1997. Сиборгий Сиборга
Открытие (или создание) ранее неизвестного химического элемента сразу же позволяет первооткрывателю попасть в элитный клуб учёных. Открытие двух и более химических элементов – еще более редкое достижение. Мари и Пьер Кюри открыли два химических элемента (хотя тут можно каждому члену семейного творческого коллектива засчитать по одному), Йонс Якоб Берцелиус открыл четыре химических элемента, и Хэмфри Дэви – шесть.
Тем не менее, есть один учёный, благодаря работам которого в Периодической системе появилось десять химических элементов – Гленн Сиборг. В 1997 году в честь признания заслуг Сиборга его именем был назван элемент № 106 – сиборгий (Sg). В отличие от Эйнштейна и Менделеева, «прописанных» в таблице посмертно, Сиборг прижизненно стал первым из двух «людей и химических элементов». Вторым человеком, в честь которого назвали химический элемент при его жизни, стал наш, российский физик-ядерщик Юрий Цолакович Оганесян, в честь которого в 2016 году назван элемент № 118 – оганессон (Og).
Сиборг прожил яркую и насыщенную жизнь. Он не только делал открытия, которые принесли ему Нобелевскую премию по химии в 1951 году. Сиборг участвовал в разработке ядерного оружия и атомной энергетики. Под его руководством было защищено 68 диссертаций, он был автором или соавтором пятисот научных статей, научным советником 10 Президентов США и даже участвовал в написании школьного учебника по химии и методических рекомендаций к нему для учителей химии. Но при этом Сиборг не только отдавал всего себя работе – у него было шестеро детей, он был заядлым туристом и игроком в гольф, читал книги и работал в саду.
Гленн Теодор Сиборг родился 19 апреля 1912 года в Ишпеминге, шахтёрском городке штата Мичиган. Мать Сиборга, как и родители его отца, были эмигрантами из Швеции, поэтому Сиборг научился говорить по-шведски раньше, чем по-английски. В 1922 году семья Сиборга в поисках лучших перспектив переехала в маленькую калифорнийскую общину Хоумс Гарден, в наше время – пригород Лос-Анжелеса. Во 1920–30-е годы Сиборги переживали тяжелые времена: часто отец Гленна, работавший механиком, перебивался сезонными заработками или вообще сидел без работы. Тем не менее, в 1933 году Гленн Сиборг получил диплом химика в Университете Калифорнии Лос-Анжелеса, ему удалось самостоятельно оплатить обучение. В 1934 году Сиборг поступил в аспирантуру, где он изучал уже физику, и защитил диссертацию, получив степень доктора философии в 1937 году. Декан факультета химии в Беркли, Гилберт Льюис (тот самый, который под влиянием Вернера разработал принцип восьмиэлектронных оболочек), нанял его на должность ассистента лаборатории. Сиборг занялся исследованиями, опубликовав в соавторстве с Льюисом десятки работ.
В 1939 году Сиборг стал инструктором в Беркли, и, возможно, его ждал бы обычный путь химика, направление исследований которого зависело бы от мейнстрима, однако в том году произошло два знаковых события, изменивших его судьбу – был открыт процесс распада атомных ядер, и началась вторая мировая война. К тому времени Сиборг уже успел получить навыки работы на одном из самых сложных в те времена научных устройств – на циклотроне. Принципы работы циклотрона были сформулированы в 1920-х годах Лео Силардом, а первый функционирующий циклотрон был построен в Беркли в 1931 году Эрнстом Лоуренсом и Милоном Ливингстоном. В этом приборе переменные электрические токи с высокой частотой ускоряли заряженные частицы до беспрецедентной скорости. Бомбардировка ускоренными частицами подходящих мишеней позволяла получать ранее неизвестные изотопы, ряд из которых находил практическое применение. Так, например, нуклид 131I (йод-131) применялся для лечения злокачественных опухолей щитовидной железы. Однако, на первых порах участие Сиборга в этой исследовательской программе было неофициальным. Как позже он отмечал в воспоминаниях:
«Днём я проводил эксперименты с кислотами и щёлочами в роли персонального помощника лучшего физхимика всех времён и народов – Гилберта Льюиса, ночью же я проводил свободное время, изучая тайны атомов. Моя карьера началась с момента, когда физик, имевший доступ к работе на засекреченном тогда циклотроне, предложил мне проанализировать радиоизотопы, которые содержались в «горячем» образце. На небольшом лабораторном столе с помощью водопроводной воды, реактивов, тайно вынесенных с химического факультета, мне удалось провести разделение и продемонстрировать, что химик может быть полезен в области, в которой доминировали физики. Этот успех открыл мне дверь к сотрудничеству, которое в итоге и стало делом всей моей жизни».
В 1939 году до Беркли дошли исключительно важные вести из Европы. В декабре 1938 года в Берлине Отто Ган и Фридрих Вильгельм Штрассман провели первый успешный эксперимент по расщеплению атомного ядра. В январе 1939 года их результат был правильно интерпертирован бывшей коллегой Гана Лизой Мейтнер, эмигрировавшей в Швецию, и её племянником, Отто Фришем. На фоне этих известий Эдвин МакМиллан (поделивший с Сиборгом Нобелевскую Премию по химии в 1951 году) интенсифицировал исследования. В мае 1940 года исследователи из группы МакМиллана получили крошечные количества первого искусственного химического элемента № 93, бомбардируя уран потоком нейтронов.
