Детская энциклопедия

Том 1. Земля [1) ...][2) ...]
Том 2. Мир небесных тел. Числа и фигуры [1) ...][2) ...]
Том 3. Вещество и энергия [1) ...][2) ...]
Том 4. Растения и животные [1) ...][2) ...]
Том 5. Техника и производство [1) ...][2) ...]
Том 6. Сельское хозяйство [1) ...][2) ...]
Том 7. Человек [1) ...][2) ...]
Том 8. Из истории человеческого общества [1) ...][2) ...]
Том 9. Наша советская Родина [1) ...][2) ...]
Том 10. Зарубежные страны [1) ...][2) ...]
Том 11. Язык. Художественная литература [1) ...][2) ...]
Том 12. Искусство [1) ...][2) ...]
- Список томов


ДЭ, том 3. Вещество и жнергия
Часть II

Том 3 Содержание
Предыдущая часть


КАК И ИЗ ЧЕГО ВЕЩЕСТВО ПОСТРОЕНО

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

МОЛЕКУЛЫ И АТОМЫ

Тела, которые кажутся нам сплошными, на самом деле состоят из мельчайших частиц — молекул (рис. 1). Наука установила, что молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов. Химическими средствами — сжиганием, действием кислот, щелочей и т. п.— можно только изменить сочетание атомов в молекуле, но нельзя ничего сделать с самими

атомами. Поэтому с точки зрения химиков атомы — это простейшие частицы вещества. Вещества, построенные только из одного вида атомов, химия так и называет простыми веществами или элементами. Сейчас известны 104 элемента. Столько же и разных видов атомов, отличающихся химическими свойствами.

Само название «атом» означает по-гречески «неделимый». Но с развитием науки атомы потеряли право считаться простейшими части-

262


цами вещества. В своем победном шествии атомная и ядерная физика разложила атом и его ядро на более простые составные части — на элементарные частицы.

Изучение элементарных частиц вышло из ведения химии и стало одним из важнейших разделов современной физики.

ВНУТРИАТОМНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Каждый атом состоит из ядра и электронов (рис. 2 и 3). Ядро несет положительный, электроны — отрицательный электрический заряд. Ядро атома состоит из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов (рис. 4). У протона положительный электрический заряд. У нейтрона заряда нет; иначе говоря, он электрически нейтрален, потому он так и называется. Таким образом, все предметы, которые нас окружают, составлены всего из трех видов элементарных внутриатомных частиц: из протонов, нейтронов и электронов.

На первый взгляд кажется, что картина мира резко упростилась: вместо 104 видов атомов — всего три вида элементарных частиц. Но развитие науки богато неожиданностями: как раз в тот момент, когда ученые окончательно убедились, что мир построен из протонов, нейтронов и электронов, физики начали обнаруживать в неожиданном изобилии, как грибы

после дождя, новые, дотоле неизвестные частицы. Правда, электрон, протон и нейтрон не удалось разложить на еще более простые составные части. Эти частицы современная наука относит к элементарным, т. е. простейшим, частицам. Но наряду с ними открыто много других элементарных частиц, обладающих самыми удивительными и неожиданными свойствами. Даже физики, привыкшие ничему не удивляться, так и назвали некоторые из этих частиц «странными частицами».

Сейчас известно множество различных

Рис. 1. Молекула углекислого газа СО2 .

Рис. 2. Схема атома водорода.

видов элементарных частиц. Из них только три, о которых мы уже говорили, внутриатомные, т. е. участвуют в построении атомов, а следовательно, и всех обычных тел. Остальные частицы совсем не похожи на частицы вещества в нашем обычном представлении. В большинстве своем они неустойчивы и за ничтожные доли секунды претерпевают самые неожиданные превращения. Такие частицы встречаются лишь там, где они непрерывно образуются. Чтобы открыть их, потребовалось величайшее искусство физиков.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Научные открытия нередко делаются совсем не там, где их ожидали. Колумб хотел попасть в Индию, а открыл Америку. Нечто подобное произошло и с космическими лучами. Это открытие было сделано при изучении электропроводности воздуха.

Всем известно, что медь и другие металлы хорошо проводят электрический ток, а стекло, фарфор, резина почти не проводят. Воздух, как и все газы, хороший изолятор, но и его можно заставить проводить электрический ток. Для этого нужно оторвать электроны от некоторых атомов газа и тем самым создать в воздухе положительно заряженные атомы — ионы. Какое-то очень малое количество ионов есть в воздухе всегда, что легко доказать с помощью электроскопа (рис. 5). В этом приборе к стерженьку, сделанному из изолятора, прикреплены два тонких металлических листочка. Если сообщить листочкам заряд, они оттолкнутся друг от друга и остановятся, образовав некий угол. Опыт показывает, что за достаточно долгое время листочки электроскопа опять сходятся. Это значит, что есть утечка заряда. Если поместить электроскоп под стеклянный колпак и откачать насосом воздух, утечка заря-

Рис. 3. Схема электронных оболочек неона.

Рис. 4. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

263


Рис. 5. Электроскоп показывает, что в воздухе есть ионы.

да прекратится. Значит, заряд уходит через воздух. Чем больше в воздухе ионов, тем быстрее утекает заряд.

Что же создает в воздухе ионы? Если причина этого в Земле, нужно подняться вверх, и утечка заряда уменьшится. И вот стали поднимать электроскопы на воздушных шарах. Результат опытов всех удивил: чем выше поднимали электроскоп, тем быстрее утекал с его листочков заряд. Оказалось, что причина, создающая в воздухе ионы, находится не в Земле, а в космическом пространстве. Незначительное количество ионов создается радиоактивными излучениями Земли, но на большой высоте эти излучения не сказываются.

Отрыв электронов от атомов могут вызвать либо световые лучи, либо потоки быстрых заряженных частиц. Такие потоки довольно трудно отличить от лучей, поэтому их часто тоже называют «лучами».

Долгое время было неизвестно, что именно приходит на большой высоте из космического пространства и создает ионы в воздухе. Чтобы решить эту загадку, пришлось поставить очень много опытов. Помещая электроскоп в камеру с толстыми стенками, ученые доказали, что ионизация воздуха производится каким-то излучением, способным проникать даже через толстый слой свинца.

Дальнейшие опыты выяснили, что это «проникающее излучение» приходит не только со стороны Солнца, но почти равномерно со всех направлений, т. е. из всего космического пространства. Поэтому проникающее излучение и назвали космическими лучами. В действительности эти лучи — потоки быстрых заряженных частиц.

В первичных космических лучах, когда они приходят из мирового пространства, нет никаких необычных частиц. Это просто атомные ядра. Электромагнитные силы, действующие в космическом пространстве, разгоняют эти ядра до очень большой скорости и тем самым сообщают им громадную энергию. Но когда частицы с такой энергией сталкиваются с частицами воздуха, происходят неожиданные превращения. При таких столкновениях и рождаются новые неустойчивые элементарные частицы.

Долгие годы ученые находили новые частицы только в космических лучах. Они поднимались для этого на высокие горы, забрасывали свои приборы на воздушных шарах в недоступные человеческому организму высоты. Но постепенно выяснилось, что для изучения новых элементарных частиц нет необходимости гоняться за космическими лучами. Неустойчивые элементарные частицы можно получить и искусственно.

УСКОРИТЕЛИ

Все разнообразие новых необычных элементарных частиц можно получить при столкновениях самых обыкновенных внутриатомных частиц, если только они разогнаны предварительно до высокой энергии. Такой разгон достигается в особых установках — ускорителях. Современный ускоритель — громадное и сложное сооружение, одно из подлинных чудес техники. Заряженные частицы получают в нем энергию от радиоволн или переменных токов высокой частоты и большой мощности. Чтобы частица при этом не сбилась с пути, ее надо ограничить определенным направлением, как поезд рельсами. Для этого используют сильный магнит. Он создает в пространстве магнитное поле, которое и выполняет роль рельсов, направляющих ускоряемые частицы по определенному пути.

Магнитное поле удобно представлять себе состоящим из силовых линий, которые, подобно нитям, натянуты между полюсами магнита. Когда заряженная частица пролетает через магнитное поле, оно не разгоняет и не замедляет ее, но непрерывно изгибает ее путь. Если никакие другие силы не действуют, частица

264


огибает силовые линии магнитного поля по окружности.

Переменным электрическим напряжением высокой частоты можно «подталкивать» частицу в такт с ее вращением. Тогда переменное электрическое поле будет передавать свою энергию частице и ее движение будет ускоряться. На этом принципе построен круговой циклический ускоритель — циклотрон (рис. 6).

Энергия движущейся частицы зависит от ее массы и скорости. Пока скорость мала в сравнении со скоростью света, масса частицы постоянна и энергия, передаваемая частице, расходуется на увеличение скорости, а масса почти не меняется. Частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, называются релятивистскими, т. е. «относительностными». Такое название означает, что их движение происходит по законам, выведенным теорией относительности. Передачу энергии релятивистским частицам условно называют «ускорением частиц», хотя в действительности при этом скорость почти не возрастает, а растет масса частицы.

В магнитном поле релятивистская частица вращается по кругу ускорителя не в такт (или, как говорят, не в фазе) с ускоряющим переменным электрическим полем, так как масса частицы увеличивается.

Рис. 6. Схема ускорения атомных частиц в циклотроне.

Рис. 7. Схема действия синхрофазотрона — сверхмощного ускорителя частиц.

Представим себе, что на танцплощадке во время вальса танцующих кормят, да так основательно, что они тут же «поправляются», т. е. прибавляют в весе. На такой площадке трудно было бы кружиться в такт мелодии, музыкантам пришлось бы замедлять темп по мере того, как танцующие толстеют. Такие же меры принимают и в ускорителе. Если частицам нужно придать очень большую энергию, приходится во время ускорения непрерывно менять частоту радиоволны (такой ускоритель называется фазотроном), или силу магнитного поля (синхротрон), или же и то и другое (синхрофазотрон) (рис. 7). Такие ускорители дают возможность сообщать заряженным частицам энергию достаточно высокую, чтобы получить новые элементарные частицы.

ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Самое важное и замечательное свойство элементарных частиц это способность к превращениям. Раньше думали, что превращаться могут только сложные частицы, состоящие из более простых. Но опыт показал, что к взаимным превращениям способно большинство элементарных частиц. Мы знаем, что атомы построены из трех видов таких частиц: электронов, протонов и нейтронов. Если эти частицы не включены в атом, а находятся в свободном состоянии, устойчивыми будут только протоны и электроны. Свободный нейтрон самопроизвольно распадается на протон и электрон. При этом возникает еще одна неуловимая частица, но о ней мы расскажем потом.

В большом количестве нейтронов один распадается раньше, другой — позже, но в сред-

265


Рис. 8. Самопроизвольный распад нейтрона.

нем свободный нейтрон может «прожить» только около четверти часа (рис. 8).

В мире элементарных частиц такое время «жизни» можно считать очень продолжительным. Другие элементарные частицы распадаются в миллионы и миллиарды раз быстрее.

Итак, свободный протон устойчив, а свободный нейтрон распадается на протон и электрон. Казалось бы, можно сделать вывод, что нейтрон не элементарная частица, что он состоит из протонов и электронов. Оказывается, ничего подобного. Когда нейтроны и протоны связаны в атомных ядрах, устойчивость этих частиц изменяется. При определенных соотношениях между числом протонов и числом нейтронов ядро устойчиво: ни протоны, ни нейтроны не распадаются. Но если в такое устойчивое ядро добавить лишние нейтроны, оно станет неустойчивым (радиоактивным). Лишние нейтроны распадаются в ядре так же, как и свободные нейтроны,— на протон и электрон. Но вот что самое удивительное: если добавить в устойчивое ядро протоны, оно также перестает быть устойчивым. В таком ядре распадаются лишние протоны! Связанный, но лишний протон распадается на нейтрон и частицу, подобную электрону, но только с положительным электрическим зарядом. Эту частицу назвали позитроном. Распад нейтронов или протонов с испусканием электронов или позитронов называют бета-распадом (рис. 9). Это одна из разновидностей радиоактивного распада.

Итак, когда мы наблюдаем бета-распад, нам кажется, что нейтрон состоит из протона и электрона, а протон — из нейтрона и позитрона. Какая же из этих частиц простая (элементарная) и какая сложная?

Чем больше сведений получали физики о природе и свойствах элементарных частиц, тем яснее становилось, что на этот вопрос нужно дать самый неожиданный ответ. Как протон, так и нейтрон — элементарные, т. е. простейшие, частицы. Ни тот ни другой не построены из еще более простых частиц. Но каждый из них в определенных условиях способен к превращениям, при которых возникают (или, как говорят, рождаются) новые частицы.

МНОЖЕСТВЕННОЕ РОЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ

Особенно наглядно это свойство проявляется при столкновении частиц, из которых одна обладает очень большой энергией. Такие столкновения удобно изучать на специальных фотопластинках с толстым слоем эмульсии. Когда заряженная частица попадает в этот слой, она действует на него так же, как световой луч. В эмульсии после проявления виден след (или, как его называют, «трек») частицы. Можно поместить пластинку в поток частиц,

Время жизни и период полураспада нейтрона

Все события в мире атомов и элементарных частиц (иногда говорят — в микромире) подчиняются законам теории вероятности. Так, например, если следить за одним определенным нейтроном, то нельзя предсказать точно, когда именно он распадется: это может случиться очень скоро, а может и через очень длительное время. Но если наблюдать за большим числом нейтронов, то окажется, что в среднем они распадаются за вполне определенное время после того, как освободились из атомного ядра. Это, как принято говорить, среднее время жизни нейтрона — 16,9 минуты — определено с большой точностью советскими физиками. Из математической теории вероятностей следует, что из большого числа нейтронов по истечении этого времени останется «в живых» 37%, остальные 63% распадутся. Математика позволяет сосчитать, через сколько времени из большого числа нейтронов распадется половина. Для этого среднее время жизни надо умножить на 0,693. Полученный промежуток времени называют периодом полураспада. Для свободного нейтрона он равен 11,7 минуты.

Конечно, то, что мы сейчас говорили, относится не только к нейтронам, но и к любым другим частицам. Только среднее время жизни и период полураспада у них будут совсем другие.

266


Рис. 9. Бета-распад. Взаимопревращение ядерных протонов и нейтронов. Наверху: протон, превращаясь в нейтрон, испускает позитрон и нейтрино. Внизу, нейтрон, превращаясь в протон, испускает электрон и антинейтрино.

идущих из мощного ускорителя, или поднять ее на большую высоту в поток космических лучей. В обоих случаях в эмульсии после проявления обнаруживаются «звезды» — пучки следов, исходящих из одной точки. В такой точке частица с очень большой энергией столкнулась с ядром одного из атомов эмульсии. Из места столкновения вылетело множество частиц, иногда вылетает несколько десятков.

Подробное исследование их следов показывает, что только немногие из этих частиц могут быть осколками разбитого атомного ядра. Большинство лучей «звезды» — это следы мезонов, частиц, которые мы наблюдаем только при столкновении частиц с высокой энергией. Они «живут» ничтожные доли секунды, а затем распадаются, претерпевая сложные превращения.

Когда частица космических лучей сталкивается в атмосфере с атомным ядром кислорода или другого газа, также происходит множественное рождение новых частиц. Рождающиеся частицы могут пройти в воздухе большой путь и, сталкиваясь с ядрами других атомов, размножаются в очень большом количестве. Получается широкий «ливень» быстрых заряженных частиц, и все они — «потомки» одной первичной частицы, передавшей им свою энергию. Подсчитав мощность ливня, можно определить энергию первичной частицы. Ученым удавалось наблюдать ливни, у которых энергия первичной частицы должна была быть в миллиарды раз больше, чем у частиц, получаемых в самых мощных ускорителях.

Расчеты показывают, что никакая частица не может набрать такую энергию в пределах нашей звездной системы — Галактики, и, видимо, такие частицы прилетают к нам из каких-то отдаленных миров — из Метагалактики.

ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ

Ученые долго спорили о природе света. Великий Ньютон считал, что свет — Поток быстрых частиц, а его современник Гюйгенс, что это распространение волн. Более двух столетий большинство ученых были уверены, что Ньютон ошибся. Была создана электромагнитная теория света, и она блестяще подтвердилась опытами. По этой теории свет — это колебательные изменения силы электрических и магнитных полей, распространяющиеся в пространстве подобно волне. Такая же природа и у радиоволн, они отличаются от света лишь тем, что их колебания происходят в миллиарды раз медленнее.

Но когда стали внимательно изучать взаимодействие света с веществом, оказалось, что световая энергия может испускаться или поглощаться только определенными порциями — квантами. Так родилась новая, квантовая физика. Сначала думали, что квант — это как бы «атом энергии». Но затем выяснилось, что это не атом энергии, а частица света. Создатель теории относительности великий Эйнштейн установил, что свет — сложное явление, что он одновременно и электромагнитные волны, и поток частиц (световых квантов, или, как их назвали, фотонов). Можно, не делая никакой ошибки, рассматривать свет просто как поток фотонов, но следует помнить, что эти световые частицы обладают волновыми свойствами.

В дальнейшем квантовая физика установила, что не только фотоны, но и все остальные частицы также обладают волновыми свойствами (рис. 10). Замечательные опыты с дифракцией электронов убедительно доказали, что поток электронов в определенных условиях ведет себя как волна. Из квантовой механики — основы современной теоретической физики — следует, что всякая частица обладает волновыми свойствами. Фотон в этом смысле вовсе не исключение.

267


Рис. 10. Не только фотоны, но все другие элементарные частицы обладают волновыми свойствами. Дифракция пучка электронов происходит точно так же, как и дифракция светового пучка.

Итак, к списку известных нам элементарных частиц мы должны добавить световую частицу — фотон.

ИСПУСКАНИЕ СВЕТА И РОЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ

Поскольку мы считаем фотон такой же полноправной частицей, как, например, протон и нейтрон, рождение частиц не может быть для нас удивительным. Любой фонарь или лампа испускает свет, т. е. поток фотонов, а между тем в веществе фонаря фотонов нет. Очевидно, фотоны рождаются в процессе испускания света. Как это происходит, известно из атомной физики. Атом поглощает энергию и переходит в возбужденное состояние. Затем он возвращается в основное состояние и испускает при этом световой квант, т. е. фотон (рис. 11). Теория объясняет, что рождение любой элементарной частицы происходит по тем же законам, как и испускание фотонов. Это относится, в частности, и к бета-распаду.

Квантовая механика рассматривает протон и нейтрон как два состояния одной и той же элементарной частицы, которую назвали нуклоном (это название означает просто «ядерная частица»). В свободном виде или в ядрах, перегруженных нейтронами, нейтрон — возбужденное состояние нуклона,

Рис. 11. Поглощение и излучение света атомом.

а протон — его основное состояние. Напротив, в ядрах, перегруженных протонами, протон оказывается возбужденным, а нейтрон — основным состоянием.

ТЯЖЕЛЫЕ, СРЕДНИЕ И ЛЕГКИЕ ЧАСТИЦЫ

Мы не будем перечислять все известные науке частицы, а сосредоточим внимание на их общих свойствах. По массе все частицы разделяют на три- группы барионы, мезоны и лептоны. Названия эти происходят от греческих слов «тяжелый», «средний» и «легкий».

К барионам относятся уже известные нам нуклоны — протон и нейтрон, а также частицы более тяжелые, чем нуклоны,— их называют гиперонами. К лептонам относится известный нам электрон, а также позитрон и нейтрино, о которых речь будет идти ниже.

Мезоны — частицы со средней массой: они легче нуклонов, но тяжелее электронов. Все они неустойчивы и за малые доли секунды распадаются. По массе, времени «жизни» и другим свойствам их разделяют на несколько групп: мю-мезоны (мюоны), пи-мезоны (пионы), К-мезоны.

Особняком стоит фотон, или световой квант.

Если учитывать не только массу, но и другие свойства частиц, то можно объединить гипероны и .К-мезоны в одну группу «странных частиц», а мю-мезоны отнести к лептонам. В группе мезонов при этом остаются только пи-мезоны (пионы).

ЧАСТИЦЫ-ВОЛЧКИ

Мы знаем, что существуют постоянные магниты и электромагниты. В электромагните течет круговой ток; он и возбуждает магнитное поле. В постоянном магните обычных токов нет. В нем магнитное поле возбуждают атомы и даже отдельные электроны, которые ведут себя как маленькие магнитики. В немагнитном веществе эти магнитики направлены беспорядочно. При намагничивании все магнитики выстраиваются в одном направлении. То, что электрон ведет себя как магнит, проще всего объяснить тем, что он вращается, как волчок, вокруг своей оси. Ведь вращающийся заряд — все равно как круговой ток. Любое заряженное тело при вращении становится магнитом. Кстати, и многие другие свойства элект-

268


Рис. 12. У большинства элементарных частиц есть спин.

рона объяснимы только тем, что он вращается вокруг своей оси.

Но электрон нельзя считать телом с определенными размерами и определенной формой. Вращение электрона вокруг своей оси совсем не то же самое, что вращение тела с определенными размерами и формой.

Для этого свойства электрона придумали специальное название — «спин». Спином обладают также протоны, нейтроны и многие другие из элементарных частиц. Такую частицу следует представлять себе как волчок, который может вращаться вокруг своей оси по часовой стрелке или против ее направления (рис. 12). Но есть частицы и не обладающие спином. Таковы, например, пи-мезоны.

ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ

Мы уже говорили о позитроне. Эта частица очень похожа на электрон, но только «вывернутый наизнанку». Если то или иное свойство частицы можно выразить числом, то величины этих чисел у электрона и позитрона всегда точно одинаковы. Но если у числа может быть

знак (положительный или отрицательный), то у электрона и позитрона эти знаки обязательно противоположны. Масса электрона ничем не отличается от массы позитрона — масса ведь не может быть отрицательной. Электрический заряд у электрона отрицательный, у позитрона — положительный, но величины зарядов равны. Позитрон во всем, в чем только возможно, противоположен электрону. Его можно бы было назвать «противоэлектроном» или, по-гречески, «антиэлектроном».

Теоретическая физика предсказала и существование позитрона, и то, что у других частиц тоже должны быть античастицы, у которых те же свойства, только с обратным знаком. Это предсказание блестяще подтвердилось, когда были открыты антинуклоны, т. е. антипротоны и антинейтроны.

Частица и античастица похожи и в то же время не похожи друг на друга, как перчатки с правой и левой руки или как предмет и его зеркальное отображение. Но ведь бывают симметричные предметы: гладкий шар, например, невозможно отличить от его зеркального отображения. Нечто подобное существует и в мире элементарных частиц. Известны две симметричные частицы: фотон (световой квант) и нейтральный пи-мезон. У них нет античастиц, или, точнее, каждая из них совпадает со своей античастицей. У всех остальных известных ученым частиц есть «зеркальные отображения» — античастицы.

На переднем крае науки

В г. Дубне, под Москвой, где находится Объединенный институт ядерных исследований, летом 1964 г. состоялась международная конференция по физике высоких энергий. На ней обсуждались самые последние идеи в физике элементарных частиц, то, что еще окончательно не доказано, о чем сейчас еще спорят. Особое внимание участников конференции было привлечено к вопросу о том, как свойства частиц связаны со свойствами самого пространства и времени. Было рассказано о некоторых опытах, в которых как будто «правое» отличалось от «левого» независимо от разницы между частицей и ее античастицей. Подтверждение этих опытов будет означать «нарушение временной четности» и, быть может, приведет к изменению наших взглядов на самые основные свойства пространства и времени.

Рассматривался вопрос о системе элементарных частиц. В последние годы физики открыли много частиц с очень коротким временем «жизни». Такие частицы, распадающиеся едва лишь они успели образоваться, называют резонансными частицами или просто «резонансами». Недавно считали, что существует 30 разных видов частиц, теперь число их вместе с резонансными оказалось уже больше 100. Чтобы навести порядок в этом множестве частиц, стараются уложить их в систему, которая более или менее напоминает периодическую систему химических элементов Менделеева. И подобно тому как Менделеев с помощью системы элементов предсказал свойства еще тогда неизвестных элементов, новая система элементарных частиц позволила предсказать свойства частицы «омега минус». Предположение потом уже подтвердилось на опыте. В этой системе считается, что целый ряд элементарных частиц — это возбужденные состояния одной по существу частицы, которые можно уподобить возбужденным состояниям атома. Некоторые теоретики делают отсюда довольно неожиданный вывод, что нет глубокой разницы между такой заведомо сложной частицей, как атом, и такими, казалось бы, «простыми», как элементарные частицы. Эти ученые предлагают вообще отказаться от названия «элементарные» и называть эти частицы фундаментальными, т. е. основными. Но решение этих вопросов — дело будущего.

269


Как мы уже говорили, всякое число, у которого может быть положительный или отрицательный знак, должно иметь противоположные знаки для частиц и античастиц. Теория приводит к еще более поразительному выводу. Оказывается, сами частицы и античастицы ведут себя подобно положительным и отрицательным числам в алгебре: прибавить античастицу — это то же самое, что отнять частицу. В алгебре сложение положительного и отрицательного чисел равной величины дает в результате нуль. Подобно этому частица с античастицей при столкновении как бы уничтожаются, или, как говорят, аннигилируют.

Слово «уничтожаются» надо понимать в том смысле, что после столкновения не остается частиц того же вида. Но ни масса, ни энергия частицы и античастицы не исчезают. В результате аннигиляции образуются более легкие частицы, уносящие с собой всю энергию, которая была скрыта в первоначальных частицах. Энергия, выделяющаяся при аннигиляции, громадна. Это самый мощный источник энергии, известный науке. Если бы удалось поставить его на службу человеку, то он был бы в тысячи раз мощнее атомной или водородной бомбы при том же весе вещества, дающего энергию.

Очень интересно фантазировать о том, существует ли где-нибудь во Вселенной антивещество. Быть может, есть целые «антимиры», построенные целиком из антивещества. Если даже мы их и видим, все равно не можем отличить «мир» от «антимира»: ведь свет состоит из фотонов, а фотон ничем не отличается от «антифотона».

«Антимир» должен быть зеркальным отражением нашего мира, и если то, что у нас сердце слева, не простая случайность, у «антилюдей» сердце должно быть справа. Вместо электронов в «антимире» — позитроны, вместо нуклонов — антинуклоны, но жители «антимира» не могут этого заметить. Они могли бы понять, что они «антилюди», если их «антимир» столкнулся бы с нашим миром, а тогда произошел бы взрыв колоссальной силы. Все это пока лишь фантазия: антивещество, несомненно, существует, но, насколько оно распространено в природе, наука еще не знает.

Отдельные античастицы образуются при столкновении частиц, обладающих очень высокой энергией. Чем тяжелее античастица, тем более высокая энергия нужна, чтобы ее получить. Прежде всего ученые обнаружили легкую античастицу — позитрон. Ее удалось наблюдать в космических лучах. Теперь физики

научились получать различные античастицы, вплоть до самых тяжелых — антигиперонов. Для этого ударяют из мощного ускорителя потоком частиц по какой-либо мишени. При этом античастицы рождаются всегда попарно с частицами. Образующиеся античастицы очень быстро аннигилируют с окружающим веществом, но физики успевают заметить их по следам, которые те оставляют на фотографической пластинке.

К сожалению, современная техника еще бесконечно далека от возможности получить практически измеримое количество антивещества. Тем более неясно, как можно было бы отделить античастицы от рождающихся вместе с ними частиц. Если бы у нас в руках было антивещество, возникла бы интересная и нелегкая задача: сохранить его от аннигиляции с обычным веществом. Для решения этой задачи можно уже теперь указать разумные пути.

«ОТШЕЛЬНИКИ» И «ОБЩЕСТВЕННИКИ»

Мы ознакомились с некоторыми подразделениями в мире элементарных частиц: частицы и античастицы, барионы, мезоны и лептоны. Физики разделяют частицы еще на две важные группы.

Частицы первой группы называются ферми-частицами или фермионами (по имени ученого Энрико Ферми, который объяснил их свойства). Это «частицы-отшельники»: в группе таких частиц в определенном состоянии может находиться только одна частица. К ферми-частицам относятся все внутриатомные частицы: электроны и нуклоны (протоны и нейтроны). Все это «частицы-волчки», т. е., выражаясь по-ученому, они обладают спином. Два электрона не могут вращаться в атоме по одной и той же орбите и с одинаковым направлением спина (этот закон называется принципом Паули). Это и значит, что электроны относятся к ферми-частицам 1.

Иногда приходится иметь дело с большим количеством ферми-частиц, свободно движущихся в пространстве. Они образуют своего рода газ, который называется ферми-газом. Частицы в таком газе не могут двигаться с одинаковой скоростью, т. е. иметь одинаковую энергию. Тогда бы они находились в одинаковом состоянии, что для ферми-частиц «запрещено».


Иногда то же самое выражают определением: «Электроны подчиняются статистике Ферми—Дирака».

270


Частицы ферми-газа продолжают двигаться до абсолютного нуля, т. е. у его частиц сохраняется кинетическая энергия, и притом тем большая, чем больше плотность газа.

При сжатии ферми-газа его частицы как бы выжимаются на более высокие уровни энергии. Это явление происходит, в частности, с электронами в металлах. В атоме металла электроны так слабо связаны, что некоторые из них уже не могут «поместиться» на своих орбитах. Эти электроны оторваны от атомов и образуют внутри металлического предмета свободный электронный газ, обладающий свойствами ферми-газа. Именно эти электроны и переносят электрический ток.

Есть среди элементарных частиц и такие, которые обладают прямо противоположными свойствами: они стремятся находиться вместе в одном и том же состоянии. Такие «частицы-общественники» называются бозе-частицами или бозонами1 — опять-таки по имени физика (Шатьендраната Бозе), который теоретически объяснил их поведение. К бозе-частицам относятся прежде всего световые кванты, или фотоны, а из неустойчивых частиц — пи-мезоны.

НЕУЛОВИМАЯ ЧАСТИЦА

Когда физики более внимательно изучили радиоактивный бета-распад, при котором нейтрон может превратиться в протон и электрон, а протон — в нейтрон и позитрон, оказалось, что в процессе распада испускается и еще одна частица, но она почти неуловима. Она совершенно беспрепятственно пролетает через такую толщу вещества, как вся наша Земля, как Солнце или любое известное небесное тело (рис. 13). Эта частица почти не взаимодействует с веществом. Отсюда заключили, что у нее нет, в частности, электрического заряда, и ее назвали нейтрино. Это слово по-итальянски значит «нейтралочка», т. е. очень маленькая нейтральная частица.

Рис. 13. Неуловимая частица - нейтрино - свободно проникает сквозь толщу земного шара.

Про нейтрино говорят, что эта частица была открыта «на кончике пера у теоретика». Физики, как строгие бухгалтеры, старались свести баланс энергии при бета-распаде. Но баланс никак не сходился: часть энергии «исчезала» неведомо куда. Пришлось предположить, что какой-то неуловимый «вор» уносит энергию. Эта малопочтенная роль и была «поручена» нейтрино. Десятка два лет новая частица оставалась неуловимой. В конце концов физикам все же удалось ее «поймать». Для этого пришлось затратить немало труда.

Свойства частиц и свойства пространства-времени

Физики особенно интересуются теми свойствами частиц, которые связаны с симметрией, потому что симметрия может быть присуща не частицам, а самому пространству, в котором они существуют и которое по теории относительности тесно связано со временем. Из очень общих соображений ученые предположили, что в законах природы не должно быть разницы между «правым» и «левым». Отсутствие такой разницы назвали сохранением четности.

Затем опыт показал, что при бета-распаде четность не сохраняется, т. е. «правое» отличается от «левого». Сначала думали, что причина в свойствах самого пространства. Но оказалось, что различие между «правым» и «левым» проявляется только в тех процессах, где участвуют нейтрино. Тогда решили, что причина не в свойствах пространства, а в свойствах нейтрино. Отсюда и сделали вывод, что эта частица подобна винту. Она всегда движется и как бы ввинчивается в пространство.

Но чтобы этот вывод был справедлив, нужно, чтобы различие между «правым» и «левым» было связано с различием между частицей и античастицей. То, что «правое» для частицы, должно быть «левым» для античастицы, и наоборот. Проверить этот вывод на опыте — самая увлекательная задача для физиков. Если он не всегда будет подтверждаться, то теория говорит, что причина должна быть уже в свойствах времени — в так называемом нарушении временной четности.


¹ Иногда о них говорят, что они «подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна».

271


Рис. 14. У нейтрино и антинейтрино различный спин: они вращаются в противоположные стороны.

Сейчас уже довольно много известно о свойствах нейтрино. Это ферми-частица, и у нее есть спин. Но, по современным представлениям, нейтрино правильнее сравнить не с волчком, а с винтом. Насколько нам известно, частица нейтрино подобна фотону в том отношении, что ее нельзя остановить: она всегда движется со скоростью света. При этом она как бы ввинчивается в пространство.

Когда физикам удалось «поймать» нейтрино, было сделано важное открытие: оказалось, что, кроме нейтрино, существует еще и антинейтрино, только эти частицы очень трудно отличить друг от друга (рис. 14). Нейтрино испускается во всех процессах, где рождается позитрон или поглощается электрон, антинейтрино — при испускании электрона или поглощении позитрона. Следовательно, антинейтрино испускается при распаде нейтрона.

Чем же нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга? Ведь античастица должна быть зеркальным отражением частицы, а у нейтрино как будто нечему и «отражаться». Ответ был найден, когда установили, что эти частицы винтообразны. Одна из них ввинчивается в пространство, как правый, другая — Как левый винт.

Одна из интереснейших, но и труднейших задач для физиков и астрономов — «поймать» Нейтрино неземного происхождения. Прежде всего нужно измерить поток нейтрино от Солнца. Это даст прямые указания на то, какие ядерные реакции происходят в Солнце и звездах. Интересно, что солнечные нейтрино нужно «ловить» ночью: ведь Земля для них не препятствие, а другие солнечные излучения, мешающие измерениям, она задержит. Если удастся изучить нейтрино, приходящие к нам на Землю из глубин космического пространства, мы узнаем много нового о Вселенной в целом.

КВАНТОВАНИЕ ПОЛЕЙ И ПИ-МЕЗОНЫ

Свет, как мы уже знаем,— это распространяющаяся электромагнитная волна, т. е. колебательный процесс в электромагнитном поле. Свойства волны должны быть связаны с общими свойствами электромагнитного поля. Отсюда теоретики пришли к выводу, что всякое электрическое и магнитное взаимодействие переносится фотонами. Если два заряженных тела притягиваются или отталкиваются — это происходит оттого, что они обмениваются фотонами. Раньше мы называли фотоны световыми квантами, но правильнее их называть квантами электромагнитного поля.

Вероятно, и любые другие взаимодействия (как говорят физики, поля) переносятся частицами. На таком предположении построена теория квантовых полей, в которой частицы, переносящие взаимодействие, называются квантами поля.

Ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), которые очень крепко связаны ядерными силами. Физики-теоретики попытались квантовать ядерные силы, т. е. объяснить их как обмен нуклонов какими-то частицами. Расчеты показали, что масса таких частиц должна лежать посередине между массами нуклона и электрона; предполагаемые частицы назвали мезонами (что значит «средние»). Затем

Нейтрино и антинейтрино

Еще совсем недавно физики обнаружили, что при бета-распаде теряется часть энергии, и объяснили это тем, что часть энергии уносится частицей, которую трудно обнаружить. Эту частицу и назвали нейтрино. С помощью очень тонких и трудных опытов установили, что частицы нейтрино не одинаковы. Сейчас известны четыре вида нейтрино. За одним из них сохранили первоначальное название, другой вид — античастицу первого — назвали антинейтрино и, кроме того, нашли, что при распаде мю-мезонов (мюонов) испускается еще два вида частиц с близкими свойствами.

Хотя за одним из этих четырех видов частиц закрепили название нейтрино, но до сих пор это же название часто применяют и ко всем четырем видам.

272


частицы средних масс нашли в космических лучах, а позднее научились получать их искусственно с помощью ускорителей.

Первые найденные мезоны очень слабо взаимодействовали с ядрами. Эти частицы сейчас называют мю-мезонами. Они очень похожи на электроны, только примерно в 200 раз тяжелее. Истинными квантами ядерного взаимодействия оказались другие частицы, которые назвали пи-мезонами. Они бывают положительными, отрицательными и нейтральными. Нейтральный пи-мезон, как и фотон, неотличим от своей античастицы.

Ядерное взаимодействие очень сильно. Следовательно, нуклоны беспрерывно испускают и поглощают большое количество пи-мезонов; нуклоны окружены мезонным облаком, как говорят, «мезонной шубой». Именно поэтому даже нейтрон ведет себя как магнитик. Сам по себе нейтрон не имеет электрического заряда, но его «мезонная шуба» состоит из заряженных мезонов, и, так как нейтрон обладает свойствами волчка, в этой «шубе» текут круговые токи (рис. 15). При аннигиляции нуклона и антинуклона они превращаются в основном в пи-мезоны.

* * *

Мы рассказали кое-что, но далеко не все, что известно науке об элементарных частицах.

Рис. 15. Нейтрон непрерывно испускает и поглощает мезоны, образующие вокруг него мезонное облако. Текущие в этом «облаке» токи и придают нейтрону магнитные свойства.

С непривычки было бы трудно понять, почему частицы и античастицы рождаются попарно и каким образом пустое пространство (вакуум) может считаться неисчерпаемым резервуаром частиц и античастиц.

Физика элементарных частиц — самая многообещающая и быстро развивающаяся, но и одна из самых трудных отраслей современной физики. Чтобы разобраться в ней хорошо, нужно многое знать из других разделов физики и из математики. Надеемся, что нашим читателям захочется узнать об элементарных частицах больше, чем здесь написано. А для этого надо много и упорно учиться.

Превращение фотона

Световые кванты достаточно большой энергии могут превращаться в электрон-позитронную пару. При этом фотон исчезает, и вместо него рождаются две частицы: электрон и его античастица — позитрон. Очень интересно и образно охарактеризовал это явление замечательный советский физик академик Вавилов: «Перед нашими глазами разыгрывается необыкновенное зрелище преобразования светового гамма-кванта в пару легких частиц вещества. Происходит нечто действительно до известной степени напоминающее сказочное превращение мелодии в скрипку».

273


РОЖДЕНИЕ, ЖИЗНЬ И СМЕРТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

О радиоактивности написаны десятки тысяч статей и сотни книг. Открытие этого явления — одно из величайших в истории науки.

Алхимики пытались осуществить превращение элементов, из обычного свинца получить благородное золото. Время развеяло в прах их наивные верования. В XIX столетии только безнадежные упрямцы еще думали, что из одного элемента можно получить другой. В науке считалось неоспоримым, что атом неделим. А между тем в мире химических элементов течет своя, очень своеобразная и далеко не

273


совсем понятная жизнь. Во Вселенной умирают одни атомы, другие рождаются. Идет великий круговорот элементов.

Первым, кто доказал, что атомы химических элементов могут изменяться, был французский ученый Анри Беккерель.

УРАНОВЫЕ ЛУЧИ

В ноябре 1895 г. немецкий физик Конрад Рентген открыл загадочные лучи, которые теперь весь мир называет рентгеновскими, или «Х-лучами» (рис. 1). Исследователи пытались

определить, как и почему эти лучи испускаются. И в частности, они полагали, что рентгеновским излучением может сопровождаться фосфоресценция—холодное свечение некоторых веществ. Подвергнутые действию солнечного света, такие вещества сохраняют затем определенное время способность самопроизвольно светиться. Быть может, фосфоресцирующие вещества сами служат источниками рентгеновского излучения? Это и решил проверить Анри Беккерель.

Среди фосфоресцирующих веществ высокой активностью отличалась двойная сернокислая соль урана и калия — своеобразные урановые квасцы. Если фосфоресценция действительно сопровождается рентгеновским излучением, то образцы соли должны оставить отпечатки на фотопластинке, завернутой в черную бумагу. Ведь проникающая способность «Х-лучей» хорошо известна. Так рассуждал Беккерель. И его идея вскоре подтвердилась. Он мог заявить на конференции Парижской академии наук, что фосфоресцирующие вещества действительно испускают лучи Рентгена.

Но как серьезный ученый он продолжал свои исследования. Однажды (это было в конце февраля 1896 г.) он все подготовил для опыта, но солнце в тот день так и не появилось на парижском небе, и его лучи не могли вызвать фосфоресценцию у урановой соли.

Оставалось дожидаться ясной погоды. Через несколько дней Беккерель, щурясь от весеннего солнца, распахнул окно своей лаборатории. Но прежде чем выставлять на свет

новую пластинку, он решил проявить старую, ту самую, которая пролежала несколько дней в ящике стола, завернутая в черную бумагу, под образцами урановой соли.

На негативе обнаружились темные пятна, в точности соответствовавшие форме и положению образцов урановой соли. А ведь эти образцы предварительно не освещались, как в предыдущих опытах ученого.

Так, в 11 часов утра 1 марта 1896 г. было открыто новое явление. Урановая соль испускала лучи неизвестного типа. Они во многом были похожи на рентгеновские: проходили через плотную бумагу, дерево, тонкие металлические пластинки. Они делали воздух проводником электричества, так же как и лучи Рентгена. Но все-таки это были не рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи могли отражаться и преломляться; лучи Беккереля этим свойством не обладали. Поставив много опытов, Беккерель доказал, что источник его лучей — элемент уран. И назвал лучи урановыми.

Элемент уран оказался не единственным, способным испускать новые лучи. Соотечественники Беккереля Пьер и Мария Кюри из десятков тонн руды выделили миллиграммы неизвестных ранее элементов — полония и радия. Эти элементы также испускали «урановые» лучи. И аналогичные свойства исследователи обнаружили у тория.

Лучи, открытые Беккерелем, стали называть радиоактивными (от латинского слова «радиус», что означает «луч»), а само явление их испускания — радиоактивностью.

Четыре важных вывода сделали ученые в самом начале XX века. Они доказали, что радиоактивность — свойство атома. Было установлено, что радиоактивные элементы — уран, радий, полоний, актиний, торий — встречаются в земных минералах все вместе. Оказалось, что радиоактивность — явление постоянное и не ослабевает со временем. И, наконец, ученые выяснили, что радиоактивное излучение неоднородно и состоит из нескольких сортов лучей.

ПОЛШАГА ДО ОТКРЫТИЯ

Радиоактивность могла быть открыта раньше. Но ее значение ученые не поняли бы. Так, собственно, и случилось за 30 лет до работы Анри Беккереля.

В 1868 г. Парижская академия наук предоставила свою трибуну Ниепсу де Сен-Виктору.

274


Скромный естествоиспытатель, занимавшийся изучением фотографических процессов, отнюдь не жаждал славы. Он без всяких претензий доложил высокому собранию свой мемуар «О новых действиях света». В нем он рассказывал, как различные виды света действуют на фотографическую пластинку.

Ниепс де Сен-Виктор проделал много опытов, в том числе и с фосфоресцирующими веществами. И среди этих веществ была двойная сернокислая соль урана и калия. Ее призрачное бледно-зеленое свечение заставляло темнеть пластинку, даже если пластинка была обернута в черную бумагу.

Ученые довольно равнодушно выслушали рассуждения Ниепса о некоем новом сорте световых лучей, которые проходят сквозь плотную бумагу. Сообщение исследователя было напечатано, пожалуй, лишь из соображений этики. Напечатано — и забыто!

Точно так же прошли незамеченными аналогичные опыты Арнодона, безвестного химика из Лиона.

А ведь этим неудачникам оставалось сделать полшага до открытия радиоактивности. Эпоха «лучевой лихорадки» еще не наступила. Она началась лишь после того, как Рентген обнаружил «Х-лучи». Открывать новые лучи с этой поры стало своеобразной модой. Дух времени в какой-то мере облегчил задачу Беккереля.

ТРИ ВИДА ЛУЧЕЙ

Природа рентгеновских лучей проста: это электромагнитные колебания с малой длиной волны. Иное дело — природа радиоактивных излучений. Когда их подвергли действию электрического поля, они разделились на два потока, отклонявшихся в разные стороны. Это означало, что у одной их части положительный, а у другой — отрицательный электрический заряд. Их поместили в магнитное поле. И снова ученые обнаружили их неоднородность.

Стало быть, радиоактивное излучение представляло собой поток частиц, притом с разными массами: одни — тяжелее, другие — легче. На страницах научных журналов появились новые термины: α-излучение и β-излучение; α-частицы и β-частицы.

Скоро был обнаружен третий компонент радиоактивного излучения. На сей раз — настоящие лучи. Они были подобны рентгеновским, только их проникающая способность оказалась

значительно выше. Их назвали γ-лучами (рис. 2).

Итак, при радиоактивном распаде атома из него выбрасываются две материальные частицы разной массы (альфа и бета) и испускаются лучи (гамма). Правда, одним элементам свойственно только α-излучение; другим только β-излучение. Радий представлял собой классический α-излучатель, а его правый сосед по таблице Менделеева — актиний — испускал только β-частицы.

МЕТАЛЛ=ГАЗ+ГАЗ

Такое не могло присниться даже самым фанатичным алхимикам. Маленькая крупинка серебристого металла радия, несравненно более редкого и дорогого, чем золото, таяла. Со временем она могла совершенно исчезнуть. Материя как бы обращалась в ничто.

Но ведь материя не может, пропадать бесследно. Значит, радий в ходе своего радиоактивного распада превращается в какое-то другое вещество.

Ученые раскрыли тайну α-частицы. Они измерили ее электрический заряд. Он оказался

275


равным двум, если за единицу заряда считать заряд электрона. Два положительных электрических заряда уносила с собой α-частица. Ученые рассчитали ее массу; оказалось, что альфа-частица в четыре раза тяжелее атома водорода. А раз так, то альфа-частица не может быть чем-либо иным, как атомом ближайшего к водороду элемента гелия, у которого недостает двух электронов, и потому его положительный заряд равен +2. Итак, из радия испускается гелий. Во что же превращается сам радий?

Наука о превращениях химических элементов имеет свою символику, которая позволяет записывать уравнения ядерных реакций. Справа вверху от символа элемента пишется его атомный вес, слева внизу — порядковый номер (заряд ядра). Например,88 R а226. Так можно изобразить изотоп любого элемента. В данном случае индекс «226» — это массовое число одного из изотопов радия. Альфа-частица может быть записана на языке ядерной физики как2 Не4. Итак,88 Ra2262 Не4 =?

Атом радия теряет два заряда (88-2=86)

и уменьшает свою массу на 4 единицы (226-4=222). Следовательно, радий превращается

в какой-то элемент с зарядом 86 и атомным

весом 222, т. е.86 Х222 .

В 1900 г. английский ученый Эрнест Резерфорд впервые доказал образование нового элемента при радиоактивном распаде радия. Он назвал его радоном. В периодической системе радон (Rn) занял место в группе инертных газов (рис. 3).

Следовательно, ядерную реакцию радиоактивного распада радия можно записать так:

88 Ra2262 Не4 =86 Rn222 .

Природа бета-частицы оказалась проще. Ученые признали ее полное сходство с электроном, частицей, несущей отрицательный электрический заряд. Актиний, испуская β-частицу, превращается в торий. При этом он сохраняет массу (потому что масса электрона очень мала), но заряд атома увеличивается на 1:

89 Ac227 -e =90 Th227

Такую схему радиоактивного распада предложили Эрнест Резерфорд и его сотрудник Фредерик Содди.

Радон и торий, получающиеся в рассмотренных нами реакциях распада, не остаются неизменными. Они в свою очередь распадаются. Радон-222 испускает альфа-частицу и превращается в полоний-218. Торий-227 также выбрасывает α-частицу и становится радием-223.

Рис. 3. Схема радиоактивного распада ядра атома радия.

Цепочки радиоактивных распадов оказались сложными и запутанными. Ученым предстояло разобраться в них. Ясно было одно: радиоактивный распад представляет собой процесс превращения элементов, происходящий независимо от воли человека.

УПОРЯДОЧЕННЫЙ ХАОС

Радий, распадаясь, рождает «эманацию»* (радон). Ученые изучили продукты радиоактивного превращения тория и среди них нашли газ, который ничем не отличается от радона. Актиний тоже выделяет «эманацию», и она как две капли воды похожа на радон. Все эти три вида «эманации» различаются только весом их атомов. И, добавим, своими радиоактивными характеристиками.

Уже не один, а целых три инертных газа претендовали на 86-ю клетку таблицы Менделеева.

За короткий срок ученые открыли более 30 самостоятельных радиоактивных веществ. Каждое из них предлагали считать за отдельный элемент. Однако таблица Менделеева располагала лишь восемью свободными вакансиями,

* Эманация по-латински—«истечение».

276


восемью клетками. Например, три радиоактивных вещества (их назвали уран-икс, ионий и радиоторий) химически были совершенно неразличимы и не имели никаких отличительных черт по сравнению с обычным торием. На клетку 90 периодической

системы обрушилась неожиданная беда. Четыре элемента-близнеца предъявили на нее одинаковые права. Пришлось отказаться от старых представлений, что все атомы данного химического элемента однородны.

«Они неоднородны!— заявили ученые Фредерик Содди и Казимеж Фаянс в 1913 г.—У каждого радиоактивного элемента может быть несколько сортов атомов. У них одинаковый заряд, они обладают одними и теми же свойствами и отличаются друг от друга только величиной атомных весов».

Такие разновидности атомов Содди и Фаянс назвали изотопами (рис. 4). Это был первый шаг к упорядочению хаоса в представлениях о мире радиоактивных элементов. Все три «эманации» могли спокойно располагаться теперь в клетке 86 периодической системы, нисколько не нарушая ее основы. Таким же путем разместились и изотопы других радиоактивных элементов.

Уже в первые годы изучения радиоактивности исследователи пытались выяснить, подчиняются ли разнообразные цепочки радиоактивных превращений какой-то системе или же они безнадежно запутаны. И здесь понятие об изотопах внесло ясность. Оказалось, что разные цепочки отдельных радиоактивных распадов могут быть сплетены в длинные цепи, у которых есть вполне определенное начало и столь же определенный конец. И все изотопы радиоактивных элементов — звенья той или иной цепи.

Рис. 4. Явление изотопии свойственно не только радиоактивным, но и всем прочим элементам таблицы Менделеева. На этом рисунке изображено, как устроены три изотопа первого элемента — водорода: протий, дейтерий (они стабильны) и тритий (он радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет).

Эти цепи называют теперь радиоактивными семействами, или рядами радиоактивных превращений. Иногда такое семейство называют поэтическим словом: радиоактивное «древо».

Корни, из которых произрастают эти «древа», т. е. родоначальники радиоактивных семейств,— это изотопы урана и тория: торий-232, уран-235, уран-238. В конце длинных цепочек альфа- и бета-превращений находятся устойчивые (стабильные) изотопы свинца (см. вкладку между стр.288—289).

Массовые числа всех изотопов, входящих в семейство тория, делятся без остатка на 4. Поэтому ториевое семейство иногда обозначают как «4 n -семейство». Аналогичным образом семейства урана-238 и урана-235 будут «4 n +2» и «4 n +3»-семействами, так как при делении массовых чисел их изотопов на 4 соответственно получается в остатке 2 и 3.

Таков был второй шаг, превративший хаос в представлениях о радиоактивных элементах в строгий порядок. Но радиоактивность продолжала озадачивать ученых трудными за-

0 теории и практике в науке

Когда Марии Кюри, после долгих лет трудной и самоотверженной работы, удалось наконец получить радий в чистом виде, она поспешила поделиться своей радостью с отцом — скромным учителем физики в Варшаве. В ответном письме отец написал Марии Кюри:

«Наконец ты владеешь солями чистого радия! Если принять во внимание, сколько потрачено труда, чтобы добыть его, то, конечно, это самый дорогой из химических элементов. Жаль одного, что работа эта имеет интерес, по-видимому, чисто теоретический».

Это грустное письмо было последним. Через шесть дней старый учитель физики умер. Он не мог, конечно, предвидеть все то научное значение

и практические последствия, к которым привело открытие его дочери. Сожаление, высказанное им в последнем письме, было искренним и оправданным.

Старый учитель ошибся. Этот исторический пример хорошо подтверждает, что в науке нет ничего более практически важного, чем хорошее теоретическое исследование.

277


Рис. 5. Несколько примеров различной «долговечности» изотопов.

гадками. Ну, скажем, почему не удавалось обнаружить в природе ни одного изотопа, который входил бы в «4 n +1»-семейство? Куда делось это четвертое радиоактивное «древо»?

ЭЛЕМЕНТЫ ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ

Давайте немного пофантазируем. Представим себе нашу планету через... сто миллиардов лет. Конечно, никто не в силах предвидеть, что случится с Землей за этот громадный срок. Но допустим, что ничего из ряда вон выходящего не

случится. Можно в таком случае уверенно сказать, какой элемент из существующих в природе будет на Земле замыкать таблицу Менделеева?

Уран? Нет! Самым тяжелым элементом периодической системы окажется висмут с порядковым номером 83. А все радиоактивные элементы бесследно исчезнут, потому что у радиоактивных элементов и всех их изотопов вполне определенная продолжительность жизни.

Чтобы охарактеризовать долговечность того или иного радиоактивного изотопа, ученые ввели понятие «период полураспада». Это то время, за которое распадается половина любого количества радиоактивного изотопа. Величины периодов полураспада могут быть самыми различными.

Известны изотопы, которые теряют половину своих атомов за миллиардную долю секунды. Известно и потрясающее «долголетие», когда продолжительность жизни изотопа измеряется миллиардами миллиардов лет (рис. 5).

Сравнивая величины периодов полураспада у изотопов, входящих в радиоактивные семейства, можно сделать любопытное наблюдение: «отцы» семейств отличаются от своих «детей» поразительным долголетием. У тория-232 период полураспада равен 14 млрд. лет; у урана-238— примерно в три раза меньше. А уран-235 распадается значительно активнее — за 700 млн. лет он растрачивает половину своих атомов. По сравнению с этими громадными числами периоды полураспада у других изотопов, входящих в семейства, очень малы: секунды, минуты, дни, годы, в лучшем случае — десятки тысяч лет. Например, самый долгоживущий изотоп радия распадается наполовину всего за 1620 лет.

Наша планета существует, как считают ученые, более 6 млрд. лет. Если бы все радиоактивные элементы: полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, протактиний — все, кроме урана и тория, были бы, так сказать, предоставлены самим себе, у них не было бы никаких шансов уцелеть за этот громадный срок. И ученые терялись бы в догадках, куда девались семь элементов конца периодической системы. Время еще пощадило торий и уран, но и их количества заметно уменьшились с момента образования земного шара.

Если мы до сих пор находим в земных минералах короткоживущие радиоактивные элементы, значит, они непрерывно образуются вновь. И источником их оказываются «отцы» радиоактивных семейств — уран и торий. Погибая сами, их атомы дают жизнь атомам других радиоактивных элементов. И этот источник иссякнет лишь,

278


когда исчезнут на Земле торий и уран. А произойдет это примерно через несколько десятков миллиардов лет.

Уран и торий мы называем элементами первичными. Они — своеобразные «генераторы» вторичных радиоактивных элементов (протактиния, радия, технеция, прометия и др.).

Четвертое «древо» радиоактивных превращений — («4 n +1»-семейство) — оказалось вымершим. Ученые искусственным путем приготовили все изотопы, которые должны были входить в него. И у всех у них периоды полураспада ничтожно малы. Так малы, что изотопы погибают, едва успев родиться.

ЧТО ТАКОЕ РАДИОАКТИВНОСТЬ?

Радиоактивность — самопроизвольный распад атомов некоторых химических элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. Так отвечали ученые в начале XX столетия. Но их ответ рождал новый вопрос: а почему этот самопроизвольный распад происходит? Почему атомы у одних химических элементов устойчивы, а у других нет?

Одни исследователи полагали, что радиоактивный распад вызывается излучением, проникающим на Землю из мирового пространства,— чем-то вроде открытых в то время космических лучей. Атомы тяжелых элементов обладают способностью накапливать эту энергию. Они возбуждаются, и возбуждение становится причиной их радиоактивного распада. Но эта гипотеза не подтверждалась. Эксперименты убеждали, что никакие внешние условия не влияют на радиоактивный распад — не ускоряют и не замедляют его.

В 1906 г. ученым удалось сделать сенсационное открытие. Элементы калий и рубидий, расположенные очень далеко от «неустойчивого» конца таблицы Менделеева, обнаружили слабую β-активность (рис. 6). Правда, периоды полураспада их радиоактивных изотопов равны тысячам миллиардов лет. Но важен сам факт: «тяжесть» атомов, видимо, ни при чем и радиоактивность не привилегия элементов, завершающих периодическую систему.

Тогда у ученых появилась догадка. Быть может, радиоактивность — это общее свойство всех атомов: все они в итоге обречены на взаимное превращение, на гибель. И только то, что большинство изотопов обладает огромными периодами полураспада, не дает нам заметить их радиоактивность.

Эту гипотезу пока нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть, но время работает на нее. Число природных радиоактивных изотопов тех элементов, для которых радиоактивность раньше трудно было и предположить, непрерывно растет.

Естественная радиоактивность теперь обнаружена (или предполагается) у отдельных изотопов 50 с лишним элементов, не относящихся к

радиоактивным семействам. Правда, все они отличаются огромной долговечностью.

Другие исследователи видели причину радиоактивности в неустойчивости самих атомов, в том, что Из-за каких-то загадочных причин, связанных со строением атомов, некоторые атомы оказываются неспособными к постоянному существованию. Словно что-то разрывает их изнутри. Такое объяснение ничем не могло помочь науке. Ведь ученые в то время толком не знали даже, как устроен атом. Атом считали положительно заряженной материальной сферой, в которой инкрустированы точечные электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов нейтрализован положительным зарядом сферы. И это все, что было известно об атоме.

«Я ВИЖУ АТОМ!»

Тех, кто бывал в лаборатории Резерфорда, всегда поражала простота ее оборудования. Никаких сложных приборов! Иные аппараты казались даже примитивными. Но с их помощью знаменитый ученый и его сотрудники отвоевывали у природы больше тайн, чем иные институты, насыщенные сложной и дорогостоящей техникой.

279


С помощью нехитрого сооружения Резерфорд доказал существование атомного ядра. Это произошло во время опытов, целью которых было определить, как рассеиваются α-частицы на металлах. Прибор отмечал поведение таких частиц, проходящих через тончайшую золотую пластинку.

Выяснилось, что частицы ведут себя по-разному. Одни проходят через пластинку, не меняя направление. Другие слегка отклоняются в сторону. А третьи почему-то отлетают обратно к источнику, словно наталкиваются на неожиданный встречный удар (рис. 7).

Резерфорд был поражен результатами эксперимента и говорил впоследствии о нем как о самом невероятном событии в его жизни: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд вернулся бы и нанес вам удар».

Но этот «снаряд» в клочья разнес прежние представления о строении атома. Альфа-частица могла отлететь строго назад, только столкнувшись с мощным положительным зарядом, да еще если тот был бы сконцентрирован в малом объеме (рис. 8). А по старым представлениям

атом — это расплывчатая сфера больших размеров, на поверхности которой положительный заряд словно размазан тонким слоем.

Резерфорд сделал из этого опыта вывод: у атома есть ядро, в котором сгустилась почти вся масса атома, и именно в ядре сосредоточен весь положительный заряд. Диаметр ядра оказался в 100 000 раз меньше, чем диаметр атома. Атом, который раньше принимали за нечто непроницаемое, по сути дела оказался прозрачным!

Так родилась резерфордовская модель атома. Она представляла его строение подобным Солнечной системе: в центре ядро — Солнце, вокруг по орбитам движутся электроны — планеты. Ядро, по представлениям Резерфорда, состоит из протонов — носителей элементарного положительного заряда — и электронов. Протонов в ядре столько, сколько электронов содержится в ядре атома и на его орбитах. Например, в ядре атома гелия содержится 4 протона и 2 электрона. Заряд ядра гелия равен поэтому +2, и нейтрализуется он двумя электронами на электронной оболочке атома.

Но и эта модель не давала ответа на вопрос, в чем же причина радиоактивности.

Резерфорд мог бы сказать: «Я вижу атом!» Но чутьем гениального ученого он понимал, что атом нужно не только видеть, но и разглядеть во всех деталях. И особенно его ядро. Но у ученых не было средств, которые позволили бы им проникнуть в глубь ядра. Оно представлялось совершенно несокрушимым бастионом, и даже самые мощные осадные орудия не могли разрушить его крепкие стены.

АЗОТ ПРЕВРАЩАЕТСЯ В КИСЛОРОД

У ядер тяжелых элементов большой заряд. В опытах Резерфорда, которые привели к созданию ядерной модели, поток α-частиц встречал на своем пути ядра золота — элемента из конца периодической системы. И электростатические силы отталкивания между положительным зарядом альфа-частиц и ядрами атомов золота были очень велики.

А если взять легкие элементы? Скажем, азот. У его ядра небольшой заряд. Силы, отталкивающие α-частицу от такого ядра, были бы значительно меньше. Быть может, альфа-частице удалось бы проникнуть в ядро?

