Великі відкриття в галузі хімії і фізики

Алхімія, мрія людини про перетворення металу в золото, довгий час була прямим шляхом до звинувачення в чаклунстві.

Але в одному з найбільш сучасних ядерних центрів в світі ми стаємо свідками нового виду алхімії. Вчені намагаються управляти дикими силами природи, перетворюючи одні хімічні елементи в зовсім інші.

Ми розповімо про дивовижну історію підкорення вченими неймовірних сил, прихованих в підставі нашого Всесвіту – хімічні елементи.

Ми вже розповіли, як вчені змогли осягнути порядок, який лежить в основі нашого світу, і створили періодичну таблицю. Сьогодні ж ми поговоримо про тих, хто пішов ще далі і використовував весь потенціал 92 земних елементів, що утворюють Землю.

Ви дізнаєтеся, як елементи можуть з’єднуватися один з одним, як влаштований сучасний світ. Як вчені через важку працю і геніальні осяяння проникали в таємниці матерії. І нарешті, про неймовірних силах, які переховуються всередині атомів.

Абсолютно все, що нас оточує, було створено в результаті хімічних реакцій, в яких проявляється властивість елементів взаємодіяти один з одним. Залізо, укріплене хромом, вуглецем і нікелем, утворюємо нержавіючу сталь, якої облицьовані багато будівель. А скло в них утворено кремнієм і киснем. Всього лише 92 елемента створили нашу планету. Століттями людина йшла до здатності об’єднувати їх на свій розсуд.

Люди вміли робити і змішувати хімічні сполуки ще в доісторичні часи. Натхненні алхимическим пошуком філософського каменю, перші експериментатори змішували все підряд, просто намагаючись дізнатися, що ж вийде. Але це була більшою мірою кулінарія, ніж справжня наука.

ізомери

вуглець

нейлон

Альфа-частинки

поділ ядра

Початок ядерної ери і Манхеттенський проект

Створення нових елементів. нептуний

плутоній

Межі періодичної таблиці?

 

ізомери

У 19 столітті вчені все ще не розуміли, чому і як елементи можуть і не можуть з’єднуватися один з одним. У своєму прагненні осягнути таємниці елементів німецький хімік Юстус фон Лібіх буквально став одержимий ідеєю створення їх вибухають комбінацій. Його пристрасть прокинулася в ньому ще в дитинстві, коли на вулицях рідного Дармштадта він зустрів продавця феєрверків. До їх складу входило гримуче срібло, воно ж входить до складу хлопавок. Так Лібіх знайшов своє покликання. Причому до відкриття його привели як любов до вибухів, так і деякі риси його характеру. Кажуть, що він був зарозумілий, запальний, забіякуватий і впертий.

Юстус фон ЛібіхФрідріх ВелерМожно тільки здогадуватися, що випробував німецький хімік Фрідріх Велер, коли в 1825 році отримав сердитого листа від Лібіха. Лібіх прочитав статтю Велером про відкритий ним з’єднанні, яке Велер назвав ціанідом срібла: воно складається з рівних частин срібла, вуглецю, азоту і кисню. Велер описав його як невинне і стабільний. У той же час Лібіх знав з власних дослідів, що його гримуче срібло складається з тих же елементів в тій же самій пропорції. Як же можуть два з’єднання, що складаються з одних і тих же елементів в однакових співвідношеннях, вести себе настільки відмінно один від одного?

Через свій характер Либиха для нього існувало тільки одне пояснення: Велер помилився. У своєму гнівному листі він називав Велером «нікчемним аналітиком». Той міг відповісти тільки одним способом: запропонувати Лібіху зробити ціанід срібла і випробувати його самому.

Либиха чекало досить шокуюче відкриття, так як речовина була абсолютно безпечним і не реагувало на запалений сірник, а він був твердо переконаний в тому, що речовина, що складається зі срібла, вуглецю, азоту і кисню, має вибухати. Одні і ті ж елементи в однакових пропорціях … Але тоді вони повинні бути різними речовинами? Так і є! Це два абсолютно різних речовини!

