Атомные алхимики

Сегодня задача превращения одного элемента в другой с помощью философского камня уже не кажется такой фантастической. Чтобы получить золото из свинца, достаточно просто преобразовать один химический элемент в другой. Для этого, в свою очередь, требуется изменить атомы, где атом - это наименьшая единица вещества, которая определяет химические свойства элемента, будь то золото или водород.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, образованного из нейтронов, частиц с нулевым зарядом, и положительно заряженных протонов, вокруг ядра находится отрицательно заряженное облако из одного или нескольких отрицательно заряженных электронов. Большая часть атома - это пустота; ядро, которое образует основную массу атома, в 100 тысяч раз меньше размеров целого атома.

Именно ядро определяет своеобразие элемента, а каждый элемент определяется числом протонов в его ядре, что отражается в его номере в периодической системе. Например, плутоний имеет атомный номер 94, золото - 79, а водород - 1. В общей химии различается только распределение электронов на атомных орбитах. Чтобы использовать магию алхимиков, нам необходимо обратиться к физикам, которые разработали различные методы модификации ядра и соответственно атомного номера элемента. Первая искусственная трансмутация была проведена в 1919 году выходцем из Новой Зеландии британским физиком Эрнестом Резерфордом, который превратил азот (атомный номер 7) в кислород (атомный номер 8), бомбардируя азот ядрами гелия из радиоактивного источника. Быстрые частицы проникали в атом азота и оставляли дополнительный протон в его ядре, превращая азот в кислород.

Однако очень немногие атомные трансмутации можно провести с помощью потока частиц, вылетающих из естественных радиоактивных источников. Чтобы проводить атомные трансмутации в больших масштабах и исследовать структуру атомного ядра, требуется более мощный поток летящих частиц. К концу 1920-х годов уже активно велись исследования по поиску способов ускорения заряженных частиц до более высоких энергий.

В1951 году Нобелевская премия по физике досталась сэру Джону Кокрофту из Научно-исследовательского центра атомной энергии в Харвелле и Эрнесту Уолтону из Дублинского университета за работу двадцатилетней давности, в которой они разогнанными ядрами водорода бомбардировали литиевую мишень, получая в итоге гелий, - это была первая атомная трансмутация, осуществленная под полным контролем человека. В последующей работе Кокрофт и Уолтон исследовали трансмутации многих других атомных ядер, а научное сообщество стало использовать различные типы ускорителей частиц.

Вероятно, первое подобие трансмутации металла в золото (атомный номер 79) было проведено в ходе ранних разработок атомных реакторов, когда платина (атомный номер 78) облучалась потоком нейтронов. Есть много других способов осуществить этот трюк. Атомный алхимик Питер Армбрюстер из Центра по исследованию тяжелых частиц в Дармштадте (Германия) объявил в 1980 году, что в ходе эксперимента ему удалось осуществить слияние меди (атомный номер 29) и олова (атомный номер 50) и получить золото. Выбивание частиц из ядра также имеет алхимические следствия, таким образом, вполне возможно превратить свинец (атомный номер 82) в золото (атомный номер 79), удалив три протона из ядра каждого атома свинца.

Однако, как и в случае с великим множеством приемов магловской науки, природа была здесь первой. Атомная алхимия родилась на заре времен. После Большого взрыва примерно 15 миллиардов лет назад образовались только водород и гелий, а также незначительное количество лития и бериллия, самых легких и простых элементов с атомными номерами соответственно 3 и 4. Астрофизика давно считает, что более тяжелые элементы образовались в ходе мощных ядерных реакций, в центрах звезд.

Энергия звезды возникает в ходе слияния легких элементов и образования из них более тяжелых, этот процесс называется также ядерным синтезом. Такая астрономическая алхимия требует столкновений частиц с очень высокими скоростями, что достижимо только при огромных температурах. В 1950-х годах Фред Хойл, Уильям Фаулер и Джеффри и Маргарет Бербридж и, параллельно, Алистер Камерон доказали, что практически все элементы периодической системы появились в результате выброса вещества в ходе ядерного синтеза в звездах и при взрыве сверхновых.

В этих космических котлах минимальная температура, необходимая для слияния атомов водорода, составляет пять миллионов градусов. Наше Солнце горит, синтезируя гелий из водорода, этот процесс длится практически всю жизнь звезды. После того как весь водород в ядре звезды заканчивается, она может начать жечь гелий и синтезировать более тяжелые элементы: углерод, кислород и т. д., пока не образуются никель и железо. Для образования элементов с большим числом протонов в ядре требуется больше энергии. Считается, что большинство тяжелых элементов, от кислорода и железа, возникают в звездах, которые как минимум в десять раз тяжелее нашего Солнца.

Взрыв суперновой случается тогда, когда в ядре массивной звезды все топливо сгорает, превращаясь в железо и никель. Полагают, что ядра массой больше, чем у никеля, образуются при таких взрывах. Благодаря трансмутациям космической алхимии в конечном счете все мы состоим из звездной пыли. И это настоящая магия.

Роджер Хайфилд

Проза жизни • "Гарри Поттер" и наука: Настоящее волшебство