Матвей Бронштейн
Солнечное вещество и другие повести, а также Жизнь и судьба Матвея Бронштейна и Лидии Чуковской (сборник)
Изготовление холода
Если воздух сильно сжать, а затем дать ему быстро расшириться, он сразу охладится. На этом физическом законе и основано устройство холодильной машины.
В машину подают воздух. Мощные насосы сжимают его в узкой трубе, а затем выгоняют в просторную камеру. Тут он сразу расширяется и становится холоднее. Этим охлажденным воздухом охлаждают новую порцию сжатого воздуха, поступившую в машину. А расширившись, она становится еще холоднее. Второй порцией охлаждают третью, третьей четвертую, и наконец в машине наступает мороз в сто девяносто два градуса. Воздух так охлажден, что превратился в жидкость.
Машина для превращения воздуха в жидкость
Сжатый воздух втекает в машину по внутренней трубке, обозначенной на рисунке штрихом. Попав в камеру, воздух расширяется, делается холоднее и возвращается по наружной трубе. Поднимаясь по наружной трубе, он охлаждает новую порцию сжатого воздуха, которая в это время опускается в камеру по внутренней трубке. В конце концов воздух превращается в жидкость и каплями стекает в камеру. Открыв кран, можно выпустить из машины жидкий воздух, как кипяток из самовара.
Теперь вся задача в том, чтоб он остался жидкостью, а не испарился вновь. Нужно защитить его от наружного тепла. Недостаточно держать его в обыкновенном леднике. Для него и ледник – баня. Он будет кипеть на льду, как на горячих угольях, кипеть самым настоящим образом – булькать, шипеть, плеваться и уходить паром в воздух. Выставьте его на пятидесяти-, шестидесяти-, восьмидесятиградусный мороз, отвезите его на Северный полюс – он и там выкипит в одну минуту. Как же держать его в лаборатории, в комнатном тепле?
Есть такой стеклянный сосуд с двойными посеребренными стенками. Между внутренней и наружной стенкой – пустота: оттуда выкачан воздух. Пустота – это лучшая преграда для тепла. Тепло почти не проникает внутрь сосуда, и жидкий воздух часами остается у нас в плену.
Такие сосуды называются дьюарами. Их изобрел английский физик Дьюар.
Сосуды Дьюара
Дьюар сам приготовлял у себя в лаборатории жидкий воздух, но его способ превращения воздуха в жидкость был сложен и труден, а к тому же изобретатель хранил его в секрете.
Практичные и доступные холодильные машины были изобретены другими учеными – немцем Линде и англичанином Хэмпсоном.
Хэмпсон жил в том же городе, что и Рамзай, – в Лондоне. Он знал, что Рамзаю нужен жидкий воздух.
Первые сто кубических сантиметров, добытых новой холодильной машиной, Хэмпсон налил в дьюар и послал Рамзаю.
Нечаянная находка
Молодые химики, работавшие в лаборатории Рамзая, оставили свои склянки, тигли и весы и побежали взглянуть на невиданное вещество – жидкий воздух. Каждому хотелось посмотреть, как будет Рамзай извлекать из жидкого воздуха гелий.
Но, прежде чем заняться поисками гелия, Рамзай показал своим ученикам несколько удивительных опытов.
Он опустил в жидкий воздух резиновый мячик, а потом вынул его и бросил об пол. Мячик не подпрыгнул, а разлетелся вдребезги: резина при температуре жидкого воздуха потеряла свою упругость и сделалась хрупкой, как стекло. Потом Рамзай опустил в жидкий воздух флакончик с ртутью. Ртуть сейчас же замерзла и стала крепче железа. Тут же, на глазах у своих учеников, Рамзай сделал из замерзшей ртути молоток и вбил им в стенку гвоздь. Потом он погрузил в жидкий воздух кусок хлеба, а через минуту вынул его оттуда и приказал завесить все окна в лаборатории плотными шторами. В комнате стало темно, и все увидели, что обыкновенный белый хлеб, побывавший в жидком воздухе, светится голубым сиянием.
