Текст книги "100 великих научных открытий"

Автор книги: Дмитрий Самин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 46 страниц)

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Во второй половине XVIII века химия была на подъеме – открытия сыпались за открытиями. В это время выдвигается ряд блестящих экспериментаторов – Пристли, Блэк, Шееле, Кавендиш и другие. В работах Блэка, Кавендиша и в особенности Пристли ученым открывается новый мир – область газов, дотоле совершенно неведомая. Приемы исследования постоянно совершенствуются. Блэк, Кронштедт, Бергман и другие разрабатывают качественный анализ. В результате этого удалось открыть массы новых элементов и соединений.

На рубеже XVII и XVIII веков немецкий химик Георг Эрнст Сталь (1659–1734) предложил так называемую теорию флогистона – по существу, первую химическую теорию. Хотя она и оказалась ошибочной, но позволила систематизировать процессы горения и обжига (кальцинации) металлов, объяснив эти процессы с единой точки зрения. Сталь считал, что различные вещества и металлы содержат в своем составе особое «начало горючести» – флогистон. При прокаливании металлы теряли флогистон, превращаясь в оксиды, т. е. процессы окисления заключались в потере окислявшимися веществами флогистона. Напротив, в ходе процессов восстановления оксиды приобретали флогистон, вновь становясь металлами. Критика учения о флогистоне во многом способствовала развитию химического мышления.

Однако основные явления химии – процессы горения и окисления вообще, состав воздуха, роль кислорода, строение главных групп химических соединений (окислов, кислот, солей и прочего) – не были еще объяснены. Напротив, факты накапливались, а идеи запутывались. Довольно благовидное в изложении Сталя учение о флогистоне превращается у его последователей в какую-то фантасмагорию: это уже не одна теория, это – десятки теорий, запутанных, противоречивых, изменяющихся у каждого автора.

В середине XVIII века на авансцену вышла так называемая пневматическая химия, изучавшая газы с химической точки зрения. Одним из выдающихся ее достижений стало открытие кислорода. Понимание его природы как самостоятельного газообразного химического элемента позволило французу Антуану Лавуазье развенчать концепцию флогистона и сформулировать кислородную теорию горения. Вместе с крупными достижениями химического анализа это событие положило начало первой химической революции.

Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) родился в семье адвоката 28 августа 1743 года. Первоначальное образование он получил в коллеже Мазарини. Антуан учился отлично. По выходе из коллежа он поступил на факультет права. В 1763-м Антуан получил степень бакалавра, в следующем году – лиценциата прав.

Но юридические науки не могли удовлетворить его безграничной и ненасытной любознательности. Не оставляя своих занятий правом, он изучал математику и астрономию у Лакайля, очень известного в то время астронома, имевшего небольшую обсерваторию в коллеже Мазарини; ботанику – у великого Бернара Жюсье, с которым вместе составлял гербарии; минералогию – у Гэтара, составившего первую минералогическую карту Франции; химию – у Руэля.

Первые работы Лавуазье были сделаны под влиянием его учителя и друга Гэтара. Гэтар предпринял ряд экскурсий; Лавуазье был его сотрудником в течение трех лет, начиная с 1763 года. Плодом этой экскурсии явилась его первая работа – «Исследование различных родов гипса».

После пяти лет сотрудничества с Гэтаром, в 1768 году, когда Лавуазье исполнилось 25 лет, он был избран членом Академии наук.

В жизни Лавуазье придерживался строгого порядка. Он положил себе за правило заниматься наукой шесть часов в день: от шести до девяти утра и от семи до десяти вечера. Остальная часть дня распределялась между занятиями по откупу, академическими делами, работой в различных комиссиях и так далее.

Один день в неделю посвящался исключительно науке. С утра Лавуазье запирался в лаборатории со своими сотрудниками; тут они повторяли опыты, обсуждали химические вопросы, спорили о новой системе. Здесь можно было видеть славнейших ученых того времени – Лапласа, Монжа, Лагранжа, Гитона Морво, Маккера.

