Хью Олдерси-Уильямс
Научные сказки периодической таблицы. Занимательная история химических элементов от мышьяка до цинка
Шарады плутония
Гленн Сиборг был, наверное, самым великим открывателем химических элементов за всю историю. В 1940 г. его открытием стал плутоний, в 1944 г. – кюрий и америций, в 1949 и 1950 гг. – берклий и калифорний. Кроме того, он приложил руку и к открытию ряда других элементов. На его счету их больше, чем у Вильяма Рамзая, обнаружившего инертные газы, к тому же он опередил и великих открывателей новых металлов: Гемфри Дэви и прославленного Йёнса Якоба Берцелиуса из Стокгольма.
У Сиборга, как и у многих других ученых, открывших химические элементы, текла шведская кровь. Фамилия его отца – американизированный вариант шведской фамилии Сьеберг, его мать тоже была шведкой, шведский язык был родным языком в доме, где он вырос в Ишпеминге в северном Мичигане. Этот район Соединенных Штатов облюбовали скандинавские иммигранты, которые мгновенно начинали чувствовать себя там как дома, стоило им пройтись по немощеным улицам из хорошо утрамбованной железной руды.
Те годы, когда Сиборг заканчивал школу, ознаменовались новостями, приходившими от химиков со всех концов света. Они заявляли, что им удалось отыскать последние несколько элементов, которых не доставало в периодической таблице Менделеева. Названия, ими предлагаемые для новооткрытых элементов, как правило, строились на географических ассоциациях: алабамин, руссиум, виргиниум, молдавиум, иллиниум, флорентиум, ниппониум. К тому моменту, когда в 1929 г. Сиборгу исполнилось 17 лет, периодическую таблицу заполнили до урана, у которого было 92 протона в ядре атома и, соответственно, атомное число равнялось 92. Хотя некоторые из упомянутых заявлений оказались ошибочными или, по крайней мере, преждевременными, со временем было подтверждено, что химические элементы, известные нам ныне под названиями технеций, астат, прометий и франций, могут быть успешно синтезированы в радиационных лабораториях.
Сиборга захватили открытия, сделанные в этой новой научной области, расположенной на границе физики и химии. Теперь можно было превращать химические элементы один в другой, и могущественные радиационные лаборатории владели ключом к названному волшебству. Как только у него возникла такая возможность, Сиборг начал проводить собственные радиационные эксперименты. Еще будучи студентом-старшекурсником в Калифорнийском университете в Беркли, он занялся бомбардировками теллурия атомами и нейтронами дейтерия с тем, чтобы превратить его в тяжелый изотоп йода, радиоактивное присутствие которого можно легко отследить и благодаря этому его можно использовать для контроля функции щитовидной железы. В дальнейшем научатся локализовывать опухоли с помощью использования счетчика Гейгера, который регистрирует места наиболее высокой концентрации йода. Работать с теллурием крайне неприятно – его соединение с водородом похоже на сероводород и обладает таким же отвратительным запахом тухлых яиц, только гораздо более сильным. Позднее Сиборгу удалось передать исследования теллурия одному из своих студентов, которому было очень трудно отделаться от преследовавшей его вони. Даже по прошествии нескольких дней можно было с уверенностью сказать, какими книгами он пользовался, благодаря тошнотворному запаху, от них исходящему.
Сиборг вовсе не собирался на этом завершать работу по превращению химических элементов. Он понял, что предел у количества элементов только кажущийся. Так называемые сильные ядерные взаимодействия, которые связывают нейтроны и протоны, образуя ядро атома, действительно сильны лишь на очень небольших расстояниях. В более крупных атомных ядрах взаимоотталкивание положительных электрических зарядов протонов становится значительно более важным фактором. «В какой-то момент обе силы могут сравняться. До сих пор никому не приходила в голову мысль, что в этом, возможно, и заключается главная причина того, что мы не нашли в природе ни одного элемента с числом протонов большим, чем у урана-92», – писал Сиборг в воспоминаниях.
