Клаус Гофман. Можно ли сделать золото? Мошенники, обманщики и ученые в истории химических элементов
страница №6
...ать от филиала к филиалу, заключатьсделки на покупку земельных участков и замков и проводить переговоры "на
высшем уровне". Например, с председателем совета управления казначейства,
бывшим министром Ленце; Таузенд хотел у него узнать, куда надежнее всего в
будущем поместить мощную продукцию золота со своих фабрик.
Затем он поехал в Италию, завязал связи с одним из секретарей
фашистского диктатора Муссолини: Германия и Италия станут самыми мощными
державами мира благодаря новому процессу получения золота. Был послан
представитель, чтобы испытать почетное предложение Таузенда. К несчастью, он
оказался профессором химии. Дипломатическая встреча состоялась в замке Эппау
"барона" Таузенда в южном Тироле. Итальянский химик настоял на пробном
опыте. Таузенд химичил, как его покойные предшественники в далеком
средневековье. Однако ученый, почуявший обман, смог его уличить. "Невинный"
кусочек свинца, который Таузенд хотел добавить в расплав в последний момент,
оказался сплавом свинца с золотом!
К началу 1929 года "исследовательское общество" вынуждено было признать
себя несостоятельным. Растрачено было более миллиона золотых марок. Никто
толком не знал, куда девалась эта огромная сумма. Неработающие фабричные
установки, земельные участки для новых мастерских, полуразрушенные замки --
все это свидетельствовало о расточительстве Таузенда. Во всех частях
Германии доверившиеся ему люди предъявляли Таузенду иск в обмане. Бежавшего
злоумышленника наконец задержали в Италии. В качестве подследственного он
был перевезен в Милан.
Прошло более 300 лет с тех пор — с 1591 года, как на баварской земле
слушался процесс над алхимиком. Это был некий Марко Брагадино, которого
обезглавили под символической виселицей из золотой мишуры. Как-то сложится
судьба Таузенда?
Алхимик Таузенд доказывает свое искусство
Полтора года оставался Таузенд в тюрьме как подследственный пока
закончилось затяжное расследование и были составлены акты предварительного
следствия. Дело Таузенда было деликатным, ибо в него были втянуты
влиятельные политики и промышленники.
Не падая духом, преступник упорно уверял в своей невиновности. Он умеет
делать золото, даже килограммами, и пусть ему сначала докажут, что он не
может его сделать. Следователь и прокурор вышли из себя. Их терпение было
наконец исчерпано. Они назначили показательное испытание. Пусть Таузенд
покажет, на что он способен.
Это алхимическое представление состоялось в октябре 1929 года на
главном монетном дворе Мюнхена в присутствии его директора нескольких
специально проинструктированных полицейских, прокурора, следователя, а также
защитника.
Трюки жуликоватых алхимиков были к тому времени хорошо известны, и все
предохранительные меры приняты. Когда Таузенд прибыл на монетный двор, его
раздели догола, тщательно осмотрели, начиная от зубов до ногтей на ногах,
даже выворачивали веки. Однако искусник действительно сделал золото! Из
свинцовой пробы весом 1,67 г он выплавил блестящий металлический шарик,
который содержал, как показали позднейшие анализы, 0,095 г чистого золота и
0,025 г серебра. Хотя эксперимент проводился в отсутствие общественности,
молва об удачной трансмутации распространилась по городу с быстротой молнии.
Директор монетного двора под натиском репортеров, заикаясь, заявил, что у
него наверняка полегчало бы на сердце, если бы этого сверкающего кусочка
золота, сфабрикованного Таузендом, вовсе не существовало.
Экстренными сообщениями на первых страницах газет пресса сообщила о
сенсационном результате опыта; большими буквами был напечатан заголовок:
"Алхимик Таузенд доказывает свое искусство". Газета "Дрезднер нахрихтен" 9
октября писала: "Перед нами вещественный результат. Это означает, что найден
искусный способ делать золото, если только Таузенд не сделал ловкой подмены,
несмотря на все принятые предохранительные меры". Находчивый защитник
Таузенда потребовал освобождения его из заключения, Однако Верховный суд
страны отклонил это прошение: Таузенд находится под следствием, прежде
всего, за мошенничество. Его не судят, как алхимика в средние века.
Основной процесс начался только в январе 1931 года. Понятно, что
судебное разбирательство вызвало большое внимание немецкой общественности.
Газеты были полны описанием афер баварского жулика. "Чтобы в двадцатом веке
человек мог выманивать добро у образованных людей под тем предлогом, что он
может сделать золото, это просто не укладывается в голове,-- писал судебный
репортер газеты "Мюнхер нейсте нахрихтен".-- И все же у нас достаточно
доказательств того, что глупость существовала во все времена".
Во время процесса речь пошла также об удачном эксперименте на
мюнхенском монетном дворе. Защита строила на этом свое оправдание. Были
заслушаны эксперты. Мнение университетского профессора Гонигшмида из
Мюнхена, который проводил экспертизу еще с искусственным золотом тайного
советника Мите, было категоричным. Невозможно провести превращение элементов
путем простой химической реакции, как это практиковал Таузенд. Этого можно
было бы достигнуть только разрушением атомов, для чего потребовались бы
энергии, которыми в настоящее время не располагает никто.
Таузенд и его адвокат начали было пояснять, что превращение элементов
возможно на основе "гармонически-периодической системы". Не знаком ли с ней
господин профессор? Гонигшмид знал содержание брошюры, знал и господина
автора. Брошюра "180 элементов", ответил он невозмутимо, является плодом
творчества фантазера, полного неуча в области естественных наук, который
пытается извлекать новые премудрости из устаревших учебников.
Превращение свинца в золото, которое на первый взгляд столь убедительно
продемонстрировал Таузенд на монетном дворе, тоже получило во время процесса
поразительное объяснение. "Искусственное" золото в количестве 95 мг,
состоящее на 80 % из чистого золота и на 20 % из серебра, вполне могло
образоваться... из золотого пера авторучки. Для таких золотых перьев как раз
применяли сплав золота с серебром близкого состава. Когда прокурор услыхал
это, он приказал немедленно доставить corpus delicti[64]. Однако
авторучку Таузенда с золотым пером нигде не смогли найти...