Лаборатория Лавуазье сделалась центром тогдашней науки. Он тратил огромные суммы на приобретение и монтирование приборов, представляя в этом отношении совершенную противоположность некоторым из своих современников.

В то время еще только предстояло найти основной закон химии, руководящее правило химических исследований; создать метод исследования, вытекавший из этого основного закона; объяснить главные разряды химических явлений и, наконец, развенчать существовавшие фантастические теории.

Эту задачу взял на себя и исполнил Лавуазье. Для выполнения ее недостаточно было экспериментального таланта. К золотым рукам требовалось присоединить золотую же голову. Такое счастливое соединение представлял Лавуазье.

В научной деятельности Лавуазье поражает ее строго логический ход. Сначала он вырабатывает метод исследований. Потом ученый ставит опыт.

Так, в течение 101 дня перегонял воду в замкнутом аппарате. Вода испарялась, охлаждалась, возвращалась в приемник, снова испарялась и так далее. В результате получилось значительное количество осадка. Откуда он взялся?

Общий вес аппарата по окончании опыта не изменился: значит, никакого вещества извне не присоединилось. В ходе этой работы Лавуазье убеждается во всесильности своего метода – метода количественного исследования.

Овладев в совершенстве методом, Лавуазье приступает к своей главной задаче. Работы его, создавшие современную химию, охватывают период времени с 1772 по 1789 год. Исходным пунктом его исследований послужил факт увеличения веса тел при горении. В 1772 году он представил в академию коротенькую записку, в которой сообщал о результате своих опытов, показавших, что при сгорании серы и фосфора они увеличиваются в весе за счет воздуха, иными словами, соединяются с частью воздуха.

Этот факт – основное, капитальное открытие явления, послужившее ключом к объяснению всех остальных. Никто этого не понимал, да и современному читателю может с первого взгляда показаться, что речь здесь о единичном неважном явлении… Но это неверно. Объяснить факт горения значило объяснить целый мир явлений окисления, происходящих всегда и всюду в воздухе, земле, организмах – во всей мертвой и живой природе, в бесчисленных вариациях и разнообразнейших формах.

Около шестидесяти мемуаров было им посвящено уяснению различных вопросов, связанных с этим исходным пунктом. В них новая наука развивается как клубок. Явления горения естественно приводят Лавуазье, с одной стороны, к исследованию состава воздуха, с другой – к изучению остальных форм окисления; к образованию различных окисей и кислот и уяснению их состава; к процессу дыхания, а отсюда – к исследованию органических тел и открытию органического анализа, и т. д.

Ближайшей задачей Лавуазье являлась теория горения и связанный с ней вопрос о составе воздуха. В 1774 году он представил академии мемуар о прокаливании олова, в котором сформулировал и доказал свои взгляды на горение. Олово прокаливалось в замкнутой реторте и превратилось в «землю» (окись). Общий вес остался неизменным – следовательно, увеличение веса олова не могло происходить за счет присоединения «огненной материи», проникающей, как полагал Бойль, сквозь стенки сосуда. Вес металла увеличился. Это увеличение равно весу той части воздуха, которая исчезла при прокаливании. Выходит, металл, превращаясь в землю, соединяется с воздухом. Этим и исчерпывается процесс окисления: никакие флогистоны, «огненные материи» тут не участвуют. В данном объеме воздуха может сгореть только определенное количество металла, причем при этом исчезает определенное количество воздуха. Отсюда вытекает мысль о его сложности: «Как видно, часть воздуха способна, соединяясь с металлами, образовывать земли, другая же – нет; это обстоятельство заставляет меня предполагать, что воздух – не простое вещество, как думали раньше, а состоит из весьма различных веществ».

В следующем, 1775 году Лавуазье представил академии мемуар, в котором состав воздуха был впервые точно выяснен. Воздух состоит из двух газов, «чистого воздуха», способного усиливать горение и дыхание, окислять металлы, и «мефитического воздуха», не обладающего этими свойствами. Названия кислород и азот были даны позднее.

