Текст книги "Машина-двигатель
От водяного колеса до атомного двигателя"

Автор книги: Марк Левин

Страшные птицы над Лондоном

Прежде чем закончить рассказ о реактивных двигателях, мы позволим себе обратиться еще к одной их разновидности.

Такой двигатель можно легко изготовить, – надо только иметь жаростойкую сталь, и ребята из Ленинградского Дворца пионеров уже давно такие двигатели строят.

Речь идет о пульсирующем воздушно-реактивном двигателе.

Лежит стальная трубка, похожая на ламповое стекло. Слева, вблизи входного окна, внутри трубы сделана перегородка с отверстиями. Отверстия эти закрыты клапанами, которые прижимаются пружинами. Правее перегородки помещается камера сгорания – туда впрыскивается жидкое топливо. Еще правее начинается реактивное сопло – узкий канал, где газы приобретают нужное направление и скорость.

Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя.

Запустим двигатель. Для этого впрыснем в камеру топливо и одновременно пошлем электрическую искру. Топливо вспыхнет, в камере поднимется температура и давление газов. Влево газам идти некуда, – там перегородка. Тогда газовый поток устремится вправо через реактивное сопло. Но, вылетая с большой скоростью, газ создает на некоторое мгновение разрежение в камере сгорания, – там давление окажется ниже атмосферного. Тогда под влиянием наружного давления в перегородке откроются клапаны, и свежая порция воздуха войдет в камеру сгорания. Теперь снова впрыснем топливо, и так далее. Двигатель будет работать толчками, как бы пульсировать.

С таким двигателем можно построить модель реактивного самолета.

Но не только модель!

…В ночь с 12 на 13 июня 1944 года над Лондоном появились невиданные, страшные птицы. Распластав неподвижные крылья, исторгая огонь и гром, они падали с неба на дома, улицы, скверы… Их падение сопровождалось взрывами…

Наутро лондонцы обнаружили страшные результаты налета смертоносных птиц: 6000 мирных городских жителей было убито, 20 000 ранено, 25 000 зданий было разрушено до основания, многие тысячи зданий повреждены.

Шла жестокая война, лондонцы знали не одну бомбежку. Но эти таинственные птицы, принесшие столько разрушений и человеческих страданий, раньше никогда и нигде не появлялись.

Так состоялось знакомство с «новым секретным оружием» фашистов, которое широко рекламировал Гитлер, пытаясь запугать противника. Страшными птицами, сеющими смерть, были реактивные самолеты-снаряды, названные немцами «ФАУ-1».

Посмотрите на эту «птицу».

Реактивный самолет-снаряд «ФАУ-1».

Два больших крыла (размах около 5 метров), длинный сигарообразный корпус. Передняя половина корпуса занята взрывчатым веществом снаряда, середина занята баком для жидкого горючего и баллонами сжатого воздуха. На самом хвосте, над рулем, укреплена труба реактивного двигателя. Реактивный двигатель работает по принципу пульсирующего.

Такой самолет-снаряд пролетал со скоростью около 600 километров в час расстояние 240–280 километров и при падении взрывался.

После той памятной ночи немцы стали ежедневно посылать до сотни, а то и более, таких снарядов на Лондон. У Гитлера не хватало бомбардировщиков, – они нужны были ему на восточном фронте. Вот и попытались фашисты использовать самолеты-снаряды, которым при взлете задавалось направление, и они летели, управляемые автоматами.

Но, применив такое оружие, Гитлер еще раз доказал всю звериную, человеконенавистническую сущность фашизма. Ведь таким слепым автоматом-снарядом нельзя было вести прицельный обстрел. Страдали женщины, старики и дети, страдали городские жители, занятые далеко не военными делами…

Глава VII. Двигатель близкого будущего

Чего не знали алхимики

«Раскали короля на огне, смотри, чтобы не растопился, и делай сие семь раз… и положи его в муравленный, из кипрской земли сделанный сосуд, то и получишь неимоверное сокровище, коим можешь произвести удивительные дела».

Что здесь написано? О каком короле идет речь?

Слова эти писались в одном из трактатов алхимиков.

