Текст книги "Солнечное вещество (сборник)"

Автор книги: Матвей Бронштейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 12 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

Компания лентяев

Целых три года изучал Рэмзэй новооткрытые газы. Помощник Рэмзэя, Трэверс, построил машину, способную производить ещё больший холод, чем машина Хэмпсона. Хэмпсон добился мороза в 192 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 твёрдым, как лёд.

Рэмзэй и Трэверс стали выпаривать твёрдый 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 Рэмзэй и Трэверс отыскали ещё 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 Рэмзэя, учёные были уверены, что воздух состоит только из кислорода и азота. Потом был открыт аргон. А Рэмзэй и Трэверс доказали, что к каждому литру воздуха подмешано, кроме аргона, 18 кубических миллиметров неона, 5 кубических миллиметров гелия, 1 кубический миллиметр криптона, одна десятая кубического миллиметра ксенона.

Добыв из воздуха эти газы, Рэмзэй 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 ленивыми газами. Целая компания лентяев! И всех их Рэмзэй выделил из воздуха, очистил и изучил. Он изучил их спектры, измерил их плотности, температуры замерзания и кипения[10]10
  С одним лишь исключением: измерить температуру замерзания и кипения гелия Рэмзэю не удалось. Для этого нужно было бы превратить гелий в жидкость и затем узнать, при какой температуре жидкий гелий кипит, а при какой замерзает. Но холод, который создавала построенная Трэверсом машина, был недостаточно силён. Гелий в этой машине не хотел делаться жидким.
  Превратить гелий в жидкость удалось впервые не Рэмзэю, а другому учёному – голландцу Каммерлинг-Оннесу. Произошло это в 1903 году. Для превращения гелия в жидкость понадобилось создать мороз в 269 градусов. А в 1926 году удалось сделать гелий из жидкого твёрдым. Для этого пришлось сильно сдавить жидкий гелий и понизить температуру до 272 градусов ниже нуля. (О лаборатории Каммерлинг-Оннеса и о достигнутых в ней низких температурах рассказано в детском журнале «Ёж» – в № 7 за 1935 год.)


[Закрыть].

Первое время эти ленивые газы были большой редкостью в лабораториях. Очень немногие химики могли похвастаться тем, что держали в руках хотя бы крохотный пузырёк неона или гелия. А криптон и ксенон ещё и в наше время редко можно найти в химической лаборатории, несмотря на то, что после их открытия прошло уже сорок лет. И это понятно: на литр воздуха приходится криптона всего только 1 кубический миллиметр, а ксенона ещё 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 2,5 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 100 литров криптона и 10 литров ксенона.

Редчайшие газы – криптон и ксенон – перестанут считаться редчайшими. Их будут добывать на заводах и продавать в химических магазинах.

Но 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 её наполнить криптоном или ксеноном, то она будет ещё ярче, ещё долговечней. Обыкновенная лампочка, рассчитанная на 110 вольт, мгновенно перегорает, если пустить в неё ток с напряжением в 200 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 Рэмзэй. 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 самолётов и дирижаблей. Это железная башня, на которой укреплены шестнадцать стеклянных трубок. Каждая трубка длиною в 6 метров. Все они наполнены неоном.

В туманные ночи, когда не видно ни луны, ни звёзд, 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 учёные на этом не остановились.

