Золотая трансмутация: физики воплощают мечты алхимиков

Недавно американский термоядерный стартап Marathon Fusion заявил: найден способ получения стабильного изотопа золота путем распада изотопа ртути. Мечта алхимиков о философском камне сбылась, но пока только в теории. Зато можно смело утверждать, что ядерная трансмутация творит настоящие чудеса. Отличная тема для научно-популярного фильма.

Эпизод первый. Начало научной золотой лихорадки

Золотом хотят разжиться многие. Полезная вещь. Может быть украшением, может — ​надежной инвестицией. Но есть у золота существенный недостаток — ​его всегда не хватает. Императоры, князья, церковные иерархи и прочие власти предержащие тратили баснословное количество денег и химикатов на поиск философского камня. Проще говоря, на рецепт превращения недорогих металлов в золото.

Где спрос, там и предложение. Приемов «добычи» золота у алхимиков было несколько. Например, в полую деревянную палочку засовывали несколько зерен золота, отверстие залепляли воском. Во время представления для короля и вообще любого заказчика палочку опускали в тигель с жидким металлом, восковая заглушка таяла, крупинки золота выпадали. С помощью известных манипуляций золото выделяли из расплава и торжественно вручали королю. Другие алхимики делали тигли с двойным дном, угли с запаянным золотом, иногда золотую пыль закачивали в расплав воздуходувкой. Под радостные крики присутствующих магистр тайных наук получал звонкую монету на продолжение научных изысканий. Что и требовалось.

Легенды рассказывают о некоем швейцарце Турнейссере. 20 ноября 1586 года он на глазах римского кардинала опустил железный гвоздь в некое разогретое вещество, и тот наполовину превратился в золото. В 1730 году Иоганн Кейслер нечаянно раскрыл секрет Турнейсcера. Ушлый швейцарец припаял к гвоздю золотую половинку и покрасил. В нагретой массе краска слезла и обнажила золотую половину.

Но это все ловкость рук фокусников из балагана. Подлинные мастера поступали по-научному. Самым популярным чудом стало превращение ртути в золото. Кусочки золота растворяются в жидкой ртути очень хорошо и незаметно. Путем химических операций ртуть удаляется, и на дне сосуда остается чистое золото.

Бывало, попадались очень подозрительные правители и вельможи. Тогда в ход шел коронный трюк. Алхимик просил у скептика серебряную монету. Серебро плавилось, очищалось от примесей, и на дно тигля выпадал миллиграмм золота. Дело в том, что все монеты, отчеканенные до 1830 года, содержали в себе хоть какую-то часть золота. Тогдашние мастера монетных дворов не заморачивались, поскольку технология очистки была дорогой. Неспециалисты о секретном ингредиенте денег даже не догадывались. А вот алхимики знали эту особенность прекрасно.

Эпизод второй. Изыскания Исаака Ньютона

Получив финансирование, продвинутые алхимики ударялись во все тяжкие и ставили самые смелые эксперименты. Благодаря их неугомонности и фантазии у нас есть рубиновое стекло (из него сделаны звезды Московского Кремля), европейский фарфор, спирт, порох и много чего еще.

Певец промышленной революции живописец Джозеф Райт в 1771 году написал картину: алхимик Хенниг Бранд, перегоняя мочу, получает вдруг вместо золота неизвестное светящееся вещество. Им оказался фосфор. Многих удивит, что в поисках золота алхимики добрались до мочи. По их рассуждению, эта желтая жидкость содержит «первоматерию» золота. Трудно даже представить, сколько литров мочи переработали энтузиасты. Этим занимался даже такой известный ученый, как Роберт Бойль, знакомый всем школьникам по закону Бойля — ​Мариотта, который связывает давление с объемом газа.

Мировой авторитет и знаменитость сэр Исаак Ньютон постоянно стремился к алхимическим знаниям. В его бумагах подробно описаны два из трех этапов создания философского камня. Годами Ньютон пытался пробиться сквозь дебри метафор и кодовых имен, которые использовали древние алхимики, чтобы запутать всех, кроме самых достойных понимания их секретов. Всем этим Ньютон мог заниматься, так как работал сначала смотрителем, а затем управляющим Королевского монетного двора. То есть его поиски философского камня оплачивала корона.

