивности. Но об этом чуть позже.

Впрочем, можно немного приоткрыть завесу над тайной прямо сейчас. Именно радиоактивность виновата в том, что одни элементы существуют и по сей день с момента появления их во Вселенной, а другие — давно исчезли. Но самое интересное заключается в том, что древние, исчезнувшие в пучине времени элементы, можно создать своими руками. Конечно, с помощью сложных приборов — атомных реакторов и ускорителей частиц. И, разумеется, не всякие руки подойдут для этого непростого дела.

Но главное — создать новые химические элементы возможно! Человек может повторить то, что миллиарды лет назад сделала природа! И найти созданному обыденное применение. Это ли не чудо?! Таким обыкновенным чудесам и посвящены страницы книги, которая сейчас перед вами.

Глава 1. Как мы узнали, что они существуют

Не знаешь железа? Ты — дикарь!

Истории открытия первых восьмидесяти трех химических элементов так удивительны, что каждая из них достойна остросюжетного детектива. Фактически химия как точная наука появилась в восемнадцатом веке. До этого времени элементы, имеющиеся в природе, люди обнаруживали и познавали опытным путем. И даже не задумывались, что имеют дело с «кирпичиками», из которых выстроен окружающий мир.

Археология утверждает, что когда-то (примерно две тысячи лет назад) бронзовый век человеческой цивилизации сменился веком железным. То есть во 2-м тысячелетии до новой эры железо (химический элемент №26) стало страшно популярным и вошло в повседневный быт людей в виде рабочих инструментов, оружия, украшений и прочих мелочей жизни. Железо вытеснило бронзу. При этом бронза — вещество вовсе не элементарное. Бронза — это смесь двух химических элементов: меди и олова.

Бронзовому веку предшествовал век медный, когда все необходимые для жизни предметы человеческие существа изготавливали вместо первобытного камня из медных самородков — чистой меди. Медь гораздо чаще других металлов встречается на Земле в виде крупных самородков и легче обрабатывается. Видимо поэтому она первой и попалась нашим предкам на глаза, а медный век опередил исторические эпохи бронзы и железа.

А вот железо в чистом виде, без примесей, встречается на поверхности нашей планеты только в кусках залетевших к нам из космоса метеоритов. И значит, доисторический человек впервые увидел железо тогда, когда однажды обнаружил упавшую с неба тяжелую и холодную погасшую звезду. Эта гипотеза подкрепляется тем, как именовали железо народы древности. Древние египтяне называли его «бени-пет», что означает «небесное железо», а древние греки обозначили железо словом sideros — звезда, небесное тело.

Железо падало с неба нечасто и потому казалось большой редкостью. Свидетельства археологов сообщают любопытную деталь: ценность небесного металла была так велика на первых порах, что украшения из железа вставляли в оправу из золота. Впрочем, немногие из таких украшений и железных орудий труда могли дойти до наших дней — железо очень быстро превращается в ржавчину (свой оксид), взаимодействуя с кислородом.

Но вот небесные камни иссякли, а население планеты все увеличивалось. Людям в поисках средств выживания пришлось пристальнее присмотреться к природе. И они обнаружили другие полезные камни, уже земные — железную руду. Из нее-то и начали добывать железо в больших количествах. С распространением технологии производства железа из руды ценность этого химического элемента сильно упала — железа теперь было много, и оно стало гораздо дешевле золота.

Интересно, что раньше всех нашли железную руду африканские представители рода человеческого, и потому пропустили медный век, перейдя от каменного ножа и топора сразу к железному. В Египте железо получали из руды еще во втором тысячелетии до нашей эры. Среди древних греков металлурги появились в конце второго тысячелетия, а в Китае — в середине первого тысячелетия до нашей эры. Так что в начале новой эры железо выплавляли уже и в Азии, и в Европе, а лучшими металлургами считались индийцы. Из Индии, по предположениям некоторых филологов, и происходит русское слово «железо». Часть из них считают, что корень нашего «железа» кроется в санкритском слове «джальджа», которое переводится как «металл», «руда». Другая часть ученых находит общность русского слова «железо» с санскритским словом «жель», означающим «блестеть», «пылать». Как бы то ни было, узнав слово «железо», наши предки и металлургию со временем освоили вполне достойно — не хуже индийцев.

Зато на американском континенте люди продолжали пользоваться медными орудиями до самого появления там в пятнадцатом веке новой эры европейцев, посчитавших индейцев-аборигенов дикарями со всеми вытекшими отсюда неприятными последствиями для жителей Нового света. (Кто не знает, что с ними случилось, может почитать романы Фенимора Купера.) Однако не потому в Америке люди пользовались по старинке медью, что были глупы. Просто у них не было потребности искать другой металл. Меди было навалом — тамошние месторождения оказались самыми крупными в мире… Бедные, бедные индейцы… Вот ведь как масштабно химический элемент номер 26 повлиял на историю человечества…

Но и это еще не все, сказали бы нам, рекламируя железо в телемагазине. Самое интересное, что планета, на которой мы живем, на треть состоит из железа. Еще любопытнее тот факт, что другая треть Земли образована кислородом — он составляет половину земной коры. Конечно, в земной коре кислород присутствует не в виде газовых подушек, а в составе природных минералов, которые, в большинстве своем являются окислами — кремнезём (SiO2), глинозём (Al2O3), оксид железа (FeO), окись кальция (CaO), окись магния (MgO), оксид калия (K2O) и оксид натрия (Na2O).

Железо с небольшой примесью никеля (примерно в соотношении тридцать к одному) образует раскаленное и сверхплотное двуслойное ядро нашей планеты, благодаря гравитационному притяжению которого мы прочно ходим по поверхности Земли. Железное ядро Земли состоит их двух частей — внешней и внутренней. Внутреннее ядро — твердое. Внешнее ядро жидкое, оно все время течет вокруг внутреннего ядра по направлению к востоку, создавая магнитное поле, которое дает нам возможность ориентироваться на планете с помощью компаса.

Откуда берется магнитное поле внутри Земли? На всякий случай вспомним, что магнитное поле создается движением электронов по проводнику — электрическим током. Железо — проводник. С другой стороны, при движении замкнутого проводника в магнитном поле в самом проводнике возникает электрический ток. Расплавленное железо внешнего ядра постоянно движется вокруг внутреннего ядра, возбуждая в самом себе электрический ток. Этот электрический ток рождает магнитное поле, которое в свою очередь поддерживает этот электрический ток — природа создала вечно работающую магнитную динамо-машину! А говорят, что вечного двигателя не существует… Правда, то, что для человечества — вечность, для природы — понятие относительное.

Интересно, что существование ядра у Земли было открыто совсем недавно, 105 лет назад, в 1906 году, английским геологом и сейсмологом Ричардом Олдхэмом. Измеряя распространение сейсмических волн во время землетрясений, он обнаружил, что в диаметрально противоположную эпицентру землетрясения точку на поверхности Земли сейсмическая волна приходит позже, чем это предсказывали расчеты. Олдхэм предположил, что помехой, задерживающей сейсмическую волну, является очень плотное ядро Земли. Так оно и оказалось. В 1913 году считали, что земное ядро жидкое. А в 1936 датский сейсмолог Инге Леман обнаружила, что часть сейсмических волн отражается от ядра Земли, и интерпретировала этот факт как наличие у ядра твердой внутренней части. Лишь спустя пару лет после этого открытия сейсмологи мира признали правоту смелой женщины.

Знаменательно, что человечество практически синхронно сделало два ядерных открытия. Одно — космических размеров, другое — микроскопических: ровно сто лет назад, в 1911 году было открыто атомное ядро. Но это — другая история. О ней — чуть позже.

Под знойным небом Аргентины

Название «Аргентина» большой южноамериканской страны сразу наводит на мысль, что серебра в ней видимо-невидимо. Отчего так названа страна, где на самом деле серебра почти нет, могут рассказать только легенды — исторические документы об этом умалчивают. Но любопытно, что не только сама страна, но и ее части имеют блестящие серебром названия. Например, столица аргентинской провинции Буэнос-Айрес называется Ла Плата, что в переводе с испанского означает «серебро». На берегу залива Рио-де-ла-Плата или Серебряной реки стоит город Буэнос-Айрес, столица Аргентины.

Когда в начале 16 века нашей эры английский мореплаватель итальянского происхождения Себастьян Кабот, служивший в то время испанской короне, нашел залив Рио-де-ла-Плата, ныне разделяющий Уругвай и Аргентину, он уже был наслышан об огромных запасах серебра, которым обладал Новый свет. Возможно, предвкушая богатую добычу, он и назвал залив Серебряной рекой. Однако, не найдя никаких сокровищ, и потеряв в схватках с индейцами часть своих моряков, капитан отплыл обратно, в Испанию. Ошибся континентом. Серебро спустя триста лет обнаружилось гораздо севернее.

Почему он искал именно серебро? Причина проста: в те времена деньги были серебряными, Европа жила по серебряному стандарту. Этот факт закрепился, например, в современном названии английской валюты — фунт стерлингов, то есть полкило серебра. Мир перешел к золотовалютному, а точнее — к долларовому стандарту только в конце девятнадцатого — начале двадцатого века, когда Конгресс США сначала запретил чеканить монеты из серебра, а затем в 1900 году издал закон о золотом стандарте.

Зачем это было нужно? Началось все с того, что в середине 19 века по всему миру были открыты новые месторождения золота. Вместе с предложением возрос и спрос на золото. А серебряные монеты стали дешевле рыночной цены серебра. Люди стали избегать расплачиваться серебряными монетами, переплавляли их и продавали по цене металла, из которого они были сделаны. Так в США появился дефицит мелких серебряных монет, и возникла инициатива двойного — «биметаллического» — денежного стандарта, золото-серебряного. Через несколько десятилетий в Неваде обнаружились крупные месторождения серебра, и стоимость этого металла сразу упала. Конгресс США принял решение прекратить чеканку серебряных монет, а в 1900-м году окончательно ввел золотой стандарт.

