И. НЕЧАЕВ
ВЕЩЕСТВО ГОЛУБОЕ И КРАСНОЕ
Пятьдесят семь и ни одного больше
Когда в 1789 году Лавуазье попытался составить список всех элементов, какие существуют в мире, он насчитал их всего тридцать три. Но в действительности только двадцать четыре из них были настоящими элементами. Остальные девять либо вообще не существовали в природе, либо были причислены Лавуазье к элементам только потому, что в его время еще не умели разлагать эти вещества на составные части.
А сорок лет спустя, в год смерти Дэви, химики уже твердо знали о существовании пятидесяти трех различных элементов.
Сам Дэви открыл и указал путь к открытию не менее десятка новых элементов, а остальные были найдены другими учеными различных стран.
В начале XIX века жил в Париже некий Куртуа. Когда в Европе начались наполеоновские войны и вырос спрос на селитру, из которой готовят черный порох, Куртуа построил под Парижем селитряный завод. Дела пошли у него неплохо, но скоро он заметил, что медные чаны, в которых готовилась селитра, почему-то чересчур быстро протравливаются насквозь. Куртуа стал доискиваться причины и обнаружил в щелочах неизвестное едкое вещество.
В чистом виде оно представляло собой твердые кристаллики, отливавшие черным металлическим блеском. Эти кристаллы обладали одним необычным свойством: при нагреве они сразу, не плавясь, превращались в фиолетовые пары.
Куртуа дал изучить найденное им вещество знакомому профессору
Клеману. Тот показал его крупнейшему французскому химику Гей-Люссаку. А когда Дэви в 1813 году посетил Париж, то и ему дали на исследование кусочек вещества, которое выделяло фиолетовые пары.
Так был открыт новый элемент — йод.
Это тот самый йод, которым мы все теперь пользуемся, когда нужно дезинфицировать порез, царапину или рану. Только мы для этой цели употребляем не твердый йод, а его раствор в винном спирте.
Спустя несколько лет после открытия йода был извлечен из редкого минерала еще один неизвестный элемент — металл, похожий на калий и натрий. Он оказался совсем легким — только немногим тяжелее самых легких сортов дерева. Если бы этот металл не обладал такой же способностью бурно соединяться с водой, какой отличаются калий и натрий, из него можно было бы делать спасательные круги для утопающих — настолько он легок. Этого третьего близнеца из породы щелочных металлов назвали литий.
Скоро и для йода была найдена подходящая «пара». В 1826 году француз Баляр обнаружил в солончаковом болоте, где добывалась соль, неизвестное вещество. По многим своим свойствам оно походило на йод, но это не был йод. Когда новое вещество выделили в чистом виде, оно оказалось тяжелой красной жидкостью с удушливым запахом. Этому элементу дали название бром. Кто знаком с фотографией, тот знает, что все фотографические пластинки, бумага и пленка покрываются теперь соединениями брома с серебром. А соединение брома с натрием продается во всех аптеках как средство от бессонницы.
Несколько новых элементов открыл швед Берцелиус, тот самый, который в 1808 году помог Дэви разложить барий и известь.
Ряд новых элементов был обнаружен также среди благородных металлов. Раньше знали только три благородных металла: серебро, золото, платину. А в самом начале XIX века удалось найти еще четырех близнецов платины — иридий, осмий, родий и палладий. Этим дело не ограничилось. Пятнадцать лет спустя после смерти Дэви, в 1844 году, профессор Казанского университета Клаус нашел в уральских платиноносных рудах еще один элемент, похожий на платину, который он назвал рутений. Это был уже пятьдесят седьмой по счету элемент.
Затем наступило затишье. Больше новых элементов не обнаруживалось нигде.
В те годы, во второй четверти XIX века, стала быстро развиваться промышленность. По Европе и Америке протянулись первые железные дороги. На морях появились первые пароходы. И в поисках сырья для промышленности, в поисках руд, угля и других ископаемых люди забирались в отдаленнейшие уголки земли.
Были собраны богатейшие коллекции минералов и горных пород. Тысячи различных веществ прошли через руки химиков на заводах и в лабораториях и были подвергнуты самому тонкому анализу. Однако новых неразложимых элементов, кроме уже известных пятидесяти семи, не удавалось больше найти.
Может быть, действительно все существующие на земле элементы к тому времени уже были найдены и искать больше не имело смысла?
Нет, искатели элементов не успокаивались. Они рассуждали таким образом:
«Нам, по-видимому, удалось пока изучить только те элементы, которые повсюду попадаются в больших количествах и которые легко отделить от других элементов. Но мы знаем, что все известные нам элементы распределены по земному шару очень неравномерно. Железа, например, много во всех частях света, меди — гораздо меньше, серебра — еще меньше, золота — совсем немного. А рутения вообще на всей земле, вероятно, не больше нескольких десятков тонн. Почему же не допустить, что существуют еще более редкие элементы, рассеянные кое-где лишь ничтожными горсточками или крупицами? Надо попытаться их выследить».
Поиски продолжались, но безуспешно. В Австралии и в Гренландии, под Парижем и на вулкане Везувий находили самые различные горные породы, но все они состояли только из хорошо знакомых элементов. А новых элементов никто не находил.
Между тем теперь как будто было гораздо легче отыскивать новые вещества, чем во времена Шееле и Лавуазье.
Искусство химического анализа совершенствовалось с каждым годом. Химики научились не только определять, какие именно элементы содержатся в том или ином камне или глине. Они могли и с большой точностью указать, сколько содержится в этом веществе одного элемента и сколько другого.
С одним граммом вещества опытный химик проделывал десятки операций и превращений. Вещество растворяли. Выпаривали. Промывали. Фильтровали. Прокаливали. Обрабатывали кислотами и щелочами. Жгли на огне. Охлаждали во льду. Размалывали в ступке. И ни одной крупинки вещества при этом не теряли.
Были созданы сложные аналитические весы, настолько чувствительные, что на них можно было взвесить пылинку вещества, в тысячу раз более легкую, чем гирька весом в один грамм.
Тонко, необыкновенно тонко научились люди работать в лабораториях.
И все-таки новых элементов ни один химик больше не мог найти.
Наконец на помощь химии снова пришла физика, как это уже было однажды, когда открытие физика Вольта помогло химику Дэви.
Тогда новые химические элементы были найдены благодаря электричеству.
На этот раз, полстолетия спустя, открыть новые элементы помог химикам свет.
Два друга, химик Роберт Бунзен и физик Густав Кирхгоф, объединили свои знания и свое искусство и совершили поистине замечательные открытия.
Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф
На долю Роберта-Вильгельма Бунзена выпала жизнь ровная и размеренная, как ход старинных добротных часов. Бунзен никогда не знал нужды и бедности, а к богатству он не стремился. Его не увлекали ни слава, ни искусство. Он знал свою науку, и ничего больше.
Он не был самоучкой, подобно Шееле или Дэви. Родители Бунзена позаботились о том, чтобы дать своему сыну отличное образование, и вся обстановка, которая окружала его в детстве и в молодости, толкала к научным занятиям.
Немецкий город Геттинген, в котором он родился, славился на весь мир своим университетом. Городок этот жил наукой, кормился благодаря науке, как портовый город кормится за счет моря, а курортный — за счет больных. Отец Роберта Бунзена был профессором Геттингенского университета. Мудрено ли, что и талантливый сын почтенного профессора со временем тоже стал ученым.
В 1828 году, семнадцати лет от роду, Роберт окончил гимназию тотчас же поступил в университет. Три года спустя он стал доктором наук. Затем он отправился путешествовать по Европе.
Полтора года Бунзен трясся в экипажах и ходил пешком из города в город, из страны в страну. Он посещал металлургические, химические, сахарные и всякие другие заводы. Опускался в угольные шахты и поднимался на снежные горы. Знакомился со знаменитыми химиками Германии, Франции, Швейцарии и Австрии. Во Франции, в Сент-Этьенне, впервые в своей жизни Бунзен увидел забавную новинку — паровую железную дорогу, по которой люди ездили без лошадей.
Вернувшись в родной Геттинген, юный доктор без долгих рассуждений пустился по проторенной профессорской дорожке: он поступил в университет приват-доцентом (помощником профессора) и стал преподавать химию.
Это было в 1834 году. С тех пор у него на всю жизнь установился режим: лекции, лаборатория, и опять лекции, и снова лаборатория.
В двадцать пять лет он проводил свои дни так же, как в пятьдесят лет, а в пятьдесят — так же, как и в семьдесят. Утром, чуть свет, он садился к столу — писать, делать вычисления, проверять результаты своих работ. Затем отправлялся читать лекции. Оттуда шел работать в лабораторию — до обеда. После обеда отправлялся на прогулку с кем-нибудь из приятелей и затем опять шел в лабораторию.
