Текст книги "Виток спирали"

Автор книги: Валентин Рич

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 12 страниц)

Новое семейство – нулевая группа элементов – очень уместно выглядело именно там, куда оно встало: между щелочными металлами, самыми активными из всех металлов, и галогенами, самыми активными из всех неметаллов.

Правда, с появлением нового семейства в таблице появился новый нарушитель последовательности атомных весов – аргон.

Но во-первых, он был не единственным нарушителем – до него уже были кобальт и теллур.

А во-вторых, разве это был единственный вопрос, который ставил перед наукой закон Менделеева?

ВОПРОС ВОПРОСОВ

Это только вначале так кажется – взойди на гору, и все откроется как на ладони.

С одной стороны, так оно и есть – с горы виднее.

Но с другой стороны, не совсем так, потому что перед взошедшим на гору расширяется горизонт. Линия, отграничивающая то, что мы видим, от того, чего мы не видим, стала много длинней. И за каждой точкой этой границы есть неизвестное.

С вершины открытого Менделеевым закона мир элементов был как на ладони.

Но почему он такой, этот мир?

Почему он начинается с водорода? Почему нет элемента легче? Или он еще не открыт?

Почему он кончается ураном? Почему нет элемента тяжелое, или его тоже еще не открыли?

Наконец, самый главный вопрос. Как образовались атомы разного сорта, если атомы не могут превращаться друг в друга, если они неделимы и вечны?

Новые вопросы означали конец целой эпохи в познании природы вещей. Однако новая эпоха еще не наступила. Невозможность превращения одних элементов в другие в ходе химических реакций была многократно доказана, а никаких иных реакции люди еще не знали.

Часть четвертая
ОТРИЦАНИЕ ОТРИЦАНИЯ

Глава первая,
в которой Крукс и Томсон обнаруживают частицы, более мелкие, чем атомы

ПОРЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Алхимики "читали, что подобное соединяется с подобным. И если сера соединяется с ртутью, то потому, что между ними есть какое-то сродство. Однако Роберт Бойль в своем «Химике-скептике» утверждал обратное – лучше всего соединяются как раз противоположные по своим свойствам вещества. Ведь всем известно, как жадно соединяются кислоты со щелочами!

Эта идея Бойля получила подтверждение в XVIII веке, когда Гальвани и Вольта научились делать батареи. Если в банку с раствором поваренной соли опускали два угольных стержня и подключали их к полюсам гальванического элемента, то на стержне, который был подключен к отрицательному полюсу, всегда выделялся натрий, а на стержне, подключенном к положительному, всегда выделялся хлор.

Когда научились разлагать электрическим током воду, получилась такая же картина: на отрицательном электроде непременно был водород, а на положительном – кислород.

Химики пытались понять, отчего одни элементы выделяются только на отрицательном электроде, а другие на положительном. Уже давно было известно, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а тела, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Поэтому Берцелиус в начале XIX века объяснил поведение элементов при электролизе так… Раз водород притягивается к катоду – отрицательно заряженному электроду, – значит, сам водород заряжен положительно. А кислород, который притягивается к положительно заряженному аноду, заряжен отрицательно.

Все элементы он разделил на электроположительные и электроотрицательные. Положительные – те, что выделяются на отрицательном электроде. Отрицательные – те, что выделяются на положительном.

А соединение одних элементов с другими Берцелиус объяснял следующим образом. Положительный водород притягивается к отрицательному кислороду, и получается вода. Положительный натрий притягивается к отрицательному хлору, и получается поваренная соль.

Это объяснение представлялось вполне логичным. Но вот однажды знаменитый в те времена французский химик Жан Батист Андре Дюма был приглашен на королевский бал.

Химик Дюма был к тому же сенатором и президентом Парижского муниципалитета, поэтому в королевском дворце ему приходилось бывать не так уж редко. Но на этот раз, едва успев войти и скинуть на руки лакею пальто, Дюма почувствовал в воздухе королевского дворца что-то необычное. Чем-то он напоминал воздух его собственной лаборатории.

Машинально взглянув в огромное зеркало и одернув полы парадного мундира, Дюма потянул носом и удивленно покачал головой: откуда это во дворце короля взялась соляная кислота?

Он поспешил наверх, в зал. Запах кислоты чувствовался там: еще сильнее. Многие дамы принимали к глазам тончайшие платочки.

Дюма с подозрением оглядывался вокруг и наконец догадался: свечи! Ослепительно белые восковые свечи издавали удушливый запах.

