"Превращение элементов" - читать интересную книгу автора (Казаков Борис Игнатьевич)

Приступ лучевой лихорадки

Химик «без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И сии две науки так созданы между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут».

Это слова великого русского ученого М.В.Ломоносова.

Химики нашли общий язык с физиками, по выражению известного современного учёного и писателя Айзека Азимова, ещё с первых представлений о существовании атомов вещества, т. е. начиная с Левкиппа и Демокрита. Но химия шла своим путём, физика — своим, их пути пересекались очень часто, и, когда это случалось, рождались новые идеи и открытия.

Химический конгресс в Карлсруэ был столь плодотворен именно потому, что химики согласились опереться на физическую теорию Авогадро.

Неоценимую помощь химическим исследованиям дал физический метод спектрального анализа.

Физические измерения теплоёмкости во многом помогли химикам в установлении атомных весов.

Химию и физику соединил в своих работах Фарадей. Таких примеров можно приводить очень много. Взаимопроникновение этих наук с течением времени всё увеличивалось, и это способствовало исключительно быстрому развитию представлений о веществе.

В 1803 г. на полках книжных лавок Петербурга появился труд профессора физики Медико-хирургической академии В.В.Петрова «Известия о гальвани-вольтовских опытах». Несмотря на то что содержание книги было чисто научным, её распространили в предельно короткие сроки. Историки науки уже в XX столетии могли с сожалением отметить, сколь несправедливо забыты заслуги замечательного русского учёного, предвосхитившего многие открытия, признанные потом эпохальными. Среди таких открытий были и электрическая дуга, и различные формы газового разряда. Как сообщал В.В.Петров, наблюдая «светоносные» явления в воздухе, он заинтересовался вопросом: «…может ли свет, которым часто сопровождается течение гальвани-вольтовской жидкости, оказываться в безвоздушном месте?»

Что с того, что на заре электротехники электрический ток понимался как «течение жидкости»? Важно, что и такие представления не помешали поставить замечательные опыты. Петров наблюдал, как мы сказали бы сейчас, электрический разряд в вакууме. Откачав воздух под стеклянным колпаком до 7-10 миллиметров ртутного столба, он увидел, как между электродами возникло «светоносное пламя… а иголка (один из электродов. — Б.К.) по всей длине оставалась раскалённой». Внимательно изучив это явление, Петров установил, что разряд «тем сильнее становился, чем чище был вытягиваемый воздух из колокола». Спустя три десятка лет, ничего не зная об опытах Петрова, занялся изучением тех же вопросов Фарадей и пришёл к тем же выводам, что и русский академик: «Разрежение воздуха удивительно благоприятствует явлениям светящегося разряда».

Пропуская электрический ток через стеклянную трубку, в которую были вмонтированы электроды, Фарадей увидел, что при низком давлении у анода появляется фиолетовое свечение; светился и катод, но промежуток между ними оставался тёмным. Этот промежуток получил у других исследователей наименование «фарадеевого пространства».

Дальнейшему углублению в суть явления мешало отсутствие надлежащей технической базы. В частности, существующие в то время поршневые насосы не позволяли достигать достаточно высокой степени разрежения. Но это были временные трудности.

В 1856 г. боннский профессор Ю.Плюккер заказал небольшую стеклянную трубку для разреженных газов известному тогда стеклодуву Гейсслеру. Включив трубку в электрическую цепь, он, как и другие до него, наблюдал свечение и отклонение стрелки гальванометра. Но Гейсслер сконструировал и ртутный насос, с помощью которого можно было достигать в трубке значительно большего вакуума, чем ранее. Работая с трубкой Гейсслера последней конструкции, Плюккер увидел в ней уже не бледное свечение, а светящийся столб, который заполнил всё её пространство.

Что же так ярко и мощно светилось в трубке? Чтобы ответить на этот вопрос, учёные заполняли трубки разными газами и получали свечение различной окраски.

Предприимчивый стеклодув, заваленный заказами, расширил свою мастерскую и занялся производством трубок, которые приобрели широкую популярность под названием гейсслеровых. Огни цветной рекламы в современном городе — прямые потомки этих трубок. Явление очень красивое, но для тех времён совершенно необъяснимое.