Все же бывали изредка происшествия, которые на время выбивали Бунзена из колеи.
Это не были тяжелые болезни, потому что Бунзен до глубокой старости ничем не хворал.
Это не были любовные переживания, так как он ни в кого не влюблялся.
Это не были семейные несчастья, потому что он жил холостяком, и не политические события, ибо он сторонился политики и избегал общественной жизни.
Взрывы и отравления, которые почти неизбежно сопровождают работу каждого бесстрашного химика, были единственными происшествиями в жизни Бунзена.
Впервые Бунзен прославился как выдающийся ученый своей работой над сложным химическим веществом «какодилом» И во время этих первых опытов у него в лаборатории произошел взрыв, при котором он потерял глаз и чуть было не отравился ядовитыми парами.
Бунзен был замечательным мастером химического анализа. Он непрестанно придумывал все новые и новые остроумные способы, как быстрее и точнее узнавать состав различных веществ. И к нему со всех концов мира съезжались молодые химики и студенты, чтобы научиться этому тонкому искусству.
Одним анализом, однако, не исчерпывалась его научная работа. Он сделал много крупных открытий и изобрел немало ценнейших приборов.
Но, как говорил один из друзей Бунзена, самым большим его открытием было «открытие» Густава Кирхгофа.
Бунзен «открыл» Кирхгофа, то есть познакомился с ним, в Бреслау — ныне Вроцлав, куда Бунзен в 1851 году был приглашен работать в качестве профессора химии. И они сразу же сделались друзьями.
Кирхгоф жил почти такой же размеренной и спокойной «профессорской» жизнью, как и Бунзен.
Талантом Кирхгоф тоже не уступал Бунзену, только его призванием была не химия, а физика и математика.
С виду же они походили друг на друга, как день на ночь.
Когда оба приятеля прогуливались по улицам Бреслау, прохожие всегда удивленно смотрели им вслед. Уж очень это была «неравная» пара!
Представьте себе громадного широкоплечего мужчину с сигарой во рту. Высокий цилиндр на его голове чуть ли не заглядывал в окна второго этажа. Это был Бунзен. А рядом с ним шагал маленький хрупкий человек, оживленно машущий руками. Это был Кирхгоф.
Бунзен был немногословен, а Кирхгоф любил поговорить. В молодости он так много болтал, что его матери приходилось то и дело напоминать:
— Юльхен, помолчи... Помолчи немного, Юльхен.
«Юлией» она прозвала его потому, что он был тонок и нежен, как девушка.
Кирхгоф понимал толк в изящной литературе, любил декламировать и одно время сильно увлекался театром. Это не мешало ему от всей души привязаться к Бунзену, который знать ничего не хотел, кроме своей науки, и которого невозможно было вытащить из его неуютной холостяцкой квартиры в какое бы то ни было место, где люди собирались для развлечений.
Через год-полтора после своего первого знакомства им пришлось разлучиться. Бунзену предложили перейти в один из лучших и старейших университетов Германии — в Гейдельберг. Он поехал, но очень скучал там по Кирхгофу. А Кирхгоф скучал по Бунзену. Кончилось тем, что Бунзен постарался и своего друга перевести в Гейдельбергский университет.
Теперь оба ученых были уже неразлучны всю жизнь. Почти ежедневно они совершали длительные прогулки по холмистым окрестностям Гейдельберга, вдвоем или еще с кем-нибудь из местных профессоров. Во время этих прогулок Кирхгоф и Бунзен подробно рассказывали друг другу о своих экспериментах и научных работах.
Вскоре им представился случай и поработать вместе, рука об руку, над одним общим делом.
Цвет огня
В 1854 году в Гейдельберге построили газовый завод, и в лабораторию Бунзена провели газ. Надо было обзаводиться газовыми горелками. Бунзен испробовал горелки разных конструкций, но ни одна из них его не удовлетворяла. И он изобрел сам новую замечательную горелку.
Горелка Бунзена не коптила, и ее можно выло регулировать как угодно. Она могла давать то очень жаркое, чистое и бесцветное пламя, то менее жаркое, но зато большее по размеру. Можно было по желанию оставлять совсем маленький язычок огня, и все равно он не потухал.
Этой удивительно простой и удобной горелкой еще по сей день пользуются во всех лабораториях мира. Она так и называется — бунзеновская горелка.
Бунзен очень любил возиться с огнем. Он был большой мастер выдувать из раскаленного стекла различные химические приборы и иногда часами сидел у стола с кузнечными мехами, раздувая паяльный огонь. Его огромные руки ловко вертели стекло в пылающем пламени. С увлечением он дул в огненную стеклянную массу, придавая ей самые причудливые формы. Он впаивал в нее металл, припаивал одну трубку к другой, один прибор к другому и, не задумываясь, хватался за размягченное стекло голыми руками, как будто они были не из кожи и мяса, как у всех людей, а из жароупорной стали.
— Сейчас запахнет жареным, — говорили студенты, когда профессор садился к паяльной трубке.
И в самом деле, часто у Бунзена буквально начинали дымиться пальцы, а он, как ни в чем не бывало, не выпускал из рук раскаленного стекла. Только когда ему становилось уже невыносимо больно, он остужал обожженные пальцы особенным, бунзеновским способом: быстро подносил их к правому уху и крепко зажимал ими мочку.
Его «огнеупорные» руки славились по всему университету. Когда Бунзен паял и выдувал стекло, он не мог не заметить, как то и дело меняется цвет пламени. Особенно это стало ему бросаться в глаза тогда, когда он начал пользоваться своей газовой горелкой.
Обыкновенно она давала чуть заметное синеватое горячее пламя.
Но стоило только внести в это бесцветное пламя стеклянную трубку, как оно становилось желтоватым. Если пламя проскакивало внутрь и медь горелки раскалялась, пламя окрашивалось в зеленый цвет. А от кусочка соли калия оно становилось розовато-лиловым.
Бунзен как-то попробовал вводить в пламя на платиновой проволоке самые различные вещества. И что же? Бесцветное газовое пламя окрашивалось в самые нарядные цвета, как при иллюминации.
Крупинка стронциевой соли давала яркий малиновый огонь. Кальций — кирпично-красный.
Барий — зеленый.
Натрий — ярко-желтый.
И так далее.
Бунзен знал, что некоторые химики давно уже пытались по цвету пламени узнавать состав веществ. Это не очень удавалось, потому что у них были только спиртовки, а спиртовое пламя имеет свой собственный цвет. В бесцветном же пламени бунзеновской горелки все выступало очень ясно.
«Это очень заманчиво, — подумал Бунзен: — в несколько секунд узнавать состав любого вещества!»
Бунзен, как аналитик, хорошо знал, сколько хлопот доставляет обыкновенный химический анализ. Чтобы узнать, из каких элементов состоит какое-нибудь вещество, нужно возиться с ним часами, а иногда и несколько дней. А тут как будто действительно все было очень просто — внес в пламя горелки крупинку вещества, и сразу становится известно, из чего оно состоит!
Все это было так, да не совсем так.
Хорошо, если вещество содержало, скажем, один только калий или один только стронций и никаких примесей. Тогда пламя имело чистый, отчетливый лиловый или малиновый цвет. А если в состав исследуемого вещества входило несколько различных элементов, как это почти всегда и бывает? Тогда даже в чистом пламени бунзеновской горелки трудно было что-нибудь разобрать. Один цвет забивал другой.
Бунзен пытался применять различные ухищрения, чтобы разглядеть каждый цвет в отдельности.
Он пробовал смотреть на пламя сквозь синие стекла. Так удавалось ему иногда различить в пламени лиловый цвет калия или красный цвет лития, хотя невооруженному глазу оно и казалось окрашенным только в густо-желтый цвет натрия. Сквозь синее стекло желтого не видно, и поэтому лиловый выступал отчетливо. Но все это было ненадежно, и определить таким путем состав вещества удавалось в одном случае из ста.
Во время одной из прогулок Бунзен рассказал о своих опытах Кирхгофу.
— Как физик, я поступил бы на твоем месте по-другому, — сказал Кирхгоф. — По-моему, надо смотреть не прямо на пламя, а на его спектр. Тогда все цвета будут выступать гораздо явственнее.
Бунзену эта идея понравилась. И они решили не откладывая взяться вдвоем за ее осуществление.
Разговор об этом происходил ранней осенью 1859 года. Он имел для науки исключительно важные последствия. Но, прежде чем рассказать о них, нам надо познакомиться более подробно со свойством цветов радуги, которой любовался, воспевал и изучал Михаил Ломоносов.
Потешные огни и отец русской науки
Прохладное санкт-петербургское лето.