Суд признал Франца Таузенда виновным в многократном обмане. Его
приговорили к тюремному заключению сроком на три года и восемь месяцев, с
учетом срока предварительного заключения. Прокурор требовал шести лет.
Адвокат Таузенда пытался по мере сил убедить суд в том, что виноват не
только его подзащитный: на самом деле — так выразился защитник в своей речи
— надо судить не Таузенда, а Людендорфа и других партийных бонз из NSDAP, а
также тех, кто давал Таузенду кредит. Они обожествляли Таузенда, имевшего
патологические наклонности, пока тот в своей фантазии и своего рода мании
величия не стал принимать собственный обман за чистую правду.
Глава 5
ФАНТАСТИЧЕСКИЕ ЭНЕРГИИ
Последние недостающие элементы
После установления закона Мозли рентгеновская спектроскопия стала
ценным вспомогательным средством при поисках еще неизвестных элементов и для
их классификации. В начале 20-х годов из 92 элементов периодической системы
не было обнаружено шесть: 43-, 61-, 72-, 75-, 85- и 87-й. Их порядковый
номер можно было вывести на основе закона Мозли, определив частоту
рентгеновского излучения[65]. Благодаря этому стало возможным
поместить эти элементы в соответствующие группы периодической системы и тем
самым предсказать их свойства.
Однако в отношении 72-го элемента не было единого мнения. Нильс Бор на
основании своей атомной модели пришел к заключению, что следующие за
лантаном (элементом 57) четырнадцать элементов должны быть трехвалентными,
ибо они обладают одинаковым числом внешних электронов. Это является также
причиной необычайного сходства лантаноидов, или так называемых редких
земель. Только начиная с элемента 72, число валентных электронов, как
обычно, будет увеличиваться от элемента к элементу на единицу.
Следовательно, 72-й элемент, который еще не был известен, должен иметь
четыре внешних электрона и быть четырехвалентным. Поскольку он — аналог
циркония, его следует искать в цирконийсодержащих минералах. Элемент 72 ни в
коем случае не относится к числу редкоземельных.
Другие исследователи придерживались противоположного мнения. Они уже
давно безуспешно пытались выделить 72-й элемент из минералов, содержащих
редкие земли, и все же неутомимо продолжали поиски. Французский химик Урбен
был убежден, что еще в 1914 году рентгеноспектроскопическим путем обнаружил
редкоземельный элемент 72, который был назван им кельтиум. Норвежские
исследователи также давали заявки на подобные открытия.
Кто был прав? Только практика могла разрешить спор. Полагаясь на теорию
Бора, химики Хевеши и Костер, гостившие в институте датского физика, начали
в 1922 году поиски 72-го элемента в норвежских циркониевых минералах. Уже в
первой фракции вещества можно было рентгеноспектроскопическим путем
обнаружить искомый элемент. Вскоре удалось также выделить его аналитически
весомые количества. Оба химика назвали открытый ими элемент гафний. Тем
самым они почтили место работы Бора, Копенгаген который по-латыни называется
Hafnia.
Гафний был последним недостающим элементом с четным порядковым номером.
Согласно правилу, установленному Харкинсом, такие элементы обычно более
распространены в природе, чем их нечетные соседи. Таким образом, для еще не
известных химических элементов — с порядковыми номерами 43, 61, 75, 85 и 87
— можно было предположить, что они на Земле существуют только в виде следов
или вообще не существуют, ибо в противном случае их уже давно открыли бы.
Поэтому, когда появилось сообщение, что обнаружены элементы 43 и 75,
именовавшиеся также экамарганцем и двимарганцем, это стало научной
сенсацией; ее распространению способствовала, прежде всего, пресса. На
заседании Прусской академии наук в Берлине 11 июня 1925 года химик Ида Такке
сообщила об удавшемся открытии. Совместно со своим будущим супругом
Вальтером Ноддаком и исследователем О. Бергом она воспользовалась способом
обогащения, основанным на химической природе этих элементов. Были сняты
рентгеновские спектры веществ, полученных из разнообразных минералов.
Наконец при переработке норвежского минерала колумбита исследователи
наткнулись на следы искомых элементов, которые они стали называть мазурий
(43-й) и рений (75-й). Концентрация их составляла всего лишь
10[-6]--10[-7] г.
Через несколько дней после известия об открытии элементов 43 и 75
опытный аналитик Вильгельм Прандтль сделал доклад на заседании химического
общества в Мюнхене. Он настойчиво предостерегал от преждевременных заявок на
открытия. Прандтлю не удалось найти эти экамарганцы ни в указанных
минералах, ни в переданной им пробе вещества, которая, по данным
исследовательницы, должна была содержать от 0,8 до 1,0 % рения.
Ситуация становилась неясной. В это время чешские исследователи
Долейчек и Гейровский заявили, что им удалось обнаружить 1 % 75-го элемента
в солях марганца полярографическим и спектроскопическим путем, и при этом
раньше, чем Иде Ноддак. Лондонский химик Брюс также сделал заявку на
открытие 75-го элемента. По этому поводу высказался советский исследователь
О. Е. Звягинцев из Института по изучению платины и других благородных
металлов АН СССР, который сомневался в открытии: в платиновых рудах
двимарганца вовсе нет, вопреки мнению госпожи Ноддак. Ко всему тому
появилось еще сообщение англичанина Лоринга об удавшихся "синтезах"
элементов 43 и 75 в рентгеновской трубке. Алхимические представления сыграли
при этом немалую роль, ибо Лоринг синтезировал элемент 43 из калия и никеля,
а элемент 75 — из свинца и молибдена. Такие алхимические опыты наукой не
принимались всерьез. Все другие высказывания следовало учесть.
Ида Ноддак защищалась от обвинений весьма темпераментно, поскольку была
затронута ее честь исследователя. Брюс имел дело не со следами элемента, а
лишь с марганцем, загрязненным железом,-- уверяла она.-- Что касается
Гейровского и Долейчека, то проверка их опытов не дает никаких указаний на
новый элемент. Спектральные линии, наблюдавшиеся чехами, могли принадлежать
ртути и таллию, а не 75-му элементу.