Дальше история развивалась так. Начало 1900-х годов запомнилось миру ростом американской экономической экспансии. Так утверждает Мюррей Ротбард в своей «Истории денег и банковского дела в Соединенных Штатах». США были заинтересованы в том, чтобы установить контроль над денежными системами экономически «колонизированных» стран. По мнению Ротбарда, американские банкиры хотели вынудить страны третьего мира отказаться от серебряного стандарта (колебавшегося при падении стоимости серебра к золоту) в пользу «золотовалютного» или долларового стандарта. То есть валюта, состоявшая из символических серебряных монет, привязывалась к доллару, который, в свою очередь, был привязан к золоту. И получалось, что в качестве резервной валюты эти страны вынуждены были использовать доллар, а не золото. Так весь мир постепенно оказался привязанным к американской экономической и денежной системе. При этом банки США, благодаря золотовалютному стандарту (в отличие от подлинного золотого стандарта) оказывались избавленными от угрозы покушения на их золото в случае чрезмерной инфляции. Вместо золота пожалуйте доллар!

А что же российский рубль? Имеет ли он отношение к самому главному монетному металлу истории (именно так назвал серебро нобелевский лауреат по экономике Милтон Фридман)? Еще как имеет. Само название нашей родной валюты появилось благодаря мягкости благородного белого металла. В древней Руси стоимость товаров меряли в брусках серебра. Если товар оказывался дешевле целого бруска, то от бруска отрубали часть, которая была равна цене товара. Такие рубленые части и называли рублями.

Впоследствии, чтобы увеличить прочность разменных монет, их стали чеканить из сплава серебра с медью в равных долях. Но случалось, российские монеты делали из чистого серебра. При этом монеты оказывались фальшивыми. Казалось бы абсурд! Но они были действительно фальшивыми с точки зрения закона, поскольку чеканились не государством, а частными лицами, и, следовательно, подрывали экономику страны. Такая история случилась в период правления Россией императрицы Анны Иоанновны. Уральский промышленник Акинфий Демидов обнаружил на земле, которой владел, серебряную руду и стал потихоньку (то есть втайне от императорского двора) чеканить серебряные монеты. Однако хотя земля была его частной собственностью, все, что содержалось в земле, считалось собственностью государства. А значит, серебро, возделанное из руды, следовало отдавать в российскую казну. Понимая, что его собственные монеты хоть и чисто серебряные, но фальшивые, Демидов решил чеканить свои монеты так, чтобы они ничем не отличались от царских (в средние века фальшивомонетчиков заживо варили в кипятке или заливали им в глотку расплавленный свинец).

В городке Невьянске тайно, в неприметном глубоком подвале, отделенном шлюзом от озера, круглые сутки работал подпольный монетный двор. Демидовские деньги циркулировали в России наряду с царскими. Пишут, что трудно было оценить, каких — законных или незаконных — было больше. И все же, шила в мешке не утаишь. Один из демидовских мастеров попал в немилость к быстрому и жестокому на расправу хозяину. Спасая свою жизнь от гнева владельца серебряных рудников, он бежал из Невьянска в Петербург. Акинфий Демидов послал вслед гонцов с приказом догнать и убить беглеца. А если догнать не удастся, то гонцам было велено немедля скакать в Петербург к царице с радостной вестью об открытии серебряных залежей. Вот так до Петербурга и дошла эта радостная весть. Пока императрица снаряжала в Невьянск комиссию по приемке в казну серебряных богатств, Демидов распорядился открыть шлюз, и озеро затопило монетный двор вместе с работниками. Триста прикованных к стенам рабов жестокого хозяина остались под водой. Как поется в известной арии Мефистофеля из оперы Гуно «Фауст», «люди гибнут за металл»…

Средство против монахов

Любопытные истории открытия химических элементов запоминаются, почти как детские сказки. Взять хоть сурьму — элемент под номером 51, названный по-латыни stibium (Sb), который после исследования его свойств, с конца XVIII в. Прослыл в Западной Европе в качестве антимония (antimoine).

Moine — по-французски значит «монах». Следовательно, слово antimoine можно перевести на русский как «средство против монахов». С названием «антимоний» как раз и связана забавная легенда об открытии сурьмы, красочно описанная Ярославом Гашеком в рассказе «Камень жизни». По Гашеку, якобы дело происходило в 1460 г. в Баварии. Игумен Штальгаузенского монастыря, занимаясь алхимическими поисками философского камня — эликсира жизни, сотворил из пепла сожженного еретика, пепла своего кота и горсти земли некий камень с металлическим блеском. Камень оказался тяжелым и не подошел под описание философского камня — тот слыл невесомым и прозрачным. Игумен выбросил свое произведение на монастырский двор и через некоторое время заметил, что свиньи очень заинтересовались металлическим камнем, поедают его и при этом очень быстро жиреют. Экономный игумен решил применить чудесный камень для питания своих монахов, чтобы они ели меньше, а упитанность их все возрастала. К гречневой каше, сваренной монахам на ужин, он добавил горстку истолченного металла. К утру все сорок монахов скончались в страшных мучениях. Так с тяжелой (или легкой — кому как нравится) руки игумена удивительный металлический порошок прославился как антимоний.

Правда, есть и более прозаическое происхождение названия «антимоний». Немецкий историк Эдмунд Липпман предположил, что оно связано с греческим словом «анемон» (ανεμον — цветок) по виду сростков игольчатых кристаллов сурьмяного блеска, похожих на цветы семейства сложноцветных. Арабское же слово, обозначающее некое косметическое средство, может быть записано по-латыни как ithmid, athmoud, othmod или uthmod (звучит похоже на антимоний, не правда ли?).

Между прочим, выражение «разводить антимонии» вроде бы тоже происходит от химического элемента номер 51. Люди, разводящие антимонии, проявляют излишнюю снисходительность к тем, кто этого вовсе не заслуживает, и утомляют собеседников своими излишне долгими и пустыми разговорами, уподобляясь долгим спорам средневековых алхимиков относительно лечебных свойств сурьмы — антимония. Некоторые считают, что выражение про разведение антимоний происходит от долгого и нудного процесса разведения и растирания гомеопатических снадобий, одним из которых в средние века являлась сурьма. Видимо и тогда не все население Европы серьезно и с доверием относилось к гомеопатам — отсюда ироничность оборота.

Ну и как не вспомнить насурьмленные брови красавиц из русских сказок? Оказывается, русское слово «сурьма» произошло от турецкого sürme, обозначавшего порошок свинцового блеска PbS (соединение свинца с серой), который применялся для чернения бровей. Ну, а причем же здесь настоящая сурьма — самостоятельный химический элемент? Она тоже шла в ход как средство красоты: черная модификация трехсернистой сурьмы (природный порошок сурьмяного блеска Sb2S3) применялась уже в 19 в. До н. э. в Древнем Египте под названием mesten или stem в качестве краски для бровей. В Древней Греции этот порошок был известен как stími и stíbi, отсюда — латинский stibium.

И все эти подробности рассказали нам только об одном химическом элементе, расположенном под номером 51 в периодической системе элементов Менделеева. Премного любопытного можно рассказать и о каждом из первых восьмидесяти трех.

Джинсовый элемент

Химический элемент номер под номером 49 в таблице Менделеева назвали индием вовсе не в честь великой азиатской страны. Его имя имеет связь с полюбившейся всему миру джинсовой одеждой. Традиционный цвет джинсов — сине-фиолетовый, иначе — индиго. Натуральный краситель «индиго» получил свое наименование от рода растений рода Indigofera, издревле произраставших на территории нынешних Китая, Кореи и Японии, но названных почему-то в честь реки Инд. Очень редкий металл индий был открыт именно благодаря цвету «индиго». И вот как это случилось.

В 1863 г. немецкие химики Т. Рейх и Ф. Рихтер решили исследовать методом спектрального анализа цинковую руду, найденную вблизи Фрейберга в Саксонии. Они надеялись обнаружить в ее составе таллий — редкий элемент, открытый за год до этого англичанином Уильямом Круксом как раз с помощью спектроскопического исследования шлама, присланного с одного из немецких сернокислотных заводов. В полученном спектре Рейх и Рихтер искали ярко-зеленую спектральную линию таллия, но вместе с нею обнаружили неизвестную для них линию цвета известного красителя «индиго». Темно-синий краситель и дал имя новому элементу. Свое название индий оправдывает также изменением окраски пламени. Если внести кусочек индия в пламя свечи или горелки, то огонь станет сине-фиолетовым. Найдете индий — попробуйте!

А если не найдете, то подойдите к зеркалу и хорошенько присмотритесь к своему изображению. Свитер наяву кажется несколько иного оттенка, чем его отражение в зеркале? Тогда… Нет, не обязательно зеркало сделали в Китае. Скорее всего, в серебряную изнанку зеркала не добавили индия, и поэтому цвета оно отражает не совсем точно. И серебряное, и оловянное, и ртутно-висмутовое зеркала, и зеркало из полированной пластинки нержавеющей стали или иного металла — все они имеют одинаковый недостаток: падающие лучи света разных цветов отражаются от них по-разному, то есть имеют разный коэффициент отражения света. Зато металл индий одинаково хорошо отражает все части спектра, все его цвета. Значит, не быть зеркалу высококачественным, если в нем отсутствует индий.

Впрочем, на самом деле, глядя в зеркало, не содержащее индия, человеческий глаз не в состоянии заметить неточное отражение цвета. Так что не грешите на зеркало, если ваш свитер потерял яркость красок. Однако для астрономов, исследующих свет далеких звезд, даже столь незаметные искажения цвета совершенно недопустимы — ученые могут сделать неправильные выводы о строении нашей Вселенной. Поэтому в телескопах устанавливают абсолютно объективные к любого цвета световым лучам индиевые зеркала.