Середина XVIII века, годы царствования Елизаветы Петровны.
На набережной Невы, напротив здания Академии наук, стучат молотки, визжат пилы, свистят рубанки. Это строят лаборатории для русских академиков с заморскими фамилиями и иноземными именами. Плотники режут лес, сбивают доски, строят громадный плот. На плоту укрепляют высокие стеллажи, колеса, лестницы, помосты. Плот украшают гирлянды цветов, бумажные фонарики, наряженные куклы. Иные куклы — в рост человека. Другие столь велики, словно это жители сказочной мифической страны Гипербореи.
Парчовые, атласные и бархатные занавесы и декорации изображают зеленые леса, склоны холмов, зреющие поля и небеса с облаками.
Ко второй половине дня к берегам Невы стекались толпы народа. К вечеру плот спускали на воду. А с наступлением темноты посреди Невы на плоту начиналось грандиозное феерическое представление. Каскады разноцветных огней подымались в воздух. Они ослепляли зрителей и поражали их воображение своим бесконечным разнообразием.
Посреди театра-плота обыкновенно помещалось громадное «китайское колесо», похожее на гигантское вращающееся солнце с брызгами разноцветных искр. Колесо образует как будто сияние вокруг огромной фигуры богини, у ног которой расположены куклы. По краям плота высоко в небо льют огненные фонтаны струи зеленых, фиолетовых огней.
Кроме пиротехника-чародея, владевшего секретом цветного огня, в толпе часто присутствовал еще один человек, для которого в волшебной феерии не было тайны. Этот человек был плечист и высок ростом. На нем был парик, атласный камзол с золотым шитьем, бархатные панталоны до колен, чулки и туфли с пряжками. Угловатые движения, громкая, порой резкая речь, странные повадки выделяли его из толпы дворцовой знати и челяди.
Благодаря своему уму и своенравному характеру эта оригинальная фигура казалась особой не только на фоне праздничной толпы, но и на фоне всей елизаветинской России. Широкоплечий человек в камзоле и парике был «отцом русской науки», это был сын холмогорского крестьянина рыбопромышленника — Михаил Васильевич Ломоносов.
Ломоносов был не простым зрителем. По указу Елизаветы ему приходилось составлять программу праздника, придумывать замысловатый сюжет аллегорий, делать наброски рисунков для декораций и, наконец, даже писать для представления стихи.
Ломоносов учил пиротехника придавать новые оттенки огням, устраивать более оглушительные взрывы ракет, делать более мощными и высокими струи фонтанов.
Чаще всего, окончив приготовления к празднику, Ломоносов уходил в свою лабораторию. Она находилась неподалеку от Невы. Эта первая в России химическая лаборатория была устроена в «ботаническом дворе» — на задворках академии. Сняв парик и камзол, засунув за ухо, по школьной привычке, перо, садился Ломоносов к столу, уставленному склянками, стаканами.
В отчетах академии часто отмечалось отсутствие Ломоносова на торжествах и заседаниях как «сильно занятого в лаборатории». Лаборатория была невелика. Она занимала шесть с половиной сажен в длину и пять в ширину. Оборудование ее было нехитро. В первой большой комнате был устроен очаг с кожухом и трубой, в которую уходили вредные газы. В другой, меньшей, Ломоносов читал лекции. В третьей комнате находились химические снадобья и аппаратура. Деревянные весы и химический журнал, в который записывал Ломоносов свои мысли образным и точным языком, помещались тут же на столе.
Среди этих записей можно было прочитать такие слова:
«И когда через слияние материй разные цвета происходят... их можно выведывать через проницательную оптику».
Что значили эти слова? Вдумайтесь в них, и вы поймете, что Ломоносов первым из ученых угадывал таинственную связь между природой вещества и цветом пламени горящего тела.
В дни, когда Ломоносов сделал эту запись, строение вещества пытались объяснить самыми путаными и противоречивыми теориями. Еще прочно господствовала теория флогистона.
Ломоносов уже догадывался о ложной сущности этой теории. На деревянных весах, находившихся на столе по соседству с журналом, Ломоносов своими опытами с окалиной задолго до Лавуазье установил закон сохранения вещества.
В годы, когда жил Ломоносов, не был еще открыт ни один элемент. Но Ломоносов тогда уже догадывался, как устроены тела.
«В киновари есть ртуть, — пишет он в своих записках, — однако в киновари ртути ни сквозь самые лучшие микроскопы видеть нельзя. И потому до познания свойств ртути только через химию доходить можно. Химия первая откроет завесу внутреннего сего святилища натуры».
Огонь вспыхивал и гас, как фейерверк. Как поймать его след? Как заставить загореться вещество, которое даже не плавилось в самой жаркой из тогдашних печей? Как установить связь между цветом пламени и элементом?
Давайте перечислим хоть немного из того, чего не хватало Ломоносову. И сила его прозрения изумит нас еще больше.
Не хватало фотографии, чтобы поймать отпечаток огня, которым светится, сгорая, вещество. Не было вольтовой дуги, чтобы расплавить тело. Не было спектроскопа.
Спектроскоп Ломоносову заменяла радуга на небе, вольтову дугу — протуберанцы на солнце.
Мысли, раскиданные на страницах его научных книг, в одах и стихотворных посланиях, свидетельствуют, что Ломоносов угадывал, что цвет огня, — как позднее стали говорить, спектральная линия, — присущ одному определенному элементу, простому телу.
Велико было это прозрение Ломоносова!
ловил зайчиков
Шел 1666 год. В тихом английском городе Кембридже молодой ученый Исаак Ньютон несколько дней подряд предавался очень странному занятию.
Он ловил солнечных зайчиков.
Ньютон просиживал долгие часы один в темной комнате, что-то там ощупью прилаживал, возился, бормотал про себя. Может быть, он просто спасался от жары и искал в темноте прохлады? Вряд ли! Он тщательно занавешивал все щели, и в комнате было душно, как в теплице. На голове у него был тяжелый парик, по моде того времени. Пот лил с него градом, а на улице дул свежий ветерок. Чего же ради он сидел в этой духоте?
Он ловил на лист бумаги солнечных зайчиков...
Окна он закрыл плотными ставнями и в одном из ставней проделал маленькую круглую дырку, величиной с крупную горошину. Через это отверстие врывался в черный мрак узкий пучок солнечных лучей. Ньютон тихо шагал по комнате, подставляя под лучи ладонь, бумагу или пропуская их дальше, до самой стенки. Яркий светлый зайчик прыгал с ладони на стенку, со стены на бумагу, с бумаги на черный Ньютонов кафтан.
Неужели ученому юноше могла доставлять удовольствие эта детская забава?
Разумеется, нет. Ньютон не забавлялся. Он делал серьезное дело. Он производил эксперимент.
В руке у него была треугольная стеклянная призма — обыкновенный кусок стекла с тремя ровными гранями. Время от времени Ньютон вставлял эту стекляшку в пучок солнечных лучей.
Как только она становилась на их пути, на стене мгновенно исчезал белый круглый зайчик и вместо него появлялась длинная многоцветная полоса.
«Куда делся белый свет?» — в недоумении спросил себя Ньютон, когда он в первый раз заметил это непонятное превращение.
Одной рукой Ньютон держал призму, другой ловил лучи. Он шевелил пальцами, махал рукой. Пальцы были ярко-красными, желтыми, зелеными, синими, фиолетовыми. А белого света он нигде больше не мог обнаружить.
Ньютон повторял опыт еще и еще. И всякий раз получалось одно и то же: до призмы солнечные лучи светились обыкновенным белым светом, а из призмы они выходили окрашенными во все цвета радуги.
Стоило Ньютону убрать призму, и на стене опять начинал играть белый зайчик, точная копия дырки в ставне. Но едва он ставил призму на пути лучей, как на стене опять появлялось вытянутое в длину цветное пятно.
Ньютон назвал эту цветную полосу спектром.
Верхний край спектра всегда был красным. Красный цвет незаметно переходил в оранжевый, оранжевый — в желтый, желтый — в зеленый, зеленый — в голубой. В самом низу спектр был синий и фиолетовый.
Ньютон долго ломал себе голову, пытаясь понять, от чего получается спектр. Чуть солнце появлялось на небе, он закрывал ставни и принимался ловить разноцветные лучи. Лишь к вечеру он выходил из своего добровольного заключения, жмурясь от света, а в глазах у него все еще прыгали великолепные цветистые спектры.
Он думал о них постоянно, день и ночь. И в конце концов разобрался во всем.
Свет, который излучает солнце, вовсе не белый, решил Ньютон, он только кажется нам белым. На самом деле с неба льется поток ярчайших разноцветных лучей. Когда они идут все вместе, наш глаз их не различает в отдельности и воспринимает как белый свет. Но когда эта смесь лучей проходит через призму, то призма разбрасывает их в стороны, и мы видим каждый цвет в отдельности.
