Обычный химический анализ металлического кальция с завода в Биттерфельде не показал бы, сколько изотопов каждого типа в нем присутствует, поскольку их химические свойства идентичны: в обычных тестах проверялось лишь то, что содержание бора составляло менее одной части на миллион. Капитану Уэлшу пришла в голову идея заменить природный бор, в котором содержится лишь 20 % губительного бора-10, на искусственно обогащенный образец. При условии, что происхождение образца никогда не будет предано огласке, материал с 90 %-ным содержанием бора-10 (при таком его уровне ядерное применение металлического урана становится совершенно невозможным) можно было получить в Комиссии США по атомной энергии, которая, в свою очередь, получила его как побочный продукт Манхэттенского проекта.
Рисунок 6. Как пишутся массовое число и зарядовое число рядом с символом элемента? «5» и «В» говорят об одном и том же, но «11» обозначает конкретный изотоп, который мы также можем назвать бор-11.
Однако операция так и не была осуществлена, несмотря на то что обогащенный материал передали агенту на завод в Биттерфельд. Производство кальция на некоторое время остановилось, и агент опасался, что операцию разоблачили; а потом русские взорвали свою бомбу и построили собственные заводы по производству кальция, и всю операцию свернули. Но агент зря беспокоился. Уэлш настаивал на проведении операции под непосредственным руководством «С» («М» в романах о Джеймсе Бонде), в обход Кима Филби и ему подобных, так что операция была бы вполне надежнойили, по крайней мере, настолько надежной, насколько это вообще возможно для подобных затей. (Немецкого инженера и агента МИ6 вскоре эвакуировали и поселили в Аргентине под другим именем.)
Образец материала с примесями бора спокойно вернулся из Восточной Германии в Комиссию США по атомной энергии, и не существует никаких письменных свидетельств, что он когда-либо покидал отведенную ему полку в хранилище. Биттерфельд сыграл в истории урана центральную роль, но в нынешние времена ему приходится довольствоваться тем, что там проводится фестиваль хеви-метал музыки United Metal Maniacs.
Даже если мы не облучаем атомы урана нейтронами, они естественным образом разрушаются сами в процессе, известном как радиоактивный распад. Этот распад может происходить разными способами. В одном из вариантов распада излучается альфа-частица, больше известная как ион He2+. В противоположность металлическому кальциюмощному восстановителю, который охотно отдает свои электроны, He2+ является сильным окислителем и крадет электроны у любого атома, встретившегося у него на пути, чтобы стать нормальным газообразным гелием. Весь имеющийся на Земле гелий, включая тот, которым заполнены воздушные шарики, купленные детям на прогулке в парке, когда-то был частью атома урана или тория (торий, Th, с зарядовым числом 90 это еще один важный природный радиоактивный элемент). Воздушный шар с гелием, или, вернее, его отсутствие, станет одной из главных тем в главе 3.
3Загадочное происшествие с собакой в дирижабле
В главе 3 мы играем с огнем и газами и изучаем одно из самых важных для науки уравнений.
Йозефу Шпе нужно было покормить собаку; в этом не было ничего странного. Проблема заключалась в том, что его немецкая овчарка Улла находилась в грузовом отсеке, куда вход пассажирам был воспрещен. Если бы все шло по плану, то и это не было бы проблемой, если не считать сердитых замечаний от членов экипажа, которые не понимали потребностей его хвостатой подруги и коллеги по сценическим выступлениям.
Но этот полет пошел не по плану, и частые визиты в хвостовую часть дирижабля доставят Йозефу много неприятностей в последующие годы.
Департамент энергетики США и его аналоги в Европе и Японии тратят миллиарды на разработку будущих способов применения водорода в сфере энергетикинапример, в качестве топлива для автомобилей и автобусов. Главное преимущество такого топливаего экологически чистое сгорание: две молекулы водорода соединяются с одной молекулой кислорода и образуют две молекулы воды. Возможно, будущее за «водородной экономикой», но, к несчастью для его сторонников, история водорода в качестве топлива связана с трагедией дирижабля Hindenburg («Гинденбург»).