Из подобных рассуждений напрашивался вывод: бомбардировать уран частицами и посмотреть, не застрянет ли в нем какая-нибудь. К началу 1939 г. появились и другие причины для таких исследований. Мир поспешно вооружался, готовясь к новой большой войне. Известия об успешном делении атома пришли из нацистского Берлина. Отто Ган бомбардировал атомы урана нейтронами и обнаружил, что от него отделяются не только мелкие частицы, как и в процессе естественного радиоактивного распада, но целые атомы раскалываются надвое. Он был поражен и растерян, обнаружив среди продуктов реакции барий с атомным весом чуть более половины атомного веса урана. Его растерянность прошла, когда работавшая вместе с ним в течение долгого времени физик еврейского происхождения Лиза Мейтнер (вместе с которой он открыл элемент протактиний в 1918 г. и которая в тот момент находилась в эмиграции в Швеции) сообщила о своих расчетах, подтвердивших объективность полученных им данных. Она также обратила внимание на то, что тяжелый уран, атомы которого содержали больше обычного числа нейтронов, должны распадаться на атомы менее крупных элементов, высвобождая при этом значительные объемы энергии. Коллега Сиборга Эд Макмиллан вскоре сделал сходные наблюдения и пришел к выводу, что не все атомы урана распадаются таким же образом и некоторые из них могут просто поглощать нейтроны. А если так, то их можно превратить в атомы нового элемента с номером 93.
Упомянутое предположение вскоре подтвердилось, а сообщение об открытии было опубликовано в 1940 г. К тому времени Европа находилась в состоянии войны, и публикация в открытой печати потенциально стратегической информации вызвала ярость в Британии. Единственным, что сохранялось в секрете, было название нового элемента. Макмиллан решил назвать его нептунием, последовав примеру с ураном, даже несмотря на то, что планета Нептун на тот момент была известна уже почти целое столетие. Однако информация о названии нового элемента хранилась в секрете до окончания войны.
Поиски Сиборгом элемента с номером 94, напротив, проходили в атмосфере предельной секретности. Период полураспада нептуния слишком мал для очень многих видов использования и, конечно, в первую очередь для того, что теперь стали называть «атомной бомбой» (существует мнение, что это словосочетание придумал Г. Уэллс в романе «Освобожденный мир» в 1913 г.). Впрочем, были основания полагать, что следующий элемент будет иным. Исследования начались в Беркли, но после вступления Соединенных Штатов в войну и начала реализации Манхэттенского проекта центр усилий по синтезу плутония переместился в Чикаго. Сиборг проработал там три года до 1945 г. в здании, из соображений конспирации именовавшемся Металлургической лабораторией, или «Мет Лаб». Первоначальная задача состояла в том, чтобы создать ядерный реактор, в котором куски урана собирались бы таким образом, чтобы возникла цепная реакция. Ее результатом должен был стать элемент с номером 94. Поначалу искомый элемент называли просто «94»; в дальнейшем, когда стало понятно, что подобное название слишком прозрачно, химики изменили код на «49» и называли его «медью». Все шло хорошо, пока в одном из экспериментов не потребовалась настоящая медь, которую стали именовать «честное слово, медь».
Новый элемент был получен в августе 1942 г. Сиборг писал в дневнике – не слишком подчеркивая свою роль в происшедшем – о «самом потрясающем дне в „Мет Лаб“»:
Нашим специалистам в микрохимии впервые удалось получить элемент 94! Человеческий глаз впервые увидел элемент 94 (да и вообще, если уж на то пошло, какой бы то ни было синтетический элемент). Мои чувства сходны с чувствами отца новорожденного, который с увлечением следит за развитием своего отпрыска с момента его зачатия.
Теперь отпрыску необходимо было дать имя. В свете намечавшихся военных событий вполне оправданно были отвергнуты названия экстремий и ультимий. Сиборг последовал примеру Макмиллана и воспользовался тем фактом, что в Солнечной системе есть одна «неиспользованная» планета – Плутон, открытая в 1930 г. «Вначале мы думали назвать его плутием, затем поняли, что плутоний звучит красивее», – писал он позднее, настаивая, что единственным источником ассоциаций для него было название планеты. Когда же ему напомнили, что Плутон был и римским богом подземного мира и мертвых, Сиборг ответил, что любой подобный символизм «абсолютно случаен. Мне был совершенно неизвестен упомянутый бог и причины, по которым планету назвали именно так. Мы попросту следовали сложившейся „планетарной“ традиции».