Лібіх і Велер виявили фундаментальне властивість елементів. Воно дозволило пояснити, як 92 елемента дозволяє створити все різноманіття навколишнього нас світу. Вони зіткнулися з існуванням з’єднань, які сьогодні відомі нам як ізомери. Що робить їх різними, так це те, як атоми з’єднані один з одним.

За допомогою дитячого конструктора Лего можна зібрати космічний корабель, літак або човен. Все залежить від того, як ви зберете ці будівельні блоки разом. Саме тому одні й ті ж елементи, але зібрані по-різному, можуть утворювати такі різні за своїми властивостями сполуки, як вибухова гримуче срібло і абсолютно стійкий ціанід. Хіміки зрозуміли, що ключем до створення нових з’єднань є розуміння того, як атоми всередині речовин з’єднуються один з одним.

вуглець

Атоми – це надзвичайно малі частинки матерії. На початку 19 століття вчені тільки починали здогадуватися, що всі елементи складаються з атомів. Вчені, нарешті, зрозуміли, що саме спосіб, який атоми з’єднуються один з одним, є ключем для розуміння будови речовини.

Арчибалд Скотт КуперsviazyІзучая вуглець, хіміки зробили одне з найбільш важливих своїх відкриттів. У 1796 році йоркширський хімік Смитсон Теннант спробував дізнатися, з чого ж складається алмаз. Для початку він вирішив його спалити. Він використовував сонячне світло і сильну лупу, щоб нагріти шматочок алмазу. Помістивши нагріте алмаз в кисень, він зібрав з’явилися пухирці і проаналізував їх склад: це виявився чистий вуглекислий газ. Отже, до складу алмазу могли входити тільки вуглець і кисень. Але вони ж, з’єднуючись разом, утворюють вуглекислий газ. З цього Теннант зробив висновок, що алмаз повинен складатися лише з вуглецю.

Відкриття Теннанта змусило вчених міцно задуматися, адже вони знали, що з вуглецю складається графіт – один з найбільш м’яких матеріалів на планеті. Яким же чином твердий алмаз міг бути вуглецем? У чому ж був секрет вуглецю?

В кінці 18 століття Теннант, звичайно ж, не знав про існування атомів, тому він не міг вирішити виявлений їм парадокс. Пройде ще половина століття, поки молодий шотландський хімік Арчибальд Скотт Купер знайде відповідь на це питання.

Купер був висхідною зіркою хімії. У 1856 році, коли йому було 25 років, він приїхав до Парижа, щоб працювати в лабораторії видатного хіміка Шарля Адольфа Вюрца.

Купер був зачарований тим, як атоми вуглецю з’єднуються з іншими атомами. Розмірковуючи про це, він прийшов до ідеї хімічного зв’язку, для того щоб пояснити, як же елементи можуть об’єднуватися один з одним.

Ідеї, запропоновані Купером, повинні були привернути хімію того часу. Це було воістину геніально! Дивним чином Купер зрозумів, що вуглець може утворювати не одну, а цілих 4 зв’язку, при цьому зв’язку можуть з’єднувати атоми з різною силою. Саме тому він може існувати в двох таких несхожих формах. У алмазі все 4 зв’язку з’єднані з різними атомами вуглецю, утворюючи надзвичайно міцну тривимірну структуру. У графіті ж задіяні тільки 3 зв’язку, що лежать при цьому в одній площині. Це робить графіт значно м’якшим.

Фрідріх Август Кекуле фон ШтрадоніцНалічіе 4 зв’язків уможливлює ще одну особливість вуглецю. Уявімо у вигляді атома вуглецю людину, яка лежала на землі і розкинув руки і ноги в сторони. Він може використовувати одну руку, щоб схопити один атом, другу руку, щоб схопити другий атом, і використовувати ноги, для освіти ще зв’язків з руками іншої людини під ним. Ці 4 зв’язку дозволяють з’єднувати його з іншими атомами в будь-яких поєднаннях: кільця або довгі ланцюги, що робить його унікальним серед інших елементів.

