Земля и космос. От реальности к гипотезе

Глава 11 Умножение элементов

Когда, учась в школе, я обнаруживал на уроке, что предмет изучения или учитель скучен (или скучны оба), естественно, мое внимание начинало блуждать по кабинету. Если все скучно и нечем заняться, малейшее, что может вызвать хоть какой-то интерес, становится просто спасением.

В этом отношении химия была просто замечательной наукой, поскольку, в каком бы кабинете химии я ни сидел, всегда над доской висела большая таблица Периодической системы элементов. Ее можно было изучать, не боясь быть замеченным учителем, и она была достаточно сложной, чтобы посвятить ей целые часы.

Старомодная таблица конца 1930-х привлекала меня тем, что целую группу элементов в ней умудрялись сжать в один квадратик. В этом квадратике была звездочка, и все элементы выстраивались по порядку внизу таблицы. Элементы назывались редкоземельными.

Когда я еще знал о Периодической системе относительно мало, этот маленький квадратик заставлял меня много размышлять, успешно спасая от скуки. Почему в обозначении элементов используется слово «редко»? Я часто думал об этом. Что это за «земельные»? Это тоже давало пищу для размышлений. Почему все эти элементы сгрудились так, что заняли один квадратик в таблице?

Позднее я нашел ответы на свои вопросы. И вы знаете мой характер: для меня нет ничего лучше, чем поделиться своими маленькими находками с читателями.

Древние греки (я очень люблю начинать главу со слов «древние греки» и часто это делаю) считали, что одним из самых важнейших «универсумов» (т. е. «элементов» по-латыни) является элемент «земля». Но под этим словом они подразумевали не почву, что у нас под ногами, а некую идеальную субстанцию, которую в разных пропорциях можно найти в различных составляющих земной коры.

Некоторые из этих составляющих весьма мало походили на «землю» в ее обычном понимании. К примеру, к ним относились металлы, обладающие блеском и поддающиеся ковке, в то время как компоненты земли не блестят и рассыпчаты. К этим составляющим относились также углерод и сера, у которых тоже не было блеска и которые тоже были рассыпчатыми, но они горели, в то время как на компоненты земли огонь не влияет.

Мы можем сказать, что основными свойствами земли является то, что они не имеют блеска, хрупки и не подвергаются воздействию огня. В первую очередь это песок, камни и глина.

Но мы не можем сказать, что это только песок, камни и глина, поскольку перечисленные свойства относятся к большой группе минералов, которые отличаются друг от друга. Это не привычная земля под ногами, но все же элемент «земля».

Используя современную терминологию, давайте определим «землю» древних греков как стабильный оксид с высокой температурой плавления. Из наиболее распространенных элементов в первую четверку входят кремний, алюминий, известь и магнезия — в порядке убывания их количества в земной коре. Мы можем сказать, что к элементу «земля» древних греков относятся диоксид кремния (SiO₂), оксид алюминия (Al₂O₂), оксид кальция (CaO) и оксид магния (MgO). Если взять все из четырех наиболее распространенных элементов и их соединения, то обнаружится, что они составляют примерно две трети земной коры. Невозможно взять какой-либо объемистый кусок земли без того, чтобы в нем не оказалось значительного числа каждого из этих четырех элементов.

Еще в конце XVIII столетия химики подозревали, что земля в основном состоит из оксидов металлов, и через определенный срок действительно удалось получить эти металлы из земли в чистом виде (кремний был отделен быстрее всего).

Две другие очень распространенные субстанции, которые тоже удалось быстро выделить из их соединений, были сода и поташ. В современной терминологии это карбонат натрия (Na₂CO₃) и карбонат калия (K₂CO₃). Химически они отличаются от таких «земель», как оксиды, по химики того времени особого отличия не видели.

Химики определили, что натрий и калий свободно растворялись в воде, а это для земной почвы было нехарактерно. Кроме того, как обнаружилось, натрий и калий после растворения приобретали некоторые свойства, такие, к примеру, как способность нейтрализовать кислоты.

Натрий и калий наиболее легко можно было получить путем нагревания в больших емкостях, от чего получалась зола (отсюда английское название карбоната калия поташ, «potash», из слов «pot» и «ash» — «горшок» и «зола»). Потому они были названы «alkalis», «щелочи», от арабского слова, означающего «зола» (арабы были великими алхимиками в начале Средних веков, и одно время арабские слова в химии очень ценились). Растворы натрия и калия были названы щелочными по их свойствам.

Так случилось, что из очень распространенных составляющих земли два компонента — известь и оксид магния — оказались несколько растворимыми в воде, причем их растворы показывали щелочные свойства. С тех пор их стали называть щелочноземельными — и называют так по сей день. Металлы, получаемые из извести и окиси магния (кальций и магний соответственно), а также аналогичные металлы, отделенные от сходных, но менее распространенных элементов земли (бериллий, стронций и барий), были названы щелочноземельными элементами.

Когда в последние годы XIX столетия был обнаружен удивительный элемент — радий, — оказалось, что он принадлежит к тому же семейству. Фактически по химическим свойствам он очень схож с барием. Радий тоже щелочноземельный металл.

(Не бойтесь, что дожди могут размыть почву потому, что два из важнейших земных элементов растворимы в воде. Известь и окись магния присутствуют в соединении с кремнием — как и силикат кальция, и силикат магнезии, — и в этой форме они практически нерастворимы.)

Теперь мы готовы к тому, чтобы перейти к следующей части истории.

В трех милях от Стокгольма, у деревушки, которая называлась Иттербю («внешняя деревня»), находился карьер.

Однажды в 1787 году офицер шведской армии, лейтенант Карл Аксель Аррениус (1757–1824), который увлекался минералогией, подобрал в карьере необычный черный камень. Аррениус не смог определить, из чего состоит этот камень, и справедливо рассудил, что это минерал, который учеными до сих пор не изучался. Он назвал минерал иттербит, использовав суффикс «-ит», обычно присваиваемый минералам.

Конечно, удивительный минерал привлек внимание, и в 1794 году финский химик (в то время Финляндия была частью шведского королевства) по имени Юхан Гадолин (1760–1852) химически разделил его. Оказалось, что минерал является комбинацией нескольких различных оксидов, в том числе оксида кремния.

Один из этих оксидов, который Гадолин отделил от остальных (и который, как оказалось, составлял две пятых всего минерала), поразил его своей необычностью. Оксид не был похож ни на одно прежде встречающееся вещество и вместе с тем имел все «земельные» свойства. Он не растворялся, не вел себя как металл и не подвергался воздействию тепла. Гадолин объявил, что он открыл новую «землю», и назвал ее «иттриевой землей». К этому времени было ясно, что «земли» — это оксиды, и потому новая «земля» должна быть оксидом какого-то нового металла. Этот металл смогли получить в чистом виде только через полвека, но эта было уже дело второстепенное. Главное, что минерал уже был обнаружен и было известно, что новый металл обязательно находится в минерале. Потому ученый, открывший новую «землю», стал считаться первооткрывателем нового металла. При новом открытии обычно металлы получали название по своей «земле», с общепринятым окончанием иттрий. Эта иттриевая земля была оксидом иттрия, и Гадолина стали считать первооткрывателем иттрия.

В 1812 году шотландский химик Томас Томсон (1773–1852) посетил знаменитый карьер и изучил его минералы. В своем исследовании он все еще использовал термин «земля». Но если он называл новый минерал «землей», то естественно было ожидать, что этот элемент должен часто встречаться в земной коре. Обычно «земли» в химическом смысле этого слова в большом количестве присутствовали в земной коре, так что и новая «земля» должна была присутствовать в изобилии (я не несу ответственности за подобную логику — такие вопросы часто возникают, когда обыденные термины применяются в науке).

Томсон же имел перед собой «землю», иттриевую, которую можно было найти только в одном-двух местах — и нигде больше. И он написал по этому поводу: «Невозможно себе представить какую-то особенную землю, находящуюся в необычном месте и в очень малых количествах».

Иттрий, другими словами, был «редкой землей»; Томсон счел это сочетание абсурдным, но оно весьма помогло химикам определиться с новым классом элементов. Томсон привел еще два примера редкоземельных элементов — «глуциновая земля» (оксид бериллия, BeO) и «циркониевая земля» (оксид циркония, ZrO₂). Однако по мере открытия новых элементов название «редкоземельные» стало применяться не ко всем землям, присутствие которых в земной коре незначительно, а лишь к иттриевой земле и родственным ей элементам, поскольку, как оказалось, иттриевая земля имела родственников.

Гадолин прожил долгую и почтенную жизнь, работая профессором химии в университете Або, но необходимо признать, что открытие иттриевой земли было единственным его достижением. Но и этого оказалось достаточно. То, что Гадолин назвал иттриевой землей, было названо в его честь гадолинитом, — и от физика ожидали много и в будущем.