В глухое время средневековья, когда подлинных ученых сжигали на кострах инквизиции, процветали различные лженауки – богословие, астрология, алхимия…

Возле огромных сосудов восседали «ученые» мужи и, соединяя одно вещество с другим, пытались из простых веществ получить драгоценный металл – золото. Им, конечно, это не удавалось. Все свои неудачи алхимики приписывали тому, что еще не открыт некий «философский камень», обладающий свойством превращать простой металл в благородное золото.

Возле огромных сосудов восседали «ученые».

И выдержка из «ученого» трактата о короле есть не что иное, как один из многочисленных рецептов получения такого «философского камня». Рецепт этот был написан скорее для себя самого, нежели для широкого пользования. Автор специально засекретил вещество, которое, по его убеждению, должно решить задачу «философского камня», назвав его «королем». Но ни «король», ни тысячи других веществ в действительности не превращались в «философский камень». Много напрасных усилий тратилось, много всяких трактатов писалось… Находились даже такие «ученые», которые пытались выварить чудодейственный «философский камень» из… костей умерших философов.

Когда вновь восторжествовали подлинные науки, была доказана абсурдность исканий алхимиков, не имевших под собой никакой научной почвы.

И вот теперь, в век небывалого научного прогресса, уже настоящие ученые вдруг снова заговорили о возможности превращения некоторых простых веществ в драгоценные.

Оказывается, что и впрямь можно добиться превращения, например, дешевой ртути в дорогое золото.

«Неужто найден „философский камень?“» – спросите вы.

Нет, чудодейственного камня не найдено, но наукой открыта еще одна, очень глубоко запрятанная тайна природы – тайна атома. Еще древние греки назвали словом «атом» (неделимый) самую маленькую частичку вещества… Такую частичку трудно себе представить, – ее размеры очень малы. Древние ученые не знали ее величины, но догадывались, что если дробить какое-либо тело, например камень, то можно получать всё меньшие и меньшие частички, пока не образуется «порошок» из самых малых частиц, которые уже не будут делиться.

Вот из таких мельчайших «кирпичиков», связанных между собой, – думали ученые древности, – и составляется уже видимое глазом тело.

Знаменитый ученый и философ-материалист древней Греции Демокрит еще за четыреста лет до нашей эры писал: «Атомы бесконечны числом и бесконечно разнообразны по форме. Их столкновения и пространственное движение и вращение и есть начало миров…»

Спустя триста пятьдесят лет после Демокрита другой ученый древности – римский философ Лукреций – написал целую книгу в стихах: «О природе вещей», где вновь повторил взгляды Демокрита, Эпикура и других своих предшественников на строение тел, видя в начале всех начал маленькую материальную частичку – атом.

Лукреций писал, так же, как и Демокрит, противопоставляя атом религиозному обману:

 
«Если же будем мы знать, что ничто не способно возникнуть
Из ничего, то тогда мы гораздо яснее увидим
Наших заданий предмет: и откуда являются вещи,
И каким образом всё происходит без помощи свыше».

«…и тебе остается признать неизбежно
Существованье того, что совсем неделимо, являясь
По существу наименьшим».
 

Но голоса ученых-материалистов древности потонули в хоре богословских речений лжеученых. Всесильная тогда религия, душившая всякую живую мысль целых пятнадцать столетий, заставила забыть и о замечательных мыслях Демокрита и Лукреция.

Вместо того, чтобы разгадывать тайну атома и этим путем проникать в искусство изменять вещество, алхимики искали «философский камень»…

Лишь к концу XVI века, когда вновь стали возрождаться науки и искусства, человечество опять услышало слово «атом» из уст передовых ученых той эпохи – итальянца Джордано Бруно, француза Пьера Гассенди.

Но и через две тысячи лет после Демокрита атом всё еще представляли как «кирпичик» – неизменную маленькую неделимую частичку любого вещества любого тела. А Пьер Гассенди, признав атом, вместе с тем допускал, что бесчисленное многообразие этих атомов, образующих все тела природы, было создано… богом.

