Элементы жизни

Элементы жизни
Наталия Теряева

Никто из нас не пытается разглядеть в себе элементарные частицы, из которых состоим мы все и всё, что окружает нас. Да это и невозможно. Но совершенно определенно, эти элементарные частицы управляют нами и всем, что нас окружает. Почему и как они это делают, рассказывает эта книга.

Элементы жизни

Наталия Теряева

© Наталия Теряева, 2022

ISBN 978-5-0059-1865-9

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Элементы жизни

Наталия Теряева

В книге собраны и детально представлены в доступной форме широкому кругу читателей самые значительные эксперименты нашего времени в области ядерной физики и физики элементарных частиц, включая физику нейтрино и нейтринную астрофизику: синтез новых сверхтяжелых элементов в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне, эксперименты Большого адронного коллайдера Европейской организации ядерных исследований в Женеве и коллайдера тяжелых ионов NICA в Дубне, международные нейтринные эксперименты OPERA и Baikal-GVD.

Сюжет книги демонстрирует связь великих теоретических открытий в физике и расширения знаний об устройстве Вселенной с технологическим прогрессом человечества.

Автор убедительно и увлекательно рассказывает о деятельности великих российских физиков нашего времени – теоретиков и экспериментаторов, жизнь и творчество которых может служить достойным примером для молодого поколения.

Книга написана прекрасным и точным языком и повествует об исследованиях на самом переднем крае науки, результаты которых получаются и обрабатываются прямо сейчас, буквально на наших глазах в упомянутых выше крупнейших научных центрах мира. Автор показывает, как результаты таких исследований меняют жизнь отдельного человека и всего человечества.

Книга актуальна и созвучна нашему времени.

    Академик В. А. Матвеев, научный руководитель Объединенного института ядерных исследований

Благодарности

Я выражаю искреннюю признательность и благодарность всем, кто помог мне создать эту книгу:

моему мужу, физику-теоретику Олегу Валериановичу Теряеву за вдохновение и ценные научные советы;

моим собеседникам, которые открыли мне глаза на тайны и загадки нашей Вселенной: академикам Юрию Цолаковичу Оганесяну, Дмитрию Васильевичу Ширкову, Виктору Анатольевичу Матвееву, Альберту Никифоровичу Тавхелидзе, Алексею Норайровичу Сисакяну, Владимиру Георгиевичу Кадышевскому, Григорию Владимировичу Трубникову, Исааку Марковичу Халатникову, Борису Лазаревичу Иоффе, нобелевскому лауреату Мюррею Гелл-Манну, членам-корреспондентам РАН Евгению Александровичу Красавину, Дмитрию Игоревичу Казакову, Владимиру Димитриевичу Кекелидзе, профессорам Самоилу Михелевичу Биленькому, Сергею Николаевичу Дмитриеву, Вячеславу Борисовичу Приезжеву, Виктору Васильевичу Воронову, Михаилу Игоревичу Панасюку, Хорсту Штокеру, Вальтеру Грайнеру, Юрию Алексеевичу Горнушкину, Александру Григорьевичу Ольшевскому, Александру Савельевичу Сорину, Владимиру Васильевичу Коренькову, доктору физико-математических наук Алексею Вячеславовичу Гуськову;

Объединенному институту ядерных исследований за поддержу в издании книги;

моим преподавателям, коллегам и собеседникам в Университете Регенсбурга (Universit?t Regensburg), в Политехнической школе (Еcole Polytechnique) в Париже, в Лаборатории теоретической физики CNRS и Университета Париж-Юг (Universitе Paris-Sud) в Орсэ, в Центре теоретической физики CNRS в Марселе, в Институте физики частиц и ядерной физики Карлова университета в Праге, в Университете Инсубрии в Комо (Universit? degli Studi dell’Insubria) за помощь в понимании устройства европейской системы высшего образования и научных исследований и жизни общества стран Европы;

моим школьным учителям математики, физики, химии, биологии, немецкого языка, русского языка и литературы за мой интерес к этим предметам, превратившийся в профессию;

моим ученикам, надежда на разумное будущее которых поддерживала меня в написании этой книги.

Краткое Предисловие, или Вселенная элементарна

Если вы уверены, что рак лечится травами и подсолнечным маслом, то вам обязательно нужно прочесть эту книгу.

