Великие открытия в химии и физике. Ядерный век

17 Сен
2016

Продолжение статьи Великие открытия в химии. Периодическая система элементов.

Алхимия, мечта человека о превращении металла в золото, долгое время была прямым путем к обвинению в колдовстве.

Но в одном из наиболее современных ядерных центров в мире мы становимся свидетелями нового вида алхимии. Ученые пытаются управлять дикими силами природы, превращая одни химические элементы в совершенно другие.

Мы расскажем об удивительной истории покорения учеными невероятных сил, скрытых в основании нашей Вселенной — химических элементах.

Мы уже рассказали, как ученые смогли постичь порядок, лежащий в основе нашего мира, и создали периодическую таблицу. Сегодня же мы поговорим о тех, кто пошел еще дальше и использовал весь потенциал 92 земных элементов, образующих Землю.

Вы узнаете, как элементы могут соединяться друг с другом, как устроен современный мир. Как ученые через тяжелый труд и гениальные озарения проникали в тайны материи. И наконец, о невообразимых силах, скрывающихся внутри атомов.

Абсолютно все, что нас окружает, было создано в результате химических реакций, в которых проявляется свойство элементов взаимодействовать друг с другом. Железо, укрепленное хромом, углеродом и никелем, образуем нержавеющую сталь, которой облицованы многие здания. А стекло в них образовано кремнием и кислородом. Всего лишь 92 элемента создали нашу планету. Веками человек шел к способности объединять их по своему усмотрению.

Люди умели делать и смешивать химические соединения еще в доисторические времена. Вдохновленные алхимическим поиском философского камня, первые экспериментаторы смешивали все подряд, просто пытаясь узнать, что же получится. Но это была в большей степени кулинария, нежели настоящая наука.

 

Изомеры

В 19 столетии ученые все еще не понимали, почему и как элементы могут и не могут соединяться друг с другом. В своем стремлении постичь тайны элементов немецкий химик Юстус фон Либих буквально стал одержим идеей создания их взрывающихся комбинаций. Его страсть пробудилась в нем еще в детстве, когда на улицах родного Дармштадта он встретил продавца фейерверков. В их состав входило гремучее серебро, оно же входит в состав хлопушек. Так Либих нашел свое призвание. Причем к открытию его привели как любовь ко взрывам, так и некоторые черты его характера. Говорят, что он был высокомерен, вспыльчив, драчлив и упрям.

Можно только догадываться, что испытал немецкий химик Фридрих Велер, когда в 1825 году получил сердитое письмо от Либиха. Либих прочитал статью Велера об открытом им соединении, которое Велер назвал цианидом серебра: оно состоит из равных частей серебра, углерода, азота и кислорода. Велер описал его как безобидное и стабильное. В то же время Либих знал из собственных опытов, что его гремучее серебро состоит из тех же элементов в той же самой пропорции. Как же могут два соединения, состоящие из одних и тех же элементов в одинаковых соотношениях, вести себя столь отлично друг от друга?

В силу характера Либиха для него существовало только одно объяснение: Велер ошибся. В своем гневном письме он называл Велера «никчемным аналитиком». Тот мог ответить только одним способом: предложить Либиху сделать цианид серебра и испытать его самому.

Либиха ожидало весьма шокирующее открытие, так как вещество было совершенно не опасным и не реагировало на горящую спичку, а он был твердо убежден в том, что вещество, состоящее из серебра, углерода, азота и кислорода, должно взрываться. Одни и те же элементы в одинаковых пропорциях… Но тогда они должны быть разными веществами? Так и есть! Это два абсолютно разных вещества!

Либих и Велер обнаружили фундаментальное свойство элементов. Оно позволило объяснить, как 92 элемента позволяет создать все многообразие окружающего нас мира. Они столкнулись с существованием соединений, которые сегодня известны нам как изомеры. Что делает их разными, так это то, как атомы соединены друг с другом.

С помощью детского конструктора Лего можно собрать космический корабль, самолет или  лодку. Все зависит от того, как вы соберете эти строительные блоки вместе. Именно поэтому одни и те же элементы, но собранные по-разному, могут образовывать столь различные по своим свойствам соединения, как взрывчатое гремучее серебро и совершенно устойчивый цианид. Химики поняли, что ключом к созданию новых соединений является понимание того, как атомы внутри веществ соединяются друг с другом.

