Цивилизация
Смех старых алхимиков
С древнейших времен исследователи мечтали найти способ превращать одни металлы в другие — в особенности, неблагородные олово и свинец в золото. Вокруг этой мечты возникла паранаука алхимия, в которой практические знания о реакциях между веществами перемешаны с мистическим учением. Например, алхимики пытались создать философский камень, который не только облагораживает металл, но и при приеме внутрь лечит любые болезни и возвращает молодость.
С трансмутацией металлов у алхимиков не вышло — в лучшем случае они создавали сплав, окрашенный под золото с помощью серы. Зато из их опытов возникла научная химия, которая вывела незыблемую аксиому о сохранении вещества. В формулировке химика XVIII века Лавуазье она звучит так:
«Ничто не творится (не создается из ничего) ни в искусственных процессах, ни в природных, и можно выставить положение, что во всякой операции (химической реакции) имеется одинаковое количество материи до и после, что качество и количество начал (элементов) остались теми же самыми, произошли лишь перемещения, перегруппировки. На этом положении основано все искусство делать опыты в химии».
В более простой формулировке это означает, что в конце реакции остаются те же атомы и в том же количестве, что и в начале. Если при сгорании водорода в кислороде внутри сосуда появилось что-то, кроме воды, значит, это примесь извне. Этому учат до сих пор на первых уроках школьной химии.
Лавуазье бы сильно удивился, услышав доклад нобелевского лауреата Нильса Бора на открытии Пятой Вашингтонской конференции по теоретической физике 26 января 1939 года. Тот заявил, что при бомбардировке нейтронами (атом состоит из ядра и оболочки из отрицательно заряженных электронов; ядро, в свою очередь, состоит из положительно заряженных протонов, количество которых и определяет тип вещества, и нейтронов, необходимых для придания ядру стабильности) ядер урана они могут превращаться в два ядра бария, чья масса примерно вдвое меньше. Как рассказывал физик Эдвард Теллер, за день до конференции ему позвонил коллега Георгий Гамов, который знал о содержании выступления, и сказал ему: «Бор сошел с ума. Говорит, уран делится».
Датский физик-теоретик Нильс Бор
Alan Richard/AP
Однако в ходе выступления Бор изложил простой способ, с помощью которого каждый может получить экспериментальное доказательство его тезиса. Пока он говорил, один из слушателей шепнул другому: «Мне нужно срочно поместить новый образец в ускоритель». Когда Бор закончил, физики побежали к телефонам, чтобы дать коллегам в лабораториях инструкции. Некоторые ученые решили сразу покинуть конференцию, чтобы самостоятельно проверить, правда ли уран способен делиться.
В течение пары недель множество научных групп независимо друг от друга воспроизвели то, о чем говорил Бор. Часто говорят, что ученые тогда открыли превращение одних металлов в другие, чего пытались добиться тысячи лет. Правда, древние алхимики посмеялись бы над такой трансмутацией, поскольку она превращала редкий и дорогой уран в более дешевый и распространенный барий.
Разве это была первая трансмутация?
На самом деле, физики начали фиксировать нарушение постулата Лавуазье задолго до открытия деления ядра урана. В конце XIX века ученые обнаружили, что некоторые химические элементы (в том числе уран и торий) по своей внутренней природе испускают лучи, и это свойство назвали радиоактивностью. К 1900-м годам стало ясно, что радиоактивные элементы в действительности испускают три типа лучей: альфа, бета и гамма. Как доказал Эрнест Резерфорд, бета-лучи — это электроны, а альфа-лучи — это ядра атомов гелия.
Примерно так выглядел стол для исследования распада атомных ядер
Versuchsaufbau Hahn Deutsches Museum
Опыты показывали, что радиоактивные элементы почему-то со временем распадаются, будто бы протухают. Резерфорд и его ученик Фредерик Содди осознали, что при распаде одни химические элементы превращаются в другие, причем всегда по одному и тому же закону: при альфа-распаде вещество смещается на две позиции назад в таблице Менделеева, и атомная масса уменьшается на 4; при бета-распаде вещество смещается вперед на одну позицию, но атомная масса остается неизменной.
Так, «выстреливая» альфа-частицей, уран превращается в торий, торий — в радий, радий — в радон, радон — в полоний, полоний — в свинец. Испуская бета-частицу, торий превращался проактиний, актиний в торий, а висмут — в полоний. Также оказалось, что химически идентичные атомы радиоактивных материалов могут распадаться с разной скоростью и иметь разную массу ядра — такие модификации химических элементов назвали изотопами.