Исследования разряда в разреженном газе предложили немецкие физики В.Гитторф (ученик Плюккера) и Е.Гольдштейн, англичанин К.Варлей и ряд других учёных. Больше всего ясности внёс, пожалуй, известный уже нам физик и химик Крукс.

В 1874 г. в Шеффилдском университете Крукс выступил с докладом на тему «Лучистая материя, или Четвёртое состояние вещества». Он продемонстрировал слушателям свечение в газоразрядной трубке, чем, надо сказать прямо, сначала разочаровал аудиторию, ибо всё это было ей уже известно. Однако со стороны Крукса такое начало было лишь подготовительной операцией к эффекту. Он по ходу опыта откачал воздух в трубке до одной тысячной атмосферного давления, усилил напряжение — и всё пространство ярко осветилось. Исследователь этим не ограничился: насос продолжал работать, откачивая остатки воздуха из трубки. И вдруг огненный столб погас, и лишь на стекле против катода осталось зеленоватое мерцающее пятно. Слушатели снова не были удовлетворены, ибо фосфоресценцию стекла при демонстрации эффекта в катодных трубках они наблюдали и ранее. Крукс это предвидел и, обращаясь к присутствующим, спросил примерно так: вы полагаете, что зеленоватое пятно — всего лишь остаточная фосфоресценция стекла? Никакого иного ответа, кроме утвердительного да, Крукс не ждал, естественно. И тогда он подключил к источнику тока такую же трубку, но с укреплённым внутри неё крестом, между катодом и противоположной стенкой трубки. Из трубки также откачали воздух, также погасло свечение и также осталось зеленоватое пятно на стекле, но на нём чётко вырисовался силуэт креста. Аудитория ахнула: было яснее ясного, что крест осветили какие-то лучи! Осветили, оставаясь невидимыми и распространяясь, как обычно, прямолинейно.

Успех опыта был потрясающе нагляден. Крукс подробно информировал слушателей о своих работах и высказал предположение лишь в конце своего доклада: от атомов отрываются частицы, они и есть вот эти невидимые лучи (Крукс назвал их катодными лучами). Можно представить, как было воспринято такое объяснение, когда и в химии, и в физике уже господствующим стало представление о неделимости атома. На голову Крукса посыпалось столько обвинений в научной ереси, ехидных замечаний, гневных выкриков, сожалений о том, что признанный учёный прельстился славой магов и впал в шарлатанство, — что всего трудно и перечесть.

Докладчику, столь блестяще продемонстрировавшему эффект креста, не дали даже продолжать объяснение. Полемика из зала, где Крукс продемонстрировал свой «шарлатанский» опыт, выплеснулась на страницы научных журналов.

Дело дошло до того, что Крукса публично обозвали сумасшедшим, и сделал это не кто иной, как знаменитый Г.Герц, блестящий учёный, которому человечество обязано открытием радиоволн.

Не будем упрекать знаменитого учёного за излишнюю горячность и некорректность, едва ли уместную в чисто научных спорах. Мысль, высказанная Круксом, действительно казалась чудовищной многим учёным его времени: можно ли подумать, что атом, неделимый атом, разваливается на части с помощью не таких уж сложных, можно сказать, «подручных» средств! Чем не «философский камень», с помощью которого алхимики и герметические философы мечтали превратить простой металл в золото!

Крукс не сдавался и не успокаивался, продолжал свои работы с разрядными трубками. Он показал, что катодные лучи действуют на фотографическую пластинку, отклоняются магнитом и даже, будучи сфокусированы на тонкую фольгу, могут нагреть её до красного каления. Особенно эффектен был опыт Крукса, показывающий, что катодные лучи могут оказать силовое воздействие. Внутри трубки по строго горизонтальным стеклянным направляющим от катода катилось тщательно сбалансированное миниатюрное колёсико с лопатками.

Почти два десятилетия без малого продолжался научный спор между английскими и немецкими физиками о природе катодных лучей. Читающая публика могла убедиться, что определение учёных как «людей ледяного спокойствия» слишком поспешно и далеко не всегда правильно. Видеманн, Гольдштейн, Герц ставили тончайшие эксперименты и опровергали Крукса, утверждая, что его «лучистая материя» не что иное, как определённый вид электромагнитных колебаний, подобных свету.