Всю следующую неделю Дюма вместе со своими ассистентами корпел в лаборатории, пытаясь установить, что произошло со свечами.

И установил: многие атомы водорода в молекуле воска заменились атомами хлора, которым отбеливали воск. Когда свечи горели, хлор выделялся, тут же соединялся с атомами водорода – во влажном воздухе они есть всегда – и получался хлористый водород, который растворялся во влаге воздуха и превращался в едкую соляную кислоту.

Эта история имела последствия не только для фабриканта, поставлявшего во дворец свечи – ему было отказано от двора, но и для теории Берцелиуса, согласно которой электроположительный водород никоим образом не мог быть замещен в воске электроотрицательным хлором.

Деление элементов на положительные и отрицательные оказалось ошибочным. Со временем установили, что сам по себе любой атом электрически нейтрален и лишь в растворе или под влиянием других внешних воздействий может превращаться в электрически заряженный ион, на который и воздействует электрический ток. (Ион в переводе с греческого означает идущее, движущееся, это причастие настоящего времени от глагола эйми – идти.) Но связь между атомами и электричеством, между соединением и разложением разных веществ и притяжением и отталкиванием электрических зарядов была нащупана Берцелиусом правильно.

В тридцатых годах XIX века великий английский физик и химик Майкл Фарадей сумел измерить самую маленькую порцию электричества, необходимую для переноса иона натрия к катоду. Она оказалась в пятьсот миллиардов раз меньше одного кулона. А ведь и сам кулон тоже не очень велик – это количество электричества, способное выделить из раствора азотнокислого серебра 0,001118 грамма драгоценного металла.

Самое занятное заключалось в том, что одинаковая порция электричества была связана и с одним ионом водорода, и с одним ионом натрия, и вообще – с одним ионом любого одновалентного элемента. Но почему это так, поняли позже.

ЛУЧИ В ТРУБКЕ

Майкл Фарадей, первым обнаруживший наименьшую порцию электричества, первым обнаружил и свойство газов пропускать электрический ток.

А его современник немецкий математик и физик Юлиус Плюккер изобрел газосветную трубку.

Он брал обыкновенную стеклянную трубку, наполнял ее каким-нибудь газом, потом часть газа откачивал, а оба конца заваривал вместе с платиновыми проволочками. Теперь стоило подвести к этим проволочкам, кончики которых торчали снаружи, электрический ток – и вся трубка начинала светиться!

После смерти Плюккера опытами с газосветными трубками увлекся английский ученый Уильям Крукс. Между прочим, ото он открыл с помощью спектроскопа элемент таллий с ярко-зеленой полоской в спектре.

Первое, что сделал Крукс – это попытался создать в трубке еще большее разрежение. И ему сразу же повезло: он увидел, как вблизи катода появилось темное пространство, которое постепенно заполнило всю трубку. И когда оно достигло противоположного конца, анод вдруг засветился зеленоватым светом.

Стоит отметить этот 1878 год – год рождения электроннолучевой трубки, самой главной части наших телевизоров.

Однако до телевизоров было еще далеко… А пока что Крукс поместил трубку между полюсами магнита. И тогда анод перестал светиться, и светящееся пятнышко перескочило на стекло, отклонившись по направлению к положительному полюсу магнита.

Это могло значить только одно: от катода несутся по трубке невидимые лучи, представляющие собою отрицательное электричество!

Крукс продолжал опыты и через некоторое время узнал о катодных лучах уже немало. Они распространялись прямолинейно, как солнечный свет. Они не только заставляли многие тела светиться, но некоторые могли даже расплавить. Они способны были проникать сквозь непрозрачные твердые тела. В воздухе они проходили путь в семь сантиметров.

Так не вели себя никакие известные виды лучей или вещества. И Крукс понял, что обнаружил новый вид материи.

Почему появляется темное пространства, когда газ в трубке становится более разреженным?

Да потому, что теперь частицам лучистой материи приходится пролетать некоторое расстояние, прежде чем они столкнутся с каким-нибудь атомом газа и заставят его светиться. Чем больше разрежение, тем дольше полет частиц до встречи с атомами.

Что это за частицы?

Во всяком случае, не атомы, а что-то гораздо более мелкое…

В ТЫСЯЧУ РАЗ ЛЕГЧЕ АТОМА

Скоро студентов будут привозить к нам в детских колясках!" – сказал президент Манчестерского Оуэнс-колледжа, узнав о приеме в университет четырнадцатилетнего Джозефа Джона Томсона. И тут же распорядился не принимать таких малолетних в университетские колледжи.