Как только Гадолин сделал свое открытие, естественно, другие химики тоже загорелись желанием принять участие в исследованиях. Шведские минералы начали тщательно изучаться. Одним из химиков, принявших участие в этой работе, был немец по имени Мартин Генрих Клапрот (1743–1817). Он уже прославился в качестве первооткрывателя элементов. В 1789 году он открыл циркониевую землю (эта «земля» была представлена Томсоном в качестве одной из явно парадоксальных редких земель, но в наши дни цирконий редкоземельным не называют) и уран. В 1798 году он открыл титан.

В 1803 году Гадолин откопал в Швеции тяжелый минерал, который ранее не был изучен и который не походил на гадолинит. Гадолин смог отделить новый минерал — и это была не иттриевая земля и не что-то уже известное. По всей вероятности, это было что-то совершенно новое, — и он назвал минерал «terre ochroite», «бледно-желтая земля», что — я думаю, вы согласитесь, — является совершенно неудачным названием.

Примерно в то же самое время самый великий из живших тогда шведских (и европейских) химиков, Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848), работая со шведским геологом Вильгельм Гизингером (1766–1852), получил в чистом виде эту же землю. Клапрот был впереди буквально на шаг, так что ему и досталась слава первооткрывателя, но именно Берцелиус дал новой земле звучное имя, и в этом (что выглядит довольно странным) он следовал прецеденту, автором которого был Клапрот.

В Средние века алхимики называли различные металлы в честь планет. Когда Клапрот открыл в 1789 году новый элемент, он вспомнил, что всего за восемь лет до этого была обнаружена новая планета, впервые за историю человечества. Планета была названа Уран, и Клапроту показалось подходящим назвать новый элемент ураном в ее честь.

Когда Берцелиус и Гизингер получили свою землю в чистом виде, а это было в 1803 году, они помнили, что двумя годами раньше была открыта новая планета и ее назвали Церера. Тогда они назвали свою землю «цериевой землей». (За открытием Цереры последовало открытие ряда малых планет — астероидов — и церия, который вместе с иттрием был родоначальником целой серии сходных элементов. Подобное совпадение не встречается даже в фантастической литературе.)

Но прошло еще одно поколение, когда две родственных (поскольку они были очень схожи в химических свойствах) земли, иттриевая и цериевая, начали вызывать серьезное недоумение по крайней мере у одного из химиков. Обе земли были весьма схожи, и после их перемешивания разделить снова было трудно. Как можно быть уверенным, что одна из этих земель сама не является результатом смеси?

Химик, который задался таким вопросом, был Карл Густав Мосандер (1797–1858), ученик Берцелиуса. Он уже занимался редкоземельными элементами, когда пытался отделить металлическую часть цериевой земли, используя пары калия для того, чтобы удалить кислород. Хоть и с трудом, ему удалось (работа с парами калия — это труд, который я никому бы не пожелал) получить не очень чистый экземпляр металла, церия. Он первым получил редкоземельный металл, но в чистом виде церий и сходные с ним металлы были получены только в XX веке. Пытаясь найти новые земли, химик обработал цериевую землю азотной кислотой и обнаружил то, что подозревал, — некоторые из компонентов растворялись быстрее остальных. Растворившуюся часть он отделил; обнаружилось, что это земля, но не цериевая земля, хотя и очень похожа на нее. Химик назвал новую землю лантановой, от греческого слова, обозначающего «спрятанный», поскольку этот элемент был «спрятан» в цериевой земле (это название предложил Берцелиус).

Но Мосандер на этом не остановился. Он продолжал работать с полученной лантановой землей для того, чтобы определить, нет ли у нее примесей. Это заняло два года упорного труда, поскольку методы тех дней были очень несовершенны, но в 1841 году Мосандер пришел к радостному заключению, что и в лантановой земле, которую он добыл из цериевой, есть еще одна земля, которая до сих пор оставалась скрытой. Эту новую землю он назвал «didymia», дидимиевая земля, от греческого слова, обозначающего «близнецы», поскольку он полагал, что новая земля — это почти неотделимый близнец лантановой земли.

Все это уже стало походить на шутку. Когда была найдена одна необычная земля, иттриевая, это было выдающимся открытием — этого вполне достаточно. Но когда новые земли стали появляться одна за другой, как кролики, это начало вселять тревогу. Теперь было уже четыре земли: иттриевая, цериевая, лантановая и дидимиевая. Кто мог сказать, сколько еще их может быть?

Примерно в это время термин «редкоземельный» начал применяться уже только к этому «семейству».

Мосандер продолжил свою кропотливую работу. Он взял цериевую землю Клапрота и добыл из нее еще две новых земли. Было бы удивительно, если бы он не сделал того же с иттриевой землей Гадолина, которому было уже пятьдесят лет и который так и не смог правильно использовать свое открытие.

Мосандер принялся за изучение иттриевой земли. Очень осторожно он удалил из нее цериевую, дидимиевую и лантановую земли (а они были в исследовавшемся куске земли, поскольку любой образец с редкоземельными элементами, если его обрабатывать очень тщательно, похоже, может содержать частицы всего семейства).

Как только это было сделано, Мосандер должен был получить чистую иттриевую землю, но получилось ли у него это? Путем тщательной обработки с помощью азотной кислоты он в конце концов получил в 1843 году три разных земли с разной растворимостью в кислоте. Все три земли разнились в окраске. Бесцветная фракция оказалась самой большой, и по этой причине за ней осталось первоначальное название — иттриевая земля. Желтую землю Мосандер назвал эрбиевой землей, а розоватую — тербиевой.

Все три названия — иттриевой, эрбиевой и тербиевой земель — произошли от названия карьера, где был найден первый образец — Иттербю. В каком-то смысле схожесть названий была правильной, поскольку она показывала тесную химическую связь трех земель и их общее происхождение.

С другой стороны, для одного карьера Иттербю оказалось чересчур много чести. Число элементов ограниченно, и их названия следовало бы использовать более бережно, чтобы кого-нибудь увековечить. (Конечно, для этой цели названия не использовались; многие из элементов получили свои названия по очень прозаическим причинам, и сейчас слишком поздно с этим что-то делать.)

Более того, названия «эрбиевая земля» и «тербиевая земля» звучат столь одинаково, что очень легко их спутать. Так и случилось — то, что Мосандер назвал эрбиевая земля, потом стало зваться тербиевая земля, и наоборот. Это не имело каких-либо последствий, но все же свидетельствовало о том, что названия надо подбирать более тщательно.

Таким было положение вещей, когда появилось новое поколение ученых. У них было уже шесть редких земель, и эти земли приводили тогдашних ученых в замешательство. В 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) создал Периодическую систему элементов, в которой они располагались в рациональном порядке, основанном на их химических свойствах. Полезность этой таблицы состояла в том, что стало возможным предсказывать существование некоторых элементов, которые еще не были открыты, и указывать их свойства с большой степенью вероятности. Все элементы должны были точно вписаться в таблицу — и два из уже известных в то время редкоземельных элементов, иттрий и лантан, вписались. Однако для четырех других места не нашлось, и со временем положение стало еще хуже: когда были обнаружены другие редкие элементы, только один из них вписался в таблицу достаточно удачно.

А 1878 году швейцарский химик Жан Шарль Галлисар де Мариньяк (1817–1894) получил эрбиевую землю (землю розового цвета, которую Мосандер поначалу назвал тербиевой землей). Дальнейшей обработкой он разделил ее на бесцветную землю и землю с более глубоким красным оттенком. Поскольку первоначальная эрбиевая земля имела цвет, он оставил это название за красной землей. Ту же землю, что была почти бесцветной, он назвал иттербиевой землей, также по названию прославленного карьера Иттербю. Таким образом, память об этом карьере сохранилась в названиях уже четырех земель, а следовательно, элементов.

На следующий год, в 1879-м, шведский химик Ларс Фредерик Нильсон (1840–1899) приступил к иттербию Мариньяка и выделил из него еще одну землю. К счастью, он не смог придумать, как заставить несчастный карьер Иттербю выдать еще одно название, так что решил дать обобщенное наименование скандиевая земля в честь Скандинавского полуострова в целом.

Эта земля прекрасно вписалась в таблицу Менделеева (если говорить о версии таблицы XIX века, то это была последняя земля, которой это удалось), причем особенно удачно. Когда Менделеев создал таблицу, он попытался предугадать свойства трех элементов, которые до того еще не были открыты. Один из этих элементов действительно был обнаружен в 1875 году и был назван галлий; он точно соответствовал предсказанию. Новая земля, скандиевая, содержала металлический элемент «скандий», который был вторым из предположенных Менделеевым элементов, и он тоже имел ожидаемые свойства.