 

Углерод

Атомы — это чрезвычайно малые частицы материи. В начале 19 века ученые только начинали догадываться, что все элементы состоят из атомов. Ученые, наконец, поняли, что именно способ, который атомы соединяются друг с другом, является ключом для понимания строения вещества.

sviazyИзучая углерод, химики сделали одно из наиболее важных своих открытий. В 1796 году йоркширский химик Смитсон Теннант попытался узнать, из чего же состоит алмаз. Для начала он решил его сжечь. Он использовал солнечный свет и сильную лупу, чтобы нагреть кусочек алмаза. Поместив нагретый алмаз в кислород, он собрал появившиеся пузырьки и проанализировал их состав: это оказался чистый углекислый газ. Итак, в состав алмаза могли входить только углерод и кислород. Но они же, соединяясь вместе, образуют углекислый газ. Из этого Теннант заключил, что алмаз должен состоять лишь из углерода.

Открытие Теннанта заставило ученых крепко задуматься, ведь они знали, что из углерода состоит графит — один из самых мягких материалов на планете. Каким же образом твердый алмаз мог являться углеродом? В чем же был секрет углерода?

В конце 18 столетия Теннант, конечно же, не знал о существовании атомов, поэтому он не мог решить обнаруженный им парадокс. Пройдет еще половина столетия, пока молодой шотландский химик Арчибальд Скотт Купер найдет ответ на этот вопрос.

Купер был восходящей звездой химии. В 1856 году, когда ему было 25 лет, он приехал в Париж, чтобы работать в лаборатории выдающегося химика Шарля Адольфа Вюрца.

Купер был очарован тем, как атомы углерода соединяются с другими атомами. Рассуждая об этом, он пришел к идее химической связи, для того чтобы объяснить, как же элементы могут объединяться друг с другом.

Идеи, предложенные Купером, должны были перевернуть химию того времени. Это было поистине гениально! Удивительным образом Купер понял, что углерод может образовывать не одну, а целых 4 связи, при этом связи могут соединять атомы с различной силой. Именно поэтому он может существовать в двух столь непохожих формах. В алмазе все 4 связи соединены с разными атомами углерода, образуя чрезвычайно прочную трехмерную структуру. В графите же задействованы только 3 связи, лежащие при этом в одной плоскости. Это делает графит значительно более мягким.

Наличие 4 связей делает возможной еще одну особенность углерода. Представим в виде атома углерода человека, лежащего на земле и раскинувшего руки и ноги в стороны. Он может использовать одну руку, чтобы схватить один атом, вторую руку, чтобы схватить второй атом, и использовать ноги, для образования еще связей с руками другого человека под ним. Эти 4 связи позволяют соединять его с другими атомами в любых сочетаниях: кольца или длинные цепи, что делает его уникальным среди других элементов.

Наша жизнь была бы просто невозможной без углерода. Он везде: от хребта гигантского кита до мельчайшего вируса, он есть в ДНК, в целлюлозе, в жирах, в сахаре. Каждый день мы употребляем до 300 граммов углерода.

Углерод, как и большинство других элементов, попал на Землю с умирающих звезд, так что мы с вами состоим из звездной пыли.

Купер разрешил фундаментальную проблему: он смог объяснить, почему углерод может образовывать такое множество соединений, почему так разнообразен органический мир. Теперь ему оставалось только опубликовать свое открытие.

Но примерно в это же время немецкий химик Фридрих Кекуле пришел к тем же выводам. В то время Кекуле обучался в Лондоне и, как он утверждал впоследствии, именно в лондонском автобусе на него снизошло озарение.

Кекуле размышлял об атомах, круживших в его голове в замысловатом танце. Он представил себе длинный хоровод, включавший множество атомов. Внезапно он все понял: он смог осознать, что связи между атомами определяют строение химических соединений.

В то время, как Кекуле тут же отослал свою работу в печать, шеф Купера не спешил с опубликованием статьи. В итоге все лавры достались Кекуле. В науке не дают призов за второе место.