...В самом конце первой мировой войны Резерфорд однажды не явился на заседание Британского комитета борьбы с подводными лод-

280


Рис. 9. Схема прибора, в котором Резерфорд наблюдал превращение атомных ядер: 1 — диск, на который был нанесен препарат, испускающий a -частицы; прибор заполнен азотом; 2 — отверстие в стенке прибора; 3 — экран, покрытый сернистым цинком; 4 — приспособление для наблюдения вспышек на экране. Диск находился на таком расстоянии от экрана, что α-частицы не могли его достигнуть. Но Резерфорд обнаружил на экране вспышки (сцинтилляции) и сделал вывод, что их вызывают какие-то другие частицы. Ими оказались протоны, выбиваемые α-частицами из ядер азота.

нами. Когда его упрекнули в невнимании к своим обязанностям, он в весьма резкой форме ответил: «Я был занят экспериментами, из которых следует, что атом можно искусственно разделить. А такая перспектива значительно важнее, чем война!»

Великий ученый нисколько не преувеличивал. В июне 1919 г. он опубликовал результаты своих исследований. С тех пор начался в атомной науке новый этап — эпоха искусственного превращения элементов. В природных радиоактивных процессах элементы превращались друг в друга естественным образом. Человек оставался лишь свидетелем этого удивительного явления. Резерфорд же дал человеку возможность управлять превращением элементов.

Резерфорд обстреливал азот α-частицами и в результате получил какие-то более легкие частицы (рис. 9). Он доказал, что эти частицы— ядра атомов водорода, протоны. Значит, протоны действительно входят в состав атомных ядер. Если протон покидает атомное ядро, то заряд ядра изменяется и рождается ядро нового элемента.

Массовое число у изотопа азота — 14, заряд ядра — 7. В ядро азота влетает α-частица с массой 4 и зарядом 2. Образуется сложная система: ее масса — 18, а заряд — 9. Вылетающий протон уносит одну единицу массы и одну единицу заряда. В итоге получается ядро с массой 17 и зарядом 8. Заряд ядра, равный 8, может быть только у кислорода. Следовательно, в опытах Резерфорда азот превратился в кислород

(рис. 10). Это превращение можно записать символами ядерной физики:

7 N14 +2 He48 O17 +1 H1,

или в сокращенном виде:7 N14 ( a, р)8 O17,

где р — обозначение протона.

Резерфорду удалось расщепить и другие ядра — атомов бора, натрия, фтора, алюминия, фосфора и других элементов. Вот как, например, протекало превращение алюминия:

13 Al27 +2 Не414 Si30 +1 H1, или18 А l27 ( a, р)14 Si30 .

Эта реакция вошла в историю ядерной физики как ее величайшая веха. На ее примере ученые впервые подсчитали, какая энергия выделяется при искусственном превращении элементов. И оказалось, что при превращении алюминия в кремний выделяется в 700 000 раз боль-

281


Рис. 11. Схема образования нейтронов: a -частицы выбивают их из ядер бериллия. Если на пути нейтронов поставлен брусок из парафина, то из входящих в его состав атомов они выбивают протоны.

ше энергии, чем при химическом сгорании такого же количества углерода.

Но α-частица могла сокрушить лишь ядра легких элементов. Для того чтобы проникнуть в ядра элементов тяжелее калия, ей не хватало быстроты. Вот если бы α-частицу удалось каким-нибудь образом ускорить или найти другой «снаряд», для которого положительный заряд ядра не был бы помехой.

НЕЙТРОН И НОВАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

В распоряжении физиков того времени был протон — положительно заряженная частица и электрон — частица с таким же отрицательным зарядом. Ученые давно пытались установить, не существует ли частица с зарядом, равным нулю. Еще в 1902 г. английский физик Сезерленд робко предположил существование «нуль-частицы». Через 18 лет Резерфорд вполне определенно предсказал нейтрон, частицу без заряда, и предугадал ее свойства. Он представлял ее себе как тесно слипшиеся между собой протон и электрон. Но в то время опыты не подтвердили идею Резерфорда. Существование нейтрона было доказано на опыте только в 1932 г.

За два года до этого события родился новый термин: «бериллиевые лучи». Они возникали, когда α-частицами бомбардировали бериллий. Бериллий при этом не превращался в другой элемент, но испускались какие-то лучи. Сначала думали, что это гамма-излучение. Но γ-лучи не могли обладать такой большой энергией и такой проникающей способностью. Значит, «бериллиевые» лучи — нечто новое.

Их природу установил ученик Резерфорда— Джемс Чэдвик. Он доказал, что «бериллиевые лучи»— это поток частиц с массой протона и не обладающих зарядом. Отсутствие заряда и было причиной их удивительной проникающей способности. Их назвали нейтронами (рис. 11).

В 1932 г. почти одновременно советский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг предложили новую модель ядра. Электроны начисто изгонялись из его структуры. Их место заняли нейтроны. Число протонов в ядре принималось равным порядковому номеру данного элемента. Одному и тому же числу протонов могло соответствовать разное число нейтронов. Так очень просто объяснилось явление изотопии: изотопы какого-либо элемента отличались числом нейтронов в ядрах их атомов. Например, у изотопов азота с массовыми числами 14 и 15 число протонов постоянно (равно 7), а число нейтронов равно либо 7, либо 8. Но какие силы удерживают протоны и нейтроны в ядре, не дают ядру рассыпаться? Ведь в ядре между положительно заряженными протонами должны существовать гигантские силы отталкивания.

Это объяснил японский физик Хидэки Юкава. Он предположил, что протоны и нейтроны удерживаются в ядре с помощью особого «ядерного клея» — частиц, которые примерно в 200 раз тяжелее электрона (рис. 12). Позднее эти частицы назвали мезонами, и теперь наука знает несколько их видов (см. ст. «Элементарные частицы», стр. 268). В ядрах протоны и нейтроны с чудовищной быстротой как бы обмениваются мезонами, и благодаря этому обменному взаимодействию между составными элементами ядра оно становится способным существовать.

ЦЕПЬ ВЕЛИКИХ ОТКРЫТИЙ

Много лет элемент уран был «замыкающим» в периодической системе. Сам Менделеев советовал будущим поколениям исследователей скрупулезно изучать уран. Еще при жизни ученого в результате исследований урана было открыто явление радиоактивности и обнаружен в природе гелий.

В конце 30-х годов нашего столетия уран снова оправдал гениальное предвидение Менделеева. И главным действующим лицом здесь оказался нейтрон. Итальянский физик Энрико Ферми в 1934 г. стал обстреливать нейтронами один элемент периодической системы за другим. Он, собственно, решил иным путем повторить

282


интереснейшие эксперименты супругов Ирен и Фредерика Жолио-Кюри, которые годом раньше подарили миру замечательное открытие.

Почему у химических элементов число изотопов, встречающихся в природе, все же весьма ограниченно? Скажем, кислород имеет изотопы с массовыми числами 16, 17 и 18. Но отчего нет кислорода-19 или кислорода-16? Вероятно, они просто не могут существовать. Может, потому, что попросту они неустойчивы? Ученые думали об этом, но подтвердить догадку им долго не удавалось.

Ее подтвердили своими экспериментами Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они изучали, какие вещества под действием альфа-частиц способны испускать нейтроны. Такую способность им удалось наблюдать у алюминия. Но если алюминий действительно испускает нейтроны, то превращается он тогда не в кремний, как мы видели из уравнения ядерной реакции на стр. 281, а в другой элемент — фосфор:

13 А l27 +2 Не4 15 Р30 +0 n 1, или13 А l27 ( a, n)15 Р30,

где n — обозначение нейтрона.

Но изотоп фосфор-30 был новым изотопом элемента, не обнаруженным в природе. Ученые нашли, что изотоп этот радиоактивен и продукт его распада — кремний-30. Этот изотоп кремния мог образоваться только в том случае, если бы фосфор испустил какую-то частицу с массой электрона, но с положительным зарядом. Такую частицу открыл в 1932 г. американец Карл Андерсон. Она была названа позитроном.

Итак, был найден способ возбуждать искусственную радиоактивность, получать искусственные радиоактивные изотопы, не существующие в природе. Таких радиоактивных изотопов известно теперь более тысячи. Кроме того, супруги Жолио-Кюри обнаружили новый вид радиоактивного распада — позитронный, т. е. испускание положительного электрона, или β+-распад (в отличие от электронного β-распада).

Энрико Ферми решил получить новые искусственные радиоактивные изотопы, бомбардируя различные элементы нейтронами, а не альфа-частицами, как Жолио-Кюри. Ферми немалого уже достиг, пока в его руки не попал элемент уран. Тут он вдруг обнаружил, что если нейтроны предварительно замедлить, то с их помощью ядерные реакции протекают значительно интенсивнее. И вот поток медленных нейтронов обрушился на уран, и Ферми вскоре объявил о сенсационных результатах. Под действием медленных нейтронов из урана рождались

Рис. 12.

новые трансурановые элементы. Эпидемия «трансурановой лихорадки» прокатилась по лабораториям физических институтов.

Но как только химики вмешались в дело, оно приняло неожиданный оборот. На дне их пробирок оседали не микроскопические крупицы солей трансурановых элементов, а соединения элементов, появление которых представлялось совершенно загадочным. Это были соединения лантана и бария, элементов из середины периодической системы.

Тогда немецкие ученые Отто Ган и Ф. Штрассман сделали невероятное предположение: под действием медленных нейтронов ядро урана может разделиться на две части; и эти части — изотопы элементов из середины таблицы Менделеева (рис. 13). Ган тут же написал статью об открытии. Потом он вспоминал: «После того, как статья была отправлена по почте, все это показалось столь невероятным, что захотелось вернуть статью обратно из почтового ящика». Статья была опубликована 22 декабря 1938 г. Так было открыто деление урана.

Рис. 13. Схематическое изображение деления урана под действием медленных нейтронов. Оказалось, что нейтроны хорошо замедляются в воде.

283


Ядро урана распадалось на два осколка. При этом выделялась огромная энергия. Но вместе с осколками из погибающего уранового ядра вылетало несколько свободных нейтронов. Они могли разрушать другие ядра урана. И так далее. При благоприятных условиях в куске урана могла возникнуть так называемая цепная реакция деления — колоссальной мощности ядерный взрыв (см. ст. «Атомный реактор»).

Человек осуществил процесс, которого, казалось, не знала природа. Люди еще не обнаружили в ней столь глубокое превращение элементов. Изотопы 35 химических элементов — от цинка (порядковый номер 30) до тербия (порядковый номер 65) — были найдены среди осколков деления урана — настоящий клад радиоактивных изотопов.

ИСКУССТВЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В 30-х годах нашего столетия понятие «открытие элементов» сменилось другим: «искусственный синтез элементов». К этому времени в периодической системе пустовали клетки с № 43, 61, 85 и 87. Неясным оставался вопрос о существовании трансурановых элементов с порядковыми номерами 93 и далее. Большинство из всех этих элементов было искусственно синтезировано раньше, чем их удалось обнаружить в земных минералах.

Ученые располагали солидным арсеналом бомбардирующих снарядов: альфа-частицей, протоном, нейтроном, дейтроном (ядром тяжелого изотопа водорода — дейтерия). Недавно к ним прибавилась и такая крупнокалиберная «артиллерия», как ядра атомов легких элементов — бора, азота, кислорода, неона. Ученые получили чудесные установки — ускорители, которые позволяли разгонять атомные «снаряды» до очень высокой скорости. Это сильно облегчало им задачу пробиться к бомбардируемым ядрам.

Первым элементом, созданным человеком, был технеций. Так назвали 43-й элемент итальянские ученые К. Перрье и Э. Сегрэ (греческое слово «технетос» — по-русски «искусственный»). Они обстреляли молибденовую пластинку дейтронами (d), и в результате ядерной реакции42 Мо98 (d, n)43 Тс99 родился в январе 1937 г. изотоп первого искусственного элемента.

В 1940 г. ученые Корсон, Мак-Кензи и Сегрэ обстреляли быстрыми α-частицами ядра висмута. Продуктом реакции оказался изотоп другого

искусственного элемента — астата (греческое слово «астатос» — по-русски «неустойчивый»); его порядковый номер 85. Потом наступила очередь прометия — 61-го элемента. С 1940 г. началась эпоха синтеза трансурановых элементов, и теперь нам известен уже изотоп лоуренсия — элемента с порядковым номером 103. А совсем недавно советские физики во главе с Г. Н. Флеровым синтезировали более 150 атомов изотопа 104-го элемента (см. ст. «На пути к открытию элемента 104»).

Замечательной «фабрикой» некоторых искусственных элементов стал ядерный реактор. В нем происходит управляемая реакция деления урана.

Среди осколков деления урана около 6% приходится на долю изотопов технеция и прометия, которые и извлекаются в довольно больших количествах. В реакторе накапливается и трансурановый элемент плутоний ( Pu), Это происходит так. «Делящимся» материалом в реакторе служит изотоп уран-235. Но, помимо этого урана, в реакторе есть и изотоп с массовым числом 238. Ядра урана-238 захватывают нейтроны, и начинается цепочка радиоактивных превращений:

ЗЕМНАЯ ЖИЗНЬ ИСКУССТВЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

С помощью ядерных реакций было искусственно синтезировано около 60 радиоизотопов технеция, прометия, астата и франция и более 100 изотопов трансурановых элементов. Периоды их полураспада оказались ничтожно малыми по сравнению с возрастом Земли. Например, самый долговечный изотоп франция живет всего 21 минуту. А наиболее устойчивый — плутоний-244 — распадается наполовину за 76 млн. лет. Хотя все эти элементы — «вторичные», их земное существование можно считать вполне вероятным.

Изотопы астата и франция входят в радиоактивные семейства (см. вкладку у стр. 288). Но по сравнению с другими вторичными элементами они в весьма невыгодном положении. Они располагаются на боковых ответвлениях главных «магистралей» радиоактивных превращений. Эти ответвления объясняются способностью некоторых атомов распадаться двумя различными способами.

284


Скажем, актиний-227 в ряду урана-235 в основном способен испускать β-частицы, электроны. Но он может выбрасывать и α-частицу. Такое явление называют еще «радиоактивной вилкой». На «бета-зубце» этой «вилки» находится торий-227, а на «альфа-зубце» — как раз изотоп редчайшего франция. Так же «рождается» и астат. Поэтому вторичные астат и франций образуются в очень малых количествах, а так как у них и периоды полураспада ничтожно малы, то им не удается накапливаться в ощутимых количествах. Поэтому-то астат и франций — редчайшие элементы Земли. С помощью очень сложных расчетов ученые доказали, что в слое земной коры толщиной 1,6 км содержится лишь несколько граммов этих элементов.

Обнаружили ученые в земных минералах и первые трансурановые элементы — нептуний и плутоний. И в довольно солидном количестве: примерно 2600 т плутония и 230 т нептуния на всю массу земной коры. «Генератором» этих вторичных элементов оказывается опять-таки уран. В природе немало свободных нейтронов. Они поглощаются ядрами урана-238, и происходит та самая цепочка радиоактивных превращений, которая протекает в атомном реакторе.

Ко вторичным элементам можно причислить и технеций с прометием. В 1940 г. советские ученые К. А. Петржак и Г. Н. Флеров открыли совершенно новый вид радиоактивных превращений. Оказалось, что ядра урана-238 могут распадаться на два осколка примерно равной величины — распадаться не под действием нейтронов, а самопроизвольно. Чтобы доказать это, Флерову и Петржаку пришлось проводить свои эксперименты на дне глубокой шахты Московского метрополитена. Многометровая толща земли не пропускала сюда нейтроны космического излучения, которые могли бы исказить результаты опытов.

Уран-238 распадается самопроизвольно с очень большим периодом полураспада (около 1015 лет). И осколки его распада получаются в таком же обширном ассортименте, как при делении урана под действием нейтронов. Среди этих осколков есть изотопы технеция и прометия. Период полураспада самого долговечного изотопа технеция равен примерно 2 миллионам лет, а прометия — всего 18 годам.

Земные ресурсы вторичных технеция и прометия совершенно ничтожны. И тем не менее в 1961 г. американские ученые Кенна и Курода обнаружили в урановых минералах чуть приметные следы технеция.

Очередь теперь за прометием. Возможно, что и исчезающие малые количества более тяжелых земных трансуранов, чем плутоний, когда-нибудь попадут в руки ученых. И помогут в этом сложнейшие и чувствительнейшие радиометрические приборы.

КАК ОБЪЯСНЯЕТСЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ СОВРЕМЕННОЙ НАУКОЙ?

Существует наука с довольно скучным названием: «изотопная статистика». Она наводит строгий бухгалтерский учет для тысячи с лишним радиоактивных изотопов.

Вспомним, какие виды радиоактивных превращений нам известны. Это — альфа-распад, бета-распад и спонтанное (самопроизвольное) деление. Обратим особое внимание на бета-распад. Изотопная статистика подсчитала, что около 80% всех радиоактивных изотопов распадается по типу бета-распада.

Бета-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений. Первый вид — испускание электрона β-распад). Второй вид — испускание позитрона (β+-распад). Третий вид обнаружил в 1937 г. американский ученый Луис Альварец. Оказалось, что некоторые ядра могут поглощать электроны с ближайших к ядру электронных оболочек. Заряд ядра-поглотителя, как и при β+-распаде, уменьшается на единицу. Природная радиоактивность калия-40 как раз связана с тем, что ядром этого изотопа поглощается орбитальный электрон (см. рисунки 5 и 10 в ст. «Великий закон»). Если электрон поглощается ядром с K -оболочки (ближайшей к ядру), то это так называемый K -захват; если со следующей L -оболочки — это L -захват, но он встречается крайне редко. Значит, в процессах бета-распада обязательно участвует либо электрон, либо его электрический антипод — позитрон.

Ядра состоят только из протонов и нейтронов. И тем не менее при β или при β+-распадах из ядер вылетают электроны и позитроны. Модель ядра не приемлет электроны, и между тем электрон поглощается ядром при орбитальном захвате. Как же это понять?

А если допустить, что ядерные протоны и нейтроны не неизменны и способны превращаться друг в друга? Ядерный нейтрон может превращаться в протон, при этом вылетает электрон и заряд ядра увеличивается на единицу. Тут происходит β-распад. Ядерный протон в свою

285


очередь может стать нейтроном, а положительный заряд уносится вместе с позитроном. Заряд ядра станет на единицу меньше. Здесь мы имеем дело с β+-распадом. Заметим, что одновременно с позитроном или электроном вылетает элементарная частица нейтрино v (или антинейтрино v).

Мы можем записать эти виды распадов в виде схем:

А процесс орбитального захвата можем изобразить так:

Выходит, что при β-распаде ядро, теряя нейтрон, приобретает лишний протон, а при β+-распаде и орбитальном захвате оно, наоборот, меняет протон на нейтрон. Механика, на первый взгляд, очень несложная.

Но почему тогда далеко не все ядра подчиняются этой механике?

Важнейшее условие устойчивости атомных ядер — отношение числа содержащихся в них нейтронов к числу протонов ( n : p). Это соотношение меняется с ростом заряда в ядре. Оно приблизительно равно 1 у изотопов легких элементов и достигает 1,6 у тяжелых. Только при определенных величинах отношения n : p ядра устойчивы. При других же отношениях они способны к бета-распаду.

Неустойчивы ядра с большим числом нейтронов — у них велико отношение n : p. Как оно может уменьшиться? Только если n станет меньше, а p — больше, если нейтрон превратится в протон, испустив электрон, т. е. путем β-распада. Поэтому все тяжелые изотопы с избытком нейтронов оказываются β-активными.

Когда же отношение n : p мало, то у ядра появляется стремление заменить протон на нейтрон и, испустив позитрон, восстановить равновесие. Легкие радиоактивные изотопы химических элементов надо считать приверженцами β+-распада.

Орбитальный захват — это тоже привилегия легких изотопов, стремящихся к обмену протона на нейтрон. Но встречается он главным образом у элементов, у которых внутренние электронные оболочки расположены близко к ядру, т. е. у элементов в середине и в конце периодической системы.

Почему же ядра остаются устойчивыми при каких-то «избранных» отношениях n : p ? Может быть, эта устойчивость мнимая и ядра даже при этих соотношениях в очень слабой (необнаружимой пока) степени радиоактивны?

Или же вся эта схема лишь весьма грубое приближение к действительности — своего рода «рабочая модель»?

Словом, на вопрос: «Что такое радиоактивность?» — в наше время еще нет исчерпывающего ответа. Быть может, кому-нибудь из вас придется принять участие в его решении.

Обратимся теперь к другим видам радиоактивного распада. Альфа-распад — явление частое среди радиоактивных изотопов. И главным образом у элементов конца периодической системы. Вылет α-частицы сопровождается изменением массы исходного ядра на 4, а заряда— на 2 единицы. Поэтому долгое время считалось, что к альфа-распаду способны только самые тяжелые, наиболее сложные ядра — ядра элементов начиная со свинца и висмута.

Каково же было удивление ученых, когда они установили, что альфа-распад может быть у многих изотопов редкоземельных элементов, расположенных в середине таблицы Менделеева. Отдельные изотопы лантана и церия, празеодима и неодима, самария и гадолиния, диспрозия и тербия по странной прихоти природы охотно теряют альфа-частицы.

Оправдать эту прихоть помогла так называемая оболочечная модель атомного ядра. Протоны и нейтроны слипаются в ядерный комок не в беспорядке, заявили ученые. Напротив, составные частицы ядра должны располагаться в строгом порядке. Подобно тому как электроны в атомах распределяются по оболочкам, ядерные протоны и нейтроны также разложены по «полочкам» с разными уровнями энергии и на эти «полочки» вмещаются строго определенные количества протонов или нейтронов — 2, 8, 20, 50, 82, 126. Ядра, содержащие такие количества частиц, получили название «магических», их можно считать своеобразными «инертными газами» в периодической системе изотопов (подробнее об этом см. в ст. «Великий закон»).

Ядра изотопов редкоземельных элементов содержат количества нейтронов, близкие к «магическому» числу 82. И эта близость, как доказали физики, способствует нарастанию вероятности α-распада. Поэтому в области редкоземельных элементов наблюдается первая на протяжении периодической системы «вспышка» α-активности. В районе классических α-излучателей (элементы конца таблицы Менделеева) дает себя знать близость оболочки из 126 нейтронов.

В целом 16% радиоактивных изотопов распадаются, испуская α-частицы.

286


Спонтанное (самопроизвольное) деление — это самый кардинальный тип радиоактивных превращений. Он встречается только у очень тяжелых ядер. Ему подвержены многие α-активные ядра, а в особенности у изотопов трансурановых элементов. У ядер, находящихся в соседстве с ураном, спонтанное деление — явление очень редкое. Если бы в природе существовало только спонтанное деление, то, например, из 1 г изотопа тория-232 осталось бы 0,5 г за колоссальный срок, который даже трудно себе представить, — 1021 лет. Этот изотоп превращается гораздо быстрее благодаря α-распаду.

С ростом заряда в ядре вероятность самопроизвольного деления стремительно нарастает, и, например, у изотопа менделевий-256 (порядковый номер 101) период полураспада при спонтанном делении равен всего 30 минутам. Физики установили четкий критерий способности ядра к самопроизвольному делению. Он измеряется отношением квадрата заряда ядра Z к атомному весу А (массовому числу) изотопа. Как только величина : A достигает значения 44,5, самопроизвольное деление становится вероятным.

Оболочечная модель ядра не может объяснить, как происходит механизм спонтанного деления. Приходится привлекать для этого другую модель — капельную. Ученые давно проводили аналогию между свойствами ядра и свойствами капли жидкости. Если капле сообщить достаточную энергию, привести ее в движение, то она может разделиться на более мелкие капли. Подобным же образом и ядро, если оно, как говорят физики, придет в возбужденное состояние, способно делиться — либо под действием нейтронов, либо самопроизвольно.

УПРАВЛЯЕМЫЙ РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

То, о чем сейчас пойдет речь, быть может, вам покажется весьма фантастическим. Возможен ли управляемый радиоактивный распад? Ученые воздерживаются пока от каких-либо конкретных гипотез в этой области.

Но здесь нелишне вспомнить любопытный исторический парадокс. Всего за несколько лет до того, как был пущен первый ядерный реактор, такие великие умы человечества, как Эйнштейн и Резерфорд, скептически относились к возможности практического применения ядерной энергии.

Бесчисленные эксперименты убеждали: человек не властен по своему усмотрению изменить ритм атомных «часов», он не может ни замедлить, ни ускорить радиоактивный распад. Ученые подвергли радиоактивные вещества действию солнечного жара и космического холода, сильнейших электрических и магнитных полей, использовали глубокий вакуум и давление в сотни тысяч атмосфер — периоды полураспада радиоактивных изотопов не изменялись.

Но есть среди процессов радиоактивных превращений уже знакомый нам орбитальный захват. В этом процессе участвуют электроны с внутренних оболочек. У изотопов какого-нибудь очень легкого элемента мало электронных оболочек, и все они фактически внешние. Напомним, что химические свойства элементов как раз зависят от числа электронов и их расположения на внешних оболочках атомов. У элементов второго периода таблицы Менделеева валентные электроны, участвующие в химических связях, находятся во второй, т. е. в L -оболочке. В теории валентности существует понятие плотности валентных электронов. Они могут быть расположены, грубо говоря, гуще либо реже. Это зависит от того, входит данный элемент в состав какого-нибудь соединения или же он находится в свободном состоянии.

При орбитальном захвате ядро может поглощать электрон с L -оболочки. Чем ближе к ядру расположена эта оболочка, чем гуще на ней скопление электронов, тем более вероятен L -захват. А ведь только что мы видели: у легких элементов электроны L -оболочки валентные. Следовательно, если найти такой элемент, у которого, во-первых, существует L -захватный изотоп, а, во-вторых, электроны L -оболочки валентные, то не повлияет ли на период полураспада форма химического соединения, в которое этот элемент входит?

Есть такой изотоп: бериллий-7. Именно с ним поставили свои эксперименты ученые Сегрэ и Буше. И пришли к поразительному выводу: когда бериллий входил в состав соединения BeF2, то скорость L -захвата в бериллии-7 хоть и на малую величину, но ощутимо замедлялась по сравнению с таким же процессом в чистом металлическом бериллии. В соединении густота электронов L -оболочки оказалась меньше.

Влиять на скорость α-распада, спонтанного деления, испускания электронов и позитронов еще невозможно: ученые не видят для этого конкретные пути. А ведь какие грандиозные перспективы откроет перед человечеством

287


возможность регулировать процессы радиоактивного распада!

Если бы ученые научились увеличивать скорость распада долгоживущих радиоактивных изотопов, то тем самым они безгранично расширили бы ассортимент ядерного горючего. Едва ли не каждый элемент периодической системы сможет стать тогда источником ядерной энергии.

Если бы мы, наоборот, сумели замедлить скорость радиоактивного превращения короткоживущих изотопов, как бы «заморозили» периоды их полураспада, тогда возможность синтеза сверхтяжелых трансурановых элементов стала бы гораздо шире. Пока что предел их искусственного получения уже близок. Вряд ли ученым удастся изготовить образцы с порядковыми номерами больше 110: изотопы этих элементов будут погибать, едва успев образоваться,— такую сильную радиоактивность предсказывает для них теория. Если ученые научатся «замораживать» периоды полураспада, периодическая система пополнится многими новыми элементами, да еще в количествах, которые будет легко взвесить на обычных лабораторных весах.

Что же мешает? Да то, что мы неясно представляем себе механизм ядерных сил. И устройство самого ядра для нас еще во многом загадочно .

СКОЛЬКО ВИДОВ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ СУЩЕСТВУЕТ?

История исследований радиоактивности протекала примерно так же, как и история любой другой науки: ученые сначала открывали те процессы и явления, которые, так сказать, лежали на поверхности. Не мудрено поэтому, что испускание ядер гелия и электронов удалось обнаружить уже вскоре после работ Беккереля. Зато открытие позитронного распада, орбитального захвата, самопроизвольного деления потребовало уже специальных знаний и сложных приборов.

Удастся ли нам еще пополнить перечень видов радиоактивных превращений?

Теоретики уже давно предсказывали новый вид радиоактивности — так называемую протонную радиоактивность. Те изотопы, полагали ученые, у которых в ядрах очень мало нейтронов (мало отношение n : p), могут самопроизвольно испускать протон. Наши экспериментаторы во главе с Г. Н. Флеровым доказали

это на опыте. Теоретики полагают, что возможна и двухпротонная радиоактивность.

Теория предсказывает также, что должно пополниться «семейство» бета-распадов. Его предполагаемый член именуется в науке двойным β-распадом. Некоторые ядра смогут испускать одновременно два электрона, а два нейтрона — превращаться в протоны. Можно насчитать немало ядер, у которых предполагается 2β-радиоактивность. Периоды их полураспада должны быть огромными.

А дальше?

Нисколько не фантастично предположить, что еще наше поколение пополнит перечень видов радиоактивных превращений.

Вот, если хотите, тема для размышлений. Маленькая аналогия из области истории науки. Прежде чем было открыто самопроизвольное деление урана, ученые узнали об искусственном делении его ядер под действием медленных нейтронов. Механизм обоих процессов одинаков, состав осколков один и тот же.

Сейчас в ядерной физике широко известен процесс расщепления тяжелых ядер под действием быстрых частиц, например протонов. Они откалывают от ядер «куски», «фрагменты» самой различной величины. В процессе расщепления получаются изотопы почти всех химических элементов таблицы Менделеева.

А может быть, подобное радиоактивное превращение протекает и естественным образом? Может, ядра элементов конца периодической системы самопроизвольно испускают «фрагменты», более крупные, чем альфа-частицы? Например, легкие ядра лития, бериллия, углерода, азота? Любопытно, что эта идея «фрагментарной» радиоактивности не так уж нова: еще в 1926 г. один английский ученый доказывал, что уран обладает своеобразной «азотной» радиоактивностью, т. е. его ядра способны выбрасывать ядра азота.

Несомненно одно: атомы куда более изобретательны в выборе вида радиоактивности, чем представляем мы себе сейчас. Но когда ученые пытаются в этой изобретательности разобраться поглубже, они упираются в слабое знание «внутренней жизни» атомных ядер.

ГАММА-ЛУЧИ

Мария и Пьер Кюри разделили лучи, открытые Беккерелем, на три пучка: альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. До сих пор мы говорили только о первых двух пучках. Гамма-лучи

288




также играют большую роль во многих видах радиоактивного распада. У этих лучей много общего с лучами Рентгена. И те и другие представляют собой электромагнитные излучения. Только длина волны у гамма-лучей значительно короче. В природе вообще нет волн более коротких, чем гамма-лучи.

Рентгеновские лучи возникают в атоме в результате перехода электронов с одной оболочки на другую, более глубокую. Энергия, выделяющаяся в этом процессе, проявляется внешне в виде рентгеновского излучения. У гамма-лучей уже не электронная, а ядерная природа. Атомное ядро, приобретя некоторый избыток энергии, приходит в возбужденное состояние. Оно стремится избавиться от излишней энергии и перейти в обычное (невозбужденное) состояние. Когда же такой переход происходит, выделяется гамма-квант, рождаются гамма-лучи. Квант — это определенное, наименьшее из возможных, количество энергии.

Ядро, образовавшееся в результате альфа- или бета-превращения, обычно приходит в состояние возбуждения. Поэтому альфа- и бета-распады часто сопровождаются гамма-излучением. При гамма-излучении превращение элементов не происходит.

Гамма-квант может, еще не вылетев за пределы атома, передать свою энергию одному из электронов (такое явление в науке называется внутренней конверсией). Электрон, поглотивший гамма-квант, вылетает из атома, а на его место переходит электрон с другой оболочки. При переходе электронов с оболочки на оболочку появляются лучи Рентгена.

Мы уже говорили о ядрах-родственниках — об изотопах. У изотопов какого-либо элемента одинаковое количество протонов и различное количество нейтронов. Исследование гамма-лучей позволило ученым обнаружить в мире атомов и другие родственные группы: изобары и изомеры (рис. 14).

Рис. 14. Примеры изотопов (число протонов одинаково, число нейтронов различно), изобаров (числа протонов и нейтронов различны, одинаковы их суммы) и изомеров (числа протонов и нейтронов одинаковы, различны энергии ядер).

Изобары («изобары» по-гречески — «равно-тяжелые») принадлежат разным элементам, но имеют одинаковые массовые числа, одну и ту же сумму протонов и нейтронов, хотя количества протонов у них различны. Например, изотопы бериллий-10 и бор-10 — изобары.

Изомеры на первый взгляд ничем не различаются, у них равны не только суммы, но и в отдельности числа протонов и нейтронов. Но способность к радиоактивности у них различна. Ядро у одного изомера распадается быстрее, чем у другого. Это объясняется тем, что их ядра находятся в различных энергетических состояниях: одно возбуждено, другое - нет. Так, например, у протактиния-234 два изоме-ра. Возбужденное ядро одного из них распа-дается с периодом полураспада 1,18 минуты, а невозбужденное ядро другого распадает-ся наполовину за 6,7 часа. Возбужденное ядро переходит в невозбужденное состояние, испуская гаммалучи. Сейчас ученым известно более 200 изомерных пар.

289


КОРОТКО О НУКЛОНАХ

Какие бы удобства ни представляла протонно-нейтронная модель ядра, она все-таки лишь схема, которая более или менее удачно объясняет факты, накопленные ядерной физикой. Физики, в конце концов, пришли к весьма неожиданному выводу. «Чистых» протонов и нейтронов в ядре нет. Есть некое ядерное вещество. Отдельные «кусочки» этого ядерного вещества — нуклоны — могут существовать в двух состояниях: иметь положительный заряд или вообще не иметь заряда. Эти два состояния могут превращаться друг в друга. Внешне такое превращение выглядит как превращение нейтрона в протон или наоборот. И объяснять природу ядерных сил теперь пытаются, рассматривая обмен мезонами между двумя нуклонами.

В последние годы ученые решили выяснить, как устроен нуклон. Для этого потребовались весьма тонкие и сложные эксперименты, весь арсенал знаний, накопленных ядерной физикой. Им удалось определить размер нуклона, его радиус. Радиус ядра был известен физикам уже давно. Он равен в среднем 1,35•10−13 см (для сравнения укажем, что радиус простейшего атома — атома водорода — 10−8 см). Плотность ядерного вещества чудовищно велика — около 2•1014 г/см³, т. е. примерно 200 млн.т в одном кубическом сантиметре. Если бы из вещества подобной плотности удалось изготовить шар радиусом в 200 м, он весил бы столько, сколько планета Земля.

Ученые представляют себе строение нуклона так. В центре его находится своеобразное ядрышко — «керн». Его радиус примерно равен 0,3•10−13 см. Керн окружен «облаком», состоящим из мезонов. Что представляет собой керн, пока еще неизвестно. Мы знаем о нем еще меньше, чем о строении ядра Земли.

Нуклоны, находящиеся в положительно заряженном состоянии (протоны), и нуклоны, не имеющие заряда (нейтроны), ведут себя по-разному. Нуклоны остаются для ядерной физики «загадкой № 1», а точная расшифровка их строения помогла бы ответить на множество важнейших вопросов. В том числе и на такой: что же такое радиоактивность?

МАЛЕНЬКАЯ ИНТЕРМЕДИЯ

В 1896 г. Анри Беккерель открыл радиоактивность. Пятьдесят лет спустя над пустыней Лос-Аламос вырос ядовитый атомный «гриб».

Еще через 10 лет со стапелей ленинградской судоверфи сошел первый в мире атомный ледокол «Ленин». За короткий срок атом, который считался неизменным, стал и атомом-разрушителем и атомом-созидателем.

На первых порах природа зашифровала новое для науки явление — радиоактивность. Неизмерим труд сотен ученых, которые в разных странах переводили таинственные знаки природы на конкретный язык науки. И сейчас радиоактивность представляется нам огромной и интересной книгой. В ней еще не понятны многие строки и даже целые страницы. Эту книгу предстоит еще дописывать и дописывать грядущим поколениям ученых.

Трудно переоценить значение радиоактивности для судьбы Земли. Радиоактивность «повинна» в том, что наша планета, которая сначала была холодным шаром, постепенно разогревалась. Ее согревало тепло радиоактивного распада урана, тория и неустойчивого изотопа калия.

Земные элементы живут. Они гибнут и рождаются. Одни элементы превращаются в другие. Радиоактивный распад приводит к тому, что в земном шаре изменяется содержание изотопов различных элементов. Происходит медленное исчезновение менее устойчивых и накопление более устойчивых изотопов,

А тут еще, кроме внутренних ядерных сил, в жизненные процессы элементов вмешиваются силы внешние: бесчисленное множество ядерных реакций, протекающих в земной коре; частицы, входящие в состав космического излучения; свободные нейтроны. Такие внешние силы дополнительно вызывают превращение химических элементов на Земле.

Но известны далеко не все эти внешние силы: наука только-только начала изучать подобные ядерные реакции, происходящие в природе. Мы стоим сейчас на пороге той, пока загадочной области знаний, которую следовало бы назвать эволюцией химических элементов на Земле.

Радиоактивность — не частная привилегия земных элементов. Куда необъятнее темы «Вселенная и радиоактивность», «Вселенная и ядерные реакции». Космос — это подмостки гигантской сцены, на которой разыгрываются целые трагедии в мире химических элементов. И разыгрываются в масштабах, которые трудно себе представить.

Пример такой трагедии — происхождение химических элементов. Во Вселенной идет вечный процесс образования элементов, всех эле-

290


ментов, которые на Земле расположились на клетках великой карты — периодической системы Менделеева.

ПОЧЕМУ СВЕТЯТ ЗВЕЗДЫ?

Ученые давно искали ответ на этот вопрос. Химики говорили: в недрах звезд происходят гигантские химические процессы горения. Физики подсчитывали, размышляли, делали вывод: «Заблуждение! Химические реакции не могут выделять такое громадное количество тепла. Звезды светят миллиарды лет, а запасов химического топлива хватило бы очень ненадолго».

Исследователи радиоактивности придерживались иных взглядов: «Звезды — это гигантские кладовые радиоактивных элементов,— говорили они. — Даже таких тяжелых, которые неизвестны на Земле. Тепло их распада и питает вечный звездный огонь». Теоретики исписывали горы бумаги и разводили руками: в тепловом балансе звездного хозяйства концы не сходились с концами. Радиоактивный распад при всем его могуществе не мог быть источником светимости звезд.

Шведский ученый Сванте Аррениус первым назвал совершенно неожиданный источник энергии звезд. Он предположил, что существует природный процесс, при котором легкие атомы, например водород, могут соединяться в более тяжелые: «Гелий представляет собой важный элемент на пути от водорода к более тяжелым элементам».

Если перевести слова Аррениуса на язык современной науки, то они будут звучать так: основа энергетического богатства звезд — превращение ядер водорода в ядра гелия. А если в звездах происходит процесс постепенного усложнения атомных ядер, то это — основная идея, на которой можно строить предположения о путях происхождения всех химических элементов.

В 1928 г. физики-теоретики австриец Хоутерманс и американец Аткинсон превратили гипотезу Аррениуса в научную теорию. Они показали, по каким последовательным ступенькам происходит превращение водорода в гелий, и подсчитали, что этот простейший синтез ядер может очень долгое время разогревать небесное светило. Ведь при превращении 1 г водорода в гелий выделяется 1250 млрд. дж (300 млрд. калорий) тепла (рис. 15). Этого превращения вполне достаточно, чтобы, скажем, Солнце

Рис. 15. Превращение ядер водорода в ядра гелия сопровождается выделением огромного количества энергии.

могло щедро одаривать Землю своими лучами многие миллиарды лет. Подавляющее большинство известных нам звезд фактически состоит из водорода и гелия. Прочие элементы на них — лишь небольшая примесь. Если на Земле преобладают кислород и кремний, то в космосе наиболее распространены именно водород и гелий— самые первые, самые легкие элементы периодической системы.

Но гелий может рождаться из водорода только при очень высоких температурах. Самые легкие ядра вступают в термоядерные реакции,

291


если в звездных недрах господствует жар в 10 млн. градусов. Чтобы гелий мог превращаться в более тяжелые элементы, такой температуры уже недостаточно.

Астрофизик Ганс Бете в 1938 г. подсчитал: тот максимум температуры, на который «способны» недра обычных звезд, не превышает 20 млн. градусов. Но при такой температуре ядерный синтез не пойдет дальше образования гелия.

Одно из двух: или звезды — неподходящие «фабрики» химических элементов и те каким-то неведомым способом образовались, когда и самих-то звезд еще не существовало, или следует искать особые, сверхгорячие звезды, раскаленные до миллиардов градусов.

«ВЕСЬ МИР ЗА ПЯТНАДЦАТЬ МИНУТ»

Ученые стали развивать теории дозвездного образования элементов. Воображение рисовало им потрясающие температуры в сотни миллиардов градусов, огромные Давления, вещество, сжатое до предела, такое тяжелое, что маленькая его крупинка весила бы больше Земли. В подобных условиях и могли синтезироваться все элементы.

...Если бы в науке было принято рекламировать ту или иную теорию, то суть так называемой альфа-бета-гамма-теории можно было бы выразить фразой: «Весь мир за пятнадцать "минут». Ее авторы — ученые X. Альфвен, Г. Бете и Г. Гамов. Теорию назвали начальными буквами греческого алфавита по созвучию с фамилиями этих ученых. Ее смысл: все элементы образовались раньше, чем появились сами звезды. В основе этой теории...

Впрочем, сначала обратимся к нашему старому знакомому — нейтрону. Как ведет себя свободный нейтрон, не связанный с другими частицами крепкими путами ядерных сил? Оказывается, он совсем не так устойчив, как хотелось бы думать. Он может превратиться в протон. Словом, нейтрон подвержен β-распаду. И период полураспада нейтрона очень мал: около 12 минут.

На этой особенности нейтрона и построили свои умозаключения Альфвен, Бете и Гамов. Их теория начиналась подобно сказке: «Давным-давно во Вселенной не было звезд. А вся материя космоса представляла собой огромный сгусток. Этот сгусток состоял из одних лишь нейтронов». Это «полинейтронное

Рис. 16. «Все элементы были созданы всего за 15 минут!» — провозгласила альфа-бета-гамма-теория. Увы, она оказалась подобной воздушному шару, который лопнул, не успев подняться...

ядро» было сжато таким чудовищным давлением, что нейтроны даже не могли распадаться. Но время шло. «Ядро» постепенно начало расширяться. Нейтроны получили, наконец, некое подобие свободы. Первые нейтроны превратились в первые протоны. Протоны стали объединяться с нейтронами в ядра дейтронов — тяжелых изотопов водорода. Те в свою очередь поглощали новые нейтроны, и рождались разновидности водородных атомов с массовыми числами 3, 4, 5, 6 и более — ядра, чрезмерно перегруженные нейтронами. Но такие ядра, как мы знаем, предрасположены к β-распаду. Водород стал превращаться в гелий, а изотопы гелия начинали насыщаться нейтронами.

Так потянулась длинная цепь последовательных нейтронных захватов и β-распадов. И все изотопы всех химических элементов, вплоть до очень тяжелых, стали звеньями этой цепи. Альфа-бета-гамма-теория успешно объяснила ход кривой космической распространенности элементов, а ведь правильное объяснение этой кривой — «пробный камень» вообще всех теорий происхождения элементов. Но

292


главная сенсация была впереди. Математические расчеты позволили вычислить, сколько времени потребовалось бы на весь этот невообразимо гигантский процесс. Не миллиарды, не сотни тысяч лет, даже не дни. Всего-навсего — 15 минут. За четверть часа должны были образоваться из нейтронного «ничто» все известные во Вселенной химические элементы! За 15 коротких минут, и не более, потому что потом осталось бы слишком мало свободных нейтронов и наступил бы логический конец синтеза.

Но эффектные теоретические построения Альфвена и его коллег не могли объяснить два мелких факта. Ведь в ходе захвата нейтронов должны были образоваться все без исключения изотопы химических элементов. В том числе гелий-5 и бериллий-8. Но ядра этих элементов характерны тем, что о них нечего сказать. Теоретики подсчитали: ядро бериллия-8 может существовать всего 10−16 секунды, число, мало доступное воображению. А гелий-5 неустойчив совершенно. Однако без этих ядер, без их непременного образования альфа-бета-гамма-теория обойтись не могла. Из цепи вырывалось два звена, и цепь распадалась.

Новый путь к синтезу элементов тяжелее гелия завел в тупик. И выход из этого тупика обнаружился самым неожиданным образом.

КЛЮЧ ДАЕТ ТЕХНЕЦИЙ

Элемент технеций ученые сначала синтезировали в 1937 г. искусственно. Только в 1961 г. его следы обнаружились в земных минералах. Но уже в 1950 г. технеций подал весть о своем существовании с ослепительной поверхности Солнца. Его следы обнаружила в солнечном спектре Шарлотта Мур — американский астрофизик. Затем присутствие технеция в некоторых звездах доказал англичанин Меррил (рис. 17). Это событие бросило новый свет на проблему происхождения химических элементов.

Звезды живут миллиарды лет. Период полураспада самого долгоживущего изотопа — технеция — около 2 млн. лет. «Солнечные» условия не способны продлить его жизнь. Ведь на радиоактивный распад не влияют самые высокие температуры. Сопоставление этих двух фактов рождает загадку. Откуда берется технеций на Солнце и в звездах? Почему он существует сейчас, если уже давным-давно должен был распасться?

Вывод может быть только один: и поныне технеций непрерывно образуется на Солнце и в звездах. А раз так, то должны существовать в звездах такие условия, которые благоприятны для синтеза элементов тяжелее гелия.

ОТ ГЕЛИЯ ДО ВИСМУТА

Звезды — не мертвые тела. Они живут и в своем развитии проходят разные стадии — стадии эволюции, как говорят астрофизики. На первой стадии в ядре звезды протекает термоядерная реакция «сгорания» водорода в гелий. Этот процесс тянется миллион лет. Постепенно «запасы» водорода в центре звезды сходят на нет, зато гелия становится все больше и больше. Состав ядра и состав оболочки звезды становятся различными.

И тут звезда изменяет свое доселе спокойное поведение. Ее оболочка начинает расширяться, а ядро, напротив, сжимается. Сжатие повышает температуру, и она достигает в центре звезды 150 млн. градусов.

Теперь синтез химических элементов может перескочить гелиевый «барьер». Ядра гелия начинают сливаться друг с другом, и включается механизм так называемого альфа-синтеза. К образующимся ядрам присоединяются новые

293


α-частицы. Сначала три α-частицы сливаются в ядро углерода-12. Дальнейшую цепочку синтеза мы в терминах ядерной физики можем записать так:

C12 (α, γ) О16 (α, γ) Ne20 (α, γ) Mg24,

где γ означает испускание гамма-лучей.

Мы оборвали эту цепочку на магнии не случайно. Тут α-синтез прекращается, потому что 150 млн. градусов не хватает для образования последующих элементов.

Но ведь до технеция α-синтез так и не дошел. У магния порядковый номер 12, у технеция — 43. Разница между ними равна 31. Еще тридцать один элемент каким-то путем должен был образоваться, чтобы технеций мог салютовать земным ученым с далеких звездных миров...

Быть может, звезда за счет чего-то получает дополнительный подогрев? Однако за счет чего именно? Ведь теперь речь идет о температурах уже в миллиарды градусов. Только в этом случае образование элементов может шагнуть за магний. Где найти такое громадное количество тепла — совершенно неясно.

Хотя альфа-бета-гамма-теория лопнула как мыльный пузырь, от нее осталась вполне материальная «капля». В этой «капле» сосредоточилось то единственно ценное, что было в злополучной теории: синтез химических элементов проходит с участием нейтронов.

Нейтрон, как мы знаем, — всемогущее орудие при осуществлении ядерных реакций. Ему безразлично, каковы внешние условия: царит ли сковывающий холод или нестерпимый жар. Он с одинаковым успехом добирается до атомного ядра. Если допустить, что в дело вмешивается процесс захвата нейтронов, тогда цепочка синтеза элементов потянется дальше. Для этого нужны свободные нейтроны, много свободных нейтронов. Их источники должна была отыскать изобретательная мысль ученых.

В звездах существуют ядра двух атомов: углерода-13 и неона-21. Они образуются на предыдущих стадиях эволюции звезды. Как именно — вопрос сложный. Мы не будем на нем задерживаться. Примем сам факт.

Можно представить себе, что ядро углерода-13 как бы составлено из трех альфа-частиц плюс один нейтрон. В ядре неона-21 пять альфа-частиц терпят нежелательное соседство единственного нейтрона. Нежелательное потому, что ядра, состоящие целиком только из альфа-частиц, очень устойчивые системы (кроме бериллия-8). Нейтрон же в этих ядрах — как инородное тело, и они стремятся от него избавиться, поменяв на альфа-частицу. Словом, происходят ядерные реакции:

C13 (α, n) O16 и Ne21 (α, n) Mg24.

Для синтеза элементов появляется вполне достаточное количество свободных нейтронов.

Теперь-то и вступает в действие тот механизм, которым пыталась объяснить образование всех элементов альфа-бета-гамма-теория. Начинается процесс медленного захвата нейтронов. Медленного потому, что промежуток времени между двумя последовательными захватами нейтронов велик по сравнению с периодами полураспада образующихся изотопов. Только изотопы с большими периодами полураспада способны к дальнейшим превращениям. Менее долговечные изотопы превращаются в стабильные раньше, чем успеют захватить очередной нейтрон. Так рождаются многие элементы, в том числе и технеций.

Этот механизм синтеза элементов выключается на висмуте (порядковый номер 83). Следующие за ним элементы недолговечны. Они распадаются раньше, чем получают возможность захватить нейтрон.

РОЖДЕНИЕ И ГИБЕЛЬ СВЕРХНОВЫХ ЗВЕЗД

Эти события случаются буквально раз в столетие. В далеком уголке небесной бездны неожиданно вспыхивает звезда необычной яркости. С каждым днем она теряет свой блеск, тускнеет, невооруженный глаз теряет способность разглядеть ее. И, наконец, исчезает. Почти так же неожиданно, как и появилась. Словно и не было никакой вспышки. Такие удивительные звезды астрономы и астрофизики называют Сверхновыми.

Взрыв Сверхновой — настоящая космическая катастрофа. При ее вспышке выделяется чудовищное количество энергии. По самой грубой оценке оно могло бы образоваться при одновременном взрыве многих миллиардов самых мощных водородных бомб. Ученые пока не могут объяснить истинную причину появления Сверхновых. А понять эту причину было бы крайне важно для окончательного выяснения картины происхождения элементов.

Светимость Сверхновых спадает согласно определенному закону: ее величина через определенный интервал уменьшается в одно и то же количество раз. Такой вид изменений

294


в природе встречается часто, К ним относится и радиоактивный распад, Через время, равное периоду полураспада, начальное количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое. И в два раза меньшим становится суммарное значение энергии распада.

Оказалось, что через каждые 55 дней Сверхновые звезды делаются вдвое менее яркими, Такое убывание светимости Сверхновой навело ученых на смелую мысль, А что если выделение энергии после взрыва Сверхновой объяснить радиоактивным распадом какого-нибудь изотопа с периодом полураспада в 55 дней? Из тысячи известных радиоактивных изотопов оказались подходящими только два: бериллий-7 и стронций-89. Они распадаются наполовину как раз за 55 дней. Но та энергия, которая выделяется при их бета-распаде, так мала, что даже на краткий миг неспособна была бы обеспечить блеск Сверхновых, даже если допустить, что эти звезды почти целиком состоят из бериллия или стронция.

Новый претендент обнаружился среди элементов, которые были синтезированы учеными, Это был трансурановый элемент калифорний с порядковым номером 98. Его изотоп калифорний-254 удалось приготовить в количестве всего около 30 миллиардных долей грамма. Но и этой пылинки оказалось достаточно, чтобы измерить период полураспада: он оказался равным 55 дням.

И тогда появилась гипотеза: энергия самопроизвольного деления калифорния-254 служит источником светимости Сверхновой в течение почти двух лет — до тех пор, пока весь калифорний не распадется.

Но как синтезируется сам калифорний? Ведь мы остановились на том, что механизм образования элементов отключился на висмуте. Перед взрывом Сверхновой все ядерные реакции в звезде идут особенно интенсивно. В том числе и взаимодействие с альфа-частицами уже знакомого нам неона-21. За короткий промежуток

времени рождается громадное количество нейтронов, Ядра успевают на этот раз поглотить нейтроны быстрее, чем произойдет их бета-распад. Неустойчивость элементов тяжелее висмута уже не станет мешать синтезу. Цепь превращений будет удлиняться и приведет к образованию очень тяжелых элементов, среди них и калифорния.

Ученые произвели любопытный расчет. Оказывается, при каждом взрыве Сверхновой образуется поистине фантастическое количество этого самого калифорния-254. Если его выразить в тоннах, то мы получим число, равное единице с 23 нулями. Это в 20 раз больше веса нашей Земли.

Совсем недавно выяснилось, что период полураспада калифорния-254 равен 60 дням. Смелая догадка оказалась под сомнением. Стало быть, нужна новая гипотеза.

... Гибнет Сверхновая — и на месте ее ослепительной вспышки останется лишь маленькая, тусклая звездочка. Она отличается необычайно высокой плотностью вещества. Эти «трупы» Сверхновых называют «белыми карликами». Что с ними происходит далее, пока неизвестно. А то громадное количество материи, которое выбрасывается при взрыве Сверхновой в пространство Вселенной, может сгущаться и образовывать новые звезды. Эти звезды начнут новую жизнь, и в них будет происходить великий процесс синтеза элементов. Но, быть может, он пойдет иным путем, отличным от того, с которым мы познакомились.

Теория происхождения элементов еще очень далека от завершения. Многим поколениям ученых предстоит глубже и глубже познавать истину. Рождение, жизнь и смерть химических элементов — это гигантский единый процесс. И люди уловили эту закономерность природы пока только в самых общих чертах, как художник, который сделал на холсте первые мазки будущей картины: он знает, что будет писать, но еще не знает, как это будет выглядеть.

АТОМНЫЙ РЕАКТОР

Когда говорят об атомном реакторе, невольно представляешь себе огромное здание электростанции (рис. 1), тысячетонную бетонную защиту, сложнейшую автоматику и обязательно высоченную трубу для сброса слегка радиоактивных газов в атмосферу. Между

тем первые реакторы выглядели далеко не так монументально. И в современных реакторах главное не технические детали и не размеры.

Первоначально в английском языке атомный реактор назывался «pile», т. е. куча, штабель. Первые атом-

295


Рис. 1. Ново-Воронежская атомная электростанция.

ные реакторы действительно больше походили на штабели из графитовых кубиков, чем на современные сложнейшие сооружения. Но как в первом примитивном автомобиле уже был мотор, так и в этих первых штабелях урана и графита уже тлела цепная ядерная реакция.

Резерфорда, сделавшего немало открытий в области радиоактивности, однажды спросили, какой практический интерес могут представить его открытия. И великий ученый ответил: «Ровно никакого». Но вот в 1932 г. Джемс Чэдвик открыл нейтрон. Это был ключ почти ко всем атомным ядрам. В 1935 г. Фредерик Жолио-Кюри, получая Нобелевскую премию за открытие искусственной радиоактивности, сказал: «Мы отдаем себе отчет в том, что ученые, которые могут создавать и разрушать элементы, способны также осуществлять ядерные реакции взрывного характера».

Ученые долго не замечали способность ядер урана делиться. Ведь все другие элементы, облучавшиеся нейтронами, превращались в более тяжелые ядра, поэтому предполагалось, что и уран должен себя вести так же.

С 1935 по 1938 г. ученые пытались разобраться в сложных радиоактивных превращениях при облучении урана нейтронами. Летом 1938 г. Ирен Жолио-Кюри и Павле Савич установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникает вещество, очень похожее на лантан. В конце 1938 г. немецкие ученые Отто Ган и Фредерик Штрассман неопровержимо доказали, что при этом образуется барий, т. е. элемент, гораздо более легкий, чем уран. Барий и лантан могли получиться из урана только в результате деления его атомов; так было открыто деление ядер урана. Делиться так могут только ядра тяжелых атомов: тория, урана, плутония.

Посмотрите, что происходит с крупными каплями, падающими с крыши. Мелкие капли лишь пульсируют под напором встречного воздушного потока, а самые крупные быстро вытягиваются, становятся похожими на несимметричную гантель с перетяжкой и разделяются на две или несколько дочерних капель. То же самое происходит с крупными ядрами (рис. 2). Попавший в ядро нейтрон образует возбужденное ядро, оно становится неустойчивым и распадается на две, а в редких случаях и на три части. Деление ядер могут вызвать не только нейтроны. Очень быстрые протоны или электроны, γ-лучи с высокой энергией также могут вызвать деление ядер. Если налетающая частица обладает энергией в сотни миллионов электрон-вольт, она может вызвать деление даже легких ядер, например ядер атомов кислорода. В наше время уже можно вызвать деление почти любого ядра.

Между делением тяжелых и легких ядер очень большая разница: уран делится нейтронами, обладающими ничтожной тепловой энергией, но при этом высвобождается громадная энергия — 200 млн. электрон-вольт от каждого разделившегося ядра!

Чем меньше атомный вес элемента, тем больше энергии надо затратить, чтобы разделить его ядро. При делении ядра в атоме серебра выигрыш в энергии сокращается до нуля. Деление ядра в элементах с небольшим атомным номером даст уже не выигрыш, а проигрыш в энергии.

В средней части таблицы Менделеева существует область наиболее устойчивых стабильных атомных ядер. Для более тяжелых ядер энергетически выгодно распадаться на более легкие, а для более легких — соединяться в более тяжелые ядра. .

На рисунке 3 изображен график энергии связи для каждой частицы всех устойчивых изотопов менделеевской таблицы. Величина энергии связи равна работе, которую надо затратить, чтобы разложить систему на ее составные части. По этому графику можно рассчитать, какое количество энергии выделяется или поглощается при ядерном превращении.

Например, для урана-235 энергия связи на один нуклон равна 7,6•106 эв (электрон-вольт), значит, полная энергия связи ядра U235 равна 7,6•106 •235 » 1,8•109 эв. Для ядра, массовое число которого (число нуклонов в ядре) около 120, энергия связи на один нуклон равна 8,5•106 зв и полная энергия связи такого ядра равна 109 эв.

Теперь легко подсчитать, что при делении урана-235 на два равных осколка выделится энергия 2•109 эв — 1,80•109 эв » 2•108 эв .

Этот же график показывает, что легким ядрам выгодно соединяться в более тяжелые. Это именно и происходит при термоядерных процессах.

296


Рис. 2. Деление атома урана: а — нейтрон захватывается ядром U235 ; б — образуется возбужденное ядро U236 ; в — начало процесса деления; какие образуются осколки, еще неизвестно; г — ядро разделилось на два неравных осколка, осколки отталкиваются друг от друга, потому что у обоих положительный заряд; д —осколки испускают вторичные нейтроны.

Сразу же после того, как было открыто деление урана, физики установили, что оно интересно не только очень большой выделяющейся энергией, но и тем, что при делении возникают вторичные нейтроны. Если, например, разделить ядро92 U238 пополам, получается два ядра палладия48 Pd119. Но в природе существуют только изотопы палладия с массовым числом не более 110. Значит, в каждом из получившихся ядер по 6 «лишних» нейтронов. Эти ядра палладия (осколки деления) будут радиоактивны, а часть нейтронов может при делении сразу же быть отброшенной. Так оно и происходит на самом деле. При делении ядер ура-на-235 отбрасываются в среднем 2,5 нейтрона, «не уместившихся» в разлетающихся осколках.

Как только были открыты вторичные нейтроны, стало ясно, что при делении урана возможна цепная реакция. Ведь если один нейтрон вызовет одно деление, то следующие 2,5 нейтрона вызовут 2,5 деления и т. д.! Можно было предположить, что стоит взять достаточно большой кусок чистого урана (чтобы доля улетающих наружу нейтронов была невелика), и цепная реакция приведет его к взрыву.

Если бы оказалось так, то атомная бомба была бы создана уже в 1939 г. Но ученые установили, что лишь один природный изотоп урана — уран-235 делится при попадании в него любых нейтронов, а этого изотопа в природном уране лишь 0,7%. Основная масса урана — уран-238 делится лишь под действием «быстрых» нейтронов, энергия которых более миллиона электрон-вольт и скорость более 14 000 км/сек. У вторичных нейтронов, испускаемых делящимися ядрами, более высокая энергия. Они могли бы делить и уран-238, но природа подстроила им «ловушку». При столкновении с атомами урана у нейтронов гораздо больше шансов возбудить их и от-

дать им часть своей энергии, чем разделить. Поэтому в уране-238 вторичные нейтроны хоть и могут вызвать деления, но в небольшом количестве. Цепная реакция развиваться в нем не будет.

ЖИЗНЬ НЕЙТРОНОВ В РЕАКТОРЕ

Если бы мы захотели вскипятить чайник, зажигая под ним спички одну за другой, то напрасно потеряли бы время; точно с таким результатом можно облучать небольшой кусок урана нейтронами: будет происходить большое количество делений, но кусок урана не только но взорвется, а даже не нагреется. Ведь для выделения тепловой мощности всего в один ватт в уране должно происходить ни много ни мало 3,1•1010 делений в секунду!

