Марина Молчанова
«Квантик» №8, 2025
Как учёные изучают сообщества перелётных птиц? Один из способов — кольцевание, когда некоторым птицам на лапку надевают кольцо. Например, на месте гнездования, или на месте зимовки, или на пути пролёта. А потом поступают сообщения о том, где людям встретились птицы с такими кольцами. Так можно узнать, где эти птицы летали, где останавливались, где расселялись, как изменялась их численность. И по данным о небольшом числе птиц можно сделать выводы о других птицах того же вида. Ведь каждая окольцованная птица — часть стаи, и где побывала она, там, скорее всего, побывала и её стая.
Окольцованная серебристая чайка. Фото: Andreas Trepte, wikimedia.org
Можно использовать не традиционные кольца, а современные способы — например, закрепить на птице миниатюрный GPS-трекер и получать информацию даже из безлюдных и труднодоступных мест.
А можно ли то же самое сделать с молекулами и атомами? Ведь для понимания очень многих процессов, в том числе в живой природе, очень важно знать, где какие молекулы находятся, куда и как они двигаются, как это зависит от общего состояния организма.
Оказывается, можно. И герою нашей статьи мы обязаны важным способом проводить такие наблюдения. Знакомьтесь: Дьёрдь де Хевеши, знаменитый венгерский и еврейский (по происхождению), а также английский, датский, немецкий и шведский (по местам продуктивной работы) химик и физик.
* * *
Хевеши родился в Будапеште в богатой и знатной семье. Окончил школу, затем учился химии в Венгрии и Германии. К счастью, у него хватало средств на то, чтобы самостоятельно выбирать место для работы, и в 1911 году он оказался в Англии, в лаборатории одного из величайших физиков того времени — Эрнеста Резерфорда. Впрочем, и позже Хевеши чрезвычайно везло с местами работы…
Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford) 1871–1937
Про английский период в жизни Хевеши рассказывают историю, правдивость которой невозможно оценить1. Якобы во время работы в Манчестере у него возникло подозрение, что в столовой нерадивые повара готовят блюда из остатков вчерашней еды, собранных с тарелок. Чтобы поймать поваров с поличным, он добавил к остаткам на своей тарелке небольшое количество радиоактивного вещества (на всякий случай: так делать не надо! Но в ту пору опасность этих веществ недооценивали…). Когда в следующий раз было подано такое же блюдо, Хевеши при помощи простого прибора легко определил, что еда радиоактивна, а значит, повара действительно жульничают!
Корпус Резерфорда в Манчестерском университете. Фото: Dubway, wikimedia.org
Но даже если эта история выдумана, она очень характерна. Потому что работа, прославившая Хевеши, была начата именно тогда и касалась именно использования радиоактивных веществ для целей поиска.
Однажды Резерфорд поручил Хевеши поработать с радиоактивным веществом под названием «радий D». В их распоряжении были сотни килограммов свинца, содержащего этот «радий D», но обычный свинец был не нужен для исследований, это был фактически балласт — как бы научиться отделять одно от другого… Но все попытки Хевеши приводили к неудачам. Никакие химические процессы не позволяли отделить «радий D» от свинца.
Дело в том, что — как выяснилось чуть позже — «радий D» и есть свинец! Все его химические свойства такие же, как у свинца. Только… масса атомов чуть-чуть не такая, как у природного свинца, ну и к тому же есть радиоактивность. Это изотоп свинца (понятие об изотопах как раз примерно тогда же появилось в науке) — такой же атом, просто в ядре другое количество нейтронов2.
Итак, химия не позволяет эффективно разделять изотопы. Но ведь неудачный результат — тоже результат, и он может дать толчок совершенно новым идеям. Если атомы разных изотопов можно считать химически одинаковыми, то можно для изучения разных процессов использовать «помеченные», радиоактивные атомы так же, как люди метят птиц при кольцевании.
Фтордезоксиглюкоза активно применяется в медицине; стрелкой показан радиоактивный атом
Действительно: пусть мы хотим изучить поведение какого-то вещества. Мы можем ввести туда чуть-чуть такого же вещества, но содержащего радиоактивный изотоп. Отслеживать радиоактивность легко, для этого есть приборы, и мы всегда можем понять, куда движутся и где накапливаются радиоактивные атомы. Но ведь это значит, что аналогичные атомы, только без радиоактивности, ведут себя точно так же! И мы получаем массу информации буквально на уровне атомов и молекул!
Нильс Бор (Niels Bohr) 1885–1962
Начав исследования изотопов во время своего недолгого пребывания в Англии, Хевеши продолжал их и в тех местах, где работал впоследствии: в Копенгагене, в немецком Фрайбурге, снова в Копенгагене, затем в Стокгольме. Оказалось, что «изотопные метки» очень удобны. Можно измерять растворимость даже очень плохо растворимых соединений — ведь крошечные их количества всё равно переходят в раствор, и радиоактивные атомы позволяют за этим проследить. Можно отслеживать диффузию — самопроизвольное перемещение атомов в веществе. Можно изучать обмен атомами между разными соединениями. Но самое главное — появился способ изучать поведение разных веществ в биологических системах! Где, что, куда и как.
