За пределами периодической системы
Нижний край таблицы Менделеева овеян тайной. Высокорадиоактивные элементы редко встречаются в природе, поэтому люди склонны интуитивно полагать, что нестабильные, легко распадающиеся элементы и будут самыми редкими. Так, например, редчайшим элементом является в высшей степени неустойчивый франций, который встречается в земной коре только как промежуточный продукт. В естественной среде атомы франция распадаются быстрее, чем атомы любого другого элемента. И все же самым редким элементом на Земле является вовсе не франций. Такой вот парадокс, и решение этого парадокса лежит за привычными и удобными рамками таблицы Менделеева. За решениями мы должны отправиться в удивительный край под названием «остров стабильности» – Новый Свет физиков-ядерщиков. Остров стабильности – своего рода Америка, на которую современные ученые-первооткрыватели возлагают большие надежды, ведь на сегодняшний день это самая удачная, если не единственная, возможность расширить границы периодической таблицы элементов.
Как известно, Вселенная на 90 % состоит из водорода. Оставшиеся 10 % составляет гелий. Все остальное вещество, включая нашу Землю массой 6 х 1024 кг, укладывается в статистическую погрешность. В этих миллионах миллиардов килограммов содержится ничтожное количество редчайшего элемента астата – лишь несколько десятков грамм. Чтобы хоть как-то представить эти пропорции, вообразите, что вы оставили свой «Бьюик Астат» на огромном паркинге и не можете его найти. В поисках машины вам придется пройти ряд за рядом, этаж за этажом, осматривая каждую машину. Небольшая оговорка: паркинг, на котором вам предстоит искать машину, составляет 100 миллионов парковочных мест в ширину, столько же в длину и 100 миллионов этажей в высоту. Более того, таких паркингов вам придется обойти ни много ни мало, а 160 – лишь в этом случае масштабы поиска вашей машины будут сопоставимы с поисками астата в земной коре. Вам ничего не останется, кроме как махнуть рукой и отправиться восвояси.
Поскольку астат является самым редким элементом, возникает вполне естественный вопрос: как ученым удалось его обнаружить? Дело в том, что они немного схитрили. Если в древней земной коре и был астат, он давно уже распался. Но астат в свою очередь является продуктом распада других радиоактивных элементов, которые испускают альфа– или бета-частицы. Зная общее количество исходных элементов (обычно это элементы, соседствующие с ураном в таблице Менделеева) и рассчитав вероятность появления астата в результате их распада, ученые могут назвать приблизительное количество атомов астата, существующих на Земле в любой момент времени, а также атомов некоторых других элементов. Так, например, франций, отделенный в таблице от астата лишь одной клеткой, существует на нашей планете в количестве от 550 до 850 г в любой момент времени.
Как ни странно, астат – более стабильный элемент, чем франций. Если взять миллион самых долгоживущих изотопов астата, половина из них распадётся через 400 минут. Половина такого же количества изотопов франция продержится всего-то 20 минут. Франций нестабилен настолько, что не имеет практического применения. Несмотря на то что в земной коре франций содержится в достаточном (хоть и мизерном) количестве, чтобы ученые могли напрямую его обнаружить, им никогда не удастся собрать столько атомов франция, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом. Если бы это все же удалось сделать, такое количество радиоактивного франция немедленно убило бы своего первооткрывателя. На сегодняшний день рекордное количество франция, полученного за один раз, составляет 10 тысяч атомов.
Получение видимого количества астата – задача, которая наверняка также останется невыполнимой. Тем не менее астат имеет важное практическое применение: его быстродействующие радиоактивные изотопы используются в медицине. Когда ученые под руководством нашего старого знакомого Эмилио Сегре впервые синтезировали астат в 1939 году, они решили изучить его свойства на морских свинках, сделав животным инъекции. В таблице Менделеева астат расположен прямо под йодом и ведет себя в организме подобно этому элементу: у морских свинок астат накапливался в щитовидной железе. Астат является единственным химическим элементом, открытие которого было подтверждено не приматами.