Если ленивые газы растворены в воздухе, то почему бы им не быть растворёнными 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 ещё меньше ленивых газов, чем воздух. Одно только нашлось исключение – минеральная вода. В некоторых минеральных источниках было обнаружено довольно много гелия. Немецкий физик Кайзер нашёл гелий в воде одного источника в горах Шварцвальда, Рэмзэй отыскал гелий в целебном источнике Котрэ 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.[11]11
  Эти опыты делал химик Макдональд. Другие химики подтвердили вывод Макдональда: в животных и растениях нет ленивых газов. Но два немецких химика – Шлезинг и Рихард – сделали другой вывод. Им пришла в голову фантазия – добыть воздух из плавательного пузыря рыб и посмотреть, много ли там аргона и других ленивых газов. Как и следовало ожидать, оказалось, что у всех пород рыб в плавательном пузыре содержится самый обыкновенный воздух: в нём ровно столько же аргона, как и в воздухе, взятом из атмосферы. И только у одной породы рыб – у хищных рыб мурен, которые водятся в Средиземном море, – воздух плавательного пузыря почему-то оказался в полтора раза богаче аргоном, чем обыкновенный воздух. До сих пор никто не знает, почему мурены имеют такую странную особенность. Но может быть, что Шлезинг и Рихард просто ошиблись. Это очень вероятно, потому что их опытов никто не проверял.


[Закрыть]

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? Рэмзэй 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 Цейлоне. Называется этот минерал – торианит. Если килограмм торианита раскалить докрасна, то он отдаст около десяти литров гелия.

Много минералов изучил Рэмзэй, 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 нём 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 Рэмзэй 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 Рэмзэй 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 – ещё с восемнадцатого 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 твёрдо убеждены, что уран – заурядный металл, металл, каких много.

Но в марте 1896 года парижский химик Беккерель 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 учёных – 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 ещё 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[12]12
  Название «нитон» не удержалось. Чаще называют этот газ другим именем: «эманация радия». А в последние годы ему стали давать ещё и третье имя – «радон».


[Закрыть]. По-гречески это значит «сияющий».

Эрнест Резерфорд

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 девятнадцатого века?

Да потому, что эти лучи – невидимые. Раскалённый уголь, раскалённое 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 всё-таки заметили эти лучи?

Фредерик Содди

Лучей урана, тория, нитона, радия не видит человеческий глаз. Но их видит фотографическая пластинка. Пластинка чернеет, когда на неё падают невидимые лучи. Но есть и ещё способ заметить их безо всякой фотографической пластинки. Существует такое вещество: сернистый цинк. Когда на сернистый цинк падают невидимые лучи, он начинает светиться.

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 её и приготовил позитив.

Английский физик Крукс, тот самый Крукс, который когда-то телеграфировал Рэмзэю, 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 остриё иголочки была насажена крохотная невидимая пылинка радия. Потом он пошёл в тёмную комнату и принялся смотреть на дно стаканчика сквозь увеличительное стекло.

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. Всё дно стаканчика было усыпано ими – совсем как уголок ночного неба, густо усыпанный звёздами. С одной только разницей. На глазах у астронома звёзды не гаснут. Не одна сотня тысячелетий пройдёт перед тем, как изменится привычный рисунок созвездий, распадётся Большая Медведица, распустится Пояс Ориона. А звёздочки, 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.

Справа – прибор Крукса для наблюдения вспышек на сернистом цинке. Слева – схема прибора (А – пылинка радия на кончике иглы, В– сернистый цинк, С– лупа).

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 пулемёта. И то, что видел Крукс, – это была бомбардировка сернистого цинка таинственными микроскопическими снарядами, которые вылетали из крошечной пылинки радия на кончике иглы.

Рождение гелия

Известие об опыте Крукса дошло до лаборатории Резерфорда и Содди в далёком Монреале. И это известие неожиданно натолкнуло молодых учёных на решение вопроса, над которым безуспешно бился Рэмзэй. Резерфорд и Содди сопоставили два факта.

Факт № 1: гелий, как установил Рэмзэй, всегда обнаруживается в минералах вместе с веществами, испускающими невидимые лучи, – с торием и ураном.

Факт № 2: невидимые лучи, как установил Крукс, это поток каких-то частиц.

Между этими фактами – рассуждали Резерфорд и Содди – должна существовать какая-то связь. Какая же? Резерфорд и Содди решились на смелую догадку:

Частицы, вылетающие из урана, тория, радия, нитона, – это частицы гелия. В уране, тории, радии, нитоне непрерывно рождается гелий. Вот почему в минералах, где есть уран и торий, всегда оказывается и гелий.