Мы вскоре вернемся к бедной собаке Йозефа Шпе, но пока поразмыслим над тем, что над головами собаки и всех пассажиров роскошного комфортабельного дирижабля находились огромные баллоны, наполненные водородомэто самый легкий из химических элементов: в его атомах лишь один протон и один электрон. У простого вещества водорода наименьшая плотность из всех газов, и он образуется из двух атомов водорода, соединенных одной-единственной химической связью, где два положительно заряженных ядра делят между собой два отрицательно заряженных электрона. Этот газ, Н2, нес из немецкого Франкфурта на авиабазу Лейкхерст в США самый большой в мире дирижабль, который за предыдущий год совершил множество успешных путешествий в разные точки земного шара.
Сейчас мы склонны удивляться тому, что людям вообще пришла в голову идея путешествовать по миру в том, что можно назвать летающей бомбой. Но мы забываем, что немецкие торговые дирижабли, которые производила немецкая компания Luftschiffbau Zeppelin GmbH, имели отличные показатели безопасности. Например, дирижабль Graf Zeppelin («Граф Цеппелин») прослужил без единой аварии восемь лет, совершая регулярные рейсы главным образом между Германией и Бразилией, а большие дирижабли по всему миру (за некоторыми немногочисленными исключениями) использовали в качестве подъемной силы именно водороди делали это на протяжении примерно 30 лет.
Итак, в обитой асбестом курительной комнате на борту дирижабля Hindenburg, совершавшего свой первый регулярный рейс ФранкфуртНью-Йорк в 1937 году, Шпе и другие пассажиры на досуге наслаждались видом на Атлантический океан и совершенно не думали о водороде. На любительской съемке, сделанной Шпе и чудесным образом уцелевшей в катастрофе, видно, как они увлеченно указывают друг другу на проплывающие айсберги, пока дирижабль приближается к Американскому континенту на достойной уважения скорости 134 км/ч.
Как глупо, думаем мы сегодня; почему они не использовали вместо водорода гелий? А потом вспоминаем, что США наложили на нацистскую Германию торговое эмбарго, поэтому немцы не могли покупать гелий. Но при проверке деталей выясняется, что история сложнее и интереснее, чем этот простой, общеизвестный, но, как мы увидим дальше, неверный «факт».
Разумеется, инженеры знали о гелии. Этот одноатомный газ с двумя протонами, двумя нейтронами и двумя электронами обладает большей плотностью, чем водород, и потому не имеет такой подъемной силы. Мы можем прийти к такому заключению, поскольку и H2, и He (а также почти все остальные газы) подчиняются чудесному закону химии, который называется уравнением состояния идеального газа. Помимо прочего, уравнение состояния идеального газа говорит нам, что, если мы удвоим вес (или, что более корректно, массу) газовой молекулы, плотность газа тоже удвоится.
Однако у гелия есть и технические преимущества. То, что частицы простого вещества гелия в два раза тяжелее, означает, что гелий представляет собой лучший теплоизолятор, чем водород, а этот фактор не стоит игнорировать в случае с дирижаблем, который весь день жарится на солнце. Проблема нагревания проистекает из того, что газ, подчиняющийся уравнению состояния идеального газа, при увеличении температуры на 10 % (по шкале Кельвина) также увеличится в объеме на 10 % (или, если газ заключен в сосуд постоянного объема, на 10 % увеличится его давление на стенки сосуда). Инженеры должны были тщательно просчитывать оба этих следствия, чтобы удостовериться, что и контейнеры с газом, и алюминиевый корпус дирижабля смогут выдержать такое механическое напряжение. Так почему же с гелием меньше проблем? Потому что гелий медленнее нагревается: поскольку средняя скорость молекул тем ниже, чем они тяжелее, это означает, что гелий медленнее проводит тепло. Этот вывод мы тоже можем сделать из уравнения состояния идеального газа (надеюсь, теперь понятнее, почему оно настолько чудесно), а в холодных частях света мы извлекаем из этого знания пользу, устанавливая в домах окна с двойным или тройным остеклением, наполненные аргономгазом, молекулы которого имеют массу, превышающую массу азотаглавного компонента воздуха.