Теперь о Прандтле. Чета Ноддак считала удивительным, что господин
Прандтль не обнаружил рения. В переданном ему веществе содержались также
уран и ниобий — в количествах десятикратных по сравнению с элементом 75.
Даже эти элементы Прандтль не смог обнаружить. "Мы готовы,-- снисходительно
объявили они,-- послать Прандтлю новый препарат, если он может удостоверить,
что его спектрограф способен уловить содержание в несколько процентов". Это
мало тактичное замечание вызвало у старого химика чрезвычайное раздражение:
более 25 лет работал он с редкими и рассеянными элементами. "Я могу без
преувеличения сказать, что в области препаративной неорганической химии
располагаю несравненно большим опытом. На основании этого опыта я должен с
сожалением отметить, что методы, с помощью которых В. и И. Ноддак хотят
выделить оба экамарганца из минералов, нехороши ...".
Спор длился несколько лет, до тех пор, пока Ида и Вальтер Ноддак в
октябре 1929 года не сообщили о выделении ими в целом 1 г рения. Они
получили это количество из 600 кг минерала молибденового блеска и доказали
чистоту нового элемента спектральными методами. Тем самым клетка с
порядковым номером 75 в периодической системе оказалась занятой. Что
касается судьбы элемента 43, то она осталась покрытой завесой молчания.
Рано трубить победу
С не меньшими боями шли химики к открытию 61-го элемента. Поневоле
спросишь, всегда ли поиски последних недостающих элементов должны вызывать
ссоры и споры между учеными мира?
Вильгельм Прандтль безуспешно пытался выделить редкоземельный элемент
61 из неодимовой (60-й элемент) и самариевой (62-й элемент) фракций
природных иттриевых земель. Ему не удалось обнаружить его даже
рентгеноспектральным методом. Через два года, в марте 1926 года,
американские химики Гопкинс, Интема и Гаррис из Иллинойского университета
сообщили, что обнаружили этот редкоземельный элемент спектральным анализом.
Они нашли 61-й элемент там, где его тщетно искал Прандтль — в монацитовых
остатках выделенной неодимово-самариевой фракции. Новый элемент они
предложили назвать иллиний.
Прандтль сразу высказал сомнение. Одни только спектральные линии ничего
не доказывают, к тому же эти линии, полагал он, наверняка происходят от
загрязнений. Гаррис, Интема и Гопкинс не дали еще ни одного обоснованного
доказательства открытия 61-го элемента.
Сообщение американцев вызвало выступление итальянцев Ролла и Фернандеса
из Химического института Флорентийского университета: 61-й элемент был ими
обнаружен еще в июне 1924 года рентгеноспектральным путем в бразильском
монацитовом песке и назван флорентием.
С полным основанием все захотели узнать, в каком журнале опубликовано
это сообщение. Итальянцы смущенно признались, что их еще не совсем полный
исследовательский отчет находится в запечатанном конверте в Академии наук в
Риме. Американцы комментировали такое объяснение с нескрываемой насмешкой.
Если это действительно так, то они со всем почтением хотели бы указать на
то, что еще в 1922 году американские ученые открыли неизвестные линии в
спектре редкоземельных элементов и отнесли их к недостающему 61-му элементу.
Следовательно, в любом случае приоритет, а также право наименования
находятся на их стороне.
Если просмотреть научные журналы за 1926--1928 годы, то можно только
удивляться, с каким упорством проводился этот научный бой за первенство в
открытии 61-го элемента. Оба лагеря находили поддержку извне. До последнего
времени не было единства в вопросе, кому, собственно, принадлежит приоритет;
как же называть вновь открытый элемент, который никто еще вовсе и в руках не
держал: иллиний или флорентий?
Самую умную мысль в этом споре высказал Вильгельм Прандтль в январе
1927 года: "Видимо, к концу периодической системы около 93-го номера
образуются неустойчивые конфигурации; они дают о себе знать еще в более
ранних периодах, а именно: у номера 43, затем у 43+18 = 61 и, наконец,
окончательно у 43+18+32 = 93". Другими словами, Прандтль считал, что
элементы с номерами 43, 61 и 93 вообще не должны существовать.
Не более мирно происходило открытие элементов 85 (экацезия) и 87
(экаиода). С 1930 по 1932 годы Аллисон, Мерфи и Бишоп из Алабамского
политехнического института (США) не единожды заявляли, что они обнаружили
элемент 85 — алабамий и элемент 87 — виргиний в морской воде, в
естественных соляных залежах, а также в минералах, содержащих цезий и слюду.
С помощью какого-то магнито-оптического метода исследователям, по-видимому,
удалось провести обогащение воды этими элементами.
Научная ценность такого нового метода анализа горячо оспаривалась
другими учеными — американцами Папис и Вайнером из Корнуэльского
университета (Итака); они полагали, что сами получили элемент 87. Сюда надо
причислить также некую Хулубай из Румынии, которая хотела назвать открытый
ею элемент 87 молдавием.
Ньютон Фрэнд из Бирмингэма специально совершил поездку на Мертвое море,
чтобы заняться поисками элементов 85 и 87. Необычайно высокая концентрация
солей в этом внутреннем море должна была, по его мнению, открывать особенно
благоприятные возможности. Представления о том, что экацезий, относящийся к
щелочным металлам, следует искать в морской воде, были логичными, если
учесть близкое родство 85-го элемента с цезием, калием, натрием. В 1932 году
в журнале "Кемикл ньюс" свою лепту в этот вопрос внес некий Стивенсон. Он
наконец узнал, где в Мировом океане следует искать экацезий: во впадине
Минданао на глубине около 10 000 м. Кто решится на такую экскурсию?
Вопреки всем стараниям исследователей, клетки 43, 61, 85 и 87
периодической системы оставались пустыми. Рений был практически последним
элементом, который смогли химически выделить классическим путем в
достаточном количестве, хотя и после трудоемких операций.
От других недостающих элементов можно было увидеть лишь "тени" в виде
рентгеновских спектральных линий. При этом не было даже уверенности, что они
относились именно к искомым элементам. Такую неудачу объясняли тем, что
элементов 43, 61, 85 и 87 теперь уже не существует. Наверняка они распались
за те 4,6 миллиардов лет, что существует Земля. Во всяком случае, это
следовало предположить по отношению к элементам 85 и 87, так как они в
периодической системе должны располагаться рядом с радиоактивными
элементами.
