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

В 1910 году, незадолго до того, как Мария Кюри получила свою вторую Нобелевскую премию за исследования радиоактивности, молодой Дьёрдь Хевеши прибыл в Англию, чтобы изучать здесь этот раздел физики. Он учился в Манчестере, где физико-химической лабораторией руководил Эрнест Резерфорд. Он сразу же поставил перед молодым Хевеши сложнейшую задачу: отделить радиоактивные атомы от нерадиоактивных в свинцовых слитках. Практика показала, что это была не просто сложная, а невыполнимая задача. Резерфорд полагал, что радиоактивные атомы, известные в то время под названием «радий-D», являются уникальной субстанцией. На самом деле «радий-D» представлял собой радиоактивный свинец, и, следовательно, его нельзя было отделить от обычного свинца химическими методами. Хевеши тоже не знал этого и потратил целых два года, пытаясь разделить свинец и «радий-D», пока наконец не сдался.

Хевеши был лысоватым усатым венгерским аристократом с немного отвисшими щеками. Конечно, он тосковал по дому. Живя на чужбине, Хевеши предпочитал острую венгерскую пищу, а не английскую, которой его потчевали в пансионе. Уловив некоторые закономерности в том, когда и какую пищу там подают, Хевеши стал подозревать, что здесь, как и в университетской столовой, оставшиеся от понедельника гамбургеры в среду могут легко превратиться в «пряную говядину». Ему казалось, что «свежее» мясо, подаваемое хозяйкой пансиона, было каким угодно, но не свежим. Когда он прямо задал ей неудобный вопрос, хозяйка стала отнекиваться, поэтому Хевеши решил каким-нибудь образом проверить свои подозрения.

Удивительно, но именно в то время он совершил прорыв в своей лабораторной работе. Ему так и не удавалось выделить «радий-D», но Хевеши понял, что может извлечь из этого пользу.

Он стал раздумывать над тем, возможно ли внедрить микроскопические количества растворенного свинца в живой организм, а затем проследить путь элемента. Поскольку и радиоактивный, и нерадиоактивный свинец метаболизируются одинаково, «радий-D» при движении по организму станет своеобразным «маячком». Если бы метод сработал, Хевеши мог бы проследить путь молекул в венах и разных органах с беспрецедентной точностью.

Прежде чем начинать опыты на животных, Хевеши решил проверить метод на неживой органической ткани. При этом он руководствовался потаенными мотивами.

Однажды вечером Хевеши положил себе изрядную порцию мяса и, как только хозяйка отвлеклась, всыпал туда немного «горячего» свинца. Хозяйка, как обычно, собрала полупустые тарелки, а на следующий день Хевеши захватил домой детектор радиации, недавно изобретенный его коллегой по лаборатории Гансом Гейгером. Стоит ли говорить, что, как только Хевеши поднес счетчик к поданному на ужин гуляшу, прибор защелкал, как бешеный. Хевеши предъявил хозяйке неопровержимые доказательства. Но, будучи ученым-романтиком, Хевеши, без сомнения, польстил даме, посвятив ее в тайны радиоактивности. Хозяйка была польщена, что ее уличили в нечестности столь умно, с применением новейших достижений физической науки, и даже не стала скандалить. Правда, история умалчивает о том, изменила ли она меню.

Вскоре после того, как Хевеши открыл радиоизотопные индикаторы (так называемые меченые атомы), его карьера пошла в гору. Он продолжал работать над проектами на стыке физики и химии. Но эти научные области все явственнее расходились, и большинству ученых приходилось выбирать то или другое направление. Химиков интересовало, как цельные атомы связываются друг с другом. Физиков занимали отдельные части атомов и новая научная дисциплина под названием квантовая механика – причудливый, но красивый метод изучения материи.

Хевеши покинул Англию в 1920 году и отправился в Копенгаген, чтобы учиться у Нильса Бора, крупнейшего специалиста по квантовой физике. И именно в Копенгагене Бор и Хевеши еще больше увеличили разрыв между физикой и химией, вызвав тем самым серьезный политический конфликт.

