Матвей Бронштейн
Солнечное вещество (сборник)
Пепел, гранит и молоко
Кирхгоф и Бунзен нашли ключ к разгадке химического состава любого пламени, любого светящегося газа. Не нужно химического анализа, чтобы узнать, есть ли в пламени натрий. Если вы увидите его желтую линию в том месте спектра, где ей полагается быть, вы сразу обнаружите натрий. Если в спектре у вас две красные и одна фиолетовая линия, вы можете быть уверены, что в пламени есть калий. А если в спектре окажется красная линия, зелено-голубая и синяя, то, значит, в пламени есть водород.
Поставьте на пути лучей спектроскоп – и линии спектра безошибочно расскажут вам о химическом составе тела, испускающего лучи.
Такой способ угадывать химический состав по линиям спектра был назван спектральным анализом.
Бунзен стал исследовать множество разных веществ. Всё, что попадалось ему под руку, он тащил к спектроскопу. Он вносил в пламя горелки и каплю морской воды, и каплю молока, и пепел сигары, и кусочки всевозможных минералов. В спектре пепла гаванской сигары он увидел желтую линию натрия и красные линии лития и калия; в спектре кусочка мела он увидел линии натрия, лития, калия, кальция, стронция. Множество разных веществ исследовал таким образом Бунзен, раскаляя их в жарком пламени горелки и наблюдая спектр раскаленных паров.
Новый способ распознавать химический состав оказался необычайно чувствительным и точным. Бунзен находил спектральные линии редкого металла лития в тех веществах, в которых лития так мало, что никаким другим способом его обнаружить невозможно. Литий был найден спектроскопом и в морской воде, и в золе водорослей, прибитых Гольфштремом[4] к берегам Шотландии, и в ключевой воде, которую Бунзен взял из источника, бьющего из гранитной скалы в окрестностях Гейдельберга, и в кусках гранита, отколотого от той же скалы, и в листьях винограда, выросшего на скале, и в молоке коровы, которая ела эти листья, и в крови людей, которые пили это молоко.
Но газовая горелка и спектроскоп помогли химику Бунзену сделать еще более важное открытие: с их помощью он обнаружил два новых металла, о существовании которых никто и не подозревал. В спектре саксонского минерала лепидолита и в спектре рассола, полученного при выпаривании дюркхеймской минеральной воды, он увидел спектральные линии, которые не совпадали с линиями знакомых химикам веществ. Бунзен понял, что и в лепидолите, и в дюркхеймской минеральной воде скрыты какие-то, еще не известные, вещества.
И в самом деле, вскоре Бунзену удалось извлечь из минерала лепидолита новый металл, который он назвал рубидием, а из дюркхеймской воды другой новый металл, которому он дал имя цезий.
Открытие рубидия и цезия было первой большой победой спектрального анализа.
Звезды в лаборатории
Шел год за годом. Физики и химики изучали всё новые и новые спектры: спектры раскаленных паров разных солей, спектры раскаленных и расплавленных металлов, спектры разреженных газов, которые светятся, когда по ним проходит электрический ток, спектр электрической искры, спектр лучей, испускаемых раскаленной известью и прошедших сквозь окрашенные стекла, сквозь цветные жидкости, газы и пары.
Спектроскоп, когда-то построенный Кирхгофом из сигарной коробки, стеклянного клина и обломков подзорной трубы, стал родоначальником многих других спектроскопов, более удобных для работы и более точных.
Сам Кирхгоф много потрудился над тем, чтобы усовершенствовать свое изобретение. Вскоре спектроскопы стали изготовляться на оптических фабриках. В каждой лаборатории появился спектроскоп. Немецкие оптические фирмы сконструировали дорогие и сложно устроенные спектральные приборы для точных измерений. Лондонская фирма Браунинг выпустила в продажу дешевые карманные спектроскопы.
Усовершенствованный спектроскоп с четырьмя призмами
Переходя из призмы в призму, веер лучей разворачивается все шире и шире.
Спектроскоп пригодился и физикам, и химикам, и инженерам. Пригодился он даже сыщикам. Увидев на полу или на одежде подозрительное темное пятно, похожее на засохшую кровь, сыщик смывает пятно спиртом. А по спектру лучей, прошедших через спирт, в лаборатории могут сразу сказать, растворена ли в нем кровь.
Но гораздо больше, чем сыщикам, пригодился спектроскоп людям, которые изучают самые далекие светящиеся тела – планеты и звезды. До изобретения спектроскопа никто и мечтать не смел о том, что когда-нибудь нам станет известно, из чего состоят звезды, планеты и Солнце. Никто не знал, входят ли в состав небесных светил те же самые вещества, которые мы встречаем и у себя на Земле, или же небесные светила состоят из каких-то особенных, небесных веществ.
Только открытие Кирхгофа и Бунзена помогло людям затащить звезды в лабораторию, создать новую науку – небесную химию, химию небесных светил.