Но если из иттербиевой земли Мариньяка можно было получить новую землю, не следовало ли еще изучить и эрбиевую землю, из которой была получена иттербиевая земля? Можно ли было добыть из эрбиевой земли что-либо полезное?

Еще один шведский химик, Пьер Теодор Клеве (1840–1905), обнаружил, что можно. В 1879 году он завершил разделение эрбиевой земли. Для главной фракции он оставил название эрбиевой земли. Две меньших по объему фракции он назвал гольмиевая земля и тулиевая земля. Гольмиевая земля была названа в честь Стокгольма — города, в котором жил Клеве. Тулиевая земля была названа в честь Туле — в древности так называли легендарную землю на Дальнем Севере, которую некоторые ученые связывали со Скандинавией.

Открытия продолжились, когда за них взялся французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран (1838–1912). Именно он открыл галлий при помощи новомодной спектроскопической техники. Оказалось, что каждый элемент дает свою собственную комбинацию спектральных линий при нагревании добела, и потому французский физик направил свой спектроскоп на редкоземельные элементы.

Теперь уже работы велись не наугад. Если два образца какой-то земли, полученные из различных минералов и при помощи различных техник, показывают разные спектры, тогда данный экземпляр не является чистым и в нем присутствует по крайней мере еще одна субстанция.

Французский физик обнаружил, что одна из найденных Мосандером земля, дидимиевая, при исследовании спектроскопом является подозрительной. Он начал ее разделять, проверяя спектр на каждом шаге. В 1879 году он отделил новую землю и назвал ее самариевой.

Кто-то подумает, что это название происходит от библейского города Самарии, но это не так. Так случилось, что руда, с которой работал французский физик, называлась самарскит. Более того, самарскит был типом руды, впервые открытой в России и названной в честь полковника Самарского — малоизвестного шахтного чиновника. Самарий стал первым элементом, названным в честь человека, но так случилось, что название элемента прославило лицо, которое не имело каких-либо значительных заслуг.

В 1886 году французский физик добился нового успеха, получив из самариевой земли еще одну землю, идентичную той, которую Мариньяк получил ранее (с меньшей уверенностью) в 1880 году. Это подтвердило, что Мариньяк действительно был первооткрывателем новой земли. Но имя ей дал французский физик. С разрешения Мариньяка он назвал новую землю гадолиниевая в честь Юхана Гадолина, с которого все началось около столетия до того и который к тому моменту уже скончался. По крайней мере, земля получила название в честь заслуживающего это человека.

Из всего списка элементов, названных в честь людей, только самарий и гадолиний являются стабильными из общего числа в восемьдесят один. В названиях элементов прославлены другие, более великие люди, но такие имена, как Менделеев, Кюри, Эйнштейн и Ферми, присвоены короткоживущим радиоактивным элементам, открытым после Второй мировой войны (к слову, эти радиоактивные элементы имеют интересную связь с редкими землями, но это другая история для другой книги).

После этого менее чем за два года было найдено шесть новых редких земель, однако все еще не было метода, который позволил бы определить, сколько еще земель осталось открыть.

К примеру, дидимиевая земля, которая была источником для самариевой и гадолиниевой, все еще выглядела подозрительно — даже после того, как эти две земли были выделены. Австрийский химик Карл Ауэр барон фон Вельсбах (1858–1929) принялся за исследования в 1885 году и обнаружил, что земля, которую поначалу назвали «близнецами», и в самом деле состоит из двух элементов. Он аккуратно разделил эти элементы.

В первый раз, однако, разделение не выявило преобладания какой-то одной фракции, за которой можно было бы оставить прежнее название. Дидимиевая земля совершенно исчезла из списка земель, и это была единственная редкая земля, которую постигла такая участь (она просуществовала в общем списке сорок лет). Две полученные фракции были названы празеодимовая земля, «praseodymia» («зеленые близнецы», поскольку у нее был зеленый оттенок), и неодимовая земля, «neodymia» («новые близнецы»).

В следующем, 1886 году Лекок де Буабодран, работая с гольмиевой землей Клеве, смог выделить еще одну новую землю, которую назвал диспрозиевая земля, по греческому слову, обозначающему «трудно получить это».

После этого дело замедлилось, но не прекратилось совсем. Новые земли открывали даже после начала XX века. В 1901 году французский химик Эжен Демарсе, столь же первоклассно владеющий спектрографом, как и Лекок, разделил самариевую землю путем серии замысловатых манипуляций и получил новую землю, которую назвал европиевой в честь всего континента.

Наконец, в 1907 году еще один французский химик, Жорж Урбен (1872–1938), сделал то же самое с иттербиевой землей и выделил еще одну редкую землю, для которой использовал довольно необычное название — лютециевая земля — по древнеримскому названию города, который позднее стал именоваться Парижем (надо ли говорить, что химик родился в Париже).

Теперь давайте сделаем временную остановку и посмотрим на редкие земли, которые были известны к 1907 году. Я перечислю их в порядке открытия:

Было открыто семнадцать редкоземельных элементов. Дидимий исчез из списка, так что осталось шестнадцать.

Шестнадцать элементов, которые формируют тесную семью очень схожих по своим химическим свойствам, невозможно было разделить до конца, используя методы XIX века! Химики не имели ни малейшего представления, сколько еще элементов могло быть найдено, и потому находились в большом замешательстве.

Периодическая система Менделеева ничем в этом отношении не могла помочь. Три из редкоземельных элементов — скандий, иттрий и лантан — имели места, куда их можно было бы определить, для остальных места в системе не было.

Редкоземельные элементы ставили перед учеными и химической наукой в целом неразрешимую проблему. Если Периодическая система верна, то в ней должно существовать место для редкоземельных элементов, так как она была самым фундаментальным достижением химии в XIX веке.

К счастью, необходимое место было найдено, но об этом потом. Прежде, в следующей главе, давайте пристальнее поглядим на Периодическую систему.

Глава 12 Заполняя пробелы

В 1969 году Хугтон Миффлин опубликовал мою сотую книгу. (Если возник вопрос какую, то название этой книги — «Опус 100». Это что-то вроде литературной автобиографии, с подборкой иллюстраций из ранних работ. — Примеч. авт.) «Бостон глоб» решил отметить это событие пространной статьей, следом за которой появилась еще одна статья в «Нью-Йорк таймс». Кроме того, в день публикации Хугтон Миффлин притащил меня на вечеринку с коктейлем.

От всего этого у любого закружилась бы голова, и, чтобы не забыть о скромности, которая была всегда моей добродетелью, я постоянно напоминал себе случай, произошедший с моей матерью.

В начале 1950-х годов мои родители наконец продали свой кондитерский магазин и ушли на пенсию. Естественно, отец не мог сидеть без дела, потому нанялся на работу с сокращенным рабочим днем, а мать стала учиться в вечерней школе.

Мать всегда тяжело переживала свое неумение писать по-английски. Она могла делать это по-русски и на идише, но ни на одном языке с латинским алфавитом. Умела читать по-английски, но не знала, как писать. И потому мать стала брать уроки письма и скоро добилась впечатляющих успехов. Прошло совсем немного времени, и она написала мне письмо ясным почерком.

Однажды вечером ее остановил в вестибюле один из учителей вечерней школы с ее факультета и задал вопрос, который мы дома называем «этим старым добрым вопросом»: «Извините, миссис Азимов, но вы, случайно, не родственница Айзека Азимова?»

Моя мать немедленно ответила: «Да, в самом деле. Айзек Азимов — мой сын».

Учитель воскликнул: «О! Тогда неудивительно, почему вы так хорошо пишете!»

На это моя мать, вспомнив поговорку: яблоко от яблони недалеко падает, выпрямилась во все свои сорок футов и холодно произнесла: «Прошу прощения, сэр. Неудивительно, почему он — хороший писатель».

Напомнив себе об этом, дабы призвать свою скромность, я перейду к своему предмету, который начнется с той точки, на которой окончилась предыдущая глава.

В середине XIX столетия было обнаружено примерно тридцать элементов, и это начало внушать химикам тревогу. Каждое десятилетие число элементов возрастало: три было открыто в 1770-х годах, пять — в 1780-х, пять — в 1790-х, четырнадцать — в 1800-х, четыре — в 1810-х, пять — в 1820-х и так далее.

Возникала мысль: когда же это кончится? Ученые ценят простоту, а то, что казалось им простым, становилось все сложнее и сложнее. Требовался какой-то новый порядок, в котором бы все снова стало простым. Для этого необходимо было найти некую закономерность в запутанном списке элементов, так чтобы можно было разбить элементы на отдельные «семейства». Это могло бы как-то «расчистить джунгли».

В самом деле, если бы элементы были правильно организованы, стало бы ясно, сколько элементов существует всего и сколько, таким образом, элементов осталось неоткрытыми. В середине XIX столетия, однако, это казалось невыполнимой задачей.