Чтобы получить в атомном реакторе от реакции деления большое и постоянное количество тепла, нужно, чтобы уран все время облучался очень мощным потоком нейтронов. Эти нейтроны могут быть только вторичными, возникшими при делении урана, потому что у нас нет других таких мощных нейтронных источников. Значит, одно «поколение» нейтронов, сменяя другое, должно быть количественно равным ему. При делении возникает в 2,5 раза больше нейтронов, чем расходуется. Чтобы следующее поколение нейтронов было таким же, как предыдущее, нужно, чтобы из всех возникших вторичных нейтронов ровно столько же израсходовалось на деление ядер урана, а избыток — на другие процессы.

Проследим за короткой жизнью нейтронов в атомном реакторе.

Нейтроны, рождающиеся при делении урана, называются быстрыми нейтронами. Их энергия равна приблизительно миллиону электрон-вольт, а скорость — 14 000 км/сек. Быстрые нейтроны не очень активно делят уран-235. Чтобы вызвать деление, быстрый нейтрон должен пролететь в куске урана-235 в среднем 8 см. В природном уране, до того как быстрому нейтрону удастся разделить ядро урана-235, он должен пролететь 11,5 м ! На самом же деле нейтрон не может пролететь такое расстояние; он гораздо раньше поглощается ядрами урана-238. Поэтому в сплошной массе естественного урана быстрые нейтроны, рождающиеся при делении, не могут вызвать цепную реакцию.

Совсем иначе ведет себя попавший в уран медленный нейтрон. Его энергия равна 0,025 электрон-вольт и скорость всего 2,2 км/сек. В куске чистого урана-235 такой нейтрон вызовет деление уже на пути в 0,33 мм ! Чтобы вызвать деление в куске природного урана, медленному нейтрону достаточно пробежать всего 4,7 см. На таком коротком пути у нейтрона уже гораздо меньше шансов пропасть, поглотившись в уране-238, так как средний пробег медленного нейтрона в уране-238 до поглощения — 7,2 см.

Посмотрим, что произойдет, если все быстрые нейтроны, вылетающие из делящихся атомов урана, превратятся в медленные. При каждом делении урана образуется 2,5 быстрых нейтрона. Если мы замедлим их без потерь — получим 2,5 медленных нейтрона. Медленные нейтроны расходуются в природном уране на три основных процесса: деление урана-235, поглощение в уране-238 и поглощение в уране-235 без деления, но с образованием урана-236. Ученые вычислили вероятность этих трех процессов. На пути в 1 см вероятность поглощения нейтрона, приводящего к делению,— 0,21, поглощения в уране-238 — 0,14 и, наконец, погло-

297


Рис. 3. График энергии связи для устойчивых изотопов.

щения в уране-235 — 0,04. Коэффициент использования медленных нейтронов для деления урана будет равен отношению вероятности деления к вероятности потери нейтрона:

Значит, если бы мы могли замедлить нейтроны без потерь, каждое деление в уране вызывало бы 2,5.0,54=1,35 новых делений: «коэффициент размножения» нейтронов в такой системе был бы гораздо больше единицы и атомный реактор мог бы работать.

Чтобы замедлить нейтроны, уран в реакторах окружают толстым слоем замедлителя: графита, тяжелой воды, бериллия или других веществ. Сталкиваясь с атомами замедлителя, нейтроны передают им часть своей энергии и постепенно замедляются. Чтобы замедлиться от энергии в миллион электрон-вольт до 0,025 электрон-вольт, нейтрон должен испытать в обычной воде 18 соударений с атомами водорода, в тяжелой воде —25, в графите — 110 соударений с атомами углерода, в бериллии — 82 соударения с его атомами. Казалось бы, самый лучший замедлитель — обыкновенная вода, но обычный водород довольно сильно поглощает нейтроны. Самый лучший замедлитель нейтронов — тяжелая вода, за ней графит, на третьем месте— бериллий.

В процессе замедления часть нейтронов, конечно, теряется. Расчеты физиков показали: если смешать порошок графита и урана, то потери будут слишком большими; потери можно сделать гораздо меньшими, если стержни из урана поместить в чистый графит. Наиболее выгодное соотношение между графитом и ураном: один атом урана на 150 атомов углерода. Удалось рассчитать ученым и оптимальные размеры урановых стержней: диаметр примерно 3 см, а наилучшее расстояние между стержнями около 20 см. В такой уран-графитовой системе коэффициент размножения нейтронов равен 1,13. Этот коэффициент уже совсем ненамного превышает единицу. Но мы еще не учли, что часть нейтронов будет вылетать из реактора наружу. Если сделать реактор очень большим, долю вылетающих нейтронов можно уменьшить до 3—5%. Это соответствует кубическому реактору с длиной ребра в 6 — 8 м (900 — 1600 стержней). Графитовые отражатели толщиной в 40—60 см частично вернут обратно нейтроны, покидающие «активную зону» реактора. Вес урановой загрузки такого реактора достигает 200 т, а общий вес активной зоны и отражателя превышает 1000 т. Работающий атомный реактор выделяет очень много тепла, его надо охлаждать. Обычно его охлаждают водой, но, так как уран химически реагирует с водой, приходится урановые стержни помещать в алюминиевые чехлы и мириться с тем, что в реакторе, кроме гра-

298


фита и урана, будет еще какое-то количество алюминия и воды, поглощающих нейтроны. В результате избыток коэффициента размножения нейтронов оказывается совсем небольшим — на 5—8% больше единицы. Если детали реактора будут сделаны из не совсем чистых материалов, то он может и вовсе не заработать. Поэтому в строительстве реакторов применяются только высококачественные материалы.

КРИТИЧЕСКАЯ МАССА РЕАКТОРА

Вот постройка нового атомного реактора закончена, и в готовую графитовую решетку загружают урановые стержни (рис. 4 и 5). Коэффициент размножения нейтронов постепенно нарастает. Когда он достигнет 0,8—0,9, в один из пустых каналов опускают источник нейтронов и включают измерительную аппаратуру. Постепенно, по мере приближения коэффициента размножения к единице, число нейтронов, регистрируемых специальными счетчиками, становится все больше и больше и, наконец, мощность начинает медленно нарастать, даже если убрать из реактора источник нейтронов, — физики говорят: «реактор достиг критичности», или: «достигнута необходимая критическая масса». Иногда критическая масса достигается не изменением общей массы урана, а резким уменьшением поверхности системы — тем самым уменьшается и доля вылетающих из системы нейтронов. Типичный пример такого реактора — атомная бомба, в ней «критическая масса» достигается сближением двух урановых полусфер.

Рис. 4. Бетонная защита Брукхейвенского (США) атомного реактора с отверстиями для загрузки урановых блоков и облучаемых материалов.

Рис. 5. Загрузка урановых блоков в атомный реактор. Каждый урановый блок покрыт алюминиевой оболочкой, имеет длину 10 см, а вес — 1,25 кг.

РЕГУЛИРОВКА МОЩНОСТИ АТОМНОГО РЕАКТОРА

Атомный реактор нужно уметь выводить на заданную мощность, удерживать на ней и в нужный момент прекращать цепную реакцию (рис. 6). Чтобы мощность реактора увеличилась, достаточно сделать коэффициент размножения нейтронов чуть больше единицы. В каждом реакторе небольшая часть каналов предназначена не для урановых стержней, а для стержней регулирующих или стержней аварийной защиты. Эти стержни делают из вещества, сильно поглощающего нейтроны: в маломощных реакторах — из легкоплавкого кадмия, а в реакторах мощных, работающих на промышленность,— чаще всего из стали с добавкой бора, сильно поглощающего нейтроны. Регулирующие стержни приводятся в действие электромашинными устройствами, связанными со счетчиками нейтронов. Как только мощность реактора падает, регулирующие стержни поднимаются выше, если же мощность слишком нарастает — опускаются и поглощают избыточные нейтроны.

Стержни аварийной защиты обычно подвешены над пустыми каналами на электромагнитах. Стоит случиться какой-либо неисправности — прервется подача электроэнергии или появится активность в охлаждающей воде, как цепь питания электромагнитов разорвется и стержни почти мгновенно остановят мощный реактор.

ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ НЕЙТРОНЫ

Смена нейтронных «поколений» в реакторе происходит за тысячные доли секунды, поэтому даже очень небольшое изменение коэффициента размножения нейтронов вызывало бы сильные колебания в мощности реактора, если бы не запаздывающие нейтроны. Более 99% нейтронов испускается при делении мгновенно, но 0,7% — с запаздыванием от десятых долей секунды и до 55 секунд. Запаздывающие нейтроны играют роль буфера, смягчающего колебания в мощности реактора. До тех пор пока коэффициент размножения нейтронов не выходит за пределы между 0,993 и 1,007, запаздывающие нейтроны не дают реактору слишком быстро умень-

299


шать или увеличивать мощность, и это намного облегчает управление и увеличивает безопасность его работы. Если же в результате крупных неполадок коэффициент размножения нейтронов выйдет за указанные пределы, запаздывающие нейтроны уже не смогут удержать реактор от очень быстрой остановки или очень быстрого увеличения мощности. Тогда начинают действовать регулирующие или аварийные стержни.

ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В АТОМНОМ РЕАКТОРЕ

Атомный реактор — настоящая фабрика новых элементов и изотопов периодической системы (рис. 7). Атомы урана при делении разлетаются на осколки. Если бы каждое из ядер урана делилось точно поровну, из него получилось бы два ядра элемента 46, т. е. палладия. Но чаще всего атом урана делится на два неравных осколка. В результате деления получаются практически все элементы с атомным весом от 70 до 160. Все осколки деления содержат избыточное число нейтронов и поэтому радиоактивны. Распадаясь, они испускают β-частицы и γ-лучи и превращаются при каждом распаде в элементы с зарядом, на единицу большим, до тех пор, пока не будет достигнуто устойчивое соотношение

протонов и нейтронов. Вот некоторые из осколков деления урана и их периоды полураспада: рубидий-86 — 18 дней, цезий-137 — 27 лет, стронций-90 — 28 лет, барий-140 — 12,8 дня, серебро -111 — 7,5 дня, кад-мий-115 — 43 дня.

На деление атомов урана идет лишь две пятых нейтронов, рождающихся в реакторе. Остальные три пятых захватываются материалами активной зоны, отражателя и защиты реактора. Нейтроны, захваченные ура-ном-238 и ураном-235, приводят к образованию урана-239, превращающегося с периодом 23 минуты в нептуний-239, и затем с периодом 2,3 дня—в плутоний-239 (период полураспада 24 100 лет) и в небольшое количество урана-236 с периодом полураспада около 24 млн. лет. Таким образом, плутоний-239 и уран-236 накапливаются в атомном горючем. Накапливающийся в облучаемом уране плутоний продолжает подвергаться облучению. При этом примерно две трети его атомов, захватывая нейтроны, делятся, как и атомы урана-235, а одна треть, захватывая нейтроны, превращается в более тяжелые изотопы — плутоний-240. Если и плутоний-240 захватит нейтрон, то получится β-радиоактивный плутоний-241 (период полураспада 13 лет), который превращается в следующий заурановый элемент — америций.

Какая-то часть нейтронов захватывается в атомном реакторе конструкционными материалами: сталью,

300


Рис. 7. Образование новых элементов в атомном реакторе. Нейтроны образуют общее «кольцо». Они попадают в атомы урана, плутония и америция и вызывают превращения этих элементов (деление или образование более тяжелого изотопа). Осколки деления условно сваливаются в одну кучу, из которой вылетают запаздывающие нейтроны. Вторичные нейтроны, образовавшиеся при делении, включаются в общий круговорот нейтронов.

алюминием, цирконием. Образуются радиоактивные изотопы железа, никеля, хрома, кобальта, циркония и т. д.; почти все материалы, побывавшие в атомном реакторе, становятся радиоактивными.

ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА МАТЕРИАЛЫ АТОМНОГО РЕАКТОРА

Мощное излучение атомного реактора не только вызывает превращения элементов, но и нарушает структуру материалов, из которых он изготовлен. Особенно сильно облучается само атомное горючее — уран. Его пронизывают осколки деления, нейтроны, β-частицы и γ-лучи. Под действием облучения уран становится хрупким, распухает, деформируется, нержавеющая сталь также становится более хрупкой. Графит при облучении быстрыми нейтронами увеличивается в размерах, вода медленно разлагается на водород и кислород. Совершенно не выносят мощное облучение пластмассы, полупроводники, электрические кабели, поэтому все эти материалы нуждаются в толстом слое защиты. Самая сложная задача при конструировании атомного реактора — сделать его урановые тепловыделяющие элементы такими надежными, чтобы ни один из нескольких тысяч элементов не вышел из строя из-за какой-либо неполадки, связанной с облучением деталей реактора.

ПЕРЕРАБОТКА АТОМНОГО ГОРЮЧЕГО

Атомный реактор, работающий на мощности в один миллион киловатт, потребляет в сутки 1 кг урана-235. Количество урана-235 в атомном горючем постепенно уменьшается, а количество плутония и осколков деления возрастает. Многие осколки деления сильно захватывают нейтроны, и если уран время от времени не заменять, то реактор остановится: цепная реакция прекратится.

Урановые тепловыделяющие элементы извлекают из реактора и отправляют на химические заводы для переработки. Там их растворяют в кислоте, и полученный радиоактивный раствор подвергают разделению. Обычно уран в виде уранилнитрата UO2 (NO3)2 извлекается из водного раствора диэтиловым эфиром или трибутилфосфатом.

Оставшиеся в водной фазе плутоний и осколки деления разделяют и направляют на переработку или хранение, а уранилнитрат превращают либо в металлический уран для повторного использования в реакторе, либо в летучее соединение — гексафторид урана UF6, который обогащают на специальных установках изотопом U235 .

РАЗЛИЧНЫЕ АТОМНЫЕ РЕАКТОРЫ

Атомные реакторы применяются сейчас для самых различных целей: для получения электроэнергии на атомных станциях, для облучения материалов, изготовления радиоизотопов, для получения плутония или мощных потоков нейтронов и гамма-лучей. Поэтому нужны различные типы атомных реакторов.

Для научных целей чаще всего строят небольшие реакторы, содержащие всего несколько десятков килограммов урана, обогащенного ураном-235. Мощность этих реакторов от одной тысячи до 20 тыс.квт. В таких реакторах активная зона пронизана каналами для вывода нейтронных пучков и облучения ими различных веществ. Обычно эти реакторы охлаждаются водой и имеют низкую температуру.

301


Для производства электроэнергии нужно строить реакторы, имеющие высокую температуру: 300 —500°Ц. Уран заключают в оболочку из нержавеющей стали или циркония, а воду подают под давлением до 100 атм.

Для природного или слабообогащенного урана можно строить только реакторы на медленных нейтронах. Эти реакторы дают на каждый затраченный атом урана-235 примерно 0,8 атома плутония, или, как говорят, их коэффициент воспроизводства горючего равен 0,8.

Если применить в реакторе сильно обогащенный уран, можно убрать замедлитель, поглощающий часть нейтронов, и сделать коэффициент воспроизводства горючего больше единицы — до 1,4. Здесь нет никакого противоречия: ведь плутоний в реакторе образуется не из урана-235, а из урана-238. Если образовалось 1,5 кг плутония, то исчезло столько же урана-238; но, главное, с помощью реактора с расширенным воспроизводством можно сделать полезным весь уран-238. В обычном реакторе это сделать нельзя: как только

концентрация урана-235 упадет, весь обедненный уран становится бесполезным. В реакторе же с расширенным воспроизводством уран-238 используется полностью. Вместо выгоревшей части урана-235 можно добавить (после химической переработки) столько же плутония, который образовался в этом же топливе. Часть плутония высвободится для других целей. Поэтому будущее атомной энергетики — за реакторами на быстрых нейтронах. Но такие реакторы охлаждают жидким натрием, а не водой: ведь она замедляет нейтроны.

С помощью атомного реактора можно использовать и другое природное атомное сырье — торий. Торий при облучении в атомном реакторе превращается в протактиний, а затем в уран-233.

Уран-233 — еще более хорошее топливо, чем уран-235. Цикл Th232 → U233 может дать расширенное воспроизводство даже с помощью реакторов на медленных нейтронах. В недалеком будущем это новое атомное сырье станет обычным.

«Ромашка» — реактор-термоэлектрогенератор

Американские ученые ставят на некоторые из своих искусственных спутников Земли атомные термобатареи. В центре такой батареи расположен контейнер с радиоактивным элементом, например церием-144. Энергия распада церия переходит в тепло, контейнер оказывается все время нагретым до нескольких сот градусов, а прижатые к нему спаи полупроводниковых термопар дают ток. Пока что

американцам удалось создать термобатареи мощностью не более 100 вт. В советском реакторе «Ромашка» нет никаких движущихся частей. Активная зона реактора состоит из пластин графита и дикарбида урана UC2, отражатель нейтронов изготовлен из бериллия. Максимальная температура в центре реактора 1770°Ц. На реактор надевается термоэлектрический преобразователь, термопары

которого изготовлены из кремний-германиевого сплава, устойчивого к действию излучений реактора. «Ромашка» проработала к 18 ноября 1964 г. 2500 часов и выработала более 1000 квт-ч электроэнергии, и все это без малейшей неисправности в работе! О постройке «Ромашки» советские ученые доложили на 3-й Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии.

ТЭС-3 — самоходная атомная электростанция

Если геологи открыли новое месторождение в таежной глуши или в южной пустыне, если произошло где-нибудь стихийное бедствие — может оказаться срочно нужной электроэнергия. Советские ученые Н. М. Синев, А. К. Красин и другие создали самоходную атомную электростанцию

ТЭС-3 мощностью 1500 квт. Первая такая станция была введена в строй вблизи первой в мире атомной электростанции в г. Обнинске в 1961 г. Все оборудование ТЭС-3 размещено на четырех самоходных платформах на гусеничном ходу. ТЭС-3 подвозится по железной дороге, а затем идет

своим ходом по любой местности. Там, где нужна электроэнергия, блоки станции ставят в траншею и засыпают сбоку землей, соединяют все кабели и трубопроводы — и станция вступает в строй. ТЭС-3 может проработать без замены уранового топлива целый год.

КАК ВИДЯТ НЕВИДИМОЕ (Приборы ядерной физики)

Размеры ядерных частиц так малы, что увидеть их невозможно даже с помощью электронного микроскопа. Поэтому ученые в процессе исследования элементарных частиц отмечают не саму частицу, а только факт ее появления в определенной среде — ее след («трек»)

Впервые это удалось сделать с помощью спинтарископа. В этом приборе альфа-частицы попадают на экран, покрытый люминесцирующим веществом, чаще всего сернистым цинком. В точке попадания возникает вспышка, так называемая сцинтилляция.

302


Спинтарископ Крукса.

Спинтарископ дал возможность подсчитывать альфа-частицы, испускаемые радиоактивным препаратом. Исследователь часами, не спуская глаз с экрана, считал на нем вспышки. Это, конечно, утомительно, да и результаты не всегда получались точные. Ведь они зависели от зрения ученого: сколько тот сумеет увидеть, столько частиц и зарегистрирует. В наше время вспышки считает уже не человек, а специальное сложное устройство — сцинтилляционный счетчик.

СТОЛОВЫЙ ПРИБОР

На одной научной конференции демонстрировалось необычное устройство: вилка и нож, зажатые в штативах, несколько электрических батарей и электромагнитный счетчик. Как только к этому странному сооружению подносили радиоактивный препарат, счетчик начинал щелкать, отсчитывая импульсы возникающего тока. Вилку и нож можно было заменить любыми металлическими предметами — ложкой, ножницами, гвоздями.

Два металлических предмета в этом приборе — электроды, к ним подведено электрическое напряжение. Но между электродами — воздух, и потому тока в цепи нет. Если же в это пространство попадет заряженная частица, она создаст на своем пути какое-то количество ионов, и воздух станет проводящим. Такое устройство называется ионизационной камерой. Конечно, настоящая ионизационная камера, применяемая в лаборатории для серьезных исследований, выглядит иначе. Ее электроды находятся в разреженном воздухе или газе. Но, по сути дела, она ничем не отличается от шуточной конструкции из ножа и вилки.

Чаще всего для регистрации отдельных частиц применяют так называемый счетчик Гейгера. Это самый распространенный измеритель радиоактивности. Он может зарегистрировать любую заряженную частицу, лишь бы она попала внутрь счетчика и создала там ионы. Напряжение на счетчике Гейгера очень большое.

Электроны, возникшие в результате ионизации, разгоняются под действием этого напряжения и срывают на своем пути внешние электроны с атомов электрически нейтральных газов. Они создают грандиозную ионную лавину, которую уже легко измерить обычными приборами. Счетчики Гейгера позволяют вести интереснейшие наблюдения над различными частицами, мчащимися к нам из глубин мирового пространства. Особенно широко эти исследования стали проводиться после запуска искусственных спутников Земли.

Исключительно важно знать направление полета космических частиц. Чтобы определить его, пользуются сразу несколькими счетчиками — так называемой схемой совпадений. Например, в такой схеме соединены три счетчика. Сработает она только в том случае, если частица пролетит через все три счетчика. После этого мы можем сказать, откуда она прилетела, определить ее путь в пространстве.

Чтобы не спутать направление полета одной частицы с полетом нескольких, применяется другая комбинация счетчиков — схема антисовпадений. Она регистрирует только те частицы, которые прошли лишь через один счетчик. Сочетая эти две схемы, можно очень точно определить количество различных частиц, бомбардирующих нашу планету, и направление их полета.

ТУМАН ПОМОГАЕТ ВИДЕТЬ

В воздухе при определенной температуре может содержаться только строго определенное количество водяного пара. Как только температура насыщенного парами воздуха уменьшится, пар начинает конденсироваться в мельчайшие капельки. Особенно легко происходит конденсация на пылинках. Как говорят, пылинки — это центры конденсации, центры образования капелек.

Английский ученый Вильсон, исследуя, как образуется туман, обнаружил интересное явление: при некоторых условиях центрами конденсации могут быть не только пылинки, но и ионы. Сами ионы не видны, их размеры ничтожны, но мельчайшие водяные капли, образовавшиеся вокруг них, становятся видимыми. Ионы образуются на пути заряженной частицы беспрерывно, и в воздухе можно увидеть след, состоящий из тумана — капелек воды. Такой след можно сфотографировать. И это будет уже вполне реальное доказательство, что в простран-

303


«Телескоп» для регистрации космических частиц ионизационными счетчиками Гейгера.

стве камеры произошел какой-то ядерный процесс, что там появилась та или иная частица. Прибор, в котором можно наблюдать следы летящих и сталкивающихся частиц, называется

по имени его изобретателя камерой Вильсона. Резерфорд назвал камеру Вильсона «самым оригинальным и изумительным инструментом в истории науки». Другие ученые называют ее «судьей ядерной физики». Много теорий разбилось при проверке опытов этим совершенным аппаратом, и с помощью его сделано много неожиданных открытий. Начиная с опытов Резерфорда, все новое в ядерной физике проверялось камерой Вильсона. Именно в камере Вильсона подтвердилось предположение о существовании нейтрона, в ней открыли позитрон, в ней изучались всевозможные ядерные реакции, с ее помощью были получены снимки следов, оставленных всеми частицами, которые были открыты физиками.

Существует множество самых разнообразных конструкций этого замечательного устройства.

Схема камеры Вильсона.

Принцип действия у всех у них один и тот же. В какой-то момент в камере резко расширяют газ, которым она наполнена, газ из-за этого охлаждается и пары жидкости начинают конденсироваться. Если в этот момент через камеру пролетит какая-нибудь заряженная частица, на ионах в ее следе образуются мельчайшие капли. В момент расширения газов включается фотоаппарат. На снимке получится изображение процессов, происходивших в пространстве камеры в момент съемки. Если в это время через камеру летела частица, то след ее мы увидим на снимке. Для наблюдения над различными ядерными реакциями камеру наполняют соответствующим газом, в котором содержатся ядра, интересующие исследователя, а потом уже на снимках изучают различные взаимодействия с этими ядрами.

Академик Д. В. Скобельцын много работал с камерами Вильсона. Он предложил интерес-

304


ное усовершенствование, которое теперь носит его имя. По методу Скобельцына, камеру Вильсона вводят в сильное магнитное поле. Следы частиц искривляются. Искривление зависит от величины заряда частицы и его знака. Это устройство позволяет точно определить массу частицы и величину ее заряда.

Обычно камера Вильсона снабжена специальным, очень сложным механизмом, расширяющим газ. Между двумя съемками частиц должен пройти какой-то период «времени восстановления», когда камера как бы «приходит в себя»: в ней восстанавливается нормальное давление газа и исчезают сконденсировавшиеся капельки. Но существует устройство — диффузионная камера, которое всегда готово к действию и не нуждается в механизме для расширения газа. Диффузионная камера устроена весьма просто. Основная ее часть — это цилиндр, который сверху подогревают, а снизу охлаждают. Газ, насыщенный водяными парами, идет сверху вниз, примерно в середине камеры пар конденсируется на ионах и следы попадающих в эту зону частиц становятся видимыми.

Самый совершенный прибор — это, конечно, самоуправляемая камера Вильсона. Этот прибор сам себя включает. Возле обычной камеры Вильсона расположены по схеме совпадения счетчики Гейгера. Исследователь, проводящий опыт, может сидеть поодаль и ждать, когда камера сработает. Послышится характерный щелчок, и мгновенная вспышка света озарит комнату. В камере произошло расширение газа, зажегся свет сильной лампы и щелкнул фотоаппарат. Все эти приборы включила сама частица, пролетевшая через камеру. Она прошла через оба счетчика (а значит, и через камеру), второй счетчик вместо обычного сигнала включил электрический ток и тем самым привел в действие расширяющий механизм, лампу и фотоаппарат. Так частица фотографирует сама себя. С помощью самоуправляемой камеры Вильсона можно определять виды частиц, их знак, величину их заряда и энергии. Можно наблюдать различные ядерные реакции. В наше время этот замечательный прибор используется во всех лабораториях, где исследуются элементарные частицы.

ЧАСТИЦА-ФОТОГРАФ

Открытие радиоактивности началось с того, что Анри Беккерель положил кусочек урановой

Диффузионная камера.

соли на завернутую в черную бумагу фотопластинку. С тех пор метод регистрации ядерных частиц на фотопластинках стал одним из самых распространенных. Но фотоэмульсия на этих пластинках гораздо толще, чем на применяемых при обычном фотографировании. Когда заряженная частица проходит через пластинку, в ее фотоэмульсии образуются ионы и вокруг них откладывается металлическое серебро. После проявления пластинки виден путь, по которому пролетела частица.

До проявления пластинки след частицы сохраняется внутри эмульсии в скрытом виде. Если через непроявленную пластинку пролетит еще одна частица и даже несколько, их след также будет запечатлен в фотоэмульсии. Таким образом, в фотоэмульсии могут накопиться следы многих частиц и разнообразных ядерных реакций. Когда же пластинка будет проявлена, исследователь сможет судить о заряде и скорости частиц по величине следа.

Чем «жирнее» след частицы, тем большим зарядом она, следовательно, обладала. Траектория высокозаряженной частицы напоминает колос ржи. «Усики», отходящие от сердцевины,

Заряженная частица в эмульсии фотопластинки.

305


представляют собой следы электронов, которые частица выбивает на своем пути из атомов. Чем извилистее путь частицы, тем меньшей массой она обладает — ведь легкие частицы рассеиваются гораздо сильнее тяжелых.

В последние годы ученые стали применять специальные фотоэмульсионные камеры. В них светочувствительные слои располагаются стопками. Это позволяет еще более детально следить за поведением заряженных частиц.

СЧЕТЧИКИ ЧЕРЕНКОВА

Каждое новое открытие в ядерной физике тотчас же становится поводом для обсуждения: а нельзя ли приспособить его к измерительной технике? Так произошло и с открытием советского физика П. А. Черенкова. Он обнаружил, что частицы, которые проходят через вещество быстрее, чем через это же вещество проходит свет, излучают электромагнитные колебания. Сила такого свечения зависит от скорости частицы, ее заряда и вещества, через которое она пролетает.

Свечение Черенкова.

На основе этого физического явления Черенков сконструировал счетчик, превосходно измеряющий скорость частиц. А это как раз и было в то время самым трудным — правильно определить скорость частицы.

Счетчики Черенкова применяются теперь для изучения ядерных процессов, которые происходят при больших энергиях частиц. Так, с их помощью была обнаружена новая, весьма интересная элементарная частица — антипротон.

ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА

В стеклянном сосуде, наполненном жидкостью, давление на одну из стенок может меняться. Если давление понизить очень быстро, жидкость окажется «перегретой»: ее температура станет выше температуры кипения при пониженном давлении. Состояние это неустойчиво, и на ионах, созданных пролетевшей через жидкость микрочастицей, начинают образовываться пузырьки пара. Это явление лежит в основе устройства пузырьковых камер. Обычно в пузырьковых камерах применяют сжиженные газы — эфир, пропан и др. Есть камеры, заполняемые жидким водородом или азотом. В таких камерах газ находится под большим давлением: иначе из него и не получишь жидкость.

Регистрация нейтронов.

В устройствах, о которых мы до сих пор рассказывали, регистрируют заряженные частицы. Но ведь в практике часто приходится иметь дело с гамма-излучениями или с нейтронами. Зарегистрировать гамма-лучи совсем просто. В любом счетном устройстве кванты этого излучения выбивают из стенок счетчика электроны, которые можно зарегистрировать обычным для этой камеры способом.

У нейтронов электрического заряда нет. Поэтому, казалось бы, для них непригодны приборы, в которых частицы регистрируются мето-

306


дом ионизации. Но физики научились регистрировать нейтральные частицы и в обычных камерах. Для этого надо лишь слегка видоизменить камеру.

Нейтроны весьма активно реагируют с некоторыми веществами. Сталкиваясь с легким ядром, например водорода, нейтрон может так сильно ударить по нему, что вытолкнет из атома. Появится заряженная частица, и на ее пути начнется образование ионов. Наполнив водородом счетчик Гейгера, можно регистрировать нейтроны, отмечая следы «освободившихся» ядер водорода — протонов.

Некоторые легкие элементы (бор, литий), захватывая нейтроны, испускают альфа-частицы. Значит, наполнив счетчик газом, содержащим бор, можно зарегистрировать нейтронное излучение.

Если же нужно зарегистрировать не отдельные нейтроны, а их совокупность, например мощность нейтронного потока, поступают еще проще. Атом, захвативший нейтрон, может стать искусственно радиоактивным. На пути потока нейтронов ставят пластинку какого-нибудь вещества, особенно жадно поглощающего ней-

троны. Чем больше нейтронов пройдет через эту пластинку, тем более радиоактивным станет ее вещество. Измерив величину наведенной радиоактивности, судят о количестве нейтронов в потоке.

ИСКРОВЫЕ СЧЕТЧИКИ

Эти приборы, позволяющие видеть невидимое, стали применяться всего лишь лет пятнадцать назад. Искровой счетчик изготовляется в виде герметичных сосудов, наполненных газом. В сосуде параллельно размещаются два плоских электрода, к которым приложено высокое напряжение. Его величина подбирается таким образом, чтобы при прохождении ионизирующих частиц между электродами возникал искровой пробой. Искра проскакивает в том месте, где прошедшая частица создала ионизацию газа.

Искра обладает большой яркостью, и ее легко сфотографировать. Это позволяет точно определять момент прохождения частицы и обрисовать ее траекторию.

ВЕЛИКИЙ ЗАКОН

... Изложенное содержит далеко не все то, что увидели до сих пор через телескоп периодического закона в безграничной области химических эволюции, и тем паче не все то, что можно еще увидеть...

МЕНДЕЛЕЕВ

В истории развития человеческих знаний немало великих подвигов. Но только очень немногие из них можно сопоставить с тем, что было сделано Дмитрием Ивановичем Менделеевым — одним из величайших гениев мира. Научный подвиг Менделеева не имеет равных, величие его не только не стирается неумолимым временем, но продолжает расти. И никто не может сказать, будет ли когда-нибудь исчерпано до конца все содержание одного из величайших в науке обобщений — периодического закона Менделеева.

ОТКРЫТИЕ ВЕЛИКОГО ЗАКОНА

Открытие периодического закона было очень незаметным и скромным.

17 февраля 1869 г., собираясь в дорогу, профессор Петербургского университета Дмитрий Иванович Менделеев на обороте письма, в котором его просили приехать и помочь производству, сделал первый набросок таблицы химических элементов. В этой таблице он расположил элементы в порядке возрастания их атомных ве-

307


На этом листке 17 февраля 1869 г. Менделеев набросал свой первый вариант периодического закона. Он еще далеко не похож на привычную форму периодической таблицы элементов из учебника химии.

сов и проследил периодическую повторяемость их свойств.

Этот день должен быть отмечен в истории науки как начало новой эры: в этот день зародились смелые предсказания о существовании в мироздании никому не известных элементов. Этот день положил начало одной из наиболее могущественных наук — современной химии. К этому дню восходят истоки наших познаний об атоме и его строении, истоки, которые, развиваясь, привели в наши дни человечество к овладению атомной энергией.

В тот день Менделеев отложил свою поездку. Он написал на отдельных карточках все известные тогда элементы с их важнейшими химическими и физическими свойствами. Располагая эти карточки в различном порядке, сообразуясь с атомными весами элементов, с их свойствами и со свойствами их соединений, Менделеев составил свой первый вариант естественной системы химических элементов.

Но что же все-таки было сделано Менделеевым в этот исторический для науки день — 17 февраля 1869 г.? На этот вопрос он ответ дал сам. Вот как, по его собственным словам, была им открыта периодическая система:

«...Невольно зародилась мысль о том, что между массой и химическими свойствами необходимо должна быть связь. А так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, выражается окончательно в виде весов атомов, то надо искать функциональное соответствие между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами. Искать же что-либо, хотя бы грибы или какую-нибудь зависимость, нельзя иначе, как смотря и пробуя. Вот я и стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и близкие атомные веса, что быстро и привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса, причем, сомневаясь во многих неясностях, я ни минуты не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайность допустить было невозможно».

С этого дня Дмитрий Иванович отбросил все свои занятия. Он с огромным напряжением отдался только работе над периодическим законом.

1 марта 1869 г. Менделеев разослал многим русским и заграничным ученым небольшой листок, содержавший первый вариант периодической системы — «Опыт системы элементов», а несколькими днями позже передал своему другу проф. Н. А. Меншуткину доклад под названием «Соотношение свойств с атомным весом элементов».

Менее двух недель продолжалась поистине титаническая работа Менделеева над созданием основного закона современной химии. За этот короткий период он сумел пройти весь путь от первого проблеска, от первой догадки о существовании нового неизвестного закона природы до его четкой формулировки, до его исчерпывающего доказательства и величайших в истории науки предсказаний.

Завершив первый этап работы над периодическим законом, Менделеев вернулся к отложенному делу, связанному с помощью промыш-

308


ленному производству, и уехал из Петербурга в командировку.

Первое сообщение о величайшем открытии было сделано 6 марта 1869 г. на заседании Русского химического общества. Менделеева на этом заседании не было. Вместо отсутствовавшего автора его доклад прочел Меншуткин. В протоколах Русского химического общества появилась сухая запись о собрании 6 марта 1869 г.: «Н. Меншуткин сообщает от имени Д. Менделеева опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве. За отсутствием Д. Менделеева обсуждение этого сообщения отложено до следующего заседания».

Этот сухой канцелярский протокол стал историческим документом огромной важности —свидетельством о первом знакомстве человечества с новым законом природы, с открытием, которое перевернуло впоследствии весь ход развития научной мысли.

Но нужно признать, что ученые, современники Менделеева, впервые услышавшие и узнавшие об этой периодической системе элементов, не смогли ее сразу понять. Они не обратили на нее внимания и остались к ней равнодушными.

КАК БЫЛ ОТКРЫТ ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

А было ли все так просто, как рассказывал сам Менделеев? На первый взгляд и в самом деле нет ничего трудного в том, чтобы, написав на

«Первые мысли о периодичности, — писал Д. И. Менделеев,— вложены мною в листок... который 1-го марта 1869 г. был послан мною многим ученым». Это самая первая таблица периодической системы элементов. Она далеко еще не закончена. У нее необычная и неудобная форма. В ней еще можно заметить много неточностей. Но самое главное в этом листочке — его историческое значение. Это он впервые возвестил миру о наступлении новой эры в науке. Это он положил начало разгадке тайны строения атома. Замечательно то, что уже в этой самой первой таблице оставлены и отмечены знаком вопроса пустые места. Рядом приведена рукопись Менделеева, с которой и был сделан типографский набор этой первой в мире периодической таблицы.

отдельных карточках названия элементов, их атомные веса и свойства, расположить их по порядку.

Ведь из всех способов, какими можно было бы комбинировать эти карточки, наиболее простой — расположить их в ряд по возрастанию атомного веса начиная с элемента с наименьшим весом.

Это, конечно, первое, что должно прийти в голову каждому. Подметить же закономерность в изменении свойств правильно расположенных элементов не так уж должно быть трудно. Ведь эти свойства во времена Менделеева были хорошо известны.

В чем же заслуга Менделеева? Давайте условимся на некоторое время забыть все, что нам уже известно о химии, все, что мы успели узнать

309


в школе о периодической системе, вообразим, что мы перенеслись в середину прошлого века и можем знать только то, что знали современники Менделеева.

К этому времени было открыто и изучено примерно шестьдесят химических элементов. Свыше тридцати элементов были еще неизвестны, и об их существовании никто тогда и подозревать не мог.

Эта фотография была сделана в том же году, в котором великий ученый заложил основы периодического закона. Одно из величайших открытий в науке было сделано еще совсем молодым ученым. В 1869 г. Д. И. Менделееву исполнилось всего лишь 35 лет.

Уже были найдены способы определения атомного веса, но измеряли его еще грубо, с малой точностью, и далеко не для всех элементов правильно. Для химиков времен Менделеева это была еще очень трудная задача. Неверно были определены атомные веса у многих элементов, причем, конечно, об этом тогда тоже никто не подозревал.

Значит, из примерно девяти десятков элементов, существующих в природе, химики более или менее хорошо изучили только около пятидесяти элементов.

Как же должен был бы расположить свои карточки Менделеев? Самый малый атомный вес у водорода (Н), он равен 1. Следующим по порядку был в то время литий (Li). Его атомный вес около 7. За ним шел бор (В) с атомным весом около 11. Далее углерод (С) с атомным весом 12,

азот (N) с атомным весом 14, бериллий (Be) с атомным весом тоже 14, затем кислород (0), атомный вес которого равен 16, фтор (F) с атомным весом 19 и т. д.

Следовательно, в 1869 г. любой химик, желая расположить карточки с написанными на них обозначениями элементов, их атомными весами и химическими свойствами по возрастанию атомного веса, должен был бы составить вот какой ряд:

На этих карточках написаны округленные атомные веса с той точностью, с какой они были известны химикам в 1869 г.

А как расположил Менделеев свои карточки с элементами?

Конечно, на первой карточке у Менделеева также были написаны: название, атомный вес и свойства водорода.

Вторую карточку с атомным весом и свойствами металла лития он поместил под карточкой водорода. На третье место рядом с литием Менделеев положил карточку, на которой было им написано:

хотя в те времена большинство химиков было твердо уверено, в соответствии со всеми данными химии бериллия, что на этой карточке должно было быть помечено:

Почему же Менделеев, не проводя сам никаких новых исследований, не определяя атомный вес элемента бериллия, не изучая его химические свойства, осмелился исправлять атомный вес — важнейшую и, казалось бы, уже твердо установленную характеристику химического элемента? Ведь он сам никогда не занимался научными исследованиями в области химии бериллия.

310


На четвертое место Менделеев поместил карточку бора.

Пятое место занял у него углерод.

На шестом месте — азот, далее следовали кислород и фтор.

Девятая карточка, принадлежащая металлу натрию, была им помещена под второй, на которой были записаны химические характеристики металла лития.

Затем по порядку следующее место занял магний, за ним — алюминий. Под углеродом оказался кремний, под кислородом — сера, под фтором — хлор.

Вот как Менделеев расположил свои карточки с названиями и свойствами элементов в начале своей таблицы:

Итак, в вертикальных рядах оказались химически сходные элементы. Металл литий похож

на металл натрий: оба мягкие, легко режутся ножом, бурно реагируют с водой, образуя щелочи. Бериллий и магний схожи друг с другом. У фтора много общего с хлором — это едкие удушливые газы, которые образуют с металлами совершенно сходные соединения. И каждый химик знает, что свойства кислорода и серы сходны между собой.

При таком расположении совершенно четко проявилась периодичность свойств у элементов. В двух первых коротких периодах менделеевской таблицы правильно чередуются элементы с аналогичными свойствами.

Как же все-таки эти периоды были построены Менделеевым? Пожалуй, он был неправ, когда утверждал, что расположил элементы по их атомному весу.

Если бы он действительно расположил их по возрастанию тех атомных весов, которые были известны науке в то время, то никакого периодического закона обнаружить было бы невозможно даже в первых рядах таблицы.

Скорее наоборот, Менделеев установил на основании периодического закона правильный атомный вес бериллия.

Позднейшие исследования подтвердили это предсказание.

Если исходить из атомных весов, известных в середине прошлого века, то следующие два

Предшественники Менделеева

Великое открытие в науке, конечно, никогда не бывает внезапным. И до Менделеева многие химики пытались отыскать общие закономерности и сходство в свойствах химических элементов. Например, немецкий ученый И. Дёберейнер еще в 1829 г. установил, что элементы со сходными химическими свойствами могут быть сгруппированы по три: скажем, литий, натрий и калий или хлор, бром и йод. Такие группы Дёберейнер назвал триадами.

В 1849 г. систематикой элементов заинтересовался русский химик Г. И. Гесс. В своем учебнике «Основания чистой химии» он рассматривал четыре группы элементов-неметаллов, имеющих сходные химические свойства:

йод теллур углерод азот

бром селен бор фосфор

хлор сера кремний мышьяк

фтор кислород

Гесс писал: «Эта классификация еще очень далека от того, чтобы быть естественной, но она все-таки соединяет элементы в группы весьма сходные, и с расширением наших сведений она может усовершенствоваться».

Следующий шаг сделал французский химик Б. де-Шанкуртуа. Систему элементов он представлял себе в виде спиральной линии на поверхности цилиндра. На каждом витке — по 16 элементов. Сходные элементы располагались друг под другом на образующей цилиндра. Но никто из ученых и не обратил внимания на работу де-Шанкуртуа.

Английский химик Дж. Ньюлендс в 1866 г. предложил так называемый «закон октав». Он считал, что все в мире подчиняется общей гармонии. И в химии, и в музыке она должна быть единой. Поэтому свойства химических элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, должны повторяться через каждые семь элементов, так как в музыкальной гамме сходные ноты чередуются в октаве через каждые семь нот. По «закону октав», однако, оказывались «сходными» такие совершенно различные элементы, как углерод и ртуть. Когда Ньюлендс доложил свою работу на заседании Лондонского химического общества, один из присутствующих не без сарказма спросил, не пробовал ли уважаемый докладчик расположить элементы в алфавитном порядке и не обнаружил ли он и при этом какую-нибудь закономерность.

Ближе других к истине оказался, пожалуй, немецкий химик Л. Мейер. В 1864 г. он предложил таблицу, в которой все известные химические элементы были разбиты на шесть групп, согласно их валентности.

Но никто из этих славных химиков, много сделавших для подготовки периодического закона, и не подозревал, что в их знаниях о природе элементов есть «пустые места», открыть Великий закон они не могли. Это оказалось под силу только гению Менделеева.

311


горизонтальных ряда элементов, идущих за хлором, надо было бы построить так:

ТАЙНА ПУСТОГО МЕСТА

Но, продолжая построение своей таблицы, Менделеев разместил карточки с элементами совсем не так.

Под карточкой натрия была помещена карточка с очень похожим на натрий калием; и калий стал началом нового ряда. Под магнием тогда оказался также очень сходный с ним кальций.

Следующим, в порядке возрастания атомного веса, должен был бы идти ванадий, но его карточка пока отложена в сторону, а вместо нее рядом с кальцием Менделеев кладет пустую(!) карточку. С точки зрения химика прошлого столетия, это— удивительный, непонятный и ничем не оправданный поступок.

Вслед за пустой карточкой можно было ждать, что будет положена карточка ванадия. Но вместо ванадия на следующем месте оказывается титан, у которого Менделеев осмеливается, не проводя сам никаких исследований, вопреки всему, что известно о титане всем химикам во всем мире, изменить произвольно его атомный вес с 52 на 48 (!). После чего, наконец, за титаном следует карточка ванадия, и только за ней идут карточки хрома и марганца.

Как же все-таки располагал свои карточки Менделеев? Ведь и в этом ряду таблицы он разместил элементы вопреки возрастанию известных в то время атомных весов. Прежде чем поместить карточку титана в таблицу, Менделеев, по существу, предсказал истинное значение его атомного веса так же, как это он сделал для бериллия.

Этот период в таблице Менделеева длинный. За марганцем идут железо (Fe) — 56, кобальт (Со) — 59, никель (Ni) — 59, далее медь ( Cu) — 63, цинк (Zn) — 65. Но вслед за цинком ученый снова оставил в своей таблице подряд два пустых места.

Далее следовали карточки с хорошо известными элементами — мышьяком, селеном и кар-

точка с бромом, завершающая длинный период. При этом карточки мышьяка, селена и брома оказались лежащими под сходными с ними элементами конца предыдущего короткого периода: фосфором, серой и хлором.

Из того, что мы разобрали, совершенно очевидно, что все обстояло далеко не так просто, как скромно рассказывал сам Менделеев.

Одних только фактов, которые были известны химикам до Менделеева, как бы их ни комбинировать, не было достаточно, чтобы открыть один из величайших законов природы — периодический закон. Нужно было не только знать накопленный в течение многих веков химический опыт. Надо было обладать гениальностью и особенно тонкой интуицией, чтобы охватить всю необозримую совокупность бесчисленного множества химических явлений и глубоко почувствовать скрытую в них закономерность.

Нужно было обладать особой революционной смелостью, чтобы, осознав эту закономерность, исправлять старое и предсказывать новое в науке.

ВЕЛИКОЕ ПРЕДСКАЗАНИЕ

Что же означают пустые места в таблице Менделеева? Может быть, это пробелы в природе и потому химики не нашли элементы, подходящие к пустым клеткам таблицы? Или это пробелы в человеческом знании о природе? Существует ли, например, в природе элемент, атомный вес которого больше, чем у кальция, и меньше, чем у титана, и в то же время похожий химическими свойствами на бор и алюминий?

312


МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ ЛОМОНОСОВ

ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ МЕНДЕЛЕЕВ

У Менделеева сомнений не было. Каждое место в таблице соответствует определенному химическому элементу, который должен обязательно существовать.

Места, на которых были расположены карточки с названиями элементов, клетки в периодической таблице, где вписаны символы элементов и их атомные веса, для великого ученого были полны глубочайшим содержанием; они определяли всю природу каждого элемента, все его физические и химические свойства и свойства всех его соединений.

В 1871 г. в журнале Русского химического общества появилась большая работа Менделеева. Она называлась «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов». Вряд ли в мировой научной литературе когда-либо была опубликована статья, похожая на эту! В ней Менделеев описал три никем, никогда и нигде в мире не виданных химических элемента, причем описал их так обстоятельно, как не смог бы это сделать иной ученый-исследователь, державший в руках их соединения и посвятивший долгие годы опытному изучению их в лаборатории.

Во всей истории науки трудно найти что-либо равное этому необычайному выступлению русского химика — не только по научной смелости, не только по революционной глубине высказанных в нем мыслей, но и по огромному влиянию этой статьи на развитие не только химии, но и всей науки в течение почти столетия вплоть до наших дней.

«Решаюсь сделать это ради того, чтобы хотя со временем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых мною тел, иметь возможность окончательно увериться самому и уверить других химиков в справедливости тех предположений, которые лежат в основании предлагаемой мною системы»,— писал в этой статье Менделеев.

Каким же путем периодический закон дает возможность описывать неведомое? Каким образом место в таблице определяет свойства элемента? Лучше всего это можно понять, если попытаться, по примеру Менделеева, сравнить свойства элемента пустой клетки со свойствами его соседей. Выделим из таблицы ту часть, которая включает пустые места и окружающие их элементы.

Пустая клетка между кальцием и титаном находится в начале четвертого периода, а две пустые клетки, расположенные рядом между цинком (Zn) и мышьяком (As), находятся в конце этого периода.

Гипотетический (предполагаемый) элемент, который должен был занимать первое пустое место, Менделеев назвал экабором. В таблице он следует за кальцием. Тот элемент, который должен занять пустое место около цинка, Менделеев назвал экаалюминием, а соседний с ним — экасилицием .

Пустое место экабора находится между кальцием (атомный вес 40) и титаном (атомный вес 48). Следовательно, атомный вес экабора должен быть близок к среднему значению:

(40 + 48)/2=44

С кислородом он должен давать окись, аналогичную по составу с окисями бора и алюминия: Х2 O3. Сам экабор должен быть легким металлом: он ведь стоит между двумя легкими металлами— кальцием и титаном. Плотность соседей экабора по ряду позволяет определить и его плотность. Для кальция она равна 1,6, для титана — 5,2. Поэтому плотность экабора должна быть приблизительно равна:

(1,6+5,2)/2=3,4

У экабора должны быть бесцветные соли, потому что соседи образуют бесцветные соединения.

Из растворов его солей экабор можно осаждать содой, его углекислая соль будет нерастворимой, потому что его соседи образуют нерастворимые углекислые соли.

Попробуем описать и еще один элемент, пустое место которого находится рядом с цинком,— экаалюминий.

Между цинком и мышьяком Менделеев оставил два пустых места. Атомный вес мышьяка —

313


75, цинка — 65. Нетрудно сообразить, что экаалюминий должен обладать атомным весом около 68. Он помещается в третьем столбце рядом с металлом цинком; в этом столбце находится алюминий — тоже металл, и экаалюминий должен быть на него похожим. Значит, экаалюминий будет тоже металлом.

Плотность его мы определили бы по известной плотности ближайших соседей, учитывая лишь, что рядом с экаалюминием есть еще одно пустое место — экасилиций. Плотность экаалюминия должна быть близка к 6,0. Так же, как и экабор, экаалюминий можно осадить содой из растворов его солей.

Соединения алюминия с хлором обладают при высокой температуре летучестью, и хлористое соединение экаалюминия должно быть также летучим.

Вот какими словами Менделеев заканчивает описание свойств экаалюминия: «Можно надеяться, что он будет открыт спектральным исследованием, подобно тому как открыты следующие за ним индий и таллий...»

Таким образом, Д. И. Менделеев не только описал неведомое, но и предсказал, как оно будет познано.

КАК ОПРАВДАЛИСЬ ПРЕДСКАЗАНИЯ МЕНДЕЛЕЕВА

Не прошло и шести лет, как весь мир облетело известие: в 1875 г. молодой французский ученый-спектроскопист Лекок де Буабодран выделил из минерала, добытого в Пиренейских горах, новый элемент. Буабодрана навела на след слабая фиолетовая линия в спектре минерала, которую нельзя было приписать ни одному из известных химических элементов. В честь своей родины, которая в древности называлась Галлией, Буабодран назвал новый элемент галлием. Галлий — очень редкий металл, и Буабодрану стоило большого труда добыть его в количестве немногим больше булавочной головки. Но Буабодран оказался большим искусником. Он ухитрился с этой крупинкой проделать много интересных опытов и подробно описал новый металл: удельный вес галлия, температуру плавления, соединение с кислородом и даже соли.

Каково же было удивление Буабодрана, когда через Парижскую академию наук он получил письмо с русской маркой, в котором сообщалось: в описании свойств галлия все верно за исключе-

Эта таблица была помещена Д. И. Менделеевым в одном из первых изданий его учебника «Основы химии» (1871). В ней еще очень много пустых мест. Еще не открыты галлий, скандий и германий, и их места занимают пока еще не оправдавшие предсказания об их существовании: экаалюминий, экабор и экасилиций. Совершенно отсутствует нулевая группа, о существовании в природе благородных газов пока еще никто в мире не подозревал. Особенно интересно, что Менделеев

в этой таблице предусмотрел пять свободных мест за ураном.

314


нием удельного веса: галлии тяжелее воды не в 4,7 раза, как утверждал Буабодран, а в 5,9 раза.

Неужели кто-то другой открыл галлий раньше? Озадаченный Буабодран заново определил удельный вес галлия, подвергнув металл более тщательной очистке. И оказалось, что он ошибся, а автор письма — это был, конечно, Менделеев, который никогда и не видел галлия,— прав: удельный вес галлия равен не 4,7, а 5,9.

Еще через 4 года, в 1879 г., скандинавский химик Нильсон нашел новый неизвестный элемент в редком минерале гадолините. Его назвали скандием. Когда же были изучены его свойства, стало совершенно очевидно, что это не что иное, как давно известный, по предсказаниям Менделеева, экабор.

А через 15 лет после предсказания Менделеева (в 1886 г.) немецкий химик Винклер открыл новый элемент и назвал его германием.

На этот раз Менделееву не пришлось самому указывать, что и этот вновь открытый элемент был им предсказан ранее. В своем сообщении Винклер отметил, что его германий полностью соответствует экасилицию Менделеева.

Он писал в своей работе: «Едва ли можно найти иное более поразительное доказательство справедливости учения о периодичности, как во вновь открытом элементе. Это не просто подтверждение смелой теории, здесь мы видим очевидное расширение химического кругозора, мощный шаг в области познания».

Винклер не искал германий по приметам, опубликованным Менделеевым. Он наткнулся на него случайно. Получилось так, что еще неоткрытые химические элементы как бы взяты на учет: их столько, сколько пустующих клеток в периодической таблице Менделеева. Приметы каждого из них в точности известны, и даже можно предсказать заранее, в каких минералах нужно их искать, какими химическими способами следует извлекать эти элементы из минералов, в которых они скрываются.

Величие научного открытия определяется в первую очередь тем, что оно позволяет предвидеть новое, еще неизвестное, неоткрытое. И лучшим испытанием нового закона будет осуществление сделанных на его основе предсказаний.

Существование в природе более десяти новых, не известных никому элементов предсказал сам Менделеев. Для десятка элементов он предсказал правильные атомные веса. Все последующие поиски новых элементов в природе велись исследователями при помощи периодического закона. Этот закон не только помогал ученым в поисках истины, но и способствовал исправлению ошибок и заблуждений в науке.

В 1864 г. был «открыт» элемент «ильмений». Для него был установлен атомный вес 114. По некоторым свойствам он был похож на марганец. Казалось, что его следует поместить в свободную клетку таблицы, где должен был находиться предсказанный Менделеевым экамарганец. Но Менделеев отказался это сделать. Он заявил, что «ильмений» своими свойствами не соответствует требованиям периодического закона и что такой элемент существовать в природе не может. «Открытие» «ильмения» просто ошибка. Менделеев был прав. Вскоре было доказано, что такого элемента в природе нет.

ВЕЛИКОЕ ИСПЫТАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

26 октября 1868 г. на заседании Парижской академии наук были прочитаны одно за другим два письма. Одно было прислано из Индии, от астронома Жансена, другое — из Англии, от астронома Локьера. Оба сообщали, что в спектре солнечных протуберанцев они (независимо друг от друга) обнаружили новую желтую линию, которая не может принадлежать ни одному химическому элементу из существующих на земном шаре. Было решено, что новая линия в спектре принадлежит какому-то особому, «небесному», элементу. Он был назван древнегреческим именем Солнца — гелий.

Спустя 25 лет после открытия гелия на Солнце знаменитый английский физик Релей обнаружил очень странный факт: литр чистого азота, добытого из воздуха, тяжелее, чем литр того же азота, полученного из любого азотного соединения. Разница была ничтожна — тысячные доли грамма, но она была.

Релей написал об этом письмо в лондонский журнал «Природа». Он спрашивал, не сумеет ли кто-нибудь из читателей журнала объяснить, почему «воздушный» азот тяжелее. Но ответов не последовало. Тогда Релей обратился к своему другу — известному химику Рамзаю, и они решили, что каждый из них не покинет свою лабораторию, пока загадка не будет разгадана. Они работали разными методами и, наконец, нашли, что в обычном воздухе существует какая-то примесь, и не малая: в каждом литре воздуха содержится около 10 см³ еще неизвестного газа. Они дали ему имя «аргон». Странный это был газ. Подоб-

315


ных веществ химики еще не знали. Никакими средствами им не удавалось заставить его вступать в химические реакции. Это и было выражено в его названии: по-гречески «аргон» — значит «ленивый».

Аргон оказался новым химическим элементом. Затем Рамзай узнал, что известный химик Гильдебрант наблюдал некоторые минералы (они содержали уран или торий), которые при нагревании выделяют какой-то негорючий газ. Рамзай решил проверить, не аргон ли это.

Но газ, выделившийся из минерала клевеита, оказался не аргоном. У него был совершенно другой спектр, отличный от уже изученного спектра аргона. Рамзай дал ему имя «криптон» («тайный») и послал запаянную пробирку с «криптоном» одному из опытных спектроскопистов, Круксу, для точного исследования спектра. В ответ он получил телеграмму: «Криптон— это гелий. Приходите и поглядите. Крукс».

Так газ, впервые за четверть века до этого найденный на Солнце, был, наконец, обнаружен на Земле. Гелий оказался самым легким газом после водорода.

Но периодический закон не предусматривал существование таких химических элементов, как гелий и аргон. Для них в периодической системе не было пустых клеток. Куда же поместить новые элементы? Скептики снова воспрянули духом, снова зазвучали голоса сомневающихся в периодической системе и периодическом законе. Но это продолжалось недолго.

В 1897 г. Рамзай прочел доклад, который он озаглавил так: «Еще не открытый газ». Рамзай сказал: «По образцу нашего учителя Менделеева я описал, поскольку возможно было, ожидаемые и предполагаемые соотношения газообразного элемента, который должен был бы заполнить пробел между гелием и аргоном».

Места для гелия и аргона в таблице нашел Рамзай. Они были помещены в новый, нулевой, столбец между седьмым, где были фтор и хлор, и первым, где разместились металлы, подобные литию и калию. Отсюда следовало, что должен существовать газ, столь же инертный, как аргон, но легче его — с атомным весом 20.

Руководствуясь предсказанными свойствами, Рамзай предпринял поиски нового газа и нашел его в сжиженном воздухе. Этот газ получил название «неон», что значит «новый», а вскоре были найдены и остальные элементы новой группы: криптон, ксенон и затем радон.

Из нового испытания периодический закон вышел с победой. Иначе и не могло быть! После этого ни у кого в мире не оставалось сом-

Так были предсказаны Рамзаем на основании периодического закона благородные газы. По существу, это было сделано совершенно так же, как Менделеев предсказал галлий, германий я скандий. Все пустые места вскоре заняли вновь открытые элементы: неон, криптон и ксенон. Атомные веса на карточках приближенные.

нения в истинности периодического закона Менделеева.

Этот успех был заслуженным. Великий закон доказал единство вещества во Вселенной. Он внес стройность и порядок в невообразимую путаницу бесчисленного множества фактов, наблюдений, измерений, накопленных химией к середине прошлого века за сотни лет. Он дал могучий метод для изучения химических элементов и их свойств. Сам Менделеев исправил атомные веса многих элементов, известных ранее, в том числе, например, урана. Периодический закон дал возможность предсказывать новое — это истинный закон природы.

Но не все было ясно в периодическом законе. Были необъяснимые исключения: атомный вес аргона (39,9) оказался большим, чем атомный вес калия (39,1), а аргон в таблице стоит перед калием. Атомный вес кобальта превышал атомный вес никеля, хотя по свойствам кобальт в периодической системе должен был предшествовать никелю. И у теллура, стоящего перед йодом, атомный вес оказался больше, чем у йода. Не только это было неясным в таблице. Было твердо установлено, сколько должно быть элементов в первых периодах таблицы, но оставалось совершенно неясным, сколько элементов должно быть в ее последних периодах.

Самое же главное, что было неясным,— это сам периодический закон. Он требовал от науки решить величайшую, казалось, неразрешимую задачу: объяснить периодичность химических свойств у элементов, из которых состоит весь окружающий нас мир.

КАК РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НАШЛИ СВОИ МЕСТА В ТАБЛИЦЕ МЕНДЕЛЕЕВА

Развитие науки поставило периодический закон перед новым, еще более суровым испытанием, чем те, из которых он уже с честью вышел.

