Алхимия, мечта о превращении неблагородных металлов в золото,
ранее была преступлением, за которое наказывали длительным тюремным заключением.
Но здесь, в одной из самых передовых
ядерных исследовательских лабораторий в мире
испытывают новый тип алхимии.
Здесь пытаются управлять величайшими силами природы.
И заставляют один химический элемент превратиться в другой, совершенно новый.
Это последняя глава в удивительной истории
о битве учёных за управление строительными блоками,
из которых состоит наша вселенная.
Элементы.
Я Джим аль-Халили.
Моя работа как физика-ядерщика была бы невозможна
без химиков-первооткрывателей,
которые первыми исследовали тайны вещества.
Это прекрасно.
Я видел, как сложно им было обнаружить скрытые элементы
и взломать секретный код природы, чтобы создать Периодическую таблицу.
Теперь история обращается к ученым, которые открыли
потенциал 92 элементов, из которых состоит наша планета.
Я узнаю, как они пытались объединить их
и создать наш современный мир.
Их цель - управление природой - это рассказ о борьбе, о счастливом случае
и о вещах, открытых случайно.
И о мощи элементов, связанной с высвобождением
невообразимых сил.
BBC: Chemistry: A Volatile History / Химия: Изменчивая История e3 The Power of the Elements / Сила элементов русские субтитры TrueTransLate.tv
Всё вокруг меня создано в результате
химических реакций, высвобождающих энергию элементов
и превращающих их в соединения.
Такой элемент, как железо в сплаве с хромом, углеродом и никелем
образует нержавеющую сталь, использованную в отделке этого здания.
Его стёкла - это соединение кремния и кислорода.
Наша планета была создана всего лишь из 92-х элементов.
Наше стремление объединить их тянется из глубины веков.
Люди смешивали, взбалтывали
и создавали соединения с доисторических времен.
Вдохновленные алхимиками, ранние экспериментаторы смешивали
различные химические вещества, просто чтобы посмотреть, что получится.
Но это было больше похоже на приготовление пищи, чем на настоящую науку,
и поэтому могло называться "кастрюльной химией".
Неудивительно, что некоторые ранние прорывы в экспериментах
были совершены по воле случая.
Одно открытие немецкого химика,
Генриха Дисбаха, стало вехой в лакокрасочной промышленности.
Историк, изучающий науку, профессор Аллан Чемпен
собирается показать мне, как Дисбах наткнулся на ингредиенты
одной из первых синтетических красок.
Здравствуйте, Аллан. Рад вас видеть.
Прекрасный паровоз не так ли? Фантастика.
Паровозы покрашены краской,
которая называется брансвикская зелень, и по сути представляет собой смесь
из двух, созданных искусственно в 18-м и начале 19-го века,
красящих компонентов.
Первой из них была берлинская лазурь,
полученная в 18 столетии, глубокая, насыщенная, ярко-синяя.
И смешав её с другим химическим веществом хромово-желтого цвета,
вы затем получите эти замечательные цвета,
которыми Изамбард Кингдом Брюнель и его преемники красили эти великолепные
паровозы Великой Западной железной дороги.[(G)reat (W)estern (R)ailway]
До открытия берлинской лазури большинство пигментов
были природного происхождения.
Наиболее красивые синие пигменты получали из редкой ляпис-лазури.
Аллан Чепмен попытается воссоздать открытие Дисбаха.
Он начинает с одного необычного ингредиента,
который попал в рецепт случайно.
Прежде всего, возьмите вашу кровь.
Возьмите вашу кровь.
И налейте её в тигель.
А затем возьмём поташ, поташ - это щелочное вещество,
которое мы теперь называем карбонатом калия.
Дисбах пытался сделать красную краску, а не синюю,
но он не знал, что его поташ был с примесями.
И мы почти уверены, что именно кровь была тем самым веществом,
которое изменило цвет реакции,
и получился синий вместо красного.
Кровь при нагревании видоизменяет свои белки, позволяя им соединяться
с железом в клетках крови и с карбонатом калия, или поташом.
Вот что сейчас происходит: карбонат реагирует
с гемоглобином
и другими компонентами крови, чтобы получилась эта необычная, густая,
как бы это сказать, грязь.
После сожжения грязи получилась зола, затем отфильтровав и разбавив её,
Дисбах добавил железный купорос,
который сегодня называется сульфатом железа, не зная толком, что он получил
сложное соединение железа, железный ферроцианид или берлинскую лазурь.
Теперь смотрите внимательнее,
будет пузыриться и, возможно, очень сильно. Так что смотрите.
Взгляните на это!
И заметьте, начинает появляться весьма приятный зеленый цвет.
Сейчас, на завершающем этапе, добавляют соляную кислоту.
Эта кислота должна помочь выявить берлинскую лазурь.
И закройте этот шкаф,
поскольку оттуда будут выделяться всевозможные токсичные газы.
Ну вот, начинается. Вот это другой разговор. Вот, какой насыщенный цвет!
Похоже на цвет бутылочного стекла. Взгляните на это.
Вот она, берлинская лазурь, красота!