Каждый луч дает маленький круглый зайчик, точную копию отверстия в ставне. Красный зайчик стоит наверху, потому что красные лучи меньше всего отклоняются призмой. А фиолетовый становится в самом низу, потому что призма отбрасывает фиолетовые лучи в сторону дальше всех. Между красным и фиолетовым располагаются все остальные.
Один цветной зайчик прилегает краями к другому. И так вместо круглого белого изображения дырки в ставне получается на стене растянутая разноцветная полоса — спектр.
Объяснение Ньютона с первого взгляда может показаться очень странным.
Трудно представить себе, что белый свет на самом деле не белый и что по небу над нашими головами ходит не яркое белое солнце, а какое-то удивительное светило, которое в одно и то же время красное, желтое, зеленое и фиолетовое.
И все-таки это странное утверждение правильно. Вспомните только, как переливаются на солнце различными цветами прозрачные капельки росы или дождя.
Ньютон проделал в своей темной комнате не один десяток опытов, прежде чем решился объявить белый свет солнца смесью лучей. И он доказал это так наглядно что возражать ему было трудно.
Ньютон не только разложил белый смешанный свет на его составные цвета. Он сделал и противоположное: отдельные цветные лучи собрал другой призмой снова вместе, так что они опять стали казаться белыми.
И он придумал такой опыт: деревянный круг, разрисованный во все цвета солнечного спектра, он принимался быстро вращать на оси и вертящийся круг казался почти белым.
А на самом деле круг был весь пестрый, без единого белого пятнышка.
Линии Фраунгофера
«Но при чем тут, собственно говоря, солнце — спросит читатель. — Разговор шел о пламени бунзеновской горелки и об анализе химических веществ. Почему же вдруг вспомнили о солнце и его спектре?»
Сейчас вы все узнаете.
Что сделал Ньютон?
Он обнаружил в своей темной комнате, что солнечный свет неоднороден, что этот свет состоит из лучей самых разнообразнейших цветов и что все эти лучи по-разному отклоняются призмой от их прямого пути.
Ну а всякий другой свет — не солнечный, а искусственный — тоже неоднороден? Например, свет спиртовой горелки или свечи — он тоже состоит из лучей различных цветов?
Да, свет искусственных светильников тоже можно разложить на отдельные цвета.
В 1814 году искусный немецкий оптик Фраунгофер изучал спектры разных ламп и все старался найти такой источник света, который давал бы только однородные лучи Ему нужен был одноцветный свет, чтобы проверять с его помощью качество прекрасных увеличительных стекол, которые он изготовлял для оптических приборов.
Чистого одноцветного пламени Фраунгоферу получить не удалось, но зато он обнаружил другие любопытные вещи.
Фраунгофер тоже забирался в темную комнату, как Ньютон, но свет снаружи впускал не через круглое отверстие, а через очень узенькую щель в окне или в двери. Лампу он ставил снаружи перед самой щелью, а за призмой устанавливал зрительную трубу и в нее ловил спектр.
Труба была у него сильная, а призма — из особого стекла, которое широко разбрасывало разноцветные лучи в стороны. Поэтому спектр у него получался длинный, чистый, резкий. Этакая растянутая пестрая полоса.
Первый раз Фраунгофер поставил перед щелью масляную лампу. Заглянув в трубу, он увидел, что на разноцветной ленте спектра выступают рядышком две очень яркие желтые линии величиной как раз с щель.
Он покрутил линзу в трубе, посмотрел еще раз-другой: стоят желтые линии на месте. Фраунгофер понял, что это означает среди всех лучей, какие исходят из лампы, есть два каких-то особенно ярких, и поэтому они не расплываются среди других, а дают резкие, отдельные изображения щели.
Когда Фраунгофер вместо масляной лампы поставил перед щелью спиртовую, желтые линии опять появились в поле зрения трубы.
Поставил свечу — снова желтые линии выступают вперед. И всегда они были на одном и том же месте, если, конечно, труба и призма не сдвигались с места и длина спектра не изменялась.
Фраунгофер принялся искать обе желтые линии и в солнечном спектре. Но здесь их не было. Зато он обнаружил другое: вся длинная яркая, разноцветная полоса солнечного спектра была пересечена множеством темных линий.
Фраунгофер насчитал их больше пятисот. И каждая из всех этих темных тонких черточек величиной с щель всегда стояла на одном и том же месте. Одни были чуть потемнее, другие посветлее, а некоторые виднелись особенно четко и казались на светлом фоне спектра совершенно черными. Эти наиболее заметные темные линии он обозначил буквами латинского алфавита: А, В, С, D и так далее.
«Что за чудо? — думал Фраунгофер, разглядывая темные полоски. — Словно не хватает каких-то цветов в солнечном свете!»
Стал он внимательнее приглядываться к темным линиям и еще больше удивился: самая темная двойная линия D находилась как раз на том месте, где до этого виднелись в спектре свечи и лампы яркие желтые линии.
Днем пустит он в щель свет солнца — и на определенном месте в цветной полосе спектра становятся черные линии. Вечером поставит у щели лампу или свечу — и в том же месте спектра находит яркую двойную желтую линию. И обе пары совершенно точно совпадали.
Иначе говоря, тех лучей, которые ярче всего светят в искусственных светильниках, как раз и не оказывалось в солнечном свете.
Странное, необъяснимое явление!
После Фраунгофера многие ученые изучали спектры различных источников света. Через призму пропускали свет стеариновых свечей, электрической искры, вольтовой дуги. И почти всегда в их спектре обнаруживали яркую желтую линию, а часто и другие яркие линии.
А в солнечном спектре находили еще и еще новые темные линии, «фраунгоферовы линии», как их стали называть. Однако никто не мог объяснить, что именно вызывает появление светлых линий в спектре лампы и электрической дуги и отчего в спектре солнца находятся темные линии. Некоторые ученые уже совсем были близки к разгадке, но раскрыть тайну до конца все-таки не сумели.
Это сделали Кирхгоф и Бунзен.
Спектральный анализ
Друзья начали с того, что сами соорудили спектроскоп — прибор для наблюдения спектров.
В один прекрасный день к Бунзену в лабораторию явился Кирхгоф с ящиком из-под сигар и с двумя старыми подзорными трубами. Из этих нехитрых приспособлений они соорудили спектроскоп.
Свет пропускался в него через узкую щель, прорезанную с одного края подзорной трубы (эта труба с щелью называется коллиматор). Нетрудно догадаться, что коллиматор служил для той же цели, что и ставень с отверстием в темной комнате Ньютона.
Из коллиматора лучи падали на призму, накрытую ящиком из-под сигар. Чтобы извне свет туда не попадал, Кирхгоф оклеил ящик изнутри черной бумагой.
Призма отклоняла в сторону лучи, которые шли из щели. Получался спектр. Этот спектр Кирхгоф и Бунзен наблюдали через вторую зрительную трубу, так, как делал в свое время Фраунгофер.
Конечно, над устройством спектроскопа больше всего работал Кирхгоф как физик. Но Бунзен тоже не терял времени: он готовил чистейшие вещества для того, чтобы исследовать их в пламени. Много раз растворял он различные соли, выделял из растворов кристаллы, фильтровал их, промывал и опять растворял, покуда не получал необычайно чистые вещества.
В сущности, это было кропотливое и неинтересное занятие. Но Бунзен еще с молодых лет научился терпению и упорству в научных занятиях. Оба приятеля работали очень точно и продуманно. И это сразу же дало плоды.
Для проверки прибора Кирхгоф сначала направил в щель с помощью зеркал яркий пучок солнечных лучей. Он посмотрел в зрительную трубу и восхитился: внутри играл великолепный многоцветный спектр, весь изрезанный черными фраунгоферовыми линиями.
После этого Кирхгоф завесил окно шторой и поставил у щели коллиматора зажженную горелку Бунзена.
Теперь в спектроскопе было черно. Только еле-еле заметное свечение различал Кирхгоф, заглядывая в зрительную трубу.
Горелка Бунзена стояла вплотную около щели коллиматора и давала жаркое пламя, более горячее, чем расплавленная сталь. И, однако, свет этого пламени почти не давал спектра, настолько он был бледен и бесцветен.
Картина резко изменилась, когда Бунзен стал вводить в пламя горелки кусочки различных веществ. Прежде всего, он взял чистую поваренную соль, которую химики называют хлористым натрием, так как она состоит из хлора и натрия. Бунзен захватил на чистую платиновую проволоку кусочек этой соли и вставил ее в пламя. Тотчас же пламя стало ярко-желтым, Кирхгоф припал глазом к зрительной трубе.