316


Это было в конце прошлого — начале нашего века. Во Франции два скромных ученых — супруги Пьер и Мария Кюри — заинтересовались странным явлением, которое открыл другой ученый — Беккерель. Они решили выяснить, почему минералы и руды, содержащие уран, испускают загадочные невидимые лучи, способные проникать через непрозрачные тела и действовать на фотографическую пластинку. Очень скоро они обнаружили, что в природе существуют такие минералы, в которых урана мало, а на пластинку эти минералы действуют гораздо сильнее, чем чистый уран. Супруги Кюри предприняли кропотливые, занявшие долгие годы их жизни поиски новых неведомых

Эта периодическая таблица была помещена в восьмом издании «Основ химии», которое вышло в 1906 г. и было последним при жизни автора. Она уже очень похожа на таблицу, которую теперь изучают школьники, и очень отличается от первых вариантов. В ней значительно меньше пустых клеток. Уже заняли свои места предсказанные Менделеевым галлий, скандий и германий, уже открыт радий, который также был предсказан Менделеевым и описан под названием экабария. Открыты уже благородные газы, нашедшие свое место в таблице в новой, нулевой, группе. Но еще недостаточно изучены редкие земли, и их положение в таблице пока еще не определилось. Обратите внимание, что элементы в этой таблице еще не перенумерованы.

элементов — носителей радиоактивного излучения (см. ст. «Рождение, жизнь и смерть химических элементов»).

Первым был открыт полоний, вслед за ним — радий. Это были новые элементы, их наука еще не знала. Радиоактивность этих элементов была в тысячи раз сильнее, чем у урана. Чудесные свойства резко отличали их от всех известных ранее элементов.

Довольно быстро, как только были изучены химические свойства новых элементов, они нашли свои места в периодической системе. Оказалось, что оба элемента — и полоний, и радий — также когда-то были предсказаны Менделеевым. Радий — это был экабарий, он занял 88-ю клетку в периодической системе, полоний — 84-ю. Его Менделеев называл экателлуром. Значит, место для них было, и казалось, что все благополучно. Но когда были изучены подробно свойства новых радиоактивных элементов, обнаружились совершенно неожиданные для науки явления.

Самым важным было то, что с открытием радиоактивных элементов рухнули привычные и, казалось, незыблемые представления о вечности и неизменности каждого элемента. Новые элементы были непостоянными, они рождались и исчезали, превращаясь в другие элементы. Одни из них исчезали в течение миллионных долей секунды, другие жили тысячи лет. Их свойство испускать невидимые лучи свидетельствовало о распаде атомов.

Было найдено, что радий — далекий потомок урана. Сам радий превращается в радиоактивный газ радон. И при каждом превращении радиоактивный атом обязательно испускает либо заряженные ядра атомов гелия (α-частицы), либо электроны (β-частицы). Вскоре физики нашли более тридцати радиоактивных элементов.

Сколько потомков действительно оказалось у урана, вы можете сами подсчитать на вкладке к статье «Рождение, жизнь и смерть химических элементов» между страницами 288—289.

Не меньше потомков было найдено и у элемента тория, который также оказался радиоактивным. И почти столько же — в ряде актиния.

Перед наукой снова встал трудный и принципиально важный вопрос: где и как найти места в периодической системе для всех этих новых многочисленных элементов? Их было гораздо больше, чем оставалось свободных клеток в таблице. Эту задачу пришлось науке решать уже без участия Менделеева. Он не дожил до последнего, самого трудного испытания его великой идеи.

317


Химики занялись определением химических свойств новых радиоактивных элементов. Это была трудная задача. Ведь среди этих элементов были такие, которые «жили» ничтожные доли секунды. Разгадка была найдена, когда радиоактивные элементы были настолько изучены, что стало возможным сопоставить природу лучей, испускаемых элементом, с его химической природой и с природой того нового элемента, который из него образуется при радиоактивном превращении. Но разгадать все это удалось опять-таки с помощью периодической системы Менделеева.

Изучая свойства урана-Х1 — ближайшего потомка урана, его «сына», химики скоро убедились, что химическими свойствами он неотличим от давно известного тория. Но все же это не был знакомый химикам торий. Торий — обычный элемент, его радиоактивность так слаба, что ее трудно обнаружить. А уран-Х1 сильно радиоактивен, быстро распадается, через 24 дня от него остается только половина того количества, которое было раньше.

В общем это новый элемент. Но все же химически это торий. Если уран -X1 смешать с торием, никакими химическими реакциями их разделить невозможно.

Уран превращается в уран-Х1, испуская α-лучи (рис. 1). На каждый распавшийся атом урана из его ядра вылетает α-частица и уносит два положительных заряда. Уран занимает 92-е место в таблице, в седьмом периоде. А где должен быть его первый потомок, ypaH-X1 ? Менделеев поместил торий в 90-ю клетку своей системы. А уран -X1 неотличим от тория. После долгих и трудных поисков и колебаний пришлось признать, что место для урана -X1 — в клетке, где находится торий; α-частица уносит из ядра атома два положительных заряда, и при этом образуется новый атом, занимающий в периодической таблице место с номером, на две единицы меньшим.

Проследим теперь, что дальше происходит с ураном-Х1 при его распаде (рис. 2). Он испыты-

вает β-превращение, образуя новое радиоактивное вещество, которое было обозначено как уран-Х2, еще быстрее исчезающее. Оказалось, что по химическим свойствам уран-Х2 должен быть помещен в 91-ю клетку.

Но потеря одного отрицательного заряда ядром атома равноценна приобретению одною положительного заряда. В результате получилось, что при увеличении положительного заряда ядра элемента на единицу образуется новый элемент, занимающий в периодической системе клетку, номер которой на единицу больше. В свою очередь уран-Х2 снова теряет β-частицу (рис. 3) и превращается в уран- II, который совершенно неотличим от своего «прадеда» — обычного урана — и должен быть помещен в одной клетке с ним, т. е. занять 92-е место в таблице. И всегда увеличение в ядре положительного заряда на единицу (потеря одного отрицательного электрона) приводит к такому изменению химических свойств, которое соответствует увеличению порядкового номера элемента на единицу.

Этот закон, управляющий путешествием атомного ядра по менделеевской таблице при радиоактивном распаде, получил в науке название «правило сдвига».

Изучая радиоактивные элементы, химики столкнулись с новым, невозможным и немыслимым с точки зрения старой химии, фактом. Посмотрите сами, что получилось. Атомный вес урана-238. Каждый атом его на пути ра-

318


диоактивного превращения до урана- II теряет последовательно одну α-частицу (т. е. ядро атома гелия, атомный вес которого 4) и две β-частицы (это легкие, с ничтожной массой электроны). В результате заряд ядра атома радиоактивного урана- II оказывается таким же, как у обычного урана. И своими химическими свойствами он от обычного урана неотличим.

Но атомный вес становится, конечно, совершенно другим. Каждая вылетающая α-частица уменьшает атомный вес на четыре единицы, а при β-превращениях он остается таким же.

Изменение атомного веса урана:

В одной и той же клетке, где, как считал Менделеев, должен быть только один элемент со своим, присущим только ему атомным весом, теперь оказались два разных вещества, с разными физическими признаками и, самое главное, хотя и с разными атомными весами, но с одинаковыми химическими свойствами. Оказалось, что один и тот же элемент может обладать различным атомным весом.

Но этого мало. Был получен еще более удивительный результат: при β-распаде атомный вес не меняется, а химическая природа элемента меняется очень резко.

Уран -X1 по химическим свойствам — это торий, а уран-Х2 химически неотличим от элемента протактиния (Ра); следовательно, у разных элементов может быть одинаковый атомный вес.

Что же в конце концов получилось? Как основной признак элемента Менделеев принял атомный вес. Но в ряде радиоактивного распада урана конечный продукт — радий -G, его атомный вес 206. Этот элемент уже неактивен, а химически неотличим от свинца.

При распаде тория, в конце концов, образуется тоже неактивный торий -D, его атомный вес 208. По химическим свойствам это тоже свинец.

Ряд распада актиния обрывается на неактивном продукте — актинии -D, его атомный вес 207, а химически он опять-таки свинец.

Но мало этого, в этих рядах есть еще радиоактивные промежуточные продукты распада: радий-В с атомным весом 214, радий -D с атомным весом 210, торий-В, атомный вес которого 212, и актиний-В с атомным весом 211.

И все эти радиоактивные элементы, все до одного, абсолютно сходны со свинцом, и все они обладают разными атомными весами.

Но ведь в каждой клетке может быть только один элемент с его собственным атомным весом! В клетке 82 может быть свинец с атомным весом 207,18. Изучая радиоактивные элементы, ученые нашли еще семь веществ с атомными весами 214, 212, 211, 210, 208, 207, 206 и химическими свойствами свинца.

Наука оказалась в очень большом затруднении. Как же их разместить в периодической таблице? Их нельзя считать разными элементами, все они — свинец, но считать одним элементом, одной разновидностью атомов тоже нельзя — у них разные атомные веса.

В конце концов, стало ясно, что все они должны занимать одно место в таблице Менделеева. Именно поэтому их так и называют — «изотопы» (от греческих слов: «равный» и «место»).

Кроме того, оставалось необъяснимой загадочная непоследовательность в ходе изменения величины атомного веса у пар элементов аргон— калий, кобальт — никель, теллур — йод. Сам Менделеев был вынужден расположить их в таблице, нарушив порядок увеличения их атомных весов: аргон был «тяжелее» калия, кобальт — никеля, теллур — йода.

Это испытание для периодического закона было очень тяжелым. Оно поставило под сомнение основу периодической системы. Стало совершенно ясно, что атомный вес не может служить величиной, которая определяет химические свойства элемента. И наука снова встала перед большой задачей.

В ЧЕМ ОСНОВА ВЕЛИКОГО ЗАКОНА?

Периодический закон — великий закон природы,— открытый Менделеевым, остается незыблемым. Но атомный вес, принятый им в качестве основной характеристики химического элемента, не выдержал испытание.

Именно изучение радиоактивных элементов дало возможность найти ответ на этот вопрос, важный для познания окружающего нас мира. Что же заменило атомный вес? Что вместо него определяет теперь положение каждого элемента в нашей современной менделеевской таблице?

Проследите внимательно по периодической системе элементов за путешествием распадающегося радиоактивного ядра (рис. 4 и табл. у стр. 288). По пути атом от урана до свинца побывает в десяти клетках двух последних рядов

319


Рис. 4. Нужно очень внимательно проследить за «путешествием» потомков атома урана по периодической таблице. При каждом β-распаде у них меняется заряд, а при a -распаде изменяется и масса. Что же определяет химические свойства получающегося ядра? Теперь не пользуются устаревшими названиями U-I, U-X1 и т. п. Принято называть изотопы просто по названию элемента с добавлением его массового числа. Вместо U-I говорят U-238, вместо U-X1 —Th-234. Составьте сами таблицу изотопов, образующихся при распаде урана-238.

таблицы Менделеева. Он испытает четырнадцать последовательных превращений, образуя по дороге восемнадцать изотопов десяти различных элементов. Некоторые атомы на этом пути даже распадаются сразу по двум направлениям.

При этом атом урана, превращаясь, в конце концов, в атом свинца, теряет восемь α-частиц и шесть β-частиц. Этому соответствует потеря десяти положительных зарядов:

8×(+2) + 6×(−1) = 10.

При этом с химическим элементом происходят такие глубокие изменения его химической природы, которые соответствуют его перемещению из той клетки таблицы, где находится место урана, в ту, где должен быть свинец. Десяти потерянным положительным зарядам соответствует перемещение на десять последовательных клеток в таблице Менделеева.

Таким образом, химия радиоактивных элементов показала, что в основе периодического закона должен лежать другой фундамент: не атомный вес, а положительный заряд атомного ядра.

На помощь химикам пришла физика. Была предложена модель строения атома. Атом

оказался сложным: вокруг положительно заряженного тяжелого ядра вращаются отрицательные электроны; их ровно столько, сколько положительных зарядов в ядре. Это и стало решающим для понимания основы периодического закона. Оказалось, что заряд атомного ядра любого элемента численно равен порядковому номеру этого элемента в таблице Менделеева. Прямое опытное доказательство этому нашел молодой талантливый английский физик Мозли, который в расцвете сил погиб во время первой мировой войны. Ему было всего лишь около 24 лет, когда он сделал замечательное открытие. Изучая. рентгеновские спектры элементов, Мозли нашел, что длина волны рентгеновского излучения зависит от места, которое занимает этот элемент в таблице Менделеева, от порядкового номера элемента. Измерив длину волны рентгеновского излучения элемента, оказалось возможным вычислить порядковый номер элемента. И этот номер действительно оказался равным числу положительных зарядов в ядре атома элемента.

Сложными, трудными путями развивается наука. Конечно, только знание, как построен атом, помогло физике понять огромное значение порядкового номера элемента — основы перио-

320


дического закона. Но никогда не удалось бы узнать, как построен атом, если бы у исследователей, ученых не было яркого путеводного маяка — периодического закона. Без него было бы невозможно проникнуть внутрь атома и овладеть его энергией. Без него стало бы немыслимым величайшее проявление могущества человеческого гения — создание новых искусственных элементов.

Если бы Менделеев не открыл периодический закон, несомненно, этот закон все равно был бы открыт. Но кто может сказать, на сколько лет задержалось бы развитие науки!

Естественная, как назвал ее Менделеев, система элементов не только требовала объяснить загадочную тайну периодичности, но она же и руководила наукой в поисках разгадки.

НОВЫЙ СМЫСЛ И ЗНАЧЕНИЕ АТОМНОГО ВЕСА

Менделеев считал, что химические свойства элементов зависят от их атомных весов. Это оказалось не так. Место в менделеевской таблице, а следовательно, и всю химию элемента определяет не его атомный вес, а атомный номер — заряд его ядра.

Значит ли это, что атомный вес оказался науке больше ненужным и что теперь все его значение ограничивается очень полезной, но скромной ролью при расчетах состава вещества в процессе химического анализа?

Нет. Для физики значение атомного веса не только не уменьшилось, но, пожалуй, даже неизмеримо возросло, особенно с точки зрения практики. Масса атома в настоящее время стала основной величиной для всех расчетов ядерной энергетики и ядерной химии. Не зная точное значение атомной массы, абсолютно невозможно установить механизм ядерных реакций и рассчитать количество энергии.

Недоступный прямому восприятию, до сих пор еще никем не виденный атом ученые научились взвешивать с точностью в сотни и даже в тысячи раз большей, чем мы можем измерять любую другую величину в окружающем нас мире.

Единица шкалы атомных весов

Запомните, что теперь 112 [6C12] = 1.

При составлении самой первой таблицы периодического закона Д. И. Менделеев принимал атомный вес водорода равным единице и сравнивал с ним атомные веса всех других элементов.

На Международном съезде химиков в 1860 г. было решено принять водород за основу шкалы атомных весов. Почти полстолетия самый легкий элемент водород занимал это почетное место. Только в 1906 г. химики перешли к кислородной шкале, за основу шкалы атомных весов принят был атомный вес кислорода — его 116 часть. Это, конечно, было гораздо удобнее, так как кислород образует соединения почти со всеми элементами.

Когда было открыто, что в природе существуют три различных изотопа кислорода и что содержание их в природном кислороде непостоянно, физики установили для себя «физическую» шкалу атомных весов. Они условились считать единицей для атомных весов 116 веса атома наиболее распространенного легкого изотопа кислорода и вес его считать равным точно шестнадцати. Это устраняло погрешность, происходящую из-за непостоянства изотопного состава кислорода разного происхождения.

Долгое время в науке было такое «двоевластие». При современной высокой точности измерений это стало приводить к очень многим недоразумениям и ошибкам. Кроме того, выяснилось, что изотоп О16 не оправдывает возлагавшихся на него надежд и не может обеспечить необходимую точность. Он оказался неудобным эталоном для атомных весов.

Совсем недавно, в период 1958—1961 гг., ученые еще раз пересмотрели этот исключительно важный не только для химии, но и для всего естествознания вопрос: что должно быть положено в основу современной шкалы точных атомных весов? После многочисленных тщательных исследований и подробных обсуждений было установлено, что из всех элементов только два могут претендовать на почетную роль основной константы химии и физики — фтор и углерод.

У фтора только один изотоп, и атомный вес элемента фтора — постоянная величина. Была предложена «фторная» шкала, в которой 119 [9F19] = 1.

У углерода два изотопа, но зато его соединения с водородом очень удобны для непосредственного сравнения масс атомов различных изотопов почти всех элементов. Это — важное преимущество углерода. Многие ученые настаивали на углеродной шкале; в которой за основу принимали наиболее распространенный изотоп C12.

Поскольку обе эти новые шкалы для атомных весов обладали каждая своими важными и ценными преимуществами, было решено провести всемирное голосование (опрос) ученых — химиков и физиков: какую шкалу — «фторную» или «углеродную» — они предпочитают?

В этом всемирном опросе приняли участие и ученые нашей страны. Победил углерод. Было решено за основу новой единой шкалы атомных масс принять атом изотопа углерод-12 и считать 112 [6C12] = 1.

321


Вот с какой точностью измеряются теперь массы атомов:

Н1 —1,007 82522

D² — 2,014 102 19 Не4 -4,002 603 61 N14 — 14,003 074 38 О16 —15,994 914 94

Чтобы почувствовать, зачем нужна такая огромная точность, попробуйте сами рассчитать из этих значений, сколько энергии получается на Солнце при синтезе гелия из килограмма водорода. Стоит ли синтезировать его из дейтерия? Сколько энергии получается в звездах за счет «выгорания» гелия, в результате чего образуется углерод? Без точных значений атомных масс наука обойтись не может.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН—ЗАКОН СТРОЕНИЯ АТОМА

Тайна периодической системы элементов была разгадана, когда удалось понять сложнейшую структуру атома, строение его внешних электронных оболочек, законы движения электронов вокруг положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома.

Сотни и тысячи талантливых и самоотверженных ученых трудились, выясняя структуру атома. Они шли к ней разными путями и с разных сторон. Теоретики и экспериментаторы, физики и химики, открывая новые факты, отыскивая новые закономерности, всегда сопоставляли свои результаты и выводы с системой Менделеева.

Долгим и трудным путем шла наука к разгадке великой тайны периодического закона. Он воплотил в себе все необозримое многообразие бесконечного множества химических процессов и превращений в окружающем нас мире. Он внес ясность и порядок в химию, где до него царствовал хаос отрывочных и несвязанных сведений, фактов, наблюдений, накопленных многими поколениями химиков.

Почему элементы так послушно повинуются закону Менделеева? Почему существует таинственная правильная повторяемость свойств у химических элементов? Почему натрий похож на калий, а фтор сходен с хлором? Почему кислород и сера присоединяют по два атома водорода, а атомы углерода и кремния образуют соединения, в которых по четыре водородных атома? Почему химик, хорошо изучивший таблицу Менделеева, заранее скажет, какие соединения могут возникнуть при взаимодействии различных элементов?

Какова таинственная причина этих поистине удивительных закономерностей, управляющих течением всех химических реакций между всеми элементами, дающих бесчисленное множество соединений, из которых состоят все тела в окружающем нас мире, не только на нашей Земле, но и далеко за ее пределами, в безграничном космосе?

Много, очень много можно задать подобных вопросов. Ответ на них один. Все химические и физические свойства вещества определяются строением атомов. Великий закон, открытый Менделеевым, потому и есть всеобщий закон природы, что он выражает закон строения атома.

АТОМ САМ РАССКАЗАЛ О СВОЕМ УСТРОЙСТВЕ

Атом... Само его имя — «неделимый» отражает почтительную робость науки недавнего прошлого перед его непостижимостью. До сих пор его еще никто не видел. Никакие примеры и сравнения не могут дать правильное представление о его размерах.

Как же невообразимо сложно должен построен атом. Ведь его строение определяет бесконечное многообразие всего, что нас окружает. А ведь вокруг нас неисчерпаемый, безграничный мир, замечательный и прекрасный, полный света и красок.

И все, что мы видим на всем доступном нам протяжении безграничности мироздания, — все это состоит из немногих, аккуратно разложенных Менделеевым по клеткам его таблицы различных видов атомов.

Проникнуть в тайну того, как построен атом, помогло изучение спектров. Оказалось, что атом сам рассказывает о себе на удивительном красочном языке, на языке спектральных линий испускаемого атомом света. Но ученые долго не могли понять его загадочный шифр. И в самом деле, попробуйте представить себя в положении человека, которому необходимо разгадать устройство механизма никогда им не виданного рояля, только слушая исполняемые на нем музыкальные произведения. Перед физиками же стояла задача неизмеримо труднее, но они сумели с ней справиться. Правда, для того чтобы понять шифр спектральных линий, им пришлось создать новую науку — механику микромира, квантовую механику.

322


Атом действительно очень сложен. И до сих пор не все еще в его строении разгадано и изучено. Но основной закон строения атома оказался удивительно простым.

В АТОМЕ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ДВУХ ОДИНАКОВЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

А разве электроны могут быть разными? Быть может, электрон на Марсе отличается от электрона на Сириусе? Или электроны в атоме железа не похожи на электроны, вращающиеся в атомах водорода? Нет. Физики совершенно точно знают, что все электроны, во всем мироздании, повсюду совершенно одинаковы.

Чем же тогда они различаются в атоме? Почему от этого зависят химические свойства элементов? Как периодический закон Менделеева связан со строением атома?

Эти вопросы очень трудны. Хотя они еще не все и не полностью решены наукой, но все же очень много тайн в строении атома уже разгадано. Хотите узнать их? Тогда прочтите внимательно, лучше с карандашом в руках, чтобы самому просчитать все оболочки и орбиты, следующую главу.

КАК ЖЕ ВСЕ-ТАКИ МОЖЕТ ВЫГЛЯДЕТЬ АТОМ?

Конечно, попытка «наглядно» изобразить атом на бумаге совершенно безнадежна. Всякий рисунок неподвижен, любое изображение статично. Атом — это вечный вихрь движения. Его нарисовать нельзя. Но графическая схема может все же помочь понять устройство атома, осмыслить результаты опыта и теоретического расчета.

Главные квантовые числа и электронные оболочки атома определяют энергию электронов

Атом сам на языке спектра рассказывает, что электроны, вращающиеся в нем вокруг ядра, различаются между собой. Они расположены на различных расстояниях от ядра, движутся по орбитам разной формы, у них различная скорость, а самое главное — различная энергия.

Опыт и квантово-механический расчет показывают, что в каждом атоме может быть не-

Рис. 5. Схема всех возможных электронных оболочек и атоме. Диаметры их определяются энергией электрона и пропорциональны главному квантовому числу n .

сколько групп электронов, различающихся между собой по энергии, которые образуют вокруг атомного ядра несколько электронных оболочек.

На рисунке 5 они обозначены условно окружностями. Возле каждой из оболочек указано целое число: 1, 2, 3 до 7 — это ее главное квантовое число п. Физики привыкли обозначать главные квантовые числа буквами из середины алфавита по порядку самая близкая к атомному ядру K -оболочка, а затем идут L -, М-, N-, O -, Р - и Q -оболочки. От того, на какой из оболочек находится электрон, и зависит его энергия. Это очень важно. На ближайшей к ядру K -оболочке он обладает наименьшей энергией. Правильнее будет представлять себе электронные оболочки в виде концентрических сфер и считать их изображением энергетических уровней электронов в атоме.

Атом при переходе электрона с одного из внешних уровней на более глубокий излучает один фотон — квант лучистой энергии. Такие переходы электронов в атомах происходят всегда. Поэтому наши глаза и могут видеть.

Побочные квантовые числа определяют тип орбиты

К сожалению, эта простая картина атома не соответствует действительности. Выяснилось, что электроны, принадлежащие к одной и той же оболочке, могут двигаться по орбитам раз-

323


Рис. 6. Схема всех типов электронных орбит только одной N -оболочки атома. Читатель может легко сам начертить такую схему для любой другой оболочки. Только нужно иметь в виду, что отношение l-полуосей в эллипсах должно быть равно (l+1)/n .

ного типа. Недавно еще считали, что их можно представить себе эллиптическими. Теперь думают, что такие попытки просто бесполезны и ненужны. Важно общее число различных типов электронных орбит в каждой оболочке, и очень важно, что все они разные. Физики даже говорят о существовании электронных подоболочек внутри каждой главной оболочки. Их число зависит от главного квантового числа n и равно ему. Каждый тип орбит, образующих подоболочку, характеризуется побочным квантовым числом l. Как и все квантовые числа, оно тоже целое число и может изменяться от 0 до n- 1.

На рисунке 6 вы видите попытку изобразить в качестве примера типовые орбиты всех подоболочек только одной N -оболочки любого атома.

Физики любят традиции и предпочитают сохранять старые буквенные обозначения для электронных подоболочек: буквы s, p, d и f. Это начальные буквы названий серий спектральных линий: резкая, главная, диффузная и фундаментальная. Они соответствуют побочным квантовым числам: 0, 1, 2, 3.

Однако и этого мало. Схема атома значительно сложнее. Каждая из электронных подоболочек состоит из одинаковых орбит, но число этих орбит в них различно.

Число орбит определяется магнитными квантовыми числами

Из того, как ведут себя спектральные линии при излучении атомов в магнитных полях, было

установлено, что в любой из главных электронных оболочек принадлежит к каждому типу строго определенное число электронных орбит. Оно зависит только от второго побочного квантового числа и определяется третьим целым числом — «магнитным» квантовым числом т, у которого может быть 2 l +1 значений: от - l до + l .

Понять это не очень трудно: каждый электрон, вращаясь на орбите вокруг ядра, по существу, представляет собой один виток обмотки, по которому идет электрический ток. При этом возникает магнитное поле, поэтому каждую орбиту в атоме можно рассматривать как плоский магнитный листок. При наложении внешнего магнитного поля каждая электронная орбита будет с этим полем взаимодействовать и будет стремиться занять в атоме определенное положение (рис. 7). Энергия каждой из орбит изменится, и в соответствии с этим изменится и энергия фотонов.

Но и это еще не все.

Число электронов на орбите зависит от спинового квантового числа

Поведение атомов в сильных неоднородных магнитных полях показало, что каждый электрон в атоме ведет себя как магнитик. А это указывает на то, что электрон вращается вокруг своей собственной оси, словно планета на орбите. Это свойство электрона получило образное название «спин» (английское слово «спин», по-русски — «прясть», «вращать»).

Рис. 7. Орбит только одного типа d в одной только электронной оболочке может быть пять. Сообразите сами, в каких оболочках возможны такие орбиты. Правильнее представлять себе, что все они различно ориентированы в пространстве.

324


В отличие от вращения обычных тел в нашем микромире, где возможны любые скорости вращения, вращательное движение электрона постоянно и неизменно. Это его неотъемлемое свойство. Вращение электрона совершенно необычно: ни замедлить, ни ускорить, ни остановить его нельзя. Оно одинаково для всех электронов в мире.

Но хотя спин — общее свойство всех электронов, в нем причина различия между электронами в атоме. Два электрона, вращаясь на одной и той же орбите вокруг ядра, обладают одним и тем же спином, и все же они могут различаться направлением собственного вращения. При этом изменяется знак момента количества движения и знак спина (рис. 8).

Квантовый расчет приводит к двум возможным значениям спиновых квантовых чисел, присущих электрону на орбите: s =+1/2 и s = −1/2, других значений быть не может. Поэтому в атоме на каждой орбите могут вращаться либо два, либо только один электрон. Больше быть не может.

Не смешивайте, пожалуйста, буквенное обозначение второго квантового числа l =0 с четвертым квантовым числом. И то и другое обозначают одной и той же буквой — s. Наверное, просто потому, что физикам давно уже не хватает букв для их формул.

Эта теория, во многом прояснившая сложное строение атома и связавшая в единое целое его оптические и химические свойства, основана на представлениях, впервые предложенных замечательным датским физиком Нильсом Бором.

ТАК НА ЧТО ЖЕ ПОХОЖ АТОМ?

Графическое искусство бессильно изобразить строение атома. Пожалуй, единственная надежда остается на собственное воображение. Пусть те из читателей, у кого оно достаточно развито, предварительно подсчитают и даже вычертят орбиты всех типов для всех возможных электронных оболочек атома. А затем попытаются представить себе для наглядности электроны в виде ярко светящихся шариков, которые кружатся каждый на своей орбите с невообразимо огромной скоростью. Тогда для глаза каждый электрон должен был бы превратиться в сверкающую кривую своей эллиптической орбиты. Но орбита его не может быть неподвижной: атом и неподвижность несовместимы. Сами электронные орбиты также меняют свое взаимное положение, в своем движении они описывают сложные и причудливые объемные фигуры, сливаясь в мерцающее фантастическое сияющее облако — в электронный вихрь.

Рис. 8. На каждой отдельной орбите может быть либо только два «спаренных» электрона, либо один «неспаренный». Существование в атоме неспаренного электрона имеет очень большое значение для химической характеристики элемента. От него зависит возможность образования молекул (например, .молекулы водорода).

В одних местах оно будет ярче: в них электронная плотность выше. В других — оно будет тусклым: вероятность пребывания в них электронов будет меньше. Но никаких отдельных электронов в этом электронном облаке различить нельзя.

Современная физика так и представляет себе атом в виде электронного облака со сложной структурой. Это облако сплошное и непрерывное. Где, в каких его точках в каждый момент находятся электроны — определить нельзя. Не только потому, что мы еще не обладаем средствами для такого наблюдения, но и потому, что электроны внутри атома проявляют свою двойственную природу — они ведут себя как волны.

Лучший друг и помощник фантазии и воображения — точная математика сумела рассчитать для простейших атомов вероятность нахождения электронов в каждой точке облака. Результат такого квантово-механического расчета атома натрия изображен на рисунке на следующей странице. Если вообразить себе атомное ядро с диаметром в один сантиметр, увеличив его всего лишь в десять тысяч миллиардов раз, то диаметр электронного облака будет около километра.

325


Вот так выглядел бы атом натрия, если представить себе, что его ядро увеличилось бы до размера в один сантиметр, а электроны стали бы ярко светящимися шариками.

326


ЗАКОН СТРОЕНИЯ АТОМА

Удивительна простота основного закона, к которому свелась первоначальная бесконечная сложность его строения. Вся прихотливость поведения электронов во внешней оболочке атома, управляющая всеми его свойствами, может быть выражена необычайно просто: в атоме нет и не может быть двух одинаковых электронов. Теперь смысл этого закона нам ясен. Все электроны в атоме должны иметь разный «набор» значений четырех квантовых чисел: n, l, m, s. Зная же общее число электронов в данном атоме, которое равно его порядковому номеру в менделеевской таблице, мы можем сами «строить» атом, можем сами рассчитывать структуру его внешней электронной оболочки —определять, сколько в ней электронов и какие они в ней. Этот закон известен в науке, по имени швейцарского физика-теоретика, как принцип Паули.

ФОРМУЛА АТОМА

Структуру внешней оболочки атома принято выражать своеобразной формулой. На основании только одних теоретических квантовых расчетов мы можем написать ее для любого легкого атома, вплоть до аргона. Для остальных атомов пока еще не хватает теории, и приходится привлекать на помощь опытные данные.

Формулу атома, по странной традиции, принято писать в несколько необычной форме. Но к ней нетрудно привыкнуть. Главное квантовое число физики условились записывать соответствующей цифрой, а побочное — буквой; число же электронов — помечать сверху справа. В атоме водорода только один электрон, поэтому

у его формулы простой вид:

У гелия два

электрона. Согласно правилам квантования, в одной и той же оболочке не может быть больше двух s -электронов. Поэтому формулой гелия

завершается первый период. Третий электрон может занять только следующий уровень с главным квантовым числом n =2, в котором также есть s -электроны. Следовательно, формула электронной оболочки для атома лития будет

а для бериллия

Все s -электроны исчерпаны, поэтому пятый элемент — бор должен иметь формулу:

Тому из читателей, который хочет в будущем стать хорошим химиком, равно и тем, кто собирается посвятить себя атомной физике, или кому по душе свет и его таинственные спектры, очень советуем еще раз перечитать предыдущие разделы о квантовых законах строения электронных оболочек атома и самим составить формулы для всех атомов трех первых периодов.

Для проверки приводим строение электронной оболочки натрия, у которого его одиннадцать электронов распределены в соответствии

с формулой 1 2 2 p 6 3 s. Думаем, что и у вас получился такой же результат.

ПРИЧИНА ПЕРИОДИЧНОСТИ В СВОЙСТВАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Наверное, у многих из читателей этой статьи при знакомстве с разделом, посвященным строению электронной оболочки атома, уже возникло совершенно законное недоумение. Ведь все, что было рассказано о законах квантовых чисел, управляющих постройкой атомов, все это — результат приложения квантовой механики к изучению спектров различных элементов. В этом разделе не говорилось ни о химических свойствах, ни о законе периодичности. Так какое же отношение имеют эти удивительные сочетания простых чисел, объяснившие сложность и запутанность спектральных линий, к химии, к великому периодическому закону?

В природе существует глубокая внутренняя связь даже самых несходных и далеких явлений и процессов. Свет и химия не лежат в ней на разных полках. Оба эти глубоко различные начала тесно связаны. Исследования спектров помогли выяснить строение атома, а знание структуры электронной внешней оболочки помогло понять причину периодичности в изменении свойств химических элементов. Эта причина заложена в периодичности строения электронных оболочек атомов. От этого и зависят все химические свойства элементов.

327


В самом деле, к чему привели нас квантовые числа электронов, управляющие их поведением в атоме? Ведь они получены на основании теории, созданной для объяснения спектров, совершенно независимо от исследования химических свойств элементов.

1.Доказано, что электронная внешняя оболочка атомов имеет периодическое строение. По мере увеличения заряда атомных ядер электроны начинают периодически заполнять новые слои электронной оболочки — размещаются на новых энергетических уровнях.

2. Доказано, что при этом в атоме должны повторяться одинаковые по строению и по числу электронов подгруппы в каждой последующей оболочке.

3. Сходство элементов определяется одинаковым строением наружного слоя электронной оболочки в их атомах.

Литий

потому и стоит в одной

группе менделеевской таблицы вместе с натрием

что у обоих на внешней

орбите по одному s -электрону.

Пожалуйста, не сочтите, что на этом теория строения атома завершена и теперь все совершенно ясно: стоит только без ошибки рассчитать по всем правилам квантовой механики и написать формулу атома — и сразу перед опытным и знающим химиком раскроются все необозримые тайны химических свойств любого элемента. Это не так. Никакая теория не может до конца охватить неисчерпаемое многообразие действительности. Как бы глубоко мы ни проникли в атомный микромир, все равно будем стоять только на пороге неведомого.

Теория строения атомных оболочек дала химии очень много. Мы теперь точно знаем, какие электроны могут быть в атоме, точно знаем, сколько их может быть в каждой из его оболочек. Но мы еще не знаем точно, в каком порядке они должны заполнять орбиты по мере роста порядкового номера элемента.

В первых трех периодах заполнение идет просто в порядке последовательности. Почему это так, мы тоже не знаем. А дальше, чтобы определить строение атома, приходится привлекать на помощь опытные данные, полученные при изучении тонкой структуры спектральных линий и химического поведения элемента.

Теоретический расчет, выраженный в несложных правилах комбинаторики простых чисел, очень многое сделал ясным в периодическом законе, но далеко еще не все.

Нельзя не поражаться гению Менделеева. Он сумел уловить великое единство в необъятном хаосе, в беспорядке накопленных до него химиками разрозненных фактов и сведений. Он сумел установить естественный закон химических элементов в то время, когда еще почти ничего не было известно о строении вещества. Менделеевская таблица на долгие годы определила все развитие науки о веществе. Но и теперь, почти через 100 лет после открытия периодического закона, пока еще даже квантовая теория не может в ней объяснить все полностью.

 

СТРОЕНИЕ АТОМА И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Все свойства вещества, конечно, полностью определяются строением атомов. Радиоактивность, способность к ядерным превращениям зависят от природы и строения атомного ядра. Оптические свойства элемента, его атомные спектры определяются строением электронной оболочки атома, совокупностью всех его электронов.

Химическое поведение элемента зависит от его наружных электронов. Особенно важную роль в химии каждого элемента играют его самые внешние электроны. Чаще всего это s- и р -электроны, иногда d -электроны.

СТРОЕНИЕ АТОМА И ХИМИЯ

В атоме первого элемента таблицы Менделеева — водорода только один s -электрон. Немногие вещества обладают такой химической активностью, как атомарный водород. Именно благодаря примеси свободных атомов водород в момент выделения из связывающих его соединений (in statu nascendi, как говорили еще древние алхимики) обладает удивительной способностью к самым разнообразным химическим превращениям.

Сосед водорода по таблице — гелий. В его атоме на одной орбите два s -электрона. Обратите внимание на то, что оба эти электрона, образующие гелиевую орбиту,— спаренные. Они вращаются в разные стороны, каждый вокруг своей оси. Два таких электрона и придают несокрушимую прочность атому гелия.

328


Два атома водорода соединяются в одну молекулу, и при этом в очень прочную молекулу. За счет пары электронов эти атомы образуют гелиеподобную, общую для обоих атомов, орбиту (рис. 9).

Гелий, как и другие благородные газы, в атомах которых все электроны спаренные, почти не способен образовывать молекулы. В свободном газообразном состоянии он существует в виде отдельных атомов.

Рис. 9. Наверху — схема образования молекулы водорода из двух водородных атомов. Внизу — схема образования молекулы газа метана из атома углерода и четырех атомов водорода.

Запомните эту очень важную и удивительную способность двух s -электронов образовывать общую очень прочную орбиту. Это может происходить, даже если оба электрона принадлежат двум разным атомам. Такое свойство электронов имеет особенно большое значение для химии. Именно благодаря этому и могут возникать очень прочные связи между атомами, могут образовываться и существовать молекулы.

Химики такую химическую связь называют гомеополярной.

Насколько важны для химии внешние электроны атома, можно судить хотя бы по тому, что именно их число и определяет валентность элемента .

У лития, натрия, калия — одновалентных элементов — на внешней орбите атомов по одному s -электрону. Бериллий, магний, кальций потому и двухвалентны, что на их внешних орбитах по два s -электрона.

Элементы неон, аргон, криптон, ксенон обладают одинаково построенными наружными электронными оболочками из восьми электронов p 6. Эти оболочки очень прочны. Атомы благородных газов, стоящих в нулевой группе периодической таблицы, держат свои электроны очень крепко.

Если атомы металлов калия, кальция, алюминия и других элементов, стоящих в первых группах таблицы, потеряют свои слабо связанные наружные электроны, то их электронные оболочки станут такими же, как оболочки атомов ближайших благородных газов, стоящих перед ними в таблице.

У элементов, например, седьмой группы во внешней электронной оболочке по семь электронов. Если такой атом захватит еще один электрон, то его наружная электронная оболочка станет такой же, как у ближайшего следующего за ним в таблице элемента нулевой группы.

При химических реакциях происходит перераспределение наружных электронов: электронные оболочки стремятся стать такими же, как у ближайших благородных газов. Тот из атомов, который отдает электрон, становится заряженным положительно, атом же, захвативший электрон, будет заряжен отрицательно. Разноименно заряженные атомы начнут благодаря силам электростатического взаимодействия притягиваться друг к другу. Так возникает еще один тип химической связи. Химики ее называют гетерополярной.

Таким образом, силы, связывающие атомы в молекулы, возникают в результате взаимодействия положительных ядер и отрицательных электронных оболочек атомов. Это взаимодействие всегда стремится так перестроить внешнюю электронную оболочку, чтобы она стала наиболее прочной, наиболее устойчивой, такой же, как у ближайшего элемента нулевой группы.

Рассмотрите внимательно простую химическую реакцию, записанную в не совсем обычной для школьного учебника форме:

и сравните результат с формулой электронной оболочки благородного газа неона [1 2 2 p 6].

ПОЧЕМУ ВОДОРОД СТОИТ ОДНОВРЕМЕННО В ДВУХ КЛЕТКАХ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА?

Свойства водорода таковы, что ему трудно подобрать одно, вполне определенное место. Чаще всего его помещают в первую группу, зачисляют в родственники к щелочным металлам. Как и у них, у водорода один электрон на внешней оболочке, и он может проявлять положительную валентность, равную единице. И наконец,

329


он способен вытеснять некоторые металлы из их солей. Но этим и ограничиваются свойства, родственные прочим элементам первой группы. Водород — неметалл, газ, а все остальные —типичные металлические элементы.

Зато у водорода много общего с галогенами— элементами седьмой группы. Как и у галогенов, молекула водорода состоит из двух атомов. И галогены и водород — типичные неметаллы. Подобно галогенам, водород может проявлять отрицательную валентность, вступая в соединения с металлами и образуя своеобразные вещества — металлические гидриды. Но и этого сходства слишком мало, чтобы считать водород кровным братом галогенов.

Поэтому ученые и считают, что водород объединяет в себе черты элементов и первой и седьмой групп. Такая «двуликость» водорода объясняется строением его атома. Любой элемент, отдавая валентные электроны, сохраняет в неприкосновенности одну или несколько предыдущих оболочек. Водород, расставаясь с единственным валентным электроном, предстает перед нами в виде «голого» атомного ядра — протона. Поэтому химия водорода — это до какой-то степени единственная в своем роде химия элементарной частицы.

САМАЯ УДИВИТЕЛЬНАЯ ГРУППА ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА

Назовем ее сразу: это восьмая группа периодической системы. Входящие в нее элементы группируются по три в каждом большом периоде таблицы. Эти группировки называются триадами.

Элементы триад очень сходны между собой. Даже названия некоторых из них объясняются именно таким сходством. В средние века рудокопы находили иногда загадочные руды, похожие на железные, из которых никак не удавалось выплавить железо. Озадаченные рудокопы наивно думали, что над ними зло шутят горные духи — карлики кобольды и старый черт Ник. Отсюда и имена двух элементов первой триады: кобальт и никель.

Элементы двух других триад еще более похожи друг на друга; их даже объединяют общим названием: платиновые металлы. И все они встречаются в природе почти исключительно в самородном металлическом состоянии.

Восьмая группа не делится на главную и побочную, как другие группы таблицы Менделеева. Казалось бы, максимальная валентность

элементов в триадах должна равняться восьми. Но таких «высот» достигают лишь рутений и осмий: им удается образовывать окислы RuO4 и OsO4 .

Получается, что номер группы носит чисто формальный характер. И некоторые химики не без основания указывали на это как на слабое место периодической системы.

На цветной вкладке у стр. 336 изображены схемы электронных оболочек железа, кобальта и никеля. У них происходит достройка предыдущей электронной оболочки (М-оболочки) d -электронами. И эта оболочка уже близка к завершению. Точно такую же картину мы видим и в атомах платиновых металлов.

А раз предыдущая оболочка вот-вот должна заполниться до нужной емкости, то атому из восьмой группы становится невыгодным отдавать с нее много электронов. Поэтому восьмивалентное состояние большая редкость среди элементов триад.

Платиновые металлы вообще неохотно позволяют вмешиваться в свою структуру даже самым яростным химическим агрессорам, и их трудно вовлечь в соединения. Потому-то их вместе с золотом называют благородными металлами.

благородные газы могут вступать в химические соединения

Ни из периодического закона, ни из теории строения атома не следует, что элементы нулевой группы — благородные газы, эти химические «ленивцы»,— вообще не способны вступать в реакции химического взаимодействия с другими элементами. Теория только указывает на исключительную прочность внешних электронных оболочек у этих «безразличных ко всему на свете» элементов: гелия, неона, аргона, криптона, Ксенона и радона. Из теории вытекает лишь их высокая химическая инертность.

Это полностью соответствует их свойствам. В обычных условиях они ни с чем не соединяются. В природе они находятся в свободном состоянии. Они даже не способны образовать свою собственную молекулу. Все это одноатомные газы. Их нормальное состояние — нулевая валентность.

Когда в 1900 г. Д. И. Менделеев и У. Рамзай встретились в Лондоне, оба ученых пришли к убеждению, что к периодической системе нужно для этих бездеятельных элементов

330


добавить еще одну, «нулевую» группу. Такое положение в менделеевской таблице для этих элементов до сих пор общепринято. Оно хорошо характеризует их свойства.

Однако химики никогда не теряли надежду преодолеть химическую «лень» благородных газов и заставить их вступать в химические превращения. Это оказалось чрезвычайно трудной задачей. Решение ее потребовало более 60 лет напряженной самоотверженной работы.

Попытки получить химические соединения инертных газов были предприняты сразу после открытия аргона. Уже в 1896 г., всего через два года после открытия аргона, было получено при очень высоком давлении первое соединение аргона с водой: Ar •Н2 O. Но чтобы получить такие же соединения для криптона и ксенона, химикам пришлось работать еще почти 30 лет (до 1925 г.). Всего более 40 лет затратили химики на неудачные попытки заставить благородные газы вступить в реакцию еще с каким-либо веществом, помимо воды.

Первые успешные результаты в преодолении их бездеятельности получил советский химик Б. Никитин. Ему удалось заставить благородные газы вступать в реакцию с некоторыми органическими соединениями. И все же полученные им соединения нельзя было считать истинно химическим. Как было показано позднее, это были соединения без химической связи. В них атом инертного газа находился внутри органической молекулы, как в клетке, и не мог ее покинуть. Такие соединения называются теперь клатратными соединениями.

Непрерывные неудачи создали общепринятое мнение о том, что благородные газы вообще не способны участвовать в химических реакциях. И даже школьники во всем мире так это и учили по своим учебникам. Но упорная борьба продолжалась. Развивая теорию химической связи, ученые-теоретики смогли с уверенностью предсказать возможность взаимодействия некоторых инертных газов с фтором.

Л, наконец, совсем недавно, в 1962 г., был достигнут замечательный успех. Канадскому химику Бартлетту удалось получить первое настоящее соединение ксенона с платиной и фтором XePtF6. Вскоре были получены соединения XeF6, XeF4 и XeF2. Это — твердые кристаллические устойчивые вещества белого цвета. Были получены и соединения криптона и фтора, но они стойки только при температуре жидкого азота. Наконец, удалось получить соединение ксенона с кислородом. Оно оказалось сильно взрывчатым.

Теперь можно считать, что химики преодолели химическую инертность элементов нулевой группы таблицы Менделеева и положили начало новому интересному разделу химии.

СКОЛЬКО РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОДНОЙ КЛЕТКЕ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА?

В этом простом и, казалось бы, ясном вопросе отражается почти вековая история ошибок и заблуждений. Для самого Менделеева такой вопрос был просто неуместен: одну клетку в таблице может занимать только один элемент.

Много известных химиков, среди них и сам Менделеев, долго бились над размещением редкоземельных элементов в периодической системе: пытались поместить, например, церий в четвертой группе, празеодим в пятой, для неодима искали место в шестой.

Но эти необыкновенные элементы бесцеремонно нарушали самую основу периодического закона. При любых попытках разместить их в таблице периодическая повторяемость свойств не соблюдалась. В главных и побочных подгруппах должны быть сходные элементы. Церий жене имел ничего общего с цирконием, празеодим с ниобием, а неодим совершенно не был похож на молибден.

Зато, по мере того как изучались их химические свойства, становилось все более ясным, что эти элементы сходны друг с другом, как братья-близнецы. Они настолько химически подобны, что химику их и различить и разделить чрезвычайно трудно. Но все они, бесспорно, разные элементы. В этом химики не сомневались.

Друг Менделеева, чешский химик Браунер, предложил самое простое решение: поместить их все в одну клетку таблицы. Менделееву пришлось с этим согласиться. Но, по существу, это только увеличило принципиальную трудность проблемы, не разрешив ее.

Если одно место могут занимать несколько различных элементов, то, во-первых, нарушается основной принцип периодической системы и, во-вторых, становится совершенно невозможным предвидеть и предсказать, сколько же их можно найти в природе, сколько их вообще может существовать. Химики же всего мира разыскивали их очень усердно и более чем успешно. За короткий период, примерно за 30 лет, было «открыто» почти сто (!) редкоземельных элементов.

331


Рис. 10. Будущему химику рекомендуем внимательно изучить эту упрощенную схему довольно сложного атома. Это атом лантана. На первый взгляд у него очень сложная формула, но это только так кажется. Обратите внимание: на всех энергетических уровнях обязательно по 2 s -электрона, по 6 p -электронов. В оболочках М и N, кроме этих электронов, есть еще по 10 d -электронов. Заметьте, что подуровень, где должны быть f -электроны, пустой, на нем ни одного электрона нет. Затем у лантана только один 5 d -электрон и, наконец, есть еще два 6 s -электрона. Возможный подуровень 4/ тоже пустой. Всего у лантана, как это и должно быть, 57 электронов. Он занимает клетку 57. Это первый элемент из семейства редких земель. У последующих элементов, по мере увеличения заряда атомного ядра, электроны будут постепенно заполнять свободный, глубоко скрытый уровень 4/, на котором может поместиться 14 электронов. Пустой подуровень 5/ начнет заполняться только у трансурановых элементов. Пока еще неизвестно точно, как построен последний, седьмой, период менделеевской таблицы. Поэтому химики всего мира с нетерпением ждут результаты изучения недавно открытого советскими учеными элемента 104.

Все попытки найти разумное решение проблемы редких земель были безуспешными. Она казалась неразрешимой.

Только квантовая теория строения атома помогла решить окончательно эту большую загадку химии. Детальное изучение спектральных характеристик у редкоземельных элементов показало, что строение их атомов очень своеобразно. Все они «внешне» совершенно сходны между собой. Их наружные электронные оболочки, у всех без исключения, построены совершенно одинаково (рис. 10).

У всех у них в самой наружной Р -оболочке по два s -электрона, поэтому все они — металлы. Глубже расположенный d -подуровень, принадлежащий к O -оболочке, в атомах редкоземельных элементов еще не заполнен — в нем всего лишь

один электрон, который тоже может принимать участие в химических превращениях. Поэтому редкоземельные элементы преимущественно трехвалентны. Но это разные элементы, заряды их атомов различны, и потому у них должно быть различным и число электронов. Определение порядкового номера установило, сколько же всего этих элементов, а изучение спектров помогло выяснить их строение. Оказалось, что они отличаются друг от друга числом f -электронов на оставшейся незаполненной, глубоко скрытой в недрах атома N -оболочке. Эти электроны защищены снаружи «броней» устойчивой оболочки 5 5 p 6, той самой, которая обеспечивает благородному газу ксенону (элемент 54) его свойства. Эти электроны почти совершенно блокированы и не могут проявлять себя в химических свойствах.

Правда, не все ученые с этим согласны. Многие считают, что строение редкоземельных элементов значительно сложнее: 5 d -электрон, утверждают они, есть только у лантана, гадолиния и лютеция, у остальных лантаноидов на 4/-уровне на один электрон больше. Изучение лантаноидов еще не завершено до конца.

Зная теперь законы построения внешних электронных оболочек атома, любой из вас, будущих химиков, сможет сам решить проблему, над которой химики прошлого бились более 160 лет, считая с открытия первой «редкой земли»,— сколько редкоземельных элементов существует в природе.

Очевидно, ровно столько, сколько их соответствует постепенному заполнению всех орбит с этими электронами. Обозначение f заменяет квантовое число l = 3. Мы уже знаем, что таких орбит может быть 2x3+1=7. А на каждой может быть не больше двух электронов. Следовательно, таких элементов в природе может быть четырнадцать. Всего же в природе должно существовать ровно пятнадцать элементов-близнецов,. считая и лантан, свойствами близкий к лантаноидам. Столько их в действительности и оказалось: начиная с 57-го — лантана до 71-го — лютеция. Правда, в природе все-таки оказался пробел: 61-го элемента найти пока не удалось. Пришлось ученым самим его изготовить. Его назвали прометием.

Итак, можно ли сказать, что в одной клетке периодической таблицы размещаются пятнадцать элементов? Этот вопрос обсуждается часто и в наши дни. Периодический закон Менделеева — это всеобщий закон природы. В естественной системе элементов каждый элемент занимает одно место, и, следовательно, в табли-

332


Дружное семейство пятнадцати элементов-близнецов. Внешне они друг от друга почти ничем не отличаются.

це каждый элемент — одну клетку. Менделеев придал своей таблице самую простую и удобную форму. Изображать же ее можно по-разному. Можно просто помнить, что одна клетка между барием и гафнием условно заменяет сразу 15 клеток. Но можно менделеевскую таблицу начертить так, чтобы все длинные периоды оказались развернутыми. Периодический закон от этого не изменится и не пострадает.

КАК БЫЛИ ПРЕДСКАЗАНЫ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТА № 72

Если теория объясняет — делает ясным то, что долго было непонятным и загадочным, это, конечно, ее несомненное достоинство. Впрочем, пожалуй, иначе ее и нельзя было бы назвать теорией. Но главное, на чем испытывается истинность теоретических представлений, — это способность теории предвидеть, предсказывать неизвестное.

Величайшим историческим примером этого должна быть, конечно, признана сама теория о существовании периодичности свойств химических элементов. В ней, как в зародыше, были заложены все великие открытия науки о веществе и его строении, достигнутые человечеством за последующее столетие.

Одним из больших достижений физики может быть названа и теория строения атома и его электронных оболочек. Созданная на основе менделеевской таблицы, эта теория сделала ясным очень многое из загадочного и непонятного в свойствах вещества. Но этого мало. Истинность наших теоретических представлений о строении атома наиболее полно раскрывается в том, что на их основе ученым удалось предсказать многое, чего наука еще не знала. В качестве примера можно указать на очень интересную историю элемента № 72.

333


Его существование было предсказано Менделеевым еще в 1869 г. Но до 1922г., несмотря на многочисленные поиски, отыскать его в природе химики не могли. Как это ни странно, оказалось, что поискам мешали соседи по таблице Менделеева — редкоземельные элементы. До создания теории строения атома никто не знал, на каком из элементов должна заканчиваться группа редких земель. Многие химики, считая, что к ним должен относиться и элемент № 72, безуспешно пытались его искать в природе там, где его быть не может.

После того как теория строения атома показала, что группа редкоземельных элементов должна заканчиваться на элементе № 71 — на лютеции, стало очевидным, что 72-й элемент не может относиться к лантаноидам и должен быть похожим на цирконий. Это конкретное предсказание свойств еще не найденного элемента вытекало из квантовой теории строения атома. Оно и помогло отыскать в природе неуловимый до того элемент № 72. В 1922 г. он был обнаружен в циркониевых рудах и назван гафнием.

ПОСЛЕДНИЙ ПЕРИОД ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА

Пожалуй, больше всего загадок в современной менделеевской таблице приходится на ее последний, седьмой, период. Этот период особый. Его начала создавать природа, а завершать пришлось человеку. Все элементы седьмого периода радиоактивны. Стабильных в нем нет. Интересно, что во времена Менделеева вообще химикам не было известно ни одного элемента, подходящего своими свойствами для седьмого периода. Этот период был целиком предсказан Менделеевым. Он начинается с экацезия (№ 87), затем идут экабарий (№ 88) и экалантан («N° 89), для тория и урана Менделеев предсказал правильные атомные веса. Между ними он оставил место для экатантала (№ 91). Уверенность великого ученого в истинности открытого им закона была так велика, что он даже предусмотрел в таблице пять мест для элементов тяжелее урана. Эти места теперь занимают трансураны— искусственно созданные человеком элементы. Но теперь их известно уже 12. Последний — 104-й.

Как же построен седьмой период? На этот очень важный для химии вопрос теория пока еще не может дать ответ. Его можно выяснить, только изучая оптические и химические свойства элементов.

Большинство исследователей в настоящее время придерживается мнения, что седьмой период менделеевской системы сходен с предыдущим — шестым. В нем снова повторяется постепенное заполнение f -электронами орбит, глубоко расположенных в третьей, считая снаружи, O -оболочке. В нем поэтому тоже должна быть группа из пятнадцати элементов-близнецов, сходных между собой и со своими собратьями из шестого периода — лантаноидами. Так и принято теперь изображать седьмой период менделеевской таблицы. В нем элементы с № 89 и по № 103 выделяются в обособленную группу актиноидов.

Однако в современном построении таблицы все еще остаются следы сомнений и неуверенности ученых. Очень сложными и запутанными оказались химические свойства актиноидов. Первые из них: актиний, торий, протактиний и уран — тяготеют химическими свойствами к местам, отведенным для них еще Менделеевым. Зато последние из них — трансураны, по-видимому, ведут себя в точности как их собратья по предыдущему периоду — лантаноиды. Это замечательное сходство и помогло ученым и их сложной работе: в создании новых для таблицы элементов — в синтезе трансуранов.

ЭЛЕМЕНТЫ, СОЗДАННЫЕ ЧЕЛОВЕКОМ, ТАКЖЕ ПОДЧИНЯЮТСЯ ВЕЛИКОМУ ЗАКОНУ

Четыре места в периодической таблице оставались пустыми особенно долго. Это были клетки № 43, 61, 85 и 87. Из четырех элементов, которые должны были бы занять эти места, три были уже давно предсказаны Менделеевым: экамарганец — 43, экайод —85 и экацезий — 87. Четвертый — № 61 — должен был оказаться редкоземельным элементом.

Эти четыре элемента были неуловимы. Усилия ученых всех стран мира, направленные на их поиски в природе, оставались безуспешными. С помощью периодического закона давно уже были заполнены все остальные места в таблице Менделеева — от водорода до урана.

Не один раз в научных журналах появлялись сообщения об открытии этих четырех элементов. Экамарганец «открывали» в Японии, где ему дали имя «нипонний», в Германии— под названием «мазурий». Элемент № 61 «открывали» в разных странах, по крайней мере

334


Такую периодическую таблицу совсем еще недавно научали в школах ваши родители

В периодической таблице Менделеева, помещенной в 1940 г. в 45-м томе первого издания Большой советской энциклопедии, на месте экацезия в клетке № 87 было напечатано название «Виргиний», на месте экамарганца в клетке № 43 — «мазурий», там, где должен находиться элемент № 85 — экайод, было название «алабамий», среди редкоземельных элементов 61-е место было занято элементом со звучным именем — «иллиний». Но все эти красивые имена были порождены только ошибками исследователей. Разрабатывая новые методы анализа, они, ошибаясь сами, прокладывали новые пути тем, кто находил правильную дорогу к истине. Это последние заблуждения великой разведки в природе. Поиски учеными предсказанных Менделеевым элементов для последних пустых мест в периодической таблице были безнадежны. В природе элементы № 43, 61 и 85 обнаружить было чрезвычайно трудно, так как их очень мало. Эти элементы уже потом были созданы искусственно. Только в самое последнее время сверхточные методы анализа позволили обнаружить в природе исчезающее малые следы элементов 43 и 85.

335


трижды, он получал имена «иллиний», «флоренций», «циклоний». Экайод «находили» в природе также неоднократно. Ему давали имена «алабамий», «гельвеций». Экацезий в свою очередь получал названия «Виргинии», «Молдавии». Некоторые из этих названий попадали в периодические таблицы в различных справочниках и даже проникли в школьные учебники. Но все эти открытия не подтвердились: каждый раз точная проверка показывала, что была допущена ошибка и случайные ничтожные примеси были приняты за новый элемент.

Долгие и трудные поиски привели, наконец, к открытию в природе одного из неуловимых элементов. Оказалось, что экацезий, который должен занимать в периодической таблице 87-е место, возникает в цепочке распада природного радиоактивного изотопа — урана-235. Это короткоживущий радиоактивный элемент. У него нет стабильных изотопов. Он получил имя «франций».

Элементы № 43, 61 и 85 оставались неуловимыми. В природе их никак не удавалось найти, хотя ученые уже владели могучим методом, безошибочно указывающим путь для поиска новых элементов,— периодическим законом. Все химические свойства неизвестного элемента благодаря этому закону известны ученым заранее.

Так почему же были безуспешны поиски этих трех элементов в природе? Может быть, не для всех элементов оказался справедливым закон Менделеева и поиски их в природе направлялись по неверному пути?

Изучая свойства атомных ядер, физики доказали: у элементов с атомными номерами 43, 61, 85 и 87 не могут существовать стабильные изотопы. Они могут быть только радиоактивными, с короткими периодами полураспада и должны быстро исчезать. Поэтому все эти элементы были созданы человеком искусственно.

Пути для создания новых элементов были указаны периодическим законом. Попробуем с его помощью сами наметить путь синтеза экамарганца. Этот элемент № 43 был первым элементом, созданным человеком искусственно.

Мы знаем, что химические свойства элемента определяются его электронной оболочкой, а она зависит от заряда атомного ядра. В ядре элемента № 43 должно быть 43 положительных заряда, и вокруг ядра должны вращаться 43 электрона. Как же можно создать элемент с 43 зарядами в атомном ядре? Как можно доказать, что такой элемент создан?

Давайте рассмотрим внимательно, какие соседи в периодической таблице у пустого места, предназначенного для элемента № 43. Оно находится почти в середине пятого периода. Этот период длинный, так же как четвертый и шестой периоды. На соответствующих местах в четвертом периоде стоит марганец, а в шестом — рений. Поэтому химические свойства 43-го элемента должны быть похожи на свойства марганца и рения. Недаром Д. И. Менделеев, предсказавший этот элемент, назвал его экамарганцем. Слева от 43-го места находится молибден, занимающий клетку 42, справа, в 44-й,—рутений. Следовательно, можно предположить: чтобы создать элемент № 43, нужно повысить число зарядов в ядре атома, имеющего 42 заряда, еще на один элементарный заряд. Поэтому, исходя из указаний периодического закона, при создании нового элемента № 43 нужно взять в качестве исходного сырья молибден. У него в ядре как раз 42 заряда. Одним положительным зарядом обладает самый легкий элемент — водород. Следовательно, можно ожидать, что элемент № 43 может быть получен в результате ядерной реакции между молибденом и водородом (рис. 11).

