Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Кристаллические формы твердых веществ лучше всего образуются при низких температурах. Если температура опустится достаточно сильно, то хорошо известные элементы могут стать практически неузнаваемыми. Даже практически инертные благородные газы, переходя в твердое агрегатное состояние, могут пойти на связь с другими элементами. Канадский химик Нейл Бартлетт смог опровергнуть существовавшую десятилетиями догму и синтезировал первое соединение благородного газа (ксенона), представляющее собой твердый оранжевый кристалл. Это произошло в 1962 году[151]. Следует оговориться, что реакция протекала при комнатной температуре, но в таких условиях ксенон реагирует только с гексафторидом платины – веществом не менее едким, чем суперкислота. Кроме того, из всех стабильных инертных газов ксенон обладает самыми крупными атомами и реагирует гораздо легче, чем другие подобные газы, поскольку его внешние электроны не так крепко связаны с ядром. Чтобы заставить реагировать более легкие благородные газы, чьи атомы значительно более компактны, приходится радикально понизить температуру и практически обездвижить эти атомы. Криптон вступает в реакцию лишь при температуре около -151 °C, когда сверхагрессивный фтор может к нему подступиться.

Но запустить реакцию в криптоне было не сложнее, чем смешать соду с уксусом, если сравнить эту задачу с отчаянными попытками вовлечь в химические реакции аргон. После того как в 1962 году Бартлетт получил соединение ксенона, а в 1963-м – твердые вещества, содержавшие криптон, прошло еще тридцать семь долгих лет, прежде чем финским ученым удалось создать условия для реакции с аргоном. Это произошло в 2000 году. Эксперимент был сравним по филигранности с произведением Фаберже, для него потребовалось перевести аргон в твердое состояние. Еще в реакции участвовали газообразный фтор, газообразный водород, а также суперактивный компонент-затравка – йодид цезия, который и запускал реакцию. Наконец, потребовались тщательно хронометрированные импульсы ультрафиолетового света и невообразимый холод в -265 °C. Как только становилось немного теплее, соединения аргона распадались.

Тем не менее ниже этой температуры гидрофторид аргона – вполне устойчивый кристалл. Финские ученые объявили о своем достижении в статье, название которой было исключительно незатейливым для такой научной работы: «Стабильное соединение аргона». Сам факт получения этого соединения был достаточным поводом для гордости. Ученые уверены, что даже в самых холодных уголках космоса миниатюрные гелий и неон никогда не образуют соединения с другими элементами. Поэтому в настоящее время аргон остается самым неуступчивым элементом, соединение которого все-таки удалось получить человеку.

Учитывая, насколько аргон не любит изменять своей природе, получение такого вещества, конечно, было огромным научным достижением. Тем не менее ученые не считают соединения благородных газов и даже необычную форму олова, возникающую в результате альфа-бета перехода, самостоятельными агрегатными состояниями вещества. Новое агрегатное состояние требует наличия принципиально иного уровня энергии, при котором принципы взаимодействия атомов существенно изменяются. Именно поэтому твердые тела, в которых (почти) все атомы неподвижны, жидкости, в которых частицы могут обтекать друг друга, а также газы, частицы которых свободно перемещаются в любом направлении, действительно являются разными агрегатными состояниями вещества.

При этом между газами, жидкостями и твердыми телами есть немало общего. Во-первых, их частицы являются цельными и отдельными друг от друга. Но такая независимость превращается в анархию, если разогреть вещество до состояния плазмы, в котором атомы начинают распадаться. Если же сильно охладить вещество, то в нем складываются ансамбли, в которых частицы начинают слипаться самыми причудливыми способами.

Возьмем, к примеру, сверхпроводники. Электричество представляет собой поток электронов, возникающий в цепи. В медном проводе электроны бегут от одного атома к другому, обтекают их, а когда какие-то электроны попадают внутрь атомов, провод нагревается и теряет энергию, отдаваемую в виде тепла. Очевидно, в сверхпроводниках подобного рассеивания энергии почему-то не происходит, так как электроны, бегущие между атомами сверхпроводящего вещества, никогда не иссякают.

На самом деле, ток может сохраняться в сверхпроводнике практически вечно, если вещество остается охлажденным до нужной температуры. Это свойство было впервые обнаружено в 1911 году в образце ртути, охлажденной примерно до -277 °C. В течение десятилетий большинство ученых придерживалось такой точки зрения на сверхпроводимость: у электронов в подобном состоянии просто появляется больше места для маневра. Атомы в сверхпроводящем состоянии практически не имеют энергии на вибрацию, поэтому между ними сохраняются более стабильные коридоры, по которым могут бежать электроны, ни с чем при этом не сталкиваясь. Это объяснение является относительно верным, но лишь в 1957 году трое ученых смогли выяснить, что при таких низких температурах метаморфозы происходят с самими электронами.

Пролетая мимо атомов в сверхпроводнике, электроны испытывают определенное притяжение со стороны атомных ядер. Положительно заряженные ядра немного смещаются в направлении электрона, в результате чего в атоме образуется зона с высокой плотностью положительного заряда. Этот плотный заряд притягивает новые электроны, которые в определенном смысле становятся «спаренными» с первой волной электронов. Это не сильная химическая связь между электронами, она больше напоминает те слабые взаимодействия, которые возникают между атомами фтора и аргона. Вот почему такая сцепка происходит только при очень низких температурах, когда атомы почти не вибрируют и не расталкивают электроны в разные стороны. При таких низких температурах мы не можем считать электроны изолированными частицами; они образуют группы и действуют вместе. В такой электрической цепи отдельные электроны не могут сбиться с курса или включиться в атом, поскольку прежде, чем такой электрон успеет замедлиться, общий поток электронов увлечет его за собой. Ситуация напоминают старую, уже запрещенную игровую тактику, которая применялась в американском футболе. Игроки без шлемов просто сцеплялись за руки и бежали через все поле – такой летящий косяк электронов. На микроуровне это состояние приводит к сверхпроводимости, при которой миллиарды миллиардов электронов действуют точно так же.

Здесь я описал так называемую BCS-теорию сверхпроводимости. Она названа по первым буквам фамилий предложивших ее ученых: Джона Бардина, Леона Купера (электронные пары называются «парами Купера») и Роберта Шриффера[152]. Это был тот самый Джон Бардин, который участвовал в изобретении германиевого транзистора, получил за это Нобелевскую премию и опрокинул сковородку с яичницей, услышав эту новость. После того как в 1951 году Бардин покинул Bell Labs и отправился в Иллинойс, он всецело сосредоточился на изучении сверхпроводимости. Через шесть лет группа BCS полностью сформулировала новую теорию. Она оказалась настолько качественной и точной, что в 1972 году трое ученых совместно получили за свою работу Нобелевскую премию по физике. На этот раз Бардин снова отличился – он пропустил пресс-конференцию в университете, так как не смог выехать из гаража, где незадолго до того поставил новую электрическую дверь на транзисторном управлении. Но, приехав в Стокгольм повторно, Бардин все-таки познакомил своих уже взрослых сыновей со шведским королем – как и обещал в пятидесятые годы.