Астрономы всего мира с жадностью ухватились за спектральный анализ и стали применять его в самых разнообразных исследованиях. Здесь не хватит места рассказать обо всех тех удивительных вещах, которые были открыты с помощью спектрального анализа.
Только об одном открытии я расскажу здесь – о том открытии, с которого начинается необычайная история вещества, найденного на Солнце.
Спектроскоп исследует Солнце
Во время полного солнечного затмения, когда все Солнце закрыто от нас Луной, из-за черного диска Луны внезапно вырываются красные язычки пламени. Язычки кажутся нам маленькими, а на самом деле они во много раз длиннее диаметра нашей Земли.
Это извержения и взрывы на огненной поверхности Солнца.
Такие взрывы бывают на Солнце каждый день и по многу раз в день. Но простым глазом их можно наблюдать только во время полного солнечного затмения, когда лучезарный диск закрыт Луной и потому не ослепляет нас.
Солнечный диск, покрытый Луной, и огненные выступы. (фото Стефана Сейпа, 05.10.2005.)
Странно, что ученые обратили внимание на эти огненные взрывы, выступающие из-за края Луны, всего только лет семьдесят пять тому назад[5], хотя полные затмения Солнца бывают чуть ли не каждый год – то в одной, то в другой части земного шара, и каждый раз можно заметить солнечные выступы. Астрономы попросту их проглядели. Затмение длится всего несколько минут, а то и секунд, и за эти секунды надо столько записать, зарисовать, измерить! Все внимание астронома-наблюдателя поглощено лихорадочной работой, и часто волнение мешает ему видеть вещи, которые он не рассчитывал увидеть.
А может быть, астрономы и замечали эти взрывы, но считали их просто обманом зрения.
Как бы то ни было, 18 июля 1860 года, когда полное солнечное затмение наблюдалось в Испании, астрономы, съехавшиеся туда со всех концов Европы, наконец-то обратили внимание на солнечные выступы и даже успели их зарисовать. Тогда только ученые всего мира заговорили о солнечных выступах и стали наперебой высказывать различные догадки об их природе и происхождении.
Через восемь лет после испанского затмения, 18 августа 1868 года, ожидали полного солнечного затмения в Индии.
Французский астроном Жансен, который всю свою жизнь занимался исследованием Солнца, решил воспользоваться этим затмением, чтобы изучить спектр солнечных выступов. Взяв с собой спектроскоп, он отправился в далекое морское путешествие. Он поспел вовремя. В тот момент, когда затмение наступило и красные языки вырвались из-за черного лунного диска, Жансен навел на них трубу своего спектроскопа. Он увидел цветные линии – спектр тех раскаленных газов и паров, которые извергает Солнце.
Жюль Жансен
Линии были такие яркие, что у Жансена невольно возникла мысль: а нельзя ли увидеть их и без затмения, при полном блеске Солнца?
На другой день, когда Солнце как ни в чем не бывало выкатилось из-за горизонта и поднялось над пальмами и пагодами, Жансен навел щель спектроскопа на самый край Солнца. Он сделал это так осторожно и так искусно, что в щель спектроскопа попадали только лучи солнечных выступов, а лучи самого солнечного диска проходили мимо.
Глядя в спектроскоп, Жансен убедился, что его вчерашняя догадка правильна. В спектроскопе были те самые цветные линии, которые он видел накануне, – линии спектра солнечных выступов.
А если так – Жансен мог решить свою задачу и без затмения. К чему же было ездить в Индию?
И правда, не к чему: английский астроном Локайер, сидя у себя в Англии и ничего не зная о Жансене, сделал то же открытие, что и он.
Парижская академия получила в один день два письма: одно от Жансена, другое от Локайера, и в обоих письмах говорилось об одном и том же открытии.
Письмо Локайера было написано 20 октября 1868 года, а письмо Жансена раньше – 19 августа того же года. Но из городка Гунтур на восточном берегу Индии, где находился Жансен, письмо шло в Европу больше двух месяцев. Вот почему оба письма пришли в Париж в один и тот же день и были зачитаны в заседании Парижской академии 26 октября 1868 года, одно через несколько минут после другого.
Норман Локайер
Это странное совпадение так поразило академиков, что они приказали выбить золотую медаль в честь открытия спектра солнечных выступов. На одной стороне медали были портреты Жансена и Локайера, а на другой – бог Солнца Аполлон в колеснице, запряженной четверкой коней, и под колесницей надпись: ANALYSE DES PROTUBERANCES SOLAIRES 18 AOUT 1868 (анализ солнечных выступов 18 августа 1868 года).
Солнечное вещество
Что же обнаружили Жансен и Локайер в спектре солнечных выступов?
Прежде всего им обоим бросились в глаза яркие линии водорода: красная, зелено-голубая и синяя.
Но, кроме этих трех линий, в спектре оказалась еще одна линия – желтая. Что значит эта линия, ни Жансен, ни Локайер никак не могли понять. Она расположена довольно близко от того места спектра, где должна была бы лежать желтая линия натрия. Близко, но не совсем в том месте, – значит, это не натрий.