Это восхитительно, не так ли? Самый-самый первый синтетический пигмент:
высушите это, затем разотрите,
перемешайте как порошок... и вы получите краску.
В результате первого случайного опыта Дисбаха с кровью мир получил синтетическую
краску "берлинская лазурь", состоящую из соединений железа.
Железо - наиболее распространенный элемент на Земле.
По сути наша планета - огромная сфера с центром из железа.
Несмотря на то, что это серебристый, блестящий металл,
при контакте с влажным воздухом он быстро покрывается ржавчиной.
Планета Марс считается красной из-за оксида железа.
Добавление всего 1,7% углерода превращает железо в более прочную сталь,
положившую начало промышленной революции.
Дисбах заметил потенциал полученных соединений.
Но понимание учеными того, как именно элементы соединяются,
и каким образом ими можно управлять, оставалось смутным.
Пытаясь справиться с элементами, один немецкий химик, Юстус фон Либих,
всерьез взялся за создание взрывных комбинаций.
Его страсть разгорелась в тот момент, когда, будучи ребенком, в Дармштадте
он увидел продавца фейерверков.
Они приводились в действие фульминатом серебра,
это же химическое вещество было движущей силой ракеты для фейерверка.
Либих нашел свое призвание.
Это настолько глубоко затронуло саму личность Либиха,
что его любовь к взрывам привела его самого к великому прорыву.
Говорили, что он был высокомерным, раздражительным, драчливым и упрямым.
Что никто не мог с ним поладить.
Поэтому, когда в 1825 году немецкий химик Фридрих Вёлер получил
гневное письмо от Либиха, можете только представить, как у того замерло сердце.
Либих прочитал работу, написанную Вёлером
о соединении, которое он получил и назвал серебряным цианатом. Вот его формула.
Она состоит из равных частей таких элементов,
как серебро, углерод, азот и кислород.
Вёлер описал соединение как безвредное и стабильное.
Либих видел серебро, углерод, азот, кислород и взрыв,
потому что это были именно те компоненты, из которых состоял ЕГО фульминат серебра.
Как могло случиться, что два вещества, состоящие, по-видимому,
из одних и тех же элементов в одинаковых количествах, обладают столь различными свойствами?
Верный себе, Либих решил,
что здесь возможен лишь один ответ: Вёлер ошибся.
Он наспех набросал гневное письмо Вёлеру,
резко критикуя его как бездарного химика.
Ну что ж, Вёлеру возразить по этому поводу было нечего.
Он попросил Либиха приготовить серебряный цианат и самому его проверить.
Доктор Андреа Селла изучал химию девятнадцатого века
и попытается воссоздать серебряный цианат Вёлера.
Вообще-то, законы химии говорят: единственное, что следовало принимать во внимание -
что именно представляет собой вещество и что входит в его состав.
И вот здесь у нас этот прекрасный белый порошок,
который мы теперь будем фильтровать,
и затем, согласно законам химии,
мы должны получить идентичное, абсолютно такое же, как и у Либиха, вещество.
А чего же ожидал Либих?
Либих ожидал получения чего-то действительно очень опасного.
Как ни странно, ранее я приготовил немного этого вещества,
положим его сюда, на этот маленький кусочек алюминиевой фольги.
Поднесите спичку...
Если это как раз вещество Либиха, тогда должно произойти нечто любопытное.
Почему бы вам не сделать это? Я сделаю шаг назад.
Премного благодарен!
Вы в этом уверены? Я действительно должен...
Смелее.
Будьте химиком.
И ничего. Ничего.
Итак, это должно было поразить Либиха,
поскольку тот ожидал, что смесь, в состав которой
входит серебро, углерод, азот и кислород, будет взрывоопасной.
И хотя здесь была та же самая смесь,
никакого взрыва пока ещё не произошло.
Итак, одни и те же компоненты, те же элементы, в тех же пропорциях.
Тем не менее, они отличались.
Это было два совершенно разных соединения.
Либих и Вёлер открыли основное свойство
элементов.
То, которое со временем объяснит, как всего из 92 элементов
сотворено всё исключительное многообразие современного мира.
Они натолкнулись на то, что позднее назовут "изомерами".
Именно способ, с помощью которого элементы вступали в соединения,
и делал их разными.
Если я возьму эти строительные блоки, я могу их использовать для создания...
космического корабля...
или самолета...
или лодки.
Все зависит от того, как именно я соединю вместе эти кусочки.
То же справедливо и для элементов.
Таких, как взрывающийся фульминат и безопасный цианат.
Похоже, одни и те же элементы, соединяясь различными способами,
рождали разнообразные соединения с отличными свойствами.
Химики начали подозревать, что ключ к созданию новых соединений
находился в понимании того, как именно элементы объединялись.
И всё это вело к атомам.
Атомы - бесконечно малые частицы вещества.
Изображение этих атомов кремния
увеличено более чем в 10 миллионов раз.
А это - атомы золота. С начала 19-го столетия
наука впервые стала считать,
что все элементы могут быть составлены из атомов.
И теперь ученые поняли, что решающим являлось именно расположение
атомов, а также способ, которым они друг с другом связаны.
И изучение элемента углерода...
ну надо же!... привело к одному из наиболее значительных прорывов в химии.