Ни в коем случае не подумайте, что все сделанное из индия имеет синий цвет. Металл индий вовсе не синий и не фиолетовый. Он серебристо-белый в разрезе, а поверхность его красиво блестит, потому что на воздухе индий не покрывается матовой пленкой окисла, как другие металлы — он практически не взаимодействует с кислородом. Индий так мягок, что его можно резать ножом, а палочками из индия получится рисовать на бумаге. Но зеркала, конечно, делают не целиком из индия. Этот редкий металл в очень небольших количествах добавляют к серебру, которым покрывают тыльную часть стеклянного зеркала. Прибавка индия усиливает зеркальный блеск и предупреждает потускнение. Рассказывают, что во время массированных налетов немецкой авиации на Лондон в годы второй мировой войны зениткам здорово помогали прожекторы английской противовоздушной обороны. Блеск их лучей «пробивал» плотный лондонский туман благодаря индию, который использовался для изготовления прожекторных зеркал. Правда, индий плавится всего при 156°С, поэтому зеркало во время работы прожектора приходится охлаждать. А один из сплавов индия со свинцом, висмутом и еще несколькими металлами имеет температуру плавления всего 46,5°С. Чайная ложечка из такого сплава прямо на глазах растаяла бы в горячем чае. Впрочем, никому и не придет в голову делать из индия чайные ложки, ведь во всем мире добывают в год всего несколько тонн индия: он очень редко встречается в природе и никогда не бывает главным компонентом минерала, в котором его находят. Именно по этой причине индий был открыт людьми так поздно.

Металлурги относят индий к группе рассеянных редких металлов. Это означает, что в лучшем случае индий можно встретить в виде ничтожных примесей к рудам других металлов. Собственно индиевые минералы — рокезит CuInS2, индит FeIn2S4 и джалиндит In (ОН) 3 — чрезвычайно редки. Еще реже встречается самородный индий. В рудах других металлов его содержание обычно куда меньше 0,05%. Такие крохи индия добыть непросто.

Руды редких металлов имеют обычно сложный состав и часто содержат сразу несколько ценных для промышленности металлов. Поэтому редкие металлы извлекать приходится комплексно, а уж затем их разделяют. Это занятие очень сложное, поскольку требует знания свойств и особенностей каждого металла. Если говорить об индии, то его чаще добывают из цинковой руды, иначе — сфалерита (ZnS). Он извлекается попутно вместе с галлием, таллием и германием. Именно благодаря своим попутчикам индий был открыт при поисках таллия.

До 30-х годов ХХ века люди не знали, куда применить своеобразные свойства индия: для металлических конструкций он слишком мягок и дорог, к тому же легкоплавок. И вот по ходу технического прогресса применение постепенно нашлось. Сначала выяснилось, что сплав мягкого индия с пластичным свинцом оказывается гораздо прочнее и тверже, чем каждый из этих металлов в отдельности. Поэтому индий стали использовать для изготовления подшипниковых сплавов. Причем сплав научились получать прямо на поверхности подшипника. Электролитическим способом на стальную основу подшипника наносят тонкий слой серебра. Назначение этого слоя — придать подшипнику повышенное сопротивление усталости. Поверх серебряного слоя таким же образом наносят слой пластичного свинца, а на него — слой еще более пластичного индия. Затем подшипник нагревают для лучшего проникновения индия в свинцовый слой. Диффузия индия в свинец и свинца в индий образует на поверхности подшипника прочный свинцово-индиевый сплав. Четырехслойная (считая и стальную основу) конструкция в пять раз увеличивает срок службы подшипника по сравнению с обычными. Поэтому такие подшипники до сих пор устанавливают в авиационных и автомобильных двигателях.

Добавляя индий в сплавы с другими металлами, используют и другие его драгоценные свойства — например, высокую стойкость к действию едких щелочей и морской воды. Стоит чуть-чуть индия прибавить к меди, и этот сплав уже хорош для изготовления обшивки нижней части корабля. Такая обшивка легко противостоит длительному воздействию все на свете разъедающей морской соли.

Иногда индий и его сплавы применяют в качестве припоя. В расплавленном состоянии они хорошо прилипают ко многим металлам, керамике, стеклу, а после охлаждения соединяются с ними накрепко. Припои из индиевых сплавов используют в производстве полупроводниковых приборов.

Кстати, полупроводниковая промышленность ныне стала основным потребителем индия. Некоторые соединения «джинсового элемента» с элементами V группы таблицы Менделеева (азот, фосфор, ванадий, мышьяк, ниобий, сурьма, тантал, висмут, дубний) обладают ярко выраженными полупроводниковыми свойствами. Наибольшее значение приобрел антимонид индия, электропроводность которого особенно сильно меняется под действием инфракрасного излучения. Он стал основой инфракрасных детекторов — приборов, способных видеть в темноте нагретые предметы. Получают это соединение очень просто — нагревают смесь индия и сурьмы в условиях вакуума в кварцевых ампулах.

Арсенид индия InAs (соединение индия с мышьяком) применяется тоже в инфракрасных детекторах и в приборах для измерения напряженности магнитного поля. Для производства квантовых генераторов, солнечных батарей, транзисторов и других приборов перспективен и фосфид индия (соединение индия с фосфором). Только получить это соединение очень трудно: оно плавится при 1070° C и одновременно разлагается. Так что приходится получать фосфид индия только в реакторе при высоком давлении паров фосфора — порядка десятков атмосфер.

Примесь индия придает германию дырочную проводимость. Это свойство лежит в основе технологии изготовления многих типов германиевых диодов. Делают диоды вот как. К пластинке германия n-типа прижимается контактная игла, покрытая слоем индия, который во время формовки вплавляют в германий, создавая в нем область p-проводимости. А если два шарика индия вплавить с двух сторон германиевой пластинки, то тем самым создается p-n-p-структура — основа транзисторов.

Сегодня индий стал очень современным металлом, можно сказать, модным. Потому что более 80% спроса на него создают производители жидкокристаллических мониторов, плазменных телевизоров и светодиодов. Из оставшихся двадцати процентов спроса на индий одиннадцать обеспечивают металлурги, производящие специальные сплавы. При этом мировая добыча первичного индия составляет лишь 50% рыночного предложения, или примерно 500 т. Остальная половина — вторичный металл, получаемый при переработке лома.

Индиевым сплавам с серебром, оловом, медью и цинком свойственна высокая прочность, коррозионная стойкость и долговечность. Поэтому их применяют для изготовления зубных пломб. Индий здесь играет ответственную роль: он сводит к минимуму усадку металла при затвердевании пломбы.

Авиаторы хорошо знакомы с цинково-индиевым сплавом, служащим антикоррозионным покрытием для стальных пропеллеров. Тончайший слой из олова и окиси индия используют для обработки поверхности ветровых стекол самолетов. Такие стекла не замерзают, на них не появляются ледяные узоры, мешающие обзору. Кстати, сплавы индия широко используются в вакуумной технике для склеивания стекла с металлами.

Некоторые сплавы индия приглянулись ювелирам. Зеленым золотом назвали они декоративный сплав 75% золота, 20% серебра и 5% индия. А небезызвестная американская фирма «Студебеккер» вместо хромирования наружных деталей автомобилей применила индирование. Индиевое покрытие значительно долговечнее хромового.

В атомных реакторах индиевая фольга служит контроллером, измеряющим интенсивность потока тепловых нейтронов и их энергию. Сталкиваясь с ядрами стабильных изотопов индия, нейтроны превращают их в радиоактивные. При этом возникает поток электронов, по интенсивности и энергии которого судят о нейтронном потоке.

Вообще, природный индий состоит из двух изотопов с массовыми числами 113 и 115. Причем доля более тяжелого из двух изотопов значительно весомее — 95,7%. До середины XX века оба эти изотопа имели репутацию стабильных. Однако в 1951 году ученые установили, что индий-115 все же подвержен бета-распаду и постепенно превращается в олово-115. Правда, процесс этот протекает крайне медленно, потому что период полураспада ядер индия-115 очень велик — 6 • 1014 лет. Оттого-то и не удавалось долгое время заметить радиоактивность, присущую индию. К нашему времени получено уже около 20 радиоактивных изотопов индия.

Как далеко продвинулось человечество всего за двести лет! В восемнадцатом веке химические элементы ученые называли простыми телами, и великий французский химик Антуан Лавуазье насчитывал их всего пять. В «Таблице простых тел», которую составил Лавуазье, в числе пяти простых тел, относящихся ко всем трем царствам природы (свет, теплота, кислород, азот, водород), из всех химических элементов упомянуты только кислород и водород.

(Между прочим, великий ученый, инженер и просветитель Антуан Лавуазье, совершивший революцию в химии, был отправлен 8 мая 1794 года на гильотину трибуналом Великой Французской революции. Он опровергал взгляды на мир, которых придерживался Марат — один из вождей этой революции.)

А через сто лет после Лавуазье ученые открыли 63 химических элемента, разбираясь в свойствах веществ. Спустя двести лет — в двадцатом веке — люди убедились, что элементов 118, и это еще не предел. То есть половина известных нам элементов обнаружилась в природе, а остальные пришлось искать очень долго с помощью сложной техники. Отчего? Эту тайну откроет нам удивительное явление — радиоактивность.

Глава 2. Удивительная радиоактивность

Вначале было… поле

Считается, что Вселенная появилась около 14 миллиардов лет назад. Так утверждает общепринятая сегодня космологическая модель Вселенной. Согласно современным представлениям, возраст Вселенной — это максимальное время, которое измерили бы часы с момента Большого взрыва до настоящего времени, если бы в момент Большого взрыва кто-нибудь засек время на этих часах. А поскольку в момент творения на месте события свидетелей не было, то хронология развития Вселенной оценивается с помощью косвенных признаков. Современная наука располагает, как минимум, тремя надежными способами оценки возраста Вселенной.

Первый из них отталкивается от возраста старейших во Вселенной звезд — белых карликов. Возраст белых карликов можно оценить, измеряя их яркость. Самые старые белые карлики — более холодные и потому менее яркие. Обнаружив слабо светящийся белый карлик, можно оценить продолжительность времени, в течение которого он охлаждался. Эту оценку проделали Освальт, Смит, Вуд и Хинтцен. Свои результаты они опубликовали в 1996 году в журнале «Nature». По их данным, возраст звёзд основного диска Млечного пути составляет около 9,5 миллиардов лет. Вселенную же эти ученые сочли минимум на 2 миллиарда лет старше звёзд диска Млечного пути, то есть более 11,5 миллиардов лет.