Откуда же эта линия? Ни одно из веществ, известных химикам того времени, не имело ее в своем спектре.
Жансен и Локайер долго размышляли и наконец пришли к выводу, что неизвестная линия, которую они назвали линией D3, принадлежит какому-то особому небесному веществу. Очевидно, на Земле его нет, оно существует только на Солнце, за полтораста миллионов километров от нас.
И поэтому Локайер решил назвать новое, найденное на Солнце вещество именем самого Солнца – «гелий».
«Гелиос» – по-гречески это и значит Солнце.
Вещество было названо, но о свойствах его пока еще не было известно ровно ничего.
Астрономы высказывали только догадку, что гелий, вероятно, очень легкий газ. Ведь когда на солнечной поверхности происходят извержения, то восходящий поток газов захватывает и уносит на огромную высоту только самые легкие вещества.
Вес блохи
История гелия началась на небе, а через двадцать пять лет неожиданно спустилась на землю.
В 1893 году английский физик Джон Вильям Рэлей предпринял точное измерение веса различных газов. В первую очередь стал он взвешивать те газы, с которыми наука раньше всего и больше всего имела дело: водород, кислород и азот.
Джон Вильям Рэлей
Для чего понадобилась эта работа? Разве водород, кислород и азот не были взвешены и до Рэлея? Да, вес этих газов был давно известен, но Рэлей захотел взвесить их точнее, чем взвешивали их прежде. В конце прошлого века физики уже не довольствовались грубыми приборами старинных лабораторий. Им потребовались точные цифры, точные знания о свойствах вещей. Новыми, более тонкими и чуткими приборами физики стали заново измерять плотности тел, температуры плавления и кипения, оптические, химические и электрические свойства.
Джон Вильям Рэлей вооружился самыми точными весами, какие только были у него в лаборатории, и принялся за работу.
Прежде всего он решил заново взвесить водород. Он взял большой стеклянный шар и тщательно измерил, сколько литров газа может в нем поместиться. Потом воздушным насосом выкачал из шара воздух и взвесил шар. Потом наполнил водородом и снова взвесил. Точные весы показали, что шар, наполненный водородом, на столько-то граммов и столько-то миллиграммов тяжелее, чем пустой.
Оставалось только разделить граммы на литры.
Так Рэлей измерил точный вес литра водорода[6].
Покончив с водородом, он точно так же взвесил и кислород.
Потом дошла очередь и до азота.
Рэлей взял несколько литров воздуха и очистил его от кислорода. Остался азот, и этим азотом Рэлей наполнил свой стеклянный шар. Взвесив шар на точных весах, он узнал, сколько весит литр азота.
Но это было еще не все. Осторожный физик привык проверять каждый свой опыт различными способами.
Рэлей снова добыл азот, на этот раз не из воздуха, а из другого газа – аммиака. Снова наполнил он азотом стеклянный шар, снова взвесил на точных весах. И тут обнаружилась странная вещь: литр азота, добытый из аммиака, оказался на 6 миллиграммов легче, чем литр азота, добытый из воздуха. На целых шесть миллиграммов!
Шесть миллиграммов – вес небольшой. Это вес блохи.
Но один литр азота не должен быть легче другого литра азота даже и на сотую часть блошиного веса!
Рэлей снова взвесил азот воздуха и азот аммиака, и его точные весы снова показали ту же разницу – шесть миллиграммов.
Литр «воздушного» азота весил 1,2565 грамма.
Литр «аммиачного» азота – 1,2507 грамма.
– Что за странность? – подумал Рэлей. – И то и другое – азот, но у «воздушного» азота один вес, у «аммиачного» – другой. А что, если для сравнения добыть азот не из воздуха и не из аммиака, а из какого-нибудь другого вещества?
Рэлей собрал целую коллекцию веществ, содержащих азот: окись азота, закись азота, азотисто-кислый аммоний, селитру, мочевину. Из всех этих веществ он извлекал азот и взвешивал на точных весах. И что же? Оказалось, что у азота, добытого из закиси, и у азота, добытого из окиси, и у азота из азотистокислого аммония, и у азота из мочевины, и у азота из селитры вес совершенно одинаковый: 1,2507 грамма на литр – точь-в-точь такой, как у азота, добытого из аммиака.
Так почему же у азота, добытого из воздуха, вес больше? Почему «воздушный» азот – исключение? Уж не было ли какой ошибки в опыте с воздушным азотом?
Рэлей решил взвесить воздушный азот еще раз. Он снова взял несколько литров воздуха и тщательно очистил их от кислорода. Оставшимся азотом он наполнил стеклянный шар и взвесил – теперь уже в третий раз.
Упрямые весы продолжали показывать одно и то же. Литр воздушного азота весил не 1,2507, а 1,2565 грамма.
Разница ничтожная. Начинается она всего только с тысячных долей, с третьей цифры после запятой.
Но один литр азота ни в коем случае не должен весить больше другого литра азота даже и на тысячную долю!
Значит, тут кроется какая-то тайна.