Мне протесты известного химика представляются чрезмерно нарочитыми. И факты свидетельствуют против него. У Сиборга было превосходное филологическое образование, в естественные науки он пришел довольно поздно. Немыслимо, чтобы ему никогда раньше не приходилось слышать о боге Плутоне и о том, что тот был владыкой подземного царства мертвых. Когда же речь зашла о выборе химического символа для плутония, Сиборг проявил большую откровенность. «Каждый химический элемент имеет одно- или двухбуквенное сокращение. Если следовать стандартным правилам, символ для плутония должен был состоять из двух латинских согласных: Pl, но вместо этого мы остановились на Pu», – пояснил он. P.U. в американском сленге означает «распространение порочащих сведений» и вообще что-либо крайне неприятное и отвратительное. «Мы думали, что нас за нашу маленькую шутку могут раскритиковать, но никто ничего не заметил». Несколько главных участников Манхэттенского проекта даже создали «клуб UPPU („ты мочишься плутонием“)». Для желавших вступить в члены клуба существовало единственное правило – необходимо было так часто и активно работать с плутонием, чтобы он появился в моче.
Первую микроскопическую крупинку плутония Сиборг получил в августе 1943 г., год спустя после того, как ему удалось выделить первые невидимые атомы. Еще через год его реактор уже производил массу плутония в целый грамм и даже более. Все торопились с завершением работ по созданию атомной бомбы, поэтому времени для особых восторгов по поводу открытия не было, и еще меньше его было на серьезные размышления относительно того, какими характеристиками может обладать новый элемент. В большинстве случаев за открытием химического элемента следуют активные исследования учеными его характеристик, оценки его реактивности и попытки получения его соединений. В случае же с плутонием самым важным было выверить определенные чисто технические параметры, имевшие отношение к его радиоактивному распаду. Большее, казалось, никого особенно не интересовало. Даже имя открывателя, обычный предмет гордости, до поры до времени держали в тайне. В конце войны несколько участников Манхэттенского проекта с женами собрались на игру в шарады, которая еще раз подтвердила тот высокий уровень секретности, что окружал проект. «Когда мужья попытались загадать слово „плутоний“, их жены были растеряны, им никогда раньше не приходилось его слышать».
Химик проснулся в Сиборге значительно позже. В докладе «Первое взвешивание плутония» (1967) он описывает новый химический элемент с благоговейным трепетом:
Плутоний настолько необычен, что кажется невероятным. При некоторых условиях он может быть почти таким же твердым и хрупким, как стекло, а при других – таким же мягким, как пластмасса или свинец. При нагревании на воздухе он сгорает и быстро превращается в порошок, а при комнатной температуре медленно распадается… И он чудовищно токсичен, даже в небольших количествах.
Несмотря на сказанное, Сиборг наивно полагал, что плутоний сможет когда-нибудь заменить золото в качестве денежного стандарта. Возможно, он действительно забыл всю символику, связанную с Плутоном.
Однако основные возможности плутония лежат, конечно, совершенно в другой области. Нескольких его фунтов достаточно для производства атомной бомбы. Плутоний в этом смысле значительно более эффективен, чем его альтернатива – расщепляющиеся изотопы урана. Вернер Гейзенберг и другие немецкие ученые уже в 1941 г. понимали, что из элемента номер 94 можно получить мощную ядерную взрывчатку. Тем не менее создается впечатление, что союзники никогда не принимали всерьез возможность получения нацистами плутония, а немцы, в свою очередь, не знали, что им уже располагают союзники. Если бы обеим сторонам было известно об интересах друг друга и они обратили бы на последствия этого серьезное внимание, события Второй мировой войны могли бы принять совершенно иной оборот.
Плутоний, элемент, который вообще едва ли кто-либо видел, быстро занял место, традиционно отведенное сере с ее демоническими ассоциациями, поначалу благодаря его роли в изготовлении атомной бомбы, а затем благодаря осознанию обществом того, насколько трудно от него избавиться. Период радиоактивного полураспада изотопа плутония в радиоактивных отходах составляет 24 000 лет, что превращает вопрос его безопасной утилизации в крайне острую проблему. Любые сооружения, предназначенные для захоронения плутония, должны простоять значительно дольше египетских пирамид, и те цивилизации, которые будут наследовать нашей, должны отдавать себе отчет в том, какое опасное содержимое находится в данных сооружениях.