Второй способ узнать возраст Вселенной — оценить возраст самых старых шаровых скоплений звёзд. Этот метод с девяностопятипроцентной вероятностью показал, что возраст Вселенной больше, чем 12,1 миллиардов лет.

И, наконец, возраст Вселенной можно узнать, оценив длительность жизни химических элементов. Для этого используют явление радиоактивного распада — оно дает возможность определить возраст определённой смеси изотопов. Ведь каждый химический элемент, встречающийся на Земле, чаще всего представляет собой смесь своих изотопов.

Химические элементы появились во Вселенной лишь на самых поздних этапах ее существования. А в начале всего сущего не было ничего, то есть совсем ничего — даже пустоты не существовало. Потому что пустоту можно ощутить, когда есть ее противоположность — наполненность чем-нибудь. Что же тогда было, когда не было ничего?

Случилась инфляция, считают физики-теоретики. Не удивляйтесь! То самое знакомое нам в быту и неприятное понятие, влекущее за собой ухудшение жизни государства и отдельных его граждан, оказалось виновником появления нашей Вселенной. И было это, как в сказке.

Нечто — назовем его полем — каким-то образом было распределено в некоем пространстве. И вдруг в одной точке этого поля (физики назвали поле инфлатонным от слова «инфляция») случайно, по неизвестной причине, образовалась флуктуация (от лат. Fluctuatio — отклонение от среднего значения) — что-то вроде крошечного прыщика размером 10—33 см. Если вспомнить, что масса элементарной частицы под названием протон (ядра атома водорода) равна 10—13 см, то становится ясно, что прыщик, давший начало Вселенной, был во столько же раз меньше протона, во сколько раз невидимый глазу протон меньше Луны. Зато теперь Луна по отношению к современной Вселенной имеет примерно тот же размер, что имел первоначальный прыщик в сравнении с ядром атома водорода. Но не будем отвлекаться от инфляционной теории появления Вселенной.

Итак, случайный прыщик почему-то стал набухать и увеличил свой размер на целых шесть порядков, то есть в миллион раз — до 10—27 см. Это были первые мгновения жизни нашей Вселенной. На таком масштабе размера флуктуации уже действуют известные сегодня человечеству основные законы физики. Они-то и нарисовали ученым картину происшествия, названного Большим взрывом. Оказывается, достигнув размера 10—27 см, согласно физическим законам, прыщик (то есть флуктуация) начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна.

Звучит сложно, но представить себе это очень просто. Вообразите снежное плато, заканчивающееся крутым склоном. Дунул ветер в сторону склона, появился крошечный холмик снега, спрессовался в снежок. Ветер снова подул, снежок оторвался от плато и покатился по склону, устремляясь вниз — там его потенциальная энергия будет минимальной. Снег налипает на снежок, снежок быстро растет в размерах. И чем круче склон, тем стремительнее катится, катится и растет, растет снежок… И вот он уже целой лавиной низвергается вниз… и в конце-концов рассыпается в снежную пыль.

Такую живописную картину нарисовал Сергей Рубин, рассказывая об инфляционной теории расширения Вселенной, предложенной всего 30 лет назад российским физиком А. Старобинским и американцем А. Гутом — автором физического термина «инфляция».

Лавинообразно, всего за 10—35 секунды, первоначальный прыщик вырос в 1027 раз, и Вселенная уже оказалась размером в 1 см. Прыщ созрел, инфляция закончилась. Но накопленная во время созревания и роста кинетическая энергия требовала выхода. Она нагрела и взорвала набухший до предела прыщ — сантиметровую Вселенную. Этот взрыв кинетической энергии, названный Большим взрывом, при невообразимо высокой температуре родил первые частицы нашего мира, которые начали разлетаться во все стороны. И разлетаются они до сих пор. Так что наша Вселенная продолжает расширяться.

Инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, наблюдая процесс изнутри Вселенной, не в состоянии увидеть ни инфлатонное поле, ни его другие отклонения: маленькая область всего лишь одной флуктуации превратилась в нашу колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

Сразу после окончания инфляции внутренний наблюдатель (если бы он был) увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде частиц и квантов света — фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получили бы примерно 1080 кг. Представить себе это огромное число трудно, но возможно. И вот как мы это попытаемся сделать.

Американский исследователь Роберт Фрейтас в своей монографии «Наномедицина» подсчитал, что во взрослом мужчине весом 70 кг 300 г содержится примерно 6,71 • 1027 атомов. На планете Земля живет почти 7 • 109 людей. То есть атомов в организме каждого из нас больше, чем жителей Земли, в миллиард миллиардов раз. Число, чуть большее 1080, получится, если три раза перемножить между собой число атомов в человеческом организме — именно столько килограммов весят все частицы, наполняющие собой нашу Вселенную.

Факт расширения Вселенной 70 лет назад обнаружил американский астрофизик Эдвин Хаббл. Он заметил, что красный свет от далеких галактик имеет более интенсивный цвет, чем красный свет от галактик более близких. Возникло предположение, что более далекие галактики удаляются с большей скоростью. Наблюдения показали, что удаляются друг от друга не звезды и даже не отдельные галактики, а целые скопления галактик, Потому что звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. И в каком направлении ни посмотришь, кажется, что скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью и что наша галактика является центром Вселенной. Но это только кажется. Из-за того, что Вселенная расширяется, наблюдатель в любой точке космического пространства увидит одну и ту же картину — все галактики удаляются от него.

Этот, казалось бы, простой астрономический факт заставил полностью пересмотреть все космогонические концепции — так ученые называют теории возникновения и развития Вселенной. Появилась новая физика — физика возникающих и исчезающих миров.

Логика подсказала, что разлет вещества во Вселенной обязан иметь начало. Значит, все галактики должны отправиться в разные стороны из одной точки — точки Большого взрыва. И отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней. Но в каком виде — никто не знал. И потому никто не искал. Отзвуки обнаружили в 1964 году американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас в виде реликтового электромагнитного излучения с температурой около 3° по шкале Кельвина (-270°С). Именно это неожиданное открытие подтвердило предсказанный теоретиками Большой взрыв, породивший Вселенную.

Теория Большого взрыва позволила разобраться во многих загадках. Но еще больше загадок остались неразгаданными. А к ним добавились и новые. Например, теория предсказывала для Вселенной размер всего в 1 см, но мы-то воочию видим, каковы истинные размеры этого космоса. Непонятна была и причина чудовищного начального разогрева Вселенной до температуры более 1013 К. Одним словом, теория Большого взрыва требовала развития и уточнения. Прорывом в космологии и астрофизике стала теория инфляции — самое значительное открытие астрофизики за последние 30 лет.

Решающие предсказания, блестяще подтвердившиеся экспериментами, сделали о стадии инфляции Вселенной российские физики Алексей Старобинский и Вячеслав Муханов, за что в 2009 году они получили одну из самых престижных наград в астрофизике — премию Tomalla Prize. До этой пары наших соотечественников ее удостоился лишь один российский физик-теоретик — Андрей Сахаров.

Очень много любопытного и фантастического открыла теория инфляции Вселенной. Как рассказывал Алексей Старобинский журналистам, для доказательства своей теории он, подобно палеонтологу, пытавшемуся в вечной мерзлоте отыскать кости доисторических животных, искал «кости», которые должны были остаться от ранней Вселенной. «Что такое найти в грунте кость в буквальном смысле? — пояснял А. Старобинский в одном из интервью [5], — Это означает среди песка или почвы наткнуться на неоднородность. Было предположение, что такие же неоднородности со специфической структурой во Вселенной от инфляции обязательно остались».

Воспользовавшись моделью Старобинского инфляции Вселенной, Вячеслав Муханов предположил, что все, что мы видим и ощущаем во Вселенной, и даже то, чего мы не видим и не ощущаем, — то есть все структурные элементы нашего мира — все это образовалось благодаря квантовым флуктуациям: отклонениям от среднего на квантовом уровне, уровне микромира. Муханов доказал, что на стадии ускоренного расширения Вселенной квантовые неоднородности усиливаются ровно настолько, насколько это нужно для того, чтобы впоследствии из них получились галактики и другие структуры во Вселенной. Без них наша Вселенная напоминала бы собой пустыню. Так микромир определил развитие макромира.

По мнению Вячеслава Муханова, Вселенная является очень мощным усилителем, который растягивает и преобразовывает ничтожно маленькие флуктуации, существующие в микроскопических масштабах, в галактики и даже в гораздо большие структуры. То, что обычно считалось важным лишь в масштабе размеров атома, оказалось существенным в колоссальных масштабах.

В 1979 году Алексей Старобинский сделал очередное предсказание: должен быть ещё один реликт стадии ускоренного расширения Вселенной, а именно огромной длины гравитационные волны, которые могли рождаться только на этой стадии. Если космический телескоп Планк (Plank) сможет этот реликт измерить и показать, то это станет окончательным подтверждением инфляционной модели, последним штрихом, завершающим общую картину.

В представлении многих космология еще недавно была чем-то вроде натурфилософии. Экспериментальных данных каких-нибудь сорок лет назад было очень мало — уровень технического развития даже самых могучих стран тогда был недостаточным для создания мощных космических телескопов. В 1980-е годы все очень хотели, но никак не могли найти флуктуации реликтового излучения. Одним из первых инициаторов их поиска на радиотелескопе РАТАН-600 в СССР, на Северном Кавказе, был физик-теоретик, академик АН СССР Яков Зельдович. Но из-за недостаточного уровня чувствительности радиотелескопа, советские ученые флуктуаций не нашли. Их обнаружил в 1992 году американский спутник СОВЕ, за что лидер работавшей со спутником исследовательской группы Джордж Смут получил Нобелевскую премию по физике.

