Алхимики оказались правы
Человечество существует десятки тысяч лет. А наука в современном понимании этого слова существует лет двести. Ну, пусть триста. А до этого человечество слепо тыкалось в природу, норовя путем проб и ошибок чего-то достичь в практическом смысле. И вот, поднакопив знаний, человечество стало их систематизировать, анализировать и заложило основы науки. После чего прогресс и развитие цивилизации ускорились. Развитие человечества пошло невероятно быстро.
Любой школьник сегодня знает об устройстве мира больше, чем знало все человечество пятьсот лет назад. Взрослый знает чуть меньше, потому что забыл школьный курс. Вы знаете чуть больше среднестатистического взрослого, потому что держите в руках эту книгу и к данному моменту уже достигли уровня школьника – вы вспомнили, как устроено вещество. А раньше человечество об этом даже представления не имело. И потому в Средние века, то есть лет пятьсот-шестьсот назад, была весьма модной идея сделать золото из какой-нибудь дряни.
Люди, которые этим занимались, назывались алхимиками. Алхимия – предтеча химии, то есть невзрачное сухое зернышко, из которого потом выросло прекрасное растение науки по имени химия.
Алхимиков очень любили средневековые правители. Они выделяли им пару комнат в своих замках, и алхимики проводили там свои опыты – нагревали в банках и ретортах разные вещества, смешивали их в случайном порядке, пытаясь достичь результата. В основном их работа была направлена на поиск трех вещей:
• панацеи (лекарство от всех болезней),
• эликсира бессмертия (средство для вечной жизни),
• и философского камня, который бы превращал разные вещества в золото.
В надежде на эти прелести средневековые владельцы замков и оплачивали безумные опыты алхимиков, которых в народе считали колдунами.
Чаще всего алхимики пытались с помощью разных ухищрений превратить в золото ртуть и свинец. Почему?
А посмотрите в таблицу Менделеева! Где расположены ртуть и свинец? Рядом с золотом! То есть по тяжести они почти одинаковы. Точнее говоря, почти одинаковы по плотности. Интуиция подсказывала алхимикам, что раз у этих металлов похожи некоторые свойства (плотность), значит, копать надо в этом направлении, сделать еще какой-то шажок, чего-нибудь добавить, и серый невзрачный легкоплавкий мягкий тяжелый свинец превратится в желтое сверкающее мягкое тугоплавкое тяжелое золото.
Увы! Не получилось.
И мы теперь знаем почему.
Потому что золото – химический элемент, то есть простейшее вещество. Сложное вещество можно собрать из простых. Сложное вещество можно разложить на простые. И если бы золото было веществом сложным, его можно было бы сконструировать из химических элементов, как поваренную соль можно сделать химическими методами из натрия и хлора, а воду – из водорода и кислорода.
Но золото вещество простое, это элементарная деталька химического конструктора природы. Из деталек можно собирать что-то более сложное химическими методами. А вот золото собирать не из чего: оно само уже сделано из элементарных частиц.
Почему нельзя превратить свинец в золото?
Свинец имеет номер 82 и атомный вес 207 единиц. То есть в его атомном ядре 82 протона и (207 – 82) = 125 нейтронов.
А у золота номер 79 и вес – 196. То есть в его ядре 79 протонов и 117 нейтронов.
Чтобы превратить атом свинца в атом золота, нужно как-то вынуть из его ядра три протона и восемь нейтронов. Потом надо смахнуть с орбиты лишние электроны. И это нужно сделать с каждым атомом свинцового слитка, а этих атомов в 1 грамме свинца больше, чем звезд на небе.
Вы не знаете ближайший магазин, где продается пинцет и такой микроскоп, чтобы увидеть атом и с ним поработать? Нет такого пинцета! Потому что пинцет сам состоит из атомов.
Невозможно.
Именно это слово возникло в голове у химиков, когда наука узнала, как устроено вещество. Им оставалось только улыбаться, вспоминая наивные попытки средневековых алхимиков.
Ну, невозможно превратить один химический элемент в другой! Никак нельзя.
И всем это стало понятно.
Каково же было удивление ученых, когда они узнали, что иногда одни химические элементы все-таки превращаются в другие! Сами по себе. Правда, в количестве одного атома, а не всего слитка целиком.
Почему так бывает?
А помните мы говорили про изотопы? Это такие атомы-уродцы, у которых на один-два лишних нейтрона больше, чем у собратьев. Так вот, эти лишние нейтроны, чувствуя свою ненужность плотной семье атомного ядра, впадают в меланхолию и кончают жизнь самоубийством.
Распадаются.
Так бывает не всегда. Есть стабильные изотопы, в которых нейтронам живется хорошо, они водят хороводы и всячески прославляют жизнь внутри атомного ядра, даже не думая распадаться. Но не все изотопы столь благостны.