* * *
Обучаясь на химическом факультете, я как-то решил устроиться на работу на время летних каникул и пошел в организацию с громким названием Институт изучения атомной энергии в Харвелле, в Оксфордшире. Именно там мне впервые и единственный раз в жизни довелось столкнуться с плутонием. Я ощутил ауру могущества, окружавшую этот химический элемент, когда в качестве одного из условий моего приема на работу я должен был подписать Акт о сохранении государственной тайны. Мне так и осталось непонятным, что мне надлежало хранить в тайне: бедность обстановки, в которой нам приходилось работать, или совсем добитый военный автобус, на котором нас возили на службу. Трясясь в старой колымаге по заросшим травой полосам военного аэродрома, где после 1945 г. расположился лагерь нашего исследовательского учреждения, я читал «Уловку-22».
Меня назначили на работу в лабораторию, которую возглавлял джентльмен с трубкой в зубах и размашистой походкой мсье Юло. Лаборатория имела «красный» (третий из четырех) уровень секретности. Это значило, что у меня был допуск к работе с растворами пониженной концентрации, содержащими плутоний, и я должен был носить специальные холщовые галоши, в которых было очень удобно скользить по полу, покрытому линолеумом. Однако я чувствовал острейшую зависть к тем студентам, которым доверили работать в «лиловых» лабораториях самого высокого уровня секретности. Цель исследований состояла в том, чтобы установить, как плутоний поглощается материалом, из которого позднее могут быть изготовлены стеклянные блоки. Считалось, что такое превращение в стекло – перспективный способ утилизации отходов. Однако, каким образом эта утилизация будет происходить и где, не уточнялось. От раза к разу я проводил один и тот же эксперимент: выливал растворы «плута» на белый титановый песок, который и был сырьем для стекла. Перенося колбы с радиоактивной жидкостью с места на место, никакого чувства опасности я не испытывал. Они не излучали зеленое свечение, как в «Симпсонах», и я ни разу случайно не прихватил с собой колбы с работы, засунув их в карман, как сделал Гомер Симпсон, уходя со Спрингфилдского реактора. (Кстати, меня никто никогда и не обыскивал.) Единственное, что прочно засело в памяти с того времени, – это тишина и однообразная рутина летних дней, которые я проводил за записыванием бесконечных столбиков цифр на пахнущие плесенью листы бумаги. Так я первый и последний раз в жизни работал в лаборатории.
При воспоминании о тех днях я чувствую ностальгическое желание добавить плутоний к своей периодической таблице. У меня в ней отсутствуют все естественные элементы с атомными номерами больше 82 – свинца. А из тех, что больше урана и которые производятся искусственно, у меня есть только америций Сиборга, взятый из механизма домашнего индикатора дыма; поток альфа-частиц, испускаемых им, замыкает там электрическую цепь, каковая разрывается только в том случае, если на пути альфа-частиц появляется дым. У меня даже нет ни кусочка радиоактивного фарфора «Фиеста», производившегося в США с 1930-х гг., за которым гоняются многие коллекционеры. Его оранжевый цвет, схожий с цветом папайи, вызван использованием при глазировке оксида урана.
Отыскать образец элемента, который я когда-то выливал громадными порциями, оказалось не так уж просто. В 1990-е гг. реакторы и исследовательские программы в Харвелле были практически закрыты вследствие обвинений в загрязнении местной системы водоснабжения и, как ни парадоксально, в неэффективной практике утилизации отходов. AEA Technology, частная компания, пришедшая на смену Институту изучения атомной энергии, вероятно, вполне разумным, хотя и несколько странным образом изменила направление деятельности, перейдя к консультированию по вопросам изменения климата. Я попытался связаться с организацией под названием «Британское ядерное топливо», занимавшейся ядерными отходами в Великобритании, однако обнаружил, что телефон ее директора по связям с общественностью отключен, а позже из ее веб-сайта выяснил, что компания «ликвидировала все деловые проекты и закрыла свой центр».
Американцы, похоже, более открыты относительно подобных вещей. В книге Джереми Бернстайна «Плутоний» воспроизводится спецификация изотопа плутония-239, который можно приобрести в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннеси. Он продается в виде порошка окисла 99-процентной чистоты. «Это плутоний уровня супероружия». В книге дается также номер телефона и адрес электронной почты: isotopes@ornl.gov. Я отправил туда запрос о небольшом количестве вещества, в умоляющем тоне добавив, что для меня оно будет приятным напоминанием о часах, проведенных в лаборатории с растворами плутония. Ответ я получил быстро, и звучал он твердо и бескомпромиссно: «Нет, мы не можем предложить образец плутония для какой бы то ни было демонстрации».
