Мысль о превращении неблагородных металлов в золото — это не просто сюжет для фантастических романов, а вполне серьезная научная концепция, уходящая корнями в алхимию и нашедшая свое подтверждение в ядерной физике XX века. Если отбросить мистицизм и магию, то краткий ответ звучит обнадеживающе: да, такое превращение технологически возможно. Однако этот процесс настолько сложен, энергозатратен и экономически нецелесообразен, что его можно считать скорее демонстрацией могущества современной науки, нежели практической технологией.
Чтобы понять, как это работает, необходимо обратиться к основам строения вещества. Вся материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из ядра (содержащего протоны и нейтроны) и вращающихся вокруг электронов. Уникальность каждого химического элемента определяется исключительно количеством протонов в ядре, которое называется атомным номером. Например, свинец (Pb) имеет атомный номер 82, ртуть (Hg) — 80, а золото (Au) — 79. Следовательно, чтобы трансмутировать один элемент в другой, необходимо изменить атомный номер его ядра. Это достигается не химическими реакциями (которые затрагивают лишь электронные оболочки), а ядерными реакциями, требующими колоссальных энергий.
Существует два принципиальных пути достижения этой цели.
Первый путь — это ядерный распад, или стратегия «отколоть лишнее». Для этого требуется взять элемент с более высоким атомным номером, чем у золота, и искусственно вызвать его радиоактивный распад, в ходе которого ядро будет терять протоны. Идеальным кандидатом здесь является определенный изотоп ртути — ртуть-196 (Hg-196). Теоретически, если подвергнуть ядро Hg-196 бомбардировке медленными нейтронами, оно может захватить один нейтрон и превратиться в неустойчивый изотоп ртуть-197 (Hg-197). Этот изотоп, в свою очередь, может в процессе электронного захвата испустить позитрон и превратить один из своих нейтронов в протон, в результате чего атомный номер увеличится на единицу, и мы получим стабильный и нерадиоактивный изотоп золото-197 (Au-197). Основная практическая проблема этого метода заключается в катастрофической редкости нужного изотопа ртути: в природной смеси изотопов доля Hg-196 составляет лишь около 0.15%, что делает предварительное обогащение руды невероятно сложным и дорогим.
Второй путь — ядерный синтез, или стратегия «собрать из малых частей». Здесь, наоборот, используется элемент с атомным номером меньше, чем у золота, например, платина (Pt, номер 78) или иридий (Ir, номер 77). Ядра этих элементов разгоняются в мощном ускорителе частиц (циклотроне или линейном ускорителе) до скоростей, близких к скорости света, и затем направляются на мишень. При лобовом столкновении может произойти слияние ядер (синтез) или перераспределение нуклонов, в результате чего образуется новый элемент. Именно по этой схеме в 1941 году группа американских физиков под руководством Кеннета Бейнбриджа, работая на гарвардском циклотроне, успешно провела трансмутацию. Они бомбардировали мишень из ртути (атомный номер 80) ядрами дейтерия (дейтронами), в результате чего некоторые ядра ртути захватывали лишний нейтрон и протон, превращаясь в изотоп золото-198. Однако полученное золото оказалось радиоактивным, с периодом полураспада 2.7 дня, что абсолютно бесполезно для практического применения.
Что касается технологий, позволяющих осуществлять подобные реакции, то к ним относятся, в первую очередь, ядерные реакторы, способные генерировать мощные потоки нейтронов для облучения мишеней, и ускорители частиц, позволяющие с высокой точностью управлять процессом бомбардировки. Современные разработки в области лазеров сверхвысокой мощности также теоретически открывают пути к индукции ядерных реакций, но пока это направление остается в сфере фундаментальных исследований.
Несмотря на теоретическую возможность, существует три непреодолимые преграды, делающие этот процесс коммерчески бессмысленным. Во-первых, это тотальная нерентабельность: стоимость электроэнергии, амортизации оборудования, стоимость которого исчисляется сотнями миллионов долларов, и подготовки высокоочищенных мишеней на многие порядки превышает стоимость конечного продукта — нескольких микрограмм или миллиграмм золота. Во-вторых, это проблема изотопов: подавляющее большинство ядерных реакций приводит к образованию не стабильного Au-197, а его радиоактивных изотопов, которые не только бесполезны, но и опасны. Сепарировать нужные изотопы — задача фантастической сложности. В-третьих, это ничтожный выход продукта: даже в крупномасштабной установке количество синтезированного золота исчисляется числом атомов, а не граммами. Для получения сколь-либо значимой массы потребовались бы промышленные комплексы невиданной мощности, работающие тысячи лет.
Таким образом, исторические алхимики, искавшие философский камень, с современной точки зрения были обречены на прывал, поскольку их инструментарий — химические реакции — не позволял воздействовать на атомное ядро. Их успехи ограничивались созданием сплавов, внешне напоминающих золото, например, томпака (сплав меди и цинка).
Итог таков: превращение металлов в золото технологически осуществимо методами ядерной физики, но лишено какого-либо экономического смысла. Подлинной современной алхимией является не создание золота, а синтез куда более ценных элементов, таких как плутоний для атомной энергетики или калифорний-252, используемый в медицине и геологоразведке и стоящий миллионы долларов за грамм. Поэтому для получения золота по-прежнему единственными разумными способами остаются его добыча из недр, вторичная переработка (ресайклинг) или инвестиции в биржевые активы.