В то время было известно, что атомы разных элементов имеют свои атомные веса. Так, если вес атома водорода (самого легкого из известных, как тогда, так и сейчас) равен 1, атом углерода, который массивнее в 12 раз, соответственно, должен иметь атомный вес 12, атом кислорода — 16 и так далее.

Тогда для начала можно попытаться организовать элементы в порядке атомных весов, чтобы определить, будут ли у них схожими какие-нибудь семейства. Оказалось, что прямоугольная таблица может быть создана таким образом, чтобы схожие элементы распределялись столбцами или колонками (в зависимости от того, вертикально или горизонтально размещаются элементы). К сожалению, на самых первых таблицах объединялись друг с другом очень несхожие элементы, а в науке половинное решение — это не решение вообще.

Ясно, что главная проблема с организацией по атомным весам заключалась в том, что нельзя было определить, когда список завершится. Оказалось, что атомная масса углерода равна 12, азота — 14, а кислорода — 16. Как можно быть уверенным, что между ними не существует неоткрытых элементов с атомными массами 13 и 15? Кому нужна таблица, в которой зияют пустоты?

Конечно, можно возразить, что разница в 2 атомные массы очень мала, и вряд ли здесь есть промежуточный элемент, но уверенным в этом быть нельзя. Никель имеет атомную массу 58,7, а кобальт — 58,9. С такой разницей в атомной массе между углеродом и азотом могло бы уместиться девять элементов и еще девять между азотом и кислородом.

Это говорит о том, что полагаться только на атомные массы нельзя. Требуются еще какие-либо свойства, и лучше всего, если эти свойства будут представлены целыми числами, чтобы, переходя, скажем, от 1 к 2 и от 2 к 3, мы знали, что между ними ничего нет.

Первые результаты такого подхода появились в 1852 году. Английский химик Эдуард Франкланд заметил, что в химических формулах, которые были созданы к этому времени, один атом одного элемента, похоже, всегда связан с фиксированным числом атомов других элементов.

Таким образом, атом водорода никогда не связан более чем с определенным числом атомов другого вещества. Это можно назвать степенью комбинирования единицы (или валентностью, от латинского слова, обозначающего «степень»). Атом кислорода может комбинироваться с двумя атомами водорода, атом азота с тремя атомами, а атом углерода — с четырьмя, так что кислород, азот и углерод имеют валентности в 2, 3 и 4 соответственно. Эти валентности работают очень четко. Таким образом, атом углерода (валентность 4) может комбинироваться с двумя атомами кислорода (2 + 2) или с одним атомом кислорода и двумя атомами водорода (2 + 1 + 1).

Концепция валентности не только отличается простотой, ясностью и явной полезностью, но и вводит целые числа, поскольку валентностей 1,5 или 2,32 — или какой-либо в этом духе — не существует. (В действительности наука XX века дала новую концепцию, которая в самом деле ввела что-то вроде дробных валентностей, но это не влияет на систему доказательств в данной главе. — Примеч. авт.)

В 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев попытался организовать элементы согласно молекулярной массе и валентности. Результатом стала система, очень упрощенную и неполную версию которой я привожу в таблице 1 с атомными весами, округленными до одной десятой после запятой.

В таблице 1 я даю химические элементы так, чтобы сэкономить место; это не повлияет на систему доказательств и ни в коей мере не запутает, даже если вы не знаете, каким символом какой элемент обозначен. Когда мне придется упомянуть определенный элемент, я дам его полное название, вместе с символом.

Строки в таблице 1 содержат тесно связанные семейства элементов. К примеру, верхняя строка содержит литий (Li), натрий (Na), калий (К), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr), которые имеют одинаковые свойства. Эти элементы медленно плавятся, исключительно активны и при определенных условиях реагируют примерно одинаково. Более того, там, где различия существуют, они проявляют себя постоянным изменением вдоль строки. От лития к натрию, калию и так далее точка плавления вещества становится ниже, а активность его возрастает. Эти шесть элементов называют щелочными металлами.

Вторая строка содержит шесть щелочноземельных элементов, которые тоже имеют сходные свойства. И так далее на протяжении таблицы.

Заметим, что в периоде 5 теллур (Те) идет перед йодом (I), хотя теллур имеет большую атомную массу, а значит, должен находиться после йода, если бы классификация шла только по атомной массе.

Именно Менделееву принадлежит великая заслуга в том, что валентность (как и химические свойства в целом) стала учитываться в первую очередь по отношению к атомной массе. Для того чтобы поместить теллур и йод в надлежащее семейство с надлежащей валентностью, пришлось поменять порядок следования атомной массы. Более сложное знание атомной структуры, обретенное химиками в дальнейшем, доказало, что в этом отношении интуиция Менделеева оказалась абсолютно правильной.

Когда мы перемещаемся вниз по списку элементов согласно их молекулярной массе, периодически повторяется определенный набор свойств — по этой причине этот список, организованный так, что определенные наборы укладываются точно в строки или колонки, называются периодической таблицей.

В то время, когда Менделеев впервые выдвинул свою Периодическую систему, значительное число элементов, приведенных в таблице 1, еще не было открыто. Они указаны в таблице 1 звездочкой.

К примеру, шесть элементов в строке внизу — гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радон (Rn) — не были известны в 1869 году. Об их существовании совершенно не представляли, и без них Периодическая система, казалось, имела законченный вид. Если идти последовательно сверху вниз в порядке атомных весов элементов, то изменение валентности в таблице 1 происходит (если исключить нижний ряд) по следующему порядку: 1, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 1, 2 и так далее.

Однако, когда были открыты элементы в нижней строке, оказалось, что они не вступают в соединения с любыми другими элементами и, следовательно, имеют нулевую валентность. Таким образом, последовательность валентностей изменилась на следующую: 1, 0, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 0, 1, 2 и так далее.

Элементы нижней строки, имеющие схожие свойства и называемые инертными газами, или благородными газами, просто расширили таблицу, но не нарушили ее порядок. Наоборот, введение 0 в надлежащем месте сделало таблицу даже «элегантнее». Тот факт, что эта весьма неожиданно обнаруженная группа элементов столь превосходно вписалась в Периодическую систему, послужил дополнительным доказательством концепции Менделеева.

Для того чтобы сохранить аргон (Ar) на своем правильном месте в семействе инертных газов, его следует поставить перед калием (K), даже хотя это меняет порядок следования по молекулярным массам. И снова это повторилось в таблице с теллуром (Te) и йодом (I).

Заметим также, что в таблице 1 пять элементов с самыми большими атомными массами были неизвестны во времена Менделеева. Это полоний (Po), астат (At), радон (Rn), франций (Fr) и радий (Ra). Эти элементы были обнаружены в 1890-х и в последующие годы; они являются радиоактивными. Все эти элементы относятся к нестабильным и присутствуют в земной коре в очень малых количествах. Поскольку все они располагаются в конце таблицы, их отсутствие не влияло на все остальные.

Затем возник фтор (F), который, строго говоря, не был хорошо изучен во времена Менделеева. Это очень своеобразный элемент. Фтор был обнаружен в различных соединениях, из которых его извлечь не удавалось. Свойства фтора были известны, но на основании свойств его соединений. Его связи в соединениях оказались столь тесны, что только в 1886 году химики смогли выделить фтор из соединений, чтобы исследовать этот элемент в чистом виде. Даже малоизученный, фтор присутствовал в таблице с самого начала (это напоминает ситуацию с глобусом, северные и южные поля которого были обозначены, даже несмотря на то, что полюсов достигнуть пока не удалось).

Было еще два элемента таблицы, галлий (Ga) и германий (Ge), с особой судьбой. После их обнаружения не пришлось искать, поместить ли их в последний ряд или последнюю строку, чтобы они не нарушали общий порядок. Хотя об их существовании не подозревалось, для них оставили «вакантное место» в середине таблицы.

Если бы это место не было оставлено и будущие галлий и германий были бы проигнорированы, то при попытке перечислить элементы в порядке атомных масс пришлось бы поместить мышьяк (As) справа от алюминия (Al) и селена (Se) и справа от кремния (Si) и т. д. Это бы совершенно разрушило организацию по семействам и валентности.

Менделеев отказался от этого, и это было одним из величайших его достижений. Он поместил мышьяк (As) справа от фосфора (P), а селен (Se) справа от серы (S), где их места соответствовали их свойствам. Поскольку это оставило два свободных места справа от алюминия (Al) и кремния (Si), Менделеев решил, что они предназначены для двух элементов, которые еще только предстояло открыть. Он назвал их эка-алюминий и эка-кремний, «эка» — санскритское слово, обозначающее единицу. Другими словами, отсутствующие элементы находились на одно место справа от алюминия и кремния соответственно.