Уравнение состояния идеального газа имело колоссальное значение не только для основателей современной химии, но и для инженеров, проектировавших дирижабли, которые могли выдерживать изменения в объеме и давлении газа, а также адаптировавших их конструкцию к разным подъемным газамводороду и гелию.
Большим преимуществом гелия является то, что он наименее активный из всех простых веществ: не существует ни одного известного нам сложного вещества, в котором атомы гелия соединялись бы с атомами других элементов. Поэтому этот газ не может вступать в опасные реакции, в противоположность водороду, который с готовностью вступает в реакцию с кислородом, и в некоторых пропорциях эта реакция становится взрывной.
Большая трудность для Германии, а также для Британии и Франции заключалась в том, что в Европе гелия не было. Единственным в мире поставщиком гелия были США, а в 20-х годах он даже там был в дефиците.
Гелий получается в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов в недрах Земли, в особенности тория и урана. Гелий просачивается через отверстия и трещины в скальных породах и добывается как примесный компонент природного газа. Поскольку в 20-х годах бурение осуществлялось в основном для получения нефти, природный газ добывали в небольших количествах, поэтому и гелия получали мало. Говорят, что, когда флот США запустил USS Shenandoah («Шенандоа»; см. рис. 8) первый из четырех гигантских дирижаблей на основе гелия, в его газовых баках находилась большая часть когда-либо произведенного гелия и что, когда в 1924 году на вооружение был принят дирижабль USS Los Angeles («Лос-Анджелес»), возникли трудности с использованием двух воздушных судов одновременно из-за нехватки гелия.
Рисунок 7. Универсальный газовый закон рассказывает нам, как ведет себя газ в нормальных условиях. Вверху слева: давление (Р) на стенки сосуданапример, купленного в зоопарке воздушного шарикавозрастает, потому что молекулы газа ударяются о стенки, и чем больше таких ударов в секунду происходит, тем выше давление. Вверху справа
Примечания
1
Периодическая таблица химических элементов ИЮПАК (Международный союз специалистов по теоретической и прикладной химии, 2012 г.). URL: https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/.
2
Англ. spin«вращение».
3
Из квантовой механики можно вывести (хоть это и нетривиальное упражнение даже для физиков) такую же периодическую таблицу и множество удобных объяснений поведения химических элементов.
4
Scerri E.R. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press, 2006.
5
Ball P. There is No Hidden Understanding to be Teased out by Improving the Periodic Table, Argues Philip Ball. But Eric Scerri Begs to Differ // Chemistry World, September 2010.
6
Браун Д. Код да Винчи (The Da Vinci Code). АСТ, 2004.
7
Адамс Д. Автостопом по галактике (The Hitchhikers Guide to the Galaxy). АСТ, 1997.
8
В книге Д. Адамса ответ на этот вопрос должен был разрешить все проблемы Вселенной. Для его получения был создан специальный компьютер, который после 7,5 миллиона лет вычислений дал на него ответ42.
9
Отсылка к фильму «Угадай, кто придет к обеду?» (Guess Whos Coming to Dinner). Прим. ред.
10
Mwakikagile G. Botswana Since Independence. New Africa Press, 2009.
11
Lloyds of Londonизвестный рынок страхования, существующий с XVIII века.
12
Parsons N., Henderson W., Tlou T. Seretse Khama. Macmillan, 1995; Mbanga W., Mbanga T., Seretse & Ruth. Tafelberg, 2005; Dutfield M. A Marriage of Inconvenience. Harper Collins, 1990.
13
Ibidem.
14
Duffy R.J. History of Nuclear Power // Encyclopedia of Energy. Elsevier, 2004. Vol. 4.
15
И в моем издании Laerebog i uorganisk kemi Нильса Бьёррума 1946 года он все еще находится там, даже несмотря на то что Бьёррум в былые времена преподавал химию Нильсу Бору.
16
49 Uranium Rush // Popular Mechanics, 2 (91). 1949.
17
Как это показано на обложке американского журнала «Популярная механика» 1949 года.
18
Willis R.P.H. The Uranium StoryAn Update // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, 106. 2006. P. 601609; Masiza Z. A Chronology of South Africas Nuclear Program // The Nonproliferation Review Fall, 1993. P. 3555.