Странные сходства между астатом и францием начинаются с их ядер. Внутри ядер астата и франция, как и во всех других атомах, соперничают разные силы: сильные ядерные взаимодействия (силы притяжения) и электростатические силы (способные отталкивать частицы). Сильное ядерное взаимодействие – самая мощная из фундаментальных сил природы, но, как ни парадоксально, руки у нее коротки, словно тоненькие лапки огромного тираннозавра. Если частицы отдаляются друг от друга всего на несколько триллионных сантиметра, ядерные силы теряют всю свою мощь. По этой причине они редко проявляются за пределами атомных ядер и черных дыр. Но на подвластных ему небольших расстояниях эти взаимодействия в сотни раз мощнее электростатических сил. Это хорошо, поскольку они крепко удерживают протоны и нейтроны в ядре, не давая электростатическим силам разорвать атомные ядра на части.
На периферии ядер такого размера, как у франция и астата, сильное ядерное взаимодействие практически сравнивается с электростатическими силами, поэтому удержать все протоны и нейтроны в таком ядре становится очень сложно. У франция 87 протонов, и они совершенно не хотят соприкасаться друг с другом. Еще в ядре франция насчитывается порядка 130 нейтронов, которые образуют неплохой буфер между положительно заряженными частицами. Но в то же время они делают ядро столь массивным, что сильному взаимодействию не удается распространиться до самых границ и погасить центробежные силы. Именно поэтому франций (и по схожим причинам астат) являются крайне нестабильными элементами. Соответственно, логично предположить, что ядра с еще бо́льшим количеством протонов, чем у франция, должны испытывать на себе еще более мощные силы отталкивания, и более тяжелые атомы окажутся еще менее стабильными, чем франций.
Однако это лишь отчасти верно. Вспомните Марию Гёпперт-Майер («Мать из С. Д. получила Нобелевскую премию»). Мы уже говорили о том, что она разработала теорию о долгоживущих «магических» элементах. Так она называла элементы, в атомах которых содержится два, восемь, двадцать, двадцать восемь и т. д. протонов или нейтронов. Стабильность таких элементов оказалась гораздо выше, чем у их соседей по периодической системе. Другие количества протонов и нейтронов – например, девяносто два – также образуют компактные и довольно стабильные ядра, в которых сильные взаимодействия надежно удерживают протоны вместе. Именно поэтому уран гораздо устойчивее франция и астата, хотя и тяжелее их. По мере того как мы спускаемся все ниже и ниже по периодической системе, элемент за элементом, борьба между сильными взаимодействиями и электрическими силами все сильнее напоминает резко снижающийся график биржевого тикера. На нем прослеживается общая тенденция к понижению, но в то же время возникают многочисленные флуктуации, когда берет верх то одна сила, то другая[169].
Исходя из этого общего принципа, ученые предположили, что срок существования элементов тяжелее урана будет асимптотически приближаться к 0,0. Но по мере того, как в 1950-е и 1960-е годы удавалось синтезировать все более тяжелые элементы, стало происходить нечто неожиданное. Теоретически магические ядра должны встречаться до бесконечности, и оказалось, что гораздо ниже урана должен располагаться элемент с условно стабильным ядром – № 114. Более того, ученые из Калифорнийского университета в Беркли вычислили, что 114-й элемент может существовать значительно дольше, чем атомы примерно десяти предшествующих ему тяжелых элементов. Учитывая, как ничтожен период полураспада изотопов этих элементов (в лучшем случае – несколько микросекунд), подобная идея казалась нелогичной и дикой. Упаковка все новых протонов и нейтронов в искусственные ядра напоминает упаковку взрывчатки: чем больше частиц в ядре, тем более сильное напряжение оно испытывает. Но казалось, что элемент № 114 должен быть исключительно стабильным для такого крупного атома. Не менее странно (как минимум на бумаге) было и то, что элементы с атомными номерами 112 и 116 также должны испытывать на себе положительное влияние близости 114-й клетки. Даже имея «почти магическое» количество протонов, они должны были обладать сравнительно высокой стабильностью. Ученые окрестили это скопление элементов «островом стабильности».
Вдохновившись собственной метафорой и ощутив себя отважными мореплавателями, ученые принялись готовиться к завоеванию этого острова. Они обсуждали поиски «Атлантиды химических элементов», а некоторые, подобно старинным мореходам, даже вычерчивали в сепии карты неизведанных ядерных морей. Казалось, никто бы не удивился, если бы эти моря кишели спрутами. Попытки достичь этого острова сверхтяжелых элементов породили одну из самых захватывающих физических дисциплин. Ученые пока не добрались до этих берегов (чтобы получить по-настоящему стабильные «дважды магические» элементы, требуется искать способы внедрения все новых нейтронов в элементы-мишени), но уже прочесывают отмели, отыскивая удобную бухту, чтобы высадиться на берег.