Однако Томсон с первого же курса стал забирать все стипендии, присуждаемые за лучшие успехи в науках.

Когда ему было 19 лет, его первую работу опубликовали в "Трудах Королевского общества". Когда ему было 24 года, он, блестяще выдержав экзамены на бакалавра, появился в Кавендишской лаборатории. Когда ому было 28 лет, один кембриджский старожил заметил:

– Критические времена наступают в университете, если мальчики делаются профессорами!

Двадцативосьмилетный Томсон был назначен преемником лорда Релея и возглавил Кавендншскую лабораторию – крупнейший в миро центр физической науки.

Томсон много занимался электрическим током. У него не было сомнений в том, что в газах, как и в жидкостях, заряды переносятся ионами. Но откуда они берутся в газах? Что превращает в ионы обычные нейтральные атомы азота пли кислорода? Очевидно, напряжение, подведенное к платиновым проволочкам – электродам трубки…

Отклоняя полет ионов в трубке магнитом, Томсон заметил, что чем больше заряд иона и чем меньше ого масса, тем сильнее отклоняется он от прямолинейного направления полета.

Сильней всего отклонялся магнитом ион водорода. Естественно – ведь его атомный вес в четыре раза меньше, чем у ближайшего к нему элемента – гелия, и в двести сорок раз меньше, чем у самого далекого – урана.

Томсон решил измерить массу частицы лучистой материи Крукса. Но для этого следовало определить величину заряда такой частицы.

Наименьшая величина заряда иона в жидкости была известна – ее определил еще Фарадей: одна пятисотмиллиардная часть кулона. Но никто не знал, какой будет величина заряда у ионов в газах. А без этого Томсон не мог работать дальше.

Выручил его физик Чарлз Таунсенд.

Он вспомнил давно известный факт: когда при разложении раствора поваренной соли выделяется хлор, то некоторые его частицы остаются заряженными и вокруг них образуется туман. Такой же туман сгущается и вокруг выделяющихся частиц водорода и кислорода при разложении током воды. Ионы притягивают к себе из воздуха мельчайшие капли воды.

Таунсенд измерил вес одного кубического сантиметра такого тумана, и полный его заряд, и вес одной капельки. И поделил вес всего кубического сантиметра на вес одной капельки, узнав таким образом число капель в кубическом сантиметре. А затем, поделив общий заряд кубического сантиметра на это число, он получил величину одного наименьшего заряда иона в газе. И оказалось, что и в газах наименьший заряд электричества тоже равен одной пятисотмиллиардной части кулона.

Фарадей мерил в жидкости. Таунсенд – в газе. Фарадей считал атомы натрия. Таунсенд – капельки тумана. А получилось одно и то же число! Значит, и там и тут действовала одна и та же порция электрического заряда, самый маленький, можно сказать – элементарный, электрический заряд.

Еще в 1894 году, за три года до работы Таунсенда, английский физик Джонстон Стони дал элементарному заряду имя – электрон. Он руководствовался идеей об атомарной природе электричества, выдвинутой еще в 1881 году немецким естествоиспытателем Германом Гельмгольцем.

Тогда никто не мог доказать, что электрон – частица. Теперь у Томсона были для этого необходимые данные.

Тем же магнитом, которым он отклонял ионы газов, он стал отклонять катодные лучи. И они отклонялись в тысячу раз сильней, чем ион водорода! Значит, их масса была по крайней мере в тысячу раз меньше массы самого маленького атома. Воистину тонкая материя!

Правильно считал Крукс: частицы лучистой материи, электроны, были совершенно иным видом вещества, чем атомы. Но откуда эти электроны брались?

Очевидно, из атомов, причем атомов любого сорта – ибо катодные лучи возникали в любом газе, лишь бы он был достаточно разрежен.

Получалось, что атом вовсе не прост, что он состоит из электронов и еще из чего-то. И это "что-то" должно было нести положительный заряд – ведь целый атом оставался электрически нейтральным.

Как же мог быть устроен этот сложный атом?

Было предложено два варианта. Первый предложил сам Томсон. В круглом, положительно заряженном атоме сидят, как изюминки в кексе, отрицательные электроны.

Второй вариант предложили сразу несколько ученых. Положительное "что-то" находится внутри, а снаружи, вокруг него, как планеты вокруг солнца, кружатся электроны.

Доказать, кто врав, а кто ошибся, удалось только через несколько лет.

Но сначала расскажем еще об одном свидетельстве того, что атом сложен.