Много еще других опытов проделал Рамзай. Все знакомые вещи чудесно менялись, погружаясь в кипящую без огня жидкость. Молодые химики стояли вокруг и следили за каждым движением Рамзая. Одно только было им непонятно: почему он все откладывает поиски гелия и тратит время на фокусы? А между тем драгоценная жидкость испаряется в открытом сосуде, и с каждой минутой ее становится все меньше и меньше.
Еще сильнее удивились химики, когда Рамзай, прекратив свои опыты, оставил дьюар на столе и спокойно отправился обедать.
Вернулся он только через полтора часа. В дьюаре кипели ничтожные остатки жидкого воздуха – несколько кубических сантиметров. Но Рамзая это нисколько не смутило. Он с умыслом оттягивал время. «Гелий, – думал он, – как и большинство газов, по всей вероятности, улетучивается медленнее, чем кислород и азот. Поэтому пусть жидкий воздух испаряется: из него уйдет почти весь кислород с азотом, а гелий во всяком случае останется в дьюаре».
Когда жидкого воздуха осталось немного, всего только два-три кубических сантиметра, Рамзай перелил его в закрытый сосуд – газометр, – чтобы пар, богатый гелием, не растекался больше по комнате. В газометре жидкость продолжала кипеть, но пары оставались взаперти.
Рамзай полагал, что в этих-то парах и содержится гелий.
Чтобы окончательно очистить пары от кислорода и азота, Рамзай стал продувать их через батарею фарфоровых трубок – сперва с раскаленной медью, а потом с раскаленным магнием. В первой батарее газ начисто избавился от кислорода, а во второй – от азота.
Наконец-то у Рамзая было несколько пузырьков газа, проскочившего через обе батареи. Он ввел их в спектроскопическую трубочку и включил электрический ток.
Запертые в трубочке газы засветились, и Рамзай начал изучать их спектр.
Он увидел спектральные линии аргона – оранжевые и зеленые. Они горели точь-в-точь на тех местах, где Рамзай привык их видеть в аргоновом спектре. Но линий гелия в спектре не было.
Видно, гелий улетучился прежде, чем жидкий воздух был перелит из дьюара в газометр.
Значит, Рамзай ошибся в своих расчетах. Одно из двух: либо гелия в воздухе нет, либо он испаряется с той же быстротой, что кислород и азот, а может, еще быстрее.
Но Рамзаю не пришлось жалеть о своей ошибке. Внимательно рассмотрев спектр, он обнаружил в нем, кроме линий аргона, еще какие-то две яркие спектральные линии, которых он никогда прежде не видал, – одну желтую, другую зеленую. Ни та ни другая не совпадала со спектральными линиями известных раньше веществ. Значит, вместе с аргоном в спектроскопической трубочке оказался какой-то новый газ.
Рамзай решил назвать этот газ криптоном. «Криптон» по-гречески значит «скрытый». Когда-то Рамзай собирался назвать криптоном гелий, но, так как у гелия уже было имя, которое дал ему астроном Локьер, имя «криптон» пригодилось для нового газа.
Криптона в воздухе очень мало, но он улетучивался из дьюара медленно – гораздо медленнее, чем кислород и азот. Вот потому-то последние остатки жидкого воздуха, перелитые в газометр, оказались богатыми криптоном. И чувствительный спектроскоп явственно обнаружил рядом с зелеными и оранжевыми линиями аргона желтую и зеленую линию криптона.
Так Рамзай искал в воздухе гелий, а нашел криптон.
Гелий открыт в третий раз
Через два дня Хэмпсон снова прислал Рамзаю жидкий воздух, на этот раз уже несколько литров. Рамзай решил возобновить охоту за гелием. Неудача прежней попытки не смущала его. Теперь он уже знал, как поступить. Гелий – если только в воздухе он есть – испаряется быстрее, чем кислород, азот и аргон. Значит, нужно искать его не в последних остатках испаряющегося жидкого воздуха или жидкого аргона, а в первых пузырьках уходящего пара.