Газ неон, например, которым заполняют неоновые лампочки, имеет стабильные изотопы. В норме у «здорового» атома неона 10 нейтронов на 10 протонов. Но среди нормальных атомов встречаются и изотопные, у которых 12 нейтронов. Ничего, прекрасно себя такой неон чувствует. Неон-20 столь же устойчив, что и неон-22.
Есть стабильные изотопы и у кислорода. Например, кислород-17 и кислород-18. В норме атомный вес кислорода – 16 единиц (если не верите, гляньте в табличку дедушки Менделеева), но если присутствует лишний нейтрончик, то вес вырастает на единичку, и получается О17. А если два лишних нейтрона – О18.
Науке на сегодняшний день известно несколько сотен стабильных изотопов у разных элементов и несколько тысяч нестабильных.
Нестабильные – самые интересные! Возьмем, например, нестабильный изотоп углерода. Он называется углерод-14 или кратко – С14.
Углерод имеет номер 6 и атомный вес 12. То есть у нормального, прилично себя ведущего углерода 12 нуклонов в атомном ядре – 6 протонов и 6 нейтронов.
А вот у «больного» углерода на два нейтрона больше, соответственно атомный вес, измеряемый в гирьках нуклонов, у него составляет 14 единиц. Потому и зовут его углерод-14.
Такой больной атом с раздутым нейтронным флюсом долго не живет. Впрочем, смотря что называть словом «долго». Срок его существования измеряется тысячелетиями. По сравнению с человеческой жизнью это много, конечно. Но если сравнивать с нормальными ядрами, которые «живут» вечно, то это просто миг.
Что же происходит с С14 после «смерти»? Как он заканчивает свой жизненный путь?
Один из лишних нейтронов распадается. Мы уже знаем, что при этом получается – протон, электрон и нейтрино. Легкий электрон и совсем невесомое нейтрино выстреливаются из ядра с огромными скоростями и уносятся, как пули, прочь, а тяжелый протон остается в ядре. А что это значит?
Это значит, что в ядре стало на один протон больше, то есть углерод превратился в азот! Именно у азота в ядре 13 протонов. Можете посмотреть в таблице Менделеева.
Вообще это удивительно! Свойства химического элемента, как мы знаем, определяются количеством протонов в ядре его атома. И вот к каким переменам приводит добавление всего одного лишнего протона… Углерод (6 протонов) – черный, твердый, пачкающий материал. Посмотрите на грифель простого карандаша – это чистый углерод. А азот (7 протонов) – прозрачный газ без запаха. Тем не менее углерод превратился в азот, стоило появиться там лишнему плюсовому заряду. Понятно, что превратился в азот всего один-единственный изотопный атом из миллионов окружающих его нормальных углеродных, но все равно интересно.
Срок жизни атома-уродца по имени углерод-14 составляет… А сколько же он составляет? Выше я написал, что несколько тысяч лет. Почему так неточно? Что помешало написать точный или хотя бы приблизительный срок жизни С14?
А то помешало, что у атома изотопа углерода нет определенного срока жизни. Он может прожить минуту, а может сто тысяч лет. Предсказать это никоим образом невозможно – таковы законы микромира. Но зато мы может предсказать другое!
Мы совершенно точно можем указать период полураспада, то есть тот срок, за который распадется половина атомов-мутантов. Для углерода-14 он составляет 5700 лет. То есть из миллиона атомов-мутантов через 5700 лет распадется 500 тысяч. Через следующие 5700 лет распадется еще половина – 250 тысяч. Еще через один период полураспада снова распадется половина – 125 тысяч. И так далее.
То есть в микромире мы можем предсказывать поведение только больших ансамблей микрочастиц. А поведение одной частицы предсказать не можем. В этом элементарные частицы схожи с людьми, между прочим! Мы не можем предсказать, пойдет ли конкретный Вася Пупкин сегодня в магазин или накатит рюмку и проспит весь день дома, а в магазин отправится завтра. Но мы, изучив статистику, можем точно сказать: ежедневно этот магазин посещают около четырех тысяч человек. А каковы их фамилии, неважно.
Таким образом элементарные частицы обладают своим собственным непредсказуемым поведением. Мы не в состоянии предсказать поведение частицы не потому, что чего-то еще не знаем про ее свойства или устройство, а потому, что такова природа вещей – в наш мир на уровне элементарных частиц вшита принципиальная непредсказуемость. Именно поэтому мир не фатален, то есть непредсказуем, ведь он состоит из непредсказуемых частиц! Мы может делать краткосрочные прогнозы с той или иной степенью точности и уверенности, но все до конца предсказать невозможно. Даже указанная выше статистика имеет погрешности – я имею в виду пример с магазином. Да, мы знаем, что его ежедневно посещают около четырех тысяч человек плюс-минус пятьсот. Откуда мы это знаем? Из опыта! Таковы данные наблюдений со времени открытия этого магазина. Никогда там не было за день менее 3500 человек и более 4500. А в среднем – четыре тысячи.
