Карманная спектроскопия

Я пристрастился ночами гулять по Нью-Йорку и глядеть на огни города через карманный спектроскоп, который всегда ношу с собой. Как любая призма, он расщепляет свет на составляющие цвета, и я могу насладиться разными спектрами от городских источников света. Под мостами Центрального парка есть прекрасные натриевые лампы, которые в спектроскопе дают одинокую яркую желтую линию. На Таймс-сквер десятки разных люминесцентных ламп, на главных магистралях – большие ртутные фонари, а в районе Грамерси, на Сент-Люк-плейс и в Бруклине можно найти старомодные газовые светильники с зелено-желтым пламенем.

Недавно я шагал по Гринвич-Виллиджу, с удовольствием разглядывая через спектроскоп алые неоновые вывески ресторанов (казалось бы, простой неоновый свет оказывается на удивление сложным и состоит из более чем дюжины ярких красных и желтых линий), и обнаружил, что за мной недоуменно следят посетители одного из баров.

Я зашел внутрь и объяснил, чем занимаюсь. Через несколько минут посетители выстроились в нетерпеливую очередь, чтобы посмотреть в мой маленький спектроскоп на неоновую вывеску, на уличные фонари, на пламя свечи, горящей на тротуарном столике у бара.

Привет с Острова Стабильности

В начале 2004 года группа русских и американских ученых объявила об открытии двух новых элементов – 113-го и 115-го. В таких новостях есть нечто вдохновляющее, волнующее, заставляющее думать о вновь открытых землях, о новых областях природы.

Только в конце восемнадцатого века сложилось четкое представление об «элементе» как о субстанции, которую нельзя разложить химическими способами. В первые десятилетия девятнадцатого века Гемфри Дэви, охотник на крупную дичь в химии, взволновал и ученых, и общество, добыв калий, натрий, кальций, стронций, барий и некоторые другие элементы. В следующую сотню лет продолжали совершаться новые открытия, часто будоражащие воображение публики, а когда в 1890-х годах в атмосфере были найдены пять новых элементов, они быстро появились в романах Г. Д. Уэллса: аргон использовали марсиане в «Войне миров», а с помощью гелия был создан антигравитационный материал, обеспечивший передвижение героям Уэллса в «Первых людях на Луне».

Последний существующий в природе элемент, рений, был открыт в 1925 году. Однако затем, в 1937-м, произошло нечто не менее волнующее: было объявлено о создании нового элемента – элемента, по-видимому, не существующего в природе. Элемент под номером 43 был назван «технецием», чтобы подчеркнуть, что он стал продуктом человеческой технологии.

Считалось, что существует только девяносто два элемента, и последний из них – уран, чье массивное атомное ядро содержит целых девяносто два протона и еще больше нейтральных частиц (нейтронов). Но почему бы урану быть последним? Можно ли создать элементы после урана, даже если их нет в природе? Когда в 1940 году Гленн Т. Сиборг и его коллеги по Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии сумели создать новый элемент с девяносто четырьмя протонами в громадном ядре, они и представить не могли, что может быть получено что-то еще более массивное, и назвали новый элемент «ультимий» (позже его переименовали в плутоний).

Если элементы с огромным атомным ядром не существуют в природе, то, видимо, потому что они очень нестабильны: чем больше в ядре протонов, отталкивающих друг друга, тем более склонно ядро к произвольному распаду. И в самом деле, Сиборг и его коллеги, пытаясь создать все более тяжелые элементы (за следующие двадцать лет они создали девять, и 106-й элемент был назван в честь физика – сиборгий), обнаружили их возрастающую нестабильность – некоторые распадались через микросекунды после появления. Были серьезные основания полагать, что не удастся продвинуться дальше 108-го элемента – и это будет действительно «ультимий».

Затем, в конце 1960-х годов, возникла радикально новая концепция ядра: идея о том, что протоны и нейтроны укладываются в «оболочки» (подобно «оболочкам» электронов, вращающихся вокруг ядра). Стабильность атомного ядра, говорили теоретики, зависит от заполненности этих ядерных оболочек – как химическая стабильность атома зависит от насыщенности его электронной оболочки. Было подсчитано, что идеальное («магическое») число протонов, необходимое для насыщения атомной оболочки, – 114, а идеальное число нейтронов – 184. Ядро с обоими этими числами, «дважды магическое» ядро, может оказаться, несмотря на громадные размеры, на удивление стабильным.