Снаряд без заряда
Со времени превращения азота в кислород при помощи альфа-излучения в
1919 году все твердо уверовали в то, что ядерная физика является ключом ко
всеобщему превращению элементов. Однако вслед за надеждой, что методом
Резерфорда можно постепенно превратить или расщепить все атомы с помощью
альфа-лучей с достаточно большой энергией, ученых постигло разочарование. За
десять лет после первого удачного эксперимента смогли подвергнуть
бомбардировке едва лишь дюжину элементов, да и то самых легких. В случае
тяжелых элементов в массивное ядро атома не могли проникнуть даже
альфа-частицы с максимальной энергией в 9 мегаэлетронвольт (МэВ). Они
отклонялись большим одноименным зарядом ядра, не придя с ним в
соприкосновение. Тем самым была утрачена всякая надежда на превращение ртути
с помощью альфа-частиц в соседнее золото. Выход думали найти в использовании
таких снарядов, как протоны (ядра атома водорода). Конечно, для этого
необходимо искусственно ускорить эту частицу до столь же высоких энергии,
какими обладали альфа-частицы. Откуда же взять такие гигантские энергии? Для
этой цели следовало бы получить и использовать напряжение в несколько
миллионов вольт — техника, которой тогда еще не овладели.
Перелом произошел в 1930 году. Американские физики в Вашингтоне
сконструировали трансформатор на 3 мегавольта (MB) и с его помощью ускорили
протоны до энергии в 1 МэВ. Через год Ван-дер-Грааф в Принстонском
университете построил свой первый генератор на 1,5 МэВ, названный позднее
его именем.
Эрнест Лоуренс и его сотрудники из университета в Беркли в конце концов
нашли совершенно новый путь: искусным приемом, с помощью больших
электромагнитов в поле высокого напряжения, Лоуренс заставил частицы мчаться
по спирали. Таким способом можно было постепенно ускорить частицы до высоких
энергий. Это была новая установка — циклотрон. Посредством такого
ускорителя частиц можно было достичь интенсивностей излучения, которые
теоретически эквивалентны нескольким килограммам радия. Был сделан мощный
шаг вперед, ибо человечество никогда не смогло бы получить столь
значительных количеств радия.
В конце 1931 года Лоуренс с помощью своего циклотрона достиг мощности 1
МэВ, через год — уже 5 МэВ. В настоящее время мощность современных
ускорителей частиц измеряют в гигаэлектронвольтах (ГэВ), то есть в
миллиардах электронвольт. По сравнению с первыми ускорителями сегодняшние
мощнейшие агрегаты с их километровыми путями пробега частиц выглядят
гигантами.
Ученикам Резерфорда, Кокрофту и Уолтону, в 1932 году удалось провести
первое ядерное превращение с помощью искусственно разогнанных протонов:
мишенью служило ядро атома лития — самого легкого элемента после водорода и
гелия. Путем такого обстрела литий превратился в гелий. Советские
физики-атомщики И. В. Курчатов и Н. Н. Синельников, которые вскоре после
кембриджских ученых и независимо от них обнаружили ту же реакцию, первыми
дали вероятное объяснение процесса. Сенсационная пресса видела в
"разрушении" лития дальнейший шаг к подчинению атомных сил человеку и
связывала с этим самые отважные фантазии: боевой корабль с несколькими
граммами лития в качестве топлива сможет пересечь Атлантику... Заметьте,
военный корабль, а не торговое судно было первым примером в оценке атомной
энергии. Специалисты рассматривали этот эксперимент гораздо более трезво.
Превращение атома лития идет с ничтожным выходом. Нужно ускорить миллионы
протонов, чтобы произошло одно-единственное столкновение.
К испытанным снарядам, бомбардировавшим атомное ядро,-- альфа-частицам
(ядрам атома гелия), протонам (ядрам атома водорода) — к началу 1932 года
присоединился еще один: дейтрон. Это — ядро тяжелого изотопа водорода,
которое обладает массой, равной удвоенной массе протона. В том же году в
космическом излучении на большой высоте был открыт позитрон, оказавшийся
положительно заряженной частицей — античастицей отрицательного электрона.
Вскоре эту новую элементарную частицу удалось также обнаружить при земных
радиоактивных процессах. Когда в 1932 году ученик Резерфорда, Джеймс Чэдвик,
открыл еще одну, до той поры неизвестную, частицу — нейтрон, то этот год в
научных кругах стали справедливо называть annus mirabilis — годом чудес.
Чэдвик обнаружил частицу, не имеющую заряда, с массой, равной массе
протона, как составную часть так называемого бериллиевого излучения. Эти
проникающие лучи, состоящие из нейтронов, были открыты в 1930 году при
бомбардировке бериллия альфа-частицами Долгое время считались жестким
гамма-излучением. Затем удалось показать, что бериллиевое излучение на самом
деле состоит из гамма-лучей и потока нейтронов.
С открытием нейтрона сразу разрешались те принципиальные трудности, с
которыми для теоретиков было связано истолкование атомных ядер. До этого
существовало воззрение, что ядро атома состоит из протонов и электронов.
Такое представление таило в себе трудно разрешимые противоречия. Кроме того,
оно не давало объяснения, почему при одинаковом заряде ядра изотопы одного и
того же элемента обладают различной массой. В 1932 году советский физик Д.Д.
Иваненко, а вскоре после этого Вернер Гейзенберг — один из основателей
квантовой механики — независимо друг от друга пришли к выводу: ядра атомов
состоят из протонов и нейтронов. Различие масс изотопов объяснялось большим
или меньшим числом нейтронов.
Появилась надежда, что с открытием нейтрона найден снаряд, который --
именно потому что был "не заряженным"-- сможет проникнуть в устойчивую
крепость ядер тяжелых атомов. Быть может, теперь и тяжелый элемент — ртуть
можно будет превратить в соседний элемент — золото?