Несмотря на то, что именно он был первым, Купер не снискал славы первооткрывателя. Когда он обнаружил, что его шеф Адольф Вюрц затягивает публикацию, он в ярости ворвался в его кабинет, в результате чего Вюрц выставил несчастного Купера из лаборатории. В этот момент Купер исчез из истории химии. Больше никаких статей, никаких писем в журналы, никаких экспериментов — вообще ничего. Купер упустил свой шанс прославиться и вскоре пережил нервный срыв. Остаток своей жизни он провел в сумасшедшем доме.

 

Нейлон

Но мир открывшихся возможностей уже манил к себе других химиков. Никакой другой элемент в природе не образует такого разнообразия соединений, поэтому понимание того, как он может образовывать связи, позволило человечеству создавать новые соединения по своему усмотрению. Неожиданно оказалось, что вся наша жизнь — это манипуляция элементами. Неудивительно, что вскоре химия поступила на службу промышленности.

Сочетание элементов в новые соединения предполагало удивительные перспективы, и вскоре возможности химии и углерода без преувеличения стали определять нашу жизнь. Сложно себе представить современный мир без пластика. Открытый в 1907 году полимер имел название полиоксибензилметиленгликольангидрид, более известный как бакелит.

Вскоре полимеры прочно вошли в нашу жизнь. Этим удивительным материалам можно придать любые формы. Новые открытия посыпались одно за другим.

В 30-х годах 20 века американский химик Уоллес Карозерс вышел на массовый рынок. Он смог превратить свойства углерода в деньги, когда изобрел нечто, похожее на коктейль. На дне стакана — гексаметилендиамин. Гексо означает 6, то есть 6 атомов углерода. А наверху плавает другое соединение углерода — адипиновая кислота. На границе фаз они реагируют друг с другом. Стеклянной палочкой можно вытянуть очень длинную цепочку из атомов углерода. Используя лишь несколько элементов — углерод, азот, кислород и водород, которые в природе находятся в воде или в воздухе, Карозерс создал уникальное волокно: оно легко гнется и мнется, как паутина, но в то же время прочное, как сталь. Оно получило название нейлона.

Когда нейлоновые чулки появились в магазинах Америки, в первый же день их было продано более 5 миллионов. Появление нейлона ознаменовало собой революцию в синтетической химии.

 

Альфа-частицы

Но ученых поджидали еще более невероятные вещи. Как это часто бывает случайно, они наткнулись на что-то совершенно фантастическое. Это открытие потрясло «здание» химии и физики до самого основания. Речь пойдет о явлении радиоактивности.

В 1896 году французский ученый Антуан Анри Беккерель, проводя опыты с кристаллами солей урана, обнаружил при облучении их ультрафиолетом непонятное свечение. Он случайно оставил на ночь чистую фотографическую пластину рядом с соединением урана, и утром обнаружил, что пластинка оказалась засвечена. Оказалось, что соли урана испускают какую-то энергию. Так Беккерель открыл радиоактивность.

Впоследствии ей занимались многие великие ученые. Физик Эрнест Резерфорд, используя радиоактивность для изучения субатомного мира, совершил потрясающее открытие.

В начале 20 века казалось, что атом является стабильной неизменной единицей материи, что атом углерода от начала времен был атомом углерода и останется таковым навсегда. Резерфорд перевернул наши представления о мире, совершив очередной переворот в науке.

Резерфорд пришел к выводу, что внутри атом практически полый, и крохотные электроны вращаются вокруг ядра, содержащего положительно заряженные протоны. Число протонов в ядре определяет сущность атома. У углерода в ядре содержится 6 протонов, у азота — 7. Гениальной догадкой Резерфорда стало предположение о том, что радиоактивность связана с изменением числа протонов в ядре. Резерфорд понял, что загадочная радиоактивность является ничем иным, как крошечными частями ядра, содержащими протоны. Он назвал их альфа-частицами.

Как любая форма жизни приходит к упадку, так и некоторые элементы могут разваливаться на части. По мере того, как альфа-частицы покидают ядро, оно сжимается. Резерфорд понял, что когда ядро теряет протоны, меняется сама сущность атома: один элемент превращается в другой. Но если такое происходит в природе, то может ли человек сам превратить один элемент в другой?