В 1796 году Йоркширский химик Смитсон Теннант определил,
качественный состав алмазов, когда решил сжечь один из них.
Для того, чтобы нагреть алмаз, он тогда использовал солнечный свет и увеличительное стекло.
Но сейчас я собираюсь несколько ускорить этот процесс с помощью газовой горелки,
и у меня есть немного жидкого кислорода.
Если я подержу это здесь, в пламени и нагрею...
То затем мы увидим, как он очень быстро вращается. Это так красиво!
Выделяющиеся пузыри, которые собрал Смитсон Теннант,
представляли собой чистейший углекислый газ.
Теперь он понял, что у него изначально было только два компонента -
алмаз и кислород.
А получил он газ, состоящий из углерода и кислорода.
Так он выяснил, что этот алмаз и был углеродом.
Сейчас он практически исчез.
Он пропал. Алмаза больше нет,
он здесь, в этом воздухе,которым я дышу. Он превратился в углекислый газ.
К сожалению, алмазы не вечны.
Открытие Теннанта поставило ученых перед дилеммой.
Углерод уже был им известен
в виде графита, одного из самых мягких элементов на планете.
Как такое могло быть, что тот же самый элемент еще и самое твердое вещество, алмаз?
Какую тайну скрывает углерод?
В конце 18 века Теннант ещё не знал,
что элементы состоят из атомов, поэтому он не смог найти ответ.
Прошло ещё полвека, прежде чем молодой шотландец
по имени Арчибальд Скотт Купер принял вызов.
Купер был восходящей звездой химии.
В 1856 году в возрасте 27-и лет он отправился в Париж для совместной работы
с одним из выдающихся химиков тех дней, Шарлем Адольфом Вюртцем.
Купера восхищало то,
как атомы углерода соединяются с другими атомами.
И он пришел к мысли о связях, соединениях между атомами,
чтобы с помощью них объяснить, каким образом элементы соединяются друг с другом.
Вот статья Купера, написанная в июне 1858 года,
идеи которой вызвали бы переворот
в том, как мы понимаем химию.
А это - рисунок Купера, где показан порядок соединения атомов.
С означает углерод, а Н - водород,
а эти линии - Куперовские связи,
которые, как он полагал, объяснят то,
как именно атомы соединялись друг с другом.
И поистине гениальным было то,
что Купер осознал - у углерода не одна связь,
а четыре.
Благодаря четырем своим связям, он может присоединяться к другим атомам углерода
с разной силой, и вот почему он может существовать в двух противоположных формах.
В алмазе все четыре связи соединяют другие атомы углерода
в трех измерениях, вот почему алмаз такой твердый.
Но в графите только три связи соединяют другие атомы
углерода в одной плоскости, что делает соединения более слабыми,
вот почему графит - гораздо более мягкое вещество.
Четыре связи углерода придают ему ещё одно необычное свойство.
Представьте, что я атом углерода.
Я могу использовать одну руку, чтобы соединиться с ещё одним атомом, и другую руку
чтобы соединиться со вторым, оставляя мои ноги свободными, для создания большего числа соединений.
Таким образом, четыре связи углерода предназначены для того, чтобы он мог соединяться
с большим количеством других атомов.
Он может образовывать кольца и длинные цепочки,
и это делает его особенным среди элементов.
Углерод. Он держит нас в своих крепких объятиях от рождения и до самой смерти.
Он в основе всего: от громадного кита
до самого крошечного вируса.
Углерод в нашей ДНК, клетчатке, жире, сахаре.
Каждый из нас принимает его по 300 г. ежедневно.
Земной углерод, как и большинство других элементов,
был выброшен угасающими звездами, и это значит
что все мы состоим из звездной пыли.
Купер нашел решение сложной задачи.
Он объяснил, почему углерод можно найти во многих соединениях,
и почему он в основе практически всего, что есть в природе.
Теперь ему осталось лишь опубликовать свои открытия для того, чтобы получить признание.
Но та же самая идея
пришла в голову немецкого физика Фридриха Кекуле.
В то время Кекуле учился в Лондоне, и это произошло, по-видимому,
прямо в лондонском автобусе, где, по его утверждению, он испытал творческое озарение.
Большинство из нас, сидя в автобусе, размышляют о "Лидс Юнайтед", о том, что мы собираемся
съесть на ужин, придя домой, или о том, что посмотреть по телевизору.
Но Кекуле утверждал, что он размышлял
о вращающихся атомах, соединяющихся в головокружительном танце.
Он видел, как они объединяются в цепочки,
которые связывали вместе множество атомов.
Вдруг кондуктор прокричал: "Клэпэм", -
и новые идеи о структуре сформировались в голове Кекуле.
Кекуле сразу же помчался публиковать свою идею.
Шеф Купера проявил медлительность при публикации его статьи,
так что все лавры достались Кекуле.
А в науке нет награды за второе место.
Несмотря на то, что Купер первый разгадал тайны углерода,
славы он не получил.
Когда он узнал, что его шеф, Адольф Вюртц, почему-то
промедлил с отправкой его статьи.
он обрушил свой гнев на Вюртца, который тут же выгнал его из лаборатории.
