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.)

---

У Рэмзэя не было приборов, чтобы точно определять положение линий в спектре. Поэтому он послал спектроскопическую трубочку с новым газом лондонскому физику Вильяму Круксу – одному из лучших тогдашних специалистов по спектроскопии. Осторожный в своих научных выводах, Рэмзэй утаил от Крукса свое предположение, что найденный им газ – это гелий. Он написал только, что нашел какой-то новый газ, который предлагает назвать «криптоном», и просит Крукса тщательно определить положение всех линий в спектре нового газа.

Крукс пропустил через криптон электрический ток. И вот в спектроскопе вспыхнула та самая желтая линия гелия, которую Жансен и Локайер нашли в спектре солнечных выступов.

Значит, в присланной от Рэмзэя трубочке находится то самое таинственное вещество, которого не держал в руках ни один человек на земле.

Крукс послал Рэмзэю городскую телеграмму. В ней было всего несколько слов:

Crypton is Helium. Come and see it. Crookes.

По-русски это означает: «Криптон это гелий. Приезжайте – увидите. Крукс».

Так был найден на Земле гелий, найденный на Солнце за 27 лет перед тем.

Рэмзэй немедленно приехал в лабораторию Крукса, и они вместе занялись подробным изучением спектра гелия. Кроме желтой линии D3, они обнаружили в спектре гелия еще пять линий: две красные, одну зеленую, одну синюю и одну фиолетовую. Эти линии не были замечены астрономами потому, что в спектре солнечных выступов они горят недостаточно ярко. Гелий, найденный на Земле, дал ученым возможность полнее и подробнее рассмотреть его спектр.

После измерений Крукса уже нельзя было сомневаться в том, что найденный Рэмзэем газ есть действительно гелий[9].

В тот же день – 23 марта 1895 года – Рэмзэй решился опубликовать свое открытие. Он послал короткое сообщение Лондонскому Королевскому обществу (так называется высшее научное учреждение в Англии) и одновременно написал письмо известному французскому химику академику Бертело с просьбой сообщить Парижской Академии наук об открытии гелия на Земле.

В истории открытий бывают странные совпадения.

Через две недели после Рэмзэя другой химик, швед Ланглэ, тоже добыл гелий, тоже из клевеита, и сообщил о своем открытии тому же академику Вертело. Письмо его было помечено 8-м апреля 1895 года.

Новая задача

Как только Рэмзэй добыл из клевеита гелий, он сейчас же стал проделывать с ним разнообразные опыты. Ведь он был первый химик на свете, которому посчастливилось держать в руках солнечное вещество.

Гелий, открытый на Солнце, нельзя было взвешивать. Астрономы только догадывались, что это один из легчайших газов. Рэмзэй впервые взвесил гелий. Он убедился, что астрономы были правы: гелий и в самом деле оказался очень легким газом. Изо всех газов один только водород легче гелия, а все другие тяжелее. Воздух тяжелее гелия почти в семь раз.

Потом Рэмзэй решил испытать, может ли гелий химически соединяться с другими веществами.

Он перепробовал множество веществ, но ни с одним из них гелий не захотел соединяться.

Значит, гелий тоже ленивый газ, как и аргон.

А если так, то не поискать ли его в воздухе? Ведь газ, который не желает соединяться с другими веществами, непременно уйдет в воздух. Даже если он находится в недрах земли, в горных породах, то и тогда проберется он в атмосферу по трещинкам и порам.

Как же узнать, есть ли в атмосфере гелий? Как добыть гелий не из редкого минерала клевеита, а из самого обыкновенного воздуха?

Если правда, что гелий растворен в воздухе, то есть только один способ извлечь его оттуда.

Нужно удалить из воздуха все другие газы – убрать кислород, убрать азот, убрать аргон. То, что останется, это, верно, и будет гелий.

Но как же это сделать? Как удалить из воздуха кислород, азот и аргон?

Кислород удалить нетрудно. Рэмзэй знал, что раскаленная медь поглощает кислород, присоединяет его к себе. Батарея фарфоровых трубок, наполненных раскаленными медными опилками, – вот прибор для удаления кислорода из воздуха. Насосы гонят воздух по трубкам – из одной в другую, – и по дороге кислород застревает в раскаленных опилках. И вот из батареи в закрытый сосуд, в газометр, течет уже не воздух, а воздух минус кислород, воздух, освобожденный от кислорода.

После кислорода легко убрать и азот. Тут уж не медь нужна, а другой металл – магний. Нужно взять такие же фарфоровые трубки, но наполнить их не раскаленной медью, а раскаленным магнием. Из второй батареи в газометр будет вытекать не воздух, а воздух минус кислород и минус азот.