336


Таблица к статье «Великий закон»

До Менделеева ничего не было известно об элементах, занимающих теперь в периодической таблице порядковые номера 2, 10. 18, 21. 31, 32, 36, 43, 54, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 69, 70, 71, 72, 75, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 91, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104. Одни из них еще не были открыты, другие вовсе не существовали. Достаточно хорошо были изучены только 54 элемента, но правильные значения атомного веса были известны лишь для 49 элементов (они обозначены в таблице красным цветом). Для элементов 22, 52, 76, 77, 79 Менделеев исправил на основании их положения в таблице неточно установленные атомные веса. Не производя никаких измерений, он предсказал новые верные значения атомного веса для элементов 4, 39, 49, 57, 58, 59. 68, 90, 92 (все эти элементы помечены желтым цветом). Элементы 59 и 60 во времена Менделеева принимали за один элемент, для которого он и предсказал правильное значение среднего атомного веса. Отделить эти два элемента друг от друга удалось значительно позже. Менделеев предсказал существование двенадцати новых, до него никому не известных элементов. Для трех из них он даже указал все важнейшие физические и химические свойства не только самих элементов, но и некоторых их соединений. Это были элементы 21, 31 и 32 ( голубой цвет). Кроме этих элементов, Менделеев предсказал элементы 43, 72, 75, 84, 85, 87, 88, 89, 91 (сиреневые клетки). По примеру Менделеева, на основании его закона были предсказаны элементы 10, 86, 54, 86 (отмечены палевым цветом). Все эти шестнадцать, предсказанных заранее элементов позднее были обнаружены в природе. Кроме них, тоже после открытия периодического закона, были найдены элементы 2, 18, 60, 62, 63, 64, 65, 66. 67, 69, 70, 71 (серый цвет). Элементы 43, 61, 85 долгое время найти в природе не удавалось. Они были созданы сначала человеком. Элементы 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104 лежат за пределами таблицы, существовавшей при жизни Менделеева. Их тоже не было на Земле, все они созданы искусственно, и пути для их синтеза указаны периодическим законом (эти элементы помечены оранжевым цветом). Элементы 43, 85 и 87 помечены на таблице двумя цветами. Это — искусственно полученные элементы, существование которых было предсказано Менделеевым. Элемент 104 еще не нашел себе месте в таблице Менделеева. Химики еще не завершили его изучение.

Таблица к статье «Великий закон»

Все три таблицы на этой цветной вкладке очень важны и интересны. Их стоит внимательно изучить. Наиболее замечательна, конечно, периодическая таблица атомных ядер. Здесь, правда, приведено только ее начало — от водорода до скандия. Полностью, к сожалению, поместить ее нельзя: уж очень она велика. Конечно, нужно немало знать, чтобы свободно читать эту удивительную таблицу и пользоваться ею. Некоторым она может показаться непонятной, и многое в ней останется неясным. Этим читателям следует вернуться к ней еще не раз, подготовившись хорошенько.

Содержание таблицы очень глубоко и обширно. Из нее можно узнать, сколько различных изотопов существует у любого элемента, какие они и каковы их свойства. Но самое главное в таблице — это отчетливое проявление периодических закономерностей в свойствах атомных ядер. Наиболее важные обозначения разъяснены в самой таблице. Правда, не все. Догадливый читатель сам сообразит, что обозначают некоторые из них, а о других пусть постарается узнать самостоятельно. Присмотритесь к таблице. На ней нанесены все известные в настоящее время атомные ядра — все изотопы 21 элемента в начале таблицы Менделеева. Их очень много — более 150. Большинство из них радиоактивны, неустойчивы; стабильных сравнительно немного — всего 47. Химические свойства любого изотопа каждый химик легко определит по символу элемента — все типы его «томных ядер расположены в одном столбце. Массовое число каждого ядра помечено сбоку справа от обозначения изотопа. Порядковый номер элемента, как и полагается, находится рядом с его химическим символом. Сколько нейтронов содержит ядро данного изотопа — сосчитайте сами. Очень легко узнать: стабилен данный изотоп или нет, можно ли его обнаружить в природе, каково его относительное содержание. На это указывают I цифры внутри ромбиков, они обозначают изотопный состав природного элемента, выраженный в процентах. Нетрудно узнать и радиоактивные свойства любого изотопа. Цвет кружка показывает, какой у этого изотопа тип распада. Период полураспада указан внутри кружка. Одни атомные ядра живут очень долго — иногда даже сотни тысяч лет (л), другие исчезают через несколько дней (д), часов (ч), минут (м), секунд (с), а есть даже и такие, что существуют всего лишь несколько миллисекунд (мс). Ломаная черная линия соединяет устойчивые ядра. Тонкие красные линии проведены по устойчивым четным ядрам, они ограничивают область устойчивости. Лиловый участок линии стабильности отмечает область магического числа «20». Сложное строение таблицы отражает, как сложен мир атомного ядра. В нем пока еще не все ясно и самим физикам. Это периодическая таблица будущего. Над ней сейчас много работают ученые. Она еще не завершена. Будут еще открыты и созданы новые атомные ядра, новые изотопы и выявлены новые закономерности.

Обязательно нужно сравнить с периодической таблицей изотопов таблицу распространенности элементов на Солнце и в метеоритах (вверху слева). Обратите внимание на их удивительное сходство. Периодические свойства атомных ядер, и прежде всего чередование свойств четных и нечетных элементов, отражаются и на закономерностях распространения элементов во Вселенной. Замечательно также поразительное сходство между составом Солнца и метеоритов. За исключением начального участка, где находятся водород и гелий, кривые распространенности почти совпадают.

Правая верхняя таблица показывает связь между положением элемента в периодической таблице Менделеева и его геохимическими свойствами. Синей краской указаны элементы, встречающиеся преимущественно в атмосфере, фиолетовой краской — элементы, встречающиеся в самородном состоянии, зеленой — образующие рудные месторождения; серым цветом обозначены элементы, входящие преимущественно в состав силикатных пород. Желтым цветом обозначены искусственные и радиоактивные элементы. Эта упрощенная геохимическая таблица показывает, что грандиозные геохимические процессы, миллионы лет протекающие в земной коре] управляются великим периодическим законом.


Свойства элемента № 43 должны быть сходными с химическими свойствами марганца и рения, и, для того чтобы обнаружить и доказать образование этого элемента, нужно воспользоваться химическими реакциями, аналогичными тем, с помощью которых химики определяют присутствие малых количеств марганца и рения.

Вот каким образом периодическая таблица дает возможность наметить путь для создания искусственного элемента, если, конечно, химический элемент, созданный заново человеком, будет также подчиняться закону Менделеева.

Точно таким же путем, который мы только что наметили, путем, полностью указанным периодическим законом Менделеева, и был создан в 1937 г. первый искусственный химический элемент. Он получил знаменательное имя: технеций — первый элемент, изготовленный техническим, искусственным путем.

Вот как был осуществлен синтез технеция. Пластинка молибдена подвергалась интенсивной бомбардировке ядрами тяжелого изотопа водорода — дейтерия, которые были разогнаны в циклотроне до огромной скорости.

Ядра тяжелого водорода, получившие очень большую энергию, проникли в ядра молибдена. После облучения в циклотроне пластинка молибдена была растворена в кислоте. Из раствора было выделено с помощью тех же реакций, которые необходимы для аналитического определения марганца (аналог элемента № 43), ничтожное количество, как говорят химики, следы, нового радиоактивного вещества. Это и был новый элемент — технеций. Он образовался при ядерной реакции между молибденом и тяжелым водородом. Вскоре были подробно изучены его химические свойства.

Так же как и природные элементы, технеций подчиняется великому закону природы — периодическому закону Менделеева. Все его свойства точно соответствуют положению элемента в менделеевской таблице.

С того времени, как был создан технеций, прошло немало лет. Теперь технеций стал

337


вполне доступным: он образуется в довольно большом количестве в атомных реакторах. Технеций очень хорошо изучен, получен даже его спектр. Вновь созданный элемент уже практически используется. Технеций применяется для решения имеющей огромную важность задачи. С его помощью исследуют процесс коррозии металлов. Он помогает ученым найти пути и способы сохранить одно из основных богатств человечества — железо (железные конструкции и изделия, машины) от разрушения, от ржавчины.

Метод, каким был создан 61-й элемент, очень похож на метод, которым получают технеций. Элемент № 61 должен был встать среди редкоземельных элементов: 61-я клетка находится между неодимом (№ 60) и самарием (№ 62). Новый элемент впервые был получен в 1938 г. в циклотроне бомбардировкой неодима ядрами дейтерия (рис. 12). Химическим путем 61-й элемент был выделен лишь в 1945 г. из осколочных элементов, образующихся в ядерном реакторе.

Новый элемент получил символическое имя прометий. Это имя было дано ему неспроста. Древнегреческий миф рассказывает о том, что титан Прометей похитил с неба огонь и передал его людям. За это он был наказан богами: его приковали к скале, и громадный орел ежедневно терзал его. Название «прометий» не только символизирует драматический путь похищения наукой у природы энергии ядерного деления и овладения этой энергией, но и предостерегает людей от страшной военной опасности в образе стервятника, угрожающего человечеству — Прометею.

Прометий теперь уже получают в большом количестве, и он нашел неплохое практическое применение: из него делают атомные батарейки— источники постоянного тока, способные действовать без перерыва несколько лет.

Аналогичным путем был синтезирован и самый тяжелый галоген экайод — элемент № 85. Он впервые был получен бомбардировкой висмута (№ 83) ядрами гелия (№ 2), ускоренными в циклотроне до больших энергий (рис. 13).

Рис. 13. Синтез астата. Только на основании периодического закона физики могли заранее знать, что получить отсутствовавший в природе последний галоид — элемент №85 (экайод) можно из висмута — №83, применив быстрые ядра гелия.

Ядра гелия, второго элемента в периодической системе, обладают двумя зарядами. Поэтому, чтобы создать 85-й элемент, и был взят висмут — 83-й элемент. Новый элемент назван астатом, что означает «неустойчивый». Он радиоактивен, быстро исчезает. Его химические свойства также оказались точно соответствующими периодическому закону. Он похож на йод. (О том, как нашли технеций, франций и астат в земных минералах, см. ст. «Рождение, жизнь и смерть химических элементов».)

338


КАК БЫЛИ ОТКРЫТЫ ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Вопрос о границах периодической системы, пожалуй, наиболее сложен. Сколько элементов существует в природе? Сколько их может быть создано человеком?

В пределах от водорода до урана их ровно 92 — ни больше, ни меньше. Это доказано периодическим законом. До водорода нет ни одного: не может быть атома с зарядом ядра меньше единицы. Но периодический закон химических элементов не дает ответа на вопрос, сколько же элементов за ураном.

Много труда положили химики, разыскивая в природе элементы тяжелее урана. Не раз в научных журналах появлялись торжествующие извещения о «достоверном» открытии нового тяжелого элемента с атомным весом большим, чем у урана. Например, элемент № 93 «открывали» в природе многократно, он получал имена «богемий», «секваний». Но эти ложные открытия оказывались каждый раз следствием ошибок. Они по существу характеризуют чрезвычайную трудность точного аналитического определения ничтожных следов нового неизвестного элемента с неизученными свойствами.

Результат этих поисков был отрицательным, потому что элементов, соответствующих

338


тем клеткам таблицы Менделеева, которые должны быть расположены за 92-й клеткой, на Земле фактически нет.

Первые попытки искусственно получить новые элементы тяжелее урана были связаны с одной из замечательных ошибок в истории развития науки. Было замечено, что под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать β-лучи. Ядро атома, потеряв отрицательный заряд, сдвигается в периодической таблице на одну клетку вправо, и его порядковый номер становится на единицу больше — происходит превращение элементов. Под воздействием нейтронов образуются более тяжелые элементы.

Естественно, что была сделана попытка подействовать нейтронами и на уран. Ученые надеялись, что, так же как и у других элементов, у урана при этом появится β-активность и в результате β-распада возникнет новый элемент с номером на единицу большим, который и должен занять 93-ю клетку в системе Менделеева. Было высказано предположение, что этот элемент должен быть похож на рений, поэтому он был заранее назван «экарением».

Первые опыты, казалось, сразу же подтвердили такое предположение. Даже больше, было обнаружено, что при этом возникает не один новый элемент, а несколько. Были опубликованы сообщения о возникновении сразу шести новых элементов тяжелее урана. Кроме экарения, были «обнаружены» экаосмий, экаиридий, экаплатина и эказолото.

И все открытия оказались ошибкой. Но это была замечательная ошибка. Она привела науку к величайшему из достижений физики за всю историю человечества — к овладению энергией атомного ядра.

Оказалось, что все было не так. Никаких трансурановых элементов не было найдено. У странных новых элементов тщетно пытались найти предполагаемые свойства, которыми должны были обладать элементы от «экарения» до «эказолота». И вдруг среди этих элементов неожиданно были обнаружены радиоактивный барий и лантан. Не трансурановые, а самые обычные элементы, места которых находятся в середине периодической таблицы Менделеева.

Прошло немного времени, и этот очень неожиданный и очень странный результат был правильно понят.

Почему из атомных ядер урана, стоящего в конце периодической системы элементов, при действии нейтронов образуются ядра элементов, места которых находятся в ее середине?

Например, было найдено, что при действии нейтронов на уран возникают элементы, соответствующие следующим клеткам периодической системы:

35 — бром и 57 — лантан
36 — криптон и 56 — барий
37 — рубидий и 55 — цезий
38 — стронций и 54 — ксенон
39 — иттрий и 53 — йод
40 — цирконий и 52 — теллур

Много элементов было найдено в невообразимо сложной смеси радиоактивных изотопов, образующихся в уране, облученном нейтронами. Хотя все они оказались старыми, давно знакомыми химикам элементами, в то же время это были новые вещества, впервые созданные человеком.

Рис. 14. Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно возбуждается, в нем возникают сильные колебательные движения, похожие на колебания капли воды.

В природе нет радиоактивных изотопов брома, криптона, стронция и других тридцати четырех элементов — от цинка до гадолиния, возникающих при облучении урана.

В науке часто так бывает: самое загадочное и самое сложное оказывается простым и ясным, когда оно разгадано и понято. Оказалось, когда нейтрон попадает в ядро урана, оно раскалывается, расщепляется на два «осколка» — на два атомных ядра меньшего веса (рис. 14). Эти осколки могут быть различной величины, поэтому-то и образуется так много различных радиоактивных изотопов обычных химических элементов.

Одно атомное ядро урана (92) распадается на атомные ядра брома (35) и лантана (57), осколки при расщеплении другого могут оказаться атомными ядрами криптона (36) и бария (56). Каждый раз сумма атомных номеров образующихся осколочных элементов будет равна 92.

Это было началом цепи великих открытий, изменяющих судьбу человечества. Вскоре было

339


Рис. 15. Возбужденное ударом нейтрона ядро урана-235 раскалывается на две части. Получаются два ядра-осколка. Обычно у них разная масса и разные заряды. Таким образом, возникают радиоактивные изотопы элементов, находящихся в середине периодической таблицы. При таком делении из ядра урана-235 вылетают 2—3 новых нейтрона, каждый из которых может вызвать расщепление нового ядра урана-235.

обнаружено, что под ударом нейтрона возникают из ядра атома урана-235 не только осколки — ядра с меньшим весом, но и два-три нейтрона (рис. 15). Каждый из этих нейтронов в свою очередь способен снова вызвать расщепление атома урана. А при каждом таком распаде выделяется очень много энергии. Это и стало началом овладения человеком внутриатомной энергией.

Среди огромного множества осколочных продуктов при расщеплении ядер урана был впоследствии обнаружен остававшийся долгое время незамеченным первый настоящий трансурановый элемент — № 93 (рис. 16 и 17). Он возникал при действии нейтронов на уран-238. Химическими свойствами он оказался весьма сходным с ураном и совсем не был похож на рений, как это ожидали при первых попытках синтезировать элементы тяжелее урана. Поэтому его и не могли сразу обнаружить.

Первый созданный человеком элемент, лежащий за пределами «естественной системы химических элементов», был назван нептунием, по имени планеты Нептун. Его создание расширило для нас границы, определенные самой природой. Так же и предсказанное открытие планеты Нептун расширило границы наших знаний о солнечной системе.

Вскоре был создан и 94-й элемент. Он также получил имя, взятое «с неба», в честь последней планеты солнечной системы. Его назвали плутонием. В периодической таблице Менделеева он следует по порядку за нептунием, аналогично последней планете солнечной системы Плутону, орбита которой лежит за орбитой Нептуна.

94-й элемент был обнаружен точно в соответствии с законами построения периодической системы. Он возникает из первого искусственного трансуранового элемента нептуния при его β-распаде (рис. 18).

Плутоний — единственный из трансурановых элементов, который теперь получают в атомных реакторах в очень больших количествах. Так же как и уран-235, он способен расщепляться под действием нейтронов и применяется как «топливо» в атомных реакторах.

95-й и 96-й элементы носят названия «америций» и «кюрий». Они также получаются те-

Рис. 16. Нейтрон, попавший в ядро урана-238, остается в ядре. Образуется новый изотоп урана — уран-239. Такого урана в природе нет. Это короткоживущий атом, обладающий β-радиоактивностью.

340


Рис. 17. При потере одной β-частицы уран-239 превращается элемент № 93 — первый трансурановый элемент — нептуний.

Рис. 18. Нептуний, теряя β-частицу, превращается в плутоний.

перь в атомных реакторах. Оба элемента обладают очень большой радиоактивностью — испускают α-лучи. Радиоактивность этих элементов настолько велика, что растворы их солей нагреваются, закипают и очень сильно светятся в темноте.

Все трансурановые элементы — от нептуния до америция и кюрия — были получены в достаточно больших количествах, чтобы подробно изучить их свойства. В чистом виде это металлы серебристого цвета, все они радиоактивны и химическими свойствами очень похожи друг на друга, а все вместе — на уран.

Очень интересный элемент калифорний — шестой после урана. Калифорний впервые был создан по методу, основанному на периодическом законе: пластинка урана была подвергнута в циклотроне бомбардировке ядрами углерода, обладающими большой энергией. Почему при этом должен получиться 98-й элемент калифорний, сообразите сами. Рисунок 19 вам в этом поможет.

Был выделен в чистом виде и 97-й элемент — берклий. Для этого пришлось положить чистый препарат плутония внутрь ядерного реактора, где он целых шесть лет находился под действием мощного потока нейтронов. За это время в нем и накопилось несколько микрограммов элемента № 97. Плутоний извлекли из атомного реактора, растворили в кислоте и из смеси выделили наиболее долгоживущий берклий-249. Он радиоактивен — за год распадается наполовину. Пока удалось получить только несколько микрограммов берклия. Но этого количества хватило ученым, чтобы точно изучить его химические свойства.

Очень интересна история открытия двух следующих трансурановых элементов: 99-го и 100-го. Впервые они были найдены в облаках и в «грязи». Чтобы изучить, что образуется при термоядерных взрывах, самолет пролетел сквозь взрывное облако и на бумажные фильтры были собраны пробы осадка. В этом осадке и были найдены следы присутствия двух новых элементов. Чтобы получить более точные данные, на месте взрыва собрали большое количество «грязи» — измененной взрывом почвы и горной породы. Эту «грязь» переработали в лаборатории и из нее выделили два новых элемента. Их назвали эйнштейнием и фермием, в честь ученых Эйнштейна и Ферми, которым человечество многим обязано за открытие путей, как овладеть атомной энергией: Эйнштейну принадлежит закон эквивалентности массы и энергии, а Ферми построил первый атомный реактор.

Найдены и другие методы получения обоих этих элементов, правда, пока еще в столь исчезающе малых количествах, что даже увидеть их никому не удалось.

Одним из самых великих достижений, которым по справедливости может гордиться наука, следует назвать создание 101-го элемента, который получил имя великого творца периодической системы химических элементов, положившей начало овладению тайнами строения атома,— имя Дмитрия Ивановича Менделеева.

Рис. 19. Калифорний возникает при обстреле урана-238 ядрами углерода.

Менделевий был получен следующим образом (рис. 20). На листочек тончайшей золотой фольги нанесли совершенно невидимое покрытие, состоящее приблизительно из одного мил-

341


лиарда атомов эйнштейния. Альфа-частицы с очень большой энергией, пробивая золотую фольгу с обратной стороны, при соударении с атомами эйнштейния могли вступать в ядерно-химическую реакцию и образовывали атомы нового, 101-го элемента. При таком соударении образовавшиеся атомы менделевия вылетали с поверхности золотой фольги и собирались на другом, расположенном рядом, тончайшем золотом листочке. Таким остроумным путем удалось выделить в чистом виде атомы 101-го элемента из сложной смеси эйнштейния и продуктов его распада. Невидимый налет смывался кислотой и подвергался радиохимическому исследованию.

Поистине это было чудом. Исходным материалом для создания 101-го элемента в каждом

Рис. 20. Теряя α-частицу, калифорний превращается в менделевий.

отдельном опыте служил приблизительно один миллиард атомов эйнштейния. Это очень мало —значительно меньше одной миллиардной доли миллиграмма, а получить эйнштейний в большем количестве было невозможно. Заранее было подсчитано, что из всего миллиарда атомов эйнштейния при многочасовой бомбардировке альфа-частицами может прореагировать всего только один-единственный атом эйнштейния и, следовательно, может образоваться только один атом нового элемента. Нужно было не только суметь его обнаружить, но и сделать это так, чтобы выяснить по одному лишь атому химическую природу элемента.

И это было сделано. Успех опыта превзошел расчеты и ожидания. Удалось заметить при одном эксперименте не один, а даже два атома нового элемента. Всего в первой серии опытов было получено семнадцать атомов менделевия. Этого оказалось достаточно, чтобы установить и факт образования нового элемента, и его место в периодической системе и определить его основные химические и радиоактивные свойства. Оказалось, что это альфа-активный элемент с периодом полураспада около получаса.

В последние годы ученые искусственно изготовили 102-й и 103-й элементы. Первый пока

не получил названия, а второму дали имя лоуренсий (в честь Лоуренса — изобретателя циклотрона).

В 1964 г. советские ученые синтезировали изотоп 104-го элемента (см. ст. «На пути к открытию элемента 104»).

ЗАГЛЯНЕМ В БУДУЩЕЕ

Пустых мест в менделеевской таблице больше нет. Все они уже заполнены. Все элементы открыты. Уже создано немало новых, каких никогда на Земле не бывало. Так, может быть, все уже сделано? Может быть, могучая идея Д. И. Менделеева, многие десятки лет руководившая развитием химии, завершила все, что она могла дать, и для нее остается только почетная роль повседневной помощницы химиков в их будничной работе? Может быть, принцип периодичности, на котором основана естественная система химических элементов, ограничен только электронной оболочкой атомов? Нет, это неверно.

Когда великий ученый начинал свою работу над естественной системой химических элементов, из 92 известны были 63, а о существовании многих других вообще никто не подозревал. Сколько же элементов мы знаем теперь? Сколько изотопов известно для каждого элемента? Сколько различных атомных ядер существует в природе? Сколько новых создано человеком?

Мы теперь уже знаем сто четыре элемента. Есть основания думать, что скоро будут открыты элементы 105 и 106. Нет ни одного элемента, у которого был бы только один изотоп. Одни элементы состоят из доброго десятка различных видов атома, у других их меньше. Есть много элементов, у которых вообще нет устойчивых изотопов, но нет ни одного элемента, у которого не было бы радиоактивных изотопов.

Всего теперь (1965 г.) уже известно около 1600 различных атомных ядер для 104 элементов.

Сколько же из них создала природа и сколько создано человеком? Такое сопоставление приводит к неожиданному и удивительному результату.

В природе найдено для восьмидесяти девяти элементов только около 325 различных изотопов. Совсем еще недавно считалось, что в природе очень мало неустойчивых радиоактивных изотопов.

Было установлено, что семнадцать радиоактивных изотопов принадлежат ряду урана, в ряде распада тория их одиннадцать, в цепочке

342


распада урана-235 найдено четырнадцать изотопов. Кроме них, в природе были обнаружены радиоактивные «одиночки»: калий-40, руби-дий-87 и несколько других.

Было установлено также, что в природе, на границе с космосом, образуются непрерывно и непрерывно исчезают углерод-14 и изотоп водорода — тритий.

Вот и все. Все остальные природные изотопы — более 275 — считались устойчивыми.

Но за последние годы развитие измерительной техники привело к неожиданным результатам. Многие из тех изотопов, которые безусловно считались стабильными, вечными, оказались в действительности тоже неустойчивыми, радиоактивными. Таких уже найдено свыше пятидесяти.

Среди них есть и поистине удивительные: например, висмут-209 с измеренным периодом полураспада более 2•1018 лет (!) или кальций-48, живущий свыше 1•1018 лет, или изотоп свинца-204, распадающийся наполовину за 1,4•1018 лет. По сравнению с такими «мафусаилами», продолжительность жизни которых во много раз превышает возраст самого земного шара, такие изотопы, как железо-58, цинк-64, платина-192 (живут «всего лишь» около 1015 лет), можно, пожалуй, назвать «короткоживущими» (!).

С точки зрения науки наших дней трудно уже разграничивать стабильные и нестабильные виды атомных ядер. Несомненно, по мере роста точности и чувствительности измерений будут обнаруживаться все новые и новые, еще более долгоживущие, но, бесспорно, неустойчивые радиоактивные изотопы. И становится оправданным предположение, что, может быть, вообще не могут существовать абсолютно устойчивые, вечные атомные ядра. Всякое вещество всегда изменчиво.

Итак, в природе немногим более 300 различных ядер. Но только за три десятилетия, истекшие с той поры, как были найдены пути к созданию новых радиоактивных элементов, человек уже сумел получить свыше 1200 новых радиоактивных ядер для всех без исключения элементов.

Будут ли установлены когда-нибудь какие-либо общие закономерности в тех свойствах вещества, которые зависят только от атомного ядра? Это очень большой и принципиально важный вопрос. От ответа на него зависит в будущем и познание природы человеком. Ответ на него — это путь к познанию строения атомного ядра, сегодня во многом еще недоступного. Но мы уже можем сказать, что это будет сделано.

И начало будущего ответа на этот важнейший вопрос, который решит наука будущего, намечается в периодической таблице атомных ядер.

Посмотрите внимательно на начальную часть таблицы у стр. 337 которую можно назвать прообразом периодической таблицы атомных ядер. Это по существу та же периодическая таблица Менделеева, но в каждой клетке ее приведены все атомные ядра, известные для того или иного элемента. В нее включены все изотопы всех известных в наши дни элементов — как природные, так и искусственные. Целиком напечатать ее здесь нельзя: она слишком громоздка. Здесь изображено только ее начало — от водорода до скандия.

Обратите внимание на проходящую посередине таблицы толстую черную линию. Зубчатой чертой она соединяет устойчивые изотопы смежных элементов. Присмотритесь: все ядра, расположенные под этой чертой, помечены красным, а над ней они обозначены синим цветом. Эта черта разделяет позитронную и электронную β-неустойчивость атомных ядер.

Очень много замечательно интересных данных содержит таблица атомных ядер, но еще больше она таит в себе. Даже представить себе трудно, сколько тайн будет открыто и какими необъятными возможностями эта таблица поможет овладеть науке!

В таблице атомных ядер четко выражена одна замечательная закономерность, сразу бросающаяся в глаза. Присмотритесь к таблице внимательно, и вы сами заметите различие между четными и нечетными элементами. У каждого нечетного элемента, начиная со фтора, только один (иногда два) устойчивый изотоп, а у всех четных — по нескольку устойчивых изотопов. Например, у фтора — девятого элемента — один нерадиоактивный изотоп, но зато у его соседей с обеих сторон (у восьмого — кислорода и десятого — неона) их по три. Эта загадочная закономерность может быть прослежена по всей таблице для всех элементов.

В качестве примера можно выбрать уже знакомую нам триаду: железо — кобальт — никель. Для четного железа известны четыре устойчивых изотопа, для четного никеля — пять, а для нечетного кобальта — только один.

Очевидно, что с закономерностью чередования устойчивости четных и нечетных ядер связана и замечательная закономерность распространенности четных и нечетных элементов в земной коре и во всем мироздании.

Но не надо думать, что этим и ограничивается периодическая закономерность, проявляю-

343


щаяся в таблице атомных ядер. Систематическое изучение свойств огромного числа стабильных и радиоактивных ядер всех природных и искусственных изотопов приводит к очень важному выводу, что в атомном ядре существуют энергетические уровни, подобно тому как существуют энергетические уровни во внешних электронных оболочках атомов.

Сопоставление самых разнообразных свойств изотопов, зависящих от атомного ядра, с числом нейтронов или протонов, входящих в его состав, приводит к выводу, что в ядрах существуют нейтронные и протонные оболочки, что в строении атомных ядер существуют периоды так же, как существуют периоды в строении атомных оболочек. И если электронные оболочки становятся особенно устойчивыми, когда они содержат 2 (гелий), 10 (неон), 18 (аргон), 36 (криптон), 54 (ксенон) и 86 (радон) электронов, то внутриядерные нейтронные и протонные оболочки становятся наиболее устойчивыми, когда в атомных ядрах содержится 2, 8, 20, 50, 82 и 126 нуклонов (протонов или нейтронов). Эти удивительные числа — они недаром получили название магических чисел — определяют устойчивость атомных ядер и особую периодичность в изменении их физических свойств.

Изотопы с магическими числами протонов пли нейтронов обладают особенно высокой распространенностью в природе, элементы с магическим числом протонов обладают особенно большим числом стабильных изотопов. Магические ядра наиболее устойчивы по отношению к захвату нейтронов при ядерных реакциях, они наиболее прочны, подобно тому, как наиболее прочны атомы благородных газов.

Все четыре цепочки радиоактивного распада урана, актиния, тория и нептуния заканчиваются на магических ядрах: 82Pb206, 82Pb207

82Pb208, 83Bi209.

С первого взгляда может показаться, что закономерность чередования четных и нечетных элементов нарушена у хлора (17), аргона (18) и калия (19). Но это — результат проявления «магических» свойств числа 20. Все ядра с двадцатью нейтронами устойчивы. Двадцать протонов в ядре Ca обеспечивают устойчивость шести изотопам.

Изучение таких свойств у атомных ядер, как магнитные свойства, абсолютная распространенность, дефект массы ядра, энергия связи, радиоактивность, показывает, что в них наблюдаются периодические изменения, периоды которых обусловлены наличием в некоторых ядрах магического числа

протонов или нейтронов. На этих устойчивых ядрах заканчиваются периоды в таблице атомных ядер, аналогично тому как в таблице химических элементов периоды заканчиваются на устойчивых атомах благородных газов. На начальном участке таблицы атомных ядер намечены три первых магических числа: 2, 8 и 20.

Рано еще говорить, что уже существует периодическая система атомных ядер, но великий закон Менделеева о периодической закономерности в свойствах химических элементов явно оказывается справедливым не только для внешней электронной оболочки атома, но и для атомного ядра, так недавно еще недоступного исследователю. Это указывает на то, что возможности, заключенные в периодическом законе, неисчерпаемы.

Можно быть уверенным, что в ближайшие годы будет создана периодическая система атомных ядер, будут вскрыты глубокие закономерности, связывающие свойства ядра с его количественными характеристиками и с его строением.

Сегодня периодическая таблица элементов служит химикам могучим оружием в борьбе за создание новых химических веществ с заранее заданными свойствами, нужными человеку. Подобно этому периодическая система атомных ядер для химика будущего станет первой ступенью на пути к осуществлению направленного синтеза новых элементов с невиданными свойствами — тех, которые будут необходимы человеку будущего.

Глубоко проникла наука в тайны строения вещества. Человек знает, как построен атом и что происходит в звездах. Одним из наиболее общих законов познанного стал периодический закон химических элементов. Но мир неисчерпаем. И снова наука стоит у порога неведомого. Перед человеком открывается новая беспредельность неизвестного. Новые великие законы должны быть и будут познаны.

Творческий, тяжелый и благодарный труд исследователя, горечь ошибок, радость открытия и неисчерпаемые возможности овладеть новыми, неведомыми, могучими силами природы достаются на вашу долю, читатели Детской энциклопедии. Будьте к этому готовы.

ХИМИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Но не ограничиваются ли роль и значение закона Менделеева только областью химии? Быть может, он важен и нужен только химикам?

344


Он помогает им познавать химические свойства вещества, дает возможность создавать новые соединения с удивительными свойствами. Но нужен ли он биологам, изучающим жизнь, и геологам, проникающим в глубь земного шара, и астрономам, открывающим тайны мироздания? Быть может, он их мало интересует, чужд им, далек так же, как далеки пробирки и колбы в лаборатории химика от сияющей на небосводе звезды? Нет, это не так.

Великий периодический закон имеет громадное значение в самых различных областях знания. Совершенно ясно, что периодический закон необходим школьнику, только начинающему изучать химию. А если седовласый академик перестал заглядывать в таблицу Менделеева, то это просто потому, что он давно ее знает наизусть.

Химия Земли

Для геологов, исследующих нашу планету, наиболее важно знать самые общие законы, определяющие поведение вещества на поверхности земной коры, в ее толщах и в глубинах земного шара. Геолог не может искать вслепую. Он заранее должен знать, где он может найти железо, где — уран, где — фосфор, где — калий. Он должен знать, какие условия создают на Земле залежи углерода: где надо искать уголь, где — графит и где — алмазы. Геологу нужно знать, какие элементы сопутствуют друг другу в земной коре, он должен знать законы образования совместных месторождений различных элементов.

В сложных, грандиозных химических процессах, протекавших в земной коре и на ее поверхности сотни миллионов лет, продолжающихся и в наши дни, сходные своим положением в периодической системе элементы обладают сходной геохимической судьбой. Это позволяет геохимикам проследить их движение в земной коре и выяснить законы, распределяющие их на поверхности Земли.

Геохимическое поведение различных элементов определяется прежде всего строением внешних электронных оболочек в их атомах, размерами атомов и соответствующих ионов. Элементы с завершенными внешними электронными оболочками (благородные газы) существуют только в атмосфере; они не вступают в природных условиях в химические соединения. Даже гелий и радон, образующиеся при радиоактивном распаде, не захватываются полностью горными породами, а непрерывно поступают из них в атмосферу. Редкие земли, стоящие в одной клетке таблицы, встречаются в природе почти всегда вместе. В одних и тех же рудах всегда присутствуют совместно и цирконий, и гафний.

Геологи хорошо знают, что осмий и иридий нужно искать там же, где и платину. В периодической таблице Менделеева они стоят вместе в восьмой группе и так же неразлучны в природе. Месторождения никеля и кобальта сопутствуют железу, и в таблице они в одной группе и в одном периоде.

Основная толща земной коры состоит из немногих минералов; все это — химические соединения элементов, расположенных главным образом в коротких периодах и в начале и в конце каждого из длинных периодов таблицы. Причем преобладают среди них легкие элементы с малыми порядковыми числами. Эти элементы составляют основную массу силикатных горных пород.

Элементы, стоящие в периодической системе в середине длинных периодов, образуют рудные, чаще всего сульфидные, месторожде-

Соотношение содержания железа, кобальта и никеля на Земле (слева) и в метеоритах (справа) почти одинаковое.

345


ния. Многие из этих элементов встречаются часто и в самородном состоянии,

И распространенность и геохимическое поведение элемента (его миграция в земной коре) определяются его положением в периодической системе. Распространенность зависит от строения атомного ядра. Геохимическое поведение — от строения электронной оболочки.

Поэтому периодическая система элементов необходима геохимику. Без нее не могла бы возникнуть и развиваться геохимия. Эта наука устанавливает общие закономерности во взаимном сосуществовании химических элементов в горных породах и рудах. Она дает возможность геологу находить в толще земной коры месторождения полезных ископаемых.

Периодический закон Менделеева — надежный и испытанный компас геохимика и геолога, разведчиков тайн подземного царства.

Химия метеоритов

Точнейшие химические анализы огромного числа метеоритов, упавших на нашу планету, дали замечательные результаты. Если подсчитать среднее содержание в метеоритах наиболее распространенных на Земле элементов: железа, кислорода, кремния, магния, алюминия, кальция, то окажется, что на их долю приходится около 94%, содержание этих же элементов в составе земного шара точно такое же.

Среди различных метеоритов, падающих на Землю, много железных. В этих метеоритах:

железа (элемент № 26) — 91,0%, кобальта (элемент № 27) — 0,6%, никеля (элемент № 28) — 8,4%.

Эти же элементы распространены на земном шаре в таком соотношении: железа — 92,0%, кобальта — 0,5%, никеля —7,5%.

(За 100% здесь принята сумма этих элементов.) И на Земле, и в метеоритах эти три элемента находятся приблизительно в одинаковых соотношениях. Таких совпадений можно привести очень много. Вещество на Земле и вещество в небесном пространстве одинаково, оно состоит из одних и тех же элементов в одних и тех же приблизительно соотношениях.

Даже изотопный состав элементов в метеоритах и на Земле почти одинаков. Неоднократно определялся изотопный состав серы, добытой из пепла и лавы вулканов, расположенных в разных частях земного шара. Сера на Земле повсюду одинакова. Везде отношение между стабильными изотопами (сера-32 и сера-34) равно 22,2. Изотопный состав серы в метеоритах, пока единственных представителей космоса, доступных прямому анализу, совершенно такой же: 22,2. Такое же сходство в изотопном составе можно обнаружить и для других элементов. Химические соединения, которые химики обнаруживают в метеоритах, обычны и на Земле.

Самое удивительное в этом, пожалуй, то, что ни одному ученому и в голову не придет удивляться по этому поводу. Химия любого элемента повсюду едина, иначе и быть не может. Все эти совпадения не могут быть случайными .

Откуда бы ни прилетели к нам на Землю случайные гости из Вселенной — быть может, это части комет, принадлежащих солнечной системе; быть может, это обломки малых планет; быть может, это вестники из чужого звездного мира, — важно одно: химическим составом, соотношением между элементами, изотопным составом, химическими соединениями, которые были найдены в метеоритах, — всем этим они сообщают нам, что действие великого закона Менделеева не ограничивается пределами нашей планеты. Он справедлив для всей Вселенной, где существуют атомы с их электронной оболочкой. Материя всюду едина.

Химия планет

Своеобразна химия больших планет. Пока еще она очень мало изучена.

Юпитер — самая большая планета солнечной системы. Химическим составом он похож на Солнце. Он почти целиком состоит из водорода, на долю гелия приходится только 10%, а на все остальные элементы — не более 5 %. Это мир страшного холода, вечных бурь в атмосфере метана и аммиака, мир непрерывных гроз чудовищной силы. Радиоволны от молний на Юпитере достигают Земли. Эти условия и определяют странную химию Юпитера. Ее удалось разгадать совсем недавно.

Химики воспроизвели в своих приборах условия, царящие на поверхности Юпитера: низкую температуру до -140°Ц, мощные электроразряды. Оказалось, что при этом в метане и аммиаке образуются ярко окрашенные соединения, неустойчивые в земных условиях: сво-

346


бодные радикалы — ненасыщенные производные метана и радикалы кислородных соединений азота.

Так была объяснена загадка — цветные облака в атмосфере Юпитера. По-видимому, этим же можно объяснить и красное пятно на поверхности Юпитера. Оно больше, чем все материки на Земле, и состоит, вероятно, из свободных радикалов — обычной формы существования вещества на этой планете.

В недрах Юпитера больше всего атомарного водорода в свободном состоянии. В центральных областях планеты, при очень высоких давлениях, он образует фазу неведомого в земных условиях металлического водорода.

Вторая по величине планета — Сатурн. Условия существования на нем химических соединений, вероятно, сходны с условиями на Юпитере. На Сатурне также обнаружен метан. В его атмосфере плавают облака, состоящие из замерзшего аммиака и воды. Предполагают, что и кольца Сатурна состоят из кристалликов замерзшей воды. Химия Юпитера и Сатурна — это, по-видимому, химия свободных радикалов и свободных атомов.

Марс больше, чем остальные планеты, похож на Землю. В его атмосфере обнаружен азот с примесью аргона, есть углекислота. Многие ученые уверены, что на Марсе есть вода. Пока еще не удалось установить, есть ли на нем свободный кислород, но зато найдены признаки окислов азота.

Другая соседка Земли, планета Венера, еще более загадочна. В ее атмосфере обнаружена пока только углекислота, есть признаки присутствия молекулярного азота, как будто бы есть и вода, но твердо это еще не доказано.

Все соединения и свободные радикалы, найденные астрофизиками на планетах солнечной системы,— метан (СН4), аммиак (NH3), углекислый газ (С O2), окислы азота (NO, NO2), молекулярный азот (N2), молекулярный водород (Н2) и другие соединения, включая свободные радикалы,— все они наиболее характерны для элементов углерода, азота, водорода, кислорода в соответствии с их положением в менделеевской таблице.

Химия Солнца

Трудно даже вообразить, что человек может изучить химию Солнца. Но наука сумела многое сделать: мы знаем теперь химический состав Солнца, знаем (и знаем уже немало) о грандиозных процессах — источниках солнечной энергии.

С помощью спектрального анализа было найдено на Солнце более шестидесяти элементов периодической системы Менделеева. Наверное, будут найдены и остальные.

Определены даже количественные соотношения между химическими элементами на Солнце. Оказалось, что Солнце — это мир раскаленного водорода. Водородных атомов там почти в пять раз больше, чем атомов гелия, ив тысячу раз больше, чем атомов всех остальных элементов, вместе взятых.

Среди других элементов на Солнце преобладают углерод, кислород и азот. Немало там и магния, алюминия, кремния, серы, железа. В меньшем количестве присутствуют калий, кальций, натрий, свинец и другие. Обнаружено даже несколько представителей редких земель; можно быть уверенным, что будут найдены и остальные. Как и повсюду в мироздании, на Солнце преобладают легкие элементы, с малыми атомными номерами. Кроме того, как правило, элементов с четными порядковыми номерами на Солнце значительно больше, чем их соседей по периодической таблице с нечетными номерами.

Мало того, если не считать водорода и гелия, занимающих в мироздании вообще особое положение, то наблюдается замечательное соответствие между относительным содержанием остальных элементов на Солнце и в каменных метеоритах (см. табл. у стр. 337).

Обнаружены на Солнце и простейшие химические соединения, молекулы которых способны выдержать очень высокую температуру. Это не какие-нибудь особые, «солнечные» соединения — нет, химики умеют их получать и исследовать на Земле. Это простейшие радикалы: СН, ОН, NH, CaH, SiH, CN. Более сложные молекулы, вероятно, не могут существовать на Солнце.

Первое применение спектрального анализа

Знаменитый буржуазный философ О. Конт пытался доказать ученым всю безнадежность попыток узнать, из чего состоят небесные тела — определить их химический состав.

Ученые Кирхгоф и Бунзен, открывшие спектральный метод анализа, очень убедительно показали всю несостоятельность пессимистического утверждения философа-идеалиста. С помощью качественного спектрального анализа они определили для начала со сравнительно небольшого расстояния (в несколько десятков километров) состав праздничного фейерверка.

347


С точки зрения старой химии, имеющей дело только с электронными оболочками атома, химия Солнца, по-видимому, очень проста. Но на Солнце протекают процессы ядерной химии, и в очень грандиозных масштабах.

Периодический закон Менделеева помогает разобраться в том, что происходит на Солнце (и, конечно, на звездах, похожих на наше Солнце) и какие превращения испытывают на Солнце атомные ядра. В его недрах, при немыслимо высоких температурах и давлении, атомы элементов теряют почти все свои электроны. В условиях сжатого до огромной плотности газа, состоящего главным образом из протонов и электронов, ядер гелия и относительно небольшой примеси ядер и ионов других элементов, протоны могут вступать между собой и с ядрами других элементов в ядерно-химические реакции.

Солнце — это мир водорода. Ядра остальных элементов окружены со всех сторон протонами (ядрами водорода) и могут сталкиваться почти исключительно лишь с протонами. Другие столкновения происходят значительно реже. Если скорости и энергия сталкивающихся атомных ядер достаточно велики, то при столкновении оба ядра сливаются и возникает новый элемент.

На Солнце протекает очень много различных ядерных реакций. Далеко не все они хорошо изучены, о многих из них мы еще и не подозреваем.

Одна из известных нам ядерных реакций на Солнце имеет особое значение. Она определяет природу Солнца. Это реакция образования гелия из водорода. Она протекает различными путями. Протоны могут соединяться непосредственно друг с другом. При этом образуются ядра дейтерия (тяжелый изотоп водорода) и гелия-3 (легкий изотоп гелия). Реагируя с протонами, они образуют ядра гелия-4.

Но еще интереснее и важнее сложная ядерная каталитическая реакция — синтез гелия из водорода на углеродных атомах. Эта реакция протекает не сразу, а в несколько ступеней. Катализатором в этой солнечной реакции служит углерод, точнее, его наиболее распространенный изотоп C12, тот самый, которого больше всего и на Земле.

Первая стадия реакции — соединение ядер водорода с ядрами изотопа углерод-12. При этом возникает атомное ядро с семью положительными зарядами: у углерода их шесть, а с протоном добавляется еще один. Возникает атом нового элемента, ядро которого обладает семью зарядами, а атомный вес увеличивается на единицу.

С таким атомным ядром ученые знакомы; на Земле его нет, но они уже умеют получать его искусственно.

Согласно правилу сдвига, элемент при увеличении заряда ядра на единицу превращается в другой, занимающий в таблице Менделеева следующую по порядку клетку. Углерод-12, захватив протон, превращается в азот — в радиоактивный изотоп азота N13 (рис. 21). Период его жизни невелик: за 10 минут он распадается наполовину. Выбрасывая позитрон и нейтрино, тяжелый азот превращается снова в тяжелый изотоп углерода — C13 (рис. 22). Не нужно думать, что это какой-то особенный «солнечный» углерод. Его много и на Земле: в земном углероде изотопа C13 около одного процента.

Образовавшееся ядро тяжелого углерода C13, подвергаясь новым ударам протонов, может слиться с тем из них, который обладает достаточно большой энергией. При этом, как следует из периодического закона, возникает ядро азота (рис. 23), но уже с большим атом-

348


Таблица к статье «Великий закон»

Я верхней части таблицы показано расположение электронных оболочек в атомах элементов, находящихся в начале периодической системы. Обратите внимание, что общее число электронов соответствует порядковому номеру элемента, а число электронов внешней, валентной оболочки равно номеру группы, в которой находится элемент (внешняя оболочка — красная окружность). У атомов гелия, неона и аргона внешние электронные оболочки устойчивы. Так же устойчивы они и у всех элементов, входящих в эту группу.

Ниже изображено строение атомов трех элементов— железа, кобальта и никеля, расположенных в середине длинного четвертого периода. Внешние электронные оболочки у них одинаковы: на них по два электрона. Поэтому химические свойства этих элементов очень близки друг другу. Но в химических реакциях у этих элементов могут принимать участие и электроны, находящиеся на более глубокой оболочке. Она у них еще недостроена, на ней может находиться самое большее 10 электронов, а на внешней — 8. Обе эти оболочки заполняются только у 36-го элемента — благородного газа криптона. На нижних рисунках (на желтом фоне) изображено строение атомов аргона, калия и молекулы поваренной соли. Атом аргона обладает тремя до предела заполненными электронными оболочками. На внутренней — гелиевой —2 электрона. Средняя оболочка сходна с внешней оболочкой неона. На средней я внешней оболочках по 8 электронов. Все три оболочки очень прочны; их трудно разрушить. Совсем по-другому построены электронные оболочки калия. На внешней оболочке у него только один электрон, который очень слабо связан с атомом и легко может оторваться даже при слабых воздействиях. Образовавшийся при этом положительный ион калия очень прочен, он построен так же, как атом благородного газа. Внизу на желтом фоне изображена схема химической реакции между натрием и хлором. Атом натрия легко теряет свой единственный валентный электрон. И этот электрон захватывается атомом хлора, на внешней оболочке которого недостает одного электрона. Образуются два иона: положительный — натрия и отрицательный — хлора. Оба они сходны с атомами благородных газов. Возникающие между ними огромные силы электрического притяжения обусловливают большую прочность молекулы поваренной соли.

Таблица к статье «Великий закон»

Глубоко в недрах Солнца температура достигает 20 000 000°. При такой температуре протекают ядерно-химические реакции между водородом (протонами) и углеродом, азотом и кислородом. На таблице изображен цикл этих реакций и указаны сдвиги элементов в периодической системе, происходящие при этих реакциях. Этот цикл замкнутый. В его результате образуются атом гелия и 4 атома водорода. При этом выделяется солнечная энергия.


ным весом: на этот раз возникает самый обычный азот N14, который содержится в атмосфере Земли и который мы вдыхаем вместе с кислородом. Какие бы элементы ни возникали на Солнце в цепи ядерно-химических превращений, какие бы элементы там ни существовали, их судьба предопределена: они снова и снова должны участвовать в протонных превращениях. Такова же судьба и изотопа азота N14: его ядра будут реагировать с ядрами водорода. При их соединении, согласно правилу сдвига, должно возникнуть ядро легкого кислорода O15 (рис. 24). Такого изотопа на Земле нет, но физики умеют его получать и хорошо изучили его свойства. Он радиоактивен и исчезает в короткое время. При распаде этот изотоп испускает позитрон и нейтрино и уже в третий раз превращается в азот, в тяжелый изотоп азота — N15 (рис. 25). Он стабилен, хорошо известен и в небольшом количестве всегда присутствует в обычном земном азоте.

На Солнце в это атомное ядро снова внедряется протон, и тут ядро N15 сразу распадается, выбрасывая α-частицу (ядро атома гелия), и превращается в ядро обычного углерода C12 (рис. 26), с которого началась эта удивительная цепь последовательных ядерных превращений.

Итак, на Солнце атомное ядро углерода в результате четырех последовательных ядерных реакций с протонами, трижды превратившись в азот, один раз — в тяжелый углерод, один раз — в кислород, выбросив по дороге два позитрона, потеряв две загадочные частицы — нейтрино, превращается в конце концов в тот же самый изотоп углерода C12 и α-частицу.

В результате углерод остался таким же, каким он и был. Но исчезли четыре водородных ядра, и возникло ядро гелия. Оно сформировалось на углеродном атомном ядре, которое осталось без изменений, послужив ядерным катализатором в ядерно-химической реакции — в синтезе гелия из водорода. Таким образом, водород на Солнце — топливо, а гелий — зола, отбросы.

Долго, невообразимо долго продолжается этот замечательный ядерный цикл реакций: должно пройти почти 5 млн. лет, пока атом углерода после всех последовательных превращений станет снова атомом углерода. Ведь да-

349


леко не каждое соударение с протоном ведет к реакции. Требуются миллионы лет, чтобы среди бесчисленного множества столкновений ядер углерода с протонами произошло столкновение с таким быстрым протоном, энергия которого так велика, что он способен проникнуть в маленькую неприступную крепость — атомное ядро.

Но и с такой скоростью (за 5 млн. лет одно полное превращение) эта реакция может идти только при температуре не ниже 20 млн. градусов. Температура же на поверхности Солнца не превышает 6000°. Это означает, что тайна Солнца скрыта в его недрах, в его центральных областях, где, как рассчитывают ученые, царят чудовищно высокие температуры, близкие к 20 млн. градусов.

Не нужно думать, что все только что изложенное — это лишь предположение ученых. Физики уже сумели повторить в лабораториях все стадии солнечного ядерно-химического процесса. Ученым не нужно ждать миллионы лет, чтобы осуществить самую медленную стадию этого цикла. В ускорителях получают протоны с такой большой энергией, которая превышает их возможную энергию при 20 млн. градусов на Солнце.

Спектроскописты сумели определить, сколько углерода на Солнце. Они измерили, сколько в нем тяжелого изотопа C13. Физики рассчитали скорость этой реакции, нашли, сколько энергии выделяется при каждом полном цикле. Астрономы измерили массу солнечного шара, рассчитали температуры в его глубинах.

В результате большой общей работы было найдено, что при 20 млн. градусов и при том количестве изотопа C13, какое было найдено на Солнце, должно возникать ровно столько энергии, сколько ее излучает Солнце.

Посмотрите на солнышко, как много чудесного рассказали ученым его ласковые лучи, в которых вы греетесь и загораете летом, о таинственных и загадочных процессах, протекающих за миллионы километров от нашей Земли. Но еще не все понятно, не все изучено. Многое и многое остается на вашу долю, юные читатели Детской энциклопедии.

Межзвездное пространство

Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах солнечной системы где-то по неведомым путям блуждают метеориты и их загадочные собратья — кометы.

Удивительно сложны и неожиданны пути зарождения одной из наук будущего — химии космического пространства. В глухие и страшные годы фашистской оккупации в маленьком голландском городке Лейдене на тайном собрании подпольного научного кружка юный студент Ван де Холст сделал доклад. Исходя из теории строения атома (которая, как мы уже знаем, была развита наукой на основе периодического закона Менделеева), он рассчитал, какова должна быть самая длинная волна в спектре излучения водорода. По его расчету, оказалось, что длина этой волны 21 см. Она относится к коротким радиоволнам. В отличие от хорошо изученного видимого спектра, излучаемого раскаленным водородом, его радиоизлучение может происходить и при низких температурах.

Ван де Холст рассчитал, что на Земле такое излучение в атоме водорода маловероятно. Нужно ждать много миллионов лет, пока в атоме водорода произойдет перемещение электронов, которое сопровождается излучением радиоволн длиной 21 см.

Солнце — ядерный реактор

Может возникнуть вопрос: хороший ли с точки зрения техники наших дней ядерный реактор — Солнце? Но какое в этом может быть сомнение?

Давайте посчитаем... Основной источник энергии на Солнце — термоядерная реакция: синтез гелия из водорода. Главным образом за счет этой реакции оно каждую секунду излучает в мировое пространство 3,86•1026дж.

Только для того чтобы поддержать этот расход энергии, масса Солнца каждую секунду уменьшается на 4,3 млн. тонн!!

Из этой невообразимо чудовищной по земным масштабам энергии и до нас доходит немало: у границ земной атмосферы на каждый квадратный сантиметр приходится в секунду энергия 0,14 дж. Это составляет две калории в минуту на 1 см². Прикиньте сами, сколько приходится на весь наш земной шар! Неплохой ведь, кажется, реактор! Верно?

Сколько же энергии выделяется на Солнце в расчете на единицу его массы? Какова его удельная мощность? Массу Солнца астрономы сумели измерить очень точно: она равна 1,991•1030кг, или 1,991•1027тонн. Из этого следует, что удельная мощность Солнца очень невелика, она составляет всего 3,86•1026 ⁄ 1,991•1027 = 1,94•10−1дж/т•сек на каждую тонну солнечной массы. Таким образом, удельная мощность Солнца равна всего-навсего приблизительно 0,2вт на тонну! Пожалуй, Солнце не очень эффективный источник энергии.

350


В своем докладе молодой ученый сделал предположение: если в безграничном мировом пространстве присутствует водород, можно надеяться обнаружить его по излучению на волне 21см. Это предсказание оправдалось. Оказалось, что из необъятных глубин Вселенной к нам на Землю всегда, не прекращаясь ни ночью ни днем, приходят на волне 21 см поразительные радиосообщения о тайнах мироздания, которые, как неведомый диктор, рассказывает нам межзвездный водород.

Волна в 21см мчится к нашей планете из столь отдаленных уголков Вселенной, что требуются тысячи и миллионы лет, пока она дойдет до антенн радиотелескопов. Она рассказала ученым, что в космосе нет пустоты, что в нем существуют невидимые глазу облака космического водорода, которые простираются от одной звездной системы к другой. Оказалось возможным даже определить протяженность и форму этих скоплений водорода. Для волны в 21 см в мировом пространстве нет преград. Даже черные, непроницаемые облака космической пыли, скрывающие от взора исследователя огромные области Млечного Пути, совершенно прозрачны для холодного излучения водорода. И эти волны помогают теперь ученым понять природу вещества, из которого построены далекие звезды не только Млечного Пути, но и самых отдаленных туманностей, лежащих на самом краю доступной нам части Вселенной.

Необъятные звездные миры, разобщенные чудовищными расстояниями в пустом безграничном пространстве, теперь оказываются связанными в единое целое гигантскими водородными облаками. Трудно проследить преемственность в развитии научных идей, но, несомненно, что есть прямая и непрерывная связь между смелым предсказанием юного голландского студента и определившей в науке эпоху великой идеей Менделеева.

Безграничное мировое пространство нельзя считать пустым. Теперь уже, кроме водорода, в нем найдено очень много других элементов.

Химия космоса очень своеобразна. Это — химия сверхвысокого вакуума. Средняя плотность вещества в пространстве всего только 10−24 г/см³. Такой вакуум пока нельзя создать в лабораториях физиков. Важнейшую роль в химии космического пространства играет атомарный водород. Следующий по распространенности — это гелий, его раз в десять меньше; найдены уже кислород, неон, азот, углерод, кремний — их в космическом пространстве ничтожно мало.

Остальные элементы пока трудно определимы. Большая часть элементов в межзвездном пространстве находится в виде атомов. Но уже обнаружены и химические соединения. Это простейшие радикалы; найден радикал СН, есть признаки, указывающие на присутствие в космосе гидроксида. Это особенно интересно: где есть гидроксид, там может быть и вода, а где вода — там возможна жизнь.

Выяснилось, что роль межзвездного вещества в мироздании огромна. На его долю приходится, по крайней мере в пределах нашей Галактики, почти половина всего вещества, остальная часть находится в звездах. Есть основания считать, что состав вещества в космическом пространстве сходен со звездным веществом.

На наших глазах зарождается новая наука. Трудно предвидеть пути ее развития и предсказать, к каким удивительным открытиям приведет эта наука — космическая химия.

Химия звезд

В недрах звезд, при немыслимых для Земли условиях, при температурах в сотни миллионов градусов и непостижимо огромных давлениях, протекает множество разнообразных ядерно-химических реакций.

В наши дни уже существует обширная область науки: увлекательная химия недоступного — ядерная астрохимия. Она выясняет важнейшие для всей науки вопросы: как образовались во Вселенной элементы, где и какие элементы возникают, какова их судьба в вечном развитии мироздания.

Методы этой науки необычны. Она пользуется и наблюдением — изучает с помощью спектроскопии состав звездных атмосфер, и экспериментом — исследует реакции. быстрых частиц в земных ускорителях. Теоретические расчеты позволяют ученым заглянуть в недра звезд, где уже открыто немало интересного и кроется много загадочного.

Выяснено, например, что в центральных областях звезд, при сверхвысоких температурах и давлениях, где скорость «выгорания» водорода особенно велика, где количество его мало, а содержание гелия велико, возможны реакции между ядрами гелия. Там рождаются загадочные ядра бериллия-8 (на Земле они совсем не могут существовать»), там возникают и самые прочные ядра: углерод-12, кислород-16, неон-20 и другие ядра «гелиевого» цикла.

351


Найдены в звездах и такие ядерно-химические реакции, при которых возникают нейтроны. А уж если есть нейтроны, то можно понять, каким путем появляются в звездах и почти все остальные элементы.

Но очень много загадок стоит еще перед наукой на этом пути. Непостижимо огромно многообразие звезд во Вселенной.

Вероятно, во всех доступных нашему наблюдению звездах преобладает водород, но содержанием других элементов звезды очень сильно различаются: в некоторых звездах обнаружено такое высокое содержание отдельных элементов по сравнению с обычными звездами, что их даже так и принято называть в астрономии: «магниевые», «кремниевые», «железные», «стронциевые», «углеродные» звезды. Недавно обнаружены даже «литиевые» и «фосфорные» звезды. Эти таинственные различия в составах звезд еще ждут объяснения.

Удалось проследить и удивительные механизмы образования новых ядер. Оказывается, что не только благодаря сверхвысоким температурам ядра обладают настолько высокой энергией, что способны преодолевать электростатическое отталкивание и реагировать между собой. Очень многие элементы таким путем вообще не могли бы образоваться.

Дейтерий, литий, бериллий, бор при высокой температуре, существующей внутри звезд, очень быстро реагируют с водородом и мгновенно разрушаются. Эти элементы в мироздании «варятся» в холодных «кухнях», возможно, на поверхностях звезд в звездных атмосферах, где возникают мощные электрические и магнитные поля, ускоряющие частицы до сверхвысоких энергий.

Звездные «фабрики», где создаются элементы, ставят перед учеными странные загадки, связанные с таинственными частицами нейтрино. Ученые начинают подозревать, что роль этих неуловимых частичек-призраков далеко не так безразлична, как это казалось совсем недавно. Выяснилось, что возможны такие ядерно-химические процессы, при которых большая часть энергии, образующейся в звезде, уносится не в виде излучения, а только с нейтрино.

Но для звезды это означает катастрофу. Звезда существует в состоянии равновесия благодаря давлению звездного газа и световому давлению, которые уравновешивают силы тяготения. Если же энергия начинает уноситься из внутренности звезды только с нейтрино, которые пронизывают толщи звездных тел без

сопротивления, со скоростью света, то звезда больше не может поддерживать изнутри световым давлением, она мгновенно будет сжата силами гравитационного притяжения.

