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

При взрыве сверхновой в нашу Солнечную систему были вброшены все существующие в природе элементы, а благодаря перемешиванию пород на молодых незатвердевших планетах эти элементы равномерно распределились в скальных грунтах. Но эти процессы не позволяют ответить на все вопросы, связанные с распределением элементов на Земле. С тех пор как взорвалась сверхновая, многие элементы уже исчезли с лица Земли, так как их ядра оказались слишком непрочными, чтобы уцелеть в природе. Такая нестабильность поражала ученых, в периодической системе оказалось несколько необъяснимых пробелов, которые химики менделеевской эпохи не могли заполнить, несмотря на все поиски. В конце концов, эти клетки таблицы все же удалось заполнить, но сначала пришлось развить целые новые научные дисциплины. Освоив эти науки, мы научились создавать элементы самостоятельно и лишь потом осознали, что из-за непрочности некоторые элементы таят в себе страшную угрозу. Процессы синтеза и расщепления атомов оказались связаны гораздо теснее, чем кто-либо мог предположить.

Начало этой истории было положено в Англии, в Университете Манчестера накануне Первой мировой войны. В те годы в Манчестере работала целая плеяда замечательных ученых, в частности Эрнест Резерфорд, руководивший исследовательской лабораторией. Одним из его наиболее перспективных студентов был Генри Мозли. Мозли был сыном натуралиста, восхищавшегося Чарльзом Дарвином, но выбрал себе профессию физика, а не биолога. Мозли относился к лабораторной работе так ответственно, как относятся к бдению у постели умирающего. Он задерживался в лаборатории по пятнадцать часов, как будто вечно не успевал завершить всех начатых опытов. Молодой человек даже не успевал поесть, перебиваясь фруктовым салатом и сыром. Как и многие одаренные личности, Мозли был одиночкой, строгим к себе и щепетильным человеком. Он открыто возмущался «вонючей неопрятностью» приезжих, наводнявших Манчестер.

Но за талант Мозли можно было простить многие недостатки. Молодой исследователь увлекся изучением элементов, расщепляя их электронными лучами, хотя Резерфорд и считал эту работу напрасной тратой времени. Мозли заручился поддержкой другого физика, внука Дарвина, и в 1913 году начал систематически «препарировать» все известные элементы, даже золото. Сегодня мы знаем, что, когда пучок электронов попадает в атом, он вышибает из атома часть его собственных электронов, оставляя брешь. Электроны притягиваются к ядру атома, поскольку электроны и протоны, входящие в состав ядра, имеют противоположные электрические заряды. Выбивание электронов из атома – довольно жесткая операция. Поскольку природа не терпит пустоты, на освободившееся место устремляются другие электроны, чтобы заполнить эту дыру. При этом они сталкиваются и испускают рентгеновские лучи, обладающие высокой энергией. Примечательно, что Мозли нашел математическое соотношение между длиной волны рентгеновских лучей, количеством протонов в ядре элемента и атомным номером элемента (его местом в периодической системе).

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

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

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