Причудливая карта легендарного «острова стабильности» – области сверхтяжелых элементов. Ученые надеются, что этот «остров» позволит им значительно расширить границы современной таблицы Менделеева. В левом нижнем углу – символ свинца (Pb), край основной, «континентальной», части периодической системы. Он отделен проливом нестабильных элементов от острова, где высятся условно стабильные пики тория и урана. Далее открывается бескрайнее море. Автор карты – Юрий Цолакович Оганесян, работающий в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна)
Неудивительно, что перед «островом стабильности» раскинулась область очень неустойчивых элементов, примерно в центре которой находится франций. Восемьдесят седьмой элемент находится между магическим ядром № 82 и условно стабильным ядром № 92. Поэтому некоторые нейтроны и протоны франция постоянно «норовят выпрыгнуть» из атома и отправиться в свободное плавание. На самом деле, из-за крайне непрочной структуры ядра франций не только является самым нестабильным элементом, встречающимся в природе, но и уступает по стабильности даже всем искусственно полученным элементам вплоть до сто четвертого – резерфордий. Если правомерно
выделить на карте такой «пролив нестабильности», то франций будет пускать пузырьки с самого его дна.
Однако франций в природе встречается чуть чаще, чем астат. Почему? Дело в том, что многие радиоактивные элементы, расположенные вокруг урана, на том или ином промежуточном этапе распада превращаются во франций. А что же франций? Вместо того чтобы подвергаться обычному альфа-распаду и в результате (потеряв два протона) превращаться в астат, этот атом более чем в 99,9 % случаев облегчает свое перегруженное ядро, претерпевая бета-распад, и становится радием. Затем радий проходит целый ряд стадий альфа-распада, минуя астат. Иными словами, механизм радиоактивного распада многих нестабильных атомов на клетке франция немного пробуксовывает – именно поэтому количество франция в земной коре измеряется несколькими сотнями граммов. В то же время франций не позволяет своим атомам превращаться в астат, из-за чего астат является еще более редким. Загадка решена.
Итак, с проливом разобрались, а что же с «островом стабильности»? Весьма маловероятно, что химикам удастся синтезировать все возможные элементы вплоть до очень крупных магических ядер. С другой стороны, возможно, все же удастся получить элемент № 114, затем № 126 и продолжать путь к «острову» уже оттуда. Некоторые ученые полагают, что при добавлении электронов к сверхтяжелым ядрам стабильность таких атомов может повыситься. Возможно, электроны будут действовать как пружины и амортизаторы, впитывая ту энергию, которую атомы обычно тратят на саморазрушение. Если эта гипотеза подтвердится, возможно, будут синтезированы и элементы после 140-го, 160-го и 180-го номеров. «Остров стабильности» превратится в архипелаг-цепочку. Такие стабильные «острова» будут отстоять все дальше друг от друга. Но, возможно, ученые смогут постепенно преодолевать эти огромные расстояния в новом периодическом архипелаге – как полинезийцы на своих лодках осваивали Океанию.
Самое интересное заключается в том, что эти новые элементы не будут просто утяжеленными аналогами известных сегодня элементов, а могут обладать совершенно новыми свойствами (вспомните, как сильно свинец отличается от кремния и углерода). Согласно некоторым расчетам, если электроны смогут укротить сверхтяжелое ядро и повысить его стабильность, то и ядро сможет управлять электронами. В таком случае электроны, возможно, начнут заполнять оболочки и орбитали атома в необычном порядке. Элемент, который согласно периодическому закону должен проявлять свойства тяжелого металла, может слишком рано заполнить свои орбитали; в таком случае получится элемент типа металлического благородного газа.