Удивительная, парадоксальная идея! (Как и идеи о черных дырах или темной энергии.) От нее даже такие трезвомыслящие ученые, как Сиборг, переходили на язык аллегорий. Он говорил о море нестабильности – порой фантастически нестабильных элементах от 101-го до 111-го, – которое надо каким-то образом перескочить, чтобы добраться до того, что Сиборг назвал островом стабильности (протянувшимся от 112-го до 118-го элемента, с «дважды магическим» изотопом 114-го элемента в центре). Постоянно звучал термин «магический» – Сиборг и остальные говорили о магическом хребте, магической вершине, магическом острове элементов.

Картинка захватила воображение физиков всего мира. Важно это или нет с научной точки зрения, но психологически хочется посетить или хотя бы увидеть эту магическую территорию. Здесь появляются и другие аллегории: Остров Стабильности может представляться перевернутым с ног на голову, царством Алисы в Стране чудес, где чудные гигантские атомы живут своей странной жизнью. Или, ностальгически, Остров Стабильности можно представить некой Итакой, где атомный странник после десятилетий схватки с морем нестабильности может наконец обрести рай.

На эти исследования не жалеют ни сил, ни средств. Громадные ускорители частиц, коллайдеры, в Беркли, Дубне и Дармштадте включились в поиск, и десятки блестящих энтузиастов посвятили этому жизнь. Наконец, в 1998 году, более чем тридцатилетняя работа дала плоды. Ученые достигли далеких берегов магического острова: они сумели создать изотоп 114-го элемента, хотя и на девять нейтронов ниже магического числа (когда я в декабре 1997-го встретил Гленна Сиборга, он сказал, что его самая давняя и самая желанная мечта – увидеть один из этих магических элементов; увы, когда о создании 114-го объявили в 1999 году, Сиборг уже перенес инсульт и не узнал об осуществлении своей мечты).

Поскольку элементы одной вертикальной группы в Периодической таблице обладают сходными свойствами, можно с уверенностью сказать, что один из новых элементов, 113-й, это тяжелый аналог 81-го элемента, таллия. Таллий, мягкий, похожий на свинец металл, – один из самых странных элементов, с такими удивительными и противоречивыми химическими свойствами, что ранние химики не знали, куда поместить его в Периодической таблице. Таллий иногда называли утконосом среди элементов. Окажется ли новый, тяжелый аналог таллия, «суперталлий», столь же странным?

Еще один новый элемент, 115-й, должен быть тяжелым аналогом 83-го элемента, висмута. Я пишу эти строки, глядя на призматический кристалл висмута, поблескивающий переливающимися цветами окисла, и не перестаю думать: будет ли «супервисмут», если его удастся получить в большом количестве, таким же красивым – или еще красивее?

И можно ли будет получить больше, чем несколько атомов этих супертяжелых элементов? Ведь их период полураспада составляет много лет, в отличие от элементов, идущих перед ними, которые исчезают за доли секунды. Атомы 111-го элемента, тяжелого аналога золота, распадаются меньше чем за миллисекунду, а получить сразу больше одного-двух атомов сложно, так что мы можем так и не узнать, как выглядит «суперзолото». Но если мы сумеем создать изотопы 113-го, 114-го (суперсвинец) и 115-го элементов с периодом полураспада в годы или века, мы получим три очень плотных и странных новых металла.

Разумеется, остается лишь догадываться, какими свойствами будут обладать 113-й и 115-й элементы. Никто не в состоянии предсказать практической пользы химических открытий. Кому бы в голову могло прийти, что германий – непонятный «полуметалл», открытый в 1880-е годы, – окажется ключевым для развития транзисторов? Или что такие элементы, как неодим и самарий, сотню лет считавшиеся просто курьезами, станут главными в создании беспрецедентно мощных постоянных магнитов?

Такие вопросы в некотором отношении бессмысленны. Мы ищем Остров Стабильности, потому что он, как гора Эверест, существует. И как в случае с Эверестом, ученых заставляет проверять гипотезы сильное чувство. Поиск магического острова показывает нам, что наука вовсе не сводится к холодному расчету, как полагают многие; ее двигают вперед страсть, стремления и романтика.