Для обычного света это расхождение настолько мало, что оно не имеет значения, но поскольку длина волны рентгеновских лучей близка к внутримолекулярным и межмолекулярным расстояниям между атомами, то разница в преодоленном пути может достигать половины длины волны. Когда такие комбинации лучей выходят из кристалла и снова соединяются, образуя отраженный луч, максимум волны в одном отражении теперь совпадает с минимумом волны в другом отражении – две волны гасят друг друга, и пятно на пленке не появится. Это явление известно как деструктивная интерференция.
С другой стороны, если разница в пройденном расстоянии составляет одну, две, три или любое другое целочисленное значение длины волны, для фотонов максимумы совпадут, и они окажутся «в фазе». Это конструктивная интерференция, а кристаллографы просто скажут, что в таких случаях вы видите дифракционный пик. Измерив интенсивность и расположение таких пиков (дифракционную картину) на фотопленке, отец и сын Брэгг в 1913 году смогли определить расположение ионов натрия и хлора в кристаллах столовой соли и таким образом стали первыми людьми, которые «увидели» атом[94]. В настоящее время широко распространены ПЗС-детекторы вроде тех, что используются в цифровых фотоаппаратах, чтобы регистрировать эти пятна.
Несмотря на разговор о пиках и ущельях, мы забрели далеко от афганских гор. Я сделал это для того, чтобы вы смогли оценить истинную красоту ляпис-лазури (а вернее, минерала лазурита), великолепного синего компонента лазуритовых руд, потому что он бесконечно более тонкий и сложный, чем король драгоценных камней алмаз. Еще до Первой мировой войны отец и сын Брэгг смогли определить положение атомов углерода в алмазе при помощи фотопленки, карандаша и бумаги, но кристаллографы до сих пор бьются над определением структуры лазурита.
Рисунок 17. Вверху: максимумы и минимумы волн, которые совмещаются со сдвигом ровно на половину длины волны (серая линия), гасят друг друга и дают нулевой сигнал. Внизу: совпадающие по фазе совмещения усиливаются и дают мощный сигнал (серая волна).
Лазурит – сложный минерал, потому что его химическая формула изменчива. В отличие от алмаза – просто «С» – мы обычно записываем лазурит как Na6Ca2(Al6Si6O24)[(SO4), S, Cl, (OH)]2, где точное количество последних четырех составляющих варьируется в зависимости от типа горной породы[95]. Почему же это вещество ведет себя так странно, не подчиняясь закону постоянства состава, который мы изучали в школе? Причина – пространственная структура фрагмента Al6Si6O24. Ее можно достаточно просто определить на основе рентгеновской дифракционной картины: вы увидите бесконечную взаимосвязанную структуру, состоящую из тетраэдров AlO4 и SiO4, где каждый атом кислорода служит мостиком в паре ионов металлов Al/Si[96].
Ну и что такого, скажете вы: если вы были внимательны на уроках химии, то знаете, что алмаз тоже состоит из тетраэдров. Но в нашем случае расстояния между центрами ячеек (теми центрами, что связаны с четырьмя другими узлами) гораздо больше, что приводит к возникновению огромных, похожих на клетки областей пустого пространства внутри кристалла. Там мы обнаружим довольно скучные – маленькие и бесцветные – ионы натрия и калия, которые занимают области поменьше, и столь же прозрачные, но более крупные ионы сульфата, хлорида и гидроксида, заключенные в клетки большего размера. Так что же с цветом: значит, его дает каркас из алюминия и кремния? Нет, подобный каркас служит основой для многих минералов. Возможно, ключ к разгадке можно найти в другой составляющей лазурита: в горной породе присутствуют кристаллические частички железного колчедана (пирита, или «золота дураков»). «Золото дураков» не только придает камню красоту, но также может играть важную роль в образовании настоящих пленников этих кристаллических клеток – отрицательно заряженных ионов S3–[97], поскольку пирит имеет формулу FeS2 и содержит структурные единицы S-S, которые когда-то могли стать начальной точкой для появления ионов S-S–S–.
Рисунок 18. Кристаллическая ячейка лазурита из связей Al—O и Si—O и стабилизированный в ней ион-радикал S3–, придающий синий цвет ляпис-лазури (три более темные сферы).