С этого и началась эпоха значительных космологических измерений, подтверждавших предсказания теории инфляции. Независимо обнаружился и еще один неожиданный факт. Наблюдения удалённых сверхновых звезд выявили недостающее вещество Вселенной — целых 70 процентов ее объема. Оно затаилось в виде темной энергии.

Космология преподнесла много сюрпризов. Один из них состоит в том, что наша Вселенная — вовсе не единственная. Это следствие инфляционной теории. В 1984 году Алексей Старобинский разработал стохастический подход в теории инфляции — предположил, что инфлатонное поле описывается случайным потенциалом. Это означает, что флуктуации в инфлатонном поле могут возникать случайно и в любом его месте. Российский физик Андрей Линде, ныне работающий в Стэнфордском университете, в 1986 году продолжил эту мысль Старобинского: если флуктуации могут возникать случайно и где угодно, то они могут возникать в любой момент и не однажды, а происходят постоянно — вечно.

Если вернуться к снежной аналогии рождения Вселенной, то легко себе представить, как постоянные порывы ветра сгребают в поле не один крепкий снежок и не один сугроб. Каждый из таких снежков может оказаться на крутом обрыве и, комом скатываясь вниз, давать жизнь своей вселенной, с ее специфическими параметрами — потому что траектории снежных комов будут разными. Разные вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной поразительным образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. В этом ученые находят проявление так называемого антропного принципа: Вселенная создана для человека. Другим вселенным, наверное, повезло меньше, поэтому мы о них ничего не знаем.

«Вывод о вечной инфляции, полагаю, нужно понимать в таком же общефилософском смысле, как и тезис о вечности материи. Где-нибудь в пространстве и где-нибудь во времени всегда можно найти миры (вселенные), находящиеся на инфляционной стадии, — так охарактеризовал год назад это достижение Андрея Линде Алексей Старобинский. — И поэтому сейчас полностью исчезли иллюзии о возможности однократного божественного сотворения мира. Это было ещё как-то возможным, когда все думали об одном Большом взрыве как о рождении одной Вселенной. А сейчас, когда мы понимаем, что таких вселенных и больших взрывов бесконечное количество, то становится невозможно обсуждать сотворение всего этого единым богом».

Первые мгновения творения

Жизнь Вселенной сегодня принято делить на несколько периодов:

— 10−45 — 10−35 с после Большого взрыва. Вселенная начала расширяться и охлаждаться. В этот период гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий.

— 10−35 — 10−32 с после Большого Взрыва. Вселенная преимущественно заполнена излучением, но уже начинают образовываться кварки, электроны и нейтрино.

— 10−32 — 10−12 с после Большого Взрыва. Температура Вселенной всё ещё очень высока. Поэтому электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия пока представляют собой единое электрослабое взаимодействие. При очень высоких энергиях образуются экзотические частицы — W-бозон, Z-бозон и бозон Хиггса.

— 10−12 — 10−6 с после Большого Взрыва. Электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое взаимодействия эволюционируют к их современному состоянию. Температуры и энергии все еще слишком велики, чтобы кварки группировались в адроны.

— 10−6 — 1 с после Большого Взрыва. Кварк-глюонная плазма охлаждается, и кварки группируются в адроны, образуя протоны и нейтроны. Примерно через 1 с после Большого Взрыва нейтрино высвобождаются и начинают свободно двигаться в пространстве. Сегодня эти частицы ведут себя аналогично фоновому реликтовому излучению, которое возникло значительно позже них.

— 1 с — 3 мин после Большого Взрыва. Материя достаточно охладилась для образования стабильных протонов и нейтронов (нуклонов). Начался процесс первичного нуклеосинтеза (синтеза ядер). За это время образовался первичный состав звёздного вещества: около 25% гелия-4, 1% дейтерия, следы более тяжёлых элементов до бора и водород.

— 379 000 лет после Большого Взрыва. Вселенная стала достаточно холодной (3000° К) для образования атомов. Из состояния плазмы материя перешла в газообразное состояние. Тепловое излучение той эпохи мы можем наблюдать в наше время в виде реликтового излучения. За счёт гравитационного притяжения вещество во Вселенной начинает распределяться по обособленным скоплениям (кластерам). Предполагается, что первыми плотными объектами в тёмной Вселенной были квазары. Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Появляются первые звёзды, в которых происходит синтез элементов тяжелее гелия.

— 8—9 миллиардов лет после Большого Взрыва. Начали образовываться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Звезда, которую мы называем Солнцем, появилась относительно поздно. Есть гипотеза, что часть массы Солнца включает в себя остатки более ранних звёзд.

Из всего этого явствует, что первые химические элементы во Вселенной появились между первой секундой и третьей минутой ее существования. Ими стали водород (Н) и гелий (Не) — самые легкие элементы в природе. Ядро стабильного водорода (водорода-1 или протия) содержит всего один протон и больше ничего. Есть у водорода два изотопа — водород-2 (дейтерий (D) от греч. Δεύτερον — второй) и водород-3 (тритий (T)). В ядре дейтерия, кроме протона, появляется еще один нейтрон. А в ядре трития вместе с одним протоном живут два нейтрона. Поэтому масса атома дейтерия больше массы атома протия или просто водорода, а тритий тяжелее дейтерия. Дейтерий называют тяжелым водородом, а тритий — сверхтяжелым водородом.

Итак, к протону добавили всего один нейтрон, получили новый изотоп водорода — почти его близнец. Но близнец оказался не вполне похожим на своего братца. Он так же стабилен, как и протий, в том смысле, что его ядро не стремится распадаться — протон и нейтрон мирно сосуществуют до бесконечности. Дейтерий, подобно водороду-1, образует воду, но с химической формулой не Н2О, а D2О — ее называют тяжелая вода. Тяжелая вода на вид и вкус ничем не отличается от обычной. И тем не менее, химические реакции в ее среде проходят несколько медленнее, чем в обычной воде, потому что водородные связи с участием дейтерия сильнее связей водорода-1, а потому их тяжелее разорвать. Тяжелая вода имеет большую вязкость, иную проводимость. Это приводит к тому, что попадая в организм человека, такая вода иначе участвует в процессах обмена веществ, чем обычная вода. Поэтому тяжёлая вода считается в слабой степени токсичной. Иногда ее даже называют мертвой водой. То есть протий и дейтерий — вовсе не близнецы, а скорее двойняшки.

В природной воде на один атом дейтерия приходится 6400 атомов водорода-1. Это означает, что в крайне незначительном количестве в любой луже или ручье содержится тяжелая вода. Правда, в этом ничего страшного нет — такая мизерная доля дейтерия совершенно не опасна для здоровья даже при кипячении и выпаривании воды. Между прочим, человек может без видимого вреда выпить даже несколько стаканов чистой тяжёлой воды — весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.

Тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, скажем, поваренная соль. Есть даже запатентованный метод лечения гипертонии тяжёлой водой в суточных дозах до 1,7 г дейтерия на 1 кг веса пациента.

Еще одно свойство тяжелой воды объясняется тяжестью появившегося нейтрона. Добавленный к протону нейтрон увеличил массу ядра дейтерия по сравнению с протием. Ядро дейтерия стало тяжелым настолько, что может приостанавливать бег летящих на него посторонних нейтронов, как спортивная груша останавливает удар кулака боксера. Поэтому дейтерий в виде тяжёлой воды используют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Впрочем, это не единственное применение дейтерия в обыденной жизни. Кроме всего прочего, дейтерий считается ядерным топливом для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе.

Если к протону добавить два нейтрона — получаем второй изотоп водорода: тритий. Он уже, в отличие от своих родных братьев, протия и дейтерия, радиоактивен. Радиоактивность означает нестабильность ядра атома, его способность излучать частицы и постепенно превращаться в другой химический элемент. Период полураспада трития — чуть более 12 лет. То есть через 12 лет половина нестабильных нейтронов из трития улетает навсегда. А на протяжении всех 12 лет тритий непрерывно излучает нейтроны. Хулиганит, одним словом.

Радиоактивность ядра атома трития проявляется в излучении этим ядром электронов и нейтрино. Откуда же берутся электроны и нейтрино, спросите вы, если в ядре трития, кроме протона и двух нейтронов ничего не было? Это и есть чудеса микромира — настоящее волшебство.

Оказывается, нейтрон способен превращаться в протон, выбрасывая из себя электрон и нейтрино, как Царевна-лягушка — лягушечью кожу. «Все дело в том, — рассказывает физик-теоретик из Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований, доктор физико-математических наук Олег Теряев, — что нейтрон совсем чуть-чуть тяжелее протона — всего на 1 процент. Этот один процент образуют масса электрона, масса нейтрино и энергия, которая выделяется, когда электрон и нейтрино покидают нейтрон. Только благодаря этой однопроцентной разнице массы протона и нейтрона мы живем в столь разнообразном мире, составленном из целого множества элементарных частиц. Если бы нейтрон был тяжелее протона не на один, а, скажем, на два процента, то ядра всех атомов, кроме атома водорода, были бы нестабильны и распадались. Тогда в мире остался бы лишь один химический элемент — водород. Потому что его ядро состоит из одного протона и не содержит нейтронов (в ядра других элементов нейтроны входят). А если бы протон был тяжелее нейтрона, то во Вселенной не было бы вообще ни одного химического элемента. Отчего? Оттого что протоны в этом случае притягивали бы электроны с орбиты своего же атома и, взаимодействуя с ними, превратились бы в нейтроны. Тогда весь мир состоял бы только из нейтронов».

Еще раз поразимся тому, что мир, в котором мы живем, — невероятное чудо творения. Все параметры нашей Вселенной подобраны так, чтобы жизнь в ней могла существовать во всем ее разнообразии. Короче: наша Земля и мы сами — это антропный принцип в действии.