Наше життя була б просто неможливою без вуглецю. Він всюди: від хребта гігантського кита до найдрібнішого вірусу, він є в ДНК, в целюлозі, в жирах, в цукрі. Кожен день ми вживаємо до 300 грамів вуглецю.

Вуглець, як і більшість інших елементів, потрапив на Землю з вмираючих зірок, так що ми з вами перебуваємо з зоряного пилу.

Купер дозволив фундаментальну проблему: він зміг пояснити, чому вуглець може утворювати таку силу-силенну з’єднань, чому так різноманітний органічний світ. Тепер йому залишалося тільки опублікувати своє відкриття.

Але приблизно в цей же час німецький хімік Фрідріх Кекуле прийшов до тих самих висновків. У той час Кекуле навчався в Лондоні і, як він стверджував згодом, саме в лондонському автобусі на нього зійшло осяяння.

Кекуле розмірковував про атомах, які кружляли в його голові в мудрому танці. Він уявив собі довгий хоровод, що включав безліч атомів. Раптово він все зрозумів: він зміг усвідомити, що зв’язку між атомами визначають будову хімічних сполук.

У той час, як Кекуле тут же відіслав свою роботу до друку, шеф Купера не поспішав з публікацією статті. У підсумку всі лаври дістались Кекуле. У науці не дають призів за друге місце.

Незважаючи на те, що саме він був першим, Купер не здобув слави першовідкривача. Коли він виявив, що його шеф Адольф Вюрц затягує публікацію, він в люті увірвався в його кабінет, в результаті чого Вюрц виставив нещасного Купера з лабораторії. У цей момент Купер зник з історії хімії. Більше ніяких статей, ніяких листів в журнали, ніяких експериментів – взагалі нічого. Купер упустив свій шанс прославитися і незабаром пережив нервовий зрив. Решту свого життя він провів у божевільні.

нейлон

Уоллес КарозерсНо світ можливостей, що відкрилися вже вабив до себе інших хіміків. Жоден інший елемент в природі не утворює такого розмаїття з’єднань, тому розуміння того, як він може утворювати зв’язку, дозволило людству створювати нові сполуки на свій розсуд. Несподівано виявилося, що все наше життя – це маніпуляція елементами. Не дивно, що незабаром хімія надійшла на службу промисловості.

Поєднання елементів в нові з’єднання передбачало дивовижні перспективи, і незабаром можливості хімії і вуглецю без перебільшення стали визначати наше життя. Складно собі уявити сучасний світ без пластику. Відкритий в 1907 році полімер мав назву поліоксібензілметіленглікольангідрід, більш відомий як бакеліт.

Незабаром полімери міцно увійшли в наше життя. Цим дивним матеріалами можна надати будь-які форми. Нові відкриття посипалися одне за іншим.

У 30-х роках 20 століття американський хімік Уоллес Карозерс вийшов на масовий ринок. Він зміг перетворити властивості вуглецю в гроші, коли винайшов щось, схоже на коктейль. На дні склянки – гексаметилендіамін. Гекса означає 6, тобто 6 атомів вуглецю. А нагорі плаває іншу сполуку вуглецю – адипінова кислота. На кордоні фаз вони реагують один з одним. Скляною паличкою можна витягнути дуже довгий ланцюжок з атомів вуглецю. Використовуючи лише кілька елементів – вуглець, азот, кисень і водень, які в природі знаходиться під водою або в повітрі, Карозерс створив унікальне волокно: воно легко гнеться і мнеться, як павутина, але в той же час міцне, як сталь. Воно отримало назву нейлону.

Коли нейлонові панчохи з’явилися в магазинах Америки, в перший же день їх було продано понад 5 мільйонів. Поява нейлону ознаменувало собою революцію в синтетичної хімії.

 

Альфа-частинки

Але вчених чекали ще більш неймовірні речі. Як це часто буває випадково, вони натрапили на щось зовсім фантастичне. Це відкриття вразило «будівля» хімії і фізики до самої основи. Йтиметься про явище радіоактивності.

