Матвей Бронштейн
Солнечное вещество и другие повести, а также Жизнь и судьба Матвея Бронштейна и Лидии Чуковской (сборник)
Примесь найдена
Физик Рэлей и химик Рамзай заперлись в своих лабораториях и стали порознь решать задачу: как извлечь из «воздушного» азота спрятанную в нем примесь? Они условились не выходить из лабораторий до тех пор, пока неизвестная примесь не будет выделена. А для того чтобы каждый знал, как идут дела у другого, они ежедневно обменивались через посыльного письмами и протоколами опытов.
Рэлей решил попросту повторить опыт Кавендиша, но в гораздо больших размерах. Ему-то это было легко, ведь в его время физики располагали такими электрическими приборами, о которых Кавендиш, за сто лет перед тем, не смел и мечтать. Если к азоту и в самом деле подмешан какой-то неизвестный газ, не соединяющийся с кислородом, то теперь возможно добыть не крошечный пузырек этого газа, как сделал Кавендиш, а по крайней мере несколько кубических сантиметров. И тогда будет нетрудно изучить этот газ, узнать его химические свойства, взвесить его на точных весах.
Рэлей взял стеклянный баллон и впаял в него две проволоки. Внутри баллона между концами проволок оставалось расстояние в несколько сантиметров. Наружные концы проволок торчали из баллона. Рэлей соединил их с высоковольтным трансформатором.
Когда будет включено электрическое напряжение, внутри баллона с кончика одной проволоки на кончик другой, через маленький промежуток в несколько сантиметров, поскачут электрические искры.
Прибор Рэлея
Рэлей накачал в баллон несколько литров азота и кислорода, а потом стал вгонять туда насосом раствор едкого натра. Едкий натр фонтаном врывался в баллон и вытекал из него по особой стеклянной трубочке. В то же время Рэлей включил электрическое напряжение.
Посыпались искры, и под действием этих искр азот стал вступать в химическое соединение с кислородом. Рэлею только этого и надо было: он знал, что, едва лишь азот соединится с кислородом, его можно будет выгнать из баллона с помощью едкого натра. Едкий натр (об этом писал и Кавендиш) поглощает соединение азота с кислородом.
И в самом деле: через несколько часов весь азот, который был в баллоне, соединился с кислородом и ушел прочь из баллона вместе со струей едкого натра.
Азот ушел из баллона, но баллон не совсем опустел. На это указывал манометр – прибор, которым измеряют давление газа на стенки сосуда. Значит, в баллоне остался какой-то газ – очевидно, тот самый подмешанный к азоту газ, который так упорно искали Рэлей и Рамзай.
Этот газ не соединяется с кислородом, не растворяется в едком натре. Потому-то он и остался в баллоне.
Рэлей тщательно просушил и профильтровал новый газ, продувая его через фарфоровую трубку с горячими медными опилками. Горячие медные опилки очистили газ и от того ничтожного количества кислорода, которое все еще в нем оставалось.
Так Рэлей решил свою задачу – выделил неизвестный газ, подмешанный к азоту.
А как решил ту же задачу Рамзай?
Он поступил иначе. В его химической лаборатории не было высоковольтного трансформатора, какой был в лаборатории физика Рэлея. Но Рамзай был опытным химиком. Ему и без трансформатора удалось разлучить азот с неизвестным газом.
Он достал трубочку из тугоплавкого стекла, насыпал в нее кусочки магния и засунул ее в электрическую печку. Когда печка нагрелась, кусочки магния раскалились докрасна.
Тогда Рамзай взял насос и стал гонять взад и вперед по этой трубочке азот, добытый из воздуха.
Раскаленный магний – это ловушка для азота: магний впитывает его в себя. Десять дней подряд гонял Рамзай по трубочке несколько литров азота. Наконец весь азот был поглощен раскаленным магнием.
Но в трубочке остался газ, который ни за что не соглашался соединиться с магнием.
Рэлей и Рамзай шли разными путями, но пришли к одной и той же цели. Неизвестный газ был пойман, выделен, очищен и заперт в стеклянный баллон.
Ленивый газ
Оба ученых сейчас же принялись изучать новооткрытый газ. Наконец-то им удалось взвесить его на весах в чистом виде и узнать, правильна ли догадка Рамзая, что новый газ тяжелее, чем азот.
Да, тяжелее. Почти в полтора раза.
Так было объяснено расхождение в весе между «воздушным» и «аммиачным» азотом.
