Матвей Бронштейн
Солнечное вещество (сборник)
Неизвестная примесь
Рэлей написал письмо о своих опытах в лондонский научный журнал «Nature» (по-русски это значит «Природа»).
Редакция журнала напечатала письмо Рэлея.
«Азот, – писал Рэлей, – весит совершенно одинаково, откуда бы его ни добыть – из азотистокислого аммония, из аммиака, из мочевины, из селитры. Одно только есть исключение: азот, добытый из воздуха. Азот воздуха тяжелее, чем азот аммиака, мочевины, селитры. Значит, азот воздуха – это какой-то особенный азот. Не сумеет ли кто-нибудь из химиков объяснить аномалию (ненормальность) воздушного азота?»
Журнал «Nature» – очень известный журнал. Не только в Англии, но и на всем земном шаре нет такого физика или химика, который не читал бы журнала «Nature».
Физики и химики всего мира прочитали письмо Рэлея, но тщетно ждал он ответа. Никто не отозвался на его письмо, никто не сумел объяснить аномалию воздушного азота.
Тогда Рэлей обратился за советом к своему приятелю, лондонскому профессору химии Вильяму Рэмзэю. Он подробно рассказал Рэмзэю о своих опытах и предложил ему вместе заняться расследованием вопроса о том, почему литр «воздушного» азота на целых 6 миллиграммов расходится в весе с литром всякого другого азота.
Вильям Рэмзэй
Рэлей и Рэмзэй долго спорили о причинах непонятного расхождения в 6 миллиграммов. Наконец Рэмзэю пришла в голову догадка: а что, если азот, добытый из воздуха, – не чистый азот? Надо бы узнать, нет ли в нем какой-нибудь неожиданной примеси, какого-нибудь тяжелого газа, который и дает эти лишние шесть миллиграммов. Что же это за газ?
Рэмзэй еще ничего не знал о нем. Одно только было несомненно: этот газ должен быть тяжелее азота. Если бы он был легче, то и азот, к которому подмешан какой-то процент этого газа, был бы легче, а не тяжелее стопроцентного азота. Ведь стакан чистого песка легче стакана, наполненного смесью песка и свинцовой дроби.
Но если к азоту воздуха подмешан какой-то тяжелый газ, то как могло случиться, что химики его не заметили? Химики делали много опытов с воздухом, – почему же они до сих пор не обнаружили, что в воздухе, если его очистить от пыли, водяных паров и углекислоты, есть, кроме кислорода и азота, еще какой-то третий газ?
Рэлей и Рэмзэй стали рыться в книгах и журналах. Они перечитывали описания всех опытов с воздухом, когда-либо проделанных учеными. Но нигде не отыскали они ни единого слова, которое могло бы подтвердить их догадку о существовании третьего газа.
И только в одной старинной книге, где описывались опыты с «мефитическим газом» (так химики восемнадцатого столетия называли азот), Рэлей и Рэмзэй наткнулись на одно место, которое заставило их насторожиться.
Забытый опыт
В конце восемнадцатого века жил в Лондоне ученый химик, которого звали Генри Кэвендиш. Это был нелюдимый и одинокий человек. Он появлялся на улицах с узловатой палкой, в длинном дедовском сюртуке и в широкополой шляпе. О его странностях и причудах по городу ходило множество слухов и басен. Передавали, будто нелюдимость его и суровость доходят до того, что иной раз за целый день он не произносит ни одного словам Говорили еще, что он очень богат и всё свое огромное состояние тратит на всякие опыты и на покупку научных машин и приборов. Об опытах своих и открытиях он никому не рассказывает: опытами и открытиями он занят для собственного удовольствия, и мнение других людей нисколько его не интересует[7]. Еще говорили, что Кэвендиш устроил у себя в доме библиотеку научных книг и открыл в нее доступ всем, кто пожелает ею пользоваться. Каждый посетитель может унести к себе домой любую книгу, оставив хозяину расписку. Шутники утверждали, будто сам Кэвендиш так строго и точно соблюдает установленные им в библиотеке порядки, что всякий раз, когда ему случается взять книгу из собственного книжного шкапа, он выдает себе расписку: «Такого-то числа такую-то книгу взял у Генри Кэвендиша Генри Кэвендиш».
Генри Кэвендиш
Чудак Кэвендиш давно умер. Давно забыта его широкополая шляпа, его сюртук, его причуды. Но физики и химики помнят, что Генри Кэвендиш первый открыл, из чего состоит вода, и первый вычислил, сколько весит земной шар.
А в 1785 году, изучая свойства «мефитического газа» – азота, он проделал опыт, который через сто девять лет научил Рэлея и Рэмзэя, как разгадать тайну воздушного азота.
Генри Кэвендиш взял стеклянную трубку, изогнутую в виде латинской буквы U. Наполнив трубку смесью азота с кислородом, он вставил ее в рюмки со ртутью – одним концом в одну рюмку, другим в другую. А потом стал через смесь азота и кислорода гнать электрические искры.