Трудно было пробиться настоящей науке через чащу религиозных представлений, насаждавшихся долгими тысячелетиями…

Начало научному пониманию строения различных веществ в природе было положено великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым.

«Корпускулы, – писал Ломоносов, – однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом… Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе. От этого зависит бесконечное разнообразие тел…»

То, что Ломоносов называл «корпускулами», – мы называем теперь «молекулами». Всякое вещество состоит из мельчайших частиц этого вещества – молекул, которые совершенно похожи друг на друга. Но молекулы делимы. Они состоят из еще более мелких частиц – атомов. Если вещество простое, то все атомы в молекуле одинаковы. Если вещество сложное, – атомы в молекуле не все похожи друг на друга, молекула сочетает в себе несколько разных атомов.

Однако и для Ломоносова и для ученых более поздних лет оставалось загадкой, – что же такое атом?

Молекула – то, что древние ученые называли «атомом», то есть «кирпичик» всякого вещества, – делима.

Но делимы ли те частицы, которые теперь стали называться атомами и из которых строятся молекулы?

Тайны атома не знали средневековые алхимики, ее не знали и ученые более поздних веков.

Научный подвиг Менделеева

Открытие одной из самых глубоких тайн природы – тайны атома – началось лишь в самом последнем десятилетии прошлого века.

Но, прежде чем рассказать, как началась разгадка атома, нам необходимо познакомиться с величайшим в истории науки открытием, которое было сделано выдающимся русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым и которое Энгельс назвал научным подвигом.

В середине прошлого века химия была модной наукой. К ней влекло многих молодых людей, стремящихся к образованию. Соединение различных веществ, получение неизвестных ранее, раскрытие свойств жидкостей и газов, проникновение в «кухню природы» – всё это увлекало, всё это было новым, сулило творческие радости… Но изучать химию было очень трудно. Надо было помнить множество различных соединений, их свойства. Надо было зубрить огромное количество наименований и реакций, подчас не находя никакой связи между отдельными химическими явлениями. Виной всему был хаос. Если в математике всегда наблюдался строгий порядок, точная логика, то химия казалась наукой сумбурной, без общих законов.

Когда Дмитрия Ивановича Менделеева пригласили прочесть курс общей химии студентам Петербургского университета, он прежде всего задумался над тем, как бы доходчивей, проще и вместе с тем глубже преподнести столь сложную науку своим молодым слушателям.

Дмитрий Иванович уже давно работал над изучением общих закономерностей в химии. Он не мог мириться с хаосом в его любимой науке. Он считал, что хаос существует лишь потому, что человеческий разум еще не открыл каких-то общих законов природы…

Дмитрий Иванович Менделеев.

И вот, строя свой университетский курс химии, Менделеев одновременно с этим начал приводить в порядок свои прошлые многочисленные наблюдения и исследования. При этом главная цель состояла в том, чтобы отыскать связь между различными химическими веществами и явлениями.

Поставив ясную цель, ученый шел к ней трудными путями науки, – множество опытов, составление карточек на все известные простейшие вещества (или, как их назвали, «элементы»), точное описание свойств каждого из них.

И вот, среди дремучего леса фактов появился просвет. Ученый обнаружил, что химические свойства каждого элемента определяются прежде всего его атомным весом. Дальше просвет всё расширялся и расширялся. Элементы были выписаны на листе бумаги в порядке возрастания их атомных весов, и открылось новое, поразительное явление: элементы с похожими химическими свойствами повторялись через определенный период. Так, первым в ряду элементов стоял водород – самый легкий, с атомным весом 1. Затем Менделеев ставил металл литий с атомным весом 7. Дальше шли бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор и натрий – по всё возрастающим атомным весам. По своим свойствам похожим на литий оказывался только натрий. Между литием и натрием стояло шесть непохожих элементов. Зато похожим на металл бериллий, что следовал за литием, оказывался металл магний, который стоял за натрием. То есть от лития до натрия шел один период, состоящий из элементов с разными свойствами, а от натрия и дальше пошел второй период, где снова чередовались элементы, похожие по свойствам на элементы первого периода.