После этого Рэлей и Рамзай стали проделывать с новым газом всевозможные химические опыты. Они уже знали, что он не соединяется ни с кислородом, ни с магнием, ведь потому-то им и удалось извлечь его из азота.
Но с какими же веществами он соединяется?
Множество разных веществ испытали Рэлей и Рамзай. Они попробовали соединить новый газ с водородом, с хлором, с фтором, с металлами, с углем, с серой. Но все было напрасно: газ упорно отказывался вступать в химическое соединение. Не помогло ни сильное нагревание, ни сжатие, ни электрические искры, ни прикосновение губчатой платины – словом, ни один из многочисленных способов, которые применяют химики, чтобы заставлять вещества соединяться друг с другом. В конце концов Рэлей и Рамзай вынуждены были прийти к заключению, что нет на свете такого вещества, с которым мог бы соединиться открытый ими газ.
Ученые еще никогда не встречали газа, обладающего таким странным свойством. Рэлей и Рамзай придумали для него название «аргон». По-гречески это значит «ленивый».
Победа точности
В августе 1894 года в старинном университетском городке Оксфорде состоялся съезд английских физиков, химиков, естествоиспытателей. На этом съезде Рэлей впервые рассказал о новом открытии. Его доклад вызвал удивление и недоверие. Еще бы! Каждый школьник знает, что воздух состоит из кислорода и азота. Так написано во всех учебниках. А Рэлей и Рамзай решаются утверждать, что в каждом литре воздуха, самого обыкновенного воздуха, того воздуха, которым мы дышим, есть еще девять кубических сантиметров нового, не замеченного химиками газа.
Девять кубических сантиметров на литр – это не так уж мало. «В каждом кубометре воздуха, – утверждал в своем докладе Рэлей, – содержится около пятнадцати граммов аргона. В зале, в котором заседает съезд, по этому расчету должно содержаться несколько пудов[14] аргона».
С удивлением выслушали химики рассказ Рэлея.
Но еще больше удивились они, когда Рэлей заявил, что берется доказать существование аргона при помощи… трубок для курения табака! Рэлей тут же взял восемь таких трубок – восемь прямых коротких трубок из обожженной глины, какие курят англичане, – и соединил их гуттаперчевыми креплениями. Получилась одна прямая и длинная труба. Он вставил ее в стеклянный сосуд, соединенный с воздушным насосом: труба входила в сосуд через отверстие в крышке, а выходила через отверстие в дне.
Все щели прибора Рэлей тщательно залил сургучом.
Потом он принялся гнать по трубе добытый из воздуха азот.
Азот втекал в один конец трубы, а из другого вытекал в газометр[15]. Но вытекал не весь – бо́льшая часть его терялась по дороге. Ведь обожженная глина – это пористый материал со множеством микроскопических трещинок и лазеек. Через эти-то лазейки азот и просачивался наружу в сосуд. А для того чтобы он просачивался еще быстрее, из сосуда все время выкачивали воздух. Лишь ничтожным остаткам азота удавалось пройти через трубу от одного конца до другого и попасть в газометр.
Рэлей взял из газометра кубический сантиметр газа и на глазах у химиков взвесил его. Оказалось, что он был на целых двенадцать – пятнадцать процентов тяжелее, чем кубический сантиметр обыкновенного азота.
И вот Рэлей предложил съезду вопрос: как объяснить этот удивительный опыт? Почему азот, пройдя по глиняной трубке, сделался более тяжелым газом? Неужели же простая глиняная трубка отличается какими-то особыми волшебными свойствами?
Есть только одно объяснение: по глиняной трубке проходил не азот, а смесь азота с каким-то более тяжелым газом. Оба газа терялись по дороге, просачиваясь сквозь глину в стеклянный сосуд. Но терялись они не одинаково: легкий газ просачивался быстрее, а тяжелый медленнее[16]. И вот потому-то в газометре оказалось больше тяжелого газа, чем легкого. Это была уже не смесь азота с аргоном, а почти чистый аргон.
Другого объяснения нет и не может быть. Опыт с восемью курительными трубками наглядно доказал существование нового газа.
Для большей убедительности Рэлей и Рамзай продемонстрировали оксфордскому съезду и чистый аргон, добытый в опыте с электрическими искрами и в опыте с раскаленным магнием. Съезду пришлось поверить в аргон.
Новый газ, не соединяющийся ни с какими другими веществами, получил в августе 1894 года полное признание. Вслед за английскими химиками его признали и химики во всех других странах.
История аргона началась с разницы в числах – 1,2507 и 1,2565. Разница ничтожная: какие-то тысячные доли, третья цифра после запятой. Но эта третья цифра выдала аргон с головой.