— Я вижу рядом две желтые линии, — сказал он, — больше ничего нет. Темный фон, и на этом фоне две желтые щелки.
Такие же точно желтые линии получались и от других соединений натрия. Бунзен по очереди вводил в пламя углекислый натрий, который иначе называется содой, сернокислый натрий, азотнокислый натрий, который называется также селитрой, и многие другие соли натрия. Все они давали один и тот же спектр: двойную яркую желтую линию на черном фоне, и эта линия всегда становилась на одно место.
Итак, все было совершенно ясно: от сильного жара натриевая соль мгновенно разлагалась, натрий превращался в раскаленные пары, и они-то светились желтым светом неизменного оттенка.
Пламя снова стало бесцветным, как только натриевая соль полностью улетучилась. Тогда Бунзен хорошо промыл и прокалил платиновую проволоку, зацепил ею несколько крупинок соли калия и вставил в пламя.
Пламя окрасилось в нежно-лиловый цвет. Снова Кирхгоф припал к трубе.
Несколько секунд длилось молчание.
— Что там видно, Густав? — спросил Бунзен.
— Я вижу на черном фоне одну фиолетовую линию и одну красную, а между ними почти сплошной спектр, без отдельных ярких линий.
Все соли лития давали по одной яркой красной линии и менее заметной оранжевой.
В спектре солей стронция бросалась в глаза одна яркая голубая линия и несколько темно-красных.
И так у каждого элемента. Оказывалось, что раскаленные пары каждого элемента давали лучи строго определенного цвета, и призма отклоняла эти лучи на строго определенное место.
Кирхгоф и Бунзен с радостью рассматривали в спектроскопе эти красивые цветные линии. Бунзен приспособил специальную стойку, которая сама держала платиновую проволоку в пламени. Теперь ему не нужно было сидеть все время у щели, и он мог смотреть в спектроскоп вместе с Кирхгофом.
В конце концов у них стало уже рябить в глазах. Но Кирхгофу не хотелось уходить.
— Надо зарисовать все это, — говорил он. — Мы должны зафиксировать все спектры на бумаге, чтобы в дальнейшем у нас были образцы для сравнения.
— Погоди, — удерживал его Бунзен. — Мы еще не знаем самого главного: каков будет спектр пламени, если в него внести сразу несколько различных солей, скажем, соли натрия, калия и лития.
Было решено немедленно провести хотя бы один опыт со смесью, а уж затем устроить перерыв. Обоим не терпелось узнать, можно ли определить по спектру состав вещества, в которое входит много разных элементов, или нет.
Наступала решительная минута. Кирхгоф ходил по комнате взад и вперед, потирая усталые глаза руками. Бунзен, невозмутимый, как всегда, тщательно и долго смешивал несколько солей. Наконец он зачерпнул проволочкой несколько крупинок смеси и всунул в пламя. Пламя окрасилось в ярко-желтый цвет: это натрий забивал все другие вещества.
А что показывал спектроскоп?
Кирхгоф долго смотрел в трубу. Было тихо. В пламени потрескивали соли. У Бунзена чуть-чуть дрожала рука, в которой он держал проволочку.
— Я могу сказать, какие соли ты намешал, — проговорил, наконец, Кирхгоф:—в смеси есть натрий, калий, литий и еще стронций.
— Правильно! — воскликнул Бунзен.
Он закрепил проволочку в стойке и бросился к трубе спектроскопа. Вот что он там увидел.
Все яркие линии сияли отдельно, каждая на своем месте. Яснее всех выступала двойная желтая линия натрия. Но и фиолетовая линия калия, и красная лития, и голубая стронция — все отчетливо светились в разных частях широкой разноцветной полосы спектра.
Подобно тому, как удается в густой толпе разыскать человека по его голосу, так можно было обнаружить каждый элемент из смеси по световому лучу, который давали его раскаленные пары. Призма отбрасывала лучи, испускаемые разными элементами, на различные места, и ни один цвет поэтому не мог замаскировать другой.
Кирхгоф и Бунзен могли поздравить друг друга с победой. Цель, которую они себе поставили, была достигнута: они открыли новый способ химического исследования веществ — спектральный анализ.
Поиски днем с огнем
Шли дни. Тихая золотистая осень разукрасила сады Гейдельберга. Лесистые холмы, окружающие город, сверкали всеми цветами красно-желтой части спектра. Воздух был прозрачен, чист, чуть прохладен. Но Бунзен и Кирхгоф теперь не могли себе позволить длинных прогулок. Они сидели в лаборатории и работали, работали с жаром, с упоением.
Волшебный инструмент оказался в их руках. Легко и просто, как в сказке, он раскрывал тайны мира. И оба друга без устали пользовались этим инструментом, радуясь все новым и новым открытиям.
Спектроскоп оказался таким тонким, таким чувствительным аппаратом, что по сравнению с ним даже самые сложные и точные весы, на которых можно было взвесить крошечную песчинку, выглядели топорными и грубыми.
Знаете ли вы, сколько натрия должно попасть в пламя бунзеновской горелки, чтобы в спектроскопе появилась двойная желтая линия?
Вы думаете, грамм, полграмма, сотая доля грамма или, может быть, тысячная доля грамма, то есть миллиграмм?
Нет! Кусочка натрия или натриевой соли, который весит в три миллиона раза меньше, чем миллиграмм, достаточно, чтобы пламя горелки пустило желтый луч в щель спектроскопа.
Представляете ли вы себе, что значит одна трехмиллионная часть миллиграмма?
Если растворить в стакане дистиллированной воды щепотку поваренной соли весом в один грамм, этот раствор потом разбавить в четырехведерном бочонке, наполненном доверху чистой водой, затем зачерпнуть оттуда стакан воды, перелить в сорокаведерную бочку с чистой водой, хорошенько размешать и из этой бочки взять, наконец, одну только капельку, тогда в этой капельке как раз будет всего-навсего одна трехмиллионная часть миллиграмма натриевой соли.
И такое невероятно малое количество натрия может быть обнаружено спектроскопом!
Надо ли удивляться тому, что Фраунгофер, а за ним и другие ученые находили желтую линию в спектре любой лампы или любой свечи? Это натрий давал там желтую линию! Уж миллионные-то доли миллиграмма поваренной соли наверняка отыщутся и в ламповом фитиле, и в свечном сале, да и где угодно.
Натрий проникал в пламя отовсюду. Прикоснется Бунзен пальцем на секунду к чистейшей платиновой проволоке — готово: уже на платину незаметно перешла соль. Человек всегда выделяет через кожу пот, а пот соленый. Когда Бунзен вводил проволоку в пламя, в спектре появлялась желтая линия.
Достаточно было хлопнуть запыленной книгой недалеко от зажженной горелки Бунзена, и в бесцветном пламени тотчас же проскакивали желтые искры, а спектроскоп бесстрастно отмечал появление натриевой соли желтой линией.
Откуда же, спрашивается, в книге натрий? Из океана. Ветры, дующие с моря, захватывают мельчайшие, микроскопические брызги соленой морской воды и заносят невидимые частицы натриевой соли на тысячи километров в глубь материка. Эти крошечные крупинки пляшут в воздухе с пылью и повсюду оседают вместе с ней. Вдуньте пыль в пламя бунзеновской горелки, и спектроскоп сейчас же доложит: есть натрий!
Бунзен и Кирхгоф обнаружили, что человека окружает очень «грязный» мир. Чуть ли не в каждом веществе, хотя бы и в самом чистом, отыскивались какие-нибудь загрязнения. В иных, казалось, не было и не могло быть никаких посторонних примесей, а спектроскоп разоблачал эти мнимо чистые вещества и доказывал:
«Примеси есть. Хоть и слабые, может быть, в тысячную или в миллионную долю грамма или даже того меньше, но все же примеси есть».
Как собака-ищейка по едва уловимому запаху чует следы притаившегося преступника, так спектроскоп обнаруживал в самых неожиданных местах малейшие следы различных веществ. Яркие линии спектра как бы говорили обоим ученым:
«Вот тут есть натрий. А в этом веществе находятся калий, стронций, барий, магний и еще много элементов, которых вы здесь вовсе не ожидали».
Однажды, когда Кирхгоф явился утром в лабораторию. Бунзен удивил его таким заявлением:
— Знаешь, где я нашел литий? В золе табака.
До того дня литий, этот легчайший металл, который сродни натрию и калию, считался одним из самых редких элементов в мире. Его обнаруживали только в трех-четырех минералах, которые изредка находили в немногих местах земного шара.
И вдруг литий нашелся в обыкновенном, табаке! Его выследил там спектроскоп.
И не в одном только табаке! Теперь не проходило дня, чтобы Бунзен и Кирхгоф не обнаруживали этот элемент в каком-нибудь новом месте.