И вот, открыв закон периодического повторения свойств элементов, Менделеев построил строгую, систематическую таблицу расположения всех известных науке химических элементов.

В 1869 году первый вариант такой таблицы ученый отпечатал и разослал химикам разных стран.

Закон, которому подчиняются химические явления, был открыт.

«Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости (то есть правильно повторяются) от их атомного веса…», – писал Менделеев.

Атомный вес, строение атома – вот где основа закономерностей.

Таблица, построенная великим ученым, оказалась той основой, на которой быстро и уверенно стала развиваться наука об атоме.

Самое первое и самое удивительное доказательство колоссальной значимости своего открытия Менделеев явил научному миру тогда, когда смог на основе своей таблицы предсказать свойства еще не найденных к тому времени в природе элементов.

…Молодой французский химик Лекок де Буабодран в 1875 году нашел в цинковой руде Пиренейских гор новый, неизвестный еще в науке, химический элемент. Буабодран назвал этот элемент «галлием» – в честь своей родины Франции, которая в древности именовалась Галлией. Коротенькое сообщение Буабодрана в «Докладах» Парижской Академии наук обратило на себя внимание химиков всех стран. Это был 65-й по счету элемент, первый вновь открытый после составления таблицы Менделеева, где было всего 64 элемента. Правда, о законе, открытом русским ученым, за границей предпочитали умалчивать, сводя его к рядовой попытке некоторого упорядочения, систематизации в химии. Но как раз история с галлием и доказала, что Менделеевым найден закон, открывающий перед учеными новую, прямую дорогу к вершинам знания.

Описывая свойства открытого им элемента, Буабодран указывал, что галлий обладает атомным весом 68, а удельным весом – 4,7. Ученые всего мира занесли в свои справочники данные о новом элементе. Никто из них не задумывался над достоверностью этих сведений.

И только один ученый – профессор Санкт-Петербургского университета Дмитрий Менделеев – позволил себе усомниться. Менделеев ожидал открытия элемента вроде галлия, – об этом ему говорил найденный им периодический закон. В своей таблице Менделеев оставил специальную клеточку, поставив туда элемент с названием «экаалюминий», описав еще за пять лет до открытия Буабодрана свойства «экаалюминия», которые и оказались близкими к свойству галлия.

Но Менделеева удивило то обстоятельство, что у французского ученого новый элемент имел удельный вес 4,7, а не 5,9–6,0, как это вытекало из закона.

И вот Буабодран получает письмо, где ему рекомендуется уточнить значение удельного веса. На сей раз удивлен был Буабодран: как так – он, единственный человек в мире, державший в руках галлий, ошибся, а какой-то русский профессор, на основании одних своих рассуждений, осмелился его поправлять!

Однако добросовестность ученого заставила Буабодрана заново проверить свои измерения. И каково же было его смущение, когда при точной проверке удельный вес галлия действительно оказался равным 5,96. Ученый вынужден был выразить восхищение своему гениальному русскому коллеге: «Я думаю, нет необходимости настаивать на огромном значении подтверждения теоретических выводов г. Менделеева», – писал Буабодран. И впрямь, это было начало триумфа нового закона.

Вскоре были открыты и другие элементы, предсказанные Менделеевым, – клеточки заполнялись. В таблице периодической системы элементов стало насчитываться 92 элемента. Причем последним оказался тяжелый элемент «уран», с атомным весом 238. Сейчас уже найдены и другие элементы, полученные искусственным путем, доводящие общее их число до 100.

Уран – элемент, имеющий самый тяжелый атом из всех существующих на земле, привлекал особое внимание творца периодического закона. «Между всеми известными химическими элементами уран выделяется тем, что обладает наивысшим атомным весом… – писал Менделеев, – убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями…»

Жизнь уже вскоре доказала, что и это предвидение Менделеева оказалось пророческим. Уран помог проникнуть в тайны строения атома.