Его основным инструментом был довольно примитивный прибор. На один его конец он поместил источник радиации, который выстреливал альфа-частицами в экран, расположенный на другом конце прибора. Когда он заполнил камеру азотом, то смог наблюдать вспышки там, где проходили альфа-частицы. Резерфорд предположил, что с азотом что-то происходит. Ядро атома азота состоит из 7 протонов, в то время как ядро кислорода — из 8. В экспериментах Резерфорда атомы азота бомбардировались альфа-частицами, в каждой из которых присутствует 2 протона. При столкновении с ядром атома азота происходила настоящая алхимическая трансмутация, когда один из двух протонов альфа-частицы сливается с ядром атома азота, а излучение второго вызывает вспышки. Но в тот момент, когда в ядре атома азота появился лишний протон, азот перестал быть азотом, он превратился в кислород.

Эти небольшие вспышки в аппарате Резерфорда оказались поворотным моментом в истории науки. Превращение азота в кислород может показаться настолько же фантастическим, как превращение кошки в собаку: сложно представить более неподходящие элементы.

 

Деление ядра

Раньше ученые считали, что атомы постоянны и неизменны. Резерфорд показал, что это не так. Это открыло еще одну интригующую возможность. Работы Резерфорда по превращению одного элемента в другой дали ученым надежду на создание абсолютно новых элементов.

Но многие десятилетия они не могли подступиться к этой проблеме, поскольку строение атома было еще не до конца изучено. Только в 1932 году в Кембридже Джеймс Чедвик смог обнаружить недостающее звено. Он открыл нейтроны. Эти частицы сами по себе не имеют заряда. Но вместе с положительно заряженными протонами они образуют сердце атома — его ядро.

Итальянский физик Энрико Ферми был первым, кто осознал весь потенциал нейтронов для создания новых несуществующих в природе элементов. Люди, работавшие с ним, полагали, что в науке он непогрешим, и даже дали ему прозвище Папа Римский.

Заветной мечтой Ферми было создание неизвестных тогда науке трансурановых элементов — тяжелее всех тех, что встречаются на Земле. Если Резерфорд превращал азот в кислород, то Ферми интересовало, что может случиться с ураном, если попытаться добавить еще протонов  в его ядро. Мог ли он стать выше самой природы? Сделать то, что ей было не под силу? Эксперименты с ураном должны были дать ответ на этот вопрос. Многие ученые до Ферми использовали бомбардировку альфа-частицами, но никому из них не удалось создать новый элемент.

Как-то раз, играя в теннис и отбивая мяч, Ферми вдруг осознал простую вещь, объяснявшую все предшествующие неудачи. Ферми предположил, что простое электростатическое отталкивание препятствует взаимодействию положительно заряженных альфа-частиц  и положительно заряженного ядра, в то время как не имеющие заряда нейтроны должны в таком случае проникать в ядро гораздо более эффективно.

В 1934 году Ферми начал эксперименты по бомбардировке ядер урана нейтронами. Он надеялся, что избыточное число нейтронов в ядре урана может его дестабилизировать. Состав ядра должен быть сбалансированным, поэтому если поместить туда довольно большое число нейтронов, один из них должен расщепиться на один протон и один электрон. Таким способом Ферми надеялся увеличить число протонов в ядре, создав совершенно новый неизвестный доселе элемент.

Проведя эксперимент, Ферми обнаружил элемент, который он не смог идентифицировать. Но что это было? Получавшиеся в результате атомы не были похожи ни на радон, ни на полоний, ни на свинец. Новый элемент не был похож на них.

В 1934 году Ферми решился, наконец, на смелый шаг. Он объявил научному миру, что ему удалось создать элемент тяжелее урана. Сложно описать, что это значило для ученых всего мира.

В 1938 году группа немецких ученых во главе с химиком Отто Ганом попыталась воспроизвести результаты Ферми. Довольно быстро они обнаружили, что заявления о создании нового элемента не подтвердились. Один из образовавшихся при бомбардировке урана элементов был идентифицирован как барий, который содержит в ядре 56 протонов, что примерно в два раза меньше, чем 92 протона в ядре атома урана. Оказалось, что ядро урана просто распалось на две части.