Значит, можно сделать предсказание: и завтра тоже придут четыре тысячи плюс-минус пятьсот. Эта неточность в предсказании – следствие общемировой непредсказуемости.
Вот, казалось бы, существует математически точная наука баллистика – она рассчитывает, куда упадет снаряд из пушки при определенном угле возвышения ствола и скорости вылета. Строгие формулы всегда дают однозначный вариант: снаряд упадет в такую-то точку. Однако на практике снаряд может упасть чуть правее или чуть левее, чуть дальше или чуть ближе расчетной точки. Предсказать, куда шваркнется данный конкретный снаряд, невозможно. Но известно, что снаряды всегда падают в некую область, которая называется эллипсом рассеивания. И потому совершенно точно мы можем лишь сказать: с вероятностью в 100 % снаряд попадет в эллипс рассеивания. Это – свидетельство несовершенства мира, его непредсказуемости, вшитой в саму основу бытия – в законы существования элементарных частиц.
Любое измерение всегда неточно, всегда в пределах определенного допуска. Каждый прибор имеет ошибку измерения. Любое предсказание тоже неточно. Правда, в большинстве бытовых ситуаций точность расчетов такова, что вполне покрывает все наши потребности. Скажем, напряжение в розетке может чуть-чуть колебаться, отклоняясь от положенных 220 вольт. Но приборы, рассчитанные на 220 вольт, эти небольшие штатные колебания выдерживают, поэтому можно не волноваться. И так везде.
Эллипс рассеивания. Так ложатся снаряды – гуще всего в центре, реже по окраинам
Мир не фатален – вот на какую глубокую мысль навел нас период полураспада…
Но зато, зная период полураспада углерода-14, ученые придумали, как определять возраст старинного предмета, если он содержит углерод. Как правило, речь идет о возрасте деревяшек – например, найденных остатках древнего корабля, стреле охотника или угольке первобытного костра. Деревяшки – это сплошной углерод, в древесине его просто уйма. Недаром слова «уголь» и «углерод» одного корня.
Так вот, пока дерево живет, оно дышит. Дышат растения углекислым газом – СО2. Он, как видите, сделан из кислорода и углерода. Кислород деревья выдыхают, а углерод остается. Деревья таким образом накапливают не только нормальные атомы углерода, но и уродливые – нестойкие изотопы С14, которые там одновременно накапливаются и потихоньку распадаются.
А когда дерево срубают на дрова или чтобы сделать из него корабль, оно дышать перестает. А значит, в нем перестает накапливаться углерод, включая углерод-14. И дальше изотоп только распадается. Его становится все меньше, и меньше, и меньше. Через 5700 лет останется половина. Еще через 5700 лет еще половина… Зная количество углерода С14 в воздухе и измерив, сколько его осталось в древней деревяшке, ученые узнают, когда дерево было срублено и отправлено в костер или на строительство.
Правда, таким методом нельзя определить совсем уж древние образцы, потому что примерно через 40–50 тысяч лет углерод-14 распадается почти весь, его остается так мало – буквально считаные атомы, что определить возраст предмета уже не представляется возможным.
У вас должен возникнуть вопрос. Ну, хорошо, дерево срубили, оно перестало дышать и накапливать этот изотоп из воздуха. Но в воздухе-то он откуда берется? Почему в воздухе он до сих пор весь не распался за миллионы и миллиарды лет существования нашей планеты? Он что, там постоянно образуется?
Конечно! Если бы не образовывался, давно бы уже не было на Земле никакого С14.
В верхних слоях атмосферы углерод-14 постоянно образуется из атмосферного азота под воздействием космических лучей, то есть активного солнечного излучения. Сначала космические лучи, сталкиваясь с веществом атмосферы, вышибают из него нейтроны. А уже эти вышибленные одинокие нейтроны сталкиваются с ядрами атомов азота.
Что получается? Простая запись ядерной реакции приведена ниже:
n + 7N14 = 6C14 + р+
Тут все как на ладони. Смотрите, нейтрон (n) налетает на ядро атома азота (N), имеющего 7 протонов и атомный вес в 14 единиц. И вышибает из него один положительно заряженный протон (р+). В результате получается элемент № 6, то есть с шестью протонами в ядре, а это углерод. Можете проверить по таблице Менделеева, если не верите. Атомный вес ядра при этом не меняется, поскольку на месте выбитого протона остается нейтрон.
Вот так в атмосфере все время образуется углерод-14. Этого углерода в атмосфере нашей планеты образуется каждый год… как вы думаете, сколько? Сразу скажу: не замахивайтесь на большие числа. Правильный ответ – около 8 килограммов. А всего углерода-14 в атмосфере Земли – 75 тонн.
Способность изотопов распадаться называют радиоактивностью. Это слово всем известно и всех пугает. Оно сразу связывается в сознании с атомными бомбами, ведь энергию своего взрыва атомные бомбы получают как раз за счет распада изотопов тяжелых металлов. Так же как и атомные электростанции, кстати.
И об этом стоит поговорить подробнее…