Периодическая система химических элементов
С такими данными на руках нетрудно было понять, что все химические вещества в действительности имеют одну природу, а ядра их атомов состоят из одинаковых компонентов. Физики 1930-х годов пришли к выводу, что ядро любого атома напоминает жидкую каплю, состоящую из определенного количества протонов и нейтронов. Подобно жидкости, эта капля может дробиться и сливаться, отчего химические элементы и переходят один в другой. Так, если отщепить от радия два протона, получится радон, а два протона — это ядро атома гелия. Химические свойства атома зависят от числа протонов в ядре, а существование изотопов объясняется разным количеством нейтронов.
В 1920–1930-х годах физики открыли множество трансмутаций, причем не только с металлами. Например, азот в ходе эксперимента удалось превратить в кислород. Но если ядро похоже на жидкую каплю и может дробиться и сливаться, то с чем был связан шок от новости о делении урана?
Новый источник энергии
Все опыты указывали на один и тот же факт — ядро атома чрезвычайно прочное, и силы, которые удерживают его компоненты вместе, невероятно велики (их так и назвали — сильным взаимодействием). Считалось, что отколоть от ядра что-то большее, чем альфа-частицу, невозможно, и потому химические элементы могут преобразовываться лишь в соседние по таблице Менделеева.
Именно поэтому, когда немецкие ученые Отто Хан, Фриц Штрассман, Лиза Мейтнер и Отто Фриш в 1938 году облучали уран потоком нейтронов, они были уверены, что получают в результате радий. Он смещен относительно урана на четыре позиции в таблице Менделеева и может быть получен путем двух альфа-распадов. Однако ученые в действительности столкнулись с той же трудностью, что и открыватели радия, супруги Кюри. Радий и барий химически очень похожи и отличаются лишь скоростью осаждения из раствора. Хан и Штрассман раз за разом проверяли по этому методу полученный при облучении урана «радий», и он регулярно вел себя как барий. В конце концов, они даже проверили метод на настоящем радии из магазина, — и он вел себя нормально.
Деление ядерной «капли»
Тогда физики поняли, что произошел «взрыв» атомного ядра, но не поверили в это.
«Как химики мы должны заменить обозначение Ba на Ra. Будучи «химиками-ядерщиками», довольно близкими к физике, мы пока не можем заставить себя принять этот шаг, который противоречит всему предыдущему опыту в физике», — писали они в научной статье, опубликованной в журнале Naturwissenschaften перед Рождеством 1938 года.
Вдобавок, возникала еще одна проблема. «После разделения две капли (два ядра) разойдутся за счет взаимного электрического отталкивания и приобретут большую скорость, а следовательно, очень большую энергию, всего около 200 МэВ. Но откуда может взяться эта энергия?» — рассуждали физики во время похода на лыжах, по свидетельству Отто Фриша. (Фриш, Отто. «То немногое, что я помню»)
Однако внезапно они поняли, что образовавшиеся два атома бария будут в сумме легче исходной массы урана на 1/5 массы протона. По формуле эквивалентности массы и энергии Эйнштейна 1/5 протона как раз равна 200 МэВ энергии. Иными словами, деление ядра урана высвобождало колоссальную энергию «из ниоткуда».
Именно с этим был связан шок физиков от доклада Бора в январе 1939 года, выступавшего с согласия Хана и Штрассмана. Стало ясно, что при определенных манипуляциях из куска металла можно извлечь в тысячи раз больше энергии, чем из аналогичного количества нефти или газа. И с одной стороны, эту энергию можно извлекать постепенно и использовать, например, для производства электричества. Если же заставить ее выделяться скачком, то произойдет взрыв, мощность которого придется измерять тысячами тонн тротила. Оставалось лишь понять, как заставить эту энергию выделяться, — и к большому счастью для человечества, впервые это сумели сделать не в нацистской Германии.
Что касается золота и средневековой алхимии, то его и правда можно получить из более легких и неблагородных элементов за счет реакций ядерного синтеза. Это удалось подтвердить в ходе экспериментов: например, в 1947 году американские физики получили 35 мкг золота из 100 мг ртути, сейчас оно хранится в Чикагском музее науки и промышленности. Однако цена получения этого золота во много раз выше, чем если купить его на рынке: так что реальная физическая трансмутация ничего не дала бы средневековым алхимикам и королям, мечтающим разбогатеть.