В обыкновенном граните был обнаружен литий. В соленой воде Атлантического океана, и в речной воде, и в чистейшей воде из родника — всюду был литий. Его нашли в чае, в молоке, в винограде, в человеческой крови и в мышцах животных. Даже в метеоритах, залетевших к нам на Землю из космического пространства, и в них был найден литий.
Вооруженные спектроскопом, Бунзен и Кирхгоф в продолжение нескольких недель «охотились» за элементами. Сначала им очень нравилось раскрывать целый потайной склад различных элементов в любом камне или химическом реактиве. Но скоро эта охота стала терять для них свою прелесть. Им захотелось большего: они мечтали теперь об открытии новых, не ведомых еще никому элементов.
В самом деле, где-нибудь могли скрываться такие элементы, которые до сих пор ускользали из рук химиков из-за того, что они попадаются в природе лишь в очень незначительных количествах. А спектроскоп ловил вещества даже там, где их было в миллион или в миллиард раз меньше грамма. Почему же нельзя было допустить, что спектроскоп наведет Бунзена и Кирхгофа на след неизвестных элементов? И оба ученых, особенно Бунзен, искали их буквально днем с огнем.
Но в самый разгар поисков произошло вдруг такое удивительное событие, что оба друга на время совершенно позабыли про новые элементы.
В этом событии главную роль играли темные линии солнечного спектра — фраунгоферовы линии.
Свет солнца и свет Друммонда
— Знаешь, Роберт, — сказал однажды Кирхгоф своему коллеге, — я все думаю...
— О новых элементах, — перебил его Бунзен.
— Нет. Представь себе, нет. Я думаю о фраунгоферовых линиях. Что бы они означали? Почему яркий солнечный спектр весь испещрен этими линиями? Мы с тобой многое объяснили, а вот происхождение этих темных линий остается непонятным. — Да, это так. Но меня, по правде сказать, сейчас больше занимают новые элементы.
— Нет, ты подумай, Роберт, почему желтая натриевая линия стоит на том же месте, что и черная линия D в солнечном спектре? Я уверен, что это не случайное совпадение. Тут есть какая-то связь.
В ближайший ясный день Кирхгоф стал внимательно изучать солнечный спектр. Он уже давно приладил к спектроскопу шкалу с делениями. Каждая линия спектра теперь видна была всегда над определенным номером шкалы, и поэтому спутать ее с другой линией было невозможно.
В щель коллиматора били прямые солнечные лучи. Огромный яркий сплошной спектр развертывался за призмой. В нем не было ни единой светлой линии. Цвета широкими полосами равномерно переходили один в другой, и только темные черточки фраунгоферовых линий, как частокол, рассекали яркий фон спектра. Кирхгоф отыскал на шкале номер желтой натриевой линии; разумеется, в солнечном спектре ее не было, зато на этом самом месте, над тем же номером, красовалась густая темная линия—двойная линия D.
Затем Кирхгоф прикрыл солнечный свет, подставил к щели горелку и внес в нее немного натриевой соли. Вместо великолепного, пестрого солнечного спектра теперь в трубу видны были две сиротливые желтые щелки.
Тут Кирхгофу пришла в голову интересная мысль.
«Я пущу сейчас в щель еще и солнечные лучи, — решил он. — Пусть одновременно и горелка стоит у коллиматора, и солнце светит туда же. Любопытно, как один спектр наложится на другой».
Чтобы яркий солнечный свет не затмил совсем натриевого пламени, он поставил на пути солнечных лучей матовые стекла. Мягкий, ослабленный свет солнца проходил затем через пламя горелки, а уже оттуда, вместе с желтыми лучами раскаленного натрия, — в щель.
Что же показал спектроскоп?
Там виднелся обыкновенный, но неяркий спектр солнца. С одной только особенностью: на месте фраунгоферовой линии D ярко сияла линия натрия. Спектр наложился один на другой.
Кирхгоф немного усилил яркость солнечных лучей — линия натрия оставалась на своем месте. Тогда он пустил полный прямой свет солнца в натриевое пламя и оттуда в щель.
Взглянув после этого в спектроскоп, он вскрикнул от удивления: светлая линия натрия неожиданно исчезла и вместо нее появилась жирная черная линия. Хотя пламя горелки, как и раньше, испускало сильный поток желтых лучей, на месте натриевой линии в спектре зияла черная пустота.
Кирхгоф был поражен.
Удивительнее всего было то, что темная линия D выступала теперь с небывалой отчетливостью. Она была гораздо темнее обычного и выделялась гораздо явственнее, чем все другие фраунгоферовы линии. А между тем на то самое место, где она находилась, устремлялись из пламени горелки яркие лучи раскаленного натрия, отброшенные призмой спектроскопа.
Если бы на фоне сильного солнечного спектра светлая линия натрия выглядела бледной, бледнее обычного, Кирхгоф нисколько не удивился бы: ведь пламя горелки светит гораздо слабее солнца. Но то, что натриевая линия совершенно исчезла и превратилась в черную линию D, да еще небывалой резкой черноты, это было уже настоящей загадкой.
Кирхгоф оставил прибор и в задумчивости подошел к окну. Какая-то усиленная работа происходила у него в мозгу.
— Кажется, в моих руках ключ к любопытнейшей проблеме, — пробормотал он.
Бунзена в это время не было в лаборатории. Кирхгоф подозвал ассистента и попросил его установить перед спектроскопом аппарат, который дает так называемый друммондов свет.
Чтобы получить друммондов свет, из двух трубок выпускают одновременно два газа — водород и кислород — и поджигают их. Водород сгорает в чистом кислороде с большим жаром, и это жаркое пламя направляют на стержень из чистой извести. Ударяясь об известь, пламя раскаляет ее добела, так что она начинает излучать ослепительный свет.
Получение света по такому способу придумано англичанином Друммондом, отсюда и название — друммондов свет.
Раскаленная известь дает не отдельные яркие линии, как светящиеся пары, а сплошной, непрерывный и ровный спектр, без всяких ярких линий. Спектр этот походит на солнечный, только у него нет ни одной темной линии.
Для чего же понадобился Кирхгофу друммондов свет?
Этот свет должен был сыграть роль искусственного солнца.
Кирхгоф решил пропустить лучи друммондова света через натриевое пламя и оттуда в спектроскоп. Он хотел проверить, как будут себя вести натриевые желтые линии на фоне непрерывного спектра друммондова света: так же, как на ярком солнечном спектре, или по-другому?
Сначала он направил друммондов свет прямо в щель, минуя желтое натриевое пламя.
В спектроскопе развернулся чистый непрерывный спектр, без единой темной или светлой линии.
Тогда он подвинул пламя горелки, насыщенное солью, наперерез друммондову свету, под самую щель.
И сразу в желтой части спектра друммондова света обозначилась темная двойная линия.
— Искусственная фраунгоферова линия! — прошептал Кирхгоф. — Вот оно что! Я, кажется, начинаю понимать, в чем дело. Чтобы в спектре получилась темная линия, свет должен пройти через другое светящееся тело, через раскаленные пары. Очевидно, пламя натрия не только испускает желтые лучи, оно также поглощает чужие желтые лучи, лучи того же самого оттенка, но идущие из другого источника света. Оно задерживает их и не пропускает в щель. Вот почему в спектре друммондова света и зияет на их месте темная линия. Правда, на это место падают еще желтые лучи из самой горелки. Но они слишком слабы по сравнению с сильным светом Друммонда. И поэтому для нашего глаза темный провал в ярком спектре друммондова или солнечного света все равно кажется неосвещенным.
К этому времени в лабораторию явился Бунзен. Он застал своего друга сильно возбужденным. Скороговоркой, немного суетясь и повторяясь, Кирхгоф принялся рассказывать о своем открытии. Он снова проделал подряд все опыты, продемонстрировав перед Бунзеном рождение фраунгоферовых линий.
— Я их сам делаю! — говорил он. — Фраунгоферовы темные линии изготовляются в лаборатории по желанию господина экспериментатора! Вот как!
Химия Солнца
В эту ночь Кирхгоф долго не мог уснуть. Он думал, думал, и чем больше он думал, тем приходил все в большее волнение и тем меньше ему хотелось спать.
Утром, осунувшийся и бледный, он пришел к Бунзену в университет, как только тот кончил свою лекцию.
— Роберт, — начал он, не здороваясь, — я продумал вчерашнее открытие. Оно заставляет меня сделать необычайные выводы, просто дерзкие выводы, я едва верю самому себе...
— Что такое? — удивился Бунзен. — В чем дело?
— На Солнце есть натрий!
— На Солнце натрий! Что ты хочешь этим сказать?