Ган сообщил об этом своей давней коллеге Лизе Мейтнер, которая в то время работала в Швеции. Будучи по происхождению еврейкой, она была вынуждена покинуть страну вскоре после присоединения Австрии к Германии в 1938 году.

Мейтнер была озадачена и вместе со своим племянником Отто Фришем попыталась посмотреть на эту проблему с точки зрения теоретической физики. Поскольку ядро урана довольно большое, оно должно быть относительно нестабильно. В воображении Мейтнер оно представало огромной каплей, готовой рассыпаться под действием нейтрона.

Неожиданно ее осенило, что ядро урана просто развалилось на две части. Ферми и Ган впервые стали свидетелями процесса, известного нам сейчас как деление ядра.

Впоследствии, проводя точные вычисления, Мейтнер обнаружила, что общая масса образовавшихся фрагментов где-то на одну пятую массы протона меньше массы исходного ядра урана.

Далеко не сразу ей стало понятно, что ответ надо искать в уравнении Эйнштейна E=mc2. Пропавшая масса превратилась в чистую энергию.

 

Начало ядерного века и Манхэттенский проект

Озарение Мейтнер положило начало ядерному веку, в котором уникальные возможности ядерной энергии послужили созданию самого страшного оружия.

Работа Лизы Мейтнер по делению ядра была опубликована в 1939 году, как раз, когда по всей Европе начиналась Вторая Мировая война. Это предопределило направление развития ядерной физики на десятилетия вперед. Разрушительная мощь атомного ядра стала очевидной не только ученым, но и военным.

По обе стороны Атлантики ученые пытались воплотить теоретические расчеты в жизнь. В Америке это вылилось в создание так называемого Манхэттенского проекта. Его задачей было создание первой атомной бомбы. Залогом его успеха стали объединенные усилия ученых из Америки, Канады и Европы, более двух миллиардов долларов и страх, что фашистская Германия первой создаст ядерное оружие.

Ученые как Германии, так и союзников хорошо знали, что деление ядра урана, вызванное нейтронами, освобождает огромное количество энергии. Однако, чтобы осуществить взрыв, необходимо, чтобы эта энергия высвобождалась одновременно, в противном случае ничего не выйдет. Для этого нужно было запустить ядерную цепную реакцию.

Представьте, что шарик для пинг-понга — это нейтрон, летящий прямо в нестабильное ядро атома урана — в мышеловку с другим шариком на ней. Она срабатывает и запускает свой шарик, т.е. еще один нейтрон. За пару секунд произойдет срабатывание десятков мышеловок, размещенных в прямоугольном закрытом коробе. Представьте, что при каждом срабатывании мышеловки высвобождается энергия, та самая, которую вычислила Лиза Мейтнер, энергия невероятной разрушительной силы.

В 1942 году уже упоминавшийся нами Энрико Ферми, проживавший в том время в США, стал первым человеком, запустившим цепную ядерную реакцию.

 

Создание новых элементов. Нептуний

Уран. Его энергия не только позволяет выигрывать войны, но и обеспечивает электричеством миллионы домов. Благодаря огромной плотности уран используется для изготовления сердечников бронебойных снарядов. До открытия явления радиоактивности способность урана светится под ультрафиолетом делала урановое стекло предметом роскоши.

Но очистка урана для использования в бомбах слишком сложна и дорога. Америке был необходим другой, более подходящий источник атомной энергии.

В это время в Калифорнии ученые активно пытались создать элементы тяжелее урана. Для этого использовались аппараты, называемые циклотронами, на основе которых сейчас разработаны более мощные синхротроны. В основе работы обоих приборов лежит один и тот же принцип: они используют огромные магниты, для того чтобы раскручивать заряженные частицы с огромной скоростью. Эти магниты настолько мощные, что если включить один из них, то он может моментально вырвать из рук человека тяжелую кувалду. Циклотрон может разгонять частицы до одной десятой скорости света, после чего их можно направить на другую частицу, для того чтобы они столкнулись и слились, образовав новый элемент.

Наконец-то осуществилась мечта человека о создании совершенно новых элементов, не встречающихся на нашей планете. При бомбардировке урана американские физики Эдвин Макмиллан и Филипп Абельсон получили элемент под номером 93. Они назвали его нептунием. Это был первый элемент, созданный самим человеком. Когда-то химики могли использовать лишь то, что им предоставила природа, теперь же этот барьер не существовал.

