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

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.

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

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

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

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

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