Если бы старый Кавендиш обнаружил эту третью цифру после запятой, он понял бы, что значил его крошечный пузырек газа.
Он держал аргон в руках, но аргон остался неоткрытым.
У Кавендиша не было тех чувствительных и тонких приборов, которыми взвешивали тысячные доли грамма Рэлей и Рамзай. У Кавендиша не было точных весов.
Открытие аргона в конце XIX века – это была победа точности, победа третьей цифры после запятой.
Это была победа весов.
Точные весы
С неба на землю
Однажды утром в феврале 1895 года Рамзай получил письмо от лондонского химика Генри Майерса. Майерс писал, что в одном из старых номеров американского геологического журнала была помещена интересная статья, на которую теперь, после открытия аргона, следовало бы обратить внимание.
Автор статьи – геолог Хильдебранд – утверждал, что некоторые очень редкие минералы обладают замечательным свойством. Если их кипятить в серной кислоте, они выделяют какой-то газ, который не поддерживает горения и сам не горит, – по мнению Хильдебранда, азот. Один из минералов, выделяющих такой негорючий газ, – это клевеит. Он был найден в Норвегии знаменитым полярным путешественником Норденшельдом, который обнаружил черные зернышки и прожилки клевеита в некоторых горных породах.
«Быть может, – писал Майерс, – газ, полученный из клевеита, совсем не азот, а новый газ аргон?»
Рамзай сперва не заинтересовался сообщением Майерса. В то время он был занят важным делом – точным измерением плотности и теплоемкости аргона. Он прочел письмо и отложил его в сторону. Но через несколько недель, когда измерения были закончены, он вспомнил о Майерсе, перечел письмо и сразу взялся за дело. Он позвал мальчика, прислуживавшего в лаборатории, и велел ему достать как можно больше клевеита. Мальчик обошел все химические магазины Лондона и к полудню принес Рамзаю один грамм клевеита. Это стоило три шиллинга и шесть пенсов.
Рамзай и его ассистент Мэтьюз приступили к опыту. Они стали прогревать кусочек клевеита в пробирке с серной кислотой и уже к вечеру того же дня извлекли несколько кубических сантиметров газа.
Четыре дня ушло на то, чтобы очистить газ от тех примесей, которые легко соединяются с другими веществами. Примесей было немного – большая часть газа ни с чем не хотела соединяться.
Очищенный от примесей газ Рамзай ввел в стеклянную трубочку для наблюдения спектра.
Стеклянная трубочка с газом для наблюдения спектра
Эта трубочка посередине очень узка, а у концов пошире. С обоих концов в нее впаяны платиновые проволочки. Когда нужно изучить спектр какого-нибудь газа, этим газом наполняют трубочку и запаивают ее. Затем по платиновым проволочкам через трубочку пропускают электрический ток. Под действием тока в самом узком месте трубочки газ начинает ярко светиться, и тогда с помощью спектроскопа можно рассмотреть его спектр.
Рамзай прекрасно знал, какой у аргона спектр. В этом спектре должны ярко светиться оранжевые и зеленые линии.
Но у газа, который вышел из клевеита при нагревании, линии оказались иные: желтая линия и несколько слабых линий других цветов.
В первую минуту Рамзай был готов подумать, что эту желтую линию дает натрий. Уж не попала ли каким-нибудь образом в спектроскопическую трубочку пылинка натрия? Может быть, к платиновым проволочкам пристала какая-то грязь, в которой был натрий? Но ведь спектроскопическую трубочку Рамзай приготовил собственными руками, а у него не было привычки брать для работы грязные платиновые проволочки. А может быть, дело тут не в посторонней примеси, а в самом спектроскопе? Может быть, желтая линия, которую увидел Рамзай в спектре, была не настоящей линией, а «привидением»? (Спектроскописты называют «привидениями» и «духами» те линии, которые появляются в спектре из-за неисправности спектроскопа.)
Рамзай разобрал свой спектроскоп, протер замшевой тряпочкой призму, проверил щель. Все было в полном порядке. И все-таки, когда он вновь собрал спектроскоп, желтая линия загорелась на прежнем месте. Она не хотела уходить. Она не была «привидением».
Как же, в конце концов, проверить – совпадает ли эта желтая линия с желтой линией натрия?
Рамзай нарочно ввел в трубочку немножко натрия, снова запаял ее и принялся рассматривать спектр.
Прежняя желтая линия осталась на месте, но рядом с ней появилась другая, на этот раз настоящая линия натрия.