После этого он окончательно исчез из истории химии.
Никаких научных статей, никаких писем в журналы, никаких экспериментов, ничего.
Купер упустил свой шанс получить признание
и вскоре после этого сошел с ума.
Он проведет годы в сумасшедшем доме.
Но раз секреты углерода были раскрыты,
мир благоприятных возможностей манил многих других.
Известно, что углерод имеет гораздо больше соединений,
чем любой другой элемент,
поэтому понимание того, как он мог соединяться, дало бы нам возможности
создания нужных нам соединений.
Внезапно стало казаться, что каждый сумел бы управлять элементами,
так что оставалось недолго до того, как промышленность
стала получать определенную прибыль от этого новшества,
и появилась на свет современная промышленная химия.
Сочетания элементов в новых соединениях не просто открыло бы
перспективу нажить состояния,
с момента научного покорения углерода химия начала оказывать непосредственное влияние на наши жизни.
Сегодня трудно представить мир без пластика.
Один из таких материалов, созданный в 1907, имел мудрёное название -
полиоксибензилметиленгликольангидрид, более известный как бакелит.
Вскоре он появился практически повсеместно.
Удивительный материал мог принимать различные формы.
Новые открытия не заставили себя ждать.
В 1930-е американский химик, Уоллес Карозерс
пробился на рынок товаров массового производства.
Он преобразовал химию углерода в наличные,
когда додумался, что к чему.
Это немного походило на коктейль, на самом дне которого углеродная цепь -
гексаметилендиамин. Слово "гекса" значит шестиугольник.
Шесть атомов углерода.
А выше плавает ещё одна углеродная цепь,
деканедиол дихлорид.
И на границе между двумя химикатами
они реагируют друг с другом, образуя связи.
Таким образом, если я выну эту стеклянную палочку,
получится "веревка", в которой всё больше и больше химических соединений,
связанных вместе в очень длинные цепочки.
Я собираюсь использовать такое устройство, как самопрялка.
С помощью всего лишь нескольких элементов: углерода,
азота, кислорода и водорода, найденных в угле, воде и воздухе,
Карозерс сделал
свое собственное уникальное волокно.
Оно скручено так же сильно, как и паутина,
но имеет прочность стали.
Его назвали нейлоном.
Когда в Америке нейлоновые чулки впервые поступили в продажу,
за день распродали весь пятимиллионный запас.
Нейлон начал революцию в синтетической химии,
но Карозерс не дождался своего успеха.
Он страдал от депрессии,
и спустя всего три недели после регистрации первичного патента на нейлон,
в возрасте 41 года он покончил жизнь самоубийством,
добавив вместо соединения углерода цианистый калий в свой напиток.
Нейлон стал глобальным явлением, казалось, прогресс не остановить.
Но наш усиливающийся контроль над элементами,
казалось, неизбежно ставил перед нами новые дилеммы.
Прошло всего 35 лет с момента появления автомобиля,
когда Томас Мидгли младший, инженер Дженерал Моторс,
нашел химическое средство для обеспечения ровной
и более эффективной работы двигателя.
В то время у автомобилей существовала ужасная проблема,
связанная со стуками в двигателях и перебоями зажигания.
Мидгли пытался это решить, экспериментируя,
как говорится, со всем: от масла
и камфоры до этилацетата и хлорида алюминия.
Успех пришел в конечном счете вместе с соединением свинца,
тетраэтилсвинец, известного как ТЭС.
Он делал великолепную работу, ничто не могло с ним сравниться.
В 1970-е годы только в США
каждый год в бензин добавлялось около 200 тысяч тонн свинца.
Но исследования выявили, что это наносит вред
как человеку, так и окружающей среде.
В 1983 году Королевская Комиссия задала вопрос:
"останется ли хоть какая-то часть поверхности Земли
или хоть какая-то форма жизни свободной от загрязнений?"
Производство смеси Мидгли было постепенно прекращено.
На сегодняшний день практически весь бензин в мире неэтилированный.
Свинец.
По мнению алхимиков, это самый древний металл.
По большому счету, римляне первыми его использовали.
Он настолько устойчив, что и по сей день сохранились римские свинцовые трубы.
Английское слово"plumbing"("водопровод") происходит от латинского - свинец, "плюмбум".
Свинец токсичен для человека, так как он отключает ферменты,
которые производят гемоглобин в крови.
Хотя он больше не применяется в бензине,
большая часть свинца, производимого каждый год, по-прежнему попадает в автомобили и аккумуляторы.
Свинец сумел столкнуть ученых лицом к лицу со сложными вопросами,
но это не помешало им продвигаться вперед
в их стремлении контролировать и управлять миром природы.
И их работа с одной группой элементов стала проблеском
революционной идеи - перспективой получения новых, искусственно созданных элементов.
Это было идеей, которой предстояло потрясти самые основы химии...
ВЗРЫВОМ... самой её сути.
В самом её сердце... там, где находились радиоактивные элементы.
В 1896 году французский ученый Анри Беккерель,
работая с кристаллами урана,
обнаружил ультрафиолетовое излучение, придававшее им блеск.
Это выглядело неестественным.
