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

В молодости Юхан Гадолин немало попутешествовал по Европе. В частности, он побывал в Англии, где подружился со знаменитым изготовителем фарфора Джозайей Веджвудом и даже посетил месторождения глины, откуда Веджвуд брал сырье. Вернувшись на родину, Гадолин поселился в городе Турку, который сегодня находится на территории Финляндии на другом берегу Балтийского моря. В Турку Гадолин приобрел славу геохимика. Геологи-любители стали доставлять Гадолину из Иттербю необычные породы, чтобы проконсультироваться об их составе. Постепенно благодаря публикациям Гадолина научное сообщество все больше узнавало об этой замечательной маленькой шахте.

Конечно, у Гадолина не было ни инструментария, ни химической теории, которая позволила бы выделить все четырнадцать лантаноидов, но шведский ученый проделал большую работу, определив основные группы этих элементов. Охота за ними стала для него своеобразным хобби. Когда гораздо позже, на закате жизни Менделеева, ученые вновь заинтересовались Иттербю и уточнили результаты Гадолина при помощи новых и более точных инструментов, новые элементы посыпались как из рога изобилия. Гадолин заложил в номенклатуре элементов «географическую» тенденцию, назвав один из гипотетических элементов «иттрием». Химики поддержали эту традицию и стали именовать новые элементы в честь их общей «родины», неоднократно обессмертив Иттербю в периодической системе. С Иттербю связаны названия семи элементов – такой чести не удостаивались никакое другое место, человек или вещь. Названия иттербий, иттрий, тербий и эрбий происходят непосредственно от этого топонима. Оставалось назвать еще три открытых элемента, но тут у химиков закончились буквы (согласитесь, «рбий» звучит некрасиво). Поэтому в таблице появились гольмий, названный в честь Стокгольма, тулий, чье название напоминает о мифической стране Туле, которую античные авторы помещали на месте Скандинавии. Наконец, по настоянию Лекока де Буабодрана, один из элементов был назван гадолинием, в честь самого Юхана Гадолина.

Шесть из семи элементов, открытых в Иттербю, оказались недостающими лантаноидами Менделеева. Но история могла сложиться совсем иначе, ведь Менделеев постоянно корректировал свою таблицу. Он мог бы самостоятельно заполнить целый нижний ряд таблицы, расположенный вслед за церием, – если бы только сам отправился на северо-запад, через Финский залив и Балтийское море, на Галапагосские острова[32] периодической системы.

Часть II. Как создаются и расщепляются атомы

4. Откуда берутся атомы: «Мы все – звездная материя[33]»

Откуда берутся элементы? В течение многих веков в науке процветало заблуждение, что они ниоткуда не берутся. Велись долгие метафизические споры о том, кто (или Кто) мог создать мироздание и почему Он это сделал, но все соглашались, что все элементы – ровесники нашей Вселенной. Они не появляются и не исчезают, а просто существуют. Более новые теории, в частности теория Большого взрыва, сформулированная в 1930-е годы, также принимали эту точку зрения за аксиому. Если все началось около четырнадцати миллиардов лет назад с первозданного мирового зернышка, в котором содержалась вся материя Вселенной, то все, что окружает нас сегодня, очевидно, было заключено именно в нем. Конечно, там не было ни алмазных диадем, ни жестяных банок, ни алюминиевой фольги, но всё сырье для создания элементов там имелось.

Один ученый подсчитал, что уже через десять минут после Большого взрыва сформировалась вся известная материя, а потом резюмировал: «элементы были изготовлены быстрее, чем хорошая хозяйка зажарит утку с картошкой». Опять же, здесь мы имеем дело с общепринятым мнением о том, что история всех элементов протекает исключительно стабильно и является, в сущности, «астроисторией».

Но после 1930-х эта теория начала постепенно распадаться. К 1939 году немецкие и американские ученые доказали[34], что энергия Солнца и других звезд выделяется в ходе реакций ядерного синтеза, при которых из атомов водорода образуются атомы гелия. Объемы этой энергии совершенно несоизмеримы с крошечными размерами атомов. Другие ученые парировали: хорошо, количество водорода и гелия может незначительно колебаться, но нет никаких доказательств, что содержание других элементов в природе хоть как-то изменяется. Но наука не стояла на месте, телескопы совершенствовались, и ряды скептиков множились. Теоретически в результате Большого взрыва элементы должны были быть «равномерно разбросаны» во всех направлениях. Но наблюдения показали, что в самых молодых звездах содержатся почти исключительно водород и гелий, а в старых встречаются десятки элементов. Кроме того, некоторые крайне нестабильные элементы, отсутствующие на Земле, – например, технеций – существуют в некоторых звездах с «экзотической химией»[35]. Какие-то силы должны ежедневно создавать такие элементы.