Рамзай взял пятнадцать литров аргона, запер их в стеклянный баллон, а баллон погрузил в полученный от Хэмпсона жидкий воздух. Аргон сильно охладился и тоже стал жидким.
Прибор Рамзая для сжижения аргона
В газометре С находится ртуть, а над нею аргон. Если открыть кран, аргон потечет по трубке в стеклянный шар А, погруженный в дьюар с жидким воздухом. Трубка В устроена для того, чтобы жидкий воздух, испаряясь и превращаясь в газообразный, свободно уходил в атмосферу. (Если бы трубки В не было, то при испарении жидкого воздуха давление в дьюаре возрастало бы непрестанно – и в конце концов дьюар разорвался бы на куски.)
Тогда Рамзай принялся медленно выпаривать его. Первые пузырьки пара он перевел в спектроскопическую трубочку и пропустил через нее ток.
Газ в трубочке загорелся оранжево-красным огнем.
Когда Рамзай стал смотреть в спектроскоп, он увидел множество ярких оранжевых линий. Эти линии лежали в спектре на тех местах, где не горят линии ни одного из веществ, известных химикам раньше. Значит, Рамзаю опять удалось найти какой-то до той поры неведомый газ.
Рамзай сразу же придумал для нового газа имя. Он решил назвать его неоном. «Неон» по-гречески значит «новый».
Но в спектре были не только незнакомые линии нового газа неона. Рядом с ними горела и желтая линия. Она была тусклой, но все же Рамзай ее заметил. Он точно измерил ее положение в спектре.
Сомнений у него больше не оставалось. Это была желтая линия D3, спектральная линия гелия.
Значит, все-таки Рамзай оказался прав. Гелий – таинственный солнечный газ – на самом деле содержится в воздухе. Вместе с воздухом он окружает нас со всех сторон и входит в наши легкие.
Через несколько лет Рамзаю как-то пришлось читать публичную лекцию. Излагая историю своего открытия, он сказал:
– Поиски гелия напоминают мне поиски очков, которые старый профессор ищет на ковре, на столе, под газетами и находит наконец у себя на носу. Гелий очень долго искали. А он был в воздухе!
Компания лентяев
Целых три года изучал Рамзай новооткрытые газы. Помощник Рамзая, Трэверс, построил машину, способную производить еще больший холод, чем машина Хэмпсона. Хэмпсон добился мороза в сто девяносто два градуса, а в машине, построенной Трэверсом, стоял двухсотпятидесятитрехградусный мороз. У Хэмпсона в жидкость превращался воздух, а у Трэверса не только воздух, но и водород. Аргон у Хэмпсона был жидким, как вода, а у Трэверса он замерзал и становился твердым, как лед.
Рамзай и Трэверс стали выпаривать твердый аргон и собирать первые порции пара отдельно от последующих.
Первым всегда уходил гелий. А когда мороз делался слабее, начинал улетучиваться и неон. За ним испарялись аргон и криптон. А в самых последних пузырьках пара Рамзай и Трэверс отыскали еще один неизвестный газ. Его они назвали ксеноном. По-гречески это значит «чуждый».
Каждый новый газ они очищали и взвешивали на точных весах.
Наконец работа была закончена.
Когда-то, до Рэлея и Рамзая, ученые были уверены, что воздух состоит только из кислорода и азота. Потом был открыт аргон. А Рамзай и Трэверс доказали, что к каждому литру воздуха подмешано кроме аргона восемнадцать кубических миллиметров неона, пять кубических миллиметров гелия, один кубический миллиметр криптона, одна десятая кубического миллиметра ксенона.
