Кэтлин Лонсдейл часто описывают как невероятно трудолюбивого химика, чьи исследования произвели революцию в науке. В 1920-х годах она смогла решить загадку бензола, над которой ученые ломали голову более столетия, причем значительную часть сложнейших расчетов она выполнила вручную, находясь дома с детьми. В этом материале профессора Джудит Ховард и Джуди Ву рассказывают о том, как одна женщина с помощью математики и рентгеновских лучей открыла архитектуру органической химии.
🧱 Проблема «невидимого» микромира 0:35
Кристаллы материи представляют собой упорядоченный узор атомов, напоминающий повторяющийся рисунок на обоях . Однако на протяжении веков ученые могли изучать только внешнюю форму кристаллов. По словам профессора химии Джудит Ховард, попытка понять внутреннее устройство кристалла обычным взглядом была сродни разглядыванию куска дерева: свет просто не позволял увидеть, что внутри .
Основная техническая сложность заключалась в следующем:
- Длина волны: Длина волны видимого света не совпадает с расстоянием между атомами.
- Межатомные расстояния: Расстояние между атомами углерода составляет чуть более одного ангстрема (10⁻¹⁰ метра).
- Необходимость альтернативы: Для «просвечивания» структуры требовалось излучение, соизмеримое с этими микроскопическими расстояниями .
Решение пришло с открытием рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном в 1895 году. Благодаря их чрезвычайно коротким волнам ученые получили инструмент, позволяющий по характеру рассеивания лучей восстанавливать картину расположения атомов в теле .
🧪 Загадка бензола: от «змеи» Кекуле до нестыковок в теории 5:01
Бензол (C₆H₆) был впервые изолирован Майклом Фарадеем 16 июня 1825 года . В то время химики полагали, что для описания вещества достаточно знать только его состав. Однако скоро стало ясно, что структура молекулы имеет решающее значение.
Профессор Джуди Ву отмечает основные вехи в попытках разгадать строение бензола:
- Модель Кекуле: Август Кекуле предложил кольцевую структуру, вдохновившись сном о змее, кусающей себя за хвост . Он предположил наличие чередующихся одинарных и двойных связей.
- Альтернативные версии: Другие ученые предлагали свои варианты: Клаус — диагональные связи, Ладенбург — призматическую структуру, Армстронг — стрелки к центру, а Тиле — пунктирный круг, намекающий на эквивалентность всех связей .
Основная научная дилемма заключалась в реакционной способности . Бензол имел низкую насыщенность (мало водорода на количество углерода), как алкены, но не вступал в реакции присоединения. Кроме того, при замещении атомов бензол давал меньше изомеров, чем предсказывала модель Кекуле. Это указывало на то, что все шесть связей между атомами углерода в кольце должны быть одинаковыми, что противоречило идее чередующихся связей .
💡 Прорыв Кэтлин Лонсдейл: математика против неизвестности 10:22
Когда отец и сын Брэгги внедрили рентгеновский спектрометр, появилась надежда на решение вопроса бензола. Однако на тот момент метод работал только для простых соединений, таких как поваренная соль. Для сложных органических молекул требовался новый подход.
Кэтлин Лонсдейл применила оригинальный метод анализа:
- Объект исследования: Она работала с кристаллами гексаметилбензола, которые ей предоставил профессор Ингольд, так как чистый бензол — это жидкость, и в те годы работать с ним методами рентгенографии было невозможно .
- Метод Фурье: Она поняла, что сложную дифракционную картину можно математически разложить с помощью анализа Фурье, чтобы получить информацию о плотности электронов, а затем и о положении атомов .
- Ручные расчеты: Все вычисления производились Лонсдейл вручную. Джудит Ховард подчеркивает, что Кэтлин работала над этими сложнейшими уравнениями дома, воспитывая детей и не имея доступа к лаборатории или вычислительной технике .
Результатом этой работы стали опубликованные в 1931 году «Международные таблицы» (International Tables) — математические формулы для суммирования интенсивностей для 230 пространственных групп, используемых в кристаллографии . Кэтлин доказала: бензол абсолютно плоский и представляет собой идеальный шестиугольник .
🚀 Наследие и современная наука 16:15
Сегодня методы, разработанные Лонсдейл, лежат в основе всей современной кристаллографии. Если во время её работы аспирант мог потратить три года на решение структур всего трех молекул , то современные возможности поражают воображение.
- Скорость: «Сегодня мы можем решить 3 структуры до завтрака и 23 — до обеда», — шутит профессор Ховард, отмечая мощь современных рентгеновских пучков и суперкомпьютеров .
- Масштаб: Именно работа Кэтлин открыла путь к расшифровке структуры ДНК, пенициллина и витамина B12 .
Джуди Ву выражает мнение, что Кэтлин Лонсдейл безусловно заслуживала Нобелевской премии, и тот факт, что она её не получила, связан скорее с гендерными предрассудками её времени, нежели с качеством её работы . Кэтлин стала первой женщиной — членом Королевского общества и первой женщиной — профессором в Университетском колледже Лондона, навсегда вписав свое имя в историю науки как человек, сделавший невидимое видимым.