Более того, Менделеев предсказал свойства отсутствовавших элементов с большой точностью — он счел, что галлий (Ga) будет иметь свойства, промежуточные между алюминием (Al) и индием (In), а германий (Ge) — промежуточные между кремнием (Si) и цинком (Sn).

Поначалу большинство химиков мира снисходительно улыбались на «этого сумасшедшего русского», но в 1875 году был открыт галлий, а в 1886 году германий, и предсказания Менделеева сбылись во всех отношениях. Химики перестали смеяться.

Значит ли это, что описываемая нами система совершенна?

Увы, нет. Версия Периодической системы, что приведена в таблице 1, содержит лишь сорок четыре элемента, а их намного больше. Такие хорошо известные элементы, как золото, серебро, медь, железо, платина, марганец и вольфрам (все прекрасно изученные во времена Менделеева), не имели своего места в Периодической системе — в той форме, в которой она представлена в таблице 1.

Следует ли после этого отбросить систему, или же можно найти место для дополнительных элементов?

Обратите внимание, что три ячейки таблицы я пометил знаком #. Между кальцием (Ca) и галлием (Ga) разница в атомных массах составляет 29,7; между стронцием (Sr) и индием (In) 27,2; а между барием (Ba) и таллием (Tl) целых 67,1. Эти разницы немного больше, чем где-либо в Периодической системе. Если не обращать внимания на эти три интервала, то средняя разница в атомных массах от элемента к элементу во всей остальной таблице составит только 2,5.

Если мы примем 2,5 за среднюю атомную массу между соседними элементами таблицы, то останется пространство для двенадцати элементов между кальцием (Ca) и галлием (Ga), для одиннадцати элементов между стронцием (Sr) и индием (In) и для не менее чем двадцати семи между барием (Ba) и таллием (Tl).

Возможно ли это?

Да, возможно, если мы решим, что периоды в Периодической системе могут иметь не одинаковую длину (как считали некоторые поначалу), а увеличиваться по направлению к концу таблицы.

К примеру, во времена Менделеева в первом периоде имелся только один элемент, водород (H), тогда как во втором и третьем периодах было по семь элементов. Через одно поколение, когда были открыты инертные газы, оказалось, что в первом периоде находятся уже два элемента, а во втором и третьем периодах по восемь (с тех пор здесь изменений не было). Тогда почему в следующих периодах нельзя увеличить число элементов до двадцати, тридцати и даже больше?

В самом деле, во времена Менделеева было известно не менее девяти элементов с атомными массами, которые были между атомными массами кальция (Ca) и галлия (Ga); эти элементы словно заполняли большой зазор между этими массами. Аналогично девять элементов заполняли зазор между стронцием (Sr) и индием (In).

Проблема состоит в том, что валентность уже в отличие от положения с таблицей 1 не является первостепенным и определяющим фактором в этом зазоре. Элементы этого зазора расположены между элементом с валентностью 2 и элементом с валентностью 3 — от кальция (Ca) до галлия (Ga) в первом случае и от стронция (Sr) до индия (In) во втором, и, поскольку они осуществляют что-то вроде перехода от 2 до 3, их можно назвать транзитными элементами. В этой главе я буду называть элементы в таблице 1 валентными элементами.

Размещая в таблице транзитные элементы, мы можем частично руководствоваться атомными весами, частично — менее четко обозначенными валентными свойствами и частично другими химическими свойствами. Делая это, мы можем взять восемнадцать известных элементов первых двух промежутков (которые были известны к 1869 году) и выстроить их так, как показано в таблице 2.

К такому расположению трудно придраться. К примеру, ясно, что серебро (Ag) должно быть справа от меди (Cu) и что кадмий (Cd) должен быть справа от цинка (Zn), если исходить в первую очередь из основных химических свойств. Аналогично и с другими элементами. Только в указанном порядке свойства элементов соответствуют свойствам своих соседей, и у них даже атомные массы расположены по порядку, за исключением кобальта (Со) и никеля (Ni), у которых для того, чтобы сохранить последовательность химических свойств, атомные массы необходимо поменять местами. Но и в этом случае атомные массы находятся столь близко друг к другу, что подобная перестановка особенно картины не нарушает (это третий — и последний — случай перестановки в Периодической системе элементов по их атомным массам).

Таблица 2

Но в нашей таблице 2, в которой представлены четвертый и пятый периоды, есть два незанятых места. Одно из них оставлено слева от иттрия (Y), а другое — справа от марганца (Mn). Менделеев предсказал, что слева от иттрия (Y) должен располагаться новый элемент (уже третий из предсказанных им). Он назвал этот элемент эка-бор, поскольку в первой версии таблицы он оставил пустое место справа от бора (В). Менделеев указал и свойства будущего элемента.

Эта ячейка была заполнена в 1879 году, когда был обнаружен скандий (см. главу 11). Его символ Sc; его атомная масса очень удачно вписалась между кальцием (Ca) и титаном (Ti).

Ячейку справа от марганца (Mn) оказалось заполнить не столь легко. Элемент, который подошел сюда, был обнаружен только в 1937 году. Его назвали технецием (Tc, атомная масса 99). В результате промежуток в атомных массах транзитных элементов казался практически заполненным (если брать в расчет по десять элементов подряд в четвертом и пятом периодах, считая и пустые ячейки). Атомные массы в среднем разнились на 2,6, в то время как в среднем разница для валентных элементов составляла 2,5.

Но можно ли было, руководствуясь разницей в атомных массах (и во вторую очередь валентностью), с уверенностью сказать, что в каждой из двух серий транзитных элементов по одиннадцать элементов, и только? Может быть здесь двенадцатый элемент? Предположим, к примеру, что между с и d в каждой из двух серий отсутствует по элементу. Если такого элемента нет между с и d только в одной серии, то по элементу другой серии мы легко определим пустое место (к примеру, пустое место слева от иттрия в таблице 1). Но если в обеих сериях мы не знаем элементы, то их существование мы не сможем даже предположить (как произошло в случае с инертными газами, поскольку все эти элементы были неизвестны и об их существовании не подозревали. Как только один из них был открыт, сразу возникли пустующие ячейки в таблице; неизвестные элементы начали искать и вскоре обнаружили).

В пользу того, что правильным числом для транзитных элементов является 10, служит тот факт, что общее количество элементов в периодах четвертом и пятом, валентных и переходных, равно 18, и это выявляет интересную закономерность. Она заключается в следующем: общее число элементов в первом периоде равно 2 × 1² = 2; общее число в периодах втором и третьем равно 2 × 2² = 8; и общее число в периодах 4 и 5 равно 2 × 3² = 18.

Эта зависимость выглядит очень заманчивой, и у людей вроде меня, с любовью к числам, сразу возникает вопрос: но почему элементы столь точно подчиняются этой закономерности? В XIX столетии не было теории, которая бы объяснила ее, и потому это, возможно, просто совпадение, которое могло привести к неверным выводам.

По этой причине химики не могли быть уверены, и Периодическая система, хотя и считалась весьма удобной, оставалась под сомнением.

Но перейдем к третьей серии транзитных элементов — тех, которые должны были послужить мостом между элементами с особенно значительными атомными весами — барием (Ba) и таллием (Tl). Во времена Менделеева здесь было известно одиннадцать элементов. Если мы попытаемся связать их с двумя другими сериями транзитных элементов по схеме от а до j, то получим таблицу 3.

Таблица 3

Элементы, показанные в таблице 3, несомненно, согласуются с элементами из таблицы 2. Таким образом, золото (Au) ясно стоит в своей позиции i справа от меди (Cu) и серебра (Ag) — и остальные приведенные в таблице элементы стоят на соответствующих местах.

Однако здесь есть две пустые ячейки. В позиции b должен присутствовать какой-то элемент справа от циркония (Zr) — и в 1923 году этот элемент был открыт. Его назвали гафнием (Hf, атомная масса 178,5), он был найден в циркониевой руде. Элемент прекрасно вписался в свое место — пожалуй, даже слишком прекрасно. Открытие гафния заняло много времени не потому, что элемент был очень редким, а потому, что он очень походил на цирконий по своим свойствам, так что было трудно отделить его от пятидесяти более распространенных близнецов.

Пустое место в ячейке e было заполнено в 1925 году с открытием рения (Re, атомная масса 186,2).

В третьей транзитной серии не было открыто ни одного элемента, который бы показывал на существование неизвестных ранее пустот в первой или второй транзитной серии. Это свидетельствовало в пользу предположения, что в каждой из этих первых двух серий существует по десять элементов.

Но даже после открытия гафния (Hf) можно заметить, что существует внушительный пробел в атомных массах между атомными массами гафния и лантана (La) — пробел в 39,6. Этот пробел существует между элементами a и b шестого периода — но столь же большого пробела нет в соответствующих ячейках четвертого и пятого периодов. В пробеле шестого периода есть место для целого ряда элементов.