Добыв из воздуха эти газы, Рамзай принялся проделывать с ними всевозможные опыты. Он хотел узнать, вступают ли они в какие-нибудь химические соединения.
Оказалось, что не вступают. Не только аргон и гелий, но и неон, криптон и ксенон не захотели соединяться ни с одним веществом.
Гелий, аргон, неон, криптон, ксенон – все они оказались инертными, ленивыми, газами. Целая компания лентяев! И всех их Рамзай выделил из воздуха, очистил и изучил. Он изучил их спектры, измерил их плотности, температуры замерзания и кипения[18].
Первое время эти ленивые газы были большой редкостью в лабораториях. Очень немногие химики могли похвастаться тем, что держали в руках хотя бы крохотный пузырек неона или гелия. А криптон и ксенон еще и в наше время редко можно найти в химической лаборатории, несмотря на то что после их открытия прошло уже немало лет. И это понятно: на литр воздуха приходится криптона всего только один кубический миллиметр, а ксенона еще того меньше. И добыть их из воздуха очень трудно.
Только аргон и неон давно перестали быть редкостью. Их добывают из воздуха на химических заводах. В Москве на заводе «Сжатый газ» есть машина, выпускающая две с половиной тысячи литров аргона в час.
Скоро станут добывать на заводах и криптон и ксенон. В 1934 году Парижская академия наук напечатала статью французского химика Клода. Клод пишет, что его ассистент Гомонэ построил машину для добывания криптона и ксенона. В свою машину он наливает жидкий воздух. Сквозь этот жидкий воздух насосы гонят струю обыкновенного – газообразного – воздуха. Из этой струи капельками выпадают криптон и ксенон и оседают в жидком воздухе. Чем дольше работает машина, тем богаче криптоном и ксеноном становится жидкость. Машина Гомонэ извлекает из воздуха пол-литра криптона в час. Это не очень много. Но Клод и Гомонэ уже начали строить машину, которая будет добывать каждый час сто литров криптона и десять литров ксенона[19].
А для чего нужны эти ленивые газы? Стоит ли их добывать?
Стоит. Они нужны электротехникам. Электротехники наполняют ими электрические лампочки. Лампочка накаливания, наполненная аргоном или неоном, горит ярче обыкновенной, дольше служит и расходует меньше энергии. А если ее наполнить криптоном или ксеноном, то она будет еще ярче, еще долговечней. Обыкновенная лампочка, рассчитанная на сто десять вольт, мгновенно перегорает, если пустить в нее ток с напряжением двести вольт. А лампочка, наполненная криптоном, выдерживает такую перегрузку много часов и не портится.
Всем, кто бывал в большом городе, случалось видеть электрическую рекламу. В окнах больших магазинов, на вывесках кинематографов горят узоры и надписи, составленные из стеклянных светящихся трубок.
Знаете ли вы, что светится в этих трубках? Трубка, горящая синим светом, наполнена разреженным аргоном; трубка, дающая красновато-оранжевый свет, – неоном.
Это те самые газы, которые добыл из воздуха профессор Рамзай. Светятся они потому, что через них проходит электрический ток.
Вглядитесь в трубку, наполненную неоном, когда она светится. Многие говорят, что этот свет неприятен, что он режет глаза. Но у него есть чудесное свойство: он далеко виден даже в тумане.
В лондонском предместье Кройдон стоит маяк для самолетов и дирижаблей. Это железная башня, на которой укреплены шестнадцать стеклянных трубок. Каждая трубка длиной в шесть метров. Все они наполнены неоном.
В туманные ночи, когда не видно ни луны, ни звезд, ярко светятся неоновые трубки, указывая дорогу воздушным кораблям.
Поиски во всех направлениях
Солнечный газ гелий был найден трижды: сначала в солнечных выступах, потом в клевеите и наконец – вместе с другими ленивыми газами – в воздухе. Но ученые на этом не остановились.