Вникнем в ход рассуждений Лавуазье. Металл увеличивается в весе – значит, к нему присоединилось какое-нибудь вещество. Откуда оно взялось? Определяем вес других тел, входивших в реакцию, и видим, что воздух уменьшился в весе настолько же, на сколько увеличился вес металла; стало быть, искомое вещество выделилось из воздуха. Это – метод весового определения. Однако для того чтобы понять его значение, нужно признать, что все химические тела имеют вес, что весомое тело не может превратиться в невесомое, что, наконец, ни единая частица материи не может исчезнуть или возникнуть из ничего.

В том же мемуаре Лавуазье выяснил строение «постоянного воздуха», как называли тогда углекислоту. Если нагревать окись ртути в присутствии угля, то выделяющийся кислород соединяется с углем, образуя «постоянный воздух».

В трактате «О горении вообще» (1777) он подробно развивает свою теорию. Всякое горение есть соединение тела с кислородом; результат его – сложное тело, а именно «металлическая земля» (окисел) или кислота (ангидрид по современной терминологии).

Теория горения повела к объяснению состава различных химических соединений. Уже давно различались окислы, кислоты и соли, но строение их оставалось загадочным. Общий результат их можно сформулировать так: Лавуазье дал первую научную систему химических соединений, установив три главные группы – окислы (соединения металлов с кислородом), кислоты (соединения неметаллических тел с кислородом) и соли (соединения окислов и кислот).

Десять лет прошло со времени первой работы Лавуазье, а он почти вовсе не касался теории флогистона. Он просто обходился без нее. Процессы горения, дыхания, окисления, состав воздуха, углекислоты, множество других соединений объяснились без всяких таинственных принципов совершенно просто и ясно – соединением и разделением реальных весовых тел. Но старая теория еще существовала и влияла на ученых.

В 1783 году Лавуазье напечатал «Размышления о флогистоне». Опираясь на свои открытия, он доказывает полнейшую ненужность теории флогистона. Без нее факты объясняются ясно и просто, с нею начинается бесконечная путаница. «Химики сделали из флогистона туманный принцип, который вовсе не определен точно и, следовательно, пригоден для всевозможных объяснений, иногда это весомый принцип, иногда – невесомый, иногда – свободный огонь, иногда – огонь, соединенный с землею; иногда он проходит сквозь поры сосудов, иногда они непроницаемы для него; он объясняет разом и щелочность и нещелочность, и прозрачность и тусклость, й цвета и отсутствие цветов. Это настоящий Протей, который ежеминутно меняет форму».

«Размышления о флогистоне» были своего рода похоронным маршем по старой теории, так как она давно уже могла считаться погребенной.

Наконец, знание водорода и продукта его окисления дало Лавуазье возможность положить главный камень в основание органической химии. Он определил состав органических тел и создал органический анализ путем сжигания углерода и водорода в определенном количестве кислорода. Как утверждает Н. Меншуткин: «Таким образом, историю органической химии, как и неорганической, приходится начинать с Лавуазье».

ОСНОВНОЙ ЗАКОН ЭЛЕКТРОСТАТИКИ

Электрические явления постепенно теряли свой первоначальный характер отдельных разрозненных забавных явлений природы и постепенно образовывали некое единство, которое существующие теории пытались охватить несколькими основными принципами. Наступало время перехода от качественных исследований к количественным.

Такое направление исследований отчетливо выражено в работе 1859 года петербургского академика Ф. Эпинуса (1724–1802).

Эпинус в основу своего математического рассмотрения кладет следующие принципы: каждое тело обладает в своем естественном состоянии вполне определенным количеством электричества. Частицы электрического флюида взаимно отталкиваются и притягиваются к обычной материи. Электрические эффекты проявляются, когда количество электрического флюида в теле больше или меньше того, которое должно быть в естественном состоянии.

Эпинус делает предположение: «…определить эти функциональные зависимости я пока что не решаюсь. Впрочем, если бы понадобилось произвести выбор между различными функциями, то я охотно утверждал бы, что эти величины изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний. Это можно предположить с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими явлениями природы». По пути Эпинуса пошел Генри Кавендиш (1731–1810), который в своей статье от 1771 года принимает гипотезы Эпинуса с одним изменением: притяжение двух электрических зарядов считается обратно пропорциональным некоторой степени расстояния, пока не уточняемой.