В своем труде "The interpretation of the atom[66]" в 1932
году Фредерик Содди первым высказался по поводу фундаментальной роли
нейтрона как неоценимого нового снаряда для превращения атомов, быть может,
даже их деления. Однако все еще оставался открытым один вопрос: как это
осуществить?
Искусственная радиоактивность
В начале 30-х годов казалось, что любимое занятие многих исследователей
атома — поиски новых продуктов распада — уже не может дать ничего нового.
Такие исследования проводились с чисто криминалистическим чутьем. Теперь ряд
естественных радиоактивных элементов оказался полным. Ничего не меняло и то
обстоятельство, что существование первого члена ряда актиния, актиноурана
было до сих пор лишь гипотетическим. Исследователям атома и не снилось, что
можно будет отыскать еще неизвестные радиоактивные элементы.
В это время между специалистами возникли очень интересные споры, а
именно по поводу элемента с порядковым номером 93. Такого элемента вообще не
должно было существовать на Земле. Уран, после того как он был помещен
Менделеевым в периодическую систему, был признан самым последним из 92-х
элементов. Так полагали все.
Однако некоторые ученые не могли расстаться с мыслью, что число
элементов, возможно, превышает 92. Когда-то, в 1922 году, Нильс Бор
размышлял о возможности существования благородного газа с порядковым номером
118 — как это вытекало из его теории спектров и строения атома. Многим
специалистам такие представления казались пустым теоретизированием.
В апреле 1934 года Ида Ноддак большим сообщением "Периодическая система
элементов и ее пустые клетки" пробудила новый интерес к этой проблеме. В
докладе, который был опубликован в журнале "Ангевандте хеми" 19 мая 1934
года, она ставила провокационный вопрос: почему периодическая система вдруг
обрывается после урана? В составленной ею таблице она демонстративно
оставляла незанятые места от 93 до 96 для элементов, которые еще предстояло
открыть. Такой шаг она обосновывала весьма оптимистично: "Нам кажется
возможным, что элементы, следующие за ураном, так называемые трансураны, с
возрастанием порядкового номера становятся все менее жизнеспособными, а
потому все более редкими. Однако стоящие за ураном четные элементы 94 и 96
могли бы быть получены сегодняшними средствами...; следует ожидать, что как
раз в этом месте системы появятся некоторые неожиданности".
Действительно, такие неожиданности не заставили себя долго ждать. Уже в
начале 1934 года Ирэн Кюри, дочь Марии Кюри, вместе со своим супругом.
Фредериком Жолио, сделала открытие, поразившее специалистов. Им удалось
обнаружить "новый тип радиоактивности". Так называлось их сообщение в
"Отчетах Парижской академии наук" от 15 января. Что же крылось за этим
заголовком?
Оба исследователя бомбардировали алюминиевую фольгу альфа-частицами;
при этом обнаружилась отчетливая радиоактивность алюминия, которая
сохранялась также после удаления источника излучения. Такой эффект никто
никогда не наблюдал. Отдельные атомы алюминия после воздействия альфа-частиц
превратились в радиоактивный фосфор (Р*). Этим новым методом можно было
искусственно вызвать радиоактивность. То, что Стефания Марацинеану ошибочно
искала на свинцовых крышах, стало фактом: для легких элементов — пока
только для них — можно искусственно индуцировать радиоактивность:
[27]Al + [4]He = [30]P + n
Радиоактивный фосфор распадается до устойчивого изотопа кремния с
выделением позитрона:
[30]P = [30]Si + e[+]
Исследователям атома, этим "алхимикам XX века", вновь удалось
осуществить поразительное превращение элементов. Искусственным путем
принудить вещества к радиоактивному распаду — это было, безусловно, новым
большим шагом на пути к гигантским запасам энергии атомного ядра.
Энрико Ферми из Физического института Римского университета, новая
звезда в международном семействе исследователей атома, заинтересовался
открытием искусственной радиоактивности и начал систематически обстреливать
нейтронами один элемент за другим. Молодой физик надеялся, что таким путем,
а не только с помощью альфа-частиц ему удастся вызвать искусственную
радиоактивность.
Ферми и его коллеги д'Агостино, Сегре, Амальди и Розетти подошли к этим
опытам строго методически. Они начали с элемента 1, водорода, и подвергли
его воздействию потока нейтронов. После того как был убран источник
нейтронов — запаянная трубка с эманацией радия и порошком бериллия, ученые
испытали облученный элемент на радиоактивность. Для этого был использован
счетчик их собственной конструкции, работавший по принципу счетчика Гейгера
— Мюллера, известного с 1928 года. Ферми вбил себе в голову испытать все
элементы периодической системы вплоть до урана. Откуда же взять нужные
вещества? Физикам потребовалось некоторое время для того, чтобы обыскать
запылившиеся полки институтов, химических магазинов и аптек и найти все, что
им требовалось.
Многие сотрудники Римского университета находили поведение молодых
физиков очень забавным: Ферми и его друзья по окончании облучения мчались,
как одержимые, по длинным коридорам института, чтобы испытать свои препараты
в помещении, не зараженном радиоактивностью. Ведь могло так случиться, что
образовался короткоживущий радиоактивный элемент с периодом полураспада в
несколько секунд. Потом обычно можно было видеть, как они медленно
возвращались с разочарованными лицами. Для первых восьми элементов физики не
смогли обнаружить никакой искусственной радиоактивности. Однако на девятом
элементе, фторе, счетчик вдруг защелкал. Вскоре итальянцы установили, что
облучение нейтронами активизирует многие элементы. Чаще всего последние
излучали бета-лучи и превращались при этом в атомы следующего элемента.
Ферми открыл "радиоактивность, индуцированную бомбардировкой нейтронами".
Так назвал он статью, написанную 10 апреля и опубликованную в мае 1934 года
в журнале "Нейчур",
Спор вокруг девяносто третьего элемента
Интересных результатов Энрико Ферми ожидал для последнего элемента
периодической системы. Уран является самым тяжелым элементом, встречающимся
на Земле. Ядро этого атома состоит из 92 протонов и 146 нейтронов.
Относительная атомная масса в результате составляет 238, точнее, для изотопа
[238]U. Уже тогда предполагали, что уран состоит не только из
этого изотопа. Например, гипотетический актиноуран должен был быть легче.