Забавно слышать советы вроде: «Бросьте ваши лекарства – это же химия! Лечитесь травами!» Дающие эти советы не подозревают, что все на свете – это химия. Травы, камни, звери, люди, небо, звезды – все во Вселенной состоит из химических элементов.

Пока нам известно, что самая последняя заполненная клетка в периодической таблице химических элементов Менделеева имеет номер сто восемнадцать. Девяносто два элемента в разных количествах присутствуют в земной природе. Остальные, начиная со 93-го, получены человеком в лабораторных условиях.

Кто-то может подумать, что элементы открывали в той же последовательности, в которой они расположены в таблице Менделеева. Вовсе нет. Время открытия первых восьмидесяти трех элементов никак не связано с их местом в периодической таблице химических элементов. Чаще всего люди обнаруживали химические элементы, когда те случайно вплетались в их бытовую жизнь.

Правда, некоторые элементы ученые искали специально, – иногда из любопытства, иногда предполагая в них особые, полезные свойства.

Каждый химический элемент получил в таблице место в зависимости от своего характера. Элементы, как и люди, наделены характером!

У людей характер определяется генами родителей и воспитанием. Химическим элементам характер формирует структура их атома. А проявляется характер химических элементов подобно человеческому – во взаимодействии с другими элементами.

Великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев потратил немало времени и изобретательности, чтобы сопоставив характерные особенности элементов (химические свойства и массу атома), придумать для них двумерную табель о рангах. В этой табели каждый химический элемент расположился на пересечении своей группы и своего периода. В любой из групп собраны элементы с похожими физико-химическими свойствами. А периоды составили элементы с последовательно возрастающей атомной массой. Химические свойства элементов одного периода меняются от щелочных металлов к инертным газам. И это повторяется от периода к периоду.

Возьмем для примера четвертый период таблицы Менделеева. Если атомная масса первого элемента этого периода, элемента номер девятнадцать – калия (К), – возрастет на единицу, то… вот те на – получаем из калия кальций (Са), металл уже не щелочной, а щелочно-земельный! Теперь к массе щелочно-земельного металла кальция добавляем единичку, и кальций превращается в легкий и мягкий переходный металл скандий (Sc) – редкоземельный элемент. Снова и снова прибавляя по единичке к атомной массе очередного элемента четвертого периода, постепенно добираемся от щелочного металла калия к последнему элементу периода – инертному газу под названием «криптон» (Kr). А если теперь массу атома криптона увеличим на единицу, то снова получим щелочной металл – рубидий (Rb), первый элемент следующего, пятого периода. Вот и прояснилось, отчего система химических элементов названа периодической – химические свойства элементов в таблице с возрастанием массы их атомов периодически повторяются.

Не зря американский журналист Сэм Кин (автор бестселлера «Исчезающая ложка») сравнил вклад Менделеева в создание картины мира, открывшейся перед человечеством, с заслугами Дарвина, создавшего теорию эволюции, и Эйнштейна – автора теории относительности. Ведь Дмитрий Иванович Менделеев не только классифицировал в своей таблице все химические элементы, которые к тому моменту времени были найдены в природе. Он подробно описал их свойства и структуру. И еще предсказал свойства тех элементов, которые людям только предстояло обнаружить.

«А кто и как добавил в таблицу остальные элементы?» – спросите вы. С остальными – история иная, поскольку их обнаружение связано с открытием радиоактивности. Но об этом чуть позже.

Впрочем, можно немного приоткрыть завесу над тайной прямо сейчас. Именно радиоактивность виновата в том, что одни элементы существуют и по сей день с момента появления их во Вселенной, а другие – давно исчезли. Но самое интересное заключается в том, что древние, исчезнувшие в пучине времени элементы, можно создать своими руками. Конечно, с помощью сложных приборов – атомных реакторов и ускорителей частиц. И, разумеется, не всякие руки подойдут для этого непростого дела.

Но главное – создать новые химические элементы возможно! Человек может повторить то, что миллиарды лет назад сделала природа! И найти созданному обыденное применение. Это ли не чудо?! Таким обыкновенным чудесам и посвящены страницы книги, которая сейчас перед вами.

Глава 1. Как мы узнали, что они существуют

Не знаешь железа? Ты – дикарь!