Кавендиш с помощью математических рассуждений делает вывод: если сила взаимодействия электрических зарядов подчиняется закону обратных квадратов, то «почти весь» электрический заряд сосредоточен на самой поверхности проводника. Тем самым намечается косвенный путь установления закона взаимодействия зарядов.

Главная трудность установления «закона электрической силы» состояла в том, чтобы найти экспериментальную ситуацию, в которой пондеромоторные силы совпадали бы с силами, действующими между элементарными зарядами.

Возможно, правильный подход к этой проблеме был найден ранее всего английским естествоиспытателем Дж. Робайсоном (1739–1805).

Экспериментальный метод, использованный Робайсоном, основывался на идее о том, что взаимодействующие заряды можно считать точечными, когда размеры сфер, на которых они локализованы, много меньше расстояния между центрами сфер.

Установка, с помощью которой англичанин проводил измерения, описана в его фундаментальном труде «Система механической философии». Сочинение издано уже после его смерти, в 1822 году.

Учитывая погрешности измерений, Робайсон сделал вывод:

«Действие между сферами в точности пропорционально обратному квадрату расстояния между их центрами».

Однако основной закон электростатики не носит имя Робайсона. Дело в том, что о полученных результатах ученый сообщил лишь в 1801 году, а подробно описал еще позднее. В то время уже повсеместное распространение получили труды французского ученого Кулона.

Шарль Огюстен Кулон (1736–1806) родился в Ангулеме на юго-западе Франции. После рождения Шарля семья переехала в Париж.

Поначалу мальчик посещал Коллеж четырех наций, известный также как Коллеж Мазарини. Вскоре отец разорился и уехал от семьи в Монпелье, на юг Франции. Конфликт между матерью и сыном привел к тому, что Шарль покинул столицу и переехал к отцу.

В феврале 1757 года на заседании Королевского научного общества Монпелье молодой любитель математики прочел свою первую научную работу «Геометрический очерк среднепропорциональных кривых». В дальнейшем Кулон принимал активное участие в работе общества и представил еще пять мемуаров – два по математике и три по астрономии.

В феврале 1760 года Шарль поступил в Мезьерскую школу военных инженеров. В ноябре следующего года Шарль окончил Школу и получил назначение в крупный порт на западном побережье Франции Брест. Затем он попал на Мартинику. За восемь лет, проведенных там, он несколько раз серьезно болел, но каждый раз возвращался к исполнению своих служебных обязанностей. Болезни эти не прошли бесследно. После возвращения во Францию Кулон уже не мог считаться совершенно здоровым человеком.

Несмотря на все эти трудности, Кулон очень хорошо справлялся со своими обязанностями. Его успехи в деле строительства форта на Монт-Гарнье были отмечены повышением в чине: в марте 1770 года он получил чин капитана – по тем временам это можно было рассматривать как очень быстрое продвижение по службе. Вскоре Кулон вновь серьезно заболел и, наконец, подал рапорт с прошением о переводе во Францию.

После возвращения на родину Кулон получил назначение в Бушен. Здесь он завершает исследование, начатое еще во время службы в Вест-Индии. Многие идеи, сформулированные им в первой же научной работе, до сих пор рассматриваются специалистами по сопротивлению материалов как основополагающие.

В 1774 году Кулона переводят в крупный порт Шербур, где он и служил до 1777 года. Там Кулон занимался ремонтом ряда фортификационных сооружений. Эта работа оставляла достаточно много времени для досуга, и молодой ученый продолжил свои научные исследования. Основной темой, которой интересовался в это время Кулон, была разработка оптимального метода изготовления магнитных стрелок для точных измерений магнитного поля Земли. Эта тема была задана на конкурсе, объявленном Парижской академией наук.