Однако с помощью масс-спектрографа Астона в то время не удавалось найти
другие изотопы урана, кроме [238]U.
Вопрос об актиноуране был разрешен однозначно только тогда, когда
американский физик Артур Демпстер из Чикагского университета в декабре 1934
года использовал новый источник ионов для масс-спектрографа повышенной
разрешающей способности. В 1935 году Демпстер внес ясность в вопрос об
изотопном составе урана: кроме известной четкой линии, для [238]U
он нашел еще слабую линию для [235]U — искомого актиноурана.
Сегодня мы знаем, что природный уран на 99,27 % состоит из
[238]U, на 0,72 % — из [235]U и на 0,005 % — из
[234]U.
Когда в Физическом институте Римского университета в середине 1934 года
молодой Ферми начал бомбардировать уран нейтронами, он, конечно, исходил
только из существования [238]U. Если бы, как полагал Ферми,
удалось внедрить в ядро еще один нейтрон, то по уравнению
[238]U + n = [239]U
образовался бы радиоактивный изотоп с массовым числом 239 и — в случае
его дальнейшего бета-распада — элемент с зарядом ядра 93:
[239]U = [239]X + e-
Такого вещества на Земле еще не было! Перспектива открытия этого
элемента воодушевляла. Она означала проникновение в неизвестную область
материи, до тех пор полностью сокрытую от человеческих представлений.
Сходное чувство должно было в прежние времена охватывать кругосветных
мореплавателей, когда они пускались в экспедиции для открытия новых стран и
континентов и обнаружения их богатств.
Воодушевлению итальянцев не было границ, когда с первым же опытом
пришла удача: облученный уран оказался сильно радиоактивным и, как
предполагалось, испускал бета-лучи. Исследования показали, что продукты
радиоактивного распада не идентичны с соседними элементами урана. Такое
обнаружение можно было провести очень изящно. При химическом анализе
требовалось только добавить соединение предполагаемого элемента, скажем,
соли тория. После обычной химической переработки и разделения активность
неизвестного продукта превращения либо обнаруживалась снова в ториевой
фракции — и тогда это был изотоп тория,-- либо ее не было. В последнем
случае разъяснения могли дать дальнейшие химические опыты с добавлением
других элементов или их соединений. Такие химические идентификации часто и с
большой точностью проводили в то время Отто Хан, Лиза Мейтнер и Фриц
Штрасман.
При повторении своих опытов Ферми не нашел никаких указаний на то, что
из урана, облученного нейтронами, образовались какие-либо изотопы известных
соседних элементов, такие, как протактиний, торий, актиний, радий. Исходя из
этого, новый вид радиоактивных атомов должен был принадлежать элементам,
находящимся по другую сторону урана — трансуранам! По мнению Ферми,
особенно правомерным было приписать образовавшийся радиоактивный осадок с
периодом полураспада 13 мин новому, 93-му, элементу. Несмотря на это, Ферми
дал очень осторожное название своему отчету, опубликованному в журнале
"Нейчур" 16 июня 1934 года: "Возможное получение элементов с атомным
номером, превышающим 92". Поэтому, когда итальянская печать начала во все
горло кричать о доказанном получении 93-го элемента и громогласно причислила
эти успехи к "победам фашистов в области культуры", это не могло не задеть
Ферми и его коллег.
Итальянские физики открыли в своих работах поразительный эффект:
радиоактивность, индуцированная нейтронами, вдруг усиливалась во много раз,
если нейтроны предварительно пропускали через слой парафина. Парафин
является смесью углеводородов. На своем пути через кусок парафина нейтроны
встречали большое число атомов водорода той же массы. В результате
столкновений нейтроны передавали атомам водорода часть энергии, отклонялись
от прямолинейного пути и приобретали зигзагообразную траекторию. Передавая
часть энергии, они тормозились. Таким образом, нейтроны покидали парафин со
значительно меньшими скоростями, чем входили него. Такие замедленные, или
тепловые, нейтроны вызывают превращения атомов с гораздо большей
вероятностью, чем быстрые, которые часто проскакивают мимо цели.
Ферми размышлял далее... С помощью этого метода можно будет в ближайшем
будущем искусственно получать новые радиоактивные элементы. Быть может, даже
в таких количествах, что они смогли бы заменить естественные радиоактивные
вещества, которые все больше дорожают. Открытие приобретало коммерческое
направление, что заставило Ферми и его сотрудников 26 октября 1934 года
подать заявку на патент по искусственному изготовлению радиоактивных веществ
из других элементов путем бомбардировки замедленными нейтронами. Что же, еще
один алхимический патент? Едва ли. Мысль о том, чтобы получать когда-либо
атомную энергию при помощи таких искусственных превращений элементов, не
приходила тогда Ферми. И все же сделанное открытие означало существенный шаг
в этом направлении.
Вокруг открытия 93-го элемента грозил опять возникнуть спор о
приоритете. Ибо в июле 1934 года чешский инженер Коблик сообщил что он
выделил этот элемент из урановой смолки Иоахимсталя и уже определил его
относительную атомную массу: 240. В честь своей родины Кублик назвал его
богемий. Это известие было распространено газетами по всему свету.
Открытие элемента 93, заявленное с двух сторон, было, конечно,
сенсацией. Однако Ида Ноддак не разделяла всеобщего воодушевления. Это было
ясно хотя бы из ее доклада "О современных методах предсказания химических
элементов", который она сделала 14 сентября 1934 года в Ленинграде по случаю
столетия Д. И. Менделеева. Вместе с другими выдающимися учеными, среди
которых был Отто Хан, она приехала на Международный Менделеевский съезд по
приглашению Академии наук СССР.
С небольшими изменениями доклад Иды Ноддак привел журнал "Ангевандте
хеми" 15 сентября 1934 года под заголовком: "О 93-м элементе". Госпожа
Ноддак сохранила критическую точку зрения на такие "открытия". Она сообщила,
что богемий является не чем иным, как смесью соединений ванадия и вольфрама.