Быть может, так и образуются пока непостижимые звезды — «белые карлики», плотность вещества в которых может достигать многих тысяч тонн на 1 см³. Быть может, такие процессы дают начало и тем гигантским катастрофам, при которых рождаются Сверхновые звезды.

Но нет сомнения, что и эта одна из величайших тайн природы будет разгадана. Мы узнаем и тайну запасов водорода в звездах и в мировом пространстве, будут найдены процессы, ведущие к его образованию и к образованию «молодых» водородных звезд.

Вопрос о появлении сверхновых звезд в мироздании исключительно важен. Должна быть решена загадка, как рождается такое колоссальное количество энергии, которое способно разметать звезду и превратить ее в туманность. Именно это произошло, например, в 1054 г. В созвездии Тельца вспыхнула сверхновая звезда и, затухая, превратилась в Крабовидную туманность.

В наше время эта туманность уже простирается на сотни триллионов километров. Самое интересное — это то, что вспышка сверхновой звезды, постепенно угасая, теряет свою яркость так, как если бы она состояла из изотопа калифорния-254. Его период полураспада — 55 суток — точно совпадает с периодом уменьшения яркости сверхновых звезд (см. ст. «Рождение, жизнь и смерть химических элементов»).

Но, пожалуй, главная задача астрохимии — выяснить, как возникает во Вселенной водород. Ведь в бесчисленном множестве звездных миров происходит непрерывное уничтожение водорода, и его общие запасы во Вселенной должны убывать.

И многие ученые на Западе пришли к тяжелому и мрачному выводу о «водородной смерти» Вселенной.

Они считают, что во Вселенной одна за другой гаснут звезды, исчерпавшие свои запасы водорода. И эти ранее ярко сиявшие светила одно за другим превращаются в холодные мертвые миры, которым суждено вечно носиться в космическом пространстве.

Мрачный вывод о «водородной смерти» Вселенной логически порочен и неверен. Он опровергается опытными фактами, достижениями науки наших дней — химии Вселенной.

Чудесные достижения науки, познакомив-

352


шие нас с тайнами недоступных звезд, с их составом, с их природой, с таинственными процессами, происходящими в их недрах, основаны на знаниях природы атома, его строения. Эти знания воплощены в великом периодическом законе Менделеева. Но не следует думать, что периодический закон навсегда останется застывшим и неизменным. Нет, он и сам развивается, включая в себя все большее

и большее содержание, все глубже и точнее отражая истину законов природы.

Закон периодичности свойствен и строению атомных ядер. Это позволяет надеяться на окончательное решение об относительной устойчивости элементов в мире и о составе всех небесных тел.

Очень много работы вам предстоит, молодые наследники великого Менделеева.

НЕОБЫЧАЙНЫЕ АТОМЫ

Великий закон природы — периодический закон Менделеева — привел науку к раскрытию многих тайн, к разгадке многих загадок о строении вещества.

Мы теперь знаем, что все элементы, где бы они ни существовали — на Земле, на далеких планетах или на недосягаемых звездах,— все они построены по единому плану: вокруг тяжелого положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, вращаются легкие электроны. Число зарядов ядра, равное числу электронов, определяет химическую природу элемента.

В начале периодической таблицы на первом месте стоит водород. Его атом наиболее прост — один протон и один электрон.

А могут ли быть атомы легче водорода? Во всех ли атомах вокруг ядра вращаются электроны? Возможны ли атомы без положительного ядра? Существуют ли атомы без электронов? Совсем еще недавно подобные вопросы звучали бы просто нелепо. Но в последние годы физики обнаружили, что существуют весьма странные «атомы». Правда, их жизнь очень коротка. Они рождаются в созданных человеком ускорительных установках, возникают при распаде искусственных радиоактивных изотопов. Много еще загадочного в этих таинственных частицах, и много надежд связывает наука с полной разгадкой их тайны.

ПОЗИТРОНИЙ

Самый удивительный из странных атомов — это, конечно, атом позитрония — вещества, которому нет и не может быть места в менделеевской таблице. Однако это вещество теперь хорошо известно ученым. И не только физикам. Химики уже научились применять атомы позитрония в своей повседневной работе — когда они изучают строение сложных органических соединений.

Позитроний очень своеобразный атом — атом без атомного ядра. Он почти в тысячу раз легче самого легкого атома — атома водорода. Образуется он при встрече позитрона, возникающего при распаде ядер многих изотопов, с обычным отрицательным электроном. Атом позитрония состоит из двух античастиц.

В атоме позитрония нет тяжелого ядра, как в атоме водорода, где масса протона почти в две тысячи

раз больше массы вращающегося вокруг него электрона. Массы позитрона и электрона, образующих позитроний, очень малы и равны между собой. Этот странный атом лишен центрального атомного ядра. Обе элементарные частицы в нем вращаются вокруг друг друга или, вернее, вокруг их общего центра тяжести.

«Танец» двух античастиц очень сложен. Ученые установили, что он может происходить по-разному. Вращаясь на общей орбите друг за другом, оба микропартнера в то же время вращаются каждый вокруг своей собственной оси, а это вращение может быть различным: либо в одну и ту же сторону, либо в разные.

Поэтому возможно существование двух изомеров позитрония, т. е. он может существовать в двух формах. В первом случае возникает атом орто-позитрония, а во втором — атом пара-позитрония. По существу эти изомеры больше ничем друг от друга не отличаются, как не отличаются один от другого волчки, запущенные в разные стороны.

Но один из великих законов сохранения, управляющих атомным миром,— закон сохранения момента количества движения — вносит большие и важные различия в дальнейшую судьбу обоих атомов.

Орто-позитроний с точки зрения атомных масштабов времени живет очень долго. Каждый атом его существует в среднем почти полторы десятимиллионных доли секунды. За это время электрон и позитрон успевают в нем совершить не один миллион оборотов. По нашим привычным земным часам его существование неимоверно кратко. Он исчезает практически мгновенно. Жизнь пара-позитрония еще в тысячи раз короче.

Но это еще не самое удивительное в судьбе изомеров позитрония. Античастицы сосущест-

В орто-позитронии обе античастицы вращаются в одну и ту же сторону. Распадаясь, этот атом превращается в три гамма-кванта.

353


вовать не могут. Их взаимодействие с неумолимой неизбежностью приводит к взрыву, в микромире происходит катастрофа, и обе античастицы исчезают. Вспышка коротковолнового излучения — и они превращаются в гамма-кванты. Вместо них рождаются фотоны.

Но орто- и пара-позитроний гибнут по-разному. Непреложный закон сохранения импульса заставляет каждый атом орто-позитрония превращаться в три кванта, при исчезновении же атома пара-позитрония могут возникнуть только два кванта, разлетающиеся в противоположные стороны.

Но, пожалуй, самое удивительное то, что позитроний, этот загадочный, почти невесомый, живущий мгновение атом, способен вступать в химические реакции, подобно атому водорода. Особенно энергично позитроний реагирует с теми химическими соединениями, у которых присутствуют свободные валентности. Наиболее чувствителен позитроний к свободным радикалам, к атомам и электронам.

Это замечательное свойство позитрония химики сумели использовать для решения сложных, чисто химических проблем, возникающих при изучении природы химической связи. Оказалось, что при реакции орто-позитрония с веществом, в молекулах которого есть неспаренные электроны, он превращается при распаде не в три, а в два кванта. Это легко обнаружить и измерить гамма-счетчиками.

Еще недавно казавшийся невозможным атом-призрак, построенный из двух несовместимых античастиц, стал у физико-химиков замечательным средством исследования тончайших деталей и различий в характере химических связей и строения молекул. Позитроний скоро станет совсем обычным в лаборатории ученого и поможет ему раскрыть немало нового в природе.

В пара-позитронии каждая из античастиц вращается вокруг своей оси в разные стороны. При аннигиляции пара-позитрония рождаются только два гамма-кванта.

МЕЗО-АТОМЫ

Пожалуй, еще более странны мезо-атомы. Они обладают таким же положительно заряженным ядром, как и обычные атомы, но отличаются от них строением наружной электронной оболочки. В мезо-атомах один из электронов замещен на мезон — на тяжелую частицу с массой в 210 раз больше, чем у электрона. Мезоатомы настолько необычны, что ставят под сомнение многое из того, в чем физики, изучив размеры и строение атома, были до сих пор твердо уверены.

Чем больше заряд атома, чем больше его порядковый номер в таблице Менделеева, тем сильнее, конечно, его ядро притягивает электроны и тем меньше размеры атома — диаметр электронных орбит в его внешней электронной оболочке. Известно также, что диаметр орбиты зависит и от массы вращающейся частицы. Чем тяжелее она, тем ближе к центральному ядру орбита ее вращения. Таким образом, очень легко можно рассчитать, на каком расстоянии от ядра должна находиться орбита мезона в мезо-атоме.

Физики научились получать в своих ускорителях очень мощные потоки мезонов и точно регулировать скорость мезонов. Оказалось, что медленные мезоны, обладающие тепловой скоростью, блуждая между атомами, захватываются ими и замещают в орбите электроны. При захвате мезонов тяжелыми атомами были обнаружены загадочные, поистине удивительные явления. Точно установлено, например, что ближайшая к ядру орбита, на которой положено вращаться мезону в мезо-атоме свинца (занимающего 82-е место в таблице Менделеева) должна быть в 82X210 раз меньше орбиты водородного атома. Диаметр мезонной орбиты в мезо-свинце должен быть равен:

Но размеры ядра в атоме свинца физикам хорошо известны. Его диаметр гораздо больше, чем орбита мезона: он равен 17,0•10−13 см. Следовательно, массивный мезон в мезо-свинце вращается на орбите, целиком расположенной внутри атомного ядра (!).

Этот немыслимый результат точно подтвердился измерениями длины волн — излучения, испускаемого мезо-атомами. В течение громадного (по атомным масштабам) периода времени, за одну миллионную долю секунды, мезон совершает миллионы миллионов оборотов внутри ядра. Плотность же ядерного вещества так чудовищно велика, что только 1 см? его весил бы в земных условиях не менее миллиарда тонн. Как же должно быть построено атомное ядро?

Судьба мезо-атомов завершается катастрофой: мезон поглощается ядром, и оно взрывается — разлетается на множество кусков. Выделяющаяся при этом энергия аннигиляции отрицательного мезона и положительного ядерного вещества очень велика. Еще не вполне известно, в какой форме она выделяется. Большую часть ее уносят образующиеся при взрыве частицы.

Так реагируют с атомными ядрами мю-мезоны. Но известны два типа отрицательных мезонов. Судьба пи-мезонов не менее любопытна. Ядра тяжелых атомов поглощают их мгновенно и при этом мгновенно взрываются.

Реакция между мезонами и атомными ядрами не требует высокой температуры. Для нее не нужны сотни миллионов градусов, как для термоядерных реакций. Она с успехом протекает при обычных условиях. Быть может, ядерные реакции на мезонах откроют в будущем новый путь к овладению внутриядерной энергией. Но пока на это еще очень мало надежды. Ученые еще не знают, как заставить мезонные реакции протекать по цепному механизму и поддерживать самих себя.

В самом простом из всех мезо-атомов — в мезо-водороде вокруг центрального ядра вращается мезон. Это атом без электронов.

Удивительные загадки и трудные задачи связаны с таинственными мезо-атомами. На вашу долю, юные физики, достается очень важная и сложная работа: разгадать тайну строения атомных ядер; наверное, этому поможет и изучение мезонов.

ГИПЕР-ФРАГМЕНТЫ

Высоко, на границе стратосферы, ученые нашли очень странные атомные ядра. Быть может, это «гости» из неведомых глубин космоса. Построены они весьма

354


необычно. Атомные ядра всех элементов состоят из нейтронов и протонов, а в этих ядрах один из нейтронов замещен необычной частицей, одной из тех частиц, которых физики, от удивления перед их странными свойствами, назвали «странными». Более точное название этой частицы ламбда-нуль-гиперон. Найдено уже немало легких ядер гипер-изотопов: гипер-водорода, гипер-гелия, гипер-лития, гипер-бериллия, даже гипер-углерода. По-видимому, они рождаются в космических лучах. Живут они всего 10−10 — 10−11 секунды и очень странным образом исчезают: каждое гипер-ядро может распадаться двумя различными способами. Это — особенность только «странных» частиц.

АНТИАТОМЫ

Физики установили: каждой из элементарных частиц (кроме фотона) соответствует парная ей античастица с равной массой и противоположным зарядом. Античастица для отрицательного электрона — положительный позитрон. У протона есть свой отрицательный антипротон. Нейтральному нейтрону соответствует тоже нейтральный антинейтрон, они различаются магнитными свойствами. У атомов нашего мира ядра сложены из протонов и нейтронов, их внешние оболочки — из электронов. А может ли быть все наоборот? Как в старой английской детской сказке о девочке, попавшей в мир Зазеркалья. Возможны ли атомы, у которых будут антиядра из антипротонов и антинейтронов, а вместо электронов вокруг антиядер будут вращаться античастицы — позитроны. Возможен ли физически антимир, состоящий из таких антиатомов?

Да, физики считают, что вполне возможен. Мало того, такой мир даже будет неотличим от того, в котором мы живем. Свет от антизвезд будет в точности таким же, как и от обычной звезды. У фотонов — световых квантов — никаких антифотонов нет. Свет, испускаемый любым атомом, будет абсолютно тождествен свету от аналогичного антиатома. Но пока никто не знает, существуют ли во Вселенной антимиры.

Иногда из глубин Вселенной заходят в нашу солнечную систему очень странные кометы, и их поведение заставляет некоторых ученых думать, что они состоят из антивещества. Далеко, в недоступных глубинах космоса, существуют «радиозвезды». Одна из таких звезд — Лебедь-А — обладает такой невероятной интенсивностью излучения, что его легче всего можно объяснить тем, что в созвездии Лебедя происходит величайшая катастрофа: столкновение двух галактик, двух миров — нормального мира и антимира. Никто пока не может сказать, верно ли это. Вероятнее всего, что излучение Лебедя-А будет объяснено. Но все равно проблема антивещества остается, и наука сейчас усиленно ищет возможность обнаружить антимиры во Вселенной. Один такой путь уже намечен. Он исключительно труден, настолько труден, что, может быть, никогда и не будет осуществлен. Это — путь нейтринной астрономии.

Ученые считают, что рассказать, существует ли где-либо в Большой Вселенной антимир, построенный из антивеществ, может только нейтрино, этот космический «воришка», лишенный массы, который сразу после рождения бесследно исчезает со скоростью света в неведомых глубинах космоса и уносит с собой значительную долю энергии звездных ядерных реакций.

У ПОРОГА НЕВЕДОМОГО

Напрасно думают, что она [фантазия] нужна только поэту. Это глупый предрассудок! Даже в математике она нужна, даже открытие дифференциального и интегрального исчислений было бы невозможно без фантазии. Фантазия есть качество величайшей ценности...

ЛЕНИН.

Периодический закон химических элементов, открытый Менделеевым, управляет поведением вещества во всей Вселенной. Ему подчиняется вся химия. Не только та, которая царствует в колбах и ретортах ученых и в реакторах химических заводов, но и та химия, которая создает все минералы и все горные породы на планете Земля.

Этот закон управляет химией на далеких планетах. Все соединения, открытые на них, построены по правилам, диктуемым таблицей Менделеева. Энергия Солнца и бесчисленных звезд рождается в них за счет ядерно-химических процессов, протекающих в строгом соответствии с периодическим законом. Эти процессы одинаковы и в звездах нашего Млечного Пути, и в других далеких галактиках.

Означает ли это, что мы уже познали самое главное, самое основное, что можно узнать о веществе? Означает ли это, что нет других форм его существования, кроме атомов и атомных ядер, которые наряду

с фотонами и нейтрино обеспечивают бесконечное многообразие форм существования материи во всех мирах Большой Вселенной?

Когда развитие науки дает повод утверждать, что все основное в мире уже открыто, что выяснены его общие законы, то это верный признак, что нужно ждать большие открытия, которые потребуют нового пересмотра всего, что в науке стало считаться незыблемым. И, быть может, уже сейчас этот период, период большого революционного пересмотра наших представлений об окружающем мире, уже наступил.

Физика наших дней сумела проникнуть и в тайну строения атомного ядра. «Магические» числа, выражающие периодическую зависимость в изменении свойств атомного ядра от изменения числа нуклонов, указывают на очень сложное его строение. Но для того чтобы разгадать, как построено ядерное вещество, нужно выяснить, из чего оно построено, что представляют собой элементарные частицы.

355


Наука стоит перед большим затруднением: слишком много оказалось в микромире элементарных частиц. Число их так велико, соотношения между ними так сложны и запутаны, так многообразны их взаимные превращения, что уже давно стало совершенно неоправданным даже само их название.

Но проблема первичных частиц, из которых построено все существующее в мире, остается. Очень много работают над ней физики — и экспериментаторы, и теоретики. Как она будет решена, еще никто не знает. Уже немало предположений — одно необычайнее другого — высказано самыми неистовыми фантазерами в мире — учеными-теоретиками.

Например, серьезно обсуждается гипотеза кварков. Теоретики показали, что можно объяснить всю сложность и многообразие найденных в микромире элементарных частиц, если допустить, что все они построены только из трех различных типов, быть может действительно элементарных частиц — кварков. Это название заимствовано из старого романа, в котором так названы загадочные фантастические существа, живущие только в грезах. И действительно, свойства новых гипотетических частиц с точки зрения физики наших дней должны быть так необычны и фантастичны, что такое название для них вполне оправдано. Достаточно только сказать, что кварки должны иметь дробные электрические заряды (!). Верна или нет эта невозможная гипотеза, пока еще никто не знает. Но она стала нужной науке, она уже существует и, как и всякая научная гипотеза, должна быть доказана либо опровергнута.

У физиков пока еще нет средств разбить на кварки элементарные частицы атомных ядер. В наших ускорителях еще не получены частицы-снаряды с такой большой энергией. Но в природе, в космических лучах такие снаряды есть. И, быть может, под их воздействием «на наших глазах» постоянно атомные ядра разбиваются на кварки; и здесь, вокруг нас, буквально на поверхности Земли существуют эти загадочные, придуманные физиками частицы. Да, это может быть. Уже очень многое из того, что было «придумано» в науке, было затем открыто в природе.

Почему же кварки до сих пор не обнаружены? А как их обнаружить, увидеть? Ведь мы можем видеть только то, что обладает электронной оболочкой и электронами, что может испускать свет или же способно излучать гамма-кванты. Кварки не могут быть видимы. Выть может, их надо собрать и взвесить? Но чтобы их собрать, надо хорошо знать их свойства. А каковы свойства частиц с дробными зарядами? Неизвестно! Какова их физика? Неизвестно!

Очень много таинственного встает перед наукой в мире микрокосмоса. Каждый элементарный акт звездных ядерных реакций, как и ядерных реакций в наших атомных реакторах, сопровождается появлением самой загадочной из элементарных частиц — нейтрино. Как призрак, пронизывает она со скоростью света толщу гигантской звезды и бесследно пропадает в глубинах космоса. Каждую секунду на нашей планете через каждый квадратный сантиметр только от одного Солнца проносится более 6•1010 нейтрино. Но пока мы не можем ни обнаружить этот невероятный поток, ни узнать, куда исчезают нейтрино. А они уносят с собой около 5% всей энергии, выделяющейся в мире.

Куда они с ней исчезают, что происходит с ней в космосе, мы не знаем.

Но, быть может, еще больше тайн открывается перед наукой на другом, противоположном пределе

неизвестности — в макрокосмосе. Астрофизики открыли в мироздании небесные тела, совершенно не похожие на все, что до сих пор известно нам во Вселенной. Они не поддаются никакому объяснению, и к ним неприложимы теории, хорошо до сих пор объяснявшие мир. Светимость одного такого тела больше, чем у всех ста миллиардов звезд Млечного Пути. Оно, как предполагают ученые, обладает массой большей, чем у Миллиарда звезд, таких, как наше Солнце. Ни один из известных нам процессов не может объяснить, как рождается излучаемая такими небесными телами энергия, которая дает нам возможность наблюдать их с расстояния до 5 млрд. световых лет.

Но в недрах мироздания обнаружены не только эти «сверхзвезды». Ученые подозревают, что, кроме них, во Вселенной могут существовать еще более немыслимые небесные тела. Это действительно сверхудивительные звезды — «погасшие» звезды, которые никогда не гасли. Они совершенно не похожи на остывшие холодные планеты. Эти сверхгигантские, бурно сжимающиеся тела обладают огромной температурой, но тяготение их массы так велико что не выпускает «наружу» ни излучение, ни свет, ни нейтрино. Сколько таких «сверхтел» в мире — еще никто не знает. Какую они играют роль в эволюции Вселенной — тоже неизвестно. Но они должны действовать силой тяготения на другие небесные тела, и поэтому их можно обнаружить.

Мы можем считать, что приблизились к разгадке природы звезд, хотя в них и таится еще много, очень много непознанного. Но в космосе есть тайны, о которых наука еще ничего не знает.

Вестники великой неизвестности — космические лучи — прилетают к нам на Землю из неведомых глубин космоса. Тысячи ученых во всех странах следят за ними: измеряют их энергию, регистрируют частоту появления, стараются разгадать, где и как они рождаются. Иногда в космических лучах появляются частицы с немыслимо чудовищной энергией. В 1961 г. была зарегистрирована космическая частица, которая одна обладала энергией в 1020 электроно-вольт. Откуда же эта космическая частица к нам пришла? Как она могла накопить такую энергию? Ведь такая энергия по крайней мере в сотню миллиардов раз превышает ее массу в покоящемся состоянии. Что же с ней должно произойти при остановке? Что станет с ее энергией? Ведь энергия исчезнуть не может.

Многие ученые считают, что в момент столкновения, при остановке, такая сверхбыстрая частица за счет своей кинетической энергии должна образовать множество, быть может даже сотни миллиардов, новых частиц (!). И опыт не противоречит этому. Мало того, расчет показывает, что у таких частиц внегалактическое происхождение. Они должны рождаться в других мирах, в других галактиках. Согласно расчету, среди них могут быть частицы с еще большей энергией, вплоть до 1080 электроно-вольт (!). Этой энергии хватит, чтобы при остановке такой «сверхчастицы» могла бы возникнуть не только звезда, но даже галактика.

Никакая изощренная фантазия, никакая сказка никогда не осмелилась бы создать что-либо столь же немыслимое. А наука наших дней уже ищет, уже пытается нащупать в реальном физическом мире те немыслимые не только для здравого смысла, но и для фантастики реальные рубежи, где соприкасаются как равные бесконечно большое с бесконечно малым.

Возможно ли это? Неизвестно. Но постановка такого вопроса в физике уже возможна. И до чего же интересно все-таки узнать, так ли это.

356


НА ПУТИ К ОТКРЫТИЮ ЭЛЕМЕНТА 104

(Рассказ ученых, ведущих исследование)

Первый за актиноидами. В эпоху географических открытий людей пытливых и смелых манили к себе белые пятна на картах. За ними скрывались неведомые страны.

Какими же картами и лоциями руководствовались мы, физики, намечая трассу к новым, еще неизвестным элементам — к белым пятнам таблицы периодической системы Менделеева? Это прежде всего сама система элементов.

На рис. 1 изображена часть таблицы Менделеева. После 88-й клетки идет клетка 89—103. В ней расположены все трансурановые элементы — от 93 до 103-го. Они входят в ряд актиноидов и, как вы знаете, созданы человеком. Все члены ряда мало отличаются друг от друга химическими свойствами и находятся в одной клетке. А какой элемент займет соседнюю, расположенную под гафнием? Ведь он должен обладать замечательными свойствами, должен резко отличаться от своих предшественников — актиноидов.

Теория предсказывала, что таким элементом будет 104-й. Его поведение в химических реакциях должно напоминать гафний. Экагафний — такое имя дал бы ему Д. И. Менделеев.

Если теоретические прогнозы подтвердятся и 104-й окажется аналогом гафния, то это будет новым триумфом периодической системы Менделеева. Но чтобы проверить это, нужно было создать не существующее на Земле ядро нового элемента.

Свойства ядра 104-го элемента. Напомним, что номер элемента в периодической системе равен числу протонов, входящих в его ядро. Число нейтронов в ядре того же самого элемента может меняться, а значит, могут существовать атомы элемента с разным количеством нейтронов. Такие атомы называются изотопами. Сумма протонов и нейтронов ядра называется массовым числом. Это число примерно равно массе ядра изотопа, выраженной в массовых единицах. Массовая единица — одна двенадцатая массы атома углерод-12.

Рис. 1. Гафний: «Сто четвертый! Мы с тобой очень похожи — у нас по отдельной квартире, не то что у лантаноидов и актиноидов».

Оценивая возможности синтеза изотопов 104-го, мы пришли к выводу, что с нашими экспериментальными средствами проще всего получить и обнаружить ядро нового элемента 104 с массовым числом 260.

Какие же свойства этого ядра мы могли предвидеть? Все трансурановые элементы нестабильны. Они непрерывно распадаются. Один из способов —альфа-распад. Например, ядро 104260 делится на два ядра: ядро гелия с зарядом 2 и массой 4 и ядро 102-го элемента с зарядом 102 и массой 256:

104260 → 102256 + a4 .

Другой способ — спонтанное деление: ядро самопроизвольно (спонтанно) делится на два примерно равных по массе ядра. Образовавшиеся в результате деления ядра называются осколками.

Хотя мы не располагали надежной теорией, объясняющей свойства трансурановых элементов, способ распада ядра 104260 удалось предсказать. Наши оценки показывали, что новый элемент с массой 260 в основном будет делиться спонтанно.

Мрачные перспективы. Теоретики предсказали, что в среднем ядро изотопа 104260 может жить всего около двух миллионных долей секунды. Из таких предсказаний следовали неутешительные выводы: за миллионные доли секунды нельзя изучить химические свойства элемента; исследование ядерных свойств 104-го будет крайне затруднено. Чем выше номер трансуранового элемента, тем труднее изучать его свойства. Например, если верить расчетам теоретиков, время жизни 106-го элемента — одна десятимиллиардная доля секунды. Следовательно, путь к исследованию высших элементов закрыт. Но обработка данных, полученных опытным путем, давала надежду, что время жизни 104-го должно быть больше вычисленного теоретически. Во сколько же раз? На это мы могли ответить, получив ядра нового элемента и измерив период их полураспада.

Как получить ядро нового элемента? Если увеличить заряд ядра, например, на две единицы, то на столько же единиц возрастет порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Но как повысить заряд ядра? Обстреляем нейтронами плутоний-242. Ядро94 Pu242, захватив нейтрон, заряд которого нуль, а масса — единица, превратится в изотоп того же самого элемента плутония с массой в 243 единицы:94 Pu243 .

Ядро изотопа94 Pu243 само повышает свой заряд на одну единицу, испуская β-частицу — электрон, а следовательно, переходит в ядро с зарядом 95 — в ядро элемента америция:95 Am243.

В ядерных реакторах с интенсивными потоками нейтронов так могут быть получены все элементы, вплоть до 100-го — фермия. Может быть, удастся получить 101-й — менделевий. Но к высшим элементам (102, 103, а тем более 104-му) такой путь закрыт.

Дело в том, что изотопы элемента, атомный номер которого больше, чем 101, живут в лучшем случае десятки секунд; а процесс захвата нейтронов даже в новейших реакторах с очень большой интенсивностью потока нейтронов продолжается длительное время. Это — десятки дней, а то и месяцы. Ядра изотопов высшего элемента гибнут, не успев родиться.

Но есть другой путь: увеличить атомный номер ядра скачком, слив два сложных ядра. Если, например,

357


с ядром урана (заряд 92) слить воедино ядро неона (заряд 10), то образуется новое ядро с зарядом 92+10=102, т. е. ядро 102-го элемента:

92U238 + 10Ne22 → 102260.

Простая арифметика, но на деле явление оказывается весьма сложным. Сложность его прежде всего в том, что слияние таких ядер может произойти лишь в том случае, если они сближаются с большой скоростью.

Как известно, между ядрами действуют силы двух типов — отталкивание, так как они одноименно заряжены, и ядерное притяжение. Ядерные силы притяжения вступают в действие лишь на очень малом расстоянии между центрами ядер, когда ядра уже соприкасаются поверхностями. Электрические же силы отталкивания действуют на значительно большем расстоянии. Поэтому в обычных условиях ядра не могут слиться. Для этого они должны обладать достаточно большой скоростью. Например, скорость неона, чтобы его ядро слилось с ядром урана, должна быть не менее 90 млн.км/час — в 30 000 раз больше скорости самого современного реактивного истребителя! Кинетическая энергия ядра неона при этом будет в 50 млн. раз больше, чем энергия, выделяемая одним атомом углерода при сгорании угля!

Рассмотрим процесс слияния ядер изотопов неона-22 и плутония-242:

91Pu242 + 10Ne22.

В результате этого процесса в новом ядре будет 104 протона (сумма зарядов неона и плутония), а его масса равна 242 + 22=264 атомным единицам. Вновь образовавшееся ядро называется составным. Оно ведет себя, как капля жидкости. Эта «капля» ядерного вещества — составное ядро — неустойчива: она «кипит». Таким его делает энергия возбуждения, внесенная тяжелым снарядом — неоном. Составное ядро деформируется, начинает совершать колебания и делится практически мгновенно на ядраосколки.

Новый элемент не получился. Но...

В десятимиллиардной доле случаев. Но, к счастью, не всегда составное ядро мгновенно делится. В одном из десяти миллиардов случаев образовавшееся составное ядро 104264 не разделится, а «испарит» один за другим четыре нейтрона, отдаст с ними излишнюю энергию и останется жить (рис. 2). «Испарение» нейтронов не влияет на заряд ядра. Только масса за счет потери нейтронов уменьшится на четыре единицы.

Коэффициент полезного действия такого «снаряда», как неон, очень мал. Из-за этого обнаружить ядра 104-го элемента среди неимоверного количества осколков деления и других побочных явлений во много раз труднее, чем, например, ядра 101-го элемента, выход которых в ядерных реакциях в тысячу раз больше.

Наш циклотрон. Где взять ядра неона, движущиеся с нужной скоростью — 30 000 км/сек? Нужен специальный ускоритель ядерных частиц. В нашей лаборатории (Лаборатория ядерных реакций в Дубне) установлен циклотрон тяжелых ионов — самый мощный в мире. В нем ускоряются ионы, заряженные атомы тяжелее гелия: кислород, неон, аргон.

Магнит циклотрона, в котором ускоряются такие «тяжелые» ионы, должен быть большим: диаметр его полюсных наконечников 310 см, а вес 2500 т. Остальные узлы и детали циклотрона под стать размерам магнита. Зал циклотрона — огромное помещение высотой 18 м и площадью 1500 м². Почти зал Большого театра!

В центре — электромагнит циклотрона. Ток, протекающий по его обмотке,—2000 а. Мощность высокочастотного генератора, питающего циклотрон,— 1000 квт. Напряжение между ускоряющими электродами — дуантами— 260 тыс. в. 75 000 литров высокого вакуума нужно создать, чтобы работала эта гигантская машина.

В центре циклотрона ионный источник. Из этого сложнейшего устройства ионы начинают свой путь к мишени. Нелегко отработать все узлы циклотрона так, чтобы получить высокую интенсивность ускоренных ионов, падающих на мишень. Работа источника ионов, высокочастотного генератора, вакуумных насосов, стабилизация тока магнита — все это должно быть безукоризненным.

358


Рис. 3. Схема опыта получения 104-го элемента.

В Лаборатории ядерных реакций были получены самые мощные в мире пучки ускоренных тяжелых ионов. Мощность пучков неона в нашем циклотроне в сто раз превосходила мощность пучков, которыми располагают американские ученые. Это упрощало задачу, но все же получить 104-й элемент было чрезвычайно сложным делом.

Арена ядерных превращений. Если ядра плутония и ускоренные ядра неона — главные «действующие лица» в создании нового, 104-го элемента, то плутониевая мишень — «сцена», где происходит это ядерное превращение.

Плутониевая мишень устроена так. На 2 см² алюминиевой фольги толщиной в 6—10 мк нанесен слой плутония. Фольга с плутонием зажата между медными решетками, которые отводят от нее тепло, выделяющееся, когда ядра неона бомбардируют мишень. Температура ядер неона, падающих на мишень, — миллиард градусов (100000000°)!

Не всякий плутоний годится для получения 104-го элемента. У плутония известно 15 изотопов с самыми разнообразными свойствами. Например, период полураспада плутония-232—36 минут, а средняя продолжительность жизни плутония-244 — около 100 млн. лет. Кстати, некоторые ученые считают, что плутоний-244 мог сохраниться с момента рождения нашей планеты, и до сих пор еще пытаются найти его в недрах Земли. Но для синтеза 104-го нужен изотоп94 Pu242, и на нашу мишень нужно всего 0,002 г этого изотопа.

Схема опыта. Устройство, с помощью которого мишень вводится внутрь циклотрона в пучок ускоренных ионов, называется пробником. В пробнике, кроме мишени, помещена вся основная аппаратура, необходимая для регистрации ядерных процессов.

На рисунке 3 изображена схема получения и регистрации 104-го элемента. На мишень 1 падает пучок ядер неона. Пройдя алюминиевую фольгу-подложку 2, неон попадает в плутониевый слой. Сначала ядра неона и плутония сливаются в составное ядро.

Как мы знаем, только одно из десяти миллиардов составных ядер испускает один за другим четыре нейтрона и переходит в ядро 104-го элемента. За счет импульса, внесенного ядром неона, ядро 104-го элемента выходит из мишени и попадает на движущуюся никелевую ленту-конвейер 3.

Если слой плутония толстый, то ядра 104-го элемента, рождающиеся в нем на большой глубине, не смогут выйти из него. И там, внутри слоя, среди осколков деления составных ядер и осколков спонтанного деления94 Pu242, невозможно обнаружить ядра 104-го элемента. Поэтому о ядрах 104-го элемента, оставшихся в плутониевом слое, мы ничего не узнаем. Вот почему на квадратный сантиметр мишени больше 0,001 г плутония наносить неразумно.

Теперь ядра нового элемента движутся вместе с лентой. Их нужно обнаружить. Мы знаем, что ядро 104260 должно делиться, но не мгновенно, а через какое-то время после его рождения. За это время никелевая лента успеет перенести ядра 104-го элемента к регистраторам осколков деления. Такими регистраторами могут быть, например, ионизационные камеры А и Б.

Ядра нового элемента нестабильны и все время самопроизвольно делятся на ленте-конвейере на осколки. Поэтому мимо ионизационной камеры Б лента всегда пронесет меньшее число новых ядер, чем мимо камеры А, и число разделившихся ядер у камеры А будет больше, чем у камеры Б.

Если ядро спонтанно разделилось, допустим, около ионизационной камеры А, то один из осколков деления вызовет в ней импульс электрического напряжения. Этот импульс поступает по кабелю на электронный усилитель 4. Усиленный импульс уже можно передать на счетное устройство 5, расположенное далеко от пробника, на пульте управления циклотроном. Импульс напряжения, попадая на счетное устройство, заставляет стрелку механического счетчика перепрыгнуть на одно деление. Когда опыт закончен, физики записывают число импульсов, поступивших из ионизационных камер на счетные устройства.

Допустим, на одном счетчике зарегистрировано 40, а на другом — 20 импульсов. Следовательно, около камеры А разделилось 40, а около камеры Б — 20 ядер 104-го. Если скорость ленты v , а расстояние между ионизационными камерами l, то от камеры А до камеры Б ядра нового элемента транспортируются за время t0 =l/v.

Камерой Б зарегистрировано вдвое меньше импульсов, чем камерой А, следовательно, число ядер 104-го элемента, прошедших мимо камеры Б, также вдвое меньше. Половина ядер за время их переноса на расстояние l спонтанно разделилась. Значит, t0 — это время,

359


за которое число ядер 104-го уменьшается вдвое, иными словами t0 — период полураспада 104-го элемента.

Расстояние l и скорость v мы выбираем сами. Зная эти величины, можно вычислить одну из самых важных характеристик ядра 104-го элемента — период его полураспада. Скорость ленты и расстояние между счетчиками можно изменять. Так, если l =0,3 м, а v =1 м/сек, то период полураспада ядер близок к 0,3 секунды; если v =10 м/сек, а расстояние то же, то период полураспада ядер 0,03 секунды.

Первые опыты. Слишком много ядер 104-го. В первом опыте скорость v была выбрана так, чтобы изучить ядра с временем жизни около 0,01 секунды. И сразу же удача. Зарегистрированы спонтанно делящиеся ядра с периодом полураспада 0,014 секунды. Казалось, не нужно и сомневаться, что эти ядра принадлежат 104-му элементу: у ядер всех элементов с меньшим атомным номером период полураспада гораздо больше.

Но, может быть, это ложные импульсы, обусловленные нечеткой работой аппаратуры? Камеры каждый час регистрировали около 20 осколков. Нас смущал слишком большой выход 104-го. По расчетам должно было образовываться не более одного ядра за час работы циклотрона.

Сто два меньше, чем сто четыре. Каждый шаг в новую область науки требует колоссальной затраты сил и времени. Бывают ошибочные опыты. Так случилось со шведскими учеными. Они опубликовали работу, где рассказывалось о «впервые полученном» изотопе 102-го элемента. Этому элементу даже было присвоено имя «нобелий». Однако в дальнейшем полученные в Швеции результаты не подтвердились.

Подготовили новый опыт, чтобы убедиться, что действительно мы открыли 104-й элемент. Вместо плутониевой мишени в пробник была поставлена мишень из урана. Если эту мишень облучать неоном

92U238 +10Ne22 → 102260,

максимальный заряд ядра будет 102. Сто четвертый в этой реакции не образуется.

Для чего нужно было облучать уран? Что дает этот опыт? В реакции 94Pu242 + 10Ne22, кроме ядер 104-го, получается значительно большее количество других элементов. Ядра плутония и неона сравнительно редко сливаются полностью. Чаще ядро неона передает ядру плутония только несколько нуклонов. В результате на ленту пробника попадают не только осколки деления, но и более тяжелые ядра, испускающие все виды радиоактивных излучений. В таких условиях могут возникнуть ложные, или, как мы их называем, фоновые, импульсы. Новый опыт был поставлен для того, чтобы убедиться, присутствуют эти ложные импульсы или их нет.

Фон, который не удалось исключить. В лабораторном журнале после первого облучения урана-238 неоном-22 появилась запись: «Облучение урана неоном. Получены фоновые импульсы, имитирующие период полураспада спонтанно делящихся ядер порядка 0,014 секунды».

Откуда же взялись такие спонтанно делящиеся ядра? Их не должно быть. Теория и эксперимент указывали: все ядра с порядковым номером меньше 104 с гораздо большим периодом полураспада(!) спонтанно делятся на осколки. Проще всего это можно было объяснить тем, что аппаратура, которую готовили более года, непригодна: в ней создаются ложные импульсы.

Круглые сутки, в любое время дня и ночи, можно было видеть специалистов по электронике и физиков, склонившихся над схемами усилителей и конструкций, над деталями пробника. Они искали ошибки в схемах и в узлах пробника. Но ошибки не обнаруживались. Менялась вся электронная аппаратура и конструкция пробника. И опять опыты. Упорный «фон» оставался. Все время получался период полураспада 0,014 секунды. Может быть, это не фон?

Попробовали применить более легкие бомбардирующие ядра: азот, бор. Если в аппарате есть какая-либо погрешность, то при бомбардировке мишеней легкими ядрами число ложных импульсов не должно меняться. Неожиданно выход ядер с периодом 0,014 секунды резко возрос. Тогда стало очевидным: открыт новый процесс деления ядер, совершенно непредвиденный теорией.

В дальнейшем было выяснено, что с периодом 0,014 секунды делится ядро америция-242, образующееся в возбужденном состоянии в процессе ядерной реакции. Это явление наукой еще до конца не понято. Во всем мире ученые начали исследовать «странные» ядра америция. Многим это явление показалось более интересным, чем синтез нового элемента. Но нас продолжал интересовать именно 104-й элемент.

Дальнейшие поиски. Возникла новая опасность: может быть, у 104-го и у америция-242 в возбужденном состоянии период полураспада одинаков? Тогда осколки спонтанного деления нового излучателя замаскируют осколки 104-го. Как же искать 104-й элемент?

Оставалась надежда, что время жизни 104-го лежит в другом временном интервале. Перед нами встала задача — изучить спонтанно делящиеся ядра со временем жизни от 10−4 до 1 секунды.

Была создана новая методика регистрации ядер 104-го элемента. В принципе она не отличается от прежней, только вдоль ленты нужно было установить на гораздо большей длине несколько детекторов. Это позволило бы сразу в одном опыте регистрировать осколки спонтанного деления в широком интервале времени жизни ядер. Если скорость ленты 1м/сек, первый детектор поставлен в 3см от мишени, а последний — в 8м от нее, то будут зарегистрированы осколки спонтанного деления ядер с периодом полураспада от трех сотых до 4 секунд.

Но где взять детекторы осколков деления, не чувствительные ко всем другим видам радиоактивных излучений? Сложная аппаратура для этого явно не подходит: просто не хватит места разместить ее в пробнике. Но решение было найдено.

Следы на стекле. Если к обычной стеклянной пластинке приблизить на расстоянии 2—3мм платиновую фольгу с нанесенным на нее делящимся спонтанно изотопом (например, калифорнием-252), то осколок на его поверхности оставит след. Размер этого следа равен длине цепочки из нескольких атомов. Такие следы, или, как мы называем, треки, невозможно увидеть с помощью оптического микроскопа. Их можно разглядеть с помощью электронного микроскопа. Но и электронный микроскоп для этого нельзя использовать: основная трудность — слишком большое увеличение.

Чем больше увеличение, тем медленнее просматривается под микроскопом предмет большой площади. Понадобились бы целые годы, чтобы, используя электронный микроскоп, обработать результаты одного нашего опыта. Это все равно что с помощью микрометра пытаться определить высоту двухэтажного здания.

Проявление треков. На помощь пришла химия. Как известно, стекло растворяется в плавиковой кис-

360


ОПЫТ — ЭТО ДЛИТЕЛЬНЫЙ ТРУД БОЛЬШОГО КОЛЛЕКТИВА УЧЕНЫХ,

Каждый этап эксперимента должен быть тщательно продуман, проверен математическими вычислениями.

Циклотрон, дававший для опыта многозарядные ионы.

Физики обсуждают очередные результаты опыта.

В радиохимической лаборатории идет подготовка к анализу вещества, содержащего трансурановые элементы.

Наблюдение за работой пробника.

лоте. Если стеклянную пластинку, обстрелянную осколками делящихся ядер, поместить в плавиковую кислоту, то в местах, куда попали осколки, стекло начнет растворяться быстрее, чем рядом. Через несколько секунд образуется лунка, формой похожая на кратер вулкана (рис. 4). Ее размеры в тысячи раз больше первоначального следа, оставленного на стекле осколком. Лунки треков можно увидеть на поверхности стеклянной пластинки, увеличив их всего в сто раз. Другие радиоактивные излучения наносят на поверхности стекла меньшие повреждения и не просматриваются после травления.

Стекло-104. Как мы уже знаем, ядра плутония делятся ускоренными нонами. В результате деления возникает поток нейтронов, и, если в стекле содержатся даже субмикроскопические количества урана или тория, нейтроны разделят их ядра. На поверхности стекла появятся ложные треки.

Нам сварили фосфатное стекло, практически не содержащее ни уран, ни торий. (Случайно стекло это называлось «стекло-104».) Теперь можно было не бояться треков, обусловленных нейтронным потоком в циклотроне. Наша аппаратура стала полностью бесфоновой. Ложные импульсы в ней не могли возникнуть. В наших руках были идеальные детекторы, совершенно нечувствительные ко всем радиоактивным излучениям, кроме спонтанного деления. С их помощью были открыты спонтанно делящиеся излучатели со временем жизни 0,001 секунды и 3 секунды. Казалось, что область, где может находиться 104-й, заселена изомерами — удивительными ядрами, делящимися с невиданной скоростью и маскирующими 104-й.

Дыхание 104-го. И опять эксперименты. Ищем 104-й в «щелях» времени между спонтанно делящимися изомерами. Решили установить скорость ленты в 1 м/сек. Эта скорость позволяла изучить периоды полураспада спонтанно делящихся ядер во временном интервале от 0,1 до 1 секунды, свободном от изомеров.

Один из опытов. Сорок часов беспрерывно бомбардируют ядра неона плутониевую мишень. Сорок часов лента несет ядра отдачи к стеклянным пластинкам. Наконец, закончено облучение. Извлечены стеклянные пластинки и переданы в лабораторию на обработку. С нетерпением ждем результаты. Проходит несколько часов. Под микроскопом обнаружено шесть треков.

Вычислен период полураспада по положению треков и скорости ленты. Величина периода оказалась равной 0,3±0,2 секунды, т. е. она могла быть, например, 0,1 секунды или 0,5 секунды.

Повторили опыт. Эффект исчез. Новый многочасовой опыт. Обнаружено пять треков, оставленных осколками нового ядра. Еще опыты. Треки в области 0,3 секунды то появлялись, то исчезали. Такое явление никогда не наблюдалось в опытах, где получались ядра спонтанно делящегося изомера.

Есть 104-й! Анализ полученных данных привел к выводу: наблюдаемый эффект в сильной степени зависит от энергии неона. А раз так, необходимо точнее измерять ее величину.

По сравнению с уже преодоленными трудностями было легко повысить точность измерения энергии пучка ионов в циклотроне. Начались решающие опыты. Два месяца почти непрерывной работы. Днем. Ночью. Снята зависимость выхода новых ядер от энергии бомбардирующих плутониевую мишень ионов неона. Точно измерен период полураспада новых спонтанно делящихся ядер. Теперь в каждом опыте четко проявлялись следы спонтанно делящихся ядер с периодом 0,3 се-

Рис. 4. Так выглядят треки — следы осколков деления ядер — на стекле после его обработки плавиковой кислотой при увеличении в сто раз.

кунды. Мы установили, что больше всего новых ядер образуется, когда скорость ионов неона 31 500 км/сек.

Мы знали, что если мишень бомбардировалась 5 часов ядрами неона с такой скоростью, то образуется два новых ядра, если же скорость неона увеличится до 32 000 км/сек, за это же время образуется лишь одно ядро 104-го. Такая связь выхода нового ядра со скоростью бомбардирующих ионов неона могла быть, только если синтезировался 104-й. У изученных раньше делящихся спонтанно ядер-изомеров выход убывал с ростом энергии менее резко.

Было поставлено еще несколько контрольных опытов. Все они подтвердили: 104260 есть!

Это только начало. И все? Нет, работа над 104-м элементом только началась. Измерен период полураспада изотопа 104260. Он оказался таким, что есть надежда изучить химические свойства 104-го.

Пока общепризнано, что свойства 104-го должны совпадать со свойствами гафния. Может случиться, что у нового элемента электронная оболочка застраивается не так, как мы теперь думаем. Это было бы большим вкладом в теоретическую химию.

Наконец, и это, пожалуй, главное, теперь нет оснований опасаться, что время жизни высших трансуранов 105-го и 106-го лежит в области миллиардных долей секунды.

Зачем нужен 104-й? Для чего мы изучаем элементы за ураном? Где они применяются? Плутоний-239—лучшее ядерное горючее. Этот изотоп делится. нейтронами с малой энергией — «тепловыми нейтронами». Колоссальные запасы урана-238 могут быть переведены в плутоний с помощью специальных реакторов на быстрых нейтронах. Этой энергии человечеству хватит на сотни тысяч лет. Ясны перспективы использования и многих других трансурановых элементов.

В момент открытия нового физического явления иногда сами исследователи не знают, где и как будет применяться их открытие. В 30—40-х годах нашего

361


века, или, как говорят люди старшего поколения, «до войны», вся ядерная физика считалась большинством ученых отраслью, имеющей лишь научное значение. Считалось, что не менее сотни лет потребуется человечеству, чтобы освоить энергию ядра. А уже через несколько лет работал первый ядерный реактор, вошли в строй атомные электростанции.

В земной коре трансурановых элементов нет. А вот в звездах трансурановые элементы образуются непрерывно в результате ядерных процессов. Изучение свойств высших трансурановых элементов поможет человеку понять многие явления, происходящие в звездной материи.

В будущем, может быть недалеком, высшие трансурановые элементы помогут нам проникнуть в тайны Вселенной. И не последнее место здесь займет изучение изотопов 104-го элемента. Из них первый — 104260 — синтезирован в Дубне.

СЕМЬ СОСТОЯНИЙ МАТЕРИИ

Мы привыкли видеть вокруг себя три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Условия, с которыми мы встречаемся на поверхности нашей планеты, кажутся нам обычными. Часто так и говорят: «При обычной температуре вода находится в жидком состоянии, железо — в твердом, а воздух — в газообразном». Но эта температура обычна только для обитателей Земли, да и то не для всех. Для того, кто живет в Арктике, обычное состояние воды — твердое: он имеет дело с водой в виде льда. Если же смотреть на вещи не с нашей узкой, земной, а с космической точки зрения, то на первый план выходят другие, непривычные для нас состояния вещества, которыми наука стала заниматься только в последние десятилетия. Но раньше, чем рассказывать об этих состояниях, взглянем более пристально на уже привычные для нас состояния вещества.

ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК

Можно определять эти состояния по внешним признакам: твердое тело сохраняет как объем, так и форму; жидкость сохраняет объем, но не сохраняет форму, газ не сохраняет ни то, ни другое. Но правильнее исходить не из внешней формы, а из внутреннего строения вещества. Все вещества состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Сложное вещество содержит различные элементы, его молекула обязательно состоит из нескольких различных атомов. Молекула же простого вещества может быть построена из двух или нескольких одинаковых атомов. Так, например, в каждой молекуле азота, кислорода, водорода два одинаковых атома. Но в молекулах инертных газов — гелия, неона, аргона — только по одному атому. Можно сказать, что они состоят из свободных атомов, но эти свободные атомы можно также называть и молекулами. Таким образом, при обычной для нас температуре все тела состоят из молекул.

Состояния вещества с точки зрения молекулярного строения различаются мерой порядка в расположении и движении молекул. Проще всего понять, что такое газ. В нем молекулы располагаются и движутся без какого-либо порядка. Если молекулы сравнить с людьми, то газ подобен беспорядочной толпе перепуганных людей, бегающих в панике по всем направлениям. Противоположность газу — тело, в котором молекулы «выстроились» в строгом порядке, как вымуштрованные солдаты. Такое упорядоченное тело — кристалл. Зная расположение одной частицы в кристалле, можно точно рассчитать, где находится не только соседняя, но и самая далекая частица. Это положение выражают определением: «В расположении частиц кристалла есть дальний порядок». Труднее понять природу жидкого состояния. В жидкости каждая частица связана со своими соседями, но только с соседями. Иными словами, в жидкости есть ближний порядок, но нет дальнего.

Тепло — это проявление движения молекул. Неподвижными они могли бы быть только при температуре абсолютного нуля. Но ведь в кристалле каждая частица занимает вполне определенное положение. Разгадка в том, что частицы в нем все же совершают колебательные движения. Когда мы говорим о положении такой частицы в кристалле, нужно понимать, что это — положение равновесия, вокруг которого частица колеблется, подобно маятнику. Пока размах (амплитуда) колебаний гораздо меньше, чем расстояние между соседними частицами, общий порядок сохраняется. Если нагреть кристалл настолько, что при своих колебаниях

362


Молекула простого вещества может состоять из нескольких одинаковых атомов. Внешние электронные оболочки у таких атомов становятся общими. В молекулах водорода, азота и кислорода по два одинаковых атома. На рисунке изображены схемы атомов и молекул: водорода — А и Б, азота — В и Г, кислорода — Д и Е.

частицы начнут «задевать» друг друга, порядок нарушится, и кристалл расплавится. В жидкости движение частиц не ограничено колебаниями, она может течь. Но не всякую жидкость легко заставить течь. Глицерин, деготь, смола текут только под большим напором. Такие жидкости называют вязкими. Им мешает течь то, что каждая частица связана со своими соседями. Строение стекол, пластмасс и других полимеров не кристаллическое. С точки зрения порядка они не отличаются от жидкостей: порядок в них только ближний. Они кажутся твердыми только из-за их большой вязкости. Течь, хотя и очень медленно, может ведь и твердое тело. Ледники в горах постепенно стекают вниз. А лед — тело кристаллическое. Как же отличить истинно твердое тело от очень вязкой жидкости? Иногда говорят даже об особом стеклообразном состоянии вещества, отличая его как от твердого, так и от жидкого. Но если стекло нагревать, оно постепенно и непрерывно становится все

более текучим, пока не станет вести себя как типичная жидкость. Отсюда видно, что между стеклом и жидкостью нет точной границы.

У кристаллов же такая граница есть. Каждый кристалл имеет определенную температуру плавления, при которой свойства его резко, скачком, меняются. Существует способ определить, есть ли дальний порядок в расположении частиц вещества — это рентгеноструктурный анализ.

Когда рентгеновские лучи проходят через кристалл, они отклоняются от своего первоначального направления: на фотографической пластинке получаются так называемые дифракционные кольца. В кристалле упорядоченное расположение атомов — и кольца выглядят резкими; чем меньше порядка, тем более они размыты. Стекла, как и жидкости, показывают при таком исследовании только ближний порядок. Таким образом, по внутреннему строению настоящими твердыми телами нужно считать только кристаллические.

363


Среди молекул газа (А) нет никакого порядка. Молекулы твердого тела (Б) подчинены «дальнему порядку» — все молекулы связаны общим «строем». Молекулы жидкости (В) подчинены «ближнему порядку» — каждая молекула связана лишь с соседними молекулами.

Кристалл образуется в насыщенном растворе вещества. Каждая молекула пристраивается в строго определенном порядке к уже готовой кристаллической решетке. Из каждого вещества образуются кристаллы со свойственной ему геометрической формой.

ЧТО ЖЕ ТАКОЕ СТЕКЛО?

Не нужно думать, что под стеклом в науке подразумевается только обычное прозрачное оконное или посудное стекло. В стеклообразном состоянии можно получить многие вещества. Внешними признаками это состояние похоже на твердое (объем и форма сохраняются), но дальний порядок в расположении частиц отсутствует. Исходя же из внутреннего строения вещества, надо считать, что стекло — это жидкость, но настолько вязкая, что это свойство заставляет ее сохранять свою форму. При нагревании вязкость жидкостей уменьшается. Стекло при нагревании становится постепенно все более текучим, пока не приобретет и внешние признаки жидкости. Мы говорим, что стекло «расплавилось». Но в отличие от истинного твердого тела, т. е. кристалла, невозможно точно сказать, при какой именно температуре произошло «плавление» стекла. Свойства его меняются при нагревают постепенно и непрерывно, в отличие от свойств кристалла.

Всякая вязкая жидкость, например глицерин, при сильном охлаждении загустевает и переходит в стеклообразное состояние. Возникает вопрос: а нельзя ли перевести такую жидкость в кристаллическое состояние? Во время Отечественной войны в очень суровую зиму на подъездных путях одного из казанских заводов надолго задержалась цистерна с глицерином. Когда наконец цистерну подали под разгрузку, к великому удивлению работников завода, в ней оказалось какое-то странное кристаллическое вещество, вовсе не похожее на глицерин. Ученые из институтов Академии наук, эвакуированных в то время в Казань, стали исследовать загадочное вещество. Оказалось, что по химическому составу это был глицерин, но только кристаллический. Итак, глицерин закристаллизовался! Затем в старых научных журналах нашли сообщение о подобном же случае, происшедшем много лет назад.

А вот в лаборатории получить кристаллы глицерина никогда никому не удавалось. В чем же здесь дело? Оказывается, все в той же вязкости. Чтобы из жидкости образовался кристалл, ее молекулы должны «выстроиться», как солдаты на параде, в строгом дальнем порядке. Но для этого каждая молекула должна двигаться свободно и найти свое место в этом строю. А вязкость препятствует свободному движению. Если жидкость быстро охлаждать, то вязкость ее возрастет раньше, чем успеют образоваться кристаллы. Жидкость загустеет,

364


вместо того чтобы закристаллизоваться. Такие жидкости, не перешедшие, несмотря на низкую температуру, в кристаллическое состояние, называют переохлажденными. Чем больше вязкость, тем дольше жидкость может оставаться в переохлажденном состоянии. Воду тоже можно переохладить, но вязкость ее все равно будет невелика, и от любого толчка она закристаллизуется. А вот глицерин слишком вязок, он может оставаться в переохлажденном состоянии годами и все же не закристаллизоваться.

Труднее всего при кристаллизации образоваться первоначальному зародышу кристалла, в котором пока лишь небольшое число молекул расположилось в порядке. Дальше образовавшийся зародыш растет гораздо легче: ведь на его поверхности для каждой следующей молекулы есть уже определенное место, куда ей прикрепляться. Редчайшие Случаи кристаллизации глицерина объясняются, видимо, тем, что в середине большой цистерны охлаждение происходило очень медленно (внешние слои действовали как «шуба») и там кристаллические зародыши успевали образоваться раньше, чем вязкость становилась слишком большой.

Ученые и инженеры научились кристаллизовать и обычное стекло. Для этого в расплавленное стекло перед застыванием добавляют вещества, которые легко образуют зародыши кристаллизации (например, окись титана). Подучается кристаллическое стекло, которое гораздо прочнее обычного и может заменять не только строительные материалы, но даже и металлы. Такие кристаллические стекла называют ситаллами.

ПЛАЗМА —ЧЕТВЕРТОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Пока мы занимались веществом при обычных на поверхности Земли температурах, можно было частицами этого вещества считать молекулы и атомы. Но у атома тоже есть внутреннее строение. Он состоит из ядра, заряженного положительным электричеством, и отрицательно заряженных электронов. Если любое вещество нагревать до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток, его электроны начинают отрываться от атомов. То, что остается от атома после отрыва электрона, имеет положительный заряд и называется ионом, сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией. В результате ионизации получается смесь свободных

частиц с положительными и отрицательными зарядами. Эту смесь назвали плазмой.

При отрыве электронов разрываются и все связи, которые удерживают частицы в кристал-

Солнце (А) состоит из раскаленной плазмы. Видимая нами его поверхность — фотосфера (Б) — испускает плазменные потоки — хромосферу (В). Эти потоки образуют корону (Г) и протуберанцы (Д). Плазменные потоки распространяются в космическом пространстве в виде ультрафиолетовых лучей ( Е), которые ионизируют атмосферу нашей планеты ( Ж). Ионосфера Земли состоит из холодной плазмы.

365


Земля окружена магнитным полем, оно как бы вморожено в слой холодной плазмы (ионосферу) Земли. Выброшенные Солнцем плазменные потоки • «ударяются» об этот слой, и он начинает дрожать, как звенящий колокол. Плазма растекается вдоль земного магнитного поля и втекает в более плотную воздушную атмосферу вблизи магнитных полюсов планеты. Так возникает полярное сияние.

ле или жидкости. Казалось бы, в движении частиц не должно остаться никакого порядка. И действительно, плазма во многом похожа на газ. Иногда ее так и называют — газом из заряженных частиц или ионизованным газом. Но самые замечательные свойства плазмы проявляются тогда, когда на нее действует магнитное поле. При этом в движении частиц плазмы появляется некоторого рода порядок и свойства плазмы становятся совсем другими, чем у газа. Поэтому плазму и называют четвертым состоянием вещества.

Порядок, который вносит магнитное поле в движение частиц плазмы,— совсем особенный порядок. Его можно назвать винтовым. Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля. Но при этом она быстро вращается вокруг направления магнитного поля. Это вращение происходит по тому же закону, что и в круговом ускорителе заряженных частиц — циклотроне. Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют — циклотронным вращением. Из сочетания свободного движения вдоль поля и циклотронного вращения поперек поля получается винтовое движение частиц плазмы.

Если плазма не слишком плотная, то частицы редко сталкиваются между собой: каждая движется по своему винту. В поперечном направлении такая плазма может двигаться только вместе с магнитным полем. Для наглядности говорят, что магнитное поле как бы вморожено в плазму. Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму. Если снаружи возникает сильное магнитное поле, оно давит на плазму с силой, которую так и называют — силой магнитного давления. Отсюда следует, что плазму можно удерживать «магнитной стенкой», толкать «магнитным поршнем». Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ, то при движении поперек магнитного поля она приобретает в известной степени свойства твердого тела. На этих свойствах плаз-

366


мы основаны многие явления природы, которые начинают использоваться и в технике.

Солнце — громадный шар, состоящий из раскаленной плазмы. С поверхности Солнца непрерывно стекает спокойный поток плазмы — так называемый солнечный ветер. Время от времени на поверхности Солнца происходят вспышки. При каждой такой вспышке в космическое пространство «выплескивается» мощный, но кратковременный поток плазмы. Эти плазменные потоки, достигая атмосферы Земли, вызывают в ней много замечательных явлений: полярные сияния, магнитные бури, нарушения радиосвязи. Дело в том, что и Земля окружена плазменной оболочкой, только эта оболочка находится очень высоко. Ведь Солнце наряду с видимым светом посылает во все стороны также и невидимые ультрафиолетовые лучи. Эти лучи воздействуют на атомы воздуха и отрывают от них электроны, т. е. производят ионизацию. Так получается, что верхние слои атмосферы — ионосфера — состоят из ионизированного воздуха, иначе говоря, из плазмы.