В 1922 году ячейка для элемента № 72 в периодической системе еще пустовала. Химики уже определили, что элементы от пятьдесят седьмого (лантан) до семьдесят первого (лютеций) являются редкоземельными металлами. Природа семьдесят второго элемента оставалась невыясненной. Никто не знал, замыкает ли он ряд сложно разделяемых редкоземельных металлов – в таком случае для его обнаружения следовало просеивать образцы недавно открытого лютеция – либо является переходным металлом и должен находиться в основной части таблицы. Рассказывают, что Нильс Бор, в одиночестве работая у себя в кабинете, сформулировал почти евклидовское доказательство того, что семьдесят второй элемент не является редкоземельным металлом, напоминающим лютеций. Как вы помните, роль электронов в химии в начале XX века была не вполне выясненной, и Бор якобы выстроил свои доказательства на странной математике, действующей в квантовой механике. Согласно этим законам, элементы могут хранить на своих внутренних оболочках лишь ограниченное количество электронов. Атом лютеция с его f-оболочками очень богат электронами, и Бор рассудил, что у следующего элемента «не остается выбора», кроме как снова выстраивать электроны снаружи атома и действовать как настоящий переходный металл. Поэтому Бор поручил Хевеши и физику Дирку Костеру тщательно исследовать образцы циркония – элемента, расположенного над клеткой № 72, – и найти в нем более тяжелый химический аналог. Это было, пожалуй, самое рутинное открытие в истории периодической системы. Хевеши и Костер обнаружили искомый элемент с первой попытки. Они назвали его гафнием – в честь латинского наименования Копенгагена (Hafnia).

К тому времени квантовую механику уже положительно восприняли большинство физиков, но химиков она отталкивала, так как казалась некрасивой и нелогичной. Дело было даже не столько в скучности квантовой механики, сколько в обычном прагматизме: все эти хитрые подсчеты электронов, казалось, практически не были связаны с реальной химией. Но Бор верно угадал положение гафния, даже не входя в химическую лабораторию, и химикам оставалось только сглотнуть комок, подступивший к горлу. Случилось так, что Хевеши и Костер совершили свое открытие как раз в те дни, когда Бор был в Стокгольме, куда он отправился за присужденной ему Нобелевской премией по физике за 1922 год. Они послали Бору телеграмму в Стокгольм, и тот объявил об открытии коллег в своей нобелевской речи. Благодаря открытию гафния, квантовая механика стала восприниматься как эволюционная дисциплина, так как позволяла глубже заглянуть в структуру атома, нежели химия. Коллеги между собой наделили Бора (как в свое время и Менделеева) пророческим даром. Кстати, Бор не скрывал своего интереса к научному мистицизму.

В любом случае, это просто легенда. Истина немного иная. Как минимум трое ученых до Бора – в том числе химик, оказавший на Бора самое непосредственное влияние, – еще в 1895 году публиковали статьи, в которых говорили о сходстве элемента № 72 с переходными металлами и, в частности, с цирконием. Эти люди были не гениями, опередившими свое время, а среднестатистическими химиками, не обладавшими ни достаточными знаниями, ни достаточным интересом для занятий квантовой физикой. Может показаться, что Бор просто использовал их аргументы, чтобы расположить гафний в таблице, и применил свои квантовые расчеты для обоснования не слишком романтичного, но тем не менее веского химического аргумента о месте гафния в периодической системе[111].

Но, как и в случае с большинством легенд, важна не истинность истории, а то, каковы ее последствия, как ее восприняли люди. По мере того как распространялась информация, людям все сильнее хотелось верить, что Бор обнаружил гафний исключительно при помощи квантовой механики. Физика всегда пыталась разложить по полочкам природные механизмы, подразделив их на более мелкие составляющие. Для многих ученых Бор стал тем человеком, который создал из пыльной старомодной химии высокоспециализированную и удивительно оригинальную физическую дисциплину. Философы науки также решили сказать свое слово в этой истории и объявили, что химия Менделеева умерла, а физика Бора правит бал. Спор, который начался как научный диспут, превратился в политический диспут о территориях и границах. Такова наука, такова жизнь.

Эта легенда также воодушевила человека, который оказался в центре всей шумихи, – Дьёрдя Хевеши. Уже в 1924 году коллеги номинировали Хевеши на Нобелевскую премию за открытие гафния, но возник спор о приоритете этого открытия – на него также претендовал французский химик Жорж Урбэн, также увлекавшийся живописью. Возможно, читатель помнит, что в свое время Урбэн неудачно попытался осадить Генри Мозли, предложив ему отсортировать смесь редкоземельных металлов. Именно Урбэн в 1907 году открыл лютеций. Гораздо позже он заявил, что открыл в своих образцах и гафний (редкую редкоземельную разновидность гафния). Большинство ученых сочли работу Урбэна неубедительной, и, к сожалению, в 1924 году Европа еще оставалась разделенной на враждующие лагеря после недавней войны. Поэтому спор о приоритете этого открытия быстро приобрел политическую окраску. Французы воспринимали Бора и Хевеши как немцев, несмотря на то что один из них был датчанином, а второй – венгром. В одном французском периодическом издании даже написали, что от всей этой истории «исходит запах гуннов», как если бы элемент открыл сам Аттила. Кроме того, химики скептически относились к Хевеши из-за его «двойного гражданства» – то есть попыток одновременно заниматься и химией, и физикой. Все это вкупе с политическими играми помешало Нобелевскому комитету вручить премию Хевеши в 1924 году. В тот год премия по химии не присуждалась.