Не может быть и речи о новом элементе. К тому же в августе 1934 года
"Хемикер цейтунг" поместила заявление: "Инженер Одолен Коблик, председатель
правления государственной урановой и радиевой фабрики в Иоахимстале,
Чехословакия, подавший заявку на открытие нового элемента, богемия, сообщает
нам, что он оказался жертвой ошибки. При повторном испытании обнаружено, что
исследованные препараты содержали значительные количества вольфрама,
своеобразное поведение которого при анализе наводило на мысль о
существовании нового элемента. Как ни досаден этот факт, следует учесть
чистосердечность, с которой инж. Коблик сообщает всем о своей нелепой
ошибке".
Воинствующая ученая оказалась права. Доказательства Ферми также не были
убедительными; по мнению Иды Ноддак, было бы ошибочным делать заключение о
существовании элемента 93 только на том основании, что не были обнаружены в
качестве возможных продуктов элементы, соседние с ураном. Конечно, в уже
известных ядерных превращениях всякий раз возникали изотопы либо того же,
либо соседнего элемента. Однако это не всегда может быть так. Можно с тем же
успехом принять,-- делала Ноддак логичный вывод,-- что при таких, ранее не
известных, разрушениях ядра — с помощью нейтронов — могут в значительной
мере происходить другие ядерные реакции, не те, которые... наблюдались до
сих пор. Думается, что при обстреле тяжелых ядер нейтронами эти ядра
развалятся на несколько больших частей, которые как раз могут быть изотопами
известных элементов, но не соседних с облученными".
Рассуждения Иды Ноддак должны были бы, как искра в стоге сена,
перенестись к физикам-атомщикам. Однако "ученые мужи" остались равнодушными.
"То, что не может быть, физически не должно быть", и никто не давал на это
своего благословения, как и на смелое предположение Иды Ноддак, высказанное
в 1934 году, согласно которому ядро урана могло самым настоящим образом
распасться. Спрошенный позднее Отто Хан довольно мрачно заявил, что он в то
время даже не рисковал цитировать гипотезу Ноддак, казавшуюся абсурдной, ибо
опасался за свою репутацию ученого.
Открытия элементов идут полным ходом
Бывший сотрудник Отто Хана, радиохимик А. фон Гроссе, считал, что
трансураны Ферми вовсе не новые элементы, а на самом деле изотопы 91-го
элемента — протактиния. Тут заговорило честолюбие первооткрывателей
протактиния. Отто Хан и Лиза Мейтнер хотели сами установить, кто же прав --
Ферми или Гроссе.
То не был протактиний. Исследователям из Берлин-Далема не составило
труда установить это. Если Хан и Мейтнер думали тем самым прояснить проблему
трансуранов, то они, безусловно, ошибались. Результаты экспериментов были на
редкость запутанными. Вещество, с трудом выделенное после облучения урана
нейтронами, подвергавшееся многократному отделению, оказалось сложным,
состоящим из нескольких радиоактивных изотопов. Это необычайно затруднило
необходимую идентификацию новых трансуранов: ведь не только уран, но и торий
под действием нейтронов может превращаться по нескольким направлениям.
Из первой работы "к проблеме урана" от декабря 1934 года постепенно
вырастали все новые. К концу 1938 года, после четырехлетнего исследования,
14 публикаций свидетельствовали о работоспособности Хана, Мейтнер и
Штрасмана. "Почти трагический результат",-- так позднее оценил их Отто Хан.
К известным рядам естественной радиоактивности прибавились
гипотетические ряды превращений урана, облученного нейтронами. Их
приходилось постоянно изменять. Оказалось необычайно сложным
систематизировать эти схемы распада, чтобы объяснить возникновение элементов
93, 94, 95, 96, 97, называемых также экарением, экаосмием, экаиридием,
экаплатиной, эказолотом. В том, что им удалось обнаружить трансураны от 93
до 97, у немецких ученых, судя по их публикациям и докладам, никаких
сомнений не было. О работах Отто Хана по изучению "природных и искусственных
радиоактивных элементов последнего ряда периодической системы" сообщил 10
декабря 1935 года "Генераль анцейгер" во Франкфурте-на-Майне под заголовком
"Новые элементы ... полученные искусственно!":
"...Как установил проф. Хан, искусственно получены по крайней мере три
различных тяжелых элемента такого рода (трансурана) Самый устойчивый имеет
период полураспада, равный трем дням. Новые элементы образуются, конечно,
лишь в исключительно малых количествах. До сих пор никто не видел их своими
глазами..."
Никто их не видел, и все же они должны существовать — элементы тяжелее
урана?
Уже в марте 1936 года Отто Хан смог доложить о новом продукте
превращения, который еще не выделил Ферми: изотопе урана [239]U.
Для исследователя атома и его сотрудников не было ни малейшего сомнения в
том, что этот бета-излучатель с периодом полураспада 23 мин должен
превратиться в элемент 93 — экарений. Своими сравнительно слабыми
средствами берлинские ученые не смогли, к сожалению, обнаружить продукт
превращения. Помимо того, они не придали должного значения своему открытию,
поскольку были убеждены, что ранее уже нашли элемент 93 и его
идентифицировали.
В середине 1937 года в работы по урану включились Ирэн Жолио-Кюри и ее
сотрудник Поль Савич. Однако, как бы абсурдно это ни звучало, парижские
исследователи внесли, прежде всего, еще больше путаницы; они выделили новый
радиоактивный элемент с периодом полураспада 3,5 ч и объявили в своей первой
публикации в августе 1937 года, что это — изотоп тория. Позднее они
сообщили, что это не изотоп тория, ибо его можно химическим путем отделить
от последнего. Вероятно, это — изотоп актиния (элемент 89), если вообще не
новый трансуран с неожиданными свойствами. В марте 1938 года Кюри и Савич
сообщили, что после тщательного фракционирования подозрение на актиний
отпало. Как ни странно, вещество с периодом полураспада 3,5 ч обладало
скорее свойствами лантана (элемента 57). Через несколько месяцев они
спохватились вновь: это не может быть лантан, все же это трансуран.
В институте Отто Хана немало смеялись над стилем работы французских
коллег. Элемент с периодом полураспада 3,5 ч полушутливо, полуядовито
называли курьезум (Curiosum); напрашивалось сопоставление с Кюри (Curie).