Теперь уж больше не оставалось ни малейших сомнений в том, что первая желтая линия принадлежит не натрию, а какому-то другому веществу. Но какому же?
Рамзай перебрал в памяти спектры всех известных ему веществ. Ничего подходящего он не мог припомнить. Наконец, после долгих размышлений, он вспомнил о той желтой линии D3, которую открыли Жансен и Локьер тридцать лет назад. По своему расположению в спектре она как будто совпадает с загадочной желтой линией, которую нашел Рамзай. А если это так, то газ, выходящий из клевеита, – не азот, не аргон, а солнечный газ гелий.
У Рамзая не было приборов, чтобы точно определять положение линий в спектре. Поэтому он послал спектроскопическую трубочку с новым газом лондонскому физику Уильяму Круксу – одному из лучших тогдашних специалистов по спектроскопии. Осторожный в своих научных выводах, Рамзай утаил от Крукса свое предположение, что найденный им газ – это гелий. Он написал только, что нашел какой-то новый газ, который предлагает назвать «криптоном», и просит Крукса тщательно определить положение всех линий в спектре нового газа.
Крукс пропустил через криптон электрический ток. И вот в спектроскопе вспыхнула та самая желтая линия гелия, которую Жансен и Локьер нашли в спектре солнечных выступов.
Значит, в присланной от Рамзая трубочке находится то самое таинственное вещество, которого не держал в руках ни один человек на Земле.
Крукс послал Рамзаю городскую телеграмму. В ней было всего несколько слов:
CRYPTON IS HELIUM. COME AND SEE IT. CROOKES
По-русски это означает: «Криптон – это гелий. Приезжайте – увидите. Крукс».
Так был найден на Земле гелий, найденный на Солнце за двадцать семь лет перед тем.
Рамзай немедленно приехал в лабораторию Крукса, и они вместе занялись подробным изучением спектра гелия. Кроме желтой линии D3, они обнаружили в спектре гелия еще пять линий: две красные, одну зеленую, одну синюю и одну фиолетовую. Эти линии не были замечены астрономами потому, что в спектре солнечных выступов они горят недостаточно ярко. Гелий, найденный на Земле, дал ученым возможность полнее и подробнее рассмотреть его спектр.
После измерений Крукса уже нельзя было сомневаться в том, что найденный Рамзаем газ есть действительно гелий[17].
В тот же день – 23 марта 1895 года – Рамзай решился опубликовать свое открытие. Он послал короткое сообщение Лондонскому королевскому обществу (так называется высшее научное учреждение в Англии) и одновременно написал письмо известному французскому химику академику Бертло с просьбой сообщить Парижской академии наук об открытии гелия на Земле.
В истории открытий бывают странные совпадения.
Через две недели после Рамзая другой химик, швед Лангле, тоже добыл гелий, тоже из клевеита, и сообщил о своем открытии тому же академику Бертло. Письмо его было помечено 8 апреля 1895 года.
Новая задача
Как только Рамзай добыл из клевеита гелий, он сейчас же стал проделывать с ним разнообразные опыты. Ведь он был первый химик на свете, которому посчастливилось держать в руках солнечное вещество.
Гелий, открытый на Солнце, нельзя было взвешивать. Астрономы только догадывались, что это один из легчайших газов. Рамзай впервые взвесил гелий. Он убедился, что астрономы были правы: гелий и в самом деле оказался очень легким газом. Изо всех газов один только водород легче гелия, а все другие тяжелее. Воздух тяжелее гелия почти в семь раз.
Потом Рамзай решил испытать, может ли гелий химически соединяться с другими веществами.
Он перепробовал множество веществ, но ни с одним из них гелий не захотел соединяться.
Значит, гелий тоже ленивый газ, как и аргон.
А если так, то не поискать ли его в воздухе? Ведь газ, который не желает соединяться с другими веществами, непременно уйдет в воздух. Даже если он находится в недрах земли, в горных породах, то и тогда проберется он в атмосферу по трещинкам и порам.
Как же узнать, есть ли в атмосфере гелий? Как добыть гелий не из редкого минерала клевеита, а из самого обыкновенного воздуха?
Если правда, что гелий растворен в воздухе, то есть только один способ извлечь его оттуда.
Нужно удалить из воздуха все другие газы – убрать кислород, убрать азот, убрать аргон. То, что останется, – это, верно, и будет гелий.
Но как же это сделать? Как удалить из воздуха кислород, азот и аргон?
