Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Кин Сэм (читать хорошую книгу TXT) 📗

Но дело в том, что во Вселенной вещества могут существовать в гораздо более разнообразных состояниях – с другими принципами упорядочивания частиц на микроуровне, чем мы можем представить себе в наших привычных категориях «твердое тело-жидкость-газ». И такие состояния не являются гибридными, в отличие от желе. Альберт Эйнштейн открыл одно из таких новых состояний в 1924 году, в ходе тщательного изучения некоторых уравнений квантовой механики. Позже он отверг собственные расчеты и отказался поверить в это теоретическое открытие, поскольку гипотетическое состояние вещества показалось ему слишком странным, чтобы существовать в реальности. Оно так и оставалось невозможным вплоть до 1995 года, пока такое состояние не удалось создать искусственно.

Можно утверждать, что твердое состояние материи является основным. Если быть предельно точным, то следует признать, что практически весь объем каждого атома пребывает пустым в каждый момент времени, но из-за крайне быстрого движения электронов атом приобретает иллюзорную твердость – по крайней мере, мы его воспринимаем твердым. В твердых телах атомы располагаются в виде регулярных трехмерных кристаллических решеток, но даже в самых обычных твердых веществах обычно существуют кристаллы сразу нескольких типов. В настоящее время ученые могут придавать кристаллам льда четырнадцать различных кристаллических форм, обрабатывая его в камерах высокого давления. Некоторые виды льда тонут в воде, а не всплывают, а другие кристаллические формы замерзшей воды выглядят не как шестиугольные снежинки, а напоминают пальмовые листья или кочаны цветной капусты. Существует поразительная форма льда, которая тает только при 2037 °C! Даже такие сложные и многосоставные химические вещества, как шоколад, способны образовывать квазикристаллы, которые могут изменять форму. Вам когда-нибудь доводилось разворачивать плитку шоколада и обнаруживать, что она приобрела неаппетитный желтоватый оттенок? В данном случае мы имеем дело со своеобразной «шоколадной чумой», подобной той, что испортила оловянный припой и обрекла на гибель команду Скотта в Антарктике.

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.