В Европе уже бушевала война, США еще сохраняли нейтралитет, но при этом наращивали свою военную мощь. В ноябре 1940 года МакМиллан оставил лабораторию ядерных исследований в Беркли и начал работу над секретным правительственным проектом по разработке радара, наказав Сиборгу продолжать исследования в области строения атомных ядер. В начале 1941 года Сиборг с ассистентами подтвердили синтез другого искусственного элемента – с номером 94. Для этого они облучали урановую мишень дейтронами – ядрами дейтерия. Поскольку новые элементы в Периодической системе следовали за ураном, их назвали нептунием и плутонием (по аналогии с тем, что в Солнечной системе после Урана расположены Нептун и считавшийся тогда планетой Плутон), но информация об их открытии не была опубликована.
Такая секретность была связана с тем, что один из нуклидов плутония (плутоний-239) подвергался самопроизвольному распаду с выделением нейтронов, что делало возможным осуществление цепной реакции, протекающей с выделением огромного количества энергии. В США возможность создания ядерного оружия и создания атомной бомбы только рассматривалась – администрация Президента Рузвельта еще рассматривала написанное в августе 1939 года письмо Эйнштейна и других физиков, которое обращало внимание президента на то, что нацистская Германия ведёт активные исследования, в результате которых может вскоре обзавестись атомной бомбой; в письме также содержался призыв к началу широкомасштабных атомных исследований в США. В декабре 1941 года после атаки на Перл-Харбор и вступления США в войну, письмо Эйнштейна с сотоварищами дало старт новой исследовательской программе, получившей название «Манхэттенский проект». В июне 1942 года Сиборг присоединился к работе над проектом, почти мимоходом женившись по пути на новое место работы. Избранница Сиборга, Хелен Григгс работала в Беркли секретарём Эрнста Лоуренса. Она и Сиборг встречались с 1941 года, вместе они отправились на поезде из Беркли в Чикаго и на небольшой остановке в Неваде оформили свои отношения. Хотя процедура заключения брака была короткой и аскетичной, все последующие 56 лет до смерти Сиборга они прожили счастливо. У Сиборгов было шестеро детей, оба супруга разделяли увлечения друг друга, например – пешие прогулки по природе. Сам Гленн часто называл Хелен «Моё самое ценное открытие».
Молодожёны прибыли в Чикаго в тот момент, когда Манхэттенский проект достиг критической точки. В декабре 1942 года удалось осуществить первую контролируемую цепную ядерную реакцию в устройстве, которое под руководством Энрико Ферми было смонтировано под трибунами университетского футбольного стадиона Стэгг-Филд. Реактор Ферми называли «кучей» – он был сложен из брусков графита, которые должны были сдерживать скорость цепной реакции. Уран и оксид урана размещались между графитовыми брусками. Атомная гонка началась. Многонациональная команда Ферми, в которую вошли в том числе и эмигрировавшие в 1933 году из Германии учёные (Фриш, Бете, Силард, Фукс, Теллер, Блох и другие), а также Нильс Бор, вывезенный из оккупированной Германией Дании, знали, что немецкие учёные во главе с лауреатом Нобелевской премии Вернером Гейзенбергом работают над аналогичным проектом. Казались перспективными два направления работ. Часть учёных пыталась отделить активный уран-235 от менее активного (но более распространенного в земной коре) урана-238. В то же время другие исследователи во главе с Сиборгом пытались извлекать плутоний-239 из продуктов, наработанных в реакторе. Это было опасно и сложно. Сиборг писал:
«Моя цель казалась невыполнимой – разработать автоматический процесс для производства элемента, существующего в количествах столь малых, что никто его не видел. Производство должно было быть экранировано толстыми бетонными стенами, и после его запуска никто не мог бы оказаться на его территории для настройки оборудования или его починки, не получив при этом смертельной дозы радиации. Были и неудачи. Однажды ночью полка рухнула, потому что работник перегрузил ее, поставив экранирующий радиоактивное излучение свинец. Падение полки разбило пузырёк на столе и четверть мировых запасов плутония впиталась в номер газеты Sunday Tribune. Но нам как-то удавалось выдерживать график».
К концу 1944 года стало ясно, что война в Европе успеет закончиться до того, как любая из воюющих сторон успеет создать атомное оружие, но работа над проектом продолжалась. Новая цель проекта теперь заключалась в принуждении Японии к капитуляции. Многие учёные опасались, что применение атомного оружия вызовет значительные жертвы среди гражданского населения, и Сиборг был в числе этих учёных. Он подписал обращение в администрацию президента США, в котором излагалась идея того, что запугать Японию и принудить её к капитуляции можно будет простой демонстрацией действия атомной бомбы на необитаемом островке в Тихом океане. В администрации Трумэна сочли такой подход непрактичным, и в августе 1945 года Хиросима была разрушена урановой бомбой, а Нагасаки – плутониевой. Вскоре война закончилась, но атомная эра началась.