Начало разгадки

Своим гениальным открытием Менделеев положил начало разгадке глубокого секрета природы. Не прошло и десяти-пятнадцати лет, как многие ученые, пользуясь периодическим законом, уже могли, пока еще теоретически, но достаточно глубоко, заглянуть в тот мир, который именуется «атомом». Одним из первых таких исследователей, в совершенстве овладевшим законом Менделеева, был русский ученый Чичерин. В восьмидесятых годах прошлого века, еще не имея в своих руках никаких опытных данных, пользуясь одними лишь математическими расчетами, вытекающими из периодического закона, он пришел к выводу, что «бесконечно малый атом, невидимый для глаз и постигаемый только разумом, управляется теми же законами, которые движут небесные светила в бесконечно великих пространствах вселенной… Каждый атом представляет собой подобие солнечной системы с центральною массою и обращающимися около нее телами».

Многим, вероятно, в то время казалось странным такое сопоставление: атом и солнечная система. Быть может, и вовсе выводы Чичерина не обратили на себя внимания, но факт остается фактом, – этим предположением своим русский ученый предвосхитил более поздние открытия, где уже на основе опыта была создана именно такая модель атома.

Больше того, Чичерин говорил об атомах, что «они неделимы в пределах нашего опыта, но мы не имеем основания сказать, что они неделимы безусловно».

Еще никто не поднимал в науке вопроса о делимости атома, а русский ученый Чичерин об этом заговорил и заговорил только на основании закона Менделеева.

Однако наука требует, чтобы любая теория, любые расчеты, любые предположения были подтверждены опытом. Лишь опыт, наблюдения, тщательно проверенные и многократно повторяющиеся, могут доказать правильность теоретических положений.

Еще через десяток лет, в 1896 году, состоялся и первый опыт. Состоялся он неожиданно, и проделан он был с ураном. Вот как это произошло.

В 1895 году немецкому ученому Рентгену удалось обнаружить невидимые таинственные лучи. Лучи эти могли проникать через непрозрачные стенки, давать отпечаток на фотопластинке и делать воздух или газ, через которые они проходят, хорошими проводниками электрического тока. Лучи возникали внутри запаянной стеклянной трубки, откуда выкачивался воздух и где между двумя металлическими электродами происходили под высоким электрическим напряжением разряды.

Рентген назвал свои лучи «икс-лучами», то есть «неизвестными лучами». В своих описаниях Рентген указывал, что появление лучей сопровождается желтовато-зеленым светом, исходящим из трубки.

Происхождение луча Рентгена, таящее в себе какую-то загадку, заинтересовало ученых-физиков.

Действием и свойствами этих лучей заинтересовались врачи, которые вскоре научились успешно применять их для «просвечивания» человеческого организма.

Французский физик Беккерель много лет трудился над изучением свойств самосветящихся веществ. Есть такие удивительные вещества, – стоит их немного подержать на солнце, как потом они сами начинают в темноте светиться желтовато-зеленым светом. Прочитав об открытии Рентгена, Беккерель решил проверить: не похожи ли лучи самосвечения на «икс-лучи»? Ну, например, не пройдут ли лучи самосветящегося вещества через черную, не проницаемую для обычного света бумагу и не дадут ли они отпечатка на фотопластинке?

И вот Беккерель начал свои опыты. Он брал кусочек такого вещества, выносил на солнце, а затем водворял его в темную камеру и клал на тщательно завернутую в черную бумагу фотопластинку.

Нельзя сказать, чтобы опыты оказались очень удачными, – некоторые вещества никаких отпечатков не давали, а некоторые – те, в которых содержался уран и его соединения, – действительно оставляли слабые отпечатки. Из этого еще нельзя было сделать каких-либо выводов, – может быть, одни светятся слабее, другие сильнее, а значит, и пластинка к одним почти не чувствительна, а на другие реагирует лучше. Беккерель продолжал проверять всё новые и новые составы веществ. Неизвестно, сколько еще пришлось бы ученому биться, если бы не один «неудачный» опыт, заставивший Беккереля совсем отказаться от своей затеи.

Однажды утром, взглянув на хмурое парижское небо, Беккерель с грустью вынужден был отказаться от проведения опыта.