Когда великий русский ученый А. С. Попов изобрел радио, думали, что радиоволны должны распространяться, как световые лучи — по прямым линиям. Никто и не предполагал, что радиопередачу можно будет «поймать» на другой стороне земного шара. Казалось, что Земля должна «затенять» свою «обратную» сторону. Но опыт показал другое. Сейчас все знают, что хороший приемник свободно ловит передачи из любого места земного шара. Такую возможность дает именно ионосфера. Плазма, как зеркало, отражает радиоволны. Правда, для этого плазма должна быть достаточно плотной, а волны — достаточно длинными. Короткие волны проникают в ионосферу и там поглощаются. Те, кому приходилось ловить радиопередачи на волнах короче 19 м, знают, что ночью эти волны «исчезают»: солнечные лучи перестают действовать, ионы и электроны соединяются в атомы, и плотность плазмы падает.

Кроме плазменной оболочки — ионосферы, Земля окружена еще и магнитным полем. Это поле «вморожено» в ионосферную плазму. Выброшенные Солнцем плазменные потоки «ударяются» об эту «оболочку», состоящую из плазмы и вмороженного в нее магнитного поля, и она начинает «дрожать», как колокол, по которому ударили. Дрожание магнитного поля заставляет дрожать стрелки всех компасов на кораблях и все указатели других приборов, измеряющих направление и силу магнитного

поля. Такие беспорядочные колебания земного магнитного поля называют магнитными бурями. Они следуют за солнечными вспышками именно через такое время, которое нужно плазменному потоку, чтобы дойти от Солнца до Земли. Ударяя о плазменное «зеркало», отражающее радиоволны, плазменные потоки могут вызывать и нарушения радиосвязи. А после удара солнечная плазма растекается вдоль направления земного магнитного поля и втекает в более плотный воздух вблизи магнитных полюсов Земли, т. е. в полярных областях. Там частицы плазмы сталкиваются с молекулами воздуха и заставляют их светиться. Так возникают красочные полярные сияния.

Мы могли здесь рассказать только о немногих, наиболее бросающихся в глаза проявлениях плазмы в космосе. Звезды, газовые туманности, межзвездный и межпланетный газ содержат вещество в состоянии плазмы. Твердое вещество содержат только планеты, их спутники, метеориты и космическая пыль. Если для нас на Земле плазменное состояние кажется необычным, то в космосе это — основное состояние вещества.

Плазма с каждым годом все чаще применяется в технике. В обычной пока электрической лампочке светится раскаленная нить металла. А в газосветных лампах светится плазма, заполняющая стеклянную трубку. Начинают входить в употребление плазменные горелки для сварки и резки металлов. При всяком электрическом разряде в газе образуется плазма. Самый простой тип разряда называется вольтовой дугой. Дуга зажигается, если к двум металлическим электродам приложить достаточное

Одна шеститысячная часть всей природной воды на Земле —

это тяжелая вода. В ней вместо обычного водорода соединен

о кислородом дейтерий. При превращении дейтерия в гелий

высвобождается большое количество энергии.

367


Схема установки для получения кратковременной раскаленной плазмы.

электрическое напряжение, чтобы пробить находящийся между ними газ. Дугу, чтобы она не расширялась (а расширение приводит к охлаждению), как бы сжимают, окружая кольцевой струей холодного газа или водяного пара. В технике все шире применяются сжатые этим способом дуговые разряды. Такие приборы называют плазмотронами. Они применяются там, где нужна очень высокая температура, например в химической промышленности и металлургии.

Самое замечательное, чего ждет человечество от плазмы,— это возможность овладеть управляемой термоядерной реакцией. В любой природной воде около одной шеститысячной части тяжелой воды, в которой водород заменен его тяжелым изотопом — дейтерием. Превращение дейтерия в гелий — ядерная реакция ,с громадным выходом энергии. Но чтобы человек мог управлять этой реакцией, нужно нагреть воду до десятков миллионов градусов. Никакая твердая стенка не выдержала бы такой жар. Вот тут и придут на помощь свойства плазмы. Окружив ее «магнитной стенкой», можно создать условия для управляемой термоядерной реакции. Эта задача еще не решена, но над ней, не жалея сил, трудятся ученые (см. ст. «Сто миллионов градусов»).

НЕЙТРОННОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Четыре состояния, о которых мы говорили, существуют в окружающей нас природе. Но

возможны и другие состояния вещества. Они открыты, как говорится, на кончике пера теоретиков. Советский физик Л. Д. Ландау предсказал, что при очень высокой плотности вещества электроны должны как бы вжиматься в протоны атомных ядер: все нуклоны в ядре станут нейтронами, и вещество перейдет в нейтронное состояние. Плотность вещества при этом станет в сотни миллиардов раз больше, чем в тех состояниях, к которым мы привыкли. Астрономы иногда наблюдают яркие вспышки так называемых сверхновых звезд. Предполагают, что такая вспышка — колоссальный взрыв, при котором внешние слои звезды разлетаются, а внутренность сжимается и переходит в нейтронное состояние. На месте взрыва должна остаться крохотная нейтронная звезда. Астрономы усиленно ищут нейтронные звезды; нелегко обнаружить такое маленькое небесное тело. Но ученым известно, какими примерно свойствами должны обладать такие нейтронные звезды. Подсчитано, например, что они должны «светиться» рентгеновскими лучами. Чтобы поймать рентгеновские лучи, нужно посылать приборы на ракетах: через воздух эти лучи не проходят. И вот приборы на ракетах показали, что рентгеновские лучи идут от Крабовидной туманности. А нам известно, что в 1054 г. там, где теперь находится эта туманность, китайские ученые наблюдали появление новой яркой звезды. Предполагается, что там произошел звездный взрыв. Если удастся доказать, что рентгеновские лучи идут не от всей туманности, а от маленького тела внутри нее, тогда можно будет

368


сказать, что действительно в природе обнаружено пятое, нейтронное состояние вещества.

Пока это еще не доказано; больше того, есть данные, что лучи идут от всего газа. Приходится считать, что пока нейтронное состояние установлено только теоретически.

АНТИВЕЩЕСТВО И ЭПИПЛАЗМА

Чем больше энергии вложено в вещество, тем более необычайные состояния это вещество принимает. Интересно посмотреть, что же должно произойти при самой большой мыслимой плотности энергии. Ученые предполагают,

что при таких условиях любое столкновение частиц вызовет образование пары. Каждая такая пара должна состоять из частицы и античастицы, которые похожи друг на друга как предмет и его зеркальное изображение, но если у них есть заряды, то заряды эти противоположны. Сначала должны образовываться пары электрон — позитрон, а при еще более высокой плотности энергии — пары нуклон — антинуклон (т. е. протон — антипротон и нейтрон—

Эпиплазма — беспорядочное сгущение частиц и античастиц.

Астрономы предполагают, что при вспышке так называемой сверхновой звезды внешние ее слои разлетаются в космическом пространстве, а вещество, из которого состояло ядро ее, переходит в нейтронное состояние. На месте взрыва остается крохотная нейтронная звезда.

антинейтрон). Быть может, при каких-либо космических катастрофах получается такая смесь частиц и античастиц. Так как заряды у частиц и античастиц противоположны, то смесь эта должна быть несколько похожей на плазму; ее и назвали эпиплазмой (т. е. сверхплазмой). Пока нет никаких доказательств, что в природе существует эпиплазма. Это — шестое возможное состояние вещества.

ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ — СЕДЬМОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИИ

Если говорить не только о веществе, а вообще о материи, то в число ее состояний придется включить и пустое пространство. Развитие науки привело к выводу, что пространство обладает определенными физическими свойствами и каждое тело меняет свойства окружающего его пространства. Такое изменение пространства проявляется, например, когда различные тела притягиваются или отталкиваются. Электрические заряды и токи создают вокруг себя электромагнитное поле. Переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве как радиоволны, а ведь у них та же природа, что и у света, и у рентгеновских,

369


и у гамма-лучей. Все это электромагнитные излучения с различной длиной волны. Современная физика пришла к выводу, что не только электромагнитное, но и всякое другое взаимодействие распространяется в пространстве как поле, которое можно считать полем излучения. Строго доказано, что все взаимодействия передаются не мгновенно, а со скоростью света.

Опыт показал, что вещество и излучение — две формы существования материи. Вещество может превращаться в излучение, так же как и излучение в вещество. Можно было бы сказать, что седьмое состояние материи — это излучение. Но оказывается, что излучение — неотъемлемое свойство самого пространства. Пространство не может существовать без излучения. Современное понятие о пространстве далеко от чистой геометрии. Пространство имеет сложные и многообразные физические свойства, и в нем всегда присутствуют «представители» всех возможных типов излучения. Такое пространство, «пустое» только в том смысле, что в нем нет вещества, назвали «физическим вакуумом» («вакуум» означает «пустота»). Это и есть седьмое состояние материи.

ТВЕРДОЕ ТЕЛО И ЕГО ЗАГАДКИ

Кристаллы. Холодное зимнее небо роняет снежинки. Они невесомо опускаются на вашу ладонь, тают и падают с руки прозрачными шариками — каплями воды. Если взглянуть на снежинку через лупу, обнаружится сказочное явление: шестилучевая звездочка, и каждый луч ее состоит из шестигранных столбиков (по-научному — гексагональных призм). Это кристаллы льда — твердой воды.

Твердое состояние вещества — кристаллическое (см. ст. «Семь состояний материи»). В кристаллах с первого взгляда поражает их правильная форма, у каждого вещества своя.

Кристаллы поваренной соли (NaCl) образуют кубы. Кристаллы алмаза — октаэдры, или восьмигранники (см. рис. 1 на цвет. табл. у стр. 376). Кристаллы полудрагоценного камня берилла — гексагональные призмы, торцы которых покрыты тончайшим узором. Не каждый ювелир смог бы воспроизвести такой узор!

Симметрия. Основные внешние признаки твердого тела — его правильная кристаллическая форма и плоскогранность. Правильность формы выражена в его симметрии, т. е. в свойстве совмещаться в разных положениях с положением исходным. Если кубический кристалл

Рис. 1. У кубического кристалла три взаимно перпендикулярные оси. Он обладает симметрией четвертого порядка.

370


повернуть на 90° вокруг оси симметрии, проходящей через центры противоположных граней, кристалл совместится с исходным положением. При полном повороте вокруг оси на 360° этот кристалл совместится с исходным положением четырежды (рис. 1). Кристалл NaCl обладает тремя осями симметрии четвертого порядка (они показаны на рисунке), четырьмя осями третьего порядка (объемные диагонали куба) и шестью осями второго порядка (они проходят через центры противоположных ребер).

Фигура на рисунке 2, или, например, изображение левой и правой перчаток, обладают другой, зеркальной симметрией: левая половина рисунка совмещается с правой, как предмет со своим отражением в зеркале. Вместо оси симметрии здесь существует плоскость симметрии. На рисунке 2 плоскость симметрии пересекает плоскость рисунка по линии, делящей рисунок пополам, и обе плоскости перпендикулярны друг другу. Плоскости симметрии есть и у кристалла (куба) NaCl.

Шаровая форма. Все твердые тела, как бы ни различались они составом и кристаллической формой, будучи расплавлены, переходят в жидкое состояние и стремятся тогда принять одну и ту же форму — форму шара, капли. Шаровая форма типична для жидкости.

Существуют, правда, переохлажденные жидкости, например оконное стекло. Расплавленная стекольная масса при быстром охлаждении не успевает закристаллизоваться. Стекло по внешнему виду — твердое тело, а по внутренней структуре — жидкость. Если его нагреть выше определенной температуры, оно постепенно, а не сразу, как кристалл, превратится в жидкость.

Монокристаллы и поликристаллические вещества. Твердое тело может быть монокристаллическим, т. е. состоять из одного-единственного кристалла, или поликристаллическим, т. е. состоять из многих кристаллов, иной раз очень мелких, например в тысячную долю миллиметра. В производстве меди или стали расплав охлаждают быстро и отдельные кристаллики не успевают подрасти. Получается поликристаллическое твердое тело. Металлические предметы, окружающие нас в быту, от вилки до подъемного крана, состоят из поликристаллических веществ.

Рис. 2. Плоскость симметрии перпендикулярна плоскости чертежа и делит ее пополам.

Структуру такого вещества можно увидеть через микроскоп.

Таким образом, поликристаллические вещества состоят из мелких монокристаллов. Но не следует думать, что монокристаллы всегда мелки. В природе нередко встречаются крупные монокристаллы. Они вырастают в результате вековых процессов, протекающих в земной коре. Например, монокристаллы кварца, химический состав которого тот же, что и у речного песка (SiO2), вырастают до десятков сантиметров в поперечнике. В Ленинградском горном институте хранятся монокристаллы кварца, найденные на Урале и на Украине. Высота одного из них 85 см и вес 800 кг, высота другого 83 см, но он менее широк и весит всего полтонны.

В связи с развитием новой техники появилась потребность, например для полупроводниковых приборов, как в мелких, так и в крупных монокристаллах германия, кремния и других веществ. Иногда оказываются нужными кристаллические иглы, нити и даже тончайшие пленки. Все эти «капризы» приборостроительной промышленности удовлетворяются научными лабораториями и специальными заводами.

Закон анизотропии. На монокристаллах легко проследить действие одного из важнейших законов природы, относящихся к твердым телам,— закона анизотропии. Суть его в том, что многие свойства в твердых телах зависят от направления, в котором эти свойства измеряются. Например, теплопроводность Кристалла, измеренная в различных направлениях, может

371


оказаться неодинаковой. Она будет одинаковой лишь в параллельных и симметричных направлениях. То же можно сказать об электропроводности, твердости, прочности и других свойствах. Иначе говоря, симметрия внешней формы сопровождается в кристаллах симметрией физических свойств.

Закон анизотропии проявляется весьма наглядно. Из монокристаллов кварца, к примеру, изготовляют пьезоэлектрические пластинки (см. ст. «Звук»). Вырезать их нужно под строго определенными углами к осям симметрии, к граням и ребрам кристалла и для разных назначений пластинки — под разными углами. Ошибся в углах среза — получится бракованный прибор.

Симметрия внешней формы и симметрия физических свойств на первый взгляд кажутся чудом. Они вызваны симметрией внутреннего строения кристалла, т. е. расположением атомов в твердом теле.

Элементарная ячейка кристаллической решетки. Исследование методами рентгеновского анализа показало, что правильная форма кристаллов, например кубическая у NaCl, вызвана правильным расположением в пространстве атомов (точнее, ионов, т. е. атомов, несущих положительный или отрицательный заряд: Na+ и Cl). Их расстояния друг от друга строго равны по трем взаимно перпендикулярным осям.

Наименьшее количество атомов кристалла, сохраняющее при уменьшении его размеров присущую данному кристаллу симметрию, называется элементарной ячейкой. На цветной таблице у стр. 376 (рис.2) показана элементарная ячейка кристалла NaCl. Ребро ее равно 5,63 Å, расстояние между центрами ионов Na+ и Cl равно 2,815 Å .

Из элементарных ячеек слагается кристаллическая решетка твердого тела, состоящая из огромного количества атомов. Атомы (ионы) образуют узлы кристаллической решетки. Промежутки между узлами, «незанятые позиции» называют междоузлиям. В кристаллической решетке NaCl ионы Na+ и Cl образуют соответствующие подрешетки натрия и хлора, как бы вставленные друг в друга. На цветной таблице изображены также элементарные ячейки: меди — (рис. 3), графита — (рис. 4) и алмаза — (рис. 5). У каждого атома в решетке меди 12 соседей, в решетке NaCl — 6 соседей, в решетке алмаза — 4. Число соседей называется координационным числом. Кристаллическую решетку можно рассматривать как совокупность миллиардов приложенных друг к другу элементарных ячеек.

Так как в решетке NaCl расстояние между ионами равно 2,815 Å, то вдоль 1 см вещества (ребро куба) уложилось бы 35,5 млн., или 3,55•107 атомов. Следовательно, в монокристалле поваренной соли, объем которого равен 1 см³, около 4,45•1022 атомов.

Трудно представить себе такое колоссальное количество! Поясним его таким примером. Если бы в сосуд было помещено миллион лет назад 4,5•1022 атомов (скажем, гелия) и ежесекундно из этого сосуда вылетал бы в космическое пространство миллион атомов, то за год количество гелия уменьшалось бы в сосуде на 3,2•1013 атомов. А за миллион лет оно уменьшилось бы всего на 3,2•1019 атомов, т. е. менее чем на одну тысячную первоначального количества (4,5•1022).

Структура кристалла и закон анизотропии. Даже в кубической структуре кристалла типа NaCl, в которой расстояния между атомами одинаковы по трем направлениям, в других направлениях (кроме этих трех) свойства кристалла сильно отличаются. Происходит это не только потому, что в других направлениях межатомные расстояния другие, но и вследствие иного распределения сил связи между атомами. Возьмем, например, в кристалле NaCl направление объемной диагонали. Перпендикулярно ей чередуются плоскости, образующие грани октаэдра (см. рис. 2 на цвет. табл.). Каждая из этих плоскостей состоит только из одного типа ионов: из Na+ или из Cl. Силы притяжения, возникающие между такими плоскостями, в 5 раз больше, чем между плоскостями, параллельными граням куба, в каждой из которых лежат и те и другие ионы: и Na+, и Cl. Вот почему кристалл NaCl гораздо легче расколоть по плоскостям куба, чем по плоскостям октаэдра. Поэтому же и кристаллизуется поваренная соль, образуя кубы. Непонятная на первый взгляд «прихоть» природы оказывается вполне объяснимой!

У алмаза тоже кубическая решетка. Но атомы углерода предпочитают образовывать октаэдрические кристаллы. Каждый атом в алмазе окружен четырьмя соседями (см. рис. 5 на цвет. табл.). Расстояние между ними строго равно 1,54 А. Такие короткие связи очень прочны, недаром алмаз — самое твердое природное вещество на Земле. Все четыре связи одинаковы, но, если из алмаза вырезать симметричный куб, количество связей, проходящих через единицу поверхности на грани такого куба, значительно больше, чем на грани октаэдра. Поэтому-то алмаз гораздо легче раскалывается (и

372


кристаллизуется) по граням октаэдра, а не по граням куба.

В некубических кристаллах закон анизотропии проявляется еще более разительно. На цветной таблице (рис. 4) показана кристаллическая гексагональная решетка графита. Графит, как и алмаз, состоит из атомов углерода. Но атомы образуют в нем не октаэдры, а шестиугольные кольца. В пределах слоя этих колец расстояние между атомами равно всего 1,45 Å. Эти связи очень прочны, прочнее, чем у алмаза. У каждого атома в слое три связи. Четвертая же связь, перпендикулярная слою, очень длинна — 3,35 Å — и потому слаба. Она легко рвется. Графит хорошо расщепляется вдоль слоев решетки и очень мягок. В направлениях, параллельных и перпендикулярных к слоям, в графите резко отличаются не только твердость, но и теплопроводность, электропроводность и многие другие свойства.

Реальные кристаллы. В идеальном кристалле, каким мы только что его описали, «дальний» порядок охватывает миллионы миллионов атомов. В тех же кристаллах, которые существуют в природе, т. е. в реальных кристаллах, этот порядок чаще всего нарушен (см. на цвет. табл. рис. 6). В простом веществе, допустим в меди, атомы могли бы занять все узлы решетки только при абсолютном нуле, т. е. при 0 °К. При более высокой температуре атомы переползают из

глубины кристалла на его поверхность, оставляя внутри незанятые узлы, «вакансии». Строение такой решетки называется «структурой Шоттки». При еще более высокой температуре атомы просто смещаются с узлов в междоузлия — образуется «структура Френкеля». Атомы примесей могут проникнуть в кристалл и занять места в свободных узлах. Такое построение называется структурой замещения. Могут они поместиться и в междоузлиях, тогда возникает структура внедрения.

В химических соединениях или сплавах их компоненты могут образовывать между собой структуры замещения. При повышении температуры все больше атомов одного компонента проникает в позиции второго компонента и, наоборот, атомы второго компонента — в позиции первого. Беспорядок в кристаллах усиливается.

Все эти нарушения правильной структуры кристаллов в отдельных узлах или междоузлиях называются точечными дефектами. Они очень влияют на механические, электрические и другие свойства кристаллов. Кроме точечных дефектов, в твердых телах и стеклах возникают и протяженные дефекты, которые также отражаются на многих свойствах вещества, например на прочности (трещины, сдвиги слоев и др.).

Механическая прочность тела. Железная проволока сечением в 1 мм² разрывается силой тяжести в 100 кг. У стеклянной нити того же

«Стешевит» из «Каньона дьявола»

Радиус планеты Земля 6378 км. Живущий на ней человек изучил только самый верхний слой — тончайшую плёночку земной коры толщиной всего 6—7 км. Что делается глубже, пока еще неизвестно. Плотность горных пород земной коры 2,5— 3,0 кг•м³. Плотность всего земного шара изучили астрономы и физики, она оказалась 5,5 кг•м³ . Из чего же состоит Земля? Почему она такая тяжелая? Может быть, средняя плотность земного шара потому так велика, что на большой глубине под действием немыслимо огромного давления возникают из тех же элементов, которые на поверхности земного шара образуют земную кору, новые удивительные соединения, новые материалы, обладающие большой плотностью.

Решить эту задачу взялся молодой советский ученый Сергей Стешев. Всем хорошо известен обычный кварц. В его кристаллической решетке вокруг каждого атома кремния расположены четыре атома кислорода.

Стешев подверг кварц давлению в 150 тыс.атм при температуре 1500°Ц. Эти условия соответствуют глубине всего в 400 км. После трудной и длительной работы Стешев получил всего несколько крупинок загадочного минерала. Такого минерала никто никогда на Земле не видал. Составом он не отличался от кварца, но его плотность оказалась 4,35 вместо 2,65 кг•м³. Такую большую плотность имеют нижние слои земной мантии.

Знаменитый «Каньон дьявола» в Америке — гигантский кратер, который образовался от взрыва некогда столкнувшегося с Землей огромного метеорита. Американские ученые, узнав об опытах Стешева, решили проверить, не мог ли возникнуть при ударе метеорита о Землю в «Каньоне дьявола» удивительный минерал, полученный искусственно в Академии наук СССР 23-летним советским ученым. В породах, образовавшихся при взрыве метеорита, ученые нашли тяжелый кремнезем. Он полностью совпадал с тяжелым кварцем, созданным в Москве Стешевым. Американские ученые предложили назвать новый минерал, найденный в «Каньоне дьявола», в честь его первооткрывателя «стешевитом».

373


сечения сопротивление может быть разным; допустим, что оно 10 кг³ (в среднем). Можно ли считать, что это подлинная прочность стекла? Советские ученые доказали, что если вместо одной толстой стеклянной нити сечением в 1 мм² взять стеклянное волокно, допустим, из 1000 нитей с сечением у каждой в 0, 001 мм², то прочность такой составной нити будет уже 100 кг/мм², т. е. сравняется с прочностью железной проволоки.

Причина такого загадочного явления оказалась прежде всего в ... трещинах. Если одна-единственная крохотная трещина возникнет в волокне с сечением в 1 мм², то под действием нагрузки эта трещина начнет быстро удлиняться, пока волокно не лопнет. Если та же трещина возникнет в одном из волокон нити, состоящей из 1000 тончайших волоконец, то это волокно также лопнет, но другие 999 волокон останутся неповрежденными и стеклянная нить выдержит нагрузку.

Это замечательное явление уже используется в технике. Стеклянное волокно, склеенное пластмассой,— прочный материал «стеклопластик». Из него можно делать детали машин, не менее прочные, чем из стали, но гораздо более легкие. Многим любителям рыбной ловли уже известны великолепные удилища из стеклопластика. Они легки и очень прочны.

Такое свойство реальных кристаллов и стекол открывает перед техникой практические, очень важные перспективы:

1. Если нужно резко повысить прочность твердого тела, не обязательно создавать новое вещество. Устранив дефекты, можно во много раз повысить прочность уже известного вещества. Советские ученые давно доказали такую возможность.

2. Чтобы понизить прочность твердого тела и тем самым облегчить его помол (дробление), можно ввести в него так называемые поверхностно-активные вещества, которые проникают по трещинам в глубь кристалла и значительно облегчают его раскалывание. Это также доказали своими исследованиями советские ученые — П. А. Ребиндер и др. (см. ст. «Замечательные явления на границах между телами»).

Удивительные свойства полупроводников. Много веков известны человечеству металлы. Из них изготовлялись машины, оружие, утварь. В прошлом веке открыли возможность передавать на многие тысячи километров электрическую энергию, т, е. поток электронов. Металлы, например серебро, медь и алюминий, оказались превосходными проводниками электричества. Электрические провода изготовляются сейчас из меди и алюминия, а для очень точных приборов — и из серебра.

Для электропередач, кроме проводов, потребовались и изоляторы, например слюда, фарфор. Такие материалы называют диэлектриками. Они практически не проводят ток и препятствуют его потерям в электрической сети. Но существует много веществ, промежуточных по электропроводности между металлами и диэлектриками. Они и проводники плохие, и изоляторы негодные. Их назвали полупроводниками. До второй четверти нашего века они не вызывали особый интерес. А сейчас нет школьника, который не слыхал бы о фантастических свойствах полупроводников (см. ст. «Полупроводники») .

Полупроводники способны непосредственно превращать энергию нагретых тел и даже энергию солнечного луча в энергию электрическую. Полупроводники позволяют сильно уменьшить размеры многих приборов. Например, электронно-счетная машина совсем еще недавно занимала целый зал. Машина с такими же возможностями, построенная на полупроводниках, может быть помещена в чемодане. Мотор-генератор, превращающий переменный ток в постоянный, весит полтонны, а полупроводниковый выпрямитель тока такой же мощности — всего полкилограмма.

О многочисленных применениях полупроводников подробно рассказано в статье «Полупроводники». Все эти богатейшие для техники возможности кроются в крохотных кусочках твердых или стеклообразных тел, обладающих свойствами полупроводников.

В чем сущность свойств полупроводника? Почему, например, металл свинец не может заменить в технике своих соседей по четвертой группе периодической системы — полупроводники германий и кремний?

Различие между металлами, полупроводниками и диэлектриками вызвано тонкими деталями в строении атомов и особенностями энергетических уровней в твердых телах. Атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающих ядро электронов. Число электронов в атоме равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены в оболочках, на уровнях, строго определенных для каждого элемента. Число электронов для каждого уровня строго ограничено. Между уровнями — «запрещенные» для электронов области. Электрон может при определенных условиях «соскочить» со своего уровня, но тогда он должен пе-

374


рейти на соседний уровень. Механизм электронных перескоков в атомах любых элементов один и тот же: переход с уровня, более близкого к ядру, на более дальний требует затраты строго определенного количества энергии — кванта энергии ( + Е); при обратном переходе выделяется такой же квант энергии (-Е).

Когда твердое тело образуется, происходит сближение атомов. Одинаковые уровни в миллиардах атомов влияют друг на друга, эти уровни чуть-чуть смещаются, и в твердом теле возникает полоса, или зона уровней. Если самая внешняя зона заполнена электронами (тогда ее называют валентной), то перемещение электронов в электрическом поле невозможно, так же как и перемещение пассажиров в битком набитом трамвае. Следовательно, невозможна и электропроводность. Если же валентная зона перекрыта (рис. 3) зоной, в которой электронов нет или их мало (зона проводимости), то электроны валентной зоны легко переходят в зону проводимости и могут там перемещаться в электрическом поле (электронная проводимость). Электроны, оставшиеся в валентной зоне, приобретают заметную способность передвигаться в определенном порядке, который называется дырочным механизмом.

Электрические свойства твердого тела зависят от разности энергий валентной зоны и зоны проводимости. Если зона проводимости и валентная зона взаимно перекрываются — это металл (см. рис.7 на цвет. табл. у стр. 376); если зоны не перекрываются и энергетический разрыв D Е (запрещенная зона) между валентной зоной и зоной проводимости невелик — это полупроводник; если зоны не перекрываются и энергетический разрыв D Е велик — это диэлектрик.

Когда валентная зона и зона проводимости не перекрываются, электрон, чтобы перескочить через запрещенную зону, должен получить квант энергии D Е, например, за счет теплового движения атомов или за счет действия света. В валентной зоне, когда из нее уходит электрон e, остается положительно заряженная «дырка» е+ . В зоне проводимости электроны e движутся в электрическом поле к аноду, т. е. к положительному электроду. Это электронная проводимость. Электроны валентной зоны перескакивают на свободные места (на положительные «дырки») и также передвигаются к аноду, оставляя за собой «дырки». Этот процесс удобнее описать так, что «дырки» е+ движутся к отрицательному электроду — к катоду. Поэтому такой

Рис. 3. Образование энергетических зон при сближении атомов.

процесс и назван дырочной проводимостью. Сумма обоих процессов — электронной и дырочной проводимости — определяет электропроводность чистейшего полупроводника.

Когда температура полупроводника повышается, из валентной зоны все больше и больше электронов переходит в зону проводимости. В 1 см³ чистейшего германия 4• 1022 атомов; при комнатной температуре из валентной зоны переходит в зону проводимости только 1013 электронов, т. е. 1 электрон на 4• 109 атомов. При температуре 300°Ц такой переход совершают уже 1017 атомов, т. е. в 1000 раз больше. Электропроводность Ge очень быстро растет при повышении температуры.

Аналогично ведет себя полупроводник, когда на него падает свет, если энергия светового кванта достаточна для перескока одного электрона.

В обыкновенном дверном звонке электрическая цепь разомкнута. Нажимая пальцем кнопку, вы соединяете эту цепь, и сигнализация начинает работать. Если в разрыве цепи поместить не кнопку, а пластинку полупроводника, прибор становится автоматическим. При комнатной температуре и в темноте сопротивление в такой цепи очень велико и ток через полупроводник не идет. Но если полупроводник хотя бы незначительно нагреется (например, когда вблизи возник пожар), его электропроводность сильно возрастет, и звонок поднимет тревогу. Можно сконструировать и прибор, который автоматически включит противопожарные устройства.

Если луч света, падающий на полупроводник, периодически прерывается проходящими мимо людьми, электропроводность полупроводника то возрастает (освещение), то падает (тень). И полупроводник будет автоматически включать и выключать счетчик. Прибор точно

375


сосчитает, сколько людей прошло. Так устроены на многих производствах автоматические счетчики для регистрации сходящих с конвейера готовых деталей.

Примесная электропроводность. Если полупроводник не чистый и в нем есть какая-то незначительная примесь, которую даже невозможно определить обычным химическим анализом, физики говорят, что в нем «следы примеси». Свойства полупроводника со следами примеси уже иные, чем у чистого. Возьмем, например, полупроводник Ge со следами As. У атома As 5 внешних электронов (это элемент 5-й группы периодической системы), а у тома Ge 4 внешних электрона. Лишний электрон в валентной зоне не нужен, так как все места в атомных связях заняты. В таком полупроводнике возникает около зоны проводимости «донорный», т. е. отдающий электроны, примесный уровень (см. рис. 7 на цвет. табл. у стр. 376). Энергетический разрыв D ED между зоной проводимости и примесной зоной очень мал, электрону примесного уровня нужно придать очень мало энергии, чтобы он мог перескочить в зону проводимости. При комнатной температуре каждый атом As отдает в зону проводимости 1 электрон. Допустим, что в этом полупроводнике 1 атом As приходится на 108 атомов Ge. Следовательно, в 1 см³ на 4•1022 атомов 4•1014 атомов As. Уже при комнатной температуре в зоне проводимости окажется 4• 1014 электронов, т. е. в 40 раз больше, чем в беспримесном полупроводнике. Полупроводник с донорным примесным уровнем называется электронным и обозначается буквой n , например n-Ge.

Следы примеси галлия придают германию уже совсем другие свойства. В валентной оболочке галлия всего 3 электрона. Следовательно, в каждой связи не хватает одного электрона в результате замены атома Ge на атом Ga. В валентной зоне такого полупроводника образуются положительные дырки, а в запрещенной зоне появляется акцепторный, т. е. принимающий электроны, уровень. Перескок электрона из валентной зоны на акцепторный уровень также требует ничтожную затрату энергии. Он происходит уже при комнатной температуре. Такой примесный полупроводник называется дырочными обозначается буквой р, например p-Ge, Примесь 1 атома галлия на 108 атомов германия вызывает высокую дырочную электропроводность.

Ученые и инженеры, комбинируя электронные и дырочные полупроводники, создают многочисленные «чудодейственные» приборы.

Загадка термоэлектрогенератора. Если привести в соприкосновение электронный и дырочный полупроводники и нагреть место их соединения, то на холодном конце электронного полупроводника сгруппируются электроны e, а на холодном конце дырочного полупроводника — дырки е+ . Такая пара полупроводников называется термоэлектрогенератором. Соединив холодные концы полупроводников проводом, можно получить ток. Это легко обнаружить, нагрев место соединения полупроводников и включив электролампочку в цепь.

Полупроводниковый выпрямитель тока. Если ввести в полупроводник различные примеси, можно получить в нем области — электронную и дырочную. В таком полупроводнике образуется пограничный слой между этими областями. Пограничный слой иногда называют p-n-переходом. Он позволяет использовать полупроводник как выпрямитель тока. Когда к дырочной области (+области) подключен анод (+ электрод), а к электронной области (− области) подключен катод (− электрод), то ток, естественно, легко проходит через полупроводник (пропускное направление). Но если к + области подключить − электрод, а к − области подключить + электрод, то заряды оттекут от p-n-перехода к противоположно заряженным электродам и ток через полупроводник почти не сможет проходить (запорное направление). Движение электронов и положительных дырок через цепь регулируется p-n-переходом с огромной скоростью

В одном и том же полупроводнике можно поместить два и более p - n -переходов. Это позволяет создавать транзисторы. Такие транзисторы — основная действующая часть крохотных радиоприемников, легких переносных телевизоров и других замечательных приборов.

376


Таблица к статье «Твердое тело и его загадки»

1. У кристаллов различных веществ различная геометрическая форма: а — у поваренной соли — куб, б — у алмаза — октаэдр, в — у берилла — гексагональная призма; г —торцы кристалла берилла покрыты сложным узором. 2. У каждого атома в кристалле поваренной соли шесть соседей, они расположены по трем взаимно перпендикулярным осям. 3. В кристалле меди у каждого атома двенадцать соседей. 4. Кристаллическая структура графита. 5. Структура алмазного кристалла. 6. Различные структуры реальных кристаллов: а — структура Шоттки, атомы переползают из глубин кристалла на поверхность, оставляя внутри незанятые узлы; 6 — структура Френкеля, атомы смещаются из узлов в междоузлия; в — структура замещения, атомы примеси проникают в кристалл и размещаются в узлах; г —- структура внедрения примеси в междоузлия; д — сложная структура взаимозаменения А на В и В на А; е — структура вычитания, некоторые узлы остаются вакантными. 7. Схема уровней в полупроводниковом материале с примесями.

Таблица к статье «Химическая реакция»

Удивительное свойство катализаторов — их избирательность. Одно и то же исходное вещество — спирт — с помощью различных катализаторов можно превратить в вещества с различными свойствами и строением.

Главная загадка примесных полупроводников. Свойства твердых тел определяются их химическим составом и строением элементарных ячеек. Но за последние десятилетия выяснилось, что закон постоянства состава («где бы и как бы соединение ни получалось, его состав и свойства всегда одни и те же») для твердых тел иногда неприменим. Например, в сульфиде свинца PbS на атом Pb не обязательно приходится один атом S, а формулу сульфида свинца правильнее было бы понимать как соотношение Pb и S между Pb0,9995 S и PbS0,9995. Если тело — полупроводник, как в данном случае, то даже ничтожные отклонения индексов Pb и S в сторону недостатка серы или свинца влекут за собой резкие изменения электропроводности и других физических свойств (иногда в миллионы раз!). Меняется и знак проводимости. Недостаток серы ведет к образованию электронного, а недостаток свинца — дырочного сульфида свинца. Мы столкнулись здесь с неожиданным и важным явлением: в основном составе полупроводника не только присутствующие, но и отсутствующие атомы влияют на его полупроводниковые свойства так же сильно, как и ничтожные следы примесей. Этот загадочнейший на первый взгляд факт вызван тем, что в твердом теле разнородные атомы частично ионизированы, т. е. несут на себе тот или иной заряд: например, Pbn+ Sn−. Если из решетки кристалла испарить даже следы свинца, то +заряд, который был на этих атомах, останется в кристаллах, например на вакансии, оставленной испарившимся атомом. Эти +заряды, условно связанные с вакансиями, совершенно аналогичны акцепторному дырочному уровню и резко увеличивают электропроводность. Если испарить следы серы, то − заряды останутся на вакансиях серы и будут вести себя аналогично электронному донорному уровню, электропроводность также резко возрастет. В полупроводниках ничтожные концентрации точечных дефектов, вызванные структурой вычитания, т. е. нехваткой части атомов (см. рис. 6 на цвет. табл.), влекут за собой исключительно важные научные выводы и технические возможности.

* * *

Мы коснулись здесь только некоторых из многочисленных загадок твердого тела, которые уже раскрыты пытливым умом исследователей. На пороге знаний — новые загадки и новые открытия.

Образование есть то, что остается, когда все выученное уже забыто.

* * *

Луи Пастер: «Не всякому помогает случай. Судьба одаривает только подготовленные умы» .

Математические методы исследования часто открывали перед физиками неожиданные горизонты. Напомним фразу великого французского математика Анри Пуанкаре: «Уравнения стали умнее тех, кто их выводит».


ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Если бы вы захотели пересчитать все известные химические соединения, то это заняло бы неимоверно много времени. Одних только соединений углерода насчитывается около двух миллионов. Среди них есть такие сложные, что химическая формула любого из них с трудом могла бы уместиться на этой странице.

Чтобы получать огромные молекулы, состоящие из сотен и тысяч атомов разных элементов, химики изучили соединения простые и простейшие; узнали, какие именно элементы и в каком количестве в них содержатся.

Еще никто не знает, сколько разных минералов существует на Земле. Химические элементы могут образовать в природе самые разнообразные сочетания. Есть, например, минералы. в которых содержится сразу несколько десятков элементов таблицы Менделеева: одни в большем, другие в меньшем количестве, третьи в виде чуть приметных следов. Но химик точно знает, сколько именно этих элементов заключено в кристаллах минерала; десятые и сотые доли процента примесей не ускользнут от его внимания.

378


Из чего состоит то или иное вещество, сколько чего в нем содержится - вот вопросы, на которые дает ответ химический анализ. Из всех химических наук аналитическая химия, пожалуй, самая древняя наука и, можно добавить, очень нужная. Ученый может получить новое соединение, но без знания методов химического анализа он не сможет определить, какие элементы и в каком количестве входят в его состав. Он может обнаружить минерал, но ему будет неясно, новый ли это минерал или уже известный.

Химический анализ - первый помощник специалистам самых разных отраслей науки. Исследуя спектры небесных светил, астрофизик узнает, какие именно элементы и в каких количествах содержатся в звездах. Из богатого арсенала аналитических методов он чаще всего пользуется спектральным анализом. Металлургу химический анализ необходим при выплавке сталей и чугунов. С огромной пользой аналитической химии согласится и агроном. Ему важно знать, какие именно удобрения следует вносить, чтобы улучшить урожай. А для этого прежде всего следует изучить состав почвы. Археологу химический анализ поможет установить, например, из какого сплава изготовлено старинное металлическое украшение.

Количество аналитических методов очень велико, и оно постоянно увеличивается. Рассмотрим лишь некоторые из них.

ВСЕ ЦВЕТА РАДУГИ

Оказывается, многие элементы образуют окрашенные химические соединения. Они дают, как говорят химики-аналитики, характерные цветные реакции.

Предположим, что мы взяли несколько стаканчиков и в первый из них налили раствор медного купороса CuSO4 (сернокислой меди), во второй - хлорного железа FeCl3, в третий - азотнокислого алюминия Al(NO3)3, в четвертый - сернокислого натрия Na2 SO4. Если после этого в каждый из стаканчиков прилить немного раствора гидроокиси аммония NH4 OH (нашатырного спирта), то в первом стаканчике, там, где был голубоватый раствор сернокислой меди, выпадает зеленоватый осадок, который при дальнейшем добавлении раствора гидроокиси аммония полностью растворяется. Раствор приобретает красивый васильковый цвет. Во втором стаканчике, где первоначально был слабо-зеленоватый раствор хлорного железа, вы-

Труд химика-аналитика можно сравнить с поисками иголки в стоге сена.

падает бурый осадок гидроокиси железа; в третьем, где раствор был бесцветен, образуется белый осадок гидроокиси алюминия, а в последнем - раствор по-прежнему останется прозрачным. Характерная окраска раствора или выпадение осадков определенного цвета - вот на чем основаны методы качественного анализа раствора.

Правда, некоторые вещества образуют одинаково окрашенные осадки. Так, гидроокиси цинка, свинца, алюминия, магния белого цвета. Кроме того, если смешать несколько солей различных металлов и прилить туда раствор гидроокиси аммония, то наложение одних цветов осадков на другие сильно исказит всю картину и нельзя будет достаточно правильно судить о составе смешанного раствора.

В этих случаях химические элементы предварительно разделяют. Иногда таким методом может быть хроматография (см. ст. «Удивительная судьба одного простого открытия»). Иногда это могут быть просто обычные методы раздельного осаждения.

Существуют и другие методы разделения химических элементов, например экстракция. Большинство неорганических веществ практически нерастворимо в органических растворителях, например в бензоле, хлороформе, эфире. Но известно, что многие органические вещества хорошо растворяются в подобных растворителях. Химики решили воспользоваться этой своеобразной ситуацией. Оказалось, что если соль какого-либо металла взаимодействует со сложным органическим соединением, то образовавшееся вещество, хотя оно и содержит атомы металла, обладает многими свойствами орга-

379


Методом экстракции из сложной смеси выделяют лишь нужные элементы.

нических веществ, в том числе и свойством растворяться в органическом растворителе. Так, например, если в растворе смесь солей алюминия, никеля и трехвалентного железа, да еще если в этой смеси железа очень мало, то, осаждая такой раствор гидроокисью аммония, трудно будет установить, есть ли железо в растворе. Однако если прилить к нашему раствору достаточное количество раствора роданистого аммония NH4 CNS, а затем добавить небольшое количество этилацетата и всю смесь тщательно перемешать, то первоначально бесцветный слой этилацетата (он не смешивается с водой) окрасится в темно-красный цвет. Это железо с роданидом образовало так называемое роданистое железо, которое растворимо в этилацетате значительно лучше, чем в воде, и окрашено в красный цвет. Практически все железо перейдет в этилацетат, оно экстрагировано этилацетатом. В результате этих реакций железо отделено от всех остальных элементов, присутствовавших в растворе, а по красной окраске роданистого соединения установлено, что в растворе было железо. Образование красного роданистого соединения - чрезвычайно чувствительная реакция на железо. Этим способом можно определить около 10−7 г, т. е. одну десятимиллионную долю грамма, железа в 1 см³ раствора.

СВЕТ И ЦВЕТ

Больше ста лет назад немецкий ученый Г. Кирхгоф обратил внимание на то, что соли различных металлов окрашивают бесцветное пламя газовой горелки в разные цвета: соли калия окрашивают пламя в бледно-фиолетовый цвет, соли натрия - в желтый, соли меди - в зеленый, кальция - в карминово-красный.

Кирхгоф решил, что это поможет ему быстро и безошибочно устанавливать присутствие тех или иных химических элементов в изучаемых веществах. Однако радость ученого была преждевременной. Все шло хорошо до тех пор, пока он пользовался чистыми солями. Но если смешать соли натрия и калия, то на фоне ярко-желтого пламени горелки (присутствие натрия) разглядеть фиолетовую окраску калия практически невозможно.

На помощь пришел химик Бунзен. Он предложил рассматривать пламя горелки, в которое вносится смесь солей, через специальный прибор - спектроскоп. Если через призму спектроскопа пропускать белый свет, он разлагается в спектр. Но в отличие от других источников света пламя газовой горелки, в которое вносили испытуемую соль, давало не сплошной, а линейчатый спектр, причем положение линий на спектре было строго постоянным. Так, например, если рассматривать в спектроскоп пламя, в которое внесли соли натрия, то можно различить две очень близкие друг к другу и очень яркие желтые линии.

Если в пламя внести соли калия, то на спектре видны одна красная и две фиолетовые линии. Линии определенных химических элементов появляются на одних и тех же местах. Например, если внести в пламя хлористый, сернокислый, углекислый, азотнокислый натрий, то линии натрия будут появляться на одном и том же месте.

Кирхгоф и Бунзен испробовали все известные элементы и соединения «на пламя» и составили список химических элементов с характеристиками их линий в спектре. Можно

Окраска пламени часто характеризует присутствие того или иного элемента. Зеленый цвет говорит о наличии меди, желтый - натрия и т. д.

380


было безошибочно анализировать смеси веществ. Так родился спектральный анализ. Он оказался не только прекрасным методом качественного определения присутствия в смесях тех или иных химических элементов, но и занял почетное место среди количественных методов анализа.

ПАСПОРТ ХИМИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ

Говорят, что художники и текстильщики, связанные с крашением тканей, различают около двух десятков оттенков красного цвета. Для химиков такое «интуитивное» различие цветов и оттенков не подходит. Ведь даже раствор одного и того же вещества в зависимости от его концентрации может иметь оттенки. Кроме того, химия знает множество разнообразных веществ и немало их окрашено в сходные цвета. Здесь на помощь химикам-аналитикам и пришла так называемая спектрофотометр и я. С помощью спектрофотометра проводят анализ окраски химического соединения или его раствора.

Еще Исаак Ньютон, пропуская тонкий солнечный луч через стеклянную призму, обнаружил, что так называемый белый цвет является сложным. Каждый, наверное, видел радугу. Цвета, в которые окрашена радуга, и есть составляющие белый цвет. Такую же «радугу» - спектр - наблюдал и Ньютон, пропуская солнечный луч через призму. Характеризовать цвета словами «красный», «желтый», «зеленый» не совсем удобно. В самом деле, какой «зеленый» - светло-зеленый, темно-зеленый, салатовый? Это весьма неточная характеристика цветности. И только когда было доказано, что свет - это электромагнитные колебания, т. е. волны, и что каждая волна имеет свою длину, можно было точно характеризовать тот или иной цвет или оттенок. Например, красный цвет с длиной волны 620 ммк (миллимикрон - одна тысячная микрона, или одна миллионная доля миллиметра) или красный цвет с длиной волны 637 ммк. Достаточно назвать длину волны света, и ученым всего мира становится ясно, о каком цвете идет речь.

Спектрофотометр позволяет получить пучок света вполне определенной длины волны. В спектрофотометре две основные части - кювета и приемник света (фотоэлемент), который регистрирует силу светового потока. В кювету наливают изучаемый раствор и сквозь этот

раствор пропускают свет определенной длины волны, который затем попадает на фотоэлемент. Длину волны света все время меняют от меньших длин волн к большим и следят за показанием стрелочного прибора, который соединен с фотоэлементом.

Если свет данной длины волны не поглощается, то стрелка стоит на месте, если же он в какой-то степени поглощается в растворе, то стрелка будет отклоняться от положения равновесия и можно точно определить, какое количество света данной длины волны поглотилось в нашем растворе.

Громадное количество органических и неорганических веществ было исследовано с помощью спектрофотометров. Были изучены даже спектры различных химических соединений в ультрафиолетовой и в инфракрасной областях длин волн. Оказалось, что каждому химическому соединению или иону присущ свой собственный, характерный только для него спектр, т. е. полосы поглощения. Каждое вещество имеет свой «цветовой паспорт». Именно на таком различии спектров и основан качественный спектрофотометрический анализ.

С помощью спектров поглощения можно проводить и количественный анализ. Было обнаружено, что во многих случаях интенсивность (глубина) окраски прямо пропорциональна концентрации (содержанию) химического соединения в растворе. Чем больше содержание данного соединения в растворе, тем сильнее раствор поглощает свет определенной длины волны. Таким образом, определяя поглощение света раствором, или, как говорят, его оптическую плотность, можно легко найти количество интересующего нас элемента.

Вообще чувствительность количественного спектрофотометрического анализа не очень велика - порядка 0,01-0,001%, но в отдельных случаях с его помощью можно определять десятитысячные и даже стотысячные доли процента примесей.

ВЕСОВОЙ АНАЛИЗ

Само название «весовой анализ» говорит о том, что определение проводится взвешиванием. Конечно, вес вещества не может служить его качественной характеристикой, поэтому весовой анализ используется только для определения количества анализируемых веществ, т. е. как количественный метод.

381


Анализируемое вещество тем или иным методом сначала переводят в раствор. Затем из этого раствора последовательно выделяют содержащиеся в нем химические элементы или их соединения и взвешивают на аналитических весах с возможно большей точностью. Так, например, чтобы определить состав бронзы (сплав олова и меди), надо взвешенную навеску бронзы поместить в стеклянный стаканчик и прилить туда азотной кислоты. При взаимодействии с азотной кислотой медь переходит в раствор в виде азотнокислой меди, а олово окисляется до двуокиси олова SnO2. Образовавшуюся двуокись олова отфильтровывают, прокаливают и взвешивают. Зная вес бронзы, а также вес образовавшейся двуокиси олова, можно легко подсчитать содержание олова и меди в нашем сплаве.

Весовой анализ применяют в практике редко, так как он весьма трудоемок и чувствительность его невелика - около 0,01%. Правда, в прошлом с помощью весового анализа были сделаны многие открытия.

В 1886 г. немецкий химик К. Винклер анализировал довольно редкий минерал аргиродит, который незадолго до этого был обнаружен в Саксонии. Методы весового анализа к тому времени были разработаны уже достаточно хорошо, и Винклер определил, что в новом минерале содержались в основном серебро и сера и небольшие примеси железа, цинка и ртути. Но когда он складывал процентное содержание всех найденных элементов, сумма упорно держалась на 93 и никак не хотела доходить до 100. Что же могли представлять собой неуловимые 7 % ? Винклер делает смелое предположение: 7% принадлежат неоткрытому элементу. Его предположение полностью подтвердилось. Слегка изменив схему анализа, он выделил эти неуловимые 7% и доказал, что они относятся к новому, неизвестному элементу, который и был назван в честь родины Винклера германием.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Чувствительность весового анализа невелика - всего около 0,01%. Что это значит? Если в 1 г меди определили 0,01 % примеси железа, это значит, что в данном образце меди содержится 1018 атомов железа. Такое громадное число даже и назвать трудно. Иначе говоря, в кусочке меди приблизительно на 10 000 ее атомов приходится один атом железа. А как

при таких подсчетах выглядят другие методы анализа? Чувствительность определения железа спектрофотометрическим методом можно довести до 110−6 %. Если такое количество мы сможем определить в 1 г меди, то это будет означать, что в нем содержится лишь 1014 атомов железа и один его атом приходится на 100 000 000 атомов меди.

Есть ли еще более чувствительные методы анализа, которые определяли бы даже отдельные атомы? Оказывается, такие методы существуют и основаны они на явлении радиоактивного распада.

Изотопы всех элементов, расположенных в периодической системе за висмутом, подвержены радиоактивному распаду. Одна из наиболее важных характеристик этих изотопов - их период полураспада, т. е. время, за которое количество данного элемента уменьшается вдвое (см. ст. «Великий закон»). Зная эту характеристику, можно точно идентифицировать, т. е. опознать, любой радиоактивный изотоп и установить, какому элементу он принадлежит.

Вскоре после открытия явления радиоактивности выяснилось, что альфа-частицы, испускаемые некоторыми радиоактивными элементами, имеют постоянную величину так называемого свободного пробега в воздухе. Если мы имеем, например, торий, уран и радий, то альфа-частицы первого пролетают в воздухе самое маленькое расстояние, а альфа-частицы последнего - самое большое. Причем путь их можно наблюдать в специальном приборе - камере Вильсона. Таким образом, помещая изучаемое вещество в камеру Вильсона и наблюдая следы, оставленные альфа-частицами, можно не только качественно, но и количественно подсчитать распавшиеся единичные атомы.

Методы анализа, основанные на том или ином способе измерения радиоактивности, получили название радиометрических. И хотя их чувствительность необычайно высока, все же использовать многие из них для целей аналитического определения химических элементов часто очень трудно. Во-первых, работа с камерой Вильсона очень трудоемка. А во-вторых (и это главное), ведь не все элементы радиоактивны, и тем более альфа-излучатели. Если же элемент и радиоактивен, но является бета- или гамма-излучателем, его идентифицирование в камере Вильсона крайне затруднено.

Но все же химики-аналитики нашли способ «приручить» радиоактивность для своих нужд. Они разработали метод активационного анализа. Почти все химические эле-

382


менты имеют природные изотопы. Причем большинство из них не являются радиоактивными - это стабильные изотопы. Если в ядро какого-либо стабильного изотопа ввести всего лишь один нейтрон, большинство образовавшихся новых ядер становится радиоактивными, т. е. они будут самопроизвольно распадаться с испусканием альфа-, бета- или гамма-лучей. Именно на регистрации такого ядерного излучения и основан активационный анализ. Методика проведения активационного анализа относительно проста: подготовленный образец помещают на определенное время в ядерный реактор, а затем измеряют его активность. Определяя затем характер излучения и его интенсивность, можно установить природу и количество содержащейся в исследуемом образце примеси. Чувствительность активационного анализа необычайно высока. Он позволяет обнаружить поистине непредставимо малые количества вещества. Так, например, с его помощью можно обнаружить около 110−10 % мышьяка или, например, около 110−13 % элемента индия. В чистой платине, облученной в ядерном котле, удается обнаружить 110−9 % иридия. Чтобы более ясно представить себе эти цифры, отметим, что количество индия 110−13 % соответствует одному атому примеси индия на миллион миллиардов (1 000 000 000 000 000) атомов основного вещества, в котором этот индий находится.

МОЖНО ЛИ АНАЛИЗИРОВАТЬ ИЗОТОПЫ

Обратили ли вы внимание на то, что почти все методы, о которых было рассказано, позволяют определять лишь химическую природу вещества или определенного элемента? Можно легко установить, что данное вещество является сернокислым никелем или азотнокислой медью или что в состав изучаемого сплава входит молибден или вольфрам, цирконий или ванадий. Но на практике часто необходимо установить, не только какой химический элемент присутствует в образце и сколько его, но также и каков изотопный состав данного элемента. Известно, что изотопы различных элементов имеют практически одинаковые химические свойства и лишь незначительно отличаются друг от друга физическими свойствами. Этим обстоятельством и воспользовались ученые.

Метод, который используют при анализе изотопов, получил название масс-спектрометрического. В анализаторе, или источнике ионов, исследуемое вещество нагревают, превращая его в газообразное состояние. При этом в большинстве случаев молекулы его распадаются на отдельные ионы. Образовавшиеся ионы под действием электромагнитного поля выводятся в специальную изогнутую трубку. В ней создается очень высокое разряжение (чтобы летящие в трубке ионы не сталкивались с молекулами кислорода, азота и других газов, входящих в состав воздуха). Сама трубка расположена между двумя полюсами сильного постоянного магнита. Но магнитное поле, хотя оно и постоянно, будет по-разному действовать на ионы летящих изотопов. Ион того изотопа, в ядре которого меньше нейтронов (более легкий), будет сильнее отклоняться от своего пути, а ион, который тяжелее,- меньше. Пролетев через всю трубу (обычно около двух метров), ионы различных изотопов попадут в различные места приемника, где их и регистрируют.

Mace -спектрометрический метод, хотя и очень сложен, обладает весьма большой чувствительностью. С его помощью можно анализировать отдельные изотопы, количество которых подчас составляет всего 10−13 - 10−14 г.

Этот метод был разработан в применении лишь к анализу веществ. Ведь он очень трудоемок, и получить с его помощью весомые количества какого-либо изотопа крайне затруднительно. Чтобы получить лишь 1 грамм-атом изотопа, необходимо собрать 61023 его атомов.

Однако в самом начале 40-х годов нашего века, для того чтобы запустить первый урановый котел (осуществить контролируемую цепную ядерную реакцию), ученым необходимо было получить в чистом виде изотоп урана-235. Здесь-то и был использован принцип масс-спектрометрии.

ЕСТЬ ЛИ ПРЕДЕЛ АНАЛИЗУ

Если в 40-х годах наука и техника требовали от количественного анализа определять тысячные доли процента примеси, то в настоящее время стало необходимо определять уже одну триллионную долю процента примеси в исходном материале.

Уже разработаны методы, с помощью которых определяют самые ничтожные примеси отдельных элементов. Так, например, для производства полупроводниковых приборов примеси в германии не должны превышать 110−8 %. Для кремния эта величина должна быть умень-

383


Шкала чувствительности различных аналитических методов.

шена еще примерно в тысячу раз и составит приблизительно 110−11 %. Пожалуй, наиболее чувствительными ныне являются активационный метод и метод газовой хроматографии (см. ст. «Удивительная судьба одного простого открытия»). С их помощью определяют примеси порядка

10−12 -10−13 %, т. е. порядка 10−14 - 10−15 г примеси на 1 г основного вещества. По чувствительности к ним приближается масс-спектрометрический метод анализа, чувствительность которого в отдельных случаях 10−13 и 10−12 г.

В настоящее время требования к чистоте материалов стремятся к такому пределу, когда будет необходимо определять единичные атомы примеси, т. е. количества вещества порядка 10−22 г. И эту нелегкую задачу будут решать уже не химики, а физики.

А теперь несколько слов о возможностях методов анализа. На верхнем рисунке изображена шкала чувствительности различных аналитических методов. Приведена так называемая средняя чувствительность. По отдельным элементам эта чувствительность может быть значительно выше. Так, например, спектрофотометрический метод при рядовых определениях большинства элементов имеет чувствительность порядка 0,01-0,001 %, но эта чувствительность в ряде случаев может быть значительно выше.

В настоящее время обычные, стабильные атомы химических элементов можно анализировать в количествах порядка 10−14 -10−15 г, а радиоактивные - порядка 10−22 г. Аналитическая химия еще ждет тех, кто сумеет заполнить это «белое пятно» - разработать методы анализа, которые позволят определять примеси

стабильных элементов порядка 10−15 -10−16 г и ниже.

По-видимому, в недалеком будущем чувствительность активационного анализа сможет возрасти раз в сто, но это, вероятно, будет уже его пределом. Улучшение конструкций различных типов масс-спектрометров также, очевидно, сможет поднять чувствительность этого метода раз в сто и более.

Однако есть еще один метод - так называемый радиоспектроскопический анализ, возможности которого в определении микропримесей не только далеко не исчерпаны, но и практически даже не установлены. Принцип этого метода до некоторой степени сходен с радиометрическим анализом, но с его помощью можно определять стабильные атомы и соединения. Проведенные эксперименты показали, что с его помощью можно легко «уловить» присутствие соединений в количестве 10−8 -10−10 г. Основан этот метод на следующем. Известно, что атомы в молекуле любого химического соединения не находятся в каких-то определенных положениях, а колеблются около определенных центров равновесия. Так, например, в молекуле хлористого водорода атомные ядра хлора и водорода то сближаются, то отдаляются друг от друга; Ядра заряжены и испускают слабые электромагнитные колебания в области радиочастот. И вот оказалось, что если на молекулы хлористого водорода воздействовать радиоволнами той же длины волны, какую они испускают, то происходит их сильное, «резонансное» поглощение .

Вот это-то поглощение и можно зарегистрировать.

Метод «улавливания радиоволн» - радиоспектроскопия- один из самых перспективных в наше время. С помощью этого метода определяют не только отдельные элементы, но и сложные соединения.

384


В этом методе чувствительность определения химических соединений в первую очередь зависит от чувствительности радиоспектрометра. Бурное развитие радиоэлектроники поможет в будущем повысить чувствительность радиоспектрометров в миллион и даже миллиард раз. И метод радиоспектроскопического анализа сможет занять достойное место наряду с другими методами в определении микропримесей.

УДИВИТЕЛЬНАЯ СУДЬБА ОДНОГО ПРОСТОГО ОТКРЫТИЯ

(хроматография)

В 1903 г. русский ученый профессор Михаил Семенович Цвет сделал очень скромное и простое открытие, которое осталось в то время почти незамеченным и надолго было забыто. Но судьба этого открытия поистине удивительна.

Хроматография (так назвал свое открытие профессор Цвет) стала в наши дни незаменимой помощницей науки.

Без нее были бы немыслимы достижения биохимии, сумевшей разобраться в невообразимой сложности строения и состава белковых соединений. Без хроматографии нельзя было бы успешно синтезировать самые последние трансурановые элементы периодической системы. Ядерная химия не могла бы теперь успешно развиваться без хроматографии.