Победителями конкурса 1777 года были объявлены сразу двое – шведский ученый ван Швинден, уже выдвигавший работу на конкурс, и Кулон. Однако для истории науки наибольший интерес представляет не глава мемуара Кулона, посвященная магнитным стрелкам, а следующая глава, где анализируются механические свойства нитей, на которых подвешивают стрелки. Ученый провел цикл экспериментов и установил общий порядок зависимости момента силы деформации кручения от угла закручивания нити и от ее параметров: длины и диаметра.

Малая упругость шелковых нитей и волос по отношению к кручению позволяла пренебречь возникающим моментом упругих сил и считать, что магнитная стрелка в точности следует за вариациями склонения. Это обстоятельство и послужило для Кулона толчком к изучению кручения металлических нитей цилиндрической формы. Результаты его опытов были обобщены в работе «Теоретические и экспериментальные исследования силы кручения и упругости металлических проволок», законченной в 1784 году.

Исследование кручения тонких металлических нитей, выполненное Кулоном для конкурса 1777 года, имело важное практическое следствие – создание крутильных весов. Этот прибор мог использоваться для измерения малых сил различной природы, причем он обеспечивал чувствительность, беспрецедентную для XVIII века.

Разработав точнейший физический прибор, Кулон стал искать ему достойное применение. Ученый начинает работу над проблемами электричества и магнетизма.

Важнейшим результатом, полученным Кулоном в области электричества, было установление основного закона электростатики – закона взаимодействия неподвижных точечных зарядов. Ученый так формулирует фундаментальный закон электричества:

«Сила отталкивания двух маленьких шариков, наэлектризованных электричеством одной природы, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами шариков».

Кулон начал с измерения зависимости силы отталкивания одноименных зарядов от расстояния и провел многочисленные эксперименты. Ученый приводит результаты трех измерений, при которых расстояния между зарядами относились как 36: 18: 172, а соответствующие силы отталкивания – как 36: 144: 5751, т. е. силы почти точно обратно пропорциональны квадратам расстояний. В действительности экспериментальные данные несколько отличаются от теоретического закона. Кулон считает основными причинами расхождения, помимо принятых при расчете некоторых упрощений, утечку электричества за время опыта.

Более трудной оказалась задача измерения силы притяжения, поскольку весьма сложно помешать подвижному шарику весов войти в соприкосновение с другим зарядом противоположного знака. И все-таки Кулону довольно часто удавалось добиться равновесия между силой притяжения двух шариков и противодействующей ей силой действия закрученной нити. Полученные экспериментальные данные указывали на то, что сила притяжения также подчиняется закону обратных квадратов.

Но и этими результатами Кулон не удовлетворился. «Для подтверждения этого закона, который, как он предчувствовал, сыграет фундаментальную роль в учении об электричестве, – пишет М. Льоцци, – Кулон прибег к новому оригинальному методу измерения малых сил, примененному уже ранее для измерения магнитной силы стального острия. Этот метод оказался весьма эффективным и известен сейчас как „метод колебаний“. Он основан на том факте, что, подобно тому как частота колебаний маятника зависит от величины силы тяжести в данном месте, так же и частота колебаний наэлектризованной стрелки, колеблющейся в горизонтальной плоскости, зависит от интенсивности действующей на нее электрической силы, так что по числу колебаний в секунду можно найти эту силу. Для осуществления этого замысла Кулон заставил колебаться изолирующий стерженек, снабженный на конце маленькой вертикальной заряженной пластинкой и находящийся перед изолированным металлическим шаром, заряженным противоположно заряду пластинки и расположенным так, что один из его горизонтальных диаметров проходит через центр пластинки, когда она находится в равновесии. Этим путем также был полностью подтвержден закон обратных квадратов».

Таким образом, Кулон заложил основы электростатики. Им были получены экспериментальные результаты, имеющие как фундаментальное, так и прикладное значение. Для истории физики его эксперименты с крутильными весами имели важнейшее значение еще и потому, что они дали в руки физиков метод определения единицы электрического заряда через величины, использовавшиеся в механике: силу и расстояние, что позволило проводить количественные исследования электрических явлений.