— Я хочу сказать, что наш спектральный анализ можно применить не только для исследования земных веществ, но и для изучения небесных светил.
На Земле мы узнаем об элементах по ярким линиям спектра, а об элементах, которые имеются на Солнце, можно судить по темным фраунгоферовым линиям.
Это была поистине дерзкая, гениально дерзкая идея: анализировать Солнце и звезды, как какой-нибудь минерал или кусок глины!
Вот как рассуждал Кирхгоф.
Солнце состоит из плотного сверхгорячего ядра, которое окружено разреженной атмосферой раскаленных газов. Свет, падающий с Солнца к нам на Землю, исходит с поверхности его плотного ядра. В этом свете имеются лучи всех цветов, тысячи оттенков. Если бы он доходил до нас прямым путем, если бы ему не пришлось пронизывать сначала раскаленную солнечную атмосферу, то все лучи достигали бы Земли полностью и солнечный спектр был бы чистым и непрерывным, как спектр друммондова света.
Но на самом деле солнечный свет сначала проходит через раскаленные газы атмосферы Солнца. Эти газы тоже светятся, но гораздо слабее, чем горячее плотное ядро Солнца. И солнечная атмосфера поэтому ведет себя так же, как натриевое пламя в опыте Кирхгофа: она поглощает, задерживает часть солнечных лучей.
Какие же лучи задерживаются? Да те самые, которыми светят элементы, имеющиеся в солнечной атмосфере.
Когда свет вырывается из солнечной атмосферы дальше в мировое пространство, он уже обеднен, разжижен. Многих лучей в нем недостает. И на Земле, попадая в спектроскоп, он дает поэтому не сплошной яркий спектр, а цветную полосу, перегороженную темными фраунгоферовыми линиями.
Темная линия D стоит там, где видна обычно светлая желтая линия натрия. Значит, уверял Кирхгоф, в атмосфере Солнца носятся раскаленные пары натрия.
Но, может быть, темная линия D просто случайно совпала с желтой линией натрия?
Допустим, хотя опыт с друммондовым светом говорит о том, что здесь случайности не может быть.
Допустим, но как мы тогда объясним совпадение линий железа?
Кирхгоф и Бунзен получили с помощью электрического тока светящиеся раскаленные пары железа и зарисовали их спектр. В нем они насчитали шестьдесят различных цветных ярких линий. Сверили этот спектр с солнечным, и что же? Каждой светлой линии железа соответствовала темная линия той же ширины и резкости в солнечном спектре.
Неужели же и эти шестьдесят линий случайно совпадали?
Конечно, нет.
Эти линии неизбежно должны были совпасть: в атмосфере Солнца находится железо в виде раскаленных паров, и они задерживают все лучи, которые обычно сами же испускают пары раскаленного железа.
Кроме натрия и железа, Кирхгоф подобным же образом обнаружил на Солнце еще около тридцати разных элементов.
Там нашлись и медь, и свинец, и олово, и водород, и калий, и многие другие земные вещества.
Оба ученых друга искали способ легко анализировать химические вещества на Земле, а нашли способ анализировать Солнце!
Первое сообщение о своем открытии Кирхгоф послал в Берлинскую Академию наук 20 октября 1859 года. Вслед за ним полетело вдогонку новое сообщение: в нем Кирхгоф уже с помощью математических выкладок доказывал, что раскаленный газ действительно должен поглощать те именно лучи, которые от сам испускает. Таким образом, Кирхгоф подкреплял практику теорией.
Одновременно он настойчиво продолжал дальнейшие опыты и исследования. Все они подтверждали одно и то же: на Солнце находятся самые обыкновенные вещества, такие же, какие существуют и у нас, на Земле.
Весть о новом открытии облетела весь мир.
Имена Кирхгофа и Бунзена повторялись теперь каждым грамотным человеком. Подумать только: эти ученые, здесь, на Земле, сумели раскрыть состав небесного светила, удаленного от нас на миллионы километров!
Теперь Солнце, а за ним и звезды потеряли для человека большую долю своей таинственности.
Цезий и рубидий
В мае 1860 года из гейдельбергского почтамта в адрес Берлинской Академии наук был послан очередной пакет. Но на этот раз отправителем был не Кирхгоф, а Бунзен.
Пока Кирхгоф посвящал все свое время пламенной атмосфере далекого Солнца, его друг не забывал про земные дела. Бунзен продолжал искать новые элементы.
Сотни веществ — минералы, руды, соли, воды, зола растений и мышцы животных — были испробованы им в пламени газовой горелки или в разряде электрической искры. И спектроскоп неутомимо докладывал ему десятки раз в день: есть калий, есть кальций, есть барий, есть натрий, есть литий...
Цветные линии каждого из них Бунзен знал теперь как свои пять пальцев, как вид из окна своей спальни. Каждую линию он безошибочно узнавал среди десятков, других по ее месту в спектре, по ее оттенку и яркости, даже не заглядывая на контрольную шкалу. Закрыв глаза, он мог мысленно представить себе спектр любого элемента — отчетливо, как на таблице, со всеми нюансами и переходами. Они снились ему и ночью — желтые, красные, голубые, фиолетовые линии на цветном или на черном фоне.
И вот однажды Бунзен обнаружил среди них новые, незнакомые линии.
Это случилось, когда он исследовал минеральную воду Дюркгеймских источников. То была обыкновенная минеральная вода — соленая, горьковатая. Врачи прописывали ее для лечения от различных болезней. К Бунзену же она попала случайно, вместе с десятками других веществ, которые он изучал в ту пору.
Сначала Бунзен упарил ее, сгустил, затем внес каплю жидкости в пламя горелки.
Спектроскоп не сообщил на первых порах ничего особенного: — «натрий, калий, литий, кальций, стронций».
Но у Бунзена недаром было тонкое чутье аналитика.
«Всех этих веществ в дюркгеймской воде очень много, — рассудил он, — поэтому их линии сверкают слишком ярко. К тому же кальций и стронций дают много разных линий, и если в этой капле есть ничтожное количество неизвестного элемента, то его слабый спектр можно и не различить. Надо удалить отсюда кальций, стронций и литий, чтобы они не мешали».
И он их удалил. В жидкости остались только соли натрия, калия и небольшой остаток лития.
Снова в пламя горелки была внесена капелька. Бунзен посмотрел в спектроскоп, и у него екнуло сердце.
Среди знакомых линий калия, натрия и лития скромно приютились две неизвестные голубенькие светящиеся нити.
Боясь ошибиться, Бунзен бросился перелистывать цветные таблицы спектров, зарисованные им самим и Кирхгофом. Нет, ни у одного из элементов не было двойной голубой линии в этом месте. Стронций, правда, давал голубую линию, но только одну.
А здесь определенно стояли две линии и ни одной из других линий стронция не было видно.
Значит, новый элемент?
Каплю за каплей вносил Бунзен в пламя. Обе голубые линии продолжали твердо стоять на своем месте. И, глядя на них, Бунзен внезапно вспомнил давным-давно забытую, в далеком детстве прочитанную историю Колумба — о том, как в 1492 году кастильский адмирал отправился на утлой каравелле в неизведанный океан.
Тридцать три дня моряки видели лишь небо да воду, небо да воду. Много раз надежда сменялась страхом и отчаянием, а отчаяние — снова надеждой. И, наконец, однажды ночью в безбрежной пустыне океана Колумб вдруг заметил вдали на западе бледный-бледный огонек.
Этот слабенький, робкий сигнал с неизвестной земли, как он растрогал сурового адмирала! Колумб стоял на носу каравеллы, и слезы умиления текли по его щекам.
Мечтой и пылким своим воображением он силился преодолеть тайну ночи.
Что было там, на неизвестной земле, где мерцал слабый свет?
Материк или остров, равнина или горы? Какие чудеса таились во мраке? Может быть, там были богатые города, населенные людьми невиданной красоты и силы, дома, крытые золотом, мостовые, выложенные из алмазов величиной с дыню? А может быть, там просто расстилалась безлюдная пустыня, а у берега ютились редкие лачуги первобытного человека?
Кто мог тогда сказать, что скрывалось за призрачным огоньком на неведомой земле?
И кто мог теперь сказать, какое неведомое вещество скрывалось в капле дюркгеймской воды, сигнализируя двумя чистыми, как небо, голубыми лучами?
Гейдельбергский химик Бунзен мало чем походил на пылкого и чувствительного моряка Колумба. Конечно, его глаза оставались сухими, когда он наблюдал в спектроскоп сигнал неизвестного вещества. Но и он изведал в ту минуту острое счастье исследователя, стоящего на пороге долгожданного открытия.
Новому элементу Бунзен решил дать название цезий, что по-латыни значит «небесно-голубой».
