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

На самом деле, стоит только начать экспериментировать с формой периодической системы, как понимаешь, что варианты далеко не ограничиваются прямоугольными контурами[172]. Например, одна из интересных современных таблиц напоминает соты, где шестиугольные поля с элементами разворачиваются по спирали все дальше и дальше. Водород находится в центре такой схемы. Астрономам и астрофизикам нравится начертание, в котором водородное «Солнце» располагается в центре схемы, а вокруг него, как по орбитам, «вращаются» остальные элементы, напоминающие планеты и спутники. Биологи вычерчивают периодическую систему в виде спирали, похожей на ДНК, а самые увлеченные экспериментаторы выполняли таблицу даже по принципу настольной игры парчиси: столбцы и ряды записываются сразу по обе стороны листа, заверстываясь за край страницы. В США был даже выдан патент на игрушку-пирамидку, собираемую по принципу кубика Рубика, на вращающихся гранях которой изображены символы элементов.

Люди с музыкальными склонностями наносили элементы на нотный стан, а наш старый знакомый Уильям Крукс, любитель-спиритист, придумал два замечательных и причудливых варианта периодической системы: один в форме лютни, другой – в виде кренделя. Мне очень нравятся таблицы-пирамиды. Они расширяются от вершины книзу и наглядно демонстрируют, как возникают новые орбитали и как все большее количество элементов аккуратно вписывается в общую систему. Еще мне нравится вариант «в разрезе», который закручивается в середине. Изобразить его я бы не смог, могу только сказать, что он похож на ленту Мёбиуса.

Более того, сегодня начертания периодической системы вышли из плоскости и перестали быть двухмерными. Отрицательно заряженные антипротоны, которые Эмилио Сегре открыл в 1955 году, образуют гармоничное единство с антиэлектронами (позитронами). Из этих частиц уже удалось получить атомы антивещества – например, антиводород. Теоретически каждому элементу может соответствовать свой «антиэлемент», не исключена и возможность существования целой периодической таблицы антиэлементов. Такую зазеркальную таблицу мы можем только представить, но уже в наше время ученые исследуют новые формы материи, которые, возможно, позволят открыть сотни и даже тысячи новых «элементов».

Во-первых, существуют суператомы. Эти скопления, включающие в себя от восьми до ста атомов одного элемента, обладают сверхъестественной способностью «притворяться» отдельными атомами других элементов. Например, если правильно сгруппировать тринадцать атомов алюминия, они начинают проявлять такие же свойства, как ядовитый бром. В химических реакциях атом брома и такое скопление атомов алюминия совершенно неразличимы. Этому поразительному сходству не мешает даже то, что такое скопление в тринадцать раз крупнее атома брома, а алюминий не имеет ничего общего со столбцом ядовитых галогенов-лакриматоров. Другие скопления атомов алюминия напоминают по свойствам атомы благородных газов, полупроводники, кальций и иные элементы, расположенные в совершенно других областях периодической системы.

Описанный механизм работает так. Атомы упорядочиваются в виде многогранника, в котором каждый атом «имитирует» протон или нейтрон коллективного ядра. Электроны в такой структуре могут свободно перемещаться внутри ядерного пузыря, и все атомы совместно пользуются электронами. Ученые придумали для обозначения такого состояния вещества немного иронический термин «желий» (от слова «желе»). В зависимости от формы многогранника и от количества в нем граней и углов желий может выдавать в общее пользование большее или меньшее количество электронов. Если наберется семь таких электронов, кластер будет проявлять свойства брома, то есть галогена. Если четыре – желий напоминает по свойствам кремний, полупроводник. Атомы натрия также могут объединяться в желий и «подражать» другим элементам. Вполне возможно, что и многие другие элементы могут имитировать совершенно иные элементы, и вообще все элементы могут имитировать все другие элементы, и так далее, до полной неразберихи. Эти открытия наталкивают ученых на разработку параллельных периодических систем, в которых нашлось бы место для классификации всех подобных экзотических образований. Новые таблицы можно сравнить с полупрозрачными иллюстрациями из старинных анатомических атласов, которые нужно накладывать на «скелет» – таблицу Менделеева.