Истории открытия первых восьмидесяти трех химических элементов так удивительны, что каждая из них достойна остросюжетного детектива. Фактически химия как точная наука появилась в восемнадцатом веке. До этого времени элементы, имеющиеся в природе, люди обнаруживали и познавали опытным путем. И даже не задумывались, что имеют дело с «кирпичиками», из которых выстроен окружающий мир.

Археология утверждает, что когда-то (примерно две тысячи лет назад) бронзовый век человеческой цивилизации сменился веком железным. То есть во 2-м тысячелетии до новой эры железо (химический элемент №26) стало страшно популярным и вошло в повседневный быт людей в виде рабочих инструментов, оружия, украшений и прочих мелочей жизни. Железо вытеснило бронзу. При этом бронза – вещество вовсе не элементарное. Бронза – это смесь двух химических элементов: меди и олова.

Бронзовому веку предшествовал век медный, когда все необходимые для жизни предметы человеческие существа изготавливали вместо первобытного камня из медных самородков – чистой меди. Медь гораздо чаще других металлов встречается на Земле в виде крупных самородков и легче обрабатывается. Видимо поэтому она первой и попалась нашим предкам на глаза, а медный век опередил исторические эпохи бронзы и железа.

А вот железо в чистом виде, без примесей, встречается на поверхности нашей планеты только в кусках залетевших к нам из космоса метеоритов. И значит, доисторический человек впервые увидел железо тогда, когда однажды обнаружил упавшую с неба тяжелую и холодную погасшую звезду. Эта гипотеза подкрепляется тем, как именовали железо народы древности. Древние египтяне называли его «бени-пет», что означает «небесное железо», а древние греки обозначили железо словом sideros – звезда, небесное тело.

Железо падало с неба нечасто и потому казалось большой редкостью. Свидетельства археологов сообщают любопытную деталь: ценность небесного металла была так велика на первых порах, что украшения из железа вставляли в оправу из золота. Впрочем, немногие из таких украшений и железных орудий труда могли дойти до наших дней – железо очень быстро превращается в ржавчину (свой оксид), взаимодействуя с кислородом.

Но вот небесные камни иссякли, а население планеты все увеличивалось. Людям в поисках средств выживания пришлось пристальнее присмотреться к природе. И они обнаружили другие полезные камни, уже земные – железную руду. Из нее-то и начали добывать железо в больших количествах. С распространением технологии производства железа из руды ценность этого химического элемента сильно упала – железа теперь было много, и оно стало гораздо дешевле золота.

Интересно, что раньше всех нашли железную руду африканские представители рода человеческого, и потому пропустили медный век, перейдя от каменного ножа и топора сразу к железному. В Египте железо получали из руды еще во втором тысячелетии до нашей эры. Среди древних греков металлурги появились в конце второго тысячелетия, а в Китае – в середине первого тысячелетия до нашей эры. Так что в начале новой эры железо выплавляли уже и в Азии, и в Европе, а лучшими металлургами считались индийцы. Из Индии, по предположениям некоторых филологов, и происходит русское слово «железо». Часть из них считают, что корень нашего «железа» кроется в санкритском слове «джальджа», которое переводится как «металл», «руда». Другая часть ученых находит общность русского слова «железо» с санскритским словом «жель», означающим «блестеть», «пылать». Как бы то ни было, узнав слово «железо», наши предки и металлургию со временем освоили вполне достойно – не хуже индийцев.

Зато на американском континенте люди продолжали пользоваться медными орудиями до самого появления там в пятнадцатом веке новой эры европейцев, посчитавших индейцев-аборигенов дикарями со всеми вытекшими отсюда неприятными последствиями для жителей Нового света. (Кто не знает, что с ними случилось, может почитать романы Фенимора Купера.) Однако не потому в Америке люди пользовались по старинке медью, что были глупы. Просто у них не было потребности искать другой металл. Меди было навалом – тамошние месторождения оказались самыми крупными в мире… Бедные, бедные индейцы… Вот ведь как масштабно химический элемент номер 26 повлиял на историю человечества…

Но и это еще не все, сказали бы нам, рекламируя железо в телемагазине. Самое интересное, что планета, на которой мы живем, на треть состоит из железа. Еще любопытнее тот факт, что другая треть Земли образована кислородом – он составляет половину земной коры. Конечно, в земной коре кислород присутствует не в виде газовых подушек, а в составе природных минералов, которые, в большинстве своем являются окислами – кремнезём (SiO

), глинозём (Al

O