Он оставил соли урана на ночь
на фотопластинке, которая ранее никогда не подвергалась воздействию света.
Утром он обнаружил на ней темные пятна
и понял, что в солях урана, должно быть, есть источник энергии.
Беккерель открыл радиоактивность.
Ученые приступили к исследованиям.
Среди них была Мария Кюри, молодой польский химик.
Мария начала собирать урановую руду, так называемую урановую смолку (уранинит).
Исследуя её электрометром,
она обнаружила...
что её радиоактивность была в 4 раза выше, чем у чистого урана.
Она проверила это 20 раз. Что же это могло быть?
Затем её осенила блестящая идея, она решила что там, в уранините,
было что-то еще, что повышало его радиоактивность.
Нечто более радиоактивное, чем уран.
Но что? Может, новый элемент?
У Мари Кюри не было хорошо оснащенной лаборатории,
оборудование было далеко от совершенства.
Почти как здесь.
По словам одного химика, это было что-то среднее между конюшней
и овощным погребом.
Тонна уранинита, некоторые говорят, даже 10 тонн,
была доставлена ей на повозке с лошадью.
Используя подобное немудреное оборудование,
она попыталась выделить свои таинственные элементы.
Её эксперименты состояли из множества сложных этапов, включающих
смертельно опасные процессы, такие как использование крайне огнеопасного газообразного водорода.
Но весь её тяжелый труд стоил того.
С таким примитивным набором оборудования
Мария Кюри открыла два радиоактивных элемента.
Полоний, названный в честь ее родной Польши,
и второй, который в последствии положил начало целой индустрии - радий.
Радий некогда был ключевым компонентом в светящейся краске.
Он крайне радиоактивен.
Мир буквально влюбился в радий,
предполагая, что его невиданная энергия, должно быть, полезна.
Французы пользовались косметической пудрой с радием.
Немцы ели шоколад с радием.
Американцы пользовались кондомами под маркой Радий.
Но вскоре иллюзии рассеялись, поскольку врачи поняли,
что он вовсе не улучшал здоровье, а вызывал рак.
Марии Кюри не довелось стать свидетелем удивительного путешествия
в которое нас отправили радиоактивные элементы.
Поскольку они встречались в естественно виде,
они могли позволить человеку хоть чуть-чуть приблизиться к невозможной, недоступной мечте.
Создать принципиально новые элементы.
Когда Эрнест Резерфорд работал с радиоактивностью, исследуя
субатомный мир, он сделал поразительное открытие.
В начале 20-го столетия
было распространено мнение, что атомы неделимы и неизменны.
Этот атом углерода всегда будет атомом углерода, атом золота - всегда золотом.
А Резерфорд опроверг эту теорию,
тем самым сделав в научном мышлении гигантский скачок вперед.
Вокруг меня расположено то самое, подлинное оборудование, которое использовали
Резефорд и другие первопроходцы для того, чтобы раскрыть тайны атома.
Резерфорд заключил, что атом - это, в основном, пустое пространство
с крошечными электронами, летающими вокруг ядра в центре, которое состоит из протонов,
положительно заряженных частиц.
Протоны однозначно определяют атом.
Число протонов уникально для элемента.
Атом углерода содержит шесть протонов в ядре.
Семь - это уже азот.
Резерфорд пришел к потрясающему выводу -
число протонов в ядре радиоактивного элемента
могло меняться, потому что он распадался.
Резерфорд выяснил кое-что об этой загадочной радиоактивности -
существовали своеобразные обломки атомов, состоящие из протонов,
вытесненных из атомных ядер.
Он назвал их альфа-частицами.
Подобно тому, как множество форм жизни разрушается и разлагается,
некоторые элементы также подвержены разрушению и распаду.
Когда эти крошечные кусочки атома, альфа частицы отрываются,
его ядро уменьшается.
Резерфорд понял, что как только ядро теряет протоны,
меняется и сам атом.
Он превращается в другой элемент.
Мы можем мельком увидеть радиоактивный распад в камере Вильсона.
Если смотреть внимательно, то можно увидеть паровые шлейфы,
причина которых - альфа-частицы,
испускаемые источником.
Сейчас они невероятно малы,
их размер составляет стотысячную долю диаметра единичного атома.
Они выделяются при радиоактивном распаде.
Изучая это, Резерфорд вдруг понял,
что можно превратить атом одного элемента
в атом другого.
Раз это происходит естественно,
возможно ли сделать это искусственно?
Мог ли Резерфорд умышленно создать один элемент из другого?
Резерфорд любил простоту,
и этот простой набор оборудования являлся его основным инструментарием.
Он поместил с этой стороны радиоактивный источник,
который продувал альфа-частицы сквозь экран на противоположную сторону.
Когда он наполнил камеру азотом,
он видел вспышки, которые были не от альфа-частиц.
Резерфорд предположил, что произошла замена.
Итак, ядро азота содержит семь протонов,
тогда как у ядра кислорода их восемь.
В ходе эксперимента, Резерфорд рассеивал альфа-частицы,
каждая из которых содержит по два протона,
затем эти альфа-частицы сталкивались с азотом.
И именно здесь на передний план выходит алхимия.