В середине 1950-х годов некоторые дальновидные астрономы пришли к выводу, что звезды можно сравнить с небесными вулканами. Группа ученых – Джеффри Бербидж, Элинор Маргарет Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл – в общих чертах описали теорию звездного ядерного синтеза в своей знаменитой статье, вышедшей в 1957 году. Специалисты называют ее просто – В2FH[36]. В отличие от большинства научных статей, B2FH имеет эпиграф, в который вынесены две зловещие и противоречивые цитаты из Шекспира. В них авторы задаются вопросом, управляют ли звезды судьбами человечества[37]. И далее отстаивают точку зрения о том, что да, управляют. В начале статьи рассказывается, что в начале времен Вселенная была первозданной кашей из водорода, с небольшими включениями гелия и лития. Постепенно атомы водорода стали слипаться друг с другом, образуя звезды. Огромное гравитационное давление, возникавшее внутри звезд, провоцировало слияние атомов водорода в атомы гелия. В результате этого процесса сияют все звезды в небе. Но этот процесс, исключительно важный в космологии, неинтересен с научной точки зрения. В течение миллиардов лет звезда только и делает, что выпекает гелий. Лишь после полного выгорания водорода, указывают авторы В2FH, – и в этом заключается основная научная ценность статьи – ситуация начинает стремительно меняться. Звезда, которая целую вечность висела в пространстве и неспешно перерабатывала свой водород, преобразуется в нечто новое гораздо быстрее, чем мог бы мечтать любой алхимик.

Звезды, отчаянно пытающиеся поддержать высокую температуру при отсутствии водорода, начинают сжигать и плавить в своих недрах атомы гелия. Иногда два атома гелия целиком сплавляются друг с другом, образуя элементы с четными номерами, а в других случаях они теряют при этом часть протонов и нейтронов; так получаются элементы с нечетными номерами. Достаточно скоро внутри звезд накапливаются существенные количества лития, бора, бериллия и особенно углерода. В основном это происходит в глубине звезды – внешний слой, сравнительно холодный, состоит преимущественно из водорода до самой гибели звезды. К сожалению, при сжигании гелия выделяется меньше энергии, чем при сжигании водорода, поэтому звезда успевает израсходовать весь свой гелий всего за несколько сотен миллионов лет. Некоторые маленькие звезды после этого «умирают», на их месте остаются массы сплавленного углерода, известные нам как «белые карлики». Более тяжелые звезды (не менее чем в восемь раз массивнее Солнца) продолжают бороться за жизнь, синтезируя из углерода шесть еще более тяжелых элементов, вплоть до магния. Так они могут просуществовать еще несколько сотен тысяч лет. После данного углеродного этапа умирает еще часть звезд, но самые крупные и горячие звезды (в недрах которых может поддерживаться температура до пяти миллиардов градусов) за несколько миллионов лет сжигают и эти тяжелые элементы. В статье В2FH авторы анализируют разнообразные реакции синтеза и объясняют, как создаются все легкие элементы вплоть до железа. Эти процессы – настоящая эволюция элементов. В наше время благодаря статье В2FH астрономы могут объединить все элементы от лития до железа в категорию «звездных». Если на какой-то звезде обнаружено железо, то можно не заниматься поисками более легких элементов, поскольку на звезде обязательно присутствуют и все остальные двадцать пять первых элементов периодической системы.

Логично предположить, что в более крупных звездах должен происходить и дальнейший синтез с участием атомов железа, а также синтез более тяжелых атомов, до самых глубин периодической системы. Но здесь логика вновь нас подводит. Если обратиться к математике и подсчитать, сколько энергии выделяется при слиянии атомов, то можно убедиться, что на слияние легких элементов в атом железа с его двадцатью шестью протонами требуется очень много энергии. Таким образом, ядерный синтез элементов тяжелее железа[38] уже не идет на пользу изголодавшейся звезде. Железное ядро – последняя часть жизненного пути самых долговечных звезд.