Почему одни элементы есть в природе, а других — нет

То, что на Земле существуют железо и медь, люди знали еще несколько тысяч лет назад. Потому, что видели и то, и другое своими глазами и использовали для своих нужд. Если мы можем видеть что-то ежедневно, значит, по нашим меркам, это что-то существует вечно. А вечно ли живут химические элементы, и существует ли для них вечность?

Только через 379 тысяч лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась настолько, чтобы из протонов, нейтронов и электронов во всех возможных их сочетаниях стали образовываться атомы химических элементов.

Из состояния плазмы вещество переходило в газообразное состояние. Сохранившееся тепло той эпохи до сих пор доходит до нас из космических далей в виде реликтового излучения. Силы гравитации заставляли сбиваться появившееся вещество в обособленные скопления — кластеры. Считается, что первыми плотными объектами Вселенной были квазары. Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Постепенно появлялись первые звёзды, в которых происходил синтез химических элементов тяжелее гелия. Эту гипотезу подтвердила находка Ричарда Эллиса из Калифорнийского технологического института (в просторечии — Калтех). 11 июля 2007 г. на 10-метровом телескопе Keck II он обнаружил 6 звёздных скоплений, которые образовались 13,2 миллиардов лет тому назад. Значит, они возникли, когда Вселенной было всего 500 миллионов лет.

Спустя 8—9 миллиардов лет после Большого Взрыва стали появляться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Дающая Земле жизнь звезда по имени Солнце образовалась относительно поздно. Существуют догадки, будто часть массы Солнца представляет собой остатки более ранних звёзд.

Но вернемся к элементам и радиоактивности. Сколько элементов образовалось вследствие Большого взрыва, человечеству доподлинно неизвестно. Физики предполагают, что природа создала до трехсот химических элементов. Большая часть из них оказались короткоживущими и в процессе радиоактивного распада исчезли, превратившись в те элементы, которые живут вечно. Именно они, вечные (по меркам человека), и окружают нас сегодня на Земле.

Вечным мы обычно считаем то, что наблюдаем всю жизнь и что помнят еще наши дальние предки. Но в случае с химическими элементами такое понимание вечности не подходит. Обычно химический элемент, встречающийся в природе, состоит из нескольких изотопов, часть которых радиоактивна. К примеру, щелочной металл калий с атомной массой 39,098 — номер 19 в таблице Менделеева — является смесью трех изотопов: двух стабильных 39К и 41К и радиоактивного 40К. Попутно имеет смысл напомнить, что атомная масса дает представление о количественном соотношении изотопов в этой смеси, поскольку является средним значением атомной массы изотопов с учетом их процентного содержания. Число 39,098 говорит нам о калии, что в природной смеси присутствует больше всего изотопа 39К. Остальные два изотопа калия там представлены в крайне незначительных количествах.

Радиоактивный изотоп калия 40К имеет период полураспада 1,32 миллиарда лет (чем для человечества не вечность?). Распадаясь, он превращается в стабильный кальций 40Сa и инертный газ аргон 40Ar. Часть аргона не уходит в атмосферу, накапливаясь в содержащих калий минералах. По накопленному количеству аргона в породе и количеству оставшегося там радиоактивного изотопа калия можно определить возраст слоя, где залегает минерал. Зная, сколько времени нужно для превращения половины атомов калия в аргон (период полураспада) и сколько атомов аргона присутствует в изучаемой горной породе, составляют простую арифметическую пропорцию и получают искомый возраст. Калий-аргоновый метод используется палеонтологами для определения абсолютного возраста горных пород, а значит и находок, содержащихся в них.

Метод радиоизотопных датировок позволил установить возраст Земли: 4,6 — 5 миллиардов лет. Эти цифры получены, исходя из предположения, что горные породы и минералы, обнаруженные на поверхности Земли, не могли быть свидетелями образования планеты. Максимальный возраст Земли ограничен возрастом самых ранних в Солнечной системе тугоплавких метеоритных включений, содержащих кальций и алюминий. По результатам современных исследований ураново-свинцовым изотопным методом, возраст калициево-алюминиевых включений из упавшего в Мексике 8 февраля 1969 года метеорита Альенде (принадлежащего к классу углистых хондритов) составляет 4568,5±0,5 млн. лет. На сегодняшний день это лучшая оценка возраста Солнечной системы. Земля могла сформироваться позже этой даты на миллионы и даже многие десятки миллионов лет, но никак не раньше.

Это означает, что элементы, которые живут существенно меньше 4,6 миллиардов лет, могли не дожить до появления человека на Земле. Поэтому мы о них ничего не знаем.

Радиоизотопный метод помог наполнить датами историю развития жизни на Земле. Ведь до появления этого метода календарь событий, происходивших на нашей планете, был относительным. Относительный возраст горных пород геологи вычисляли с помощью данных палеонтологов, изучавших останки растений и животных.

Палеонтологи разделили историю Земли на отрезки времени. Два самых масштабных интервала (эона) — докембрий и фанерозой. Самый древний — докембрий. В этот период существовали только мягкотелые организмы, не оставившие следов в осадочных породах. Фанерозой начался около 542 млн лет назад «кембрийским взрывом» — появлением множества видов моллюсков и других организмов, «наследивших» своими ископаемыми остатками в нынешних пластах пород.

Эоны ученые разделили на эры, эры — на периоды. Если в пласте известняка геологи находили панцирь трилобита, то уверенно утверждали, что известняк образовался в палеозойскую эру, когда жили эти существа. Крупнейшие месторождения угля в Донбассе и Кузбассе образовались в каменноугольном периоде палеозойской эры фанерозоя, когда появились деревья и пресмыкающиеся. Поволжские крупные месторождения нефти заключены в породах, которые отлагались во время предшествовавшего каменноугольному девонского периода палеозойской эры, когда вышедшие на сушу рыбы трансформировались в земноводных, а растения стали размножаться спорами. Знаменитые месторождения фосфоритов в Южном Казахстане приурочены к осадкам морей кембрийского периода, самого раннего периода палеозоя — эпохи «кембрийского взрыва».

Разложив остатки растений по «полочкам» пластов осадочных пород, ученые смогли разобраться, какие из пород старше или моложе, и составили относительную геохронологическую шкалу исторических событий на Земле, точные даты в которой появились на основании исследований пород радиоизотопными методами:

Вот так радиоактивность открыла нам прошлое Земли и объяснила, отчего человеку с момента появления его на планете были доступны только 92 химических элемента. Остальные элементы люди сделали сами. Одни — из любопытства другие — по необходимости, а некоторые — из политических соображений.

Глава 3. Конкуренция за элементы

Отчего для нас он — курчатовий, а для них — резерфордий

В 70-е годы прошлого века все советские школьники в кабинетах химии видели в таблице Менделеева под номером 104 химический элемент с названием «курчатовий» (Ku). До сих пор многие из них, став взрослыми людьми, не понимают, куда делся этот родной нам элемент и почему на его месте теперь во всех периодических таблицах мира расположился заморский резерфордий.

История исчезновения курчатовия и замещения его резерфордием связана с интереснейшей и во многом загадочной областью физики — синтезом тяжелых ядер. Именно синтез ядер замешан в истории с химическим элементом номер 104.

Ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон почти одинаково тяжелые — масса нейтрона больше массы протона всего на 0,1378%. Самое легкое ядро у водорода (1Н) — оно содержит всего один протон. Чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем оно тяжелее. С нарастанием массы ядра растет и порядковый номер химического элемента в периодической системе (порядковый номер химического элемента равен числу протонов в его ядре). Следовательно, самые тяжелые ядра сконцентрированы в самом низу периодической таблицы химических элементов.

Тяжелое, а значит, крупное по размеру ядро может распасться на несколько мелких. Такой процесс называется реакцией распада. Если происходит наоборот — несколько более мелких ядер объединяются в одно более крупное, — это событие называется реакцией синтеза. Естественные реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко. В процессе синтеза ядер гелия (2Не) из ядер водорода насыщаются выделяемой при синтезе энергией видимые нам звезды. Первую искусственную реакцию термоядерного синтеза человек использовал для создания водородной бомбы, но не сумел пока найти способ направить термоядерный синтез в мирное русло и научиться получать с его помощью энергию для жизни.

Единственный мирный вариант искусственного синтеза новых ядер в мирных целях доступен физикам, работающим на ускорителях тяжелых ионов. В таких экспериментах обычно получают считанные количества новых ядер — до нескольких десятков. И нужно проявить большое искусство и сообразительность, чтобы с помощью приборов достоверно узнать, что за ядра получились при синтезе. Причем важно не только узнать ядра «в лицо», но и убедительно доказать, что «лицо» опознано верно. К тому же распознать продукт синтеза нужно необычайно быстро, поскольку он почти всегда не жилец — тут же начинает делиться, испуская нейтроны, электроны или альфа-частицы и распадаясь на другие элементы — долгоживущие.

В Советском Союзе исследования ядер тяжелых ионов инициировал Игорь Васильевич Курчатов в Институте атомной энергии, в Москве. Ими занялась группа физиков под руководством Георгия Николаевича Флерова.

В 50-е годы XX века физики стали ускорять тяжелые ионы (ядра углерода, азота и кислорода) на циклотроне диаметром в полтора метра, сталкивать их с неподвижными мишенями и исследовать происходящие при этом ядерные реакции. Это были первые попытки синтеза трансурановых элементов — химическим элементов, которые тяжелее урана.

Впоследствии синтез сверхтяжелых химических элементов продолжился в международном ядерно-физическом центре в Дубне — в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В составе ОИЯИ специально для изучения сверхтяжелых элементов учредили целый научный институт под названием Лаборатория ядерных реакций (ЛЯР ОИЯИ). Естественно, ее директором стал академик Георгий Николаевич Флеров.

В 1959 году там создали самый мощный на тот момент в мире 310-сантиметровый циклотрон тяжелых ионов. А ныне в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований функционируют три уникальных ускорителя тяжелых ионов У-400, У-400М и DC-280, последний из которых запущен в 2018 году на единственной в мире Фабрике сверхтяжелых элементов.