Поскольку при соударении выбивается один протон,
это и было причиной вспышек на экране.
Но то, что находится позади слева - это уже больше не азот.
Добавочный протон означает, что он был преобразован в кислород.
Слабые вспышки в аппарате Резерфорда
оказались поворотным моментом в науке.
Превращение азота в кислород так же странно, как и кошка,
которая внезапно превращается в собаку, когда вы её гладите.
Огонь может показать, насколько различны эти два элемента.
Это жидкий азот.
Посмотрите, что произойдет, когда я налью его в огонь.
Огонь гаснет.
Это жидкий кислород.
Огонь становится ярче.
Резерфорд превратил один элемент в совершенно другой.
Ранее ученые считали,
что элементы фиксированы и неизменны.
Теперь Резерфорд доказал, что их можно преобразовать.
Это свидетельствовало о другой интригующей возможности.
Работа Резерфорда по превращению одного элемента в другой
дала ученым надежду, что они могли бы превратить известный элемент
в совершенно новый.
Долгое время прогресса практически не было,
потому что они просто недостаточно знали об атоме.
Затем в 1932 году здесь, в Кембридже, была найдена важная составная часть атома.
Джеймс Чедвик открыл нейтрон.
Эти частицы вообще не имеют никакого заряда, ни положительного, ни отрицательного,
вместе с положительно заряженными протонами они составляли ядро,
сердце атома.
Итальянский ученый, Энрико Ферми, увидел в нейтронах открывающиеся возможности
в деле создания новых элементов.
Работающая с ним команда считала его безупречным
и прозвала его "Папой".
Грандиозная идея Ферми - создать новый элемент,
вне Периодической таблицы.
Еще дальше урана,
самого тяжелого элемента, встречающегося на Земле в естественном виде.
Раз Резерфорд сумел превратить азот в кислород,
Ферми заинтересовало, а что произойдет, если утяжелить уран,
добавив больше протонов в его ядро.
Мог ли он выйти за рамки природы и образовать новый элемент?
Ферми экспериментировал с ураном,
используя технологию Резерфорда для бомбардировки ядра.
Другие тоже пытались использовать положительно заряженные альфа-частицы,
но до сих пор никто не преуспел в создании новых элементов.
Кроме того, в один день, когда Ферми играл в теннис,
он понял, где другие ученые сбились с пути.
Он отбивал мячи,
когда внезапно настал момент прозрения.
Он знал, что ядро атома заряжено положительно,
так же, как и альфа-частицы.
Поскольку они стремились отталкиваться друг от друга, то возможность для альфа-частиц
проникнуть в ядро была крайне мала. Но тогда
в голову Ферми пришла идея, а что, если использовать нейтроны,
частицы без заряда,
тогда ядро не сможет их оттолкнуть,
и их возможность проникнуть в него станет гораздо более вероятной.
Так, в 1934 году Ферми начал экспериментировать,
бомбардируя нейтронами ядра урана.
Ферми надеялся, что когда нейтрон проникнет в ядро урана,
оно станет полностью неустойчивым.
Ядро предпочитает быть сбалансированным, поэтому если у него слишком много нейтронов,
оно преобразует один из них в протон,
испуская при этом электрон.
Ферми полагал, что это приведет к увеличению числа протонов,
что даст ему совершенно новый элемент.
Проделав этот эксперимент, Ферми обнаружил незнакомые ему элементы.
Так чем же они были?
Он дошел до самого низа Периодической таблицы, проверяя известные элементы.
Он сделал пробу на радон, актиний, полоний - на все, вплоть до свинца.
Нового элемента среди них не было.
Так, в 1934 человек, которого они называли Папой,
сделал решительный шаг.
Он объявил ученым всего мира,
что он способен создать элементы тяжелее, чем уран.
Это вызвало напряжение среди ученых, и они начали изучать открытие Ферми.
В 1938 году группа немецких ученых во главе с химиком Отто Ганом
решила повторить работу Ферми.
Однако они быстро выяснили,
что утверждение о том, что ему удалось создать новый элемент, ошибочно.
Они установили: один из его элементов - это барий,
у которого 56 протонов в ядре,
у урана, с которого он начал, их 92.
Хан был заинтригован.
Как будто уран разделился на две части.
Хан написал о своем замешательстве коллеге, Лизе Мейтнер,
которая в то время работала в Швеции.
Как австрийская еврейка, Мейтнер недавно бежала из нацистской Германии
и встречала Рождество 1938 года
на берегу моря со своим племянником, Отто Фришем.
Мейтнер вместе с Фришем
ломала голову над тайной ядра урана.
Поскольку по сравнению с другими - он гигант, он должен быть совершенно нестабильным.
Затем они начали воображать капли воды,
и Мейтнер представила себе ядро урана,
как сильно дрожащую, нестабильную каплю
готовую разделиться из-за удара одного нейтрона.
Она вдруг поняла, что ядро урана раскололось на две части.
И Ферми, и Хан были свидетелями явления, которое теперь нам известно, как деление ядер.
Далее Мейтнер работала, используя расчеты.
Она рассчитала, что объединенная масса двух составляющих
была несколько меньше, чем исходная масса ядра урана,
где-то на пятую часть одного протона.