Впрочем, даже такие странные образования, как желий, по крайней мере, напоминают обычные атомы. Но есть и еще один способ углубления периодической таблицы. В физике существует понятие «квантовая точка». Ее можно сравнить с голографическим или виртуальным атомом, который тем не менее подчиняется всем законам квантовой механики. Квантовые точки получаются из разных элементов, однако наиболее легко получать их из индия. Это серебристый металл, дальний родственник алюминия. Он расположен прямо на границе между металлами и полупроводниками.

Для создания квантовой точки ученым требуется сконструировать крошечную колонну, едва различимую глазом. По виду она напоминает знаменитую Башню Дьявола[173]. Подобно геологическому монолиту, такая микроскопическая «башня» состоит из слоев. Снизу вверх в ней укладываются следующие вещества: полупроводник, тонкий изолирующий слой (керамика), индий, более толстый слой керамики и металлическая верхушка. На верхушку подается положительный электрический заряд, притягивающий электроны. Электроны устремляются вниз, пока не достигают изолятора, который для них обычно непроницаем. Однако если изолятор достаточно тонок, то электрон (который на фундаментальном уровне представляет собой просто волну) включает какую-то квантово-механическую магию и «туннелирует» прямиком к индию.

В этот момент ученые отключают электричество, перехватывая улетевший электрон. Атомная решетка индия такова, что электроны могут свободно перемещаться между атомами, однако поглощение электрона атомом здесь случается сравнительно редко. Электрон словно парит над слоем атомов, мобильный, но дискретный, и если слой индия достаточно тонок и узок, то порядка тысячи атомов индия объединяются и действуют как единое целое, совместно используя захваченный электрон. Возникает некий суперорганизм. Если внедрить в квантовую точку два или более электронов, то внутри индия они примут противоположные спины и рассредоточатся по гигантским орбиталям и оболочкам. Сказать, что это странно, – ничего не сказать. Фактически мы получаем колоссальные атомы, подобные тем, что образуются в конденсате Бозе – Эйнштейна, но без тех хлопот, которые связаны с охлаждением субстанции до миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. Причем такие опыты – отнюдь не забава, оторванная от реальности. Квантовые точки демонстрируют невероятный потенциал для создания квантовых компьютеров нового поколения. Ученые получают возможность управлять отдельными электронами и совершать вычисления с их помощью. Это гораздо более быстрая и чистая техника, чем прокачка миллиардов электронов через полупроводниковые интегральные схемы Джека Килби, сконструированные в середине прошлого века.

Периодическая система также преобразится под влиянием исследований, связанных с квантовыми точками. Эти точки настолько плоские, что и форма электронных оболочек в них очень своеобразная. В настоящий момент представляется, что периодическая система плоских элементов значительно отличается от той, которая известна нам сегодня. Во-первых, она более узкая, так как в ней правило октетов не соблюдается. Электроны заполняют оболочки быстрее, между инертными благородными газами насчитывается меньше элементов. Тем не менее многие квантовые точки весьма бурно реагируют друг с другом, вступая во взаимодействия и образуя… ну, кто их знает, что они образуют. В отличие от суператомов, никаких аналогий между «элементами» из квантовых точек и обычными элементами провести не удается.

Завершая книгу, следует признать, что сиборговская таблица, напоминающая замок с двумя башнями, укрепленный двумя рвами из лантаноидов и актиноидов, еще долгие годы будет красоваться в кабинетах химии. Это очень наглядная схема, по которой удобно и легко учиться. Но мне хотелось бы устыдить издателей учебников по химии: сиборговскую таблицу читатель зачастую видит уже на обложке, но почти никто из издателей хотя бы на заднем форзаце не готов напечатать еще несколько не менее наглядных и наводящих на размышление вариантов таблицы. Объемные фигуры, теснящиеся на странице, сближающие, казалось бы, совершенно разные элементы, стимулируют воображение. Я очень хотел бы пожертвовать хотя бы тысячу долларов какой-нибудь некоммерческой группе энтузиастов, которые не покладая рук выдумывали бы все новые варианты таблицы, какие только можно себе представить. Современная периодическая таблица долго и исправно служила нам, но, если удастся по-новому представить и начертить ее, это будет великое достижение для всего человечества (или как минимум его части). Более того, если когда-нибудь нас посетят инопланетяне, они по достоинству оценят нашу изобретательность, изучив такую схему. А если пофантазировать как следует – кто знает, вдруг они найдут среди наших таблиц тот вариант, который будет им знаком.