Не хотелось бы гневить богов, но ученые уже придумали названия для этих гипотетических элементов. Вероятно, вы заметили, что тяжелые элементы в самом низу таблицы имеют трехбуквенные, а не двухбуквенные обозначения, причем все они начинаются с и. Опять же, все дело во влиянии древнегреческого и латыни. Еще не открытый элемент 119 Uue называется «унунений», сто двадцать второй элемент Ubb – унбибий и т. д.[170]Эти элементы получат «настоящие» названия лишь после того, как их удастся синтезировать, но пока ученые могут просто «пометить» их латинскими словами-формулами – и не только их, но и другие элементы, вызывающие наибольший интерес, например, магическое ядро 184, названное «уноктквадий». (И слава богу! Прямо на наших глазах отмирает привычная двухчастная классификация видов в биологии – та самая, в которой домашняя кошка называется Felis catus. На смену ей приходят хромосомные обозначения ДНК, напоминающие штрихкоды. Прощай, Homo sapiens, человек разумный, здравствуй ТЦАТЦГГТЦАТТГГ… Таким образом, элементы на «у-» остаются одним из последних бастионов латыни в науке – там, где этот язык некогда доминировал[171].)
Итак, как далеко может зайти подобное путешествие с острова на остров? Доведется ли нам наблюдать пики маленьких вулканов, теряющиеся далеко в бесконечности за границами периодической системы, и называть их какими-нибудь протяжными именами вроде э-э-э-э-э…энний, элемент № 999? Увы, нет. Даже если ученые найдут способ склеивания сверхтяжелых элементов и смогут бросить якорь на очень далеких «островках стабильности», то их, образно выражаясь, практически сразу смоет в бушующий атомный океан.
Чтобы понять причину, вернемся к рассказу об Альберте Эйнштейне и к той величайшей ошибке, которую он совершил в своей научной карьере. Несмотря на распространенное мнение поклонников Эйнштейна, он получил Нобелевскую премию по физике отнюдь не за Специальную или Общую теорию относительности. Награда была присуждена Эйнштейну за объяснение странного квантово-механического явления, которое называется фотоэлектрическим эффектом. Он одним из первых доказал, что квантовая механика – не просто неуклюжая система допущений, призванная обосновать непостижимые эксперименты, а самая настоящая реальность, пусть и необычная. Тот факт, что именно Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, можно назвать иронией судьбы сразу по двум причинам. Во-первых, с возрастом Эйнштейн становился все придирчивее и постепенно стал воспринимать квантовую механику с изрядным скептицизмом. Ее статистическая и глубоко вероятностная природа слишком напоминала Эйнштейну азартные игры, именно поэтому он однажды произнес свой знаменитый афоризм «Бог не играет в кости». Эйнштейн был неправ, и как жаль, что большинство людей так и не услышали фразу, которую в ответ произнес Нильс Бор: «Эйнштейн, прекратите указывать Богу, что ему делать».
Во-вторых, Эйнштейн всю жизнь пытался согласовать квантовую механику и теорию относительности в непротиворечивую и стройную «теорию всего», но это ему не удалось. Правда, кое-что получилось. Иногда при столкновении двух теорий они блестяще дополняют друг друга: релятивистские уточнения скорости электрона помогли понять, почему ртуть (мой любимый химический элемент) при комнатной температуре является жидкостью, а не твердым веществом. Нам бы никогда не удалось создать элемент № 99, эйнштейний, если бы мы не знали обеих этих теорий. Но в целом идеи Эйнштейна о силе тяжести, скорости света и относительности не вполне согласуются с квантовой механикой. В некоторых ситуациях, где две эти теории вступают в плотный контакт – например, в черных дырах, – рушатся любые причудливые уравнения.
Возможно, это столкновение теорий и знаменует предел периодической системы. Вновь обратимся к аналогии между электронами и планетами. Как известно, Меркурий совершает оборот вокруг Солнца всего за три земных месяца, а у Нептуна на это уходит 165 земных лет. Так и электроны, расположенные на внутренних атомных оболочках, вращаются вокруг ядра гораздо быстрее, чем электроны внешних оболочек. Точная скорость электрона зависит от отношения количества протонов в ядре к постоянной тонкой структуры альфа, рассмотренной в предыдущей главе. По мере того как это отношение приближается к единице, скорость электрона становится все ближе к скорости света. Но не забывайте, что, по современным расчетам, значение постоянной тонкой структуры составляет около 1/137. Если в атоме элемента будет более 137 протонов, скорость вращения его электронов должна превысить скорость света – а согласно теории относительности Эйнштейна, это невозможно.
