Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева

Никто не пытался дать переходным металлам чуть больше места, пока Гленн Сиборг и его коллеги все из того же Калифорнийского университета в Беркли не перерисовали всю периодическую систему. Эта работа продолжалась с конца 30-х до начала 60-х годов. Дело было не только в том, что в таблицу добавлялись новые элементы. Сиборг с коллегами осознали, что некоторые элементы, например актиний, не вписываются в привычную схему. Опять же, может показаться странным, но в те времена многие ученые воспринимали периодический закон не слишком серьезно. Они полагали, что лантаноиды и их странная химия представляют собой серию странных исключений из строгих правил периодической системы, что ниже лантаноидов уже не окажется элементов, которые прячут лишние электроны у себя в оболочках и из-за этого совершенно не похожи по свойствам на обычные переходные металлы. Но химия лантаноидов повторилась. Иначе и не могло быть: ведь в этом заключается категорический императив химической науки, то самое свойство элементов, которое будет понятно даже инопланетянам. Они распознали бы это свойство не менее уверенно, чем Сиборг. Он впервые обратил внимание на то, какой необычной химией обладают металлы, следующие в таблице за актинием, элементом № 89.

Актиний сыграл ключевую роль в придании периодической системе элементов ее современных очертаний. Сиборг с коллегами решили извлечь из таблицы все известные на тот момент тяжелые элементы (сегодня называемые «актиноидами») и вынести их в отдельную строку под основной частью таблицы. За счет освободившегося места переходные металлы получили дополнительное пространство. Их больше не располагали в виде треугольников, а выстраивали в виде дополнительных столбцов – таких новых столбцов получилось 10. Такой вариант таблицы оказался настолько удобен, что многие ученые приняли новую сиборговскую модель. Потребовалось некоторое время, чтобы избавиться от ретроградов, не желавших отказываться от старой таблицы. Только в 1970 году периодический календарь окончательно уступил место периодическому замку – настоящему брустверу современной химии.

Но никто не утверждает, что такая форма таблицы идеальна. Столбчатый вариант оставался преобладающим со времен Менделеева, но сам Менделеев разработал около тридцати разных начертаний периодической системы, а к 1970 году набралось уже более семисот вариантов. Некоторые химики предпочитают отсекать одну из башен замка и приставлять ее к башне с другой стороны, так что таблица начинает смахивать на аляповатую лестницу. Другие возятся с гелием и водородом, расставляя их по разным углам таблицы. Таким образом они пытаются подчеркнуть, что эти элементы, у которых нет октета электронов, обладают весьма необычными химическими свойствами.

На самом деле, стоит только начать экспериментировать с формой периодической системы, как понимаешь, что варианты далеко не ограничиваются прямоугольными контурами [172] . Например, одна из интересных современных таблиц напоминает соты, где шестиугольные поля с элементами разворачиваются по спирали все дальше и дальше. Водород находится в центре такой схемы. Астрономам и астрофизикам нравится начертание, в котором водородное «Солнце» располагается в центре схемы, а вокруг него, как по орбитам, «вращаются» остальные элементы, напоминающие планеты и спутники. Биологи вычерчивают периодическую систему в виде спирали, похожей на ДНК, а самые увлеченные экспериментаторы выполняли таблицу даже по принципу настольной игры парчиси: столбцы и ряды записываются сразу по обе стороны листа, заверстываясь за край страницы. В США был даже выдан патент на игрушку-пирамидку, собираемую по принципу кубика Рубика, на вращающихся гранях которой изображены символы элементов.

172

Интересно упомянуть об одном новаторском способе представления периодической системы, пусть и традиционном по форме. В Оксфорде стали ездить автобусы и такси, на бортах которых изображены столбцы периодической системы. От шин до крыши они усыпаны клеточками с элементами, выполненными в основном в пастельных тонах. Проект спонсируется Оксфордским научным парком. См. http://www.oxfordinspires.org/newsfromImageWorks.htm.

Кроме того, на сайтеможно найти варианты таблицы Менделеева более чем на 200 различных языках, в том числе на мертвых, например коптском и древнеегипетском.

Люди с музыкальными склонностями наносили элементы на нотный стан, а наш старый знакомый Уильям Крукс, любитель-спиритист, придумал два замечательных и причудливых варианта периодической системы: один в форме лютни, другой – в виде кренделя. Мне очень нравятся таблицы-пирамиды. Они расширяются от вершины книзу и наглядно демонстрируют, как возникают новые орбитали и как все большее количество элементов аккуратно вписывается в общую систему. Еще мне нравится вариант «в разрезе», который закручивается в середине. Изобразить его я бы не смог, могу только сказать, что он похож на ленту Мёбиуса.