Их доказательства не всегда были достаточно убедительны. Так, Герц, чтобы опровергнуть Крукса и доказать световую природу катодных лучей, поставил следующий эксперимент. Он изготовил трубку из уранового стекла, которое может сильно фосфоресцировать, а на пути катодных лучей поместил листочки золотой фольги. Никакой тени в районе фосфоресцирующего пятна не было. Катодные лучи, сделал вывод Герц, свободно прошли через поры в металле, как лучи обычного света сквозь дырявую крышу. Однако этот вывод оказался поспешным. Когда на пути катодных лучей поместили пакет из нескольких листочков фольги, тени всё равно не было. Не в порах, видно, дело: смешно же предполагать, что пресловутые поры так удачно могли совпасть во всех листочках пакета. Тем более, что тень не появилась и тогда, когда использовалась фольга других металлов и сплавов.

В пользу мнения, что катодные лучи — это какие-то частицы, говорил и тот факт, что они имеют отрицательный заряд. Это со всей убедительностью показал французский физик Жан Перрен. В 1881 г. Герман Гельмгольц выступил на заседании лондонского Химического общества и, обращая внимание присутствующих на законы электролиза, открытые Фарадеем без малого полвека назад, выразился следующим образом: «…если принимать гипотезу о том, что простые вещества состоят из атомов, то неизбежно заключение: электрический ток состоит из элементарных вполне определённых частиц, которые можно рассматривать в качестве атомов электричества».

Эти слова, сказанные в другой, более ранний период, вряд ли произвели бы сильное впечатление. Теперь же, после стольких экспериментов с катодными лучами и бурных споров об их природе, к ним отнеслись с огромным вниманием. Теперь учёных уже не так занимала сама природа катодных лучей (к тому, что они — какие-то материальные частицы, склонялись многие), сколько интересовал вопрос, что они собой представляют — молекулы, атомы или что-то ещё?

Через пять лет после этого противник Крукса Гольдштейн, сторонник волновой природы катодных лучей, одержимый мыслью опровергнуть ересь англичанина, поставил опыт.

Он использовал разрядную трубку, не отличающуюся замысловатостью конструкции. В ней катод и анод располагались друг против друга, так что «лучистая материя» направлялась не на стенку трубки, а прямо на анод. Катод был просверлен в нескольких местах и располагался на некотором расстоянии от стенки трубки. Это был удивительный эксперимент — из тех, когда ищут одно, а находят нечто уже совсем неожиданное. Стекло трубки зафосфоресцировало в закатодном пространстве, противоположном тому, по которому распространялись катодные лучи, и только против отверстий в катоде.

Эти лучи — их назвали каналовыми — стали предметом такого же пристального внимания, какого сподобились лучи катодные. Было установлено, в частности, что каналовые лучи отклоняются магнитом, но в сторону, противоположную отклонению катодных лучей. И ещё, при одинаковых разрежениях в трубке катодные лучи в одинаковой степени отклонялись магнитом. Причём на величину отклонения не влиял ни газ, каким заполнялась трубка, ни материал самого катода. А вот каналовые лучи чутко реагировали на природу заполняющего трубку газа: отклонялись они одинаковым магнитным полем в разной степени. Напрашивался вывод, что катодные лучи — поток одинаковых отрицательно заряженных частиц, а каналовые — положительно заряжённых частиц, но различающиеся по величине заряда и массе, к тому же значительно превосходящие в любом случае массу первых.

Образование положительных каналовых, или, как их ещё называли, — анодных, закатодных, лучей можно было объяснить лишь действием катодных на атомы заполняющего трубку газа.

Открытие каналовых лучей родило предположение, что в атоме есть и положительно, и отрицательно заряжённые частицы.