 

Плутоний

Но новые элементы родили проблемы совсем ненаучного характера. В 1941 году человечество создало еще один печально знаменитый элемент, который был назван плутонием.

Довольно быстро ученые поняли, что энергия, высвобождающаяся при расщеплении плутония, способна запустить цепную реакцию, приводящую к взрыву. Путь от открытия деления ядра до создания атомной бомбы занял менее 7 лет.

6 августа 1945 года Лиза Мейтнер, отказавшаяся принимать участие в создании бомбы, ужаснулась точности своих вычислений. В 600 метрах над японским городом Хиросима два куска урана-235 запустили цепную ядерную реакцию. Чуть более полуграмма урана превратились в чистую энергию. И хотя это меньше одной десятой обычной монетки, сила взрыва превышала 13 тысяч тонн в тротиловом эквиваленте. Спустя еще 3 дня плутониевая бомба стерла с лица Земли города Нагасаки. Число убитых превысило 200 тысяч человек.

По невеселому стечению обстоятельств плутоний был назван в честь планеты Плутон, получившей свое имя от древнеримского бога царства мертвых. Бомбардировка урана-238 нейтронами приводит к образованию этого жуткого элемента. Из грамма плутония можно извлечь столько же энергии, сколько из тонны нефти. Многие бомбы, созданные в ходе холодной войны, содержат плутоний.

Но и первый рукотворный объект, подошедший к пределам Солнечной системы — космический зонд «Вояджер-1» — также работает на плутонии.

 

Пределы периодической таблицы?

Древняя мечта о превращении свинца в золото двигала алхимиками Средневековья. Гонка смерти за обладание ядерным оружием была своего рода современной алхимией. Война выявила всю ужасающую силу нестабильных элементов. Но также она позволила понять, что возможности ядерных реакций практически безграничны. Перед зовом открытия новых элементов устоять было невозможно.
906622271Одним из ведущих центров по созданию новых элементов является немецкий институт тяжелых ионов (GSI) в Дармштадте. Их цель — достичь конца химии, найти самый последний элемент периодической системы, дальше которого не может существовать ничего. До сих пор они уже создали 6 новых элементов, последний из которых — коперниций, номер 112, был назван в честь польского астронома Николая Коперника.

Это происходит на одном из самых мощных ядерных ускорителей в мире. Здесь не только создаются новые элементы, но и изучаются их свойства. Люди здесь пытаются закончить работу, начатую химиками типа Менделеева и постичь секреты пределов периодической системы. Но сначала новый элемент надо создать.

Напряжение около 50 миллионов вольт разгоняет заряженные ионы цинка, для того чтобы столкновение было успешным. В момент столкновения они мчатся по ускорителю со скоростью около 100 миллионов км/ч, это где-то в 4 тысячи раз быстрее самого быстрого космического корабля. При такой скорость есть шанс, что ионы цинка могут слиться при столкновении с мишенью, образовав новый элемент. В данном случае номер 112.

Но естественно, не все так просто, как может показаться. Если энергия столкновения будет слишком большой, то сталкивающиеся атомы просто-напросто развалятся, а если слишком маленькой, то ее не хватит для слияния. По правде говоря, вероятность образования нового элемента чрезвычайно мала.

Но несмотря на это, ученым пока еще удается создавать единичные атомы новых элементов, стабильных в лучшем случае секунды, а то и доли секунд. Но и этого хватает, чтобы определить их свойства. Так, коперниций оказался крайне нестабильным элементом, похожим по своим свойствам на ртуть. Если бы его можно было получить в достаточных количествах, он тоже был бы жидким при комнатной температуре. Неслучайно в периодической таблице он находится непосредственно над ртутью.

Но и этого ученым оказалось мало. Сейчас они работают над созданием элемента под номером 120.

Совершаемые здесь открытия могут показаться далекими от жизни. Но на самом деле достичь пределов периодической таблицы очень важно. Без изучения этих рукотворных этих недолго живущих элементов мы никогда не сможем до конца понять строение нашей Вселенной.


 

Комментарии:

наверх