Глава вторая,
в которой атомы пытаются говорить с людьми языком радуги, но люди их не понимают

ФРАУНГОФЕРОВЫ ЛИНИИ

В рассказе о французском химике Лекок де Буабодране и об открытии галлия уже шла речь о спектральном анализе. Этот замечательный способ исследования не только привел к открытию нескольких прежде не известных элементов. Спектроскоп оказался инструментом, проникшим в глубь атома. Уже по одному этому со спектральным анализом надо знакомиться подробнее. И начать это знакомство лучше с фраунгоферовых линий.

Собственно говоря, фраунгоферовы линии первым обнаружил вовсе не Иозеф Фраунгофер, живший в последней трети XVIII и в первой трети XIX века, а его современник Уильям Волластон. Но, в отличие от Фраунгофера, который всю свою жизнь занимался оптикой, Волластон интересовался всем на свете, а более всего химией, в которой он отличился открытием двух родственных платине химических элементов – родия и палладия, а также физикой, ботаникой, медициной, минералогией и другими науками.

Изучая спектр солнечного света, то есть разложенный призмой на семь цветов солнечный луч, Волластон заметил, что на спектре есть несколько резких темных линий.

Это его очень удивило, однако, он не счел нужным далее заниматься этим предметом. И наверное, справедливо, что черные полоски на солнечном спектре не носят имени Уильяма Волластона.

Тот, чьим именем они были названы, родился в 1787 году в семье стекольщика и до 14 лет не знал грамоты. Родители его умерли рано, и еще ребенком он пошел в подмастерья к шлифовщику стекол.

Так бы в безвестности и прошла его жизнь, если бы не обвалился дом хозяина. В тот момент, когда почти бездыханного Йозефа вытаскивали из-под развалин, проезжал мимо со своей свитой баварский принц.

Наследник престола изволил принять участие в судьбе мальчика и пожаловал ему довольно много денег.

Иозеф неплохо распорядился ими, начал учиться, поступил в известную оптическую мастерскую в баварском городке Бенедиктбейерне, а затем стал ее владельцем. Его оптические приборы славились во всем мире.

Но истинную славу ему принесли наблюдения за открытыми Волластоном темными линиями в солнечном спектре.

Линий этих Фраунгофер нашел и зарисовал великое множество – более пяти сотен. Располагались они без какого-либо порядка, пересекая радужную полоску спектра во всех его частях – и в желтой, и в оранжевой, и в голубой, и в синей, и в зеленой, и в красной, и в фиолетовой. Но каждая темная линия, сколько бы раз и когда бы ни смотрел на нее Фраунгофер – в любой час дня и в любой месяц года – неизменно оказывалась на одном и том же месте.

Фраунгоферовы линии поражали воображение. Физики, химики, астрономы не знали, что и думать. Откуда на ослепительном солнце могут браться какие-то черные линии? Если бы они двигались, если бы появлялись и исчезали, то это еще куда ни шло – бывают же на солнце пятна. Но фраунгоферовы линии торчали в солнечном спектре на одних и тех же местах.

Куда менее заметным для современников Йозефа Фраунгофера было другое его открытие – на этот раз не в лучах солнца, а всего лишь в тусклом язычке пламени обыкновенной спиртовки. В спектре этого пламени Фраунгофер обнаружил ярко-желтую двойную линию – в том месте, где в спектре Солнца он всегда видел такую же двойную, но только черную полоску. В 1814 году Фраунгофер опубликовал свое наблюдение, предоставляя коллегам возможность поломать голову над этим необъ-яснимым совпадением. Сорок три года на это явление никто не обращал внимания. В 1858 году английский физик Уильям Сван обнаружил, что двойная желтая линия в пламени спиртовки появляется только тогда, когда в спирте или и фитиле присутствует элемент натрий. Сван рассказал о своих опытах другим физикам, написал статью – и на этом счел инцидент исчерпанным. Он не догадался, что совершил чрезвычайно важное открытие.

Впрочем, увидеть что-либо новое или необычайное – еще не значит открыть.

Есть люди, которые смотрят на вещи и события, но… не видят их. Таких, к сожалению, больше всего.

Другие многое видят, но не всегда понимают увиденное. Это ужо нужные науке люди.

Но больше других пауке нужны те, кто не только видит явления, но и начинает задавать нм вопросы и заставляет их отвечать себе.

Волластон, Фраунгофер, Сван сумели увидеть загадочные явления. Но заставили их рассказать о себе другие естествоиспытатели.