Её заинтересовало, что же случилось с этой потерянной массой?
Затем ей постепенно стало ясно.
Знаменитая формула Эйнштейна: E = mc2
Потерянная масса была преобразована в чистую энергию.
Внезапное озарение Мейтнер ознаменовало начало ядерного века,
где волнующие возможности новой формы энергии
будут противопоставлены её потенциалу в качестве оружия массового уничтожения.
Это место в Орфорд-Несс обычно используют как военный полигон,
одно из самых засекреченных мест в Британии.
Еще в 1939 году, когда была опубликована работа Лизы Мейтнер
по ядерному делению, война уже начала накрывать тенью всю Европу.
Работа потрясла не только научное сообщество,
государствам, которые находились на грани конфликта,
стало известно об исключительной мощи,
которую теперь было возможно получить из элемента.
По обе стороны Атлантического океана созвали ученых
для исследования возможностей этого нового открытия.
Результатом этого была директива США по созданию Манхэттенского проекта.
Его целью стало создание первой атомной бомбы.
Стремительное развитие 2-х миллиардного проекта,
в котором принимали участие ученые из Америки, Канады и Европы,
было вызвано опасениями, что нацистская Германия
в тайне от других разрабатывает ядерное оружие.
И Германия, и союзники знали, что ядро урана можно
расщепить, бомбардируя его нейтронами, высвобождая при этом огромную энергию.
Но для достижения результата
эту энергию необходимо высвободить практически мгновенно,
при медленной реакции получится "горение" урана, а не бомба.
Таким образом, обе стороны направили свои усилия на совершенствование
способа быстрого высвобождения энергии в больших масштабах.
Цепная реакция.
Представьте себе, что этот теннисный шарик - нейтрон,
летящий к нестабильному ядру урана, к мышеловке.
Он попадает в ловушку,
которая в свою очередь притягивает новый нейтрон из воздуха.
И вот получается цепная реакция.
Один нейтрон пойман,
но множество ловушек готовы и ждут своей очереди.
А сейчас представьте, что каждая урановая ловушка высвобождает
вспышку энергии, той самой энергии, которую рассчитала Лиза Мейтнер.
В результате - чудовищный взрыв.
В 1942 году Энрико Ферми, итальянский физик, живший тогда в Америке,
стал первым человеком, запустившим цепную реакцию урана.
Уран.
В его власти не только победа в войнах,
но и электроснабжение миллионов домов.
Прежде, чем секреты его радиоактивности были раскрыты,
сияние этого элемента в ультрафиолетовых лучах
вызывало желание обладать бокалом или вазой, сделанными из урана.
Около семи недель вашего ежегодного потребления электроэнергии
обеспечивается цепной реакцией деления ядер урана.
Его используют в танковых снарядах,
поскольку большой вес позволяет пробивать броню.
Но обогащение урана для бомб было и сложным, и дорогостоящим.
Америке пришлось бы найти более подходящую альтернативу
для создания своего ядерного арсенала.
Ученые из Калифорнии сконцентрировались на задаче, пытаясь создать
новый элемент тяжелее урана.
Ключом к этому было устройство, называемое циклотрон,
который позднее был положен в основу этого гиганта, синхротрона.
Принцип действия устройств один и тот же.
Они используют гигантские магниты, заставляя заряженные атомы кружиться ещё и ещё,
все быстрее и быстрее.
Эти магниты такие мощные, что если включить один из них,
то ему под силу вырвать кувалду прямо из моих рук.
Чтобы создать новый элемент,
нужно увеличить число протонов в ядре существующего элемента.
И в циклотроне этот способ был реализован.
Как только заряженные атомы
достигнут скорости в одну десятую от скорости света,
их направляют и сталкивают с металлической мишенью
для создания нового элемента.
В конце-концов, мечта человека о создании "строительного кирпичика"
за пределами Периодической таблицы была близка к осуществлению.
Американские физики Эдвин МакМиллан и Филип Абельсон
облучили уран пучком частиц для создания элемента 93.
Они назвали его Нептуний.
Впервые человек создал элемент тяжелее урана.
Когда-то возможности химиков ограничивались элементами, которые предоставляла природа.
Сегодня наука преодолела этот барьер, создавая искусственные элементы.
И вместе с новыми возможности появились новые дилеммы.
Следующий элемент, полученный человечеством в 1941 году,
в последствии приобрел печальную славу...
его назвали плутонием.
Ученые быстро осознали,
что ядра плутония можно расщепить,
и следовательно, он мог стать источником взрывной цепной реакции.
Вскоре на его основе была сделана бомба.
От открытия ядерного деления до создания первых атомных бомб
прошло менее 7-ми лет.
И 6 августа 1945 года
подтвердило исключительную точность предварительных расчетов Лизы Мейтнер.
В 580 метрах над японским городом Хиросима
один кусок урана-235 спекается с другим,
вызывая быструю цепную реакцию.
Всего лишь полграмма преобразуется в энергию,
это одна десятая часть 10-пенсовой монеты.
Но взрыв выходит силой в 13 килотонн в тротиловом эквиваленте.