Итак, гипотетический элемент № 137 должен оказаться последним. Ему уже придумали название «фейнманий» – в честь знаменитого физика Ричарда Фейнмана, впервые указавшего на этот предел. Кстати, именно Фейнман назвал константу альфа «одной из величайших проклятых тайн физики» – теперь вы понимаете почему. После того как неукротимая сила квантовой механики врежется в неподвижную теорию относительности, одна из этих сил должна будет уступить. Никто не знает какая.
Некоторые физики, всерьез воспринимающие возможность путешествий во времени, полагают, что в теории относительности может быть лазейка, позволяющая особым (недоступным для наблюдения) частицам, тахионам, двигаться быстрее скорости света, которая составляет около 300 000 километров в секунду. Вся загвоздка, связанная с тахионами, заключается в том, что они, возможно, движутся против хода времени – то есть в прошлое. Поэтому, если когда-нибудь химикам удастся синтезировать «фейнманий-плюс-один» – унтриоктий, не устремятся ли его внутренние электроны в прошлое, пока остальная часть атома будет оставаться в нашем времени? Вероятно, нет. Гораздо логичнее предположить, что скорость света жестко ограничивает предельный размер атома и просто уничтожает все возникающие за фейнманием «островки стабильности», точно как в 1950-е годы атомная бомба стерла с лица земли коралловые атоллы.
Означает ли это, что периодическая таблица вскоре закончится? Станет застывшей и неизменной, как окаменелость?
Нет, нет и еще раз нет.
* * *
Если на Земле когда-нибудь высадятся инопланетяне, это еще совершенно не значит, что мы сможем с ними поговорить. Дело далеко не ограничивается тем фактом, что никто из них не знает слова «Земля» и не сможет его произнести. Общение инопланетян может происходить при помощи феромонов или световых импульсов, а не звуков. Кроме того, если учесть маловероятную возможность их неуглеродного происхождения, инопланетяне могут оказаться весьма ядовитыми. Даже если мы сможем войти с ними в контакт, наши основные ценности – любовь, боги, уважение, семья, деньги, мир – могут оказаться для них совершенно непостижимы. Те немногие вещи, которые мы сможем им предложить и рассчитывать, что пришельцы их поймут, – это числа, например л, и периодическая система элементов.
Разумеется, речь идет о законахпериодической системы, поскольку привычная нам таблица, напоминающая замок с двумя башнями и изображенная на форзаце любого учебника по химии, – это лишь один из возможных способов организации химических элементов. Когда в школе учились наши бабушки и дедушки, таблица Менделеева мало напоминала современную – в ней было всего восемь столбцов. Она больше походила на календарь: длинные последовательности переходных металлов заверстывались в ней на новую строку, подобно тому как в месяцах года иногда в отдельный столбик записывают 30-е или 31-е число. Более того, многие пытались уложить лантаноиды в основной части таблицы, и из-за этого возникала полная неразбериха.
Никто не пытался дать переходным металлам чуть больше места, пока Гленн Сиборг и его коллеги все из того же Калифорнийского университета в Беркли не перерисовали всю периодическую систему. Эта работа продолжалась с конца 30-х до начала 60-х годов. Дело было не только в том, что в таблицу добавлялись новые элементы. Сиборг с коллегами осознали, что некоторые элементы, например актиний, не вписываются в привычную схему. Опять же, может показаться странным, но в те времена многие ученые воспринимали периодический закон не слишком серьезно. Они полагали, что лантаноиды и их странная химия представляют собой серию странных исключений из строгих правил периодической системы, что ниже лантаноидов уже не окажется элементов, которые прячут лишние электроны у себя в оболочках и из-за этого совершенно не похожи по свойствам на обычные переходные металлы. Но химия лантаноидов повторилась. Иначе и не могло быть: ведь в этом заключается категорический императив химической науки, то самоесвойство элементов, которое будет понятно даже инопланетянам. Они распознали бы это свойство не менее уверенно, чем Сиборг. Он впервые обратил внимание на то, какой необычной химией обладают металлы, следующие в таблице за актинием, элементом № 89.