Если ленивые газы растворены в воздухе, то почему бы им не быть растворенными также и в воде? Химики принялись искать ленивые газы и в дождевой воде, и в речной, и в морской, и в ключевой, и в водопроводной. И действительно они их там обнаружили, но в ничтожном количестве: вода содержит еще меньше ленивых газов, чем воздух. Одно только нашлось исключение – минеральная вода. В некоторых минеральных источниках было обнаружено довольно много гелия. Немецкий физик Кайзер нашел гелий в воде одного источника в горах Шварцвальда, Рамзай отыскал гелий в целебном источнике Котре в Пиренейских горах, а Рэлей – в водах, бьющих из-под земли в известном английском курорте Бат.
Нет такого вещества, в котором химики не искали бы гелия, аргона и других ленивых газов. Они исследовали и вулканическую лаву, и всевозможные руды, и падающие с неба метеориты. Одному химику даже пришла в голову мысль поискать эти газы в растениях и животных. Он растолок горох и подверг исследованию его химический состав, чтобы узнать, нет ли в горохе гелия. Потом он захлороформировал двух мышей, а когда они умерли – высушил их тела в электрической печке, тоже растолок и занялся изучением порошка: нет ли в мышах гелия?
Но самый тщательный химический анализ не мог обнаружить в мышах ни гелия, ни аргона[20].
А вот во многих минералах действительно удалось найти гелий. Гелий давно уже был найден в клевеите – почему бы не поискать его и в других минералах? Рамзай и Трэверс принялись за работу. И вскоре гелий был найден в уранините, фергусоните, самарските, колумбите, монаците.
Но больше всего гелия оказалось в одном минерале, который добывают на острове Цейлон[21]. Называется этот минерал «торианит». Если килограмм торианита раскалить докрасна, то он отдаст около десяти литров гелия.
Много минералов изучил Рамзай, ища в них гелий. Из своих наблюдений он вывел странное правило: гелий всегда оказывается в тех минералах, которые содержат металлы уран и торий. Если в состав минерала входит металл уран или металл торий, то в нем наверняка можно рассчитывать найти и гелий. А если в минерале нет ни урана, ни тория, то из него не удастся выжать ни одного пузырька гелия.
Долго думал Рамзай о том, что бы это могло означать. Гелий не соединяется ни с ураном, ни с торием, ведь он ленивый газ. Так почему же он всегда встречается там, где встречаются уран и торий? Что общего у него с ними?
Но как Рамзай ни старался, как ни ломал себе голову, ему не удалось разрешить эту загадку.
Загадку разрешили другие – физик Резерфорд и химик Содди.
Невидимые лучи
Металл уран был известен химикам давно – еще с XVIII века. Химики изучили и чистый уран, и разнообразнейшие соединения урана с другими веществами. Но никому из них не приходило в голову, что в уране есть что-то необыкновенное. И в самом деле, на первый взгляд ничего необыкновенного в уране нет. По виду он похож на серебро, по тяжести на платину, а химические свойства у него почти такие же, как у металла вольфрама. Химики были твердо убеждены, что уран – заурядный металл, металл, каких много.
Но в марте 1896 года парижский химик Беккерель[22] неожиданно обнаружил, что этот заурядный металл имеет странное свойство: он испускает лучи. Прошло несколько месяцев, и другой химик, Шмидт, заметил, что такие же лучи испускает другой металл – торий. Потом в Париже двое ученых – Пьер Кюри и его жена Мария Кюри – открыли в урановой руде примесь третьего металла, испускающего лучи, – металла радия. А в Канаде, в городе Монреаль, два молодых человека – физик Резерфорд и химик Содди – нашли еще одно вещество, испускающее лучи. На этот раз вещество оказалось не металлом, а газом. В металле радии были обнаружены крохотные пузырьки нового газа, испускающего лучи. Резерфорд и Содди собрали пузырьки и изучили их. Оказалось, что это ленивый газ, такой же, как аргон, гелий, неон, криптон, ксенон. Резерфорд и Содди дали новому ленивому газу имя «нитон». По-гречески это значит «сияющий»[23].