ЗАДАЧА С НАТРИЕМ И СОЛНЦЕМ

В начале пятидесятых годов прошлого века в маленьком немецком городке Гейдельберге, знаменитом своим университетом, физик Густав Роберт Кирхгоф и химик Роберт Вильгельм Бунзен получили ответ на некоторые исключительно важные вопросы, касающиеся фраунгоферовых линий.

Повторим вкратце условие задачи – то, что им было "дано".

В спектре пламени спиртовки иногда появляется двойная желтая линия.

Она возникает только в присутствии натрия.

В спектре Солнца есть точно такая же двойная, но темная линия.

Рассуждение Кирхгофа и Бунзена сводилось к следующему" Они предположили, что желтая двойная линия в пламени спиртовки, появляющаяся только в присутствии натрия, принадлежит не спирту, а натрию…

Кирхгоф, и Бунзен взяли кристаллик поваренной соли, раскалили его, и свет раскаленных паров направили на призму спектроскопа. И получили первый ясный ответ: на шкале спектроскопа появился сплошной, без каких-либо темных полосок, спектр раскаленного вещества, и на нем виднелась та самая ярко-желтая линия.

Предположение подтвердилось – это была линия натрия.

Дальше Кирхгоф и Бунзен рассуждали так. Если двойная желтая линия принадлежит натрию, то и находящаяся в спектре Солнца на том же месте двойная черная линия могла бы тоже принадлежать ему. Что если при прохождении света от раскаленного натрия через более холодные пары того же натрия ярко-желтая линия поглощается и в спектре остается как бы ее тень?..

Исследователи опять раскалили кристаллик поваренной соли, но преградили путь его лучам к призме бледным язычком пламени спиртовки. И натрий ответил: да, это так! Пары натрия в пламени спиртовки поглотили двойную желтую линию, посланную парами натрия из кристаллика поваренной соли, и на спектре возникла двойная черная линия.

Но если в спектре Солнца есть та же двойная черная линия, то не означает ли это, что на Солнце происходит то же самое?

И они направили на призму спектроскопа одновременно два луча – луч Солнца и луч от пламени спиртовки. На шкале спектроскопа появилась все та же двойная черная линия. Тогда Кирхгоф и Бунзен поставили на пути солнечного луча непрозрачный экран – и на шкале, на месте двойной темной линии, засветилась ярко-желтая…

Итак, ответы, полученные от природы, были такими:

двойная линия принадлежит натрию;

на Солнце есть натрий;

фраунгоферовы линии образуются раскаленными парами элементов, находящихся на Солнце.

Но на основании этих трех ответов Кирхгоф и Бунзен сумели найти еще и четвертый, самый важный: у каждого элемента есть в спектре свой, индивидуальный набор линий.

ИЕРОГЛИФЫ ПОЛОС

Эта работа – в виде коротенькой заметки, всего две страницы – была обнародована в 1859 году.

А уже через год начались триумфальные открытия новых элементов с помощью спектроскопа.

Спектральный анализ оказался замечательным методом исследований мира веществ, он вел от одного открытия к другому.

Но почему?

Не потому ли, что, не ведая того, люди проникли в заповедные глубины вещества?

И еще вопрос: если спектры могут служить визитными карточками элементов, атомов одного и того же сорта, то откуда их сложность, откуда эти многочисленные полосы?

Сложные спектры намекали на то, что атомы устроены далеко не просто; даже у самого легкого атома – водорода – в спектре оказались четыре темные полоски.

Но расшифровывать иероглифы спектральных линий еще никто не умел.

В 1885 году швейцарский учитель Йогам Бальмер заметил, что четыре линии водородного спектра расположены не как попало, а в определенной математической последовательности. И предсказал, что должны быть еще и другие линии, и вычислил, где именно – в видимой и в невидимом части спектра.

Эти дополнительные линии действительно нашлись.

В строгом порядке линий, свойственных спектрам элементов, угадывался смысл. И хотя никому не удавалось перевести его на человеческий язык, стало ясно, что атом не сплошной однородный шарик, каким он представлялся со времен Демокрита.

Электрон свидетельствовал о том же самом.

Есть ли связь между темными полосками спектров и электронами атомов? И если есть, то какая?

Знания, накопленные к 1896 году учеными, но позволяли получить ответ на вопрос о строении атома. Но они свидетельствовали о том, что какое-то строение у атома есть.

Надо было искать новые факты. И никто, конечно, не предполагал, что до их открытия оставались считанные дни.