Актиний сыграл ключевую роль в придании периодической системе элементов ее современных очертаний. Сиборг с коллегами решили извлечь из таблицы все известные на тот момент тяжелые элементы (сегодня называемые «актиноидами») и вынести их в отдельную строку под основной частью таблицы. За счет освободившегося места переходные металлы получили дополнительное пространство. Их больше не располагали в виде треугольников, а выстраивали в виде дополнительных столбцов – таких новых столбцов получилось 10. Такой вариант таблицы оказался настолько удобен, что многие ученые приняли новую сиборговскую модель. Потребовалось некоторое время, чтобы избавиться от ретроградов, не желавших отказываться от старой таблицы. Только в 1970 году периодический календарь окончательно уступил место периодическому замку – настоящему брустверу современной химии.
Но никто не утверждает, что такая форма таблицы идеальна. Столбчатый вариант оставался преобладающим со времен Менделеева, но сам Менделеев разработал около тридцати разных начертаний периодической системы, а к 1970 году набралось уже более семисот вариантов. Некоторые химики предпочитают отсекать одну из башен замка и приставлять ее к башне с другой стороны, так что таблица начинает смахивать на аляповатую лестницу. Другие возятся с гелием и водородом, расставляя их по разным углам таблицы. Таким образом они пытаются подчеркнуть, что эти элементы, у которых нет октета электронов, обладают весьма необычными химическими свойствами.
На самом деле, стоит только начать экспериментировать с формой периодической системы, как понимаешь, что варианты далеко не ограничиваются прямоугольными контурами[172]. Например, одна из интересных современных таблиц напоминает соты, где шестиугольные поля с элементами разворачиваются по спирали все дальше и дальше. Водород находится в центре такой схемы. Астрономам и астрофизикам нравится начертание, в котором водородное «Солнце» располагается в центре схемы, а вокруг него, как по орбитам, «вращаются» остальные элементы, напоминающие планеты и спутники. Биологи вычерчивают периодическую систему в виде спирали, похожей на ДНК, а самые увлеченные экспериментаторы выполняли таблицу даже по принципу настольной игры парчиси: столбцы и ряды записываются сразу по обе стороны листа, заверстываясь за край страницы. В США был даже выдан патент на игрушку-пирамидку, собираемую по принципу кубика Рубика, на вращающихся гранях которой изображены символы элементов.
Люди с музыкальными склонностями наносили элементы на нотный стан, а наш старый знакомый Уильям Крукс, любитель-спиритист, придумал два замечательных и причудливых варианта периодической системы: один в форме лютни, другой – в виде кренделя. Мне очень нравятся таблицы-пирамиды. Они расширяются от вершины книзу и наглядно демонстрируют, как возникают новые орбитали и как все большее количество элементов аккуратно вписывается в общую систему. Еще мне нравится вариант «в разрезе», который закручивается в середине. Изобразить его я бы не смог, могу только сказать, что он похож на ленту Мёбиуса.
Более того, сегодня начертания периодической системы вышли из плоскости и перестали быть двухмерными. Отрицательно заряженные антипротоны, которые Эмилио Сегре открыл в 1955 году, образуют гармоничное единство с антиэлектронами (позитронами). Из этих частиц уже удалось получить атомы антивещества – например, антиводород. Теоретически каждому элементу может соответствовать свой «антиэлемент», не исключена и возможность существования целой периодической таблицы антиэлементов. Такую зазеркальную таблицу мы можем только представить, но уже в наше время ученые исследуют новые формы материи, которые, возможно, позволят открыть сотни и даже тысячи новых «элементов».
Во-первых, существуют суператомы. Эти скопления, включающие в себя от восьми до ста атомов одного элемента, обладают сверхъестественной способностью «притворяться» отдельными атомами других элементов. Например, если правильно сгруппировать тринадцать атомов алюминия, они начинают проявлять такие же свойства, как ядовитый бром. В химических реакциях атом брома и такое скопление атомов алюминия совершенно неразличимы. Этому поразительному сходству не мешает даже то, что такое скопление в тринадцать раз крупнее атома брома, а алюминий не имеет ничего общего со столбцом ядовитых галогенов-лакриматоров. Другие скопления атомов алюминия напоминают по свойствам атомы благородных газов, полупроводники, кальций и иные элементы, расположенные в совершенно других областях периодической системы.
