Сомнений, однако, не вызывает то, что адмирал Риковер получил готовый USS Nautilus в срок, с запасом уложившись в официальный график, но упустил свою собственную, более амбициозную цель из-за проблемы с паропроводом в зоне электростанции, не относящейся к выработке ядерной энергии. Однако весь циркониевый проект представлял собой взвешенный риск. Не из-за проблем с поставкой – обнаружить цирконий легче, чем многие распространенные металлы вроде вольфрама, хрома, цинка и меди, – а из-за инженерных сложностей при производстве чистого металла. Один из ближайших гражданских коллег Риковера, Тед Рокуэлл, говорил мне, что это была «трудная и яростная гонка», которая «легко могла оказаться безуспешной вплоть до самого последнего момента»[108].
Но все получилось, а остальное, как говорится, история. Риковер[109] также осуществлял контроль за строительством первой специализированной мирной АЭС в Шиппингпорте, Пенсильвания, которая была подключена к электросети через несколько лет после спуска USS Nautilus на воду. Более того, введенные им стандарты для атомного флота позволяют американскому Военно-морскому флоту до сих пор работать с атомными реакторами без единой аварии[110].
Тем не менее цирконий – не беспроблемный элемент. При обычных условиях это прочный и весьма инертный металл, который так же устойчив к коррозии, как золото, но, если топливо не удается охладить и если нельзя задействовать управляющие стержни для остановки цепной реакции, экстремально высокая температура сделает цирконий похожим на натрий. А теперь проведем типичный школьный демонстрационный опыт, с которым мы вкратце ознакомились в главе 2 при обсуждении кальция: кусочек блестящего металлического натрия, брошенный в банку с водой, крутится на поверхности воды, горит, а иногда производит громкие хлопки или отдельные чпокающие звуки.
Реакция 1:
2H2O (жидкость) + 2Na (твердый) →
2Na+ + H2 (газ) + 2OH— + теплота.
Реакция 2:
2H2 (газ) + O2 (газ) →
2H2O (жидкость) + большое количество теплоты.
Горение, которое мы наблюдаем, – это не металл, а газообразный водород, образующийся в результате реакции между металлом и водой (реакция 1). Иногда случаются небольшие взрывы – когда накапливается не прореагировавший водород, смешивается с кислородом воздуха и затем весь мгновенно вступает в реакцию (реакция 2). Это называется водородным взрывом, и именно он произошел в реакторе на АЭС Фукусима-1 (остров Хонсю, Япония) в 2011 году, а возможно, и во время аварии на АЭС Три-Майл-Айленд (Пенсильвания, США) в 1979-м, только металлом в обоих случаях был не натрий, а цирконий.
И наконец, если среди читателей есть потенциальные покупатели колец с бриллиантами, то их, возможно, интересует, как избежать проблем, возникших у Дж. Л.Б. Матекони. Очевидный способ проверить предположительно фальшивые камни – опустить их между топливными стержнями ядерного реактора и посмотреть, не снизится ли выходная мощность из-за содержащегося в них гафния; вы мало что можете сделать помимо этого, если камень мал и уже вставлен в оправу кольца.
Фианит и алмаз слегка отличаются твердостью и показателем преломления, но пробу царапанием и тест на прозрачность трудно провести на оправленном камне. Они также отличаются друг от друга плотностью – очевидно, что атомы углерода весят меньше, чем атомы циркония, – но это практически невозможно проверить на камне в кольце.
Если же вы присматриваете солидный бриллиант, проверить его довольно просто. Приложите камень к какому-нибудь чувствительному участку кожи – например, к верхней губе: настоящий бриллиант очень хорошо проводит тепло, поэтому он быстро примет на себя тепло из кожи, и вы ощутите холод, словно от кусочка металла; а вот фианит – теплоизолятор, поэтому вы не заметите никакой разницы.
9 Графитовая долина: информационные технологии в озерном крае XVIII века
В этой главе мы выясним, что чистые простые вещества могут всячески маскироваться и что провозить контрабандой стоит не только алмазы. И наконец, узнаем больше о химических связях и о том, как заставить электроны скакать.
Если вы выросли на английской детской литературе, то озеро Уиндермир на северо-западе Англии, наверное, вызывает у вас ассоциации с поэтами или подростковыми приключениями не столько о волшебниках и вампирах, сколько о «Ласточках и амазонках»[111]. В общем, для вас оно связано с людьми, которые зарабатывали на жизнь карандашом. Или, может быть, ручкой? Мы как-то не представляем себе серьезного автора, усердно работающего в кабинете с карандашом в руке. Обычно считается, что карандаши больше подходят детям, выполняющим домашнее задание, или тем людям, которым часто приходится исправлять ошибки.