У 1896 році французький вчений Антуан Анрі Беккерель, проводячи досліди з кристалами солей урану, виявив при опроміненні їх ультрафіолетом незрозуміле світіння. Він випадково залишив на ніч чисту фотографічну пластину поруч із з’єднанням урану, і вранці виявив, що платівка виявилася засвічена. Виявилося, що солі урану випускають якусь енергію. Так Беккерель відкрив радіоактивність.

Антуан Анрі БеккерельЕрнест РезерфордВпоследствіі їй займалися багато великих вчені. Фізик Ернест Резерфорд, використовуючи радіоактивність для вивчення субатомного світу, зробив приголомшливе відкриття.

На початку 20 століття здавалося, що атом є стабільною незмінною одиницею матерії, що атом вуглецю від початку часів був атомом вуглецю і залишиться таким назавжди. Резерфорд перевернув наші уявлення про світ, зробивши черговий переворот в науці.

Резерфорд прийшов до висновку, що всередині атом практично порожній, і крихітні електрони обертаються навколо ядра, що містить позитивно заряджені протони. Число протонів в ядрі визначає сутність атома. У вуглецю в ядрі міститься 6 протонів, у азоту – 7. Геніальною здогадкою Резерфорда стало припущення про те, що радіоактивність пов’язана зі зміною числа протонів в ядрі. Резерфорд зрозумів, що загадкова радіоактивність є нічим іншим, як крихітними частинами ядра, що містять протони. Він назвав їх альфа-частками.

Як будь-яка форма життя приходить до занепаду, так і деякі елементи можуть розвалюватися на частини. У міру того, як альфа-частинки залишають ядро, воно стискається. Резерфорд зрозумів, що коли ядро ​​втрачає протони, змінюється сама сутність атома: один елемент перетворюється в інший. Але якщо таке відбувається в природі, то чи може людина сама перетворити один елемент в інший?

Його основним інструментом був досить примітивний прилад. На один його кінець він помістив джерело радіації, який вистрілював альфа-частками в екран, розташований на іншому кінці приладу. Коли він заповнив камеру азотом, то зміг спостерігати спалах там, де проходили альфа-частинки. Резерфорд припустив, що з азотом щось відбувається. Ядро атома азоту складається з 7 протонів, в той час як ядро ​​кисню – з 8. В експериментах Резерфорда атоми азоту бомбардувалися альфа-частками, в кожній з яких присутня 2 протона. При зіткненні з ядром атома азоту відбувалася справжня алхімічна трансмутація, коли один з двох протонів альфа-частинки зливається з ядром атома азоту, а випромінювання другого викликає спалаху. Але в той момент, коли в ядрі атома азоту з’явився зайвий протон, азот перестав бути азотом, він перетворився в кисень.

Ці невеликі спалахи в апараті Резерфорда виявилися поворотним моментом в історії науки. Перетворення азоту в кисень може здатися настільки ж фантастичним, як перетворення кішки в собаку: складно уявити більш невідповідні елементи.

 

поділ ядра

Раніше вчені вважали, що атоми постійні і незмінні. Резерфорд показав, що це не так. Це відкрило ще одну інтригуючу можливість. Роботи Резерфорда по перетворенню одного елемента в інший дали вченим надію на створення абсолютно нових елементів.

Але багато десятиліть вони не могли підступитися до цієї проблеми, оскільки будова атома було ще не до кінця вивчений. Тільки в 1932 році в Кембриджі Джеймс Чедвік зміг виявити відсутню ланку. Він відкрив нейтрони. Ці частинки самі по собі не мають заряду. Але разом з позитивно зарядженими протонами вони утворюють серце атома – його ядро.

Італійський фізик Енріко Фермі був першим, хто усвідомив весь потенціал нейтронів для створення нових неіснуючих в природі елементів. Люди, які працювали з ним, вважали, що в науці він непогрішний, і навіть дали йому прізвисько Папа Римський.

Енріко ФерміЛіза МейтнерЗаветной мрією Фермі було створення невідомих тоді науці трансуранових елементів – важче за всіх тих, що зустрічаються на Землі. Якщо Резерфорд перетворював азот в кисень, то Фермі цікавило, що може трапитися з ураном, якщо спробувати додати ще протонів в його ядро. Чи міг він стати вище самої природи? Зробити те, що їй було не під силу? Експерименти з ураном повинні були дати відповідь на це питання. Багато вчених до Фермі використовували бомбардування альфа-частками, але нікому з них не вдалося створити новий елемент.