Описанный механизм работает так. Атомы упорядочиваются в виде многогранника, в котором каждый атом «имитирует» протон или нейтрон коллективного ядра. Электроны в такой структуре могут свободно перемещаться внутри ядерного пузыря, и все атомы совместно пользуются электронами. Ученые придумали для обозначения такого состояния вещества немного иронический термин «желий» (от слова «желе»). В зависимости от формы многогранника и от количества в нем граней и углов желий может выдавать в общее пользование большее или меньшее количество электронов. Если наберется семь таких электронов, кластер будет проявлять свойства брома, то есть галогена. Если четыре – желий напоминает по свойствам кремний, полупроводник. Атомы натрия также могут объединяться в желий и «подражать» другим элементам. Вполне возможно, что и многие другие элементы могут имитировать совершенно иные элементы, и вообще все элементы могут имитировать все другие элементы, и так далее, до полной неразберихи. Эти открытия наталкивают ученых на разработку параллельных периодических систем, в которых нашлось бы место для классификации всех подобных экзотических образований. Новые таблицы можно сравнить с полупрозрачными иллюстрациями из старинных анатомических атласов, которые нужно накладывать на «скелет» – таблицу Менделеева.
Впрочем, даже такие странные образования, как желий, по крайней мере, напоминают обычные атомы. Но есть и еще один способ углубления периодической таблицы. В физике существует понятие «квантовая точка». Ее можно сравнить с голографическим или виртуальным атомом, который тем не менее подчиняется всем законам квантовой механики. Квантовые точки получаются из разных элементов, однако наиболее легко получать их из индия. Это серебристый металл, дальний родственник алюминия. Он расположен прямо на границе между металлами и полупроводниками.
Для создания квантовой точки ученым требуется сконструировать крошечную колонну, едва различимую глазом. По виду она напоминает знаменитую Башню Дьявола[173]. Подобно геологическому монолиту, такая микроскопическая «башня» состоит из слоев. Снизу вверх в ней укладываются следующие вещества: полупроводник, тонкий изолирующий слой (керамика), индий, более толстый слой керамики и металлическая верхушка. На верхушку подается положительный электрический заряд, притягивающий электроны. Электроны устремляются вниз, пока не достигают изолятора, который для них обычно непроницаем. Однако если изолятор достаточно тонок, то электрон (который на фундаментальном уровне представляет собой просто волну) включает какую-то квантово-механическую магию и «туннелирует» прямиком к индию.
В этот момент ученые отключают электричество, перехватывая улетевший электрон. Атомная решетка индия такова, что электроны могут свободно перемещаться между атомами, однако поглощение электрона атомом здесь случается сравнительно редко. Электрон словно парит над слоем атомов, мобильный, но дискретный, и если слой индия достаточно тонок и узок, то порядка тысячи атомов индия объединяются и действуют как единое целое, совместно используя захваченный электрон. Возникает некий суперорганизм. Если внедрить в квантовую точку два или более электронов, то внутри индия они примут противоположные спины и рассредоточатся по гигантским орбиталям и оболочкам. Сказать, что это странно, – ничего не сказать. Фактически мы получаем колоссальные атомы, подобные тем, что образуются в конденсате Бозе – Эйнштейна, но без тех хлопот, которые связаны с охлаждением субстанции до миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. Причем такие опыты – отнюдь не забава, оторванная от реальности. Квантовые точки демонстрируют невероятный потенциал для создания квантовых компьютеров нового поколения. Ученые получают возможность управлять отдельными электронами и совершать вычисления с их помощью. Это гораздо более быстрая и чистая техника, чем прокачка миллиардов электронов через полупроводниковые интегральные схемы Джека Килби, сконструированные в середине прошлого века.
Периодическая система также преобразится под влиянием исследований, связанных с квантовыми точками. Эти точки настолько плоские, что и форма электронных оболочек в них очень своеобразная. В настоящий момент представляется, что периодическая система плоских элементов значительно отличается от той, которая известна нам сегодня. Во-первых, она более узкая, так как в ней правило октетов не соблюдается. Электроны заполняют оболочки быстрее, между инертными благородными газами насчитывается меньше элементов. Тем не менее многие квантовые точки весьма бурно реагируют друг с другом, вступая во взаимодействия и образуя… ну, кто их знает, что они образуют. В отличие от суператомов, никаких аналогий между «элементами» из квантовых точек и обычными элементами провести не удается.