Проверка опытом

Высказать догадку – этого мало. Нужно суметь доказать, что она правильна. А для этого есть только одно средство – опыт.

Весной 1903 года Фредерик Содди приехал в Англию. В Лондоне он увиделся со знаменитым Рэмзэем. Они решили проверить на опыте, верно ли, что частицы, которые наблюдал Крукс, это частицы гелия.

Рэмзэй и Содди наполнили спектроскопическую трубочку нитоном. Через трубочку пустили электрический ток, и нитон засветился голубоватым огнём. Тогда Рэмзэй и Содди взяли спектроскоп и стали рассматривать спектр. Они увидели три яркие линии: оранжевую, жёлтую, зелёную. Это были спектральные линии нитона. Никаких других линий в спектре не было видно.

Рэмзэй и Содди оставили нитон в спектроскопической трубочке и ушли. А через два дня они вернулись в лабораторию, снова включили ток и снова рассмотрели спектр запертого в трубочке газа. И что же? Спектральные линии нитона горели на своих местах в оранжевом, жёлтом и зелёном участке спектра, но они стали гораздо слабее, чем за два дня перед тем. А рядом с ними горели новые линии, которых два дня тому назад не было. Рэмзэй и Содди сразу узнали их: это были спектральные линии гелия.

Извне гелий не мог попасть в спектроскопическую трубочку. Значит, он возник в самой трубочке, возник из нитона.

Прошло ещё два дня, и Рэмзэй и Содди снова пропустили через свою трубочку ток. Трубочка зажглась, и сразу же стало видно, что с запертым газом произошла ещё бо́льшая перемена. Четыре дня тому назад трубочка светилась голубоватым огнём. А теперь огонь был жёлто-белый – точь-в-точь такой, каким светятся трубки, наполненные гелием. Теперь можно было и без спектроскопа увидеть, что в трубочке гелий. А когда Рэмзэй и Содди всё-таки заглянули в спектроскоп, то у них исчезли и последние сомнения. Спектральные линии нитона ещё светились в спектре, но так слабо, что были еле видны. А спектральные линии гелия горели ярким блеском.

Так на глазах у Рэмзэя и Содди родился гелий.

Рождение гелия из нитона было доказано.

Сколько лет клевеиту?

Нитон превращается в гелий. А как же уран и торий? Ведь химики уже очень давно имели дело с этими металлами, и никто не заметил, что они превращаются в гелий. А если так, то нет ли какой-нибудь ошибки в утверждениях Резерфорда и Содди о том, что гелий рождается не только в нитоне, но и в уране и в тории?

Резерфорд и Содди продолжали настаивать: никакой ошибки нет. Разница между ураном и нитоном та, что нитон превращается в гелий быстро – в течение нескольких дней, а уран очень медленно. Потому-то никто до сих пор и не заметил превращения урана в гелий.

Содди взял большую колбу, наполнил её веществами, содержащими уран, и тщательно удалил все газы, которые были растворены в этих веществах. Затем он закрыл колбу – так, чтобы никакие газы не могли проникнуть туда извне. А через год он снова исследовал содержимое колбы и обнаружил, что в ней появился гелий, которого раньше не было. Правда, гелия было очень мало, – всего лишь одна десятая часть кубического миллиметра, – но для чувствительного спектроскопа и этого оказалось довольно. Содди явственно увидел жёлтую спектральную линию гелия.

Значит, из урана тоже рождается гелий.

В колбе у Содди была тысяча граммов урана. А извлёк он из колбы всего только десятую часть кубического миллиметра гелия.

Крохотный пузырёк гелия – это всё, что получилось из килограмма урана за год. Весит этот пузырёк всего лишь одну пятидесятимиллионную долю грамма. Вот как медленно превращается уран в гелий: из каждой тонны урана ежегодно образуется всего лишь две сотых миллиграмма гелия.