У людей никогда не было недостатка в чернилах, традиционно состоящих из смеси солей железа, воды и танинов – горьких на вкус компонентов чая[112] и красного вина. Этой черной жижи всегда было достаточно, чтобы писать стихи и подписывать смертные приговоры. Но карандаш – совсем другое дело. Он предназначен отнюдь не только для детей – он был и остается незаменимым инструментом для художников, инженеров, плотников и архитекторов[113]. В инженерном училище в конце 80-х мы (по крайней мере, некоторые из нас) все еще вручную чертили карандашом прекрасные чертежи реакторов с двойной облицовкой из нержавеющей стали. А за четыре года до того, в армии, недалеко от полярного круга, разве мы выписывали приказы и расшифровывали радиосообщения шариковой ручкой? Разумеется, нет; строго говоря, это было запрещено, потому что чернила в ручке быстро замерзают.
«Свинцовый карандаш» (конечно же, грифель карандаша состоит не из свинца – элемента за номером 82, а из кое-чего другого) переносит нас в зеленые долины английского Озерного края и Камбрии – в место, где так же неожиданно обнаружить центр информационных технологий, как и в апельсиновых рощах вокруг Пало-Альто. Разница в том, что в Калифорнии 70-х годов важны были преданные делу люди, а не местные кремниевые шахты. В долине Борроудейл в конце XVI века значение имело содержимое горы, потому что именно там можно найти то, из чего делается карандашный грифель.
Не то чтобы люди совсем не были важны: здесь процветали различные формы предпринимательства. Говорят, например, что Черный Сэл, трудившийся в начале XVIII века в маленьком городке Кесвике недалеко от Борроудейла, руководил сетью контрабандных поставок карандашного графита. Этот ценный груз – плюмбаго – перевозили по труднопроходимой холмистой местности до Ирландского моря, откуда на ожидавших там лодках отправляли на континент. Незаконная разработка месторождения, питавшая этот контрабандный бизнес, была в то время обычным делом, и существуют также письменные свидетельства о парочке вооруженных ограблений на рудниках. В целом это очень похоже на Дикий Запад, только вместо американских кавалеристов в синей форме действовали «красные мундиры»[114], а местные пытались удержать в своих руках то, что считали своей собственностью, и не отдать ее «иностранным» владельцам и инвесторам[115].
В те дни в Камбрии[116] важную роль играли многие виды горных работ, но самым ценным минералом, когда-либо добытым из местной земли, считался черный камень, который называли вад или плюмбаго. Предполагают, что впервые его начали использовать в позднем Средневековье для того, чтобы отслеживать, кому какие овцы принадлежат, – тогда, как и сейчас, отчетность о материальной собственности была важной частью информационных технологий[117].
Так что же такое это серое вещество, если не свинец? Это кристаллическая форма углерода под названием графит (см. рисунок 20), которая сильно отличается от другой формы кристаллического углерода – алмаза. Но точно так же, как это делается на алмазных рудниках, работников в Борроудейле при выходе из шахты обыскивали, чтобы найти припрятанные камни, а транспорт с графитом до конечного пункта назначения провожали вооруженные охранники.
Все эти разные формы углерода немного сбивают с толку. Углерод добывают также и в угольной шахте, так что в шведском языке все еще более запутано, потому что слова «углерод» и «уголь» обозначаются одним словом kol[118]. А ведь существуют еще угольные печи, в которых уголь предполагается получать из дров. Но никакой путаницы здесь нет – мы говорим об одном и том же элементе, а не об ошибке определения, когда один элемент принимают за другой, как в случае со «свинцом» в карандашах.
Рисунок 20. Кусок графита из Борроудейла, купленный совершенно легально в Кесвике (Камбрия, Великобритания) в 2012 году. Фото сделано автором.
Итак, давайте начнем с самого драгоценного члена этой семьи – алмаза. В этом веществе каждый атом углерода соединен прочными связями с четырьмя другими атомами. Образуется (если бы мы могли это увидеть) нечто похожее на миниатюрные строительные леса, только перекладины в них соединяются не под прямым углом, а под углом 109,5°, что позволяет этой конструкции бесконечно повторяться во всех направлениях. Поскольку перекладины состоят из прочных одинарных углерод-углеродных связей, структура получается очень крепкой. Кроме того, эти атомы углерода абсолютно лишены воображения: они располагаются совершенно одинаковым образом в пределах всего алмазного кристалла, и именно по этой причине алмаз – это прежде всего кристалл; нам требуется знать лишь положение одного-единственного атома углерода, и тогда мы сможем сказать, где расположены все остальные атомы этого кристалла.