Якось раз, граючи в теніс і відбиваючи м’яч, Фермі раптом усвідомив просту річ, що пояснює всі попередні невдачі. Фермі припустив, що просте електростатичне відштовхування перешкоджає взаємодії позитивно заряджених альфа-частинок і позитивно зарядженого ядра, в той час як не мають заряду нейтрони повинні в такому випадку проникати в ядро ​​набагато ефективніше.

У 1934 році Фермі почав експерименти по бомбардуванні ядер урану нейтронами. Він сподівався, що надмірне число нейтронів в ядрі урану може його дестабілізувати. Склад ядра повинен бути збалансованим, тому якщо помістити туди досить велике число нейтронів, один з них повинен розщепнутися на один протон і один електрон. Таким способом Фермі сподівався збільшити число протонів в ядрі, створивши абсолютно новий невідомий досі елемент.

Провівши експеримент, Фермі виявив елемент, який він не зміг ідентифікувати. Але що це було? Получавшиеся в результаті атоми не були схожі ні на радон, ні на полоній, ні на свинець. Новий елемент не був схожий на них.

У 1934 році Фермі зважився, нарешті, на сміливий крок. Він оголосив науковому світу, що йому вдалося створити елемент важче урану. Складно описати, що це значило для вчених усього світу.

У 1938 році група німецьких вчених на чолі з хіміком Отто Ганом спробувала відтворити результати Фермі. Досить швидко вони виявили, що заяви про створення нового елемента не підтвердилися. Один з утворених при бомбардуванні урану елементів був ідентифікований як барій, який містить в ядрі 56 протонів, що приблизно в два рази менше, ніж 92 протона в ядрі атома урану. Виявилося, що ядро ​​урану просто розпалося на дві частини.

Ган повідомив про це своїй давній колезі Лізі Майтнер, яка в той час працювала в Швеції. Будучи за походженням єврейкою, вона була змушена покинути країну незабаром після приєднання Австрії до Німеччини в 1938 році.

Майтнер була спантеличена і разом зі своїм племінником Отто Фришем спробувала подивитися на цю проблему з точки зору теоретичної фізики. Оскільки ядро ​​урану досить велике, воно повинно бути відносно нестабільно. В уяві Майтнер воно поставало величезною краплею, готової розсипатися під дією нейтрона.

Несподівано її осінило, що ядро ​​урану просто розвалилося на дві частини. Фермі і Ган вперше стали свідками процесу, відомого нам зараз як поділ ядра.

Згодом, проводячи точні обчислення, Майтнер виявила, що загальна маса утворилися фрагментів десь на одну п’яту маси протона менше маси вихідного ядра урану.

Далеко не відразу їй стало зрозуміло, що відповідь треба шукати в рівнянні Ейнштейна E = mc2. Пропала маса перетворилася в чисту енергію.

 

Початок ядерної ери і Манхеттенський проект

Осяяння Майтнер поклало початок ядерного століття, в якому унікальні можливості ядерної енергії послужили створенню найстрашнішого зброї.

Робота Лізи Мейтнер з розподілу ядра була опублікована в 1939 році, як раз, коли по всій Європі починалася Друга Світова війна. Це зумовило напрямок розвитку ядерної фізики на десятиліття вперед. Руйнівна сила атомного ядра стала очевидною не лише вченим, але і військовим.

По обидва боки Атлантики вчені намагалися втілити теоретичні розрахунки в життя. В Америці це вилилося в створення так званого Манхеттенського проекту. Його завданням було створення першої атомної бомби. Запорукою його успіху стали спільними зусиллями вчених з Америки, Канади і Європи, понад два мільярди доларів і страх, що фашистська Німеччина першою створить ядерну зброю.