Более того, сегодня начертания периодической системы вышли из плоскости и перестали быть двухмерными. Отрицательно заряженные антипротоны, которые Эмилио Сегре открыл в 1955 году, образуют гармоничное единство с антиэлектронами (позитронами). Из этих частиц уже удалось получить атомы антивещества – например, антиводород. Теоретически каждому элементу может соответствовать свой «антиэлемент», не исключена и возможность существования целой периодической таблицы антиэлементов. Такую зазеркальную таблицу мы можем только представить, но уже в наше время ученые исследуют новые формы материи, которые, возможно, позволят открыть сотни и даже тысячи новых «элементов».

Во-первых, существуют суператомы. Эти скопления, включающие в себя от восьми до ста атомов одного элемента, обладают сверхъестественной способностью «притворяться» отдельными атомами других элементов. Например, если правильно сгруппировать тринадцать атомов алюминия, они начинают проявлять такие же свойства, как ядовитый бром. В химических реакциях атом брома и такое скопление атомов алюминия совершенно неразличимы. Этому поразительному сходству не мешает даже то, что такое скопление в тринадцать раз крупнее атома брома, а алюминий не имеет ничего общего со столбцом ядовитых галогенов-лакриматоров. Другие скопления атомов алюминия напоминают по свойствам атомы благородных газов, полупроводники, кальций и иные элементы, расположенные в совершенно других областях периодической системы.

Описанный механизм работает так. Атомы упорядочиваются в виде многогранника, в котором каждый атом «имитирует» протон или нейтрон коллективного ядра. Электроны в такой структуре могут свободно перемещаться внутри ядерного пузыря, и все атомы совместно пользуются электронами. Ученые придумали для обозначения такого состояния вещества немного иронический термин «желий» (от слова «желе»). В зависимости от формы многогранника и от количества в нем граней и углов желий может выдавать в общее пользование большее или меньшее количество электронов. Если наберется семь таких электронов, кластер будет проявлять свойства брома, то есть галогена. Если четыре – желий напоминает по свойствам кремний, полупроводник. Атомы натрия также могут объединяться в желий и «подражать» другим элементам. Вполне возможно, что и многие другие элементы могут имитировать совершенно иные элементы, и вообще все элементы могут имитировать все другие элементы, и так далее, до полной неразберихи. Эти открытия наталкивают ученых на разработку параллельных периодических систем, в которых нашлось бы место для классификации всех подобных экзотических образований. Новые таблицы можно сравнить с полупрозрачными иллюстрациями из старинных анатомических атласов, которые нужно накладывать на «скелет» – таблицу Менделеева.

Впрочем, даже такие странные образования, как желий, по крайней мере, напоминают обычные атомы. Но есть и еще один способ углубления периодической таблицы. В физике существует понятие «квантовая точка». Ее можно сравнить с голографическим или виртуальным атомом, который тем не менее подчиняется всем законам квантовой механики. Квантовые точки получаются из разных элементов, однако наиболее легко получать их из индия. Это серебристый металл, дальний родственник алюминия. Он расположен прямо на границе между металлами и полупроводниками.

Для создания квантовой точки ученым требуется сконструировать крошечную колонну, едва различимую глазом. По виду она напоминает знаменитую Башню Дьявола [173] . Подобно геологическому монолиту, такая микроскопическая «башня» состоит из слоев. Снизу вверх в ней укладываются следующие вещества: полупроводник, тонкий изолирующий слой (керамика), индий, более толстый слой керамики и металлическая верхушка. На верхушку подается положительный электрический заряд, притягивающий электроны. Электроны устремляются вниз, пока не достигают изолятора, который для них обычно непроницаем. Однако если изолятор достаточно тонок, то электрон (который на фундаментальном уровне представляет собой просто волну) включает какую-то квантово-механическую магию и «туннелирует» прямиком к индию.

173

Магматическая монолитная скала, по форме напоминающая колонну. – Прим. пер

В этот момент ученые отключают электричество, перехватывая улетевший электрон. Атомная решетка индия такова, что электроны могут свободно перемещаться между атомами, однако поглощение электрона атомом здесь случается сравнительно редко. Электрон словно парит над слоем атомов, мобильный, но дискретный, и если слой индия достаточно тонок и узок, то порядка тысячи атомов индия объединяются и действуют как единое целое, совместно используя захваченный электрон. Возникает некий суперорганизм. Если внедрить в квантовую точку два или более электронов, то внутри индия они примут противоположные спины и рассредоточатся по гигантским орбиталям и оболочкам. Сказать, что это странно, – ничего не сказать. Фактически мы получаем колоссальные атомы, подобные тем, что образуются в конденсате Бозе – Эйнштейна, но без тех хлопот, которые связаны с охлаждением субстанции до миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. Причем такие опыты – отнюдь не забава, оторванная от реальности. Квантовые точки демонстрируют невероятный потенциал для создания квантовых компьютеров нового поколения. Ученые получают возможность управлять отдельными электронами и совершать вычисления с их помощью. Это гораздо более быстрая и чистая техника, чем прокачка миллиардов электронов через полупроводниковые интегральные схемы Джека Килби, сконструированные в середине прошлого века.