Способа превращать металлы в золото Ньютон так и не нашел. Зато научился делать чернила. И даже написал сочинение «Как сделать чернила превосходными». В конце очаровательное примечание: «Моими новыми чернилами я написал это». Чернила по рецепту Ньютона содержат железный купорос, медный купорос, наросты с дубовых листьев, гуммиарабик и пиво.

Эпизод третий. С точки зрения ядерной физики

Хотя алхимия давно признана лженаукой, случайные открытия ее неустанных адептов легли в основу химии. Да, механизмы трансформации материалов, которые использовали алхимики, в конечном счете оказались ошибочными. Но в одном предшественники химиков были правы: вещество действительно может превращаться в другое вещество.

Как выяснили в начале прошлого века Эрнест Резерфорд и Нильс Бор, ядро атома состоит из определенного числа протонов. У ядра атома свинца — ​82 протона, у ядра таллия — ​81, у ядра ртути — ​80, у ядра золота — ​79. То есть драгоценный металл можно сделать из соседних элементов, надо только добавить недостающие или удалить лишние протоны. Например, если у таллия отщепить два протона, получится ядро золота. У ртути можно отщепить один протон. У свинца — ​три. И золото у вас в кармане. Дело за малым — ​придумать надежную технологию.

Что самое удивительное, в природе трансмутация элементов происходит сама собой постоянно. Когда Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди работали в 1902 году в канадском Университете Макгилла, они совершили ошеломляющее открытие: радиоактивный металл торий при самопроизвольном распаде порождает радиоактивный газ радон. Это одно из первых наблюдений за тем, как один радиоактивный элемент превращается в другой. Долгое время ученые даже сомневались, говорить ли о своем открытии. Вдруг их обзовут алхимиками? Но процесс пошел. В 1940 году физикам удалось получить элементы тяжелее урана, который часто называют последним природным элементом. В Национальной лаборатории Лоуренса (США) группа под руководством Эдвина Макмиллана и Гленна Сиборга синтезировала трансурановые плутоний и нептуний. Так началась эра открытий искусственных химических элементов. Более чем за полвека таблица Менделеева приросла 26 элементами.

Эпизод четвертый. Термоядерные надежды

Вернемся к стартапу Marathon Fusion. Ученые предложили извлекать золото из ртути в процессе выработки термоядерной энергии. Метод основан на использовании ртути‑198 в специальном слое бланкета токамака. Под воздействием быстрых нейтронов из дейтерийтритиевой плазмы ртуть превращается в нестабильный изотоп, который быстро распадается в стабильное золото‑197. По расчетам Marathon Fusion, один реактор может производить до 5 т золота в год на каждый гигаватт тепловой мощности, что с текущими ценами дает сотни миллионов долларов.

Это количество намного превышает результат ЦЕРН, ведущей мировой лаборатории с ускорителями частиц, чей эксперимент ALICE во время второго запуска (2015–2018) произвел примерно 29 пикограмм золота. ALICE — ​один из восьми детекторов Большого адронного коллайдера. Трансмутация свинца в золото стала побочным эффектом эксперимента по получению кваркглюонной плазмы — ​горячего и плотного состояния, в котором находилась материя, заполнившая Вселенную сразу после Большого взрыва. В результате эксперимента было получено 86 млрд ядер золота, но это в триллионы раз меньше, чем нужно для одного маленького золотого колечка.

Добыча золота в процессе термоядерного синтеза выглядит куда перспективнее. Правда, вожделенный металл будет радиоактивным. Он перестанет фонить примерно через 18 лет. Несмотря на эти ограничения, специалист по физике плазмы в Министерстве энергетики США доктор Ахмед Диалло заявил журналистам, что результаты компьютерного моделирования выглядят многообещающе. И с появлением термоядерной энергии наше будущее может стать поистине золотым.

«Золотые» ученые: От древности до наших дней