Научные сказки периодической таблицы. Занимательная история химических элементов от мышьяка до цинка - Хью Олдерси-Уильямс

Мне также хотелось узнать, насколько долго еще можно продолжать периодическую таблицу. В настоящее время она висит у меня на стене в спальне. И у меня возникал вопрос, стоит ли мне оставлять в ней свободные места для заполнения элементами, которые будут открыты позднее? И сколько таких мест нужно зарезервировать? Одно или два? Или десяток? А может быть, сотни? Незадолго до смерти в 1999 г. Гленн Сиборг, открывший плутоний и целую цепочку радиоактивных элементов, которые следуют за плутонием, прочел лекцию, во время которой продемонстрировал периодическую таблицу, доходящую до не имеющего названия элемента под номером 168. Такая таблица в полтора раза больше той, которую мы знаем сейчас. Может, это просто фантазии, пустая стариковская мечта? Правда, обсуждая будущее таблицы, Сиборг старался быть предельно осторожным. «Хорошо, если нам удастся дополнить ее еще примерно полудюжиной элементов», – сказал он. Но в таком случае зачем же демонстрировать таблицу со 168-м элементом? Возможно, таким способом он хотел напомнить аудитории, что научные открытия обладают особенностью изменять правила самой науки. Когда были открыты первые «настоящие» химические элементы, их невозможно было включить в общепринятую тогда аристотелевскую систему элементов, состоявшую из четырех компонентов: земли, воздуха, огня и воды. Они полностью подорвали ту старую систему, и возникла необходимость в создании новой. Когда в 1789 г. Лавуазье составил список из 33 элементов, он также не мог предвидеть, сколько еще неизвестных элементов скрываются в минералах и рудах. В середине XIX столетия, когда новые элементы какое-то время не находили, у некоторых химиков возникло ощущение, что теперь им известны все элементы. Но с изобретением спектроскопа вновь началась череда открытий. Новые элементы стали определять по характерной для них окраске пламени. Дмитрий Менделеев, несмотря на то, что в своем проекте периодической таблицы оставлял свободные места для еще не открытых элементов, был потрясен, узнав о существовании инертных газов и первых радиоактивных элементов. Правда, они очень легко уложились в его таблицу, хотя он сам на первых порах сопротивлялся их включению. Но всегда ли таблица Менделеева будет так легко принимать новые элементы? Или когда-нибудь обнаружат элемент с такими невероятными характеристиками, что всю таблицу придется переделывать?

Кто может рассказать мне, что значит в наше время открыть новый элемент и сколько подобных открытий следует ожидать в будущем? Мне необходимо отыскать еще живых открывателей элементов и их последователей, все еще продолжающих этот поиск, так как построение периодической таблицы – процесс незаконченный. И тут я делаю одно весьма озадачивающее открытие: хотя я сам химик по образованию, мне неизвестно ни одного имени открывателей последних элементов в таблице. Я знаю имена крупных астрономов и генетиков из публикаций в прессе. А пионеры химической науки не известны никому. Дело тут не только в том, что количество открытий в последнее время резко снизилось. На протяжении большей части XIX столетия обнаруживали в среднем один-два элемента в год. В XX количество открытий сократилось до одного элемента в три года. Дело, скорее, в том, что элементы теперь открывают группами: по несколько элементов несколькими коллективами ученых. Поэтому вряд ли какой-то отдельный исследователь в наше время может претендовать на честь называться открывателем нового элемента.

Единственным, кто, пожалуй, может быть возведен ныне на подобный пьедестал – это коллега и последователь Сиборга, Альберт Гиорсо. Он вступил в команду Сиборга на военной базе в Иллинойсе, части Манхэттенского проекта, в 1944 г. и к 1971 г. был одним из участников открытия элементов от 95 до 105-го, включая лоуренсий, резерфордий и дубний. Когда очередь дошла до элемента с номером 106, Гиорсо обратился к своему наставнику с вопросом, как он отнесся бы к названию «сиборгий». Сиборг, который вряд ли сомневался, что когда-нибудь данная идея обязательно придет в голову кому-то из его учеников, заявил, что он

В свои 93 года Гиорсо сохраняет рабочий стол в Национальной Лаборатории имени Лоуренса в Беркли. И я написал ему письмо, в котором перечислил все свои вопросы. Увы, он не ответил.

После сиборгия лавры за открытие следующих шести элементов получил Институт исследования тяжелых ионов в Дармштадте в Германии. Руководителем научных экспериментов в Центре в 1980-1990-е гг., когда делались названные открытия, был Петер Армбрустер. На сей раз мне повезло больше. Однако в беседе со мной Армбрустер решительно отверг честь называться открывателем элементов: «Я лично их не открывал. Я был всего лишь одним из участников рабочей группы». Зато он удивил меня, сообщив, что у открытия до сих пор есть тот самый потрясающий момент откровения, когда исследователи понимают, что стали свидетелями появления чего-то нового. В 1981 г. он вместе с группой физиков-ядерщиков пытался создать элемент с номером 107. В те времена в лаборатории использовались не молчаливые экраны компьютеров, демонстрирующие результаты эксперимента, а шумные принтеры. Когда оборудование зарегистрировало распад короткоживущего атома, «мы услышали последовательность щелчков». И не были ли эти щелчки чем-то еще более поразительным, нежели свечение нового элемента в спектроскопе?

Синтез таких сверхтяжелых элементов, в принципе, вопрос простого прибавления. Самый тяжелый элемент в таблице Менделеева, реально присутствующий в природе, – уран. Сиборг и Гиорсо создали несколько следующих элементов в последовательности путем бомбардировки урановых мишеней более легкими частицами в надежде, что какие-то из них застрянут и таким образом возникнет новый, еще более тяжелый элемент. Так действительно были получены плутоний, америций и другие. Основная сложность, связанная с этой процедурой, заключалась в том, что мишени сами по себе становились все более нестабильными; росла вероятность того, что бомбардировка вызовет только «шрапнель» из мелких частиц высоких энергий и не породит тяжелых атомов. Открытие Армбрустера состояло в том, что если использовать в качестве «орудия» атомы некоторых элементов среднего веса, то можно вернуться к более устойчивым мишеням. Элемент с номером 107, борий, был получен путем бомбардировки атомов висмута атомами хрома. Элемент номер 112 – насильственным соединением атомов свинца и цинка. Так как новый элемент существует в лучшем случае всего несколько секунд и затем распадается, его наличие регистрируется не путем прямого наблюдения, а с помощью измерения энергии частиц его распада и определения состава оставшегося стабильного ядра. На основании этой информации возможно высчитать атомное число нового элемента, который реально существовал лишь короткое мгновение перед распадом. Подобные открытия, конечно же, не имеют ничего общего с классическим представлением о них с возгласами «Эврика!» и падением яблок на голову. Ощущение, которое испытывают в таких случаях исследователи, скорее сравнимы с тем, что чувствует археолог, восстанавливающий по нескольким черепкам древнюю амфору.