Ну, а как быть с аргоном? Ведь аргон – ленивый газ: он не соединится ни с магнием, ни с медью. Нет такого раскаленного металла, который мог бы впитать в себя аргон. Он пройдет через обе батареи и не застрянет в пути.

И гелий тоже ленив, он тоже не застрянет в раскаленных опилках. Вместе с аргоном он проскочит через обе батареи.

Как же отделить гелий от аргона? Как из смеси аргона с гелием добыть чистый гелий?

Рэмзэй долго ломал себе голову над этой задачей. Если бы можно было найти такое вещество, которое соединяется с аргоном, но не с гелием, – тогда задача была бы решена. Аргон застрял бы в этом веществе, как раньше застряли кислород и азот, и в газометре остался бы чистый гелий.

Но ведь в том-то и беда, что такого вещества в природе нет. Ни одно вещество не соединяется с ленивым газом аргоном.

Значит, аргон нельзя удалить тем же способом, каким был удален кислород и азот.

Задача казалась неразрешимой.

Ключ к решению

Только после долгого раздумья Рэмзэй понял, что ему делать. Он вспомнил, как поступают химики, когда из смеси спирта с водой нужно добыть чистый спирт.

Спирт испаряется быстрее, чем вода. Этим-то и пользуются химики. Они нагревают смесь. Первые порции пара, поднимающиеся над жидкостью, – это пары чистого спирта. Следующие порции – это смесь паров воды и паров спирта. А последним идет уже чистый водяной пар.

С первыми порциями пара де́ла немного. Стоит охладить этот пар, и он сразу превратится в чистый спирт.

А вот со следующими порциями, со смесью паров, возни больше. Их тоже собирают, тоже охлаждают, но в холодильник теперь течет уж не чистый спирт, а смесь воды и спирта. Эту смесь снова пускают в перегонный аппарат, снова нагревают, и вот опять поднимаются пары – сперва пары чистого спирта, а за ними и смесь, которую еще раз пускают в перегонку. И вся эта история повторяется до тех пор, пока не удается окончательно разлучить воду со спиртом.

Этот хлопотливый, но верный способ отделения одной жидкости от другой называется у химиков дробной перегонкой.

На этот раз Рэмзэй решил отделить дробной перегонкой гелий от аргона.

Но разве это возможно? Ведь дробной перегонкой химики разлучают жидкости, а гелий и аргон – газы.

Рэмзэй доказал, что это возможно. Нужно только превратить воздух в жидкость, а потом дать ему испариться. При перегонке составные части воздуха будут уходить из него не все сразу, а по очереди: сперва уйдет та, которая легче всего испаряется, а за ней и другие, которые испаряются медленнее.

Так дробная перегонка поможет отделить гелий от аргона.

Значит, остановка только за тем, чтобы сделать воздух жидким.

Для этого нужен очень большой холод: 192 градуса ниже нуля. При ста девяноста двух градусах воздух превращается в жидкость.

Нигде на земле такого мороза не бывает. Но люди научились создавать его сами.

Мороз в 192 градуса производят особые холодильные машины.

Почти в каждой хорошо оборудованной лаборатории вы найдете в наше время холодильную машину. Но в те времена, когда Рэмзэй занимался поисками гелия в воздухе, в целом мире существовали всего лишь три-четыре лаборатории, в которых сложными и громоздкими способами добывался жидкий воздух.

Рэмзэй был в большом затруднении. Для задуманной работы требовалось много жидкого воздуха. А он был редкостью.

Но тут Рэмзэю неожиданно повезло. На его счастье, как раз в ту пору, когда жидкий воздух был ему необходим, а достать его было негде, – в эти самые дни, как будто нарочно для него, изобрели холодильную машину, такую простую и удобную, что ее можно было завести в каждой лаборатории.

Два человека изобрели ее в одно и то же время. Они жили в разных странах и работали порознь. Но изобретенные ими машины устроены совершенно одинаково.

Изготовление холода

Если воздух сильно сжать, а затем дать ему быстро расшириться, он сразу охладится. На этом физическом законе и основано устройство холодильной машины.

В машину подают воздух. Мощные насосы сжимают его в узкой трубе, а затем выгоняют в просторную камеру. Тут он сразу расширяется и становится холоднее. Этим охлажденным воздухом охлаждают новую порцию сжатого воздуха, поступившую в машину. А расширившись, она становится еще холоднее. Второй порцией охлаждают третью, третьей четвертую, и наконец в машине наступает мороз в 192 градуса. Воздух так охлажден, что превратился в жидкость.