След цезия был верный. Оставалось теперь идти по следу и добраться до самого голубого вещества.
Его надо было извлечь из смеси.
Выделить в чистом виде.
И посмотреть, что оно собой представляет.
Но это было совсем не легко. Новый элемент входил в состав дюркгеймской воды совершенно ничтожными количествами. В стакане этой воды содержалась лишь крохотная крупинка цезия — одна сорокатысячная доля грамма. Если бы Бунзен вздумал добыть в своих лабораторных стаканах и чашках хоть граммов десять или двадцать нового вещества, то ему пришлось бы всю жизнь сидеть и возиться с дюркгеймской водой, упаривая ее и обрабатывая химическими реактивами.
Он поступил по-другому. Поблизости от Гейдельберга был расположен химический завод, где изготовляли соду. Там имелись огромные котлы, объемистые резервуары, большие печи и механические насосы. Бунзен сговорился с заводчиком, и за несколько недель ему упарили и переработали по всем правилам химического искусства 44 тысячи литров минеральной воды.
Из этого потока жидкости Бунзен извлек всего-навсего 7 граммов чистой цезиевой соли. Но зато он одновременно выловил еще одно новое вещество.
Это произошло так. Бунзен добирался до цезия шаг за шагом, удаляя из дюркгеймской воды другие элементы по одному, по два, по три. Под конец в смеси остались только две соли — цезия и калия. Когда стали понемногу вымывать и калиевую соль, спектроскоп дал неожиданный сигнал: в спектре смеси выступили две новые фиолетовые линии, а за ними еще зеленые, желтые и особенно отчетливо темно-красные.
Еще один новый элемент таился в дюркгеймской воде!
Это был уже пятьдесят девятый по счету. Бунзен дал ему название рубидий, что по-латыни значит «темно-красный». Во всей дюркгеймской воде, которую переработал Бунзен, его нашлось даже больше, чем цезия, — целых 10-граммов.
Снова «буйные» металлы
7 граммов и 10 граммов — не слишком большой запас вещества. Но для такого тонкого мастера химии, как Бунзен, этого запаса оказалось вполне достаточно.
Он ухитрился получить из этих 17 граммов множество различных соединений цезия и рубидия с другими, «старыми», элементами. Он изучил все свойства новых соединений. Он узнал, каковы они на вкус, и как легко они растворяются в воде, и какой величины кристаллы из них получаются, и как сильно их надо нагреть, чтобы они расплавились и многое другое.
Сами же цезий и рубидий оказались очень похожими на знаменитые «буйные» металлы Дэви: на калий, натрий и на третьего их «собрата» — литий.
И цезий, и рубидий оказались легкими серебристыми металлами, хотя и немного более тяжелыми, чем литий, натрий и калий. Они тоже были мягкими, как воск, и даже еще мягче, чем натрий и калий. Они тоже загорались на воздухе, превращаясь при этом в едкую щелочь. Они тоже бегали по воде с пламенем и треском, и даже еще более неистово, чем калий и натрий. И, подобно металлам Дэви, их тоже удавалось сохранять только в «ванне» из чистого керосина.
Хлористые соли цезия и рубидия по виду ничем не отличались от обыкновеннейшей поваренной соли, которую химики называют хлористым натрием. И даже самая опытная кухарка, не задумываясь, посолила бы ими суп.
Азотнокислые соли цезия и рубидия походили на обыкновенную селитру, которую химики называют азотнокислым калием, и из них можно было бы приготовить хороший порох.
Едкая цезиевая щелочь и едкая рубидиевая щелочь были скользки на ощупь и мыльны на вкус, подобно едкому натру или кали. Даже самый опытный мыловар не заметил бы разницы и со спокойной совестью стал бы варить из них мыло.
И мыло, поверьте, получилось бы неплохое. Но каждый кусок его обошелся бы рублей в пятьсот золотом.
Забегая вперед...
У иного читателя, может быть, давно уже напрашивается такой вопрос:
— Хорошо, Кирхгоф и Бунзен сделали замечательные открытия. Они изобрели спектральный анализ. Они узнали, из чего состоит Солнце. Они нашли два редких элемента, из соединений, которых можно было бы готовить мыло и порох, если бы они не были дороже золота. А что толку от всех этих открытий, принесли ли они какую-нибудь пользу технике, промышленности?
Да, принесли. Правда, это произошло не сразу. Не всегда крупные научные открытия сразу приносят практическую пользу. Но они неизменно дают в конце концов свои плоды, иногда там, где этого меньше всего ожидаешь.
Когда Бунзен открыл в дюркгеймской воде редкий металл цезий, он не думал о том, что новый элемент когда-нибудь пригодится для телевидения. Он не мог этого думать, потому что тогда еще не было ни телевизоров, ни даже простого радиотелеграфа. А сейчас в телевидении применяют фотоэлементы, для изготовления которых нужен цезий.
Когда Кирхгоф и Бунзен наводили свой спектроскоп на Солнце или на пламя газовой горелки, им и в голову не могло прийти, что плодами их работы когда-нибудь воспользуются строители дирижаблей. Это и не могло прийти им в голову, хотя бы потому, что тогда те было еще дирижаблей. Но прошло несколько десятков лет, и воздухоплавателям очень и очень пригодились результаты работы гейдельбергских ученых. В одной из следующих глав вы узнаете, как это случилось.
Не знали Кирхгоф и Бунзен также того, что благодаря спектроскопу люди когда-нибудь научатся делать долговечные электрические лампочки. В 1859 году на свете еще не было никаких электроламп — ни быстро портящихся, ни долговечных. А впоследствии люди именно благодаря спектральному анализу научились удлинять жизнь ламп. Казалось бы, какая тут может быть связь? Об этом вы узнаете из нашего дальнейшего рассказа.
Открытия Кирхгофа и Бунзена дали очень многое технике и промышленности — всего и не перечтешь.
Солнечный элемент
И у Кирхгофа и у Бунзена скоро нашлись повсюду подражатели.
Известие о том, что с помощью спектроскопа открыты неизвестные элементы, взволновало многих химиков. Одна научная лаборатория за другой обзаводились этим новым оружием, которым с одинаковым успехом можно было атаковать Солнце и каплю воды. Химики накаляли в пламени всевозможные вещества, разглядывали их спектры, искали новых линий.
Искали и находили!
В 1861 году англичанин Крукс подобрал на химическом заводе особый ил, оседающий на дне свинцовых камер, в которых вырабатывается серная кислота. В спектре этого ила Крукс обнаружил неизвестную зеленую линию.
Так был найден элемент таллий, тяжелый металл.
Через два года немецкие химики Рихтер и Рейх разглядели в спектре одной цинковой руды новую линию, цвета синей краски индиго. Элемент, который давал эту линию, был назван поэтому индий. Индий тоже оказался металлом белого цвета.
Пять лет спустя ученые снова напали на след неизвестного элемента. Но на сей раз были не химики, а астрономы. И новая линия нашлась в спектре не земного вещества, а Солнца.
Дело происходило во время солнечного затмения. Французский астроном Жансен и англичанин Локайер направили на Солнце трубу спектроскопа и обнаружили яркую желтую линию в стороне от того места, где обычно располагается желтая линия натрия.
При затмении Луна закрывает от нас весь сияющий диск Солнца. Только верхние слои раскаленной солнечной атмосферы выступают над черной тенью Луны и беспрепятственно шлют на Землю свой слабый свет. В спектре этого-то света, нисколько не похожего на обычный солнечный спектр с его темными фраунгоферовыми линиями, и заметил Жансен неизвестную желтую линию. Какой же элемент давал эти желтые лучи?
Кто мог знать! Ведь Солнце не положишь в химическую колбу, не упаришь в фабричном котле.
На Солнце есть неизвестный элемент, которого на Земле мы никогда не встречали, — вот все, что могли сказать ученые об открытии Жансена. Они назвали этот элемент гелий («гелиос» по-гречески значит «солнце»). Имя ему дали, но что это за гелий, каков он может быть с виду и какими свойствами обладает, никому не было известно.
А любопытно было бы, не правда ли, разгадать загадку солнечного вещества? Интересно узнать, похоже ли оно на земные элементы, или же это какой-то совершенно иной вид материи? Неужели придется ждать ответа на этот вопрос до тех пор, пока люди научатся летать в ракетах к Солнцу?
Как знать! Может быть, тайна гелия раскроется перед вами гораздо раньше, чем вы дочитаете эту книгу...
А пока прослушайте рассказ о том, как русский химик Дмитрий Иванович Менделеев открыл несколько новых элементов у себя в кабинете за письменным столом.
Он никогда не видел этих элементов ни простым глазом, ни глазом, вооруженным спектроскопом. Он открыл их одной лишь силой своего прозорливого ума.
