Читаем без скачивания Вид с высоты - Айзек Азимов

Почти сразу же французский астроном Пьер Жюль Жансен обнаружил в спектре желтую линию, которую он не мог отождествить с известными ему спектральными линиями. Английский астроном Норман Локьер, особенно интересовавшийся спектроскопией, сделал вывод, что желтая линия принадлежит новому элементу. По имени греческого бога солнца Гелиоса Локьер назвал этот элемент гелием.

Итак, события развертывались весьма благоприятно, если не считать того, что очень немногие из земных химиков решились поверить в неземной элемент, открытый при помощи какой-то обыкновенной полоски света. К предположению Локьера одни отнеслись безразлично, другие насмешливо.

Конечно, сейчас такой консерватизм кажется позорным, хотя, в сущности, именно в наши дни мы можем найти оправдание этому скептицизму: ведь не обязательно каждая новая линия спектра принадлежит новому элементу.

В конце концов существование гелия было доказано, и, подстегнутые этим успехом, астрономы стали находить в космосе все «новые элементы». Появление таинственных линий излучения в спектрах некоторых туманностей было приписано элементу, названному небулием (от латинского nebula — туман). Неизвестные спектральные линии в солнечной короне приписывались «коронию», а подобные же линии в северном сиянии — «геокоронию».

Однако все эти «открытия» оказались заблуждением. «Новые» линии были обусловлены излучением старых, хорошо известных элементов, находившихся в необычных условиях, которые спустя много лет удалось воспроизвести в лабораториях. «Небулий» и «геокороний» оказались просто высокоионизированными смесями кислорода и азота. Линии «корония» свойственны высокоионизированным металлам (например, кальцию). Как видите, одно лишь существование линии «гелия» ни в коей мере не доказывало существования нового элемента.

Теперь, для того чтобы не нарушать логики в ходе наших рассуждений, придется углубиться в историю еще на один век и встретиться с человеком, который опередил свое время даже больше, чем Локьер.

В 1785 году английский физик Генри Кавендиш исследовал воздух, так как именно в то время было сделано открытие, что воздух состоит из двух газов — кислорода и азота. Азот — инертный газ, то есть он не соединяется с другими веществами так активно, как кислород.

В действительности азот «особо отличался» тем, что в нем обнаружили ряд отрицательных свойств. Оказалось, что он без цвета, запаха и вкуса, не растворяется и не горит. Установили также, что хотя сам по себе он не ядовит, но жизни не поддерживает.

Кавендиш открыл, что, пропуская через воздух электрические разряды, можно заставить азот соединяться с кислородом. Полученное соединение — окись азота — ему удалось отделить при помощи соответствующих химикалий. Добавляя к воздуху кислород, ученый удалял из него все большее и большее количество азота, пока наконец у него не остался крохотный пузырек газа, который составлял всего сотую часть объема воздуха, первоначально взятого для опыта. С этим пузырьком он ничего не мог поделать и заявил, что, по его мнению, в атмосфере присутствует небольшое количество неизвестного газа, еще более инертного, чем азот.

Это был четкий эксперимент, проделанный выдающимся ученым, который сделал, как мы теперь знаем, совершенно правильный логический вывод. Тем не менее работу Кавендиша игнорировали целое столетие.

В 1882 году английский физик Джон Уильям Стретт (более известный под именем Рэлея) измерял плотность газообразных водорода и кислорода, с тем чтобы уточнить их атомные веса; заодно он решил исследовать и азот. Каждый из этих элементов был получен различными способами, и всякий раз плотности водорода и кислорода оставались одними и теми же. Совсем иначе обстояло дело с азотом.

Рэлей получил азот из аммиака и обнаружил, что удельный вес его равен 1,251 грамма на литр. Затем он выделил азот из воздуха, удалив из него кислород, двуокись углерода и водяные пары; этот азот имел удельный вес 1,257 грамма на литр. Несмотря на все попытки, Рэлею не удавалось устранить выявившееся расхождение.

Отчаявшись найти решение, он опубликовал результаты своих опытов в научном журнале и попросил читателей высказаться по этому поводу, однако никто не откликнулся. Сам Рэлей выдвинул несколько возможных объяснений: атмосферный азот мог содержать примеси более тяжелого кислорода или трехатомные молекулы N3, то есть что-то вроде азотного аналога озона; азот из аммиака мог быть загрязнен более легким водородом или атомарным азотом. Он проверил свои предположения, но все они не подтвердились.