У него в руках был кусочек нового вещества, содержащего уран. Этот кусочек надо было вынести на солнце, а день был на редкость пасмурный. Беккерель, вздохнув, запер в шкаф приготовленную в черной обертке фотопластинку и лежащий на ней кусочек вещества. Через несколько дней, когда ученый вновь собирался приступить к опытам, он достал приготовленный кусочек вещества, но пластинку заменил другой. Каково же было удивление ученого, когда, проявив новую, а заодно и старую пластинки, он обнаружил на старой пластинке еще более сильный отпечаток по форме кусочка, нежели на новой. Выходит, это вещество и незачем было выносить на солнечный свет, выходит, что и несветящийся кусочек такого вещества испускает лучи, похожие на лучи Рентгена?

Это уже было совсем новым, неожиданным открытием. Ведь тут дело обходилось без всякой трубки, без всяких разрядов…

Просто брался кусочек вещества, излучающего удивительные лучи.

Вот когда Беккерель забыл о своих первоначальных намерениях. Теперь он стал обходиться без солнца. Теперь ему надо было узнать другое, – а какие же вещества способны излучать?

Рядом новых опытов ученому удалось определить, что таким свойством обладают уран и его химические соединения. Именно такие светящиеся вещества, в которые входил уран, и давали отпечатки раньше, – уже в первых опытах ученого.

Свойство урана, обнаруженное Беккерелем, заинтересовало других ученых. Польский физик Мария Складовская и ее муж, французский физик Пьер Кюри, решили определить, какие еще элементы, кроме урана, способны к излучению. Долгими поисками, кропотливым трудом в скромной лаборатории ученым удалось отыскать и другие такие вещества, среди которых особенно выделялся совершенно неизвестный ранее химический элемент.

Ученые назвали его «радий», что по-латыни означает: «лучистый». Действительно, это был элемент еще более лучистый, чем уран, – он излучал в миллион раз сильнее. Мария Складовская и Пьер Кюри назвали свойство некоторых веществ излучать невидимые лучи «радиоактивностью».

Но что же это за лучи? Действительно ли это те же «икс-лучи», что открыл Рентген, или это лучи новые?

Открытие радия дало возможность ученым ответить на эти вопросы, – изучить природу и свойство новых лучей, так как теперь они излучались достаточно сильно. Вскоре было обнаружено любопытное свойство новых лучей. Если кусочек радия поместить в поле сильного электромагнита, то лучи, испускаемые радием, на фотопластинках оставляют три следа, как будто здесь три разных вида лучей. Первый пучок отклоняется немного влево, второй пучок направляется прямо, а третий пучок отходит резко вправо.

Следы излучений кусочка радия, помещенного в поле сильного электромагнита.

Стало ясно, что те лучи, которые отклоняются, состоят из заряженных электричеством частиц. Сложными опытами удалось определить, что левый пучок лучей состоит из быстронесущихся положительно заряженных частичек с массой, почти равной массе атома газа гелия. Эти частички были названы «альфа-частицами» (альфа – α – первая буква греческого алфавита). Лучи, отклоняющиеся вправо, как оказалось, состоят из мельчайших частичек, несущих самый маленький отрицательный электрический заряд, – электронов. (Электроны к тому времени были уже известны ученым, их даже называли «атомом электричества».) Такие лучи были названы «бетта-лучами» (β—вторая буква греческого алфавита). Наконец, средние лучи, «гамма-лучи» (γ—третья буква греческого алфавита), были похожи на лучи Рентгена, как будто они излучались от разряда в виде электромагнитных волн.

Но не лучи Рентгена и не «гамма-лучи» теперь уже занимали ученых. Казалось удивительным другое: из вполне определенного химического элемента радия или урана вылетают какие-то частички, не похожие на атомы этих веществ. Но откуда же им взяться? Выходит, атомы сами могут делиться, выходит, что альфа– и бетта-частички – это какие-то осколки атомов! Атомы могут, оказывается, распадаться!

Опыты, о которых писал Чичерин, раздвинулись, и, действительно, атом оказался делящимся.

И вот, этот-то вывод ученых, идущий вразрез со старыми представлениями о том, что «атом» – неделимая мельчайшая частичка, и явился началом разгадки тайны атома.