С моей точки зрения, подобное поведение не совсем достойно. Распространение плутония, насколько мне известны соображения его хранителей и их руководителей, ограничено по одной причине – многие полагают, что единственное, что может подвигнуть человека на поиски плутония, это его стремление добавить к уже имеющимся на планете 23 000 ядерных боеголовок еще одну, свою собственную. В данном случае, как и во многих других, главную роль играет жуткая репутация элемента. А тот факт, что он также является ни в чем не повинным участником пантеона химических элементов с номером 94, просто не принимается во внимание.
Кроме того, мне ведь совсем немного его нужно. Оставался только один путь – довести подобную логику до конца. Я узнал, что могу, в принципе, достаточно легко приобрести «плутоний» в качестве гомеопатического лекарства. Однако суть гомеопатических средств в том-то и заключается – и это абсолютно непонятно ни одному человеку с нормальным естественнонаучным образованием – что они содержат лишь микроскопический след (а скорее всего, даже и следа не содержат) того активного ингредиента, о котором заявляют. Таким образом, Плутоний гомеопатический, жидкость, распространяемая компанией «Гелиос Гомеопатия» в Танбридж-Уэллс в Кенте, как предполагается, является предельно слабым раствором плутония. Что-то извращенное есть в желании назвать продукт, предназначенный для свихнувшихся мистиков, именем химического элемента, который уже достаточно давно воспринимается как символ стремления человечества к самоуничтожению. В литературе, распространяемой компанией «Гелиос», делается несколько диковатая попытка дать этому объяснение:
Радиоактивный ящик Пандоры открыли и впустили тьму в свет. У нас есть только один способ вновь зажечь свет – полностью войти в область тьмы. Радиоактивные материалы, и плутоний в особенности, воздействуют на глубочайшие уровни человеческого существа – костную ткань, ДНК, генетическую структуру, внутренние органы и самые сокровенные эмоции.
Оснований не согласиться с приведенным замечанием у меня нет. К тому же цена за тьму не слишком высокая – вполне приемлемые 14 фунтов.
Отправляюсь в магазин компании «Гелиос» в Ковент-Гарден.
– Мне бы хотелось приобрести у вас плутоний, – говорю я невинным голосом.
Продавец хмурится.
– Мне нужно посоветоваться с фармацевтом.
«С кем?» – думаю я, отрывая взгляд от какой-то абсурдной надписи на очередном их лекарстве. До меня доносится какое-то приглушенно бормотание из-за стеллажей с маленькими коричневыми бутылочками, и вот продавец возвращается. Оказывается, в данный момент в их магазине нет плутония. Но он значится на их веб-сайте, напоминаю я. С явной неохотой из своего укрытия выходит «фармацевт» и объясняет, что у них его никогда не бывает, но, добавляет она, вовсе не по причине каких-то запретов или ограничений. Если мне нужны подробности, я могу связаться с их руководством. И тут «фармацевт» нарушает негласный этикет владельца магазина: прищурившись, она спрашивает, чем вызван мой интерес к плутонию. Я отвечаю, что по профессии я химик и что плутоний мне нужен для моей коллекции. Возможно, мне следовало бы сказать, что он мне необходим на тот случай, если меня поразит какая-нибудь внезапная лучевая болезнь, но уже поздно. И «фармацевт» отнюдь не в гомеопатических дозах демонстрирует мне скепсис настоящего гомеопата.
Правда, в Танбридж-Уэллс тамошний сотрудник по имени Джон Морган проявил бо́льшую искренность в беседе со мной.
– Сам элемент в препарате физически не присутствует, – сообщил он мне (я полагаю, такова принятая у гомеопатов гарантия качества их продукции). – Только его след, результат процесса «молекулярного растворения» или, возможно, полученный «радионическим» способом. – Оказывается, мистер Морган не совсем уверен в его происхождении. – Исходный материал явно недоступен.
Приведя все перечисленные «основания», Джон Морган заявляет, что данный препарат особенно эффективен для лечения депрессии, и жизнерадостным тоном добавляет:
– Ну, я полагаю, он может помочь вам и в случае поражения плутонием.