Однако в Берлин-Далеме должны были тайно сознаться, что они тоже ничего не
сделали для идентификации нового продукта превращения.
18 ноября 1938 года в журнале "Натурвиссеншафтен" появилась еще одна
работа из института Общества кайзера Вильгельма в Берлин-Далеме. Авторами
были только Хан и Штрасман. Лиза Мейтнер вынуждена была покинуть фашистскую
Германию из-за обострившегося расового террора. Хан и Штрасман после
повторного фракционирования "курьезного" вещества с периодом полураспада 3,5
ч пришли к удивительному заключению: в нем находились три "изотопа радия",
осаждаемых солями бария.
Радий образуется из урана. Это известно со времени установления ряда
радиоактивного распада. Однако этот процесс протекает в течение миллионов
лет. Если то, что нашли Хан и Штрасман, было правильным, то от урана
(порядковый номер 92) должны были бы формально отщепиться две альфа-частицы,
чтобы образовался радий (порядковый номер 88). Хан посоветовался с Нильсом
Бором по поводу этого нового превращения ядра, вызванного нейтронами;
теоретик не смог сказать ничего, лишь покачал головой: такого быть не может!
В декабре 1938 года химики Хан и Штрасман работали без устали, чтобы
доказать физикам-атомщикам, что при облучении урана нейтронами действительно
образуется радий. Однако затем ими овладели сомнения. "С этими "изотопами
радия" творится что-то удивительное, о чем мы можем сообщить прежде всего
только тебе,-- писал Отто Хан 19 декабря 1938 года в поисках совета Лизе
Мейтнер, которая нашла убежище в Стокгольме.-- Периоды полураспада трех
изотопов установлены довольно точно; их можно отделить от всех элементов,
кроме бария... Фракционирование ничего не дает. Наши изотопы радия ведут
себя, как барий...". После многочисленных индикаторных опытов у Хана и
Штрасмана все больше крепла уверенность: это был барий! Из атома урана с
зарядом ядра 92 образовался атом бария с зарядом ядра 56. Ядро атома урана
раскололось на две половины с почти одинаковой массой. Совершенно новое
явление радиоактивного распада, которое грозило поставить с ног на голову
основы ядерной физики! "Мы не можем умолчать о наших данных, даже если они,
быть может, и абсурдны физически",-- высказался Отто Хан в следующем письме
к своей бывшей сотруднице, написанном 21 декабря 1938 года.
Оба радиохимика спешно подготовили текст статьи. Они отправили статью
22 декабря, а журнал "Натурвиссеншафтен" опубликовал ее в первом выпуске
нового года, 6 января 1939 года: "Об обнаружении и поведении
щелочноземельных металлов, образующихся при облучении урана нейтронами". В
этой исторической работе Отто Хан и Фриц Штрасман описывают, как им удалось
химически обнаружить раскол тяжелого ядра урана, позднее названный делением
ядра. Лиза Мейтнер получила по почте оттиск статьи.
Все неверно!
В тот момент, когда Хан и Штрасман обнаружили, что атом урана после
бомбардировки нейтронами взрывается на куски (со средней массой ядер), им
пришла в голову мысль: деление урана могло означать смертный приговор для
всех "открытых" ранее элементов — от 93- до 97-го. Следовало ли все еще
верить в эти "трансураны"? Не лучше ли было считать, что в тех случаях речь
тоже шла об осколках урана, об элементах с более низкими порядковыми
номерами?
Ида Ноддак, которая теоретически признала возможность деления урана еще
в 1934 году, нанесла этим "трансуранам" смертельный удар. В марте 1939 года
в сообщении в "Натурвиссеншафтен" она с удовольствием перечисляла огрехи
обоих радиохимиков. Она цитировала последнюю работу Хана и Штрасмана от
ноября 1938 года, в которой авторы доложили об "открытии" не более не менее
как семи трансуранов. И все это было совершенно неверным. Почему не учли
указание Иды Ноддак, сделанное в 1934 году, которое открыватели деления
урана даже не осмеливаются цитировать?
Что касается существования "трансуранов", то Хан и Штрасман были
фактически вынуждены, шаг за шагом, отказаться от своих прежних
высказываний. Это началось в июне 1939 года с "окончательного вычеркивания"
экаплатины (96-й элемент), которая оказалась изотопом иода, и экаиридия
(95-й элемент), состоявшего в действительности из смеси изотопов теллура и
молибдена. Однако эти поправки были сделаны самими исследователями, а не по
указанию других. В этом отношении поведение Хана и Штрасмана заслуживает
всяческого уважения; они всегда публиковали свои опытные данные, тем самым
вынося их на суд других ученых.
Столь искусно возведенное здание трансуранов обрушилось очень быстро.
Элементы 93--97, в свое время столь "точно обнаруженные", оказались
фактически не чем иным, как обломками, образовавшимися при делении урана,
элементами со средней атомной массой. Ученые других стран — Франции, США,
Советского Союза, Австрии -- конечно, также занимались идентификацией
многочисленных продуктов деления урана. Разочарование в Париже было очень
большим, когда обнаружили, что "курьезное" вещество Ирэн Кюри с 3,5-часовым
периодом полураспада, столь похожее на лантан, состоит, по существу, из
изотопа лантана с массовым числом 141.
В более поздние годы Отто Хан неустанно рассказывал историю поисков
псевдоэлементов 93--97, которая привела к открытию деления ядра, как
поучительный пример научных заблуждений. При этом он не боялся самокритики;
свои воспоминания он назвал: "Ложные трансураны. К истории одной научной
ошибки".
Искусственные элементы
При обстреле урана тепловыми нейтронами из него образуются более легкие
элементы с порядковыми номерами 35--65: это заставляло надеяться, что среди
обломков будут найдены также изотопы элементов 43 и 61. Если вспомнить
состояние вопроса получения элементов 43, 61, а также 85 и 87 в 1930 году,
то можно было уловить заметный прогресс. Прежде всего, подтвердилось
подозрение, что элементы 43 и 61 являются нестойкими веществами, которые
"вымерли". Что касается элементов 85 и 87, то уже довольно давно их признали
распавшимися радиоактивными ве...
