Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева

Массовый коллективный шлепок по лбу в духе «Ах, как же я сам не догадался!» произошел в 1932 году, когда Джеймс Чедвик, один из учеников Резерфорда, открыл нейтрон – элементарную частицу, не имеющую заряда, но имеющую массу. Этот феномен, рассмотренный в контексте идей Мозли об атомной массе, мгновенно позволил понять, как же построены атомы (по крайней мере, изолированные). Из-за разного количества нейтронов в ядрах изотопы свинца-204 и 206 относятся к одному химическому элементу и располагаются в одной клетке периодической системы. Ведь положительный заряд у них одинаков, а атомная масса разная. Внезапно прояснилась и природа радиоактивности. Бета-распад оказался превращением нейтронов в протоны и наоборот. Именно из-за изменения количества протонов один элемент в процессе бета-распада превращается в другой. Альфа-распад тоже сопровождается превращением элементов, при этом в ядре происходят наиболее серьезные изменения: при каждом акте альфа-распада атом теряет сразу два нейтрона и два протона.

В течение следующих нескольких лет нейтрон уже стал чем-то большим, чем теоретический инструмент. Во-первых, он оказался изумительным средством для зондирования недр атома, так как при «выстреле» нейтроном по атому эта частица не отталкивалась, в отличие от электрически заряженных «снарядов». Кроме того, нейтрон помог ученым описать новый тип радиоактивности. Элементы, особенно самые легкие, «пытаются» поддерживать в ядре стабильное соотношение между протонами и нейтронами – примерно 1 к 1. Как только в атоме накопится слишком много нейтронов, он самопроизвольно распадается, испуская при этом энергию и лишние нейтроны. Если эти нейтроны попадают в соседние атомы, то эти атомы также становятся нестабильными и испускают все больше нейтронов. Возникает своеобразный каскад, называемый цепной реакцией. Физик Лео Сцилард придумал концепцию цепной реакции примерно в 1933 году, стоя однажды утром в Лондоне на перекрестке со светофором. Сцилард запатентовал эту идею в 1934 году. Первые попытки осуществить цепную реакцию с легкими элементами (правда, неудачные) он предпринимал уже в 1936 году.

Обратите внимание на все эти даты. В те самые годы, когда в научных кругах формировалась стройная картина нейтронных, протонных и электронных взаимодействий, старый мировой политический порядок стремительно распадался. В тот день, когда Альварес прочитал в парикмахерской о распаде урана, Европа уже была обречена.

Период аристократической «охоты за элементами» клонился к закату. Теперь ученые обладали новой моделью внутреннего строения атома и понимали, что единичные еще не открытые элементы периодической системы ускользают от них потому, что по природе своей крайне нестабильны. Даже если молодая Земля изобиловала ими, эти атомы уже давным-давно распались. Действительно, такая точка зрения удобно объясняла пробелы в периодической таблице, но оказалось, что традиционный поиск элементов был заброшен не зря. Исследуя нестабильные атомы, ученые вскоре познакомились с феноменами ядерного распада и нейтронных цепных реакций. И как только стало понятно, что атомы можно расщеплять – а также была осознана научная и политическая подоплека этого факта, – поиск новых элементов «для коллекции» сразу превратился в любительское хобби. Этим он напоминал старомодную биологию начала XIX века, сводившуюся к охоте и набиванию чучел, которая несравнима с современной молекулярной биологией. Именно поэтому в 1939 году ученые, осознававшие близость новой мировой войны и то, что в ней могут быть применены атомные бомбы, отложили поиски прометия и завершили их лишь через десять лет.

Как сильно ни были ученые заинтригованы возможностью создания ядерных бомб, требовалось проделать еще массу работы, отделявшей теорию от практики. Сегодня об этом уже не вспоминают, но военные эксперты считали создание атомных бомб, мягко говоря, маловероятным, по крайней мере в обозримом будущем. Как обычно, военные лидеры охотно брали на службу ученых, а ученые исправно усугубляли жестокости войны, изобретая новые технологии – например, улучшая сорта стали. Но Вторая мировая война не завершилась бы двумя ядерными грибами, если бы американское правительство просто требовало немедленно создать более мощное и скоростное оружие. Напротив, была проявлена политическая воля, и миллиарды долларов были вложены в область, ранее считавшуюся чисто академической и оторванной от жизни: науку о субатомных частицах. Но даже при этом задача запуска контролируемой ядерной реакции и расщепления ядер настолько опережала состояние науки тех лет, что для успешной реализации Манхэттенского проекта пришлось разработать совершенно новую исследовательскую стратегию. Она называлась методом Монте-Карло и полностью перевернула представление людей о том, что значит «творить науку».