Но не только физические эксперименты с разрядными трубками подрывали классические представления о неделимости атомов и вносили сумятицу в умонастроение учёных. И чисто химические исследования заставили о многом задуматься. Так, шведский учёный Сванте Аррениус, опираясь на работы Я.Г.Вант-Гоффа, В.Оствальда и других исследователей в области электропроводности растворов и осмоса (явления одностороннего проникновения растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку), а также на законы электролиза, установленные Фарадеем, выступил с теорией электрической диссоциации. Согласно этой теории молекулы вещества в растворе распадаются на заряжённые частицы — ионы. О том, как эта теория была встречена в научных кругах, лучше всего, пожалуй, говорят такие факты. Непосредственный руководитель Аррениуса профессор Клеве, узнав о новых идеях своего ученика, высказался более чем определённо: «У вас новая теория? Это весьма интересно. Прощайте — мы больше не знакомы». А когда основные положения теории Аррениуса были опубликованы, английский профессор Армстронг сравнил её с давно отжившей теорией флогистона.

Однако предположение о «разложимости» атомов вещества получало всё новые и новые подтверждения.

В 1895 г. с катодными трубками много и сосредоточенно работал директор института в Вюрцбурге Вильгельм Конрад Рентген. Он обнаружил, что от разрядной трубки исходят какие-то лучи, способные проникать через непрозрачные предметы. Шесть недель провёл он в лаборатории, лихорадочно ставя опыт за опытом. Делиться ни своими наблюдениями, ни — тем более — выводами он не спешил, что вполне соответствовало его характеру учёного-экспериментатора. Когда его спросили, что он подумал, когда обнаружил свечение (фосфоресценцию) в темноте, он ответил: «Я не думал — я экспериментировал».

Решившись, наконец, обнародовать результаты своих исследований, Рентген назвал открытые им лучи X-лучами, давая тем самым понять, что они требуют ещё изучения, чтобы полностью установить их природу.

Новые лучи немедленно нашли себе практическое применение и стали притчей во языцех.

Что только не говорили и не писали о лучах Рентгена!

Сатирические журналы помещали карикатуры и стихи, в которых утверждали, что Рентген обладает мрачным юмором, предоставляя «влюблённым возможность любоваться костями и безносым черепом объекта своей любви».

Одна из лондонских фирм использовала поднявшийся вокруг нового открытия шум и стала рекламировать бельё, которое «предохраняло от проникновения страшных лучей».

Однажды в адрес Рентгена пришло письмо, в котором автор просил прислать ему несколько X-лучей и объяснить, как ими пользоваться: он хочет найти револьверную пулю, застрявшую у него в груди несколько лет назад. На это Рентген ответил в духе самой просьбы: он сообщил, что, к сожалению, у него нет запасов X-лучей, да и пересылка их — дело хлопотное, не лучше ли поступить проще — прислать ему грудную клетку…

В американском штате Нью-Джерси в 1896 г. некий конгрессмен внёс проект закона, запрещающий применение X-лучей… в театральных биноклях, дабы сохранить чистоту нравов.

Всё это, разумеется, не более чем курьёзы, но не настолько, чтобы от них просто отмахнуться. Они говорят о многом. Пожалуй, это один из тех первых случаев, когда научное открытие сразу же приобрело характер общественной сенсации. Наука становилась общественным явлением. Время, когда она жила сама по себе, оставалась в стороне от общественных потребностей, а её достижения — в сфере её собственных интересов, всё дальше и дальше уходило в прошлое.

X-лучи отличались от катодных: их не удавалось отклонять магнитным полем, и были они глубоко проникающими, хотя также оставались невидимыми и также вызывали свечение. Именно благодаря последним двум свойствам они могли быть открыты и ранее. Ученик Герца Ленард, за два года до Рентгена экспериментировавший с разрядными трубками, попросту не заметил X-лучей, хотя и имел с ними дело. Не заметил потому, что ставил опыты с определённой научной целью — развенчать гипотезу о том, что катодные лучи состоят из частиц. Впоследствии Ленард настоятельно добивался, чтобы его признали первооткрывателем X-лучей. Известный английский физик Г.Стокс заметил по этому поводу, что «Ленард, быть может, открыл рентгеновы лучи в своём мозгу, тогда как Рентген направил их в кости других людей». Озлобленный непризнанием Ленард через много лет стал изгонять «еврейскую физику» из университетов и научно-исследовательских институтов гитлеровской Германии, за что получил награду: фашистская академия наук переименовала лучи Рентгена в «лучи Ленарда».