В наше время есть много усовершенствованных машин для добывания электрических искр – индукционная катушка Румкорфа, высоковольтные трансформаторы, генераторы высокого напряжения. Но во времена Генри Кэвендиша всех этих машин еще не было. Ученые знали только один способ добывать электрическую искру: трение. Кэвендиш получал электрические искры трением стекла о кожу. В машине, которая была у него в лаборатории, большое стеклянное колесо, вращаясь, терлось о кожаные подушки. Стекло и кожа заряжались электричеством, и это электричество Кэвендиш отводил по проволокам в рюмки со ртутью, – электричество стекла в одну рюмку, электричество кожи в другую. Когда электричества в рюмках скоплялось достаточно, электрические искры начинали скакать из одной рюмки в другую по изогнутой трубке, наполненной смесью азота с кислородом.
Кэвендишу это и было нужно. Он знал, что под действием электрических искр кислород вступает в химическое соединение с азотом.
И в самом деле, как только посыпались искры, стеклянная трубка наполнилась оранжево-красным дымом. Оранжево-красный дым – это окислы азота, соединение азота с кислородом. Кэвендиш набрал в пипетку раствор едкого натра и впустил несколько капель этой жидкости внутрь изогнутой трубки. Оранжевый дым сейчас же исчез. Он без остатка растворился в едком натре.
Но Генри Кэвендиш решил гнать искры через трубку до тех пор, пока весь кислород и весь азот, запертые в ней, не превратятся в окислы азота. Это была трудная задача. Искры получались у Кэвендиша слабенькие, да и следовали они одна за другой не сразу, а через большие промежутки – не то, что в теперешних машинах, где искры сыплются непрерывным потоком. Целых три недели, днем и ночью, сменяя друг друга, Кэвендиш и его слуга вращали стеклянное колесо электрической машины. Азот и кислород в трубке медленно соединялись друг с другом, превращаясь в оранжевый дым. Едкий натр уничтожал этот дым, впитывал его в себя. Все меньше и меньше азота с кислородом оставалось в трубке. А освободившееся место заполнила ртуть. И с каждым днем в обоих коленах трубки уровень ртути делался все выше и выше.
Наконец, через три недели, работа была окончена. Ртуть заполнила оба колена трубки. Значит, весь азот, который был в трубке, соединился с кислородом и вместе с ним растворился в едком натре.
Но, приглядевшись внимательнее, Кэвендиш увидел над ртутью и едким натром крохотный пузырек газа. Кэвендиш еще раз пропустил электрическую искру. Но пузырек не исчезал.
Генри Кэвендиш, по своему обыкновению, точно записал все подробности опыта. Не забыл он упомянуть и о крошечном пузырьке.
Пузырек – писал Кэвендиш – это был остаток азота, который почему-то не удалось соединить с кислородом.
«Обрати внимание!»
Рэмзэй не в первый раз читал об этом опыте. Когда он еще не был профессором химии, а был всего только молодым студентом, он перелистывал однажды биографию Кэвендиша. В книге были приведены отрывки из лабораторного журнала, в который Кэвендиш день за днем вносил все подробности своих опытов. Упоминание о крохотном пузырьке, не пожелавшем соединяться с кислородом, удивило Рэмзэя. И на полях книги, как раз против строчек о таинственном пузырьке, Рэмзэй написал карандашом: «look into this» («обрати внимание»).
Впоследствии Рэмзэй позабыл о пузырьке: у него нашлись задачи поинтереснее, чем проверка опытов, проделанных старым чудаком сто лет тому назад. Но теперь, когда он вместе с Рэлеем задумал объяснить аномалию воздушного азота, он сразу разгадал тайну пузырька. Ведь азот-то для своих опытов Кэвендиш добывал не из аммиака, не из селитры, а из воздуха! И при этом азот, который он добыл из воздуха, не весь соединился, с кислородом, сколько ни бился над ним старый Кэвендиш. В изогнутой трубке – так писал сам Кэвендиш – от всего азота остался лишь маленький пузырек, но пузырек этот был особенный, не похожий на обыкновенный азот: никакие искры не могли заставить его соединиться с кислородом.
И вот у Рэмзэя мелькнула мысль: а что, если этот пузырек был вовсе не азот, а какой-то другой, не замеченный химиками газ, подмешанный к воздушному азоту? Верно, этот неизвестный газ – и есть та самая примесь, которая делает каждый литр воздушного азота на целых 6 миллиграммов тяжелее, чем литр азота из аммиака или селитры.
Но как узнать, верно это или нет? Как проверить эту догадку?
А вот как: если такой газ в самом деле существует, нужно во что бы то ни стало разлучить его с азотом.
Примесь найдена
Физик Рэлей и химик Рэмзэй 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 Кэвендиша, но в гораздо больших размерах. Ему-то это было легко: ведь в его время физики располагали такими электрическими приборами, о которых Кэвендиш, 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 Кэвендиш, 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.
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 Кэвендиш – 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 Рэмзэй.
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 Рэмзэй?
Он поступил иначе. В его химической лаборатории не было высоковольтного трансформатора, какой был в лаборатории физика Рэлея. Но Рэмзэй 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 Рэмзэй 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 Рэмзэй 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 Рэмзэй 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 Рэмзэя, 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 Рэмзэй 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 Рэмзэй. Они попробовали соединить новый газ с водородом, с хлором, с фтором, с металлами, с углем, с серой. Но всё 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 Рэмзэй 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 Рэмзэй придумали для него название «аргон». По-гречески это значит «ленивый».