Вчені як Німеччини, так і союзників добре знали, що поділ ядра урану, викликане нейтронами, звільняє величезна кількість енергії. Однак, щоб здійснити вибух, необхідно, щоб ця енергія вивільнялася одночасно, в іншому випадку нічого не вийде. Для цього потрібно було запустити ядерну ланцюгову реакцію.

Уявіть, що кулька для пінг-понгу – це нейтрон, що летить прямо в нестабільний ядро ​​атома урану – в мишоловку з іншим кулькою на ній. Вона спрацьовує і запускає свою кульку, тобто ще один нейтрон. За пару секунд відбудеться спрацьовування десятків мишоловок, розміщених в прямокутному закритому коробі. Уявіть, що при кожному спрацьовуванні мишоловки вивільняється енергія, та сама, яку вирахувала Ліза Мейтнер, енергія неймовірної руйнівної сили.

У 1942 році вже згадуваний нами Енріко Фермі, який проживав в тому час в США, став першою людиною, що запустив ланцюгову ядерну реакцію.

Створення нових елементів. нептуний

Едвін Маттісон МакмілланФіліпп Хауге АбельсонУран. Його енергія не тільки дозволяє вигравати війни, а й забезпечує електрикою мільйони будинків. Завдяки величезній щільності уран використовується для виготовлення сердечників бронебійних снарядів. До відкриття явища радіоактивності здатність урану світиться під ультрафіолетом робила уранове скло предметом розкоші.

Але очищення урану для використання в бомбах занадто складна і дорога. Америці був необхідний інший, більш відповідний джерело атомної енергії.

В цей час в Каліфорнії вчені активно намагалися створити елементи важче урану. Для цього використовувалися апарати, звані циклотронами, на основі яких зараз розроблені більш потужні синхротрони. В основі роботи обох приладів лежить один і той же принцип: вони використовують величезні магніти, для того щоб розкручувати заряджені частинки з величезною швидкістю. Ці магніти настільки потужні, що якщо включити один з них, то він може моментально вирвати з рук людини важку кувалду. Циклотрон може розганяти частинки до однієї десятої швидкості світла, після чого їх можна направити на іншу частку, для того щоб вони зіткнулися і злилися, утворивши новий елемент.

Нарешті здійснилася мрія людини про створення абсолютно нових елементів, які не зустрічаються на нашій планеті. При бомбардуванні урану американські фізики Едвін Макміллан і Філіп Абельсон отримали елемент під номером 93. Вони назвали його нептунієм. Це був перший елемент, створений самою людиною. Колись хіміки могли використовувати лише те, що їм надала природа, тепер же цей бар’єр не існував.

 

плутоній

Атомне бомбардування ХіросімиНо нові елементи народили проблеми зовсім ненаукового характеру. У 1941 році людство створило ще один сумно знаменитий елемент, який був названий плутонієм.

Досить швидко вчені зрозуміли, що енергія, що вивільняється при розщепленні плутонію, здатна запустити ланцюгову реакцію, що призводить до вибуху. Шлях від відкриття ділення ядра до створення атомної бомби зайняв менше 7 років.

6 серпня 1945 року Ліза Мейтнер, яка відмовилася брати участь в створенні бомби, жахнулася точності своїх обчислень. У 600 метрах над японським містом Хіросіма два шматка урану-235 запустили ланцюгову ядерну реакцію. Трохи більше полуграмма урану перетворилися в чисту енергію. І хоча це менше однієї десятої звичайної монетки, сила вибуху перевищувала 13 тисяч тонн в тротиловому еквіваленті. Ще через 3 дні плутонієва бомба стерла з лиця землі міста Нагасакі. Число убитих перевищила 200 тисяч осіб.

За невеселого збігом обставин плутоній був названий на честь планети Плутон, що отримала своє ім’я від давньоримського бога царства мертвих. Бомбардування урану-238 нейтронами призводить до утворення цього моторошного елемента. З грама плутонію можна витягти стільки ж енергії, скільки з тонни нафти. Багато бомби, створені в ході холодної війни, містять плутоній.

Але і перший рукотворний об’єкт, який підійшов до меж Сонячної системи – космічний зонд “Вояджер-1» – також працює на плутоній.

Посилання на основну публікацію