Эти необычные частицы существуют в кристалле лишь в очень малых количествах, и их требуется держать в клетке-ловушке, поскольку это радикалы. (На самом деле химия не настолько консервативна, чтобы считать, что всех радикалов нужно держать под замком; дело просто в том, что молекулу, содержащую неспаренные электроны, мы называем радикалом, и такие ребята обычно весьма активны.) Вы, вероятно, слышали о «свободных радикалах», всячески вредящих вашему организму. Это радикалы ОН; а ион S3– представляет собой другую разновидность подобных частиц. Он придает синий цвет лазуриту, однако, если выпустить его из клетки, он будет немедленно разрушен и цвета исчезнут. Часть секрета изготовления из лазурита хорошей краски, вероятно, заключается в том, чтобы этого не случилось по ходу дела.
Клетки и их узники – это также причина того, что подобные материалы трудно воспроизвести в лаборатории или в промышленных масштабах. Ионы S3— слишком велики, чтобы выбраться из неповрежденных клеток, и это также означает, что невозможно положить в клетки что-то еще. Процесс должен быть интегрированным: нестабильные ионы S3—должны образовываться более или менее одновременно с образованием окружающих их клеток. Химикам еще предстоит разобраться, как добиться подходящих для этого условий и создать самоцвет того же качества, что и природный.
Однако если это удастся сделать, то это может повредить будущим повстанцам, отступающим в горы Бадахшана и полагающимся на доход от этой торговли. Для Масуда все и без того закончилось плохо. В нападении, которое называют прелюдией к теракту 11 сентября, 9 сентября 2001 года в Ходжа-Бахауддине (в провинции Тахар на северо-востоке страны) на него совершили успешное покушение два террориста-смертника из «Аль-Каиды». С 2005 года 9 сентября считается «Днем Масуда» – государственным праздником в Афганистане[98].
8 Бриллианты навсегда[99], а также цирконий для подводных лодок
Из этой главы мы узнаем, как взаимное расположение элементов в Периодической таблице помогает предсказать не только их свойства, но и их местонахождение в природе, а еще поговорим о ядерных реакторах, фальшивых бриллиантах и главной драме, развернувшейся в СМИ в 1952 году.
Казалось, что появление обручального кольца с бриллиантом в длинной и запутанной истории любви между Мма Рамотсве – первой женщиной-детективом Ботсваны – и блестящим механиком и владельцем компании Road Speedy Motors в Тлоквенге мистером Дж. Л. Матекони ознаменовало собой конец этой сюжетной линии, которая развивалась на протяжении нескольких томов в серии оригинальных и весьма популярных детективов Александра Макколла Смита (мы уже говорили о них в главе 1). Однако обнаружилась небольшая проблема с участием кубического циркония, и эта история продолжилась и в следующей книге серии[100].
Рисунок 19. Периодическая таблица, в которой переходные металлы выделены серым, а группа титана дана в увеличенном виде.
Похожие названия элементов и их соединений – одно из досадных неудобств в химии[101], но часто они возникают исторически, и в случае с цирконием произошло именно так.
Помимо чистого металла циркония, существуют еще циркон и кубический оксид циркония (в русском языке его часто называют «фианит», а в английском языке он известен как zirconia), и у всех из них есть важные практические приложения. Циркон – это силикат циркония, имеющий формулу ZrSiO4, а кубический оксид циркония – это особая форма ZrO2. Как вы уже догадались, последний, помимо других сфер применения, может служить отличной заменой бриллианту в обручальных кольцах.
Мы не станем задерживаться на детальном описании элемента циркония, но вам следует знать, что в Периодической таблице он находится в середине, в большом семействе элементов, которые называют переходными металлами. Возможно, вы слышали о его кузене титане, расположенном прямо над ним, и о родном брате гафнии, стоящем на ступеньку ниже.
Почему я называю их родными братьями? Потому что элементы, расположенные в Периодической таблице в одной группе (то есть столбце), часто имеют схожие химические свойства. В частности, в центральной ее части, в семействе переходных металлов, состоящем из 27 элементов, – все они имеют много общих свойств – два нижних элемента обычно больше всего похожи друг на друга.
Схожие химические свойства циркония и титана означают, что мы обычно можем найти цирконий там, где добываем гораздо более распространенный титан; кроме того, как только мы отделим титан от циркония, за ними потянется некоторое количество гафния – примеси, от которой гораздо труднее отделаться.
Ушлого ювелира из Габороне не волнует, есть ли в его фальшивых бриллиантах следы HfO2, смешанного с ZrO2. Для нетренированного глаза это никак не повлияет на блеск, твердость или прозрачность камня, но для инженеров, проектирующих первые ядерные реакторы для электростанций в США, дело обстояло совсем иначе.