Институт имени Нильса Бора (ранее Институт теоретической физики) в Копенгагене
Первая статья Хевеши на эту тему появилась в 1923 году. В ней говорилось, как можно использовать радиоактивный изотоп для изучения движения веществ внутри растений, конкретно — садовых бобов. Позже были и другие работы. О том, как золотая рыбка обменивается молекулами воды с окружающей средой. О том, как устроен обмен фосфора и углерода у здоровых и больных крыс и как на него влияет облучение…
Боб садовый
И оказалось, что от этих научных исследований рукой подать до применения в медицине. Другие учёные, прежде всего Рудольф Шенгеймер и Давид Риттенберг в США, научились вводить изотопные метки в биологически важные молекулы. Ещё позже в разных странах были разработаны способы использования этих меток для диагностики — эффективные и в то же время достаточно безопасные. Так что от исследований Хевеши в конце концов оказалась прямая дорога к методам современной медицины, таким как позитронно-эмиссионная томография и другие.
Рудольф Шенгеймер (Rudolf Schönheimer) 1898–1941 (слева) и Давид Риттенберг (David Rittenberg) 1906–1970
* * *
Но это не единственное, что прославило Хевеши. Он был разносторонним учёным, так что у него были и другие достижения в физике и химии. В частности, в 1923 году Хевеши вместе с голландским физиком Дирком Костером открыл гафний, химический элемент с номером 72 в таблице Менделеева.
Почему это особенно интересно? В истории химии были времена, когда новые элементы открывали буквально пачками, порой по несколько штук за год. Но примерно к 1920 году почти все «пустые места», остававшиеся в таблице Менделеева от водорода до урана, уже были заполнены: оставалось всего 5–6 незаполненных клеток (5 или 6 — зависит от того, как считать, потому что редкий металл рений открывали дважды). Четыре клетки, как впоследствии выяснилось, и нельзя было в ту пору заполнить: элементы с номерами 43, 61, 85, 87 практически не встречаются в природе, их надо получать искусственно, потому что они сильно радиоактивны и быстро распадаются. Так что гафний был, можно сказать, последним открытым природным элементом! Видимо, потому, что обнаружить его было труднее всего. Химически он очень похож на цирконий, который находится в таблице Менделеева двумя строчками выше. И поиск в этом случае требовал от учёных теоретической подготовки, знания современных физических методов анализа и просто удачи. Чуть раньше элемент 72 был «открыт» ещё двумя исследовательскими группами в других странах, но, к большому огорчению конкурентов, только открытие Хевеши оказалось верным.
Таблица Менделеева по состоянию на 1923 год
* * *
Хевеши был не только выдающимся исследователем, но и героем нескольких интересных околонаучных сюжетов. В частности, одной из самых красивых историй про судьбу Нобелевской премии.
В годы правления Гитлера два прославленных немецких физика, Джеймс Франк и Макс фон Лауэ, отдали свои нобелевские медали для хранения в Институте теоретической физики в Копенгагене, которым заведовал великий Нильс Бор и где много лет работал Хевеши. Отдали, конечно, не без причины: у Франка и Лауэ (оба они враждебно относились к нацистским властям) были основания опасаться, что медали у них конфискуют. Гитлеровские власти вообще считали Нобелевские премии чем-то чуждым и нежелательным, особенно после того, как премию мира за 1935 год получил антифашист Карл Осецкий. А золото, наоборот, эти власти очень любили. Так что в Дании оно было как-то надёжнее…
Джеймс Франк (James Franck) 1882–1964 (слева) и Макс фон Лауэ (Max von Laue) 1879–1960
Но в 1940 году нацисты оккупировали Данию. Что теперь делать? Нельзя, чтобы нобелевские медали попали в руки оккупантам — хотя бы потому, что на медалях указаны имена владельцев, и это могло их здорово подвести. Ведь вывоз золота за границу считался в Германии тяжким преступлением. Правда, Франк уже к этому моменту давно эмигрировал в США, но Лауэ оставался в Германии… Может, закопать медали на территории института? А если их найдут? Ведь нацисты наверняка будут всё обыскивать, пытаясь найти следы военных исследований.
И тут возникла остроумная идея. Золото, конечно, очень сложно растворить, но всё же возможно: для этого используется так называемая «царская водка», смесь азотной и серной кислот. Так что позже Хевеши вспоминал: «Когда оккупанты маршировали по улицам Копенгагена, я был очень занят: я растворял медали Лауэ и Франка».
Растворение золота в царской водке
В 1943 году оставаться в Копенгагене было уже совсем опасно, и Хевеши вслед за Нильсом Бором уехал в Швецию. А вот колба с раствором золота простояла в лаборатории всю войну, она никого не заинтересовала. И после окончания войны нобелевское золото было вновь извлечено из царской водки, из него были повторно отлиты медали и возвращены хозяевам.
Нобелевская медаль (аверс и реверс)
А сам Хевеши как раз в 1943 году получил и свою Нобелевскую премию — за открытие метода радиоактивных индикаторов. Впрочем, для него это событие было хоть и приятным, но отнюдь не самым значимым: как он сам говорил, членство в английском Королевском обществе для него значило куда больше.
Таблички во Фрайбурге в память о Хевеши и его жене, вынужденных уехать в годы нацизма в Данию и затем в Швецию
* * *
В современной медицине используется около пятидесяти различных радиоактивных изотопов. Ещё больше используется в других науках — физике, химии, биологии, геологии, археологии и так далее. В вузах читают целые учебные курсы «Метод радиоактивных индикаторов». Во многих из них даже не упоминается имя Хевеши.
Позитронно-эмиссионная томография, одно из изображений головного мозга
Но мы-то знаем!
1 Уж очень она похожа на одну историю из жизни американского физика Роберта Вуда — см. статью М. Молчановой «Роберт Уильямс Вуд» в «Квантике» №8 за 2019 год.
2 См., например, статью В. Сироты «Что у атома внутри?» — «Квантик» №11 за 2018 год.
Дьёрдь де Хевеши (Hevesy György) 1885–1966