Кислород удалить нетрудно. Рамзай знал, что раскаленная медь поглощает кислород, присоединяет его к себе. Батарея фарфоровых трубок, наполненных раскаленными медными опилками, – вот прибор для удаления кислорода из воздуха. Насосы гонят воздух по трубкам – из одной в другую, – и по дороге кислород застревает в раскаленных опилках. И вот из батареи в закрытый сосуд, в газометр, течет уже не воздух, а воздух минус кислород, воздух, освобожденный от кислорода.
После кислорода легко убрать и азот. Тут уж не медь нужна, а другой металл – магний. Нужно взять такие же фарфоровые трубки, но наполнить их не раскаленной медью, а раскаленным магнием. Из второй батареи в газометр будет вытекать не воздух, а воздух минус кислород и минус азот.
Ну а как быть с аргоном? Ведь аргон – ленивый газ: он не соединится ни с магнием, ни с медью. Нет такого раскаленного металла, который мог бы впитать в себя аргон. Он пройдет через обе батареи и не застрянет в пути.
И гелий тоже ленив, он тоже не застрянет в раскаленных опилках. Вместе с аргоном он проскочит через обе батареи.
Как же отделить гелий от аргона? Как из смеси аргона с гелием добыть чистый гелий?
Рамзай долго ломал себе голову над этой задачей. Если бы можно было найти такое вещество, которое соединяется с аргоном, но не с гелием, – тогда задача была бы решена. Аргон застрял бы в этом веществе, как раньше застряли кислород и азот, и в газометре остался бы чистый гелий.
Но ведь в том-то и беда, что такого вещества в природе нет. Ни одно вещество не соединяется с ленивым газом аргоном.
Значит, аргон нельзя удалить тем же способом, каким были удалены кислород и азот.
Задача казалась неразрешимой.
Ключ к решению
Только после долгого раздумья Рамзай понял, что ему делать. Он вспомнил, как поступают химики, когда из смеси спирта с водой нужно добыть чистый спирт.
Спирт испаряется быстрее, чем вода. Этим-то и пользуются химики. Они нагревают смесь. Первые порции пара, поднимающиеся над жидкостью, – это пары чистого спирта. Следующие порции – это смесь паров воды и паров спирта. А последним идет уже чистый водяной пар.
С первыми порциями пара дела немного. Стоит охладить этот пар – и он сразу превратится в чистый спирт.
А вот со следующими порциями, со смесью паров, возни больше. Их тоже собирают, тоже охлаждают, но в холодильник теперь уже течет не чистый спирт, а смесь воды и спирта. Эту смесь снова пускают в перегонный аппарат, снова нагревают, и вот опять поднимаются пары – сперва пары чистого спирта, а за ними и смесь, которую еще раз пускают в перегонку. И вся эта история повторяется до тех пор, пока не удается окончательно разлучить воду со спиртом.
Этот хлопотливый, но верный способ отделения одной жидкости от другой называется у химиков дробной перегонкой.
На этот раз Рамзай решил отделить дробной перегонкой гелий от аргона.
Но разве это возможно? Ведь дробной перегонкой химики разлучают жидкости, а гелий и аргон – газы.
Рамзай доказал, что это возможно. Нужно только превратить воздух в жидкость, а потом дать ему испариться. При перегонке составные части воздуха будут уходить из него не все сразу, а по очереди: сперва уйдет та, которая легче всего испаряется, а за ней и другие, которые испаряются медленнее.
Так дробная перегонка поможет отделить гелий от аргона.
Значит, остановка только за тем, чтобы сделать воздух жидким.
Для этого нужен очень большой холод: при ста девяноста двух градусах ниже нуля воздух превращается в жидкость.
Нигде на Земле такого мороза не бывает. Но люди научились создавать его сами. Мороз в сто девяносто два градуса производят особые холодильные машины.
Почти в каждой хорошо оборудованной лаборатории вы найдете в наше время холодильную машину. Но в те времена, когда Рамзай занимался поисками гелия в воздухе, в целом мире существовали всего лишь три-четыре лаборатории, в которых сложными и громоздкими способами добывался жидкий воздух.
Рамзай был в большом затруднении. Для задуманной работы требовалось много жидкого воздуха. А он был редкостью.
Но тут Рамзаю неожиданно повезло. На его счастье, как раз в ту пору, когда жидкий воздух был ему необходим, а достать его было негде, – в эти самые дни, как будто нарочно для него, изобрели холодильную машину, такую простую и удобную, что ее можно было завести в каждой лаборатории.
Два человека изобрели ее в одно и то же время. Они жили в разных странах и работали порознь. Но изобретенные ими машины устроены совершенно одинаково.