Нет ничего удивительного в том, что химики до Содди не смогли заметить превращения урана в гелий. Содди заметил гелий только потому, что он его искал.

Но если уран превращается в гелий так медленно, то почему же в минералах, содержащих уран, находят иногда большое количество гелия?

Ответ ясен: потому, что эти минералы лежат в земной коре очень давно – миллионы, а то и сотни миллионов лет.

Гелий, найденный Рэмзэем в клевеите, это гелий, возникший из урана. А гелий, который извлекают из торианита, это гелий, возникший из тория и из урана (в торианите есть и торий, и уран).

Сколько же лет пролежали в земле клевеит, торианит, фергусонит, монацит, прежде чем попали в руки человека?

Геологи не могли ответить на этот вопрос.

За них ответили физики после того, как узнали тайну рождения гелия.

Физика узнаёт возраст Земли

Английский физик Стретт взял кусок минерала гематита. Минерал был добыт из пластов земной коры, хорошо исследованных геологами. По окаменелым остаткам животных и растений геологи давно изучили эпоху, в которую возникли эти пласты. В Европе тогда было жарко, как теперь в тропиках. Всю Европу покрывали леса, но не такие леса, какие бывают в тропических странах в наше время, а совсем другие. Вместо лиственных деревьев в них возвышались гигантские хвощи и папоротники. В лесах было множество скорпионов, пауков и всяческих насекомых, но нельзя было бы отыскать ни одной птицы, ни одного млекопитающего. А о человеке и говорить нечего: на всём земном шаре тогда ещё не было ни одного человека.

Эту далёкую эпоху геологи прозвали «каменноугольной».

У них не было сомнений в том, что каменноугольная эпоха была очень давно. Но как давно? Сто тысяч лет тому назад, или миллиард лет тому назад, или триллион лет тому назад? На это геологи не могли дать ответа. Ведь людей в каменноугольную эпоху не было, – значит, некому было отмечать время.

Столетия и тысячелетия шли, никем не считанные. Как же сосчитать их теперь, когда они уже давно прошли?

Стретт сумел их сосчитать. Для него это была простая арифметическая задача.

Взяв кусок гематита, выкопанный из пластов, которые возникли в каменноугольную эпоху, он исследовал его состав. Оказалось, что на каждый грамм урана в гематите приходится около двадцати кубических сантиметров гелия. А мы знаем, что в каждом грамме урана рождается в год одна десятимиллионная доля кубического сантиметра гелия. Весь этот гелий полностью должен был остаться в гематите, потому что в гематите нет трещинок и пор, по которым гелий мог бы пробраться наружу. Сколько же нужно было лет, чтобы гелия накопилось двадцать кубических сантиметров, если каждый год накопляется одна десятимиллионная часть кубического сантиметра?

Ясно, что двести миллионов лет.

Следовательно, каменноугольная эпоха была двести миллионов лет тому назад.

Стретт измерил количество гелия не только в гематите, но в разных других минералах, оставшихся от всевозможных геологических эпох. И каждое такое измерение открывало ему новую дату истории Земли.

Он вычислил, что юрская эпоха, – так называется та эпоха, когда млекопитающих ещё не было, а по воздуху летали крылатые ящерицы и зубастые птицы, – была восемь миллионов лет тому назад, а самая древняя эпоха – архейская, – когда на Земле ещё совсем не существовало животных, – была около миллиарда лет тому назад.

Миллионы и миллиарды лет гематит, уранинит, клевеит, торианит, фергусонит, монацит копили в себе гелий.

Измерив количество гелия, учёные установили хронологию Земли. Минералы, содержащие уран и торий, стали хронометрами, по которым физики и геологи отсчитали не секунды, не минуты и не часы, а тысячелетия и миллионы лет.