Я раньше говорил, что во времена Менделеева было известно одиннадцать элементов с атомными весами, лежащими между атомными весами бария (Ba) и таллия (Tl). Таблица 3 имеет только восемь из них. Что с тремя другими?

Эти три других имеют атомные веса, которые действительно попадают в возникший после открытия гафния зазор между лантаном (La) и гафнием (Hf), и это церий (Ce), эрбий (Er) и тербий (Tb).

Это три редкоземельных элемента, о которых я говорил в предыдущей главе. Два других были известны во времена Менделеева: лантан (La) и иттрий (Y) — и вскоре был открыт еще один, скандий (Sc). Скандий, лантан и иттрий, однако, соответствуют строке a в четвертом, пятом и шестом периодах и являются обычными переходными элементами. Только церий, эрбий и тербий являются элементами, которые должны быть помещены в этот промежуток в шестом периоде. К 1907 году было определено еще десять редкоземельных элементов с атомными весами, которые позволили расположить эти элементы в этом интервале. Список всех тринадцати представлен в таблице 4.

Таблица 4

Но сколько еще может быть элементов?

Вернемся обратно к игре в числа, которую я ввел несколько раньше. Та же самая система, которая объясняет числа 2, 8, 8, 18, 18 для первых пяти периодов, должна дать общее количество элементов в шестом периоде: 2 × 4² = 32. Поскольку валентные элементы и транзитные элементы вместе в шестом периоде составляют 18, число редкоземельных элементов для заполнения интервала должно составить 14, чтобы общее количество было равно 32.

У нас есть 13 элементов, где нам найти 14-й?

Разница атомных масс неодима (Nd) и самария (Sm) составляет 6,2, более чем в два раза превышая обычное значение. Возможно, 14-й элемент находится именно в этом промежутке. Однако разница атомных масс европия (Eu) и гадолиния (Gd) равняется 5,3, а тулия (Tm) и иттербия (Yb) — 4,1. Может быть и такое, что в промежутках отсутствуют три элемента, по элементу в каждом. Кто знает, может, число таких элементов даже больше, поскольку не может быть привязанности лишь к численным соотношениям в отсутствие физических свидетельств, которые объяснили бы их правильность.

Короче говоря, через сорок лет после того, как Менделеев представил Периодическую систему элементов, она остается неполной. Несмотря на ее невероятный триумф системы и точность, с которой она решала почти все вставшие перед ней проблемы, химики не могли быть уверены, что она правильна во всех отношениях. В частности, они не знали, верно ли она отображает редкоземельные элементы.

По этой причине, а также в силу менее важных обстоятельств химики усердно изучали все редкоземельные минералы, чтобы определить, сколько элементов они могут идентифицировать с абсолютной уверенностью. Если бы удалось найти что-то новое, это могло бы сокрушить всю Периодическую систему.

Но они ничего не нашли. Вместо этого в 1914 году Периодическая система получила наконец законченную форму — и это произошло благодаря совершенно неожиданному ходу событий, которые, казалось, не имели с химией ничего общего. Мы проследим за этими событиями в следующей главе.

Глава 13 Нобелевская премия, которой не было

Недавно я читал лекцию в соседнем университете. Перед лекцией был обед, на котором разрешалось присутствовать особо отличившимся студентам. Естественно, все они принадлежали к числу любителей научной фантастики. Они считали, что просто здорово будет увидеться со мной, и это радовало, поскольку я полагаю, что очень приятно общаться с людьми, которые ценят твое творчество.

Одной из студентов была полногрудая восемнадцатилетняя девушка, и я сразу вспомнил, как много лет назад мне очень нравилась одна такая полногрудая восемнадцатилетняя студентка, и старые чувства вновь вспыхнули с новой силой. Она сидела рядом со мной за ужином, и я демонстрировал чудеса остроумия, излучая галантность и обаяние. Но когда наступило время десерта, я решил перевести дух и в наступившей тишине попытался прислушаться, о чем беседуют за столом.

Мы оба замолчали. Сидящие за столом разговаривали; все они были молодыми людьми, которых глубоко волновали насущные проблемы дня. Говоря по правде, я тоже захотел принять участие в беседе, но, прислушавшись, подумал, что буду только досаждать моим соседям разной чепухой. И как только я решил снова вернуться к глубокомысленным речам, студентка сказала мне: «Все здесь очень серьезные. С того времени как я поступила в колледж, я встречаю здесь только серьезных людей».

Немного помолчав, она с искренностью произнесла: «Фактически все время, как я здесь, вы первый восемнадцатилетний, кого я встретила».

И я поцеловал ее.

Но знаете, как бы по-юношески я себя ни ощущал (и ни действовал), каким бы молодежным ни был мой образ жизни и сколько бы я ни общался со студентами, тем не менее мне больше восемнадцати. Мои враги могут даже сказать, что мне намного, намного больше восемнадцати, и они будут правы.

Поскольку избавиться от возраста нет иного способа, кроме как умереть, а меня такая перспектива не радует, я лучше расскажу вам об одном очень молодом человеке…

В предыдущей главе я говорил о Периодической системе и что после почти примерно полувекового триумфа она ко второму десятилетию XX века все еще не имела твердого обоснования, которое, так случилось, началось с совершенно случайного события.

Произошло оно в 1895 году. Место события — лаборатория Вильгельма Конрада Рентгена, главы отдела физики университета Вюрцбурга в Баварии. Рентген исследовал катодные лучи — очень популярный объект физики тех дней. Электрический ток, проходя через вакуум, вызывает поток частиц; позднее выяснилось, что они меньше атомов (субатомные частицы). Их назвали электроны.

Как оказалось, потоки электронов имеют целый набор замечательных свойств. Во-первых, когда электроны бомбардируют некоторые химикалии, возникает люминесценция. Эта люминесценция не очень яркая, и потому, чтобы исследовать ее более тщательно, Рентген затемнил комнату и заключил трубку с катодными лучами в тонкую черную коробку из-под карт.

5 ноября 1895 года он включил свою катодную трубку, намереваясь внимательно изучить, что происходит внутри коробки, и продолжить эксперименты. Но до того как ученый приступил к опытам, он почувствовал, что в его глаза словно попали искры. Осмотрев свое устройство, Рентген обнаружил, что у одной стороны трубки находился кусочек бумаги, покрытый платиноцианидом бария — одним из химикалий, которые светились при бомбардировке электронами. (Рентгену платиноцианид бария был нужен для другого опыта. — Примеч. пер.)

Рентгена это озадачило, поскольку платиноцианид бария не находился на пути электронов. Располагайся кусочек бумаги внутри картонной коробки у нужного конца катодной трубки, все было бы объяснимо. Но светящаяся бумага находилась на одной из сторон трубки, и даже если предположить, что какие-то из электронов «убегают» в сторону, у них не было возможности пройти сквозь картонную коробку.

Возможно, свечение было вызвано совершенно другой причиной, не имеющей ничего общего с катодной трубкой. Рентген отключил электрический ток, чтобы катодная трубка прекратила работу, — и бумага с покрытием перестала светиться. Рентген стал включать и отключать электрический ток — и бумага с покрытием начинала светиться и прекращала свечение в том же ритме. Ученый перенес бумагу в другую комнату — и она продолжала светиться (хотя слабее), только когда катодная трубка была включена.

Рентген мог прийти только к одному заключению. Катодная трубка была источником какого-то таинственного излучения, которое отличалось исключительной способностью к преодолению препятствий. Оно могло проходить и через картонную коробку, и через стены. Поскольку ученый не имел ни малейшего представления о природе этого излучения, он обозначил его знаком, который принято использовать для неизвестных величин, — «x-лучами». В английском это название сохранилось до нашего времени.

Рентген с энтузиазмом приступил к экспериментам и вскоре, 28 декабря 1895 года, через удивительно короткое время после начала экспериментов, смог опубликовать первую работу. Рентген представил «x-лучи» изумленной публике и показал, что они могут вызвать побеление фотопластинки и способны проникать сквозь различные материалы, причем через одни лучше, чем через другие.

К примеру, «x-лучи» легко проходили сквозь бумажные салфетки и хуже через кость. Если на фотографическую пластинку поместить руку и направить на руку «x-лучи», кости будут столь сильно препятствовать «x-лучам», что часть пластинки под ними останется светлее.

Ни одно другое изобретение в области физики никогда столь же быстро не применялось в медицинской науке. То, что можно изучать внутренности, не разрезая ткани, вызвало неподдельный восторг — и всего через четыре дня после того, как известие об «x-лучах» достигло Соединенных Штатов, новый вид излучения был успешно использован, чтобы определить местоположение пули в человеческой ноге. За год после открытия Рентгена были опубликованы тысячи работ об «x-лучах» — и в 1901 году, когда впервые стали присуждаться Нобелевские премии, самым первым награжденным был Рентген.

