Матвей Бронштейн - Солнечное вещество (сборник)

• Название: Солнечное вещество (сборник)
• Автор: Матвей Бронштейн
• Жанр: Физика
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-906122-03-2

«Книга «Солнечное вещество», принадлежащая перу безвременно погибшего талантливого физика Матвея Петровича Бронштейна, представляет собой незаурядное явление в области мировой популярной литературы. Она написана настолько просто и увлекательно, что чтение ее, пожалуй, ра́вно интересно любому читателю от школьника до физика-профессионала. Раз начав ее, трудно удержаться и не дочитать до конца».

(Лев Ландау, 1956 г.)

---

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».