Итак, открытие X-лучей произвело на научный мир ошеломляющее впечатление. Научные журналы наперебой высказывались об их свойствах, происхождении и, само собой разумеется, перспективах использования.

Многим казалось, что X-лучи — частный случай, что существует огромное количество разного рода излучений. Научные лаборатории Европы и Америки охватила «лучевая лихорадка». Занимались поисками новых лучей с необычными свойствами и большие учёные, и недоучки, и дилетанты, и, конечно, прожжённые шарлатаны. Если к средним векам следует отнести расцвет алхимии, то сейчас начался, с позволения сказать, своеобразный период «алфизики», продолжавшийся не столь уж малое время.

В 1903 г. на почве повышенного интереса к разного рода лучам конфуз случился не с кем-нибудь, а с учёным, членом французской Академии наук, главой физического отделения университета в городе Нанси профессором Блондло.

Он объявил об открытии N-лучей, которые якобы спонтанно, без внешнего воздействия, исходили от некоторых металлов и по многим своим свойствам превосходили лучи Рентгена. Между прочим, произошло это после того, как была уже известна радиоактивность. Поэтому сообщение Блондло было с доверием воспринято многими видными исследователями, в том числе и сыном Анри Беккереля — первооткрывателя уранового излучения. В десятках лабораторий занялись изучением N-лучей, и вскоре выяснилось: никаких таких N-лучей нет. Блондло ошибся, и установил это американец Роберт Вуд, побывавший в лаборатории Блондло, причём очень некстати: французскому учёному собирались выдать медаль и денежную премию на ежегодном заседании академии. Медаль и деньги профессору всё-таки вручили, но не за N-лучи, а «за долголетние труды в науке». На Блондло, которому казалось, что он видел и исследовал свои лучи, вся эта история так подействовала, что привела его к сумасшествию и смерти.

Словом, интерес к разного рода излучениям нарастал. Англичанин Дж. Дж. Томсон, который, кстати, мог бы тоже быть первооткрывателем X-лучей, доказал существование частицы — носителя электричества, предсказанной ранее Гельмгольцем и окрещённой ирландским физиком Стоуни электроном. 29 апреля 1897 г. — день заседания Лондонского Королевского общества, на котором Томсон сделал сообщение о своей работе, — стали считать днём рождения электрона, первой материальной частицы меньше атома. Это значит, что атом перестал быть последним «кирпичиком» материи, который, как считалось, ни измерить, ни разделить уже нельзя. Ну а поскольку, как выяснилось, в атоме есть частицы, несущие отрицательный заряд, то должны быть к другие частицы, которые уравновешивали бы суммарный заряд электронов: ведь атом в целом нейтрален.

Как же они там, в атоме, расположены?

Первым, кто попытался ответить на вопрос, был сам Дж. Дж. Томсон. Он писал: «Я представляю атом состоящим из большого числа микротел, которые я называю корпускулами, эти корпускулы равны между собой; масса корпускулы равна массе отрицательного иона в разреженном газе, т. е. приблизительно 3·10^–26 г. В обычном атоме это собрание корпускул образует электрически нейтральную систему. Поскольку отдельные корпускулы аналогичны отрицательным ионам, следовательно, когда они собираются в нейтральный атом, отрицательные заряды уравновешиваются чем-то, имеющим положительный заряд, равный сумме зарядов отрицательно заряженных корпускул».

Это была первая модель атома.

Томсон видел несовершенство своей модели и говорил, что «каждое новое открытие не является пределом, дальше которого нельзя идти, а наоборот, служит проспектом, ведущим в новые, ещё не исследованные страны…». Однако при всём несовершенстве предложенная Томсоном модель обозначила собой крупный шаг теоретической физики. Можно сказать, что она была если не самим проспектом, то, бесспорно, его началом, первой смелой попыткой описать ту «неисследованную страну», тот мир, где за сравнительно короткий срок наука нашла принципиально новый источник энергии — энергии атома и атомного ядра.