Фабрика сверхтяжелых элементов построена в ЛЯР ОИЯИ специально для синтеза сверхтяжелых элементов на основе новых технологий высокопоточного ускорительного комплекса DC-280. Всего за один месяц работы этого комплекса физики получают столько ядер сверхтяжелых элементов, сколько на других ускорителях они получали за год.

Так вот, в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций, в 1964 году и родился на свет химический элемент курчатовий. Для синтеза сто четвертого элемента выбрали реакцию слияния ядер плутония (242Рu) и неона (22Ne). Масса самого тяжелого изотопа 104-го элемента могла бы быть не больше 264 (242+22).

Ядра изотопа 104-го элемента с массовым числом 260 группа Флерова в Дубне получила при бомбардировке мишени из плутония пучком ускоренных ядер неона. Почему решили получить именно этот изотоп? Чтобы не обознаться, разыскивая среди осколков, вылетающих из обстреливаемой мишени, ядра нового — 104-го элемента.

«Каждый новый элемент дается с большим трудом, чем предыдущие. Причины кроются в малых временах жизни тех изотопов, которые позволяют получать современные методы синтеза, и особенно в малых выходах этих элементов, обусловленных малыми сечениями реакций, малым количеством вещества мишени и ограниченными возможностями экспрессных методов выделения и идентификации короткоживущих изотопов». Эти слова принадлежат академику Г. Н. Флерову и его соавторам В. А. Друину и А. А. Плеве.

Время жизни новых сверхтяжелых элементов не сравнимо не только с вечностью, но даже с длиной человеческой жизни. В 1964 году американские ученые предсказали элементу №104, который они тоже готовились синтезировать, жизнь длиной в сотые доли секунды. Первые опыты показали, что живет он в десять раз дольше — десятые доли секунды. Но и за это время «узнать в лицо» новый сверхтяжелый химический элемент, доказать, что это именно он, и изучить его химические свойства чрезвычайно трудно — нужно либо стать волшебниками, либо проявить чудеса инженерной и научной мысли. Что и сделали в Лаборатории ядерных реакций сотрудники группы Флерова.

Почему трудно «узнать в лицо» новый химический элемент? Во-первых, потому что его никто никогда не видел. Во-вторых, потому что узнают его не глазами, а приборами. В-третьих, потому что узнавать его нужно, выделяя из толпы других ядер, которые образовались в реакции синтеза.

В процессе синтеза химических элементов №102, 103, 104 и 105 ученым удалось эти трудности обойти.

Как узнавали в лицо элемент 104

В ядре 104-го элемента — число протонов и число нейтронов четные. Вероятность спонтанного деления ядер с четным количеством и протонов, и нейтронов очень велика. Зато почти все изотопы, которые могут образоваться во время синтеза, подвержены не спонтанному делению, а альфа-распаду. Поэтому присутствие в толпе ядер продуктов спонтанного деления атомов 104-го элемента и есть доказательство синтеза именно 104-го элемента [7].

Нужен детектор, который реагирует на осколки спонтанного деления и не замечает остальные частицы. Такой детектор сделали из стекла и слюды. Легкие частицы и тяжелые частицы с малой энергией на их поверхности не оставляли следов. А вот продукты спонтанного деления прорезали на стекле и слюде целые каналы.

Каналы травили кислотой и изучали под микроскопом, определяя энергию пробуривших их частиц. Искали оптимальную энергию ускоренных частиц, которыми били по неподвижной мишени. Оптимальная — та, которая дает максимальный выход ядер элемента №104 в эксперименте синтеза.

Больше всего ядер 104-го производила бомбардировка мишени из плутония ядрами неона-22 с энергией около 115 МэВ. За 6 часов облучения получался один эпизод спонтанного деления.

Летом 1964 года состоялся заключительный эксперимент длительностью около 1000 часов. Добыто 150 ядер элемента №104.

Однако самое сложное было впереди. Нужно было доказать, что эти 150 ядер действительно принадлежат новому элементу №104, а не какому-то другому, уже известному. А метода идентификации химического элемента за десятые доли секунды тогда еще никто не придумал.

Вернее, такой метод уже был создан в Дубне. Над ним начали работать в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований еще в 1960 году — за четыре года до начала синтеза «номера сто четыре».

Ключом к новому методу ультраэкспресс химической идентификации стала идея о том, что 104-й элемент должен быть аналогом гафния и поэтому обладать аналогичными гафнию химическими свойствами.

Эта идея была основана на актиноидной теории американского химика и физика Гленна Сиборга. Он утверждал, что элемент №103 — последний актиноид.

Поскольку все актиноиды находятся в третьей группе, элемент №104, не будучи актиноидом, должен был попасть в следующую –четвертую группу таблицы Менделеева — и стать в горизонтали сразу за актинием, как гафний за лантаном — «вождем» лантаноидов.

Значит, получив новый элемент, надо было проверить, ведет ли он себя, как гафний. Если да, то это и есть «номер сто четыре».

В 1960 г., когда физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ готовились к синтезу 104-го под руководством Флерова, сам Флеров и поручил молодому чехословацкому химику Иво Зваре разработать ультраэкспрессный метод химической идентификации ожидаемого элемента.

Метод был основан на том, что хлориды элементов III и IV групп имеют разные свойства. Хлориды элементов III группы, в том числе лантаноидов, остаются твердыми при нагревании до температуры около 250° C. А хлориды гафния (элемента IV группы) и его аналогов при такой температуре переходят в газообразное состояние. Получается, при 250° C разделить хлориды элементов III и IV групп технически возможно. Оставалось изобрести подходящую конструкцию, чтобы сразу после разделения смеси отвести хлорид гафния к месту анализа. Тогда идентификацию элемента, хлорид которого поступал на анализ, можно было бы провести за доли секунды.

На разработку ультраэкспрессного метода газовой хроматографии и создание прибора для этого технологического процесса ушло три года. Химикам удалось всего за четыре десятые доли секунды «схватить» прямо у мишени атомы гафния, образовавшиеся в результате ее бомбардировки, увлечь их высокоскоростным газовым потоком, прямо в потоке превратить гафний в хлорид гафния и довести летучий хлорид до детектора, который «опознает» в хлориде именно гафний.

Четырех десятых долей секунды должно было хватить, чтобы опознать изотоп 104-го элемента 260104. Этот изотоп имеет период полураспада как раз порядка нескольких десятых долей секунды — то есть за несколько десятых долей секунды количество ядер 104-го элемента уменьшается вдвое.

К началу 1965 г. физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ научились получать ядра 104-го элемента в количестве нескольких десятков — этого количества вполне хватало для ультраэкспрессного метода Иво Звары. Физики рассуждали так: если 104-й элемент аналогичен по своим химическим свойствам гафнию, то тетрахлорид 104-го элемента должен быть тоже летучим и должен успеть за время жизни ядра 104-го долететь по газовому тракту до детектора, который его распознает и зафиксирует его осколки. А если 104-й не похож на гафний, то детектор не зарегистрирует ничего.

Химики Лаборатории ядерных реакций в четырнадцати экспериментах на циклотроне зарегистрировали всего четыре осколка спонтанного деления ядер 104-го — в двадцать раз меньше, чем ожидали. Увеличили температуру хлорида до 350° C, и в новой серии экспериментов зарегистрировали еще восемь атомов элемента №104. Последний эксперимент был завершен 26 марта 1966 года.

Вот так химики Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований подтвердили, что их коллеги-физики открыли в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ именно 104-й элемент таблицы Менделеева. Одновременно химики получили другой важный результат: элемент №104 является аналогом гафния и входит в IV группу таблицы химических элементов Менделеева.

Создатели элемента №104 предложили назвать его курчатовием — в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова. Ученый совет Объединенного института ядерных исследований единогласно поддержал это предложение. И в таблице Менделеева на стенах школьных кабинетов химии на протяжении тридцати лет под номером 104 значился химический элемент курчатовий — Ku.

Советские школьники даже не догадывались, что приоритет открытия 104-го элемента в Дубне, в ОИЯИ, был оспорен американскими учеными.

Американцы поставили под сомнение факт получения в Дубне изотопа 260104 на том основании, что по их теоретическим расчетам его период полураспада должен составлять микросекунды, а в Дубне этот изотоп жил целых 0,1 секунды, то есть в сто раз дольше.

На конференции по трансурановым элементам в Хьюстоне в 1969 году американский физик и химик Альберт Гиорсо объявил: «На прошлой неделе мы облучили мишень из кюрия ионами кислорода… в надежде найти спонтанно делящуюся активность, которая могла бы быть обусловлена распадом 260104, если бы он имел период полураспада более короткий, чем 0,1 секунды (100 мс). Мы зарегистрировали активность с периодом полураспада между 10 и 30 мс, но мы еще не идентифицировали ее. Конечно, она могла быть обусловлена 260104, хотя кажется, что такой период полураспада слишком длинный. Нам кажется более вероятным, что период полураспада 260104 находится в микросекундиой области».

За этим устным выступлением никаких научных сообщений об исследовании изотопа 260104 от группы Гиорсо не последовало. Нигде больше не упоминалось и о наблюдавшейся 30-миллисекундной активности полученного группой Гиорсо изотопа260104. Однако в устных сообщениях и в обзорных статьях Сиборг и Гиорсо подвергали сомнению правильность результатов ученых из ОИЯИ и назвали элемент №104 по-своему — резерфордием.

Поэтому в Дубне провели новые эксперименты, где был еще раз химически идентифицирован элемент №104. О них сообщил научный журнал «Радиохимия» в своем первом выпуске 1972 года. В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ получили и исследовали изотопом 259Ku, который живет не доли секунды, а целые секунды.

Для новых экспериментов создали новую методику химической идентификации элемента. Она позволяла отфильтровывать и атомы более легких, чем курчатовий, трансурановых элементов, и его короткоживущий изотоп 260Ku.

Новые эксперименты в Дубне еще раз подтвердили аналогию химических свойств курчатовия и гафния. Их результаты не оставили сомнений в том, что именно в Дубне, а не в Беркли был впервые синтезирован элемент №104.