Методами хроматографии разделяют и чистят лекарственные вещества, антибиотики, витамины, алкалоиды, гормоны. Хроматография незаменима при поисках нефтяных месторождений. Без нее не может обойтись химик-органик, изучающий строение и состав сложнейших органических соединений. Другими методами было бы совершенно немыслимо определить, например, состав и природу изомеров. При помощи хроматографии удается детально изучить некоторые химические свойства многих редкоземельных элементов.

В будущем химики научатся с помощью хроматографического способа извлекать золото из воды океанов, хотя оно содержится там в ничтожных концентрациях, но общее количество его огромно. И этот хороший металл сменит свою репутацию символа обогащения и станет тружеником на химических заводах. Химикам он очень нужен.

Не следует думать, что хроматографические процессы используются только учеными в их лабораториях или инженерами на заводах. Хроматографические явления лежат в основе многих гигантских геохимических процессов на земной поверхности, например в образовании почвы и многих рудных месторождений.

ЧТО ЖЕ ОТКРЫЛ ПРОФЕССОР ЦВЕТ?

Открытие М. С. Цвета было удивительно простым. Настолько простым, что его мог бы сделать любой школьник, обладающий пытливым умом, большой любознательностью и умением не только смотреть вокруг себя, но и видеть, подмечать удивительное и необычное в простом.

М. С. Цвет интересовался природой хлорофилла, от которого зависит окраска листьев. Роль этого вещества в природе огромна: с его помощью в зеленом живом листе происходит превращение световой энергии солнца в химическую энергию органических соединений.

Профессор Цвет насыпал в стеклянную трубку тонко измельченный порошок чистого мела, смочил его бензолом, налил сверху немножко раствора хлорофилла, извлеченного из зеленого листа (самый верхний слой порошка, конечно, сразу окрасился в зеленый цвет), и стал медленно, по каплям промывать бензолом трубочку с мелом. По мере того как верхний зеленый слой промывался бензолом, окраска вслед за растворителем начала передвигаться в виде зеленого колечка вниз по трубке. Потом (в этом-то и заключалось замечательное открытие Цвета) зеленое колечко стало постепенно разделяться на несколько отдельных колец: ученый обнаружил узкую желтую полоску, она двигалась по трубке наиболее медленно, ее опередила желто-зеленая полоса, впереди которой шла широкая зелено-синяя полоска, перед

385


ней две желтые и в самом низу двигалась еще одна полоса, тоже желтого цвета. Тщательный анализ показал, что над самой верхней желтой полоской располагалась еще одна - бесцветная.

Этот простой опыт положил начало разгадке великой тайны зеленого листа: было доказано, что хлорофилл в листе растения сложен, что он состоит из нескольких близких между собой, но различных химических соединений. Значение этого простого опыта особенно велико потому, что он лег в основу новой науки.

Вот как образно рассказал о своем открытии сам автор: «Подобно световым лучам в спектре, различные компоненты сложного пигмента закономерно располагаются друг за другом в столбе сорбента и становятся доступными качественному и количественному исследованию. Такой расцвеченный препарат я назвал хроматограммой, а соответствующий метод анализа - хроматографическим методом».

ЧТО ПРОИСХОДИТ В ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ КОЛОННЕ?

Что же произошло в стеклянной трубочке, набитой порошком мела? Какие удивительные силы так легко и просто разделили сложную природную смесь многих химических видоизменений сложного вещества, настолько близких между собой, что отделить их друг от друга не удавалось самым искусным химикам?

Механизм хроматографического разделения теперь хорошо изучен. Он прост, хотя теория действия колонн очень сложна и ученые еще не умеют их точно рассчитывать. (Трубки с сорбентом для хроматографического разделения независимо от их конструкции теперь называются колоннами.)

Лучше всего рассмотреть действие хроматографической колонны на простейшем примере знакомой нам трубки с мелом.

Зеленый раствор вытяжки из листьев обесцвечивается, как только приходит в соприкосновение с порошком мела, а мел становится зеленым. Молекулы всех соединений, входящих в состав хлорофилла, извлеченного из зеленого

листа, осаждаются на поверхности частиц мела. Поглощение растворенного вещества, паров или газов поверхностью твердых тел или жидкостью химики называют сорбцией. На этом явлении и основаны все хроматографические методы разделения смесей, сверхтонкой очистки вещества и анализа.

Захваченные поверхностью твердого тела молекулы не остаются на ней неподвижными. Они могут переходить обратно в раствор, снова осаждаться, вновь растворяться...

Бесчисленное множество раз меняет свое состояние каждая молекула, переходя с поверхности в раствор и обратно. Между раствором (бензол в опытах Цвета) и сорбентом (порошок мела) устанавливается равновесие: на поверхности частиц мела находятся почти все молекулы. В растворе их очень мало - почти нет совсем. Но в этом-то «почти» и заключается сущность хроматографического эффекта.

Немногие молекулы, находящиеся в растворе, увлекаются вниз по трубке вместе с потоком растворителя. Но по пути они немедленно осаждаются вновь на другие частицы мела, а вместо них переходят в раствор новые молекулы. Это повторяется огромное число раз. Медленный поток растворителя беспрерывно поступает сверху в трубку. В верхней части окрашенного слоя становится все меньше и меньше сорбированного вещества, в нижней части этого слоя - все больше и больше. И так постепенно цветная прослойка продвигается в виде колечка через сорбент вниз по трубке.

Но различные молекулы с разным составом или строением сорбируются на твердой поверхности по-разному. Одни из них немного прочнее, другие несколько слабее. Одни дольше находятся в связанном состоянии и меньше в растворе. Другие чуть дольше первых задерживаются в растворе и, конечно, быстрее увлекаются потоком растворителя.

Поэтому окрашенная смесь различных веществ постепенно разделяется на свои составные части. Каждая такая часть сосредоточивается в своем слое. И эти слои отличаются друг от друга цветом. Двигаясь с разной скоростью вдоль трубки, эти слои расходятся все дальше

Удивительное совпадение

Название «хроматография» было дано новой науке ее основоположником М. С. Цветом. Оно как бы было подсказано ему цветными колечками - слоями мела в стеклянной трубочке, окрашенными в разные цвета хлорофиллом зеленого листа, который как будто бы сам записал таким способом, из чего он состоит (по-гречески «хроматос» - цвет, «графо» - писать). Занятно и удивительно совпадение имени автора и созданной им науки.

386


друг от друга. Так и образуется хроматограмма. Каждое отдельное цветное кольцо соответствует одному химическому соединении).

Вытолкнув столбик сорбента из трубки, можно вырезать из него различно окрашенные слои и, отмыв содержащиеся в них вещества, получить каждое отдельно в чистом виде. Можно поступить еще проще: продолжая промывку бензолом, собирать раствор от каждого цветного слоя отдельно, по мере того как они, пройдя колонну насквозь, начнут выходить из нее с потоком растворителя.

Движение молекул в хроматографической колонне напоминает как бы состязание спортивных команд в беге на очень длинные дистанции. Микробегуны в разных спортивных костюмах, например в опыте с хлорофиллом - в желтых, зеленых и синих, бегут с одинаковой скоростью (скорость потока растворителя). Но свое право отдыхать по дороге каждая команда использует по-разному. Все они сидят на поверхности очень подолгу (находятся в сорбированном состоянии). Все они бегут очень короткое время (увлекаются потоком бензола). Но одна команда отдыхает все же чуть меньше другой, а вторая - чуть меньше третьей. Конечно, те бегуны, которые отдыхают меньше, и опередят своих соперников.

Таким образом, ничтожные различия в скорости поглощения (сорбции) и обратного выделения вещества в раствор (десорбции) становятся причиной разделения смесей хроматографическим способом. А эти ничтожные различия в сорбционной способности молекул в свою очередь зависят от их химической природы.

А ЕСЛИ ВЕЩЕСТВО БЕСЦВЕТНО?

Хроматография - этот удивительный по простоте способ тончайшего аналитического разделения сложных смесей - и в наши дни нередко применяется химиками почти в том же виде, в каком ее создал автор. Много тысяч различных твердых веществ изучили химики, выбирая наиболее подходящие сорбенты. Еще больше было исследовано растворителей. Были испытаны сахар, мел, крахмал, уголь, кремнезем, спирты, эфиры, углеводороды и т. п. Очень часто решить самые неразрешимые, трудные проблемы помогало применение простых и обычных материалов.

Не следует думать, что хроматография помогает изучать только окрашенные вещества. Разработаны многочисленные способы, как обнаруживать на хроматограмме бесцветные зоны. Для этого, например, применяют ультрафиолетовые лучи, под действием которых очень многие вещества флюоресцируют и невидимые зоны на хроматограмме начинают светиться. Можно бесцветные зоны «проявить», обработав сорбент реактивом, который образует с изучаемым веществом окрашенное соединение. Почти любое физическое свойство вещества может быть использовано, чтобы обнаружить его в растворе на выходе из хроматографической колонны.

ЧЕМ ПАХНЕТ ЗЕМЛЯНИКА

Химики создают теперь новые, еще более мощные методы хроматографического анализа. Среди них может быть названа непревзойденная газожидкостная хроматография с ее поразительной чувствительностью. Сорбент в ней нелетучая жидкость, которой смочен, например, порошок силикагеля (т. е. пористая прокаленная двуокись кремния SiO2), а движущая среда - любой инертный газ. С помощью этого способа хроматографии изучают сложные смеси химических соединений в парообразном состоянии.

Самая удивительная хроматографическая разделительная колонна построена, пожалуй, наиболее просто. Она представляет собой очень тоненькую металлическую или пластмассовую трубочку с диаметром канала всего 0,2-0,4 мм. Стенки этой трубочки смочены разделяющей нелетучей жидкостью. Вот и все устройство. Чтобы можно было достичь высоких степеней разделения, трубочку иногда приходится делать очень длинной.

На такой колонне, например, был проведен анализ... аромата свежей земляники. Потребовалась колонна длиной в 120 м. Свернутая в спираль трубка была помещена в термостат, в котором температура медленно и равномерно повышалась. Это было необходимо для того, чтобы изучить и те труднолетучие компоненты приятного земляничного запаха, которые могут выделяться ягодой только в солнечный жаркий день. Через колонну пропускался инертный газ аргон. Он был выбран не случайно. Ничтожнейшие примеси в нем можно обнаружить по... его электропроводности. Для этого аргон облучают радиоактивными препаратами, и, если в нем есть примеси органических веществ, он ионизируется и становится способным проводить ток. Резкое изменение электропроводности газа вызывает в специальном приборе электри-

387


С помощью газовой хроматографии легко провести разделение a и b изомеров метиловых эфиров глюкозидов, имеющих совершенно одинаковый состав и отличающихся лишь пространственным расположением метильных групп

в одном из звеньев этих сложных молекул.

ческий сигнал, который после усиления подается на записывающее устройство. Чувствительность такого прибора (детектора) необычайно велика. Можно уверенно определить... одну тысячемиллиардную долю грамма вещества (10−12г). А всего для полного анализа сложнейшей смеси достаточно нескольких миллиграммов.

Запах свежей земляники оказался очень сложным. Чтобы создать аромат ее спелых ягод, прелесть которого невозможно описать словами, в таинственной лаборатории растения синтезируется не менее девяноста шести сложнейших органических душистых соединений.

 

КОЛОННА ДЛИНОЙ... В ПОЛКИЛОМЕТРА

Газовая хроматография настолько чувствительна, что ее можно сравнить со спектральным и масс-спектрометрическим методами анализа. С ее помощью решают трудные и сложные задачи, недоступные другим способам анализа. Можно исследовать смеси, состоящие из десятков и сотен компонентов.

Насколько сложны проблемы современной техники, успешно решенные хроматографией, можно представить себе на примере анализа природной нефти. Чтобы изучить состав нефти, потребовалось сконструировать капиллярную колонну длиной около пятисот (500!) метров. Удалось не только установить число различных компонентов в сырой нефти (их оказалось свыше двухсот тридцати), но и расшифровать, что представляет собой каждый из них.

ХРОМАТОГРАФИЯ НА ЛИСТЕ БУМАГИ

Трудно даже представить, что самый обыкновенный лист бумаги может служить своеобразной лабораторией химического анализа. На

388


нем можно определить состав природных химических соединений, разделить которые бессильны многие другие методы аналитической химии.

Простейшую хроматограмму на бумаге нетрудно получить самому. Возьмите лист промокательной или лучше фильтровальной бумаги. Смешайте по капле синие и красные чернила. Годится и смесь любых растворимых в воде красок, лишь бы они не реагировали химически друг с другом (иначе они могут выпасть из раствора, образовав нерастворимый осадок).

Нанесите маленькую капельку смеси в центр бумажного листа. Затем точно в середину цветного пятнышка вводите по каплям воду. Впитается одна - капните другую. И вскоре по листу бумаги начнет расползаться настоящая красочная хроматограмма: синее пятно внутри и красное кольцо вокруг. Несколько разных капель и немного терпения - и можно получить изумительно красивые узоры.

Хроматограммы на бумаге чаще всего получают на бумажных полосках. Такую полоску подвешивают вертикально и верхний ее конец погружают в сосудик с растворителем. Впитываясь в бумагу и опускаясь по ней вниз, растворитель с разной скоростью смывает из нанесенного на полоску пятна смеси отдельные составные части. На бумажной полоске образуется хроматограмма - отдельные пятна. Их число соответствует числу компонентов анализируемой смеси.

Пятна на хроматограмме иногда невидимы. Тогда полоску сушат и обрабатывают раствором

реактива, дающего цветное окрашивание с составными частями смеси. По положению цветных пятен, по их окраске и форме можно определить, что входит в состав изучаемой сложной смеси. Трудноразделяемые смеси обрабатывают дважды разными растворителями в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В результате получают двухмерную хроматограмму.

ХРОМАТОГРАФИЯ И БИОХИМИЯ

Современная биохимия сумела выяснить немало загадочных процессов, протекающих в живом организме, но мало кому известно, что в атом биохимия многим обязана хроматографии. Наука нашего времени расшифровала состав и строение белка в живом организме. Это, конечно, одно из величайших достижений. Труднейший и важнейший раздел биологической химии - химия природных белковых соединений вообще, вероятно, не могла бы успешно развиваться без помощи хроматографии на бумаге.

Бумажные хроматограммы не только дали ученым средство изучить, из каких составных частей, из каких аминокислот состоит белок различных живых организмов, но (с неполным гидролизом - осторожным расщеплением белковых молекул) позволили даже определить чередование различных аминокислот в молекуле белка. Хроматография позволяет быстро определять аминокислотный состав белка, и этот

Нередко встречаются сложные смеси, которые невозможно разделить при помощи одного растворителя. Тогда полоску с нанесенной на нее пробой смеси последовательно обрабатывают двумя различными растворителями Р1 и Р2 в двух перпендикулярных направлениях. На такой двухмерной хроматограмме приходится расставаться самым близким по свойствам веществам.

389


метод уже практически применяется в сельском хозяйстве. Он дает возможность получать высокоэффективные кормовые рационы для сельскохозяйственных животных.

Все, чего достигла биохимия с помощью хроматографии, невозможно даже перечислить. Хроматографическими методами изучаются витамины, гормоны, антибиотики, алкалоиды. С их помощью производится очистка этих веществ, их анализ, контроль производства. Так хроматография помогает побеждать самые тяжелые болезни человека.

Весьма вероятно, что хроматография поможет разрешить великую загадку фотосинтеза в зеленом листе. Если человек овладеет этим процессом, одним из самых грандиозных в природе, наиболее сложных и неясных, он овладеет неиссякаемым источником энергии. Открытие тайны фотосинтеза было бы значительно более важным, чем овладение атомной энергией. Хроматография уже помогает исследовать сложнейшую цепь химических реакций в освещенном солнцем зеленом листе.

Быть может, недалеко то время, когда человек научится улавливать солнечную энергию с такой же эффективностью, как это делает живой зеленый лист. Можно не сомневаться, что немалая заслуга в этом будет принадлежать хроматографии.

ТОНКОСЛОЙНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Очень похожа на бумажную хроматографию хроматография в тонком слое. На стеклянную или пластмассовую пластинку наносится тонкий равномерный слой тонко измельченного сорбента. Сам процесс хроматографического разделения идет так же, как и на бумаге. Тонкослойная хроматография обладает существенными преимуществами: разделение протекает значительно быстрее, а главное, легче выбрать наиболее подходящие сорбенты.

ИОНООБМЕННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

В наши дни ученые разрабатывают все новые и новые более чувствительные хроматографические методы и создают теорию хроматографического процесса и способы расчета разделительных колонн. Но то, что было достигнуто с помощью ионообменной хроматографии, недавно казалось бы сказкой, неосуществимой фантазией.

Метод ионообменной хроматографии ничем не отличается от способа профессора Цвета, только вместо нейтрального сорбента - мела, крахмала, угля и т. п.- в ионообменной хроматографии применяются специально для этого созданные химиками новые полимерные вещества - ионообменные смолы. Теперь известно уже очень много таких сорбентов с ионообменными свойствами. Все они обладают замечательной способностью: каждая крупинка такого сорбента - как бы гигантская молекула кислоты (смолы - катиониты) или основания (аниониты)- вступает в реакцию химического обмена.

Ионообменные смолы нерастворимы. Если хроматографическую колонну наполнить тонким порошком такой смолы, из раствора будут поглощаться ионы тяжелых металлов и взамен в растворе появится кислота или щелочь. В таких колоннах теперь, например, очищают воду для питания котлов на больших тепловых электростанциях. Сначала вода проходит через фильтры и очищается от ила, взвешенных в ней глинистых и песчаных частичек, потом поступает в колонну, наполненную катионитовой смолой. В этой колонне из воды полностью поглощаются соли кальция и магния, делающие воду «жесткой», вместо них появляются ионы водорода - образуется кислота. Вода, подкисленная в результате химического обмена, проходит анионитовую колонну, где обмениваются анионы образовавшихся кислот на гидроксильные ионы, которые тут же сразу нейтрализуются водородными ионами, и получается чистая вода. Достаточно пропустить засоленную воду последовательно через две такие колонны, чтобы получить воду чище дистиллированной. Отработанные смолы легко регенерируются снова.

Ионообменные колонны очищают сотни тысяч тонн воды на тепловых электростанциях, на фабриках, на заводах - всюду, где нужна чистая вода. Они превращают морскую, засоленную воду в пресную, пригодную для питья, они снабжают питьевой водой и жителей солончаковых пустынь, и экипажи кораблей.

Ионообменная хроматография помогает извлекать ценные металлы из сбросных промышленных стоков.

Химики мечтают создать ионообменные смолы с высокой избирательной способностью. Они уверены, что уже скоро гигантские ионообменные хроматографические колонны, установленные на берегах морей, начнут извлекать из Мирового океана безграничные запасы ценных для техники металлов: урана, золота и др.

390


Воды на Земле очень много, но далеко не всю ее можно использовать из-за высокого содержания солей. Ионообменная хроматография превращает морскую и соленую воду пустынь в пресную.

ХРОМАТОГРАФИЯ И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

До сих пор еще химики не закончили спор о том, как должен быть построен последний, седьмой период менделеевской таблицы. Этот вопрос для науки особенно важен и принципиален.

Теория на него ответа дать не может: слишком сложны электронные оболочки тяжелых атомов и рассчитать теоретические орбиты всех их электронов пока невозможно. Остается детально изучать химические свойства каждого элемента - тот путь, которым шел сам Менделеев. Зная химические свойства нового элемента, можно найти ему место в периодической таблице.

Но чтобы химик мог изучить свойства известного элемента, он должен его иметь. В последнем же периоде таблицы после урана находятся элементы, которых еще не так давно совсем не было в распоряжении человека. В природе подавляющее большинство из них найти невозможно. Все эти элементы созданы человеком искусственно. Физики обнаруживали рождение новых атомов по их радиоактивным характеристикам. Наука попала в заколдованный круг: как разместить эти новые элементы в последнем периоде таблицы Менделеева? Чтобы получить новый элемент, надо его определить и выделить в чистом виде, а для этого необходимо знать его свойства. Для того же, чтобы их изучить, надо новый элемент иметь в руках.

Ионообменная хроматография помогла науке найти выход из этого трудного положения. Действительно, совсем еще недавно нельзя было и мечтать о том, чтобы изучать химические свойства элемента, имея в руках всего несколько атомов. Хроматография предоставила науке эту поистине чудесную возможность.

Загадка седьмого периода в периодической таблице могла быть разрешена только путем сравнения трансурановых элементов с элементами предшествующих периодов - шестого и пятого. Но количественный рост числа ядерных зарядов вносит резкие качественные изменения в строение электронных оболочек атома. Шестой период менделеевской таблицы, в котором в одной из клеток помещаются сразу пятнадцать элементов-близнецов (лантан и 14 лантаноидов), отличен от пятого периода, где такого семейства нет.

Как же должен быть построен седьмой период? Если он похож на пятый, то все трансураны должны быть резко различными по своим химическим свойствам. Если же седьмой период сходен с шестым, трансурановые элементы должны быть близнецами и так же, как и редкоземельные элементы, занимать все вместе одну клетку в той же самой третьей вертикальной группе.

Согласно периодической системе, можно ожидать, что более вероятен второй вариант. Но наука не терпит догадки без доказательств. Теория дать его в этом случае бессильна, а точное доказательство необходимо. Его мог дать только опыт.

Чтобы иметь основание поместить трансурановые элементы в одну общую клетку периодической системы, химики должны были

391


доказать, во-первых, что все они сходны между собой и, во-вторых (и это главное), что по химическим свойствам все они похожи на редкоземельные элементы (см. ст. «Великий закон»).

Решение этой трудной, важнейшей для химии задачи было найдено благодаря хроматографии. Вот как это удалось сделать. Смесь редкоземельных элементов от европия (№ 63) до лютеция (№ 71) была облучена нейтронами. Полученные радиоактивные изотопы разделили на ионообменной хроматографической колонне. Радиоактивность каждой капли раствора, вытекающего из колонны, измерялась отдельно. Оказалось, что, чем выше порядковый номер элемента, тем быстрее он выходит из колонны при хроматографическом разделении. И чередование элементов в порядке выхода их из ионообменной колонны удивительным образом точно соответствует их взаимному положению в периодической системе элементов.

Когда таким образом было изучено хроматографическое поведение редких земель, исследовали поведение трансурановых элементов. В тех же условиях (на той же колонне, наполненной той же ионообменной смолой, с применением того же состава растворителей) были подвергнуты хроматографическому разделению известные к этому времени четыре трансурановых элемента: америций (№ 95), кюрий (№ 96), берклий (№ 97) и калифорний (№ 98). Так как все трансурановые элементы радиоактивны, то точно так же измерялась активность каждой капли раствора. В этих исследованиях удалось раскрыть химическую природу элементов, созданных искусственно пока еще в незримых, невесомых количествах. В руках исследователей калифорния было меньше тьтсячемиллиардной доли грамма; это в миллиарды раз меньше, чем было бы необходимо химикам, чтобы изучить его обычными методами химического анализа.

Результат был прост и поразителен. Хроматография позволила уловить тончайшие оттенки в химическом различии новых элементов: оказалось, что они действительно очень сходны между собой; оказалось, что они, так же как и редкие земли, выходят из хроматографической колонны в порядке, строго соответствующем их положению в периодической системе,- раньше появляется тот элемент, у которого порядковый номер больше. И мало того, оказалось возможным уловить тончайшие различия в сходном строении электронных оболочек атомов, изучая взаимное расположение кривых активности на хроматограммах.

Так было доказано, что все актиноиды, и в их числе трансураны, образуют в седьмом периоде единую группу элементов с весьма сходными химическими свойствами. Эти элементы должны быть помещены в одной общей клетке таблицы Менделеева, так же как и лантаноиды,- в шестом периоде.

По аналогии эта группа элементов получила название по своему первому представителю - актиноиды. В нее входят пятнадцать элементов: от актиния (№ 89) до недавно открытого трансурана лоуренсия (№ 103). Последний из открытых трансуранов-элемент №104 должен быть аналогом гафния.

ХИМИЯ ОДНОГО-ЕДИНСТВЕННОГО АТОМА

Не следует думать, что слова «наука» и «чудо» противоречат друг другу. Нельзя считать, что задача науки - разоблачать чудеса. Будет гораздо правильнее утверждать, что наука-то и создает подлинные чудеса, делает сказочно немыслимое реальным и действительным.

Таким подлинным чудом, чудом, осуществленным самой могущественной силой в мире -человеческим разумом, было создание и открытие 101-го элемента, - получившего славное имя «менделевий».

Величайший критерий истинности научных положений - это, бесспорно, возможность предсказания. Результаты хроматографического исследования показали химическое сходство между лантаноидами и трансурановыми элементами. Эти результаты дали исследователям основание предсказать, что те трансурановые элементы, которых еще нет, которые еще только должны быть созданы человеком и должны быть

392


Таблица к статье «Удивительная судьба одного простого открытия (хроматография)»

А - Первая хроматографическая установка профессора М. Цвета. В трубке слева отчетливо видны цветные зоны, соответствующие различным пигментам хлорофилла, извлеченного из зеленых листьев. Б - Хроматограмма запаха свежей земляники, полученная на хроматографе с ионизационным детектором. В - Схема разделения смеси из двух компонентов (красные и черные молекулы) на капиллярной колонке. Сначала молекулы движутся вместе (1), затем красные молекулы несколько опережают черные (2) и заметно обгоняют их (3). При попадании красных молекул в детектор на нулевой линии появляется пик первого компонента (4 - 5), а при попадании в детектор черных молекул на нулевой линии записывается пик второго компонента (6). Г - Хроматограмма разделения на бумаге смеси синих и красных чернил. Такую хроматограмму нетрудно получить самому. Внося в центр листка смоченной фильтровальной бумаги каплю смеси красных и синих чернил и аккуратно нанося по каплям чистую воду, вы скоро получите точно такую же картинку.

Таблица к статье «Удивительная судьба одного простого открытия (хроматография)»

Внизу - кольцевая хроматограмма на бумаге сложной смеси шести различных аминокислот, проявленная четырьмя разными реактивами. Вверху справа - двухмерная хроматограмма еще более сложной смеси четырнадцати различных аминокислот. Эта хроматограмма получена из одной капли раствора смеси кислот, нанесенной в точку, обозначенную кружочком. Проявление велось поочередно в двух направлениях разными реактивами. Каждая метка-пятно принадлежит одной аминокислоте. По окраске и положению пятна можно совершенно точно установить природу вещества. Вверху слева - хроматограмма обыкновенного чернильного пятна-кляксы на промокательной бумаге.

выделены, изолированы и изучены, которые еще только будут открыты,- элементы с порядковыми номерами 99, 100, 101- должны быть аналогами редкоземельных элементов: гольмия (№ 67), эрбия (№ 68) и тулия (№ 69). Следовательно, их надо искать хроматографическим методом в сложной смеси продуктов ядерного синтеза, и на хроматограмме они будут располагаться в строго определенном порядке: точно в таком же, как и их собратья,- сначала 101, затем 100 и, наконец, 99. Это предсказание было настолько исчерпывающим, что можно было заранее предвидеть, в какой по порядку капле раствора, вытекающего из хроматографической колонны, будут содержаться атомы еще не существующего элемента.

Предсказание подтвердилось с поразительной точностью: методами хроматографического анализа были открыты эйнштейний (№ 99) и фермий (№ 100).

Все труднее и труднее достигается ядерный синтез новых элементов. Все короче оказывается период их существования. Все меньше и меньше атомов получают исследователи в конце долгой, трудной и сложной работы. Много труда было положено на открытие элементов 99 и 100. Поиски методов ядерного синтеза, выслеживание новых трансурановых элементов, «охота» за ними напоминают увлекательную приключенческую повесть. Но ни одному писателю-фантасту, ни одному автору детективных и приключенческих романов не могло бы и в голову прийти что-либо похожее на историю открытия 101-го элемента.

Получение последних трансуранов сопровождалось такими трудностями, что в ядерной реакции и ожидать было нельзя сколько-нибудь заметного выхода 101-го элемента. В этом опыте облучалась мишень - золотая пластинка с нанесенным на нее одним миллиардом атомов эйнштейния. Теория и расчет показывали, что за один опыт нельзя было надеяться получить больше одного атома элемента № 101.

Трудности фантастической «охоты» за одним-единственным атомом еще не существующего элемента не испугали известного американского ученого Глена Сиборга. Основываясь на непреложной справедливости закона Менделеева, он вместе со своими сотрудниками предпринял смелый, заведомо долгий и трудный поиск. Залогом успеха в их работе было то, что они уже владели хроматографическим методом. Только благодаря хроматографии можно было по химическому поведению одного или двух атомов правильно судить о химии нового элемента. Каждый атом тысячи и тысячи раз участвует в одних и тех же химических реакциях (адсорбция - растворение). Получается подлинная статистическая картина поведения элемента.

После упорной и долгой работы, после многих и горьких неудач и разочарований отважные исследователи были вознаграждены высшей для ученого наградой - открытием новой тайны природы: им удалось обнаружить один (!) атом нового элемента и установить его химическую природу.

Вдумайтесь в чудо, совершенное наукой. Исследователи сумели найти один-единственный, впервые возникший по воле человека атом никогда ранее не существовавшего элемента, потому что они заранее знали, где, в какой именно из многих капелек, вытекающих из стеклянной трубочки, должен находиться этот неведомый еще атом.

И каждый раз, когда снова и снова повторялся этот удивительный опыт, созданный человеком единственный атом нового элемента послушно и аккуратно выходил из хроматографической колонны точно в заранее предсказанной капле раствора. Часто ученым не удавалось обнаружить ни одного атома, изредка им везло, и они находили сразу два атома, но никогда не было, чтобы этот атом оказался в другой, по порядку не соответствующей его химической природе, капельке.

К этой славной победе их привело сочетание глубокой теории и тонкого эксперимента. Беспримерная научная смелость американских ученых не была безрассудной. Ими руководила великая идея Менделеева о периодичности свойств химических элементов. Они умело использовали хроматографический метод профессора Цвета. Точность и непреложность этих двух могущественнейших методов познания природы настолько велики, что для исследователей было достаточно обнаружить и определить в ряде опытов всего только семнадцать отдельных

393


При помощи ионообменной хроматографии были открыты и исследованы тяжелые трансурановые элементы. На рисунке сопоставлено положение редкоземельных и трансурановых элементов в периодической таблице с хроматограммами изменения активности вытекающего из колонки раствора. На основании аналогии строения и свойств элементов этих двух рядов было предсказано, в каких именно каплях раствора, выходящего из хроматографической колонки, следует искать атомы новых трансурановых элементов. Капли собирались в плоские платиновые чашечки, высушивались, после чего чашечки помещали в ионизационную камеру для измерений радиоактивности. Именно таким образом был открыт менделевий, хотя в каждом опыте у исследователей был всего один атом.

атомов, чтобы с уверенностью заявить об открытии нового элемента № 101.

В честь Д. И. Менделеева, великого русского ученого, идеи которого были путеводной звездой на долгом и тяжелом пути к созданию новых элементов, они назвали 101-й элемент менделевием. Увлекательная история его открытия - хороший пример преемственности и дружбы в науке.

ХРОМАТОГРАФИЯ СЕГОДНЯ...

Хроматография - удивительная наука. Она скромная труженица. Главная ее задача - помогать другим наукам. В наши дни уже ни одна область естествознания не может обойтись без точных, быстрых и беспредельно чувствительных методов хроматографии.

Как аналитический метод хроматография далеко опередила все остальные методы химического анализа. Даже спектральный анализ и тот уже отстает теперь по своей чувствительности от газожидкостной хроматографии. Без нее была бы невозможна великая победа физики и ядерной химии - синтез и выделение в чистом виде новых искусственных элементов. Методом ионообменной хроматографии было обнаружено присутствие одного атома нового элемента. Конечно, в этом случае задача была облегчена радиоактивными свойствами нового элемента. Но и в других областях науки, например при определении органических соединений, достижения хроматографии совсем недавно показались бы чудом: химики могут теперь уверенно обнаруживать некоторые вещества, даже если они присутствуют в количестве, не превышающем тысячи молекул в кубическом сантиметре.

394


Хроматография помогает химикам разбираться в тончайших различиях химических свойств близких по строению молекул. Благодаря ей стало возможным разделять изомерные молекулы; даже оптические изомеры с успехом разделяются в хроматографической колонне.

Ведь только хроматография дает возможность одновременно определять вещества в одной пробе, не превышающей тысячной доли грамма. Она позволяет быстро и точно обнаружить одновременное присутствие свыше сотни различных сложнейших химических соединений. И химик может любое из них выделить в чистом виде, не разрушая и не изменяя его, что было неизбежным для большинства старых методов аналитической химии.

Эти замечательные свойства хроматографии дали возможность биохимикам следить за быстрыми и сложными превращениями веществ в живых организмах и начать изучение механизма протекающих в них бесчисленных и сложнейших химических превращений и тем самым начать штурм величайшей из тайн природы - тайны жизни.

Очень много у хроматографии и чисто практической повседневной работы буквально во всех областях новой техники. В атомных лабораториях и на атомных заводах она помогает ученым и инженерам, работающим в области ядерной химии, выделять новые изотопы; геологам - разгадывать тайну происхождения и состав нефти и искать новые нефтяные и газовые месторождения; инженерам-химикам в лабораториях и на заводах - анализировать сложнейшие смеси природных лекарственных веществ: антибиотиков, гормонов, витаминов, ферментов, алкалоидов и, что еще более важно, получать их в чистом виде; агрохимикам и почвоведам - следить за судьбой удобрений, внесенных в почву, и добиваться высоких и устойчивых урожаев.

... И ЗАВТРА

В наши дни роль и значение хроматографии в науке и технике необозримы и необъятны. Но еще удивительнее и фантастичнее ее ближайшее будущее.

Конечно, методы хроматографии будут совершенствоваться, анализы будут более чувствительными, точными и быстрыми. Появятся новые приемы разделения. Уже сейчас разрабатываются хроматографические процессы

Каждое новое вещество, выходящее из хроматографической колонки, отмечается на диаграмме сигналом в виде пика. Вещество, выход которого регистрируется таким пиком, можно извлечь из раствора или газовой смеси, собрать и выделить в чистом виде. Этот метод все шире применяется для разделения очень сложных смесей.

без движущейся среды: газ или растворитель заменяются температурным полем.

Ученые-химики надеются, что скоро хроматография научится не только обнаруживать различные химические соединения, но и определять природу и строение отдельных молекул в сложной смеси. Это откроет перед химической наукой новые необозримые возможности.

Химики и технологи уверены, что скоро будут созданы промышленные методы крупнотоннажного производства хроматографическим путем. При этом будут получаться вещества невиданной чистоты, с новыми замечательными свойствами.

Непревзойденная быстрота газохроматографического анализа и его огромная точность позволяют возложить на хроматографию еще одну неожиданную обязанность - руководить химическим производством. Инженеры-химики мечтают о новых удивительных химических заводах, заводах-автоматах, на которых люди

Двухмерная хроматограмма сока сырой картошки. Капля

сока была нанесена в месте, обозначенном крестиком. По числу

пятен видно, что присутствует двадцать семь различных

веществ.

395


будут освобождены от трудной и опасной работы. Хроматографический автоматический анализатор будет с недостижимой для любого, даже самого опытного аппаратчика точностью и вниманием следить за ходом технологического процесса, следить неотступно и непрерывно, никогда не уставая и не отвлекаясь. Сигналы анализатора о составе продукта будут поступать на быстрорешающее вычислительное устройство, которое сможет немедленно принимать нужное решение и будет автоматически вести производственный процесс в наиболее выгодном режиме, заставляя механизмы выполнять автоматически все необходимые операции. А самое главное в том, что на заводах, управляемых хроматографическими анализаторами, можно будет получать такие вещества, которые другими путями получить невозможно.

Хроматография - путь к химическим заводам-автоматам будущего. Быть может, ты, читатель, построишь первый такой завод! Хроматография тебе поможет!

ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ

Символы ста четырех элементов заполняют клетки периодической системы. Подавляющее большинство из них получено в свободном виде. А между тем в природе химические элементы встречаются главным образом в форме самых разнообразных соединений. Извлечь тот или иной элемент из минерала или горной породы часто нелегко, и сделать это удается с помощью целого комплекса химических процессов. Эти процессы и есть химические реакции.

Количество известных химических соединений - от простейших до самых сложных - превышает 2 млн. Все они, а также и те, с которыми еще предстоит встретиться исследователям,- результат химического взаимодействия элементов, продукт химических реакций. Ежесекундно во Вселенной происходит бесчисленное множество химических реакций.

...Вы пробегаете глазами эти строки, улавливаете их смысл, и в вашем мозге совершаются сотни и тысячи различных химических реакций. Если в стакан крепкого чая положить кусочек лимона, цвет напитка бледнеет: произошла химическая реакция. Топится печь, пляшут яркие огоньки пламени, и от смолистых поленьев остается кучка золы. Это превращение осуществилось благодаря химическим реакциям. Реакция горения - первая химическая реакция, с которой познакомился человек. А потому легенду о Прометее, подарившем людям огонь, можно считать легендой о том, как человек впервые столкнулся с химическими взаимодействиями.

...Весь облик нашей Земли, ее леса и горы, ее почвы и воды созданы химическими превращениями. Уголь, который дает нам электричество; нефть - топливо, приводящее в движение автомобили и самолеты; металлы, выплавленные из руд, - все это продукты химических реакций.

В своем понимании химической реакции человек прошел длинный путь. Дикарь, который с удивлением наблюдал, как молния превращает могучее дерево в уголь и золу, и современные исследователи, который вплотную подошли к синтезу белка, одного из самых сложных веществ,- вот две крайности в представлениях человека о химических реакциях.

Когда простые или сложные вещества вступают во взаимодействие друг с другом, они обычно дают знать об этом. Стоит бросить в раствор серной кислоты кусочек цинка, как моментально от него побегут пузырьки газа. Пройдет некоторое время, и металл исчезнет. Цинк растворился в кислоте, и выделился водород. Как все это происходило, вы видели своими глазами. Если поджечь комок серы, он загорится голубоватым пламенем, появится удушливый запах. Сера соединилась с кислородом и образовала химическое соединение - сернистый ангидрид. Польем белый порошок безводной сернокислой меди CuSO4 водой, он синеет. Соль соединилась с водой, и образовалось соединение - синие кристаллы медного купороса - CuSO4  7H2 O. Вещества такого вида называются кристаллогидратами.

Всем знаком процесс гашения извести. Негашеную известь СаО обливают водой, получается «гашенка» Са(ОН)2. Цвет вещества не изменился, но легко убедиться, что реакция прошла. При гашении извести выделяется много тепла.

396


Химические реакции проходят с выделением или поглощением энергии, чаще всего тепловой. Вот первое непременное условие всех химических реакций. Иногда тепла выделяется так много, что это легко обнаружить на ощупь. Реакции, идущие с выделением тепла, называют экзотермическими.

Гашение извести - это пример экзотермической реакции:

Известно множество экзотермических реакций, где тепла выделяется несравненно больше, например горение бора в кислороде:

4В+3 O2 → 2В2 O3 +672 ккал.

Образование озона - хороший пример эндотермической реакции, идущей с поглощением тепла:

3 O2 +69 ккал → 2 O3 .

Соединения, которые образуются с выделением энергии, называются экзотермичными. Их гораздо больше, чем соединений эндотермичных, образующихся с поглощением энергии. Таков, например, озон. Все эндотермичные соединения в большей или меньшей степени неустойчивы.

Царство химических реакций - это сложнейшая область, и изучают ее самые различные науки. Чтобы понять, как происходит та или иная реакция, химик призывает на помощь и физику, и математику, и биологию. Он часто нуждается в услугах хитроумных вычислительных машин.

Разные химические процессы протекают с различной скоростью. Одни совершаются мгновенно, другие так медленно, что на первый взгляд кажется, будто реакция не идет совсем. Таких «незаметных» реакций очень много, и среди них есть очень важные, жизненно необходимые для практики, для получения нужных человеку веществ.

Взрыв - вот пример мгновенной реакции. Здесь счет идет на доли секунды. Твердое взрывчатое вещество превращается в газообразные продукты.

Процесс ржавления, или коррозии, железа наносит громадный убыток человечеству. Более

Самая простая молекула - Н2 и одна

из самых сложных молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).

397


В ходе химической реакции образуется новое соединение (вещество), происходит выделение или поглощение энергии ( Э).

10 % производимого металла теряется бесполезно. Коррозия - пример коварного процесса, она протекает постепенно. Вечером железная пластинка будет такой же, как утром, но пройдет несколько дней, и на ее поверхности появляются рыжеватые разводы ржавчины. Процесс коррозии во многом зависит от окружающих условий. В тропических странах, где высокая влажность и жарко, стальные и железные изделия ржавеют быстрее, чем в средних широтах. Обратите внимание, что повышенная температура ускоряет коррозию.

А вот, допустим, в стеклянном сосуде смешаны два газа - водород и кислород, составные части воды. Сосуд при комнатной температуре (15-20°Ц) может стоять сколько угодно, и на поверхности стекла не будет заметно ни единой капельки влаги. Кажется, что водород вовсе и не соединяется с кислородом. Соединение идет, но только чрезвычайно медленно. Чтобы на донышке сосуда образовалась лужица воды, должны пройти тысячелетия. В чем же дело? Оказывается, комнатная температура слишком низка, чтобы водород и кислород вступили в быстрое взаимодействие. Но если нагревать сосуд, стенки его запотевают. Это верный признак протекающей реакции. А при 500°Ц сосуд разлетится на мелкие осколки. При такой температуре образующие воду газы реагируют со взрывом.

Но всегда ли это происходит так? Нет, не всегда. Чтобы образовался один объем водяного пара, нужно взять два объема водорода и один объем кислорода. Эту смесь называют также гремучим газом: при нагревании она взрывается. Если же количество водорода в смеси менее 4% или более 94% (по объему), то такая

смесь не взрывоопасна. Скорость химической реакции зависит не только от температуры, но и от концентрации реагирующих продуктов.

Температура и концентрация - вот те важнейшие понятия, которыми оперирует химическая кинетика - наука о скоростях химических реакций. Ее основной девиз: обеспечить полноту протекания химического процесса, получить наибольший выход нужного продукта. Ради этого химик-кинетик становится и физиком и математиком. И он ставит перед собой задачу - рассчитать химическую реакцию.

Итак, прежде чем смешивать исходные вещества, химик задается вопросом: при какой температуре пойдет реакция? При обычной, комнатной, начинаются немногие. Уголь не загорается сам собой, смесь порошков магния и серы так и остается смесью. Стоит лишь подвести к ним пламя - реакции начинаются тут же.

Почему же тепло способно заводить механизм химического процесса? Вернемся снова к воде. Водород и кислород в свободном виде существуют в форме молекул Н2 и O2. Чтобы эти молекулы могли прореагировать, они должны столкнуться. И чем чаще будут такие столкновения, тем вероятнее образование молекулы воды. При комнатной температуре и нормальном давлении каждая молекула водорода должна сталкиваться с молекулой кислорода... более десяти миллиардов раз в секунду. Если бы любое столкновение приводило к химическому взаимодействию, реакция прошла бы быстрее взрыва - за одну десятимиллиардную долю секунды! Но мы не видим в сосуде, где смешаны два объема водорода с одним объемом кислорода, никаких изменений потому, что в обычных условиях очень редкое столкновение приводит к химической реакции. И секрет заключается в том, что сталкиваются молекулы водорода и кислорода.

Прежде чем вступить в реакцию, молекулы должны распасться на атомы. Точнее говоря, валентные связи между атомами кислорода и атомами водорода в их молекулах должны ослабнуть и настолько, чтобы не препятствовать объединению разнородных атомов водорода и кислорода. Температура и играет роль кнута, подстегивающего реакцию. Она во много раз увеличивает число столкновений, делает соударения молекул более энергичными. Это приводит к ослаблению валентных связей в молекулах Н2 и O2. А когда водород и кислород получают возможность встретится на атомарном уровне, они реагируют мгновенно.

398


Но химика-кинетика такое качественное описание процесса мало удовлетворяет. И он вводит новое понятие: энергия активации. Это та самая энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы приобрести способность к химическому взаимодействию.

Даже при обычной температуре среди молекул водорода и кислорода отыщутся такие, у которых энергия равна или больше энергии активации. Потому-то образование воды идет, но чрезвычайно медленно. Слишком мало достаточно энергичных молекул. А высокая температура приводит к тому, что активационного «барьера» достигают многие молекулы.

Роль энергии активации поистине колоссальна. Вообразим себе, что все молекулы стали бы реагировать друг с другом при любых энергиях. Тогда не стоило бы даже говорить о скоростях реакции. Все вещества стали бы очень быстро соединяться друг с другом, и образовывались бы самые устойчивые соединения: окислы, соли. Все металлы моментально бы окислились, все сложные органические вещества разрушились, превратились бы в простые, но более устойчивые соединения, в том числе и вещества, входящие в состав живых клеток. Получился бы странный мир - мир без жизни, без химии, фантастический мир очень устойчивых соединений, не имеющих желания вступать в химические взаимодействия. Вот от таких неслыханных бед сберегает нас существование энергии активации.

Посмотрим теперь, что такое концентрация и какую роль играет она в химических реакциях. Концентрацией называют число молекул реагирующего вещества в каком-нибудь объеме, например в кубическом сантиметре. Чем выше концентрация молекул взаимодействующих веществ, тем чаще они будут сталкиваться, тем быстрее пойдет реакция. Как же повысить концентрацию? Как «зажать» в кубический сантиметр объема побольше молекул?

Вот пример. Синтез аммиака в практической деятельности человека очень важный химический процесс. Три молекулы водорода и одна молекула азота дают две молекулы аммиака: 3H2 +N2 → 2NH3. Если при обычном давлении смешать три объема водорода и один объем азота, то будет всего лишь смесь газов. Но вот давление увеличивается, скажем, в 500 раз. Смесь подвергается давлению, равному 500 атмосфер. Скорость реакции увеличивается в 60 с лишним миллиардов раз.

Вспомним теперь основной девиз кинетики: обеспечить полноту протекания химической реакции, получить наибольший выход нужного продукта.

Если реакция идет с малым выходом продукта, то еще надо задуматься, стоит ли тратить время, силы и средства для ее осуществления. Ведь задача химии - служить человеку, служить с толком. В прошлом у химии существовал свой символ: змея, кусающая собственный хвост. Если этот образ перевести на более понятный язык современной науки, то он означает: обратимая химическая реакция. Все химические реакции в принципе обратимы. Два атома водорода и атом кислорода, соединяясь, дают молекулу воды, и одновременно другая молекула воды распадается на составные части. Две противоположные реакции протекают одновременно: образование воды (прямая реакция) и ее распад (обратная реакция). Если скорость прямой реакции равна скорости обратной, то данная система находится в равновесии. И так для любой реакции. В различных реакциях равновесие достигается в разное время: у одних мгновенно, а у других далеко не сразу.

Чтобы девиз кинетики осуществился практически, нужно одно: как можно дольше оттянуть момент наступления равновесия, не допустить, чтобы обратная реакция стала конкурировать с прямой. Здесь приходится ввести еще одно очень важное для мира химических взаимодействий понятие: константа равновесия - важнейший рычаг для управления химическими реакциями.

Константа равновесия реакции - это отношение произведения концентраций образовавшихся веществ к произведению концентраций веществ, первоначально вступивших в реакцию. Вот выражение для константы равновесия процесса синтеза аммиака:

В числителе - концентрация образовавшегося аммиака [NH3]; так как его две молекулы, то концентрация возведена в квадрат: [NH3]  [NH3]=[NH3]². Как «построен» знаменатель, легко догадаться.

Если химик желает, чтобы та или иная химическая реакция имела практический «резонанс», он должен предварительно выяснить, чему равны значения ее константы равновесия при различных температурах. Всякая дробь тем больше, чем больше ее числитель и чем меньше знаменатель. Чем больше будет концен-

399


трация образующихся продуктов реакции, тем меньше становится концентрация исходных. Тем большим оказывается значение К. Следовательно, тем в более сильной степени прямая реакция преобладает над обратной. Вот к чему в итоге сводится задача химика - к регулировке константы равновесия. А эта регулировка требует знания двух других важнейших понятий кинетики: фактора температуры и фактора давления.

Для иллюстрации главных принципов химического взаимодействия вернемся опять к синтезу аммиака. При комнатной температуре К для синтеза аммиака равна примерно 100 млн. Казалось бы, смесь азота и водорода в таких условиях моментально должна превратиться в аммиак. Но она не превращается. Очень уж мала скорость прямой реакции. А если смесь нагреть до 500°Ц? Однако в таких условиях у нас ровным счетом ничего не получится...

Расчеты кинетики показывают, что при температуре 500°Ц К составляет всего-навсего... шесть тысячных (610−3). Во много раз преобладает обратная реакция: 2NH3 → 3H2 +N2 ... А мы бы так нагревали и нагревали смесь и думали, почему у нас ничего не получается.

Химическая кинетика четко доказала: для синтеза аммиака наиболее выгодны возможно низкая температура и возможно высокое давление. И помог кинетике в этом еще один закон, управляющий миром химических реакций, так называемый принцип Ле Шателье, именуемый в честь открывшего его французского ученого.

С ростом давления увеличивается концентрация (число молекул реагирующих веществ в единице объема) и число столкновений реагирующих молекул. Поэтому давление увеличивает скорость реакции, которая пропорциональна числу столкновений.

Представим себе пружину, вделанную в неподвижную опору. Если оставить пружину в покое, можно сказать, что она находится в равновесии. Если сжимать ее или, наоборот,

растягивать, пружина из состояния равновесия выходит. Однако одновременно начинает увеличиваться ее упругость, т. е. силы, стремящиеся вернуть ее к равновесию. Они-то и противодействуют сжатию или растяжению пружины. Наконец, наступит момент, когда обе силы уравновешиваются. Пружина снова оказывается в равновесном состоянии. Но это будет уже иное, не начальное равновесие. Оно будет смещено в сторону сжатия или растяжения.

Такое поведение деформируемой пружины аналогично действию принципа Ле Шателье. Вот как его формулирует кинетика: пусть внешняя сила действует на систему, находящуюся в равновесии. Тогда равновесие смещается в сторону, указываемую этим воздействием. Смещается до тех пор, пока силы противодействия не уравняются с внешними.

Опять призовем на помощь реакцию синтеза аммиака. Она, как известно, обратимая:

2 + N2 « 2NH3 .

Из четырех объемов газов получаются два. Увеличивается давление, и это приводит к уменьшению объема. Следовательно, реакция смещается вправо. «Пружина» сжимается. Выход аммиака увеличивается.

Но любая реакция сопровождается выделением или поглощением тепла. При синтезе аммиака тепло выделяется:

ЗН2 + N2 → 2NH3 + Э.

Если нагревать смесь, то реакция пойдет справа налево. Обратная реакция будет преобладать над прямой. «Пружина» растягивается. В обоих случаях установится новое равновесие. Но в первом оно будет соответствовать увеличению выхода аммиака, а во втором - резкому уменьшению.

Видите, какой сложной оказывается на деле как будто бы нехитрая реакция синтеза аммиака, как тщательно приходится подбирать наилучшие условия температуры и давления. Но и эти факторы еще не все, чтобы можно было говорить об успешном получении аммиака с большим выходом продукта.

Теперь вернемся к стеклянному сосуду, где заключена смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода и где не удается обнаружить ни единой капельки воды. Не нарушая герметичности сосуда, введем в него тонкую платиновую проволочку. И вот неожиданность. Проволочка нагревается, а сосуд наполняется туманом - водяными парами.

400


Химическая реакция между молекулами исходных веществ происходит только в том случае, если кинетическая энергия столкнувшихся молекул достаточна для образования промежуточного соединения и разрыва старых связей молекул.

Температура осталась неизменной, давление осталось таким же, а реакция, рассчитанная на тысячелетия, прошла в считанные секунды. Извлечем платиновую проволочку обратно, она совершенно не изменилась. Ее внешний вид, ее химический состав, ее вес после опыта точно такие же, какие были до опыта.

Мы оказались свидетелями очень важного явления в мире химических реакций. Это явление называется катализом. А вещества, в данном случае платина, которые во много раз ускоряют реакцию, сами при этом ничуть не меняясь, именуются катализаторами. Катализаторов неисчислимое количество. Ими могут быть металлы - твердые и порошкообразные; окислы самых различных элементов; соли, основания в чистом виде и в виде смесей (см. цвет. табл. к стр. 377).

Важнейшие процессы химической технологии, например синтез аммиака, не обходятся без катализаторов. Самое обычное металлическое железо с примесью окислов алюминия и калия значительно ускоряет эту реакцию. Химия XX в. обязана своим неслыханным расцветом именно применению катализаторов. Разнообразные жизненные процессы протекают в животных и растительных организмах благодаря специальным катализаторам - энзимам.

Химия неживого и живого - вот сфера действия удивительных ускорителей.

Но не всякий катализатор может ускорять данный процесс. Химики говорят, что катализаторы обладают избирательностью действия: могут активно влиять на одну реакцию, совершенно не обращая внимания на другую. Конечно, есть и исключения из этого правила. Скажем, та же окись алюминия способна катализировать несколько десятков реакций и в неорганической и в органической химии. А на синтез аммиака влияют различные катализаторы. Наконец, разные катализаторы могут

заставить смесь одних и тех же веществ реагировать по-разному, давать различные продукты.

Есть, оказывается, вещества не менее удивительные - промоторы. Взятые сами по себе, они равнодушно относятся к реакции. Взятые как примесь к катализатору, они ускоряют реакцию в гораздо большей степени, чем это сделал бы «одинокий» катализатор. Платиновая проволочка, «загрязненная» железом, аммиаком или двуокисью кремния, произвела бы в смеси водорода и кислорода еще более впечатляющий эффект.

Почему же все-таки катализаторы ускоряют химические реакции?

Как будто бы действие катализатора подобно увеличению температуры. В сосуде образуются пары воды, если нагреть его на несколько сот градусов или же внести проволочку из платины. Результат один, а достигнут он разными способами. Для того чтобы нагреть сосуд, надо привлечь энергию извне. Тепло увеличивает количество активированных молекул и константу равновесия для реакции водорода и кислорода.

Катализатор не вносит никакой дополнительной энергии. Он совершенно не влияет на константу равновесия. Он лишь помогает достичь равновесия в реакции образования воды и ускоряет во много раз наступление этого равновесия. Катализатор снижает энергию активации молекул водорода и кислорода, ту энергию, которая необходима для их быстрого химического взаимодействия. Платиновая проволочка разогревается благодаря теплу, выделяющемуся при стремительно происходящем синтезе воды.

Отчего же понижается энергия активации? В присутствии катализатора реакция протекает через образование неустойчивых промежуточных соединений. Для этого требуется меньшая энергия активации. Не такая большая, как для прямого взаимодействия кислорода

401


и водорода. Вот почему проволочка из платины и произвела в смеси водорода и кислорода столь впечатляющее действие.

Есть, оказывается, кроме катализа положительного катализ отрицательный, когда присутствие катализатора не убыстряет, а, наоборот, замедляет течение реакций. Такие антикатализаторы носят название ингибиторов. Известны, например, ингибиторы коррозии. Они снижают скорость коррозии металлических изделий. Очень эффективными замедлителями коррозии считаются, в частности, соли хрома и технеция ( K2 CrO4, KTcO4) и множество других органических и неорганических веществ. Есть ингибиторы окисления нефтепродуктов, ингибиторы полимеризации и пр. Катализ, наконец, бывает гомогенный и гетерогенный. В первом случае и катализатор и реагирующие вещества образуют однородную систему. Окисление окиси углерода СО до углекислого газа С O2 в присутствии паров воды - вот один из примеров гомогенного катализа. При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах. Так, химическое взаимодействие между газами ускоряется твердым катализатором (синтез аммиака).

Ежегодно в мире появляются сотни статей и десятки книг, посвященных изучению катализа. И многие ученые разных стран пытаются постигнуть причину каталитического действия. Одни считают, что активность катализатора зависит от его химического строения. Другие полагают, что катализ происходит в том случае, когда молекулы катализатора устроены подобно молекулам реагирующих веществ. Третьи не без основания ищут причину катализа в особых свойствах поверхности катализатора.

Катализ хранит достаточно неопознанных тайн. Их хватит и на вашу долю.

Студентам на лекции, посвященной химическим реакциям, демонстрируют очень впечатляющий опыт. В стеклянной колбе содержится смесь двух газов - хлора и водорода. При обычной температуре они реагируют очень медленно. Но колба почему-то упрятана под колпак из толстой проволоки. Затем лектор подносит спичку к магниевой стружке, держа ее вблизи колпака. Стружка вспыхивает ярким пламенем, происходит взрыв. Это цепная реакция взаимодействия хлора с водородом.

В мире химических процессов может существовать еще один вид реакций- цепные.

Если нагреть колбу до 700°Ц, она тоже взорвется. Хлор и водород соединяются мгновенно, за долю секунды. Это и не удивительно. Ведь тепло во много раз повышает энергию активации молекул. Но в опыте, о котором мы только что рассказали, температура нисколько не менялась. Эту реакцию вызвал свет. Кванты, мельчайшие «порции» света, несут большую энергию, гораздо больше той, что требуется для активирования молекулы. Вот на пути светового кванта встречается молекула хлора. Квант ( hv) разделяет ее на атомы и передает им свою энергию.

С l2 + hv → С l *+ Cl*.

Атомы хлора оказываются в возбужденном, богатом энергией состоянии (отмечены звездочками). Такие атомы обрушиваются на молекулы водорода, разрывают их на атомы. Один из них соединяется с атомом хлора, другой остается на свободе:

С l *+Н2 → НС l +Н*.

Но он возбужден. Он жаждет поделиться своей энергией с молекулой хлора. Как только он

Реакция горения в истории человечества: у первобытного человека; ...в древнем Египте; ... в XVIII в.; ... в XIX в.; ... в XX в.; ... в наши дни.

402


с ней сталкивается, молекуле хлора приходит конец:

С l2 +Н* → НС l +С l *.

И опять на свободе оказывается активный хлорный атом, и он недолго ищет, куда приложить свою силу:

Cl* +Н2 → HCl +Н*

И так получается длинная последовательная цепочка реакций; в ней повторяются все те «шаги», которые мы только что изобразили на бумаге. Стоит реакции начаться, как все новые и новые молекулы будут активироваться благодаря той самой энергии, которая выделяется в результате реакции. Скорость реакции нарастает подобно снежной лавине, несущейся с гор. Когда лавина достигнет подножия горы, она замирает.

Цепная реакция затихает, когда все молекулы будут увлечены ею, все молекулы водорода и хлора прореагируют. Каждая активированная светом молекула Н2 или С l2 создает около 100 000 элементарных реакций образования хлористого водорода.

Химики знают множество цепных реакций. Известны цепные реакции и физикам. Например, деление ядер урана нейтронами - пример физической цепной реакции.

Само слово «химия» стало теперь понятием собирательным, объединяющим внушительное количество научных дисциплин. Эти направления тоже изучают вещества и их превращения, но каждое направление - своими методами и способами, со своими целями и задачами. Каждое направление имеет ныне вполне самостоятельное значение.

Скажем, химия и электричество нашли общие интересы. Общность интересов породила

Схема цепной реакции.

новую науку - электрохимию (см. ст. «Большая задача электрохимии»).

Когда вы включаете карманный фонарик, то знайте, что лучик света, прорезавший ночную тьму, - это результат электрохимической реакции, которая произошла в батарейке. Вы держите в руках нержавеющую хромированную ложку. Хромовое покрытие нанесено на стальной предмет благодаря электрохимическому процессу - электролизу. Электрический ток выделил из раствора хромовых солей металл и осадил его на поверхность ложки.

Свет и химия, объединившись, дали начало фотохимии. Эта наука изучает химические реакции, протекающие под действием света. С ней знаком каждый, кто занимается фотографией. Пленка покрывается специальной эмульсией, в состав которой входит бромистое серебро AgBr. Под действием света его молекула распадается на атомы. Куда упало больше света, там и образовалось больше атомов серебра. Поэтому на кадре потемнения распределяются неравномерно, и эта неравномерность создает общий контур будущей фотокарточки.

403


В гальваническом элементе электроны, переходящие от атомов цинка к ионам меди, совершают работу за счет энергии химической реакции превращения атома цинка в ион цинка, а иона меди - в атом меди. Энергия химической реакции преобразуется в электрическую.

А вот еще один фотохимический процесс. Именно благодаря ему на Земле существует кислород, которым мы дышим. Благодаря ему на нашей планете растет великое множество растений. Под влиянием солнечного луча в зеленом листе из углекислого газа воздуха и воды, которую растение добывает из почвы, ежесекундно синтезируются ценнейшие углеводы и выделяется кислород. Процесс этот называется фотосинтезом. Каждый зеленый листочек - настоящая химическая фабрика, где происходят тысячи сложнейших химических реакций.

Ученые еще не познали до конца процесс фотосинтеза. И, может, одна из главных задач будущей химии - изобрести искусственный «лист», в котором совершались бы те же самые процессы, что и в природе...

Когда химия применила для своих нужд радиоактивные излучения, родилась ее новая область - радиационная химия. Она сразу дала заметный практический выход. Например,

Энергия Солнца вызывает в зеленом листе растения удивительную