Сбылась мечта алхимиков всего мира: ученые сумели-таки синтезировать золото

Средневековые алхимики свято верили, что свинец можно превратить в золото. Сегодня физики доказали, что естествоиспытатели ушедшей эпохи были правы. Только вот процесс трансмутации (превращение одного химического элемента в другой) происходит совсем не так, как виделось в Средние века.


На самом мощном ускорителе частиц в мире, Большом адронном коллайдере (БАК), ученые многократно наблюдали рождение атомов золота. Правда, драгоценный металл появлялся на свет в таких мизерных количествах, что его можно было разглядеть лишь в сильный микроскоп.

Как же произошло рождение золота? И почему это открытие меняет наше понимание Вселенной? Давайте разбираться.

От алхимии к ядерной физике

Свинец и золото — два металла, которые столетиями будоражили умы алхимиков. Их плотность почти одинакова, но химические свойства различаются кардинально. Современная наука объяснила это просто: эти элементы имеют разное количество протонов в ядре (82 у свинца, 79 у золота). Превратить один в другой химическими методами невозможно — нужны ядерные реакции.



Следует сказать, что первые шаги к трансмутации элементов были сделаны более века назад. В 1919 года американский физик Эрнест Резерфорд превратил азот в кислород, использовав альфа-частицы. Однако мечта о золоте оставалась недостижимой мечтой до появления ускорителя частиц.

Надо отметить, что именно советские ученые внесли значительный вклад в развитие этой научной идеи. Например, в 1950-х годах физики из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне изучали синтез сверхтяжелых элементов. Они разработали методы бомбардировки мишеней ускоренными ионами, что позже легло в основу экспериментов на БАК.

Интересно, что в 1970-х годах в СССР проводились эксперименты по облучению свинца нейтронами для получения изотопов золота. Хотя результаты были скромными, эти работы заложили основы для понимания ядерных реакций.

Первые мгновения Вселенной

Эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment) на БАК — это машина времени, позволяющая заглянуть в эпоху кварк-глюонной плазмы, состояния материи, существовавшего через микросекунды после Большого взрыва. Ученые сталкивают ядра свинца на околосветовых скоростях, создавая условия, при которых протоны и нейтроны «расплавляются» в первичную субстанцию.



Но не стоит думать, что золото образует в этих лобовых столкновениях. Все намного сложнее и интереснее. Драгоценный металл появляется в очень редких случаях, когда ядра свинца пролетают друг мимо друга на расстоянии в несколько фемтометров (10⁻¹⁵ метра). В результате такое максимального сближения мощные электромагнитные поля вокруг свинцовых ядер генерирует фотоны высокой энергии. Эти частицы, сталкиваясь с ядрами, выбивают из них три протона — так свинец (Pb-208) превращается в золото (Au-205).


— объясняет Марко Ван Леувен, представитель ALICE.

Для регистрации редких случаев образования золота используются калориметры нулевой степени (ZDC), способные улавливать даже минимальные изменения в составе частиц.

Но, как всегда, существует нюанс: полученные ядра золота крайне нестабильны. Двигаясь со скоростью света, они сталкиваются с детекторами и распадаются за доли секунд. За три года работы (2015–2018) БАК произвел 86 миллиардов таких атомов, но их общая масса — меньше нанограмма. Для сравнения, это в триллионы раз меньше, чем потребовалось бы, скажем, для изготовления обручального кольца.

Для производства грамма золота потребовались бы столетия работы БАК, что экономически бессмысленно.

Почему эти эксперименты крайне важны?

Однако создание драгоценного металла на БАК — это вовсе не попытка обогатиться. Это ключ к фундаментальным загадкам:
Во-первых, данный эксперимент помогает ученым понять, как формируются химические элементы во Вселенной. Ученые теоретически знают, что золото и другие тяжелые металлы рождаются в нейтронных звездных столкновениях. А эксперименты ALICE помогают смоделировать эти процессы.

Во-вторых, проводя подобные опыты, физики начинают гораздо лучше понимать, как электромагнитные поля влияют на ядра. Электромагнитная диссоциация, наблюдаемая в ALICE, может объяснить, как космические лучи изменяют вещество в галактиках.

В-третьих, есть и очень практический аспект. У исследователей появляются ответы на очень важные вопросы по поводу управления ядерными реакциями. Понимание трансмутации открывает прямой путь к новым методам переработки ядерных отходов.



Советские ученые тоже мечтали о контроле над ядерными реакциями. В 1980-х годах физик Георгий Флеров, первооткрыватель ряда элементов таблицы Менделеева, предлагал использовать ускорители для синтеза сверхтяжелых элементов. Его идеи перекликаются с современными экспериментами на БАК.

Интересный факт: в природе золото образуется в результате r-процесса (быстрого захвата нейтронов), который длится секунды при взрывах сверхновых. ALICE имитирует эти условия, но в лабораторных масштабах.

P. S.

Но, возможно, мы идем не тем путем. В науке существует официально непризнанная идея холодного синтеза, когда ядерные реакции могут происходить… при комнатной температуре. Эта гипотеза будоражит умы многих ученых с 1989 года, когда Мартин Флейшман и Стэнли Понс заявили о достижении холодного ядерного синтеза в электролизере.

Однако их эксперименты не смог повторить ни один ученый, поэтому идею холодного синтеза признали полностью ошибочной. Сейчас трансмутация золота требует ядерных реакций с огромными энергозатратами, но что, если физики смотрят на данную проблему не под тем углом?.. В науке такое бывало не один раз.