Лет десять спустя шотландский химик Рамзай начал работать в лаборатории Рэлея и, взявшись за раскрытие тайны азота, вернулся к опытам Кавендиша. Он предположил, что в атмосфере имеется небольшое количество газа, который остается с азотом, после того как все прочие компоненты удалены, и, поскольку этот газ, очевидно, тяжелее атмосферного азота, он-то и вызывает «незаконное» повышение удельного веса.

В 1894 году Рамзай повторил опыт Кавендиша, применив более совершенную методику. Он пропускал атмосферный азот над раскаленным магнием. Азот оказался не настолько инертным, чтобы не вступить при таких условиях в реакцию с металлом. В результате образовался нитрид магния. Однако в реакцию вступал не весь азот. Как и у Кавендиша, у Рамзая тоже оставался загадочный газ, который оказался до такой степени инертным, что даже пышущий жаром магний не смог на него воздействовать. Рамзай измерил удельный вес этого газа, и он оказался заметно выше, чем у азота. Какой же следовало сделать вывод: открыт ли новый элемент, или это просто более «тяжелая» разновидность азота — N3?

Но, к счастью, в это время появился спектроскоп. Неизвестный газ подвергли исследованию и, обнаружив в его спектре совершенно новые линии, сразу сделали вывод, что это новый элемент. Его назвали аргоном, что в переводе с греческого значит ленивый, ибо он не вступал ни в какие химические соединения.

В конце концов объяснение чрезвычайной инертности аргона было найдено. Каждый элемент состоит из атомов, имеющих определенное число электронов, находящихся на различных орбитах (подобно отдельным слоям в луковице). Чтобы максимально упростить объяснение, скажу только одно: атом наиболее стоек, когда на самой удаленной от ядра орбите-оболочке находится восемь электронов. Сущность химических реакций заключается в том, что атом либо освобождается от нескольких электронов, либо набирает их, добиваясь, таким образом, желанного числа восемь.

А что произойдет, если у элемента в наружной «оболочке» с самого начала имеется восемь электронов? Что ж, ему повезло, так как тогда вообще нет надобности вступать в реакцию, и элемент остается инертным. Примером тому служит аргон. У него три электронные оболочки, и в третьей, самой удаленной от центра, — восемь электронов.

После открытия аргона были найдены и другие инертные газы: неон — с двумя электронными оболочками; криптон — с четырьмя оболочками; ксенон — с пятью; радон — с шестью. И в каждом случае на самой удаленной оболочке находилось по восемь электронов. (Криптон, ксенон и радон, как обнаружилось в 1962 году, вступают в некоторые химические реакции, но об этом я расскажу в следующей своей книге.)

Однако я упомянул только пять инертных газов; в настоящее время нам известно шесть. А где же шестой? Ах, да шестой — это гелий. Так давайте же вернемся к рассказу о гелии.

Как раз перед открытием инертных газов, а точнее, в 1890 году, американский химик Уильям Фрэнсис Гиллебранд, исследуя минерал, содержавший уран, заметил, что из него выделяется небольшое количество инертного газа. Газ был без цвета, вкуса и запаха, не растворялся и не горел, так что, по мнению Гиллебранда, он не мог быть ничем иным, кроме азота.

Когда Рамзаю — несколько лет спустя — попала в руки эта работа, он не удовлетворился таким объяснением. Оно основывалось только на том, что газ не имел цвета и запаха, не растворялся и не горел. Слабые доводы. Рамзай достал другой урановый минерал, собрал инертный газ и изучил его спектр.

Спектральные линии этого газа были совершенно непохожи на линии азота. Они оказались точно такими же, как и те, о которых давным-давно сообщали Жансен и Локьер, обнаружившие их в атмосфере Солнца. Итак, в 1895 году, через 27 лет после того, как Локьер впервые высказал свое предположение, солнечный элемент был найден на Земле. Гелий действительно существовал и был элементом. К счастью, и Жансен и Локьер дожили до признания их открытия (Жансен умер в 1907 году, Локьер — в 1920-м).

Гелий сразу же привлек к себе внимание. Он был самым легким из инертных газов, легче всех известных веществ, кроме водорода. Атом гелия имеет всего одну электронную оболочку; как известно, в этой внутренней оболочке может быть всего два электрона. Эти два электрона у гелия есть, и потому он оказался не просто инертным, а самым инертным из всех инертных газов, а следовательно, из всех известных веществ.