Неспециалисты тоже пришли в волнение. Перепуганные члены законодательных органов Нью-Джерси попытались провести «ради девичьей скромности» закон, запрещающий использование «x-лучей» в театральных биноклях, — вот каким был уровень научных знаний в законодательных органах.

Ясно, что излучение не может появиться из ниоткуда. Летящие электроны, из которых состоят катодные лучи, ударяют в стекло и останавливаются, более или менее внезапно. Кинетическая энергия этих летящих электронов должна перейти в какую-то другую форму, и это происходит в виде «x-лучей», которые имеют достаточно энергии, чтобы пройти сквозь довольно объемные предметы.

Если такое происходит при столкновении электронов со стеклом, то что должно случиться, когда они столкнутся с чем-либо, остановившим их более эффективно? Резкая потеря скорости должна привести к появлению «x-лучей» с большей энергетикой, чем у тех лучей, что наблюдал Рентген. В катодную трубку на пути электронов были помещены частицы металла. То, что ожидалось, произошло. Получился более интенсивный поток «x-лучей» с большей энергией.

«X-лучи», возникающие в результате столкновения электронов с металлом, были особенно тщательно изучены в 1911 году английским физиком Чарлзом Глоувером Баркла. Физики в то время еще не создали приемлемых техник для измерения свойств «x-лучей» с необходимой точностью, но, по крайней мере, когда данный поток «x-лучей» проникал через какое-то вещество на большую глубину, чем другой поток «x-лучей», то можно было говорить, что первый поток содержит больше энергии.

Баркла обнаружил, что для данного металла «x-лучи» появляются в виде набора потоков, каждый из которых имеет свою энергию, если судить по их проникающей способности. Он отнес лучи с одной энергией к «К-серии», с другой — к «L-серии», третьей — к «M-серии» и так далее, в порядке уменьшения проницаемости и, следовательно, уменьшения энергии. Разница в энергии оказалась дискретной. Между уровнями «К-серии» и «L-серии» промежуточных уровней не оказалось, как и между уровнями других серий.

Более того, разные металлы давали наборы «x-лучей», характерных только для них. Если взять только одну серию, к примеру «L-серию», то с возрастанием атомной массы металла, который бомбардируется электронами, возрастает и энергия этой серии.

Поскольку энергетические уровни «x-лучей» характеризуют металлы, используемые для остановки электронов, Барка назвал их «характеристические „x-лучи“».

Знак «x», применяющийся обычно по отношению к неизвестным величинам, весьма точно подходил к «x-лучам» (рентгеновским лучам) на протяжении семидесяти лет после открытия Рентгена.

Состоят ли рентгеновские лучи из частиц, таких, как электроны, но со много большими энергиями? Или же «x-лучи» представляли собой наборы электромагнитных волн, подобно обыкновенному свету, но с намного большими энергиями?

Если бы «x-лучи» состояли из волн, они бы отклонялись от курса дифракционной решеткой, состоящей с одной стороны из многочисленных параллельных друг другу тонких непрозрачных линий с совершенно прозрачными промежутками между линиями. Проблема состояла в том, что линии должны были располагаться через очень малые промежутки. Чем короче изучаемая длина волны излучения, тем ближе друг к другу должны располагаться линии.

При помощи механических устройств можно сделать тонкие линии, достаточно близко расположенные друг от друга, чтобы отражать обыкновенные световые волны, но если бы «x-лучи» были бы световыми волнами, но со много большей энергетикой, у них были бы значительно меньшие длины волн, чем у обычных световых волн. Механическими средствами линии просто невозможно провести достаточно близко, чтобы они могли оказать дифракционное действие на рентгеновские лучи.

Немецкому физику Максу Теодору Феликсу фон Лауэ пришло в голову не полагаться на механические средства. Кристаллы состоят из атомов, идущих с исключительной регулярностью. Внутри кристалла идет несколько слоев атомов одного вида, ориентированных вдоль одной плоскости. Именно эти последовательные слои атомов, расположенные на равных расстояниях друг от друга, и будут отклонять рентгеновские лучи. Другими словами, кристалл является дифракционной решеткой, созданной природой в угоду исследователям XX века (если смотреть на дело с романтической точки зрения).

Итак, если рентгеновские лучи направить на кристалл и если они отклонятся так, как это следует из теории для световых волн, тогда очень похоже, что «x-лучи» — это световые волны.

В 1912 году фон Лауэ и его помощники направили рентгеновские лучи через кристалл сульфида цинка, и луч в самом деле отклонился. Рентгеновские лучи оказались электромагнитным излучением, подобно свету, но с намного большей энергией. Теперь «x-лучи» не были больше «x», но тем не менее в английском языке они свое имя сохранили.

Ученые могли идти дальше. Можно рассчитать расстояние между слоями атомов в кристалле так, чтобы лучи данной длины волны проходили не отклоняясь. Отсюда нетрудно узнать, сколько через кристалл проходит излучения других длин волн, причем с удивительно высокой точностью.

Молодой австралийский студент-физик из Кембриджа, Уильям Лоренс Брэгг, услышав об эксперименте фон Лауэ, сразу это понял. Его отец, преподаватель физики в университете Лидса, увидел то же самое. Вместе отец и сын начали поспешно измерять длины рентгеновских волн и совершенствовать технику измерений.

И вот мы подходим к главному герою этой главы, к английскому физику Генри Гвин-Джеффри Мозли, сыну профессора анатомии, скончавшемуся, когда Генри было только четыре года.

Мозли был просто блистательным ученым. Он учился в Итоне и Оксфорде, и в 1910 году, когда ему было двадцать три года, он присоединился к группе молодых людей, работавших под началом уроженца Новой Зеландии Эрнста Резерфорда в университете Виктории в Манчестере. В этой группе он проработал два года.

Резерфорд был одним из величайших экспериментаторов всех времен. В 1908 году он получил Нобелевскую премию (эта премия была по химии, поскольку его открытия в области физики имели исключительно важное значение для химии. Резерфорд был несколько разочарован этим, так как любой хороший физик смотрит на химиков свысока).

Более того, семеро из тех, кто работал у Резерфорда когда-либо, получили Нобелевские премии за свои собственные достижения. Тем не менее есть много доводов в пользу того, что из всех работавших у Резерфорда самым блистательным был именно Мозли.

Так получилось, что Мозли объединил работы Брэггов и Баркла. При изучении поведения различных металлов, испускающих рентгеновские лучи, он отказался от грубого способа определения энергии излучения по поглощению в препятствии; Мозли начал пропускать лучи через кристалл, на манер Брэггов, что позволило измерять длину волны с большой точностью.

Это он сделал в 1912 году (к этому времени он перебрался в Оксфорд и начал независимые исследования) для металлов — для кальция, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля и меди. Эти элементы составляют, именно в этом порядке, непрерывную последовательность; в общем ряду между кальцием и титаном должен быть скандий, но у Мозли не было скандия для работы.

Мозли нашел особые серии характеристических рентгеновских лучей, связанные с каждым металлом. С продвижением вдоль Периодической системы длины волн уменьшались (а энергия, таким образом, увеличивалась), причем по очень определенному признаку. Положение в Периодической системе соответствовало квадратному корню из длины волны.

Это исключительно важно, поскольку порядок размещения в Периодической системе по атомным массам, который до того был главным критерием для определения последовательности в Периодической системе, регулярности подчинялся не всегда. Атомные массы, изученные Мозли, составляли (с точностью в один знак после запятой): 40,1; 47,9; 50,9; 52,0; 54,9; 55,8; 58,9; 58,7 и 63,5. Атомная масса скандия, которого у Мозли не было, была равна 45,0. Интервалы между атомными весами составляли, таким образом, 4,9; 2,9; 3,0; 1,1; 2,9; 0,9; 3,1; -0,2; 4,8.

Эти интервалы не могут идти ни в какое сравнение с абсолютной регулярностью длин волн рентгеновских лучей. Более того, в Периодической системе есть несколько мест, где элементы идут не в порядке возрастания атомных масс. Только из химических свойств следует, что никель должен идти после кобальта, хотя атомный вес никеля немного меньше, чем атомный вес кобальта. Но подобной путаницы никогда не случается, если руководствоваться рентгеновскими лучами. По этому критерию никель имеет характеристические рентгеновские лучи большей энергии, чем кобальт, и потому обязан идти после кобальта.

Мозли пришел к заключению, что атомные веса элементов не являются фундаментальными характеристиками и сами по себе не определяют место данного элемента. А вот рентгеновские лучи, напротив, представляют нечто такое, что является фундаментальными характеристиками элемента.

Мозли даже смог определить это нечто.