Несмотря на эти убедительные доказательства, после распада СССР, в 1997 году, съезд Международного союза чистой и прикладной химии (ИЮПАК — IUPAC) окончательно присвоил элементу №104 название «резерфордий».

Глава 4. Химические супертяжеловесы

Как и зачем создают элементы времен сотворения мира

На самом деле в Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли — то есть больше 4,5 миллиардов лет. Остальные химические элементы распались, не дожив до наших дней. Уран, у которого период полураспада около 4,5 миллиарда лет, всё ещё распадается, и поэтому мы находим его в земной коре.

Но некоторые из распавшихся элементов, которых уже нет на Земле, в середине ХХ века ученые научились получать сначала в лаборатории, а потом и в промышленных масштабах. Всем известный пример — плутоний. Его нарабатывают в ядерных реакторах. В ядре плутония 94 протона — ядро тяжелое. Изотоп плутония массой 239 (239Pu) содержит в ядре 94 протона и 45 нейтронов. Он распадается наполовину всего за 20 тысяч лет — в 22 500 раз быстрее урана. Плутоний производится сотнями тонн и является одним из самых мощных источников энергии.

Но есть искусственные элементы и потяжелее плутония. Их уже целых двадцать четыре — почти пятая часть таблицы. Может ли химических элементов быть еще больше и есть ли предел у таблицы Менделеева, вопрос остается открытым. Разгадку этой тайны ищут в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне под научным руководством академика Юрия Оганесяна. Да-да, того самого академика Оганесяна, в честь которого назван 118-й элемент Таблицы Менделеева.

Вот какой разговор о пределах количества элементов во Вселенной состоялся у автора этой книги с Юрием Цолаковичем Оганесяном в 2006 году по просьбе редакции газеты «Московские новости».

Наталия Теряева: Юрий Цолакович, когда-то Георгию Николаевичу Флерову один журналист задал вопрос: почему атом он рисует в виде кружочка, а не, скажем, крестика или ромбика. На что Георгий Николаевич якобы ответил, что он не знает, но, наверное, потому, что так удобнее. А вообще-то атом должен иметь скорее форму эллипсоида. Известно ли сегодня, какой формы атом

Юрий Оганесян: Ну, вообще-то говоря, круглой или шаровой формы. Это самая оптимальная, самая совершенная форма. Потому и капля жидкости имеет форму шарика — она имеет наименьшую потенциальную энергию. И все всегда считали с момента зарождения ядерной физики, что форма атома должна быть сферической и ввели такие понятия для ядра, как поверхность капли, радиус ядра, что уже подразумевает форму шара. Поэтому модель атома предполагает, (в настоящее время даже изображают ее на картинах) что в центре сферы находится ядро, а вокруг движутся электроны. Ядро содержит в себе фактически всю массу атома. Его масса существенно больше массы электронов — как минимум, в 2000 раз. И весь положительный заряд тоже в ядре, а электроны имеют отрицательный заряд. Это так называемая планетарная модель атома, которая была предложена Резерфордом в 1932 году. И все, что было сделано потом, подтверждает эту модель. Очень интересно отметить, что такая структура может быть и у сверхтяжелых элементов. Не только у 118-го, но и у 170-х и 180-х. То есть она устойчива к увеличению размера атома. А вот нестабильность или ограничение количества элементов наступают из-за нестабильности самого ядра. Поэтому вопрос о том, сколько может быть элементов, где кончается материальный мир, должен быть перемещен из области атомной физики, у которой уже нет вопросов, в область ядерной физики.

Н.Т.: То есть предположения о существовании элементов с номером 500 вполне основательны?

Ю.О.: Это предположение базируется уже на других обстоятельствах, которые возникли в связи с изучением структуры самого ядра. Если мы зададимся вопросом, сколько вообще существует разнообразных ядер, а значит и элементов, то вопрос этот оказывается очень сложным. Все это из-за того, что об атоме мы знаем много, а о ядре — мало. Об атоме мы знаем много потому, что движение электронов вокруг ядра определяется электромагнитными силами. А электродинамика — хорошо изученная наука. Есть строгая теория, мы знаем, как взаимодействует движущийся электрон с ядерным центром. Эти силы известны очень хорошо. Вы можете строить гигантские электростанции или микрочипы в компьютере, но законы электродинамики выполняются одинаково великолепно там и тут. Когда же мы говорим о ядерной физике, мы не знаем сил. Ядро состоит из протонов и нейтронов, они в ядре связаны вместе. Значит, есть силы, которые их должны удерживать вместе. Причем они удерживают вместе вполне определенное количество протонов и нейтронов. Поменяйте значительно число протонов и число нейтронов — все рассыплется. Ядра нет. Природа этих сил теоретически неизвестна. И поэтому вместо теории есть модели. И каждая модель пытается представить эту многотельную систему знакомым нам образом. Одна — капельная модель ядра модель говорит: они — протоны и нейтроны — взаимодействуют так же, как молекулы в капле. Другая модель говорит: нет, они, как газ, как рой пчел. Они удерживаются далеко друг от друга. Это модель Ферми-газа. Третья модель говорит: у них жесткая структура внутри ядра, и ведут себя протоны и нейтроны внутри ядра, как твердое тело, как кристаллы. И каждый раз, пытаясь объяснить те явления, которые мы наблюдаем в ядерной физике, привлекаются модели с тем представлением о ядерных силах, которое почерпнуто из макромира, чтобы опираться на известные нам понятия. Так получается, что ядро — какой-то многоликий Янус: то он как жидкость, то он как газ, то он, как твердое тело. А кто он на самом деле — пока неизвестно. Тем не менее, ядерная физика — это большая наука, она широко эксплуатируется для познания окружающего нас мира, познания астрофизических явлений, процессов образования и распада элементов. Мы используем ее для построения реакторов. Вытаскиваем из ядра энергию, хотя и не знаем сил. Поэтому процесс познания продолжается до того, пока мы не узнаем, что такое так называемые сильные взаимодействия — взаимодействия протонов, нуклонов и нейтронов в ядре.

Ну а если представлять ядро как каплю жидкости, то поскольку весь положительный заряд в ядре, то протоны отталкиваются друг от друга. А удерживает их поверхностное натяжение капли. Под поверхностным натяжением мы подразумеваем ядерные силы. Пока поверхностное натяжение больше, чем отталкивание, до тех пор существует ядро. Вокруг него строятся электроны, из атомов молекулы и т. д. Теперь представьте, что они — электромагнитные силы отталкивания и поверхностное натяжение — сравнялись. Тогда чуть тронь — все рассыплется. Ну а если мы придем к ситуации, когда силы отталкивания больше — никогда не склеите эту систему. Поэтому когда мы подходим к пределу, то это очень напоминает чаши весов. На обоих плечах два гиганта-тяжеловеса. На одной стороне силы сцепления — в энергетической шкале это примерно 2000 МэВ, на другой — силы отталкивания, тоже примерно 2000 МэВ. Весы уравновешены. Стоит маленькую гирьку к любой стороне добавить — ядро либо будет существовать, либо не будет. И тут начинается вся эта музыка относительно того, что на самом деле ядерные весы — это не капля. Поэтому любой отход от капли в ту или другую сторону ваши весы выведет из равновесия и соответственно отодвинет тот предел материального мира, о котором мы говорили.

Н.Т.: Означает ли это, что есть некий пропуск в номерах элементов: тех, которые так мало существуют, что их даже невозможно заметить никакими способами?

Ю.О.: Из того, что я только что сказал, идут большие следствия. Если ядро не капля, тогда отход от капли должен объяснить все аномалии, например те, о которых Вы говорите. Нужно объяснить аномалию того, что, скажем, такое тяжелое ядро, как свинец, которого много на Земле, — стабильно: живет десятки и сотни миллиардов лет. Но стоит вам, следуя по таблице элементов, уйти за свинец, как моментально начинается резкий распад. Для капли это неестественно. Свинец — 82-й элемент. А у 86-го элемента — полония самый тяжелый изотоп живет 200 дней. Радон живет еще меньше — миллисекунды, микросекунды. И вдруг уран, торий — опять живут миллиарды лет. А дальше — опять нет. Это и есть аномалии, которые в каплю никак не вписываются. Не может быть такого, чтобы маленькая капля была устойчивая, средняя — неустойчивая, а большая снова устойчивая. Капля — аморфное тело, бесструктурное. Значит, в ядре есть структура. Небольшая, но структура. Как арматура внутри. Или можно сказать, что это капля, внутри которой снежинка. Снежинка — это арматура. Если вы нагреете каплю, снежинка растает, будет просто капля. Значит, снежинка играет связующую роль. По каким законам она живет, какую форму имеет? То, о чем я сейчас говорю, имеет масштаб энергии 1, 2, 4 МэВ. По сравнению с электромагнитными силами это тысячные доли, но мы не знаем природу этих новых сил. Поэтому необходимо сначала познать эти силы, чтобы вести какие-то рассуждения с точностью до одной тысячной. Тем не менее, эта одна тысячная в виде гирьки на одной из чаш весов играет важнейшую роль. Для процесса познания такая критическая ситуация — это как раз то, что надо, потому что маленькими изменениями можно добиться громадных эффектов. Потому что, грубо говоря, твой объект исследования очень чувствителен к маленьким изменениям. Но для этого надо уйти на самую границу его существования, дойти до точки «быть или не быть» и в этой точке начинать вести исследования. Тогда эти исследования будут очень информативными. Потому что там не нужны точнейшие приборы, там чуть тронь — и все изменится. Именно этим и обусловлен чисто научный интерес к сверхтяжелым элементам. Это действительно критическая точка, которая проверяет очень многие наши знания относительно существования и пределов существования материального мира.

Н.Т.: Для ученых такая ситуация, когда небольшими изменениями можно добиться больших качественных скачков в процессе познания мира, безусловно, представляет огромный интерес и имеет колоссальное значение. Но что могут извлечь для себя обычные люди, не имеющие отношения к науке, и общество из открытия новых элементов и изучения их свойств?