Эрнест Резерфорд
Фредерик Содди
Уран, торий, радий, нитон – четыре вещества, испускающие лучи. Из них первые два – уран и торий – были известны уже целое столетие. Почему же так долго никто не замечал, что они испускают лучи? Почему это было открыто только в конце XIX века?
Да потому, что эти лучи – невидимые.
Раскаленный уголь, раскаленное железо, расплавленная платина испускают лучи, которые можно увидеть глазами. А торий, уран, радий, нитон испускают лучи, которые увидеть невозможно.
А если так, то каким же образом физики все-таки заметили эти лучи?
Фотография, снятая лучами радия
Фредерик Содди сделал такой опыт: он взял стеклянную трубочку, в которой было немного радия, и фотографическую пластинку, запертую в кассету, в которую не проникает ни один луч света. Содди стал водить трубочкой, как карандашом, по кассете. Лучи, испускаемые радием, прошли через кассету, и на пластинке отпечатались те самые слова – Radium writing («писание радием»), – которые Содди вывел на кассете своей трубочкой. После этого Содди проявил пластинку, отфиксировал ее и приготовил позитив.
Лучей урана, тория, нитона, радия не видит человеческий глаз. Но их видит фотографическая пластинка. Пластинка чернеет, когда на нее падают невидимые лучи.
Но есть и еще способ заметить их безо всякой фотографической пластинки. Существует такое вещество: сернистый цинк. Когда на сернистый цинк падают невидимые лучи, он начинает светиться.
Английский физик Крукс, тот самый Крукс, который когда-то телеграфировал Рамзаю, что «криптон – это гелий», захотел узнать, что происходит с сернистым цинком, когда на него падают невидимые лучи.
Он взял маленький медный стаканчик. Дно стаканчика он обмазал сернистым цинком. А внутри на высоте нескольких миллиметров над дном он прикрепил к стенке иголочку. На острие иголочки была насажена крохотная, невидимая пылинка радия. Потом он пошел в темную комнату и принялся смотреть на дно стаканчика сквозь увеличительное стекло.
Прибор Крукса для наблюдения вспышек на сернистом цинке и его схема (А – пылинка радия на кончике иглы, В – сернистый цинк, С – лупа)
Сперва он не видел ничего, но потом, когда его глаза привыкли к темноте, он обнаружил удивительное явление.
На дне стаканчика вспыхивали искорки. Вспыхивали и сейчас же угасали. Искорок было много. Они загорались то здесь, то там. Все дно стаканчика было усыпано ими – совсем как уголок ночного неба, густо усыпанный звездами. С одной только разницей. На глазах у астронома звезды не гаснут. Не одна сотня тысячелетий пройдет перед тем, как изменится привычный рисунок созвездий, распадется Большая Медведица, распустится Пояс Ориона. А звездочки, которые видел Крукс, загорались и гасли каждое мгновение. Каждое мгновение распадались одни созвездия и вспыхивали другие.
Это светился сернистый цинк, на который падали невидимые лучи, испускаемые радием.
Глядя на вспышки, Крукс сделал важный вывод о природе таинственных лучей. Если бы радий испускал свои лучи непрерывно, как солнце испускает свои, то дно стаканчика светилось бы равномерным блеском. Но на поверхности сернистого цинка появлялись только отдельные вспышки, а потом они исчезали – и вместо них появлялись новые. Значит, радий испускает свои лучи не сплошным потоком, а отдельными взрывами, отдельными комочками, отдельными частичками.
Лучи, испускаемые радием, – это поток каких-то частиц, которые вылетают из него, как пули из пулемета. И то, что видел Крукс, – это была бомбардировка сернистого цинка таинственными микроскопическими снарядами, которые вылетали из крошечной пылинки радия на кончике иглы.