19
Parsons, Seretse Khama.
20
Hyam R. The Political Consequences of Seretse Khama: Britain, the Bangwato and South Africa, 19481952 // The Historical Journal, 29. 1986.
21
Dutfield, A Marriage of Inconvenience.
22
Hyam R., Henshaw P. Prime Ministers Office Papers // The Lion and the Springbok: Britain and South Africa Since the Boer War. Cambridge University Press, 2003.
23
Willis, The Uranium Story; Masiza, A Chronology of South Africas Nuclear Program.
24
3 февраля 1960 года в Кейптауне, говоря о деколонизации, Макмиллан объявил, что «над этим континентом веет ветер перемен, и Великобритания вынуждена с этим считаться». После этого в том же году большинство африканских колоний получили независимость.
25
Леди Рут Уильямс Кхама, 19232002.
26
McCall Smith A. The Number One Ladies Detective Agency. Polygon, 1999.
27
Hyam, Henshaw, The Lion and the Springbok.
28
Фильм получил два «Оскара»: Хепберн получила награду за лучшую женскую роль, а Уильям Роузза лучший оригинальный сценарий.
29
Campbell D. Alabama Votes on Removing its Ban on Mixed Marriages Special Report: The US Elections // The Guardian, 3 November 2000.
30
При реакции с металлическим натрием выделяется такое количество тепла, что водород иногда воспламеняется.
31
Некролог Henry S. Lowenhaupt, 87; CIA Trailblazer // The Washington Post. 14 March 2006.
32
Lowenhaupt H.S. Chasing Bitterfeld Calcium // Studies in Intelligence, 1 (17). 1996 (подчищенная версия: оригинал опубликован в 1973 г.).
33
Мы использовали это слово в предисловии; возможно, в школе вы слышали другой терминэлектронная оболочка.
34
Это важный промышленный процесс. Неон и другие благородные газы используются в самых разных целях, а жидкий азот очень важен для охлаждающих установок, но его нужно отделить от жидкого кислородавесьма опасного вещества.
35
Тем не менее вот эти детали. На каждый атом урана вам требуется два атома кальция. Поскольку атомная масса урана238, а кальция40, это означает, что на 80 г кальция вы можете получить 238 г урана, а 30 тонн кальция дадут вам (по крайней мере, если теоретически предположить, что реакция пройдет хорошо) 30 × 238: 80 = 187 тонн урана.
36
Один из руководителей британской разведки, коммунист, агент советской разведки с 1933 года и член Кембриджской пятёрки.
37
Goodman M.S. Spying on the Nuclear Bear: Anglo-American Intelligence and the Soviet Bomb. Stanford University Press, 2007.
38
Campbell C. A Questing Life. iUniverse, 2006.
39
Отсылка к роману Марка Хэддона The Curious Incident of the Dog in the Night-Time (в России книга вышла под заголовком «Загадочное ночное убийство собаки»). Прим. ред.
40
Brinck B. «Stockholms-Tidningen». Шведский журналист находился на борту дирижабля Hindenburg в 1937 г. и отправил домой в Стокгольм несколько статей во время последнего путешествия; эти статьи были процитированы в 2011 г. в документальном фильме канала Sveriges Radio под названием Ombord på Hindenburg, снятом 30 января 2010 г.
41
Russell P. Faces of the Hindenburg. 2013. URL: http://facesofthehindenburg.blogspot.com.
42
The Hydrogen and Fuel Cells Program // U.S. Department of Energy. 2013. URL: http://www.hydrogen.energy.gov/.
43
Личное общение. Рихард Ван Тройрен пользовался данными из Schiller H.V. Zeppelin, Wegbereiter des Weltluftverkehrs. Kirschbaum Verlag, 1966.
44
Пленка, отснятая на борту дирижабля Hindenburg во время последнего полета. YouTube, URL: http://www.youtube.com/watch?v= 0rSzc8JxBFg.
45
Medlicott W.N. The Economic Blockade // History of the Second World War, United Kingdom Civil Series. Longmans, Green and Co., 1952.