В 1946 году Сиборг вернулся к научной работе в Беркли. Работая с плутонием, он детектировал следы других трансурановых элементов, и ему хотелось завершить исследования и опубликовать их результаты. Однако помимо практических вопросов работы и обращения с этими элементами, возникали проблемы и общетеоретического характера – куда размещать эти элементы в Периодической системе? Вопрос был далеко не праздным. Редкоземельные элементы, более известные как лантаноиды, тоже не могли найти себе клетки в таблице Менделеева, пока Нильс Бор не разработал модель атома со стационарными орбитами.
В 1921 году Бор предположил, что 14 элементов, следующих в Периодической системе за лантаном, образуют внутренние переходные серии, а число их внешних, то есть валентных электронов остаётся равным трём, пока не заполнится внутренний 4f-электронный подуровень. Он предположил, что не открытый ещё в то время элемент, завершающий эту серию, должен находиться в Периодической системе в той же группе, в которой расположены гафний и цирконий. Этот элемент был открыт Дирком Костером и Дьёрдем де Хевеши, которые, убедившись, что свойства этого элемента соответствуют теоретическим предсказаниям Бора, назвали его гафнием (Hafnia – латинское название Копенгагена). Дальше – больше. Бор также предположил, что элементы под актинием должны образовать вторую внутреннюю переходную серию, в которой должен заполняться 5f-электронный подуровень. Большая часть химиков относилась к этому со скептицизмом. Они продолжали помещать торий (атомный номер 90, максимальное значение валентности – 4) в четвёртую группу, под титаном, цирконием и гафнием, при том, что в те времена уран (атомный номер 92, максимальная валентность – 6) казался обитателем шестой группы и соседом хрома, молибдена и вольфрама. Когда были открыты первые трансурановые элементы, казалось логичным поместить нептуний в седьмую группу – под марганец и рений, а плутоний в восьмую – к рутению и осмию. Результаты исследований Сиборга говорили другое, и в 1945 году он опубликовал Периодическую систему с новой структурой, в которой актиноиды располагались в качестве отдельной серии элементов прямо под лантаноидами. Первоначально многие химики рассматривали такой редизайн как безумную идею, но со временем эта структура таблицы Менделеева стала стандартной.
Исследования америция (№ 95) и кюрия (№ 96) подтвердили, что их наиболее устойчивой степенью окисления была степень окисления +3. Дальнейшие работы показали, что каждый трансурановый элемент также характеризуется степенью окисления +3. Далее Сиборг продемонстрировал близость химических свойств трансурановых элементов, их схожесть со свойствами лантаноидов, что давало все больше и больше свидетельств в пользу существования привычной сейчас для химии группы актиноидов. Аргументы Сиборга основывались на изучении химических свойств. Эту информацию удавалось получать с огромным трудом, так как для исследования были доступны лишь крошечные образцы новых элементов. Сиборг мог объяснить наблюдаемые явления и с точки зрения физики. Он отмечал в своей Нобелевской лекции:
«Энергии подуровней 5f- и 4d- настолько близки, что энергия перехода электрона с одного подуровня на другой пренебрежимо мала».
В последующие годы Сиборг с соавторами улучшал и разрабатывал методики для получения и изучения новых трансурановых элементов – берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделеевия, нобелия и, в конце концов, сиборгия. Продолжая координировать эту исследовательскую программу, Сиборг был вовлечён и в другие проекты. С 1958 по 1961 год Сиборг был ректором Университета Калифорнии, Беркли. В октябре 1958 года Сиборг объявил о снятии запретов на политическую деятельность, и запрет на поддержку коммунизма среди студентов был снят. Он был сторонником проведения спортивных мероприятий с участием университетской команды «Калифорнийские медведи», причём лозунг команды «Вперёд, медведи» (Go Bears) был анаграммой его фамилии – Seaborg. Калифорнийские Медведи выиграли свой первый и единственный Спортивный чемпионат Национальной студенческой ассоциации по баскетболу в 1959 году, во времена ректорства Сиборга. С 1961 по 1971 год Сиборг был председателем Комиссии по атомной энергии США, в которой он сыграл важную роль в международных переговорах, результатом которых в итоге стала декларация ООН о нераспространении атомного оружия (которая, увы, в наше время, не выполняется). Президенты США консультировались с Сиборгом, в его воспоминаниях есть эпизод, что Линдон Джонсон однажды вытащил учёного из бассейна для срочной консультации по телефону, которую он давал, стоя в плавках и даже не успев использовать полотенце.
Сиборг сохранял активность до последних дней жизни. В 1998 году в Бостоне на заседании Американского химического общества Сиборг перенес инсульт, что привело его к смерти полгода спустя, 25 февраля 1999 года в своем доме. Имя Сиборга увековечено не только в Периодической системе, но и в небесах. В 1984 году в его честь был назван астероид – 4856 Сиборг. Это подходящая честь для того, кто как герои вселенной Звездного пути, смело мог сказать: «Моя цель – смело идти туда, куда не ступала нога человека».