Спустя три дня плутониевая бомба упала на Нагасаки,
общее число погибших от двух бомб оценивается в 200 000 человек.
Плутоний.
Назван в честь планеты Плутон,
также его имя связано с римским богом подземного мира.
Этот мощный элемент получается при бомбардировке урана-238 нейтронами.
В одном грамме плутония энергии столько же, сколько в одной тонне нефти.
Большинство ядерных бомб, созданных во время холодной войны, содержали плутоний.
Первые созданные человеком объекты, которым суждено покинуть нашу Солнечную систему,
два космических зонда "Вояджер",
питались энергией плутония.
Ранними алхимиками двигала мечта - превратить свинец в золото.
И дьявольскую гонку по созданию атомной бомбы можно считать своего рода современной алхимией.
Война показала пугающую мощь этих нестабильных элементов.
Но они дали дразнящий намек
на свои безграничные возможности.
Соблазн научных открытий, создания абсолютно новых элементов,
которых не было в Периодической таблице, оказался непреодолим.
Жажда создания всё новых и новых элементов вела физиков
в Объединение научно-исследовательских центров Германии имени Гельмгольца
в немецком Дармштадте.
Их задача - дойти до границ химии,
найти последний элемент,
который растянет до предела законы физики.
К этому времени они получили шесть новых элементов.
Последний подтвержденный элемент - 112, который был назван Коперниций,
в честь астронома Коперника.
Вот, где всё начинается,
в одном из самых мощных в мире ядерных ускорителей.
За этой 70-ти тонной свинцовой дверью
ученые используют высокотехнологичное оборудование
не только для создания самых тяжелых элементов,
но и изучения их свойств,
чтобы попытаться понять их характеристики, если хотите.
Они пытаются завершить работу,
которую начали такие химики, как Менделеев,
и раскрыть секреты самых отдаленных уголков Периодической таблицы.
Но сначала необходимо создать новые элементы.
Это центр управления гигантским ускорителем,
который по сути является оружием для стрельбы одним элементом по другому.
Этот маленький кусочек цинка
идентичен тому, что используют в ускорителе.
В направлении мишени из свинца выстрелили заряженными атомами цинка.
Напряжение почти в 50 миллионов вольт
ускоряет эти атомы, движущиеся к цели, так что при столкновении
их скорость 108 миллионов км/ч.
Это примерно в 4000 раз быстрее скорости космического корабля.
Идея состоит в том, что на этой скорости
существует вероятность того, что атомы могут соединиться,
создав атом нового элемента.
В этом случае - элемент 112.
Но, очевидно, это не так просто, как кажется.
Чуть больше энергии - и атомы при столкновении разрушаются,
чуть меньше - и новый элемент не создается вовсе.
По сути, даже при идеально подобранной энергии
шансы на их соединение ничтожно малы.
Это немного похоже на выигрыш в лотерее,
где нужно выбрать не из 50 шаров, а из 3000.
Поразительно, с каким огромным трудом
ученым удается получить единичные атомы,
такие нестабильные, что они существуют лишь секунды.
Но даже этого хватает, чтобы определить некоторые их свойства.
В опытах со 112 элементом были доказаны его неустойчивость и нестабильность,
а также малоактивность сродни ртути.
Он мог быть жидкостью при комнатной температуре, если бы его можно было получить в достаточном количестве.
Из-за этого сходства его создатели поняли, что элемент должен
располагаться непосредственно под ртутью в Периодической таблице.
Физики становятся новым химиками.
Скоро они попытаются создать 120-ый элемент.
Открытия, совершенные здесь, в НИЦ, могут казаться отвлеченными, даже туманными
но очень важно продвинуть Периодическую таблицу к её границам.
Без изучения этих искусственных, крайне неустойчивых элементов
мы никогда не смогли бы в полной мере понять историю нашей вселенной.
Моё путешествие началось с тех алхимиков, отважные эксперименты которых
привели нас к открытию множества элементов.
Они проложили дорогу для первых химиков,
чьё призвание - выяснить как устроен мир, привело их
к расщеплению вещества и наведению порядка в видимом хаосе случайных
элементов, и затем, к венцу творения - Периодической таблице.
Ученые смогли использовать эти открытия
и порядок расположения элементов для создания современного мира.
Наконец-то они могли распоряжаться строительными блоками природы по своему усмотрению.
Но наша история по-прежнему далека от завершения.
Доступные нам слабые проблески
с самых дальних рубежей Периодической таблицы
наводят на мысль, что история элементов будет продолжаться.
Их возможные реакции,
их свойства, их невиданный потенциал.
Вот над чем сейчас необходимо работать ученым,
раскрыть секреты элементов, до сих пор отказывающихся сдаваться.
Самое удивительное в том, что никто не знает,
куда ещё эта поразительная история нас заведет.
Тайминг MVGroup.org Перевод Truetranslate.tv Редакторы Irina73, kodev, IamCrazy, memento, Betelgeuse_990, Torry, cepylka
Переведено на сайте www.notabenoid.com Переводчики: Betelgeuse_990, IamCrazy, Setap, e5166, cepylka, ghogho, Irina73, azat1993, memento, kodev, M_E_NoT