Завершая книгу, следует признать, что сиборговская таблица, напоминающая замок с двумя башнями, укрепленный двумя рвами из лантаноидов и актиноидов, еще долгие годы будет красоваться в кабинетах химии. Это очень наглядная схема, по которой удобно и легко учиться. Но мне хотелось бы устыдить издателей учебников по химии: сиборговскую таблицу читатель зачастую видит уже на обложке, но почти никто из издателей хотя бы на заднем форзаце не готов напечатать еще несколько не менее наглядных и наводящих на размышление вариантов таблицы. Объемные фигуры, теснящиеся на странице, сближающие, казалось бы, совершенно разные элементы, стимулируют воображение. Я очень хотел бы пожертвовать хотя бы тысячу долларов какой-нибудь некоммерческой группе энтузиастов, которые не покладая рук выдумывали бы все новые варианты таблицы, какие только можно себе представить. Современная периодическая таблица долго и исправно служила нам, но, если удастся по-новому представить и начертить ее, это будет великое достижение для всего человечества (или как минимум его части). Более того, если когда-нибудь нас посетят инопланетяне, они по достоинству оценят нашу изобретательность, изучив такую схему. А если пофантазировать как следует – кто знает, вдруг они найдут среди наших таблиц тот вариант, который будет им знаком.
Не исключено, конечно, что старый добрый замок с башнями восхитит пришельцев своей изумительной и чистой простотой. Возможно, несмотря на все альтернативные варианты расположения элементов и все знания о суператомах и квантовых точках, которыми может обладать инопланетная цивилизация, они увидят в нашей периодической таблице что-то новое. Мы будем рассказывать им, как читать различные уровни информации, заложенные в таблицу Менделеева, а они – восторженно свистеть (или издавать другие сигналы), поражаясь тому, как красиво людям удалось расставить все химические элементы в такой наглядной периодической таблице.
Благодарности
Прежде всего я хотел бы поблагодарить самых близких людей – моих родителей, которые привили мне страсть к писательству, а когда я увлекся этим, никогда не требовали объяснять, что я планирую делать в будущем. Мою любимую Паулу, которая никогда не оставляла меня. Моих брата и сестру – Бена и Бекку, которые научили меня безобразничать. Всех моих друзей и близких из Южной Дакоты и с малой родины, которые поддерживали меня и помогли выйти в люди. Наконец, искренне благодарю всех моих учителей и университетских преподавателей, которые первыми рассказали мне разнообразные истории, изложенные на страницах этой книги, даже не представляя, насколько ценны для меня эти сюжеты.
Кроме того, хочу поблагодарить моего литературного агента Рика Броудхеда, который оценил замысел книги и согласился, что я – тот человек, который сможет ее написать.
Также должен поблагодарить тех многих и многих людей, которые помогли мне в написании отдельных глав и сюжетов, дополняя подробностями мои истории, помогая мне находить информацию либо просто любезно соглашаясь уделить мне время и разъяснить те или иные моменты. Особо хочу отметить Стефана Фаянса; Теодора Грея, сотрудника сайта periodictable.com, Барбару Стюарт из компании «Алкоа», Джима Маршалла из университета Северного Техаса, Эрика Скерри из Калифорнийского университета (Лос-Анджелес), Криса Рида из Калифорнийского университета (Риверсайд), Надю Изаксон; отдел информационного обеспечения организации Chemical Abstracts Service, а также всех сотрудников естественно-научного отдела Библиотеки
Конгресса. Если кого-то забыл – прошу прощения; вам я тоже искренне благодарен и очень сожалею, что не назвал вас.
Наконец, выражаю особую благодарность Дмитрию Ивановичу Менделееву, Юлиусу Лотару Мейеру, Джону Ньюлендсу, Александру Эмилю де Шанкутруа, Уильяму Одлингу, Густавусу Хинриксу и всем остальным ученым, которые приложили руку к созданию периодической системы элементов, а также тысячам и тысячам тех, чей вклад в науку позволил появиться всем этим увлекательным историям о химических элементах.
Библиография
Ниже перечислены далеко не все источники, которыми я пользовался при подготовке этой книги. Немало указаний на другие работы вы найдете в примечаниях. Здесь я просто перечислил л