Всего за год до этого прежний руководитель Мозли, Резерфорд, провел серию экспериментов, которые прояснили базовые принципы строения атома. Атом не является чем-то бесформенным, неделимой частицей, как считали на протяжении всего XIX столетия. Напротив, у него оказалось сложное внутреннее строение.

Почти вся атомная масса сосредоточена в центре атома, в атомном ядре, которое занимает только одну квадриллионную всего объема атома. Остальную часть атома заполняют электроны — микроскопические частицы, поскольку электрон имеет массу всего в ¹/₁₈₃₇ даже у самого легкого из атомов (у водорода).

Каждый электрон имеет единицу отрицательного заряда, и этот заряд абсолютно одинаков во всех электронах (как это считали тогда и как это считают и сейчас). Заряд электрона обычно представляют как -1.

Однако атом в целом электрически не заряжен. Из этого следует, что центральное атомное ядро должно, таким образом, иметь балансирующий положительный заряд.

Теперь предположим, что каждый элемент состоит из ядра и характерного только для данного элемента числа электронов. Центральное ядро атома должно соответствовать числу электронов, то есть иметь уравновешивающее число положительных зарядов. Если у какого-либо элемента атом содержит только один электрон, его ядро имеет заряд +1. Атом с двумя электронами имеет ядро с зарядом +2. Атом с тремя электронами — +3 и так далее.

Однако некоторое число электронов может отлететь от данного атома или присоединиться к нему, сделав атом соответственно положительным или отрицательным. Это означает, что число электронов не является по-настоящему фундаментальным критерием в природе атома. Только атомным ядром, таящимся глубоко в центре атома, нельзя манипулировать обычными химическими методами. Атом остается постоянным фактором, и, таким образом, именно он определяет характерные свойства элемента.

Конечно, во времена Мозли никто не знал в подробностях структуру атомного ядра, но в этом тогда и не было необходимости. Величины положительного заряда ядра было достаточно.

К примеру, легко доказать, что летящий электрон рентгеновского излучения при ударе по веществу теряет в скорости тем больше, чем больше заряд атомов этого вещества. Энергия получающихся рентгеновских лучей увеличивается в той же мере, как и величина заряда, — и если величина заряда увеличивается линейно, то линейно увеличивается и энергия рентгеновского излучения.

Мозли предложил, чтобы каждый элемент был представлен числом, которое бы выражало две разные вещи: 1) величину положительного заряда ядра его атома и 2) его положение в Периодической системе.

Таким образом, водород, как первый элемент в системе, будет представлен числом 1 и, как ожидалось, будет иметь единичный положительный заряд атомного ядра (надо сказать, так и оказалось). Гелий представлен числом 2, и это означает, что он является вторым элементом в Периодической системе и имеет две единицы положительного заряда. И так далее, вплоть до урана, последнего тогда известного элемента Периодической системы, который должен иметь, из собранных о нем данных (в то время и впоследствии), заряд в девяносто две единицы заряда; он будет представлен числом 92.

Мозли предложил, чтобы эти числа были названы «атомными числами», и его предложение было принято.

Физик опубликовал свои открытия в 1913 году, и они немедленно вызвали большой интерес. В Париже Жорж Урбэн решил проверить выводы Мозли. Много лет он тщательно и трудолюбиво разделял редкоземельные элементы, после чего создал смесь из нескольких оксидов, которые, как он считал, не сможет приготовить никто, кроме опытного специалиста, да и то лишь после долгого и утомительного разделения. Он отвез смесь в Оксфорд, и здесь Мозли подверг ее бомбардировке, после чего измерил длины волн получившегося излучения и довольно быстро объявил, что смесь содержит эрбий, тулий, иттербий и лютеций, — и оказался прав.

Урбэн был просто изумлен — как молодостью Мозли, так и силой его открытия. Он вернулся обратно в Париж, чтобы яростно отстаивать концепцию атомных чисел.

Теперь наконец Периодическая система имела твердые обоснования. Когда длины рентгеновских лучей отличаются на определенную известную минимальную величину, тогда два элемента являются смежными и имеют ядерные заряды, которые различаются всего на единицу. Между ними не может быть никаких новых элементов.

Это означает, что от водорода до урана включительно должно располагаться точно девяносто два элемента — не больше и не меньше. И через столетие после открытия Мозли в диапазоне между водородом и ураном так и не появилось новых элементов — как это и было предсказано теорией Мозли. Новые элементы, конечно, появлялись, но после урана, с атомными номерами 93, 94 и так далее, до открытого позже 104 (и возможно, 105), но это другая история.

Кроме того, если длины волн рентгеновских лучей двух элементов отличаются в два раза, то это значит, что между этими элементами обязательно должен находиться один элемент, причем точно один. А если такой элемент неизвестен, тогда его следует поискать, вот и все.

В то время, когда концепция атомных чисел развивалась, было известно восемьдесят пять элементов в диапазоне от водорода до урана. Поскольку имелось место для девяноста двух элементов, это означало, что все еще оставалось место для семи неоткрытых элементов. Их атомные числа были 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91.

Это решило задачу, поставленную в предыдущей главе относительно общего числа редких земель. Оказалось, что не открыта только одна редкая земля, и она имеет атомное число 61, располагаясь между неодимом (60) и самарием (62). Потребовалось лишь тридцать лет, чтобы открыть отсутствующие семь элементов, и, когда это произошло, самым последним из тех, что осталось открыть, был редкоземельный элемент с атомным номером 61. Его обнаружили в 1948 году и назвали прометием.

Благодаря концепции атомных чисел Мозли под Периодическую систему было подведено основание твердое, как скала. Все произошедшие с тех пор открытия только укрепляли концепцию атомных чисел и Периодическую систему.

Ясно, что Мозли заслужил Нобелевскую премию как в физике, так и в химии (лично я думаю, что две Нобелевские премии), и это совершенно несомненно.

Но в 1914 году Нобелевскую премию получил фон Лауэ, а в 1915 году — команда из отца и сына Брэгг. В обоих случаях работы по рентгеновским лучам были лишь преддверием кульминационной работы Мозли. В 1916 году Мозли просто обязан был получить Нобелевскую премию, ничего не должно было ему помешать.

Но, увы. Помешало.

В 1914 году началась Первая мировая война, и Мозли сразу пошел служить лейтенантом британских саперных частей. Это был его выбор, и его следует уважать за патриотизм. Тем не менее патриотизм человека и готовность пожертвовать жизнью — это еще не основание, чтобы правительство согласилось отправить крупного ученого на фронт.

Мозли мог сто раз выражать желание стать добровольцем — и все равно правительству не следовало отправлять его на фронт. Резерфорд понял это и попытался сделать так, чтобы Мозли направили в научную лабораторию, поскольку было ясно, что он куда полезнее государству в области военных исследований, чем на поле боя. К началу Второй мировой это стали понимать, и Мозли наверняка сохранили бы как ценный и редкий военный ресурс.

Но подобного трудно было ожидать в условиях той грандиозной глупости, которая называлась Первой мировой войной.

Весной 1915 года англичане пришли к мысли высадиться на Галлиполийском полуострове в Западной Турции для того, чтобы получить контроль над узкими проливами, связывающими Средиземное и Черное моря. Захватив этот проход, можно было наладить снабжение разлагающейся русской армии, в которой невероятное мужество солдат сочеталось со столь же невероятными административными промахами. Стратегически замысел был хорош, но тактически его выполняли с беспрецедентной глупостью. Среди многих безумных предприятий Первой мировой Галлиполийская операция выделяется как пример всего того, чего не надо делать.

В январе 1916 года все окончилось. Англичане бросили в бой полмиллиона человек, но не получили ничего. Потери составили половину всех войск.

В ходе этой бесславной кампании погиб и Мозли. 13 июня 1915 года он высадился на Галлиполийском полуострове, а 10 августа 1915 года, когда давал распоряжение но телефону, в него попала турецкая пуля. Она угодила в голову; Мозли погиб мгновенно. Ему не исполнилось и двадцати восьми лет; на мой взгляд, из миллионов погибших в той войне смерть этого человека была самой большой из потерь человечества в целом.

В 1916 году Нобелевская премия по физике не вручалась. Это можно было бы объяснить тем, что идет война, но состоялись же награждения в 1915 году; вручалась она и в 1917-м. В 1917 году ее получил Баркла, еще один человек, чья работа была лишь прелюдией к великому прорыву Мозли.

Может, меня сочтут сентиментальным, но я не вижу причин, почему колоссальная глупость людей должна приводить к подобной несправедливости. Тем не менее не поздно (даже сейчас) ученым восполнить этот пробел и признать, что Нобелевская премия 1916 года по физике принадлежит Мозли и что его имя обязательно должно присутствовать в каждом списке нобелевских лауреатов.

Это следует сделать не ради него. Я не настолько сентиментален. Ему уже все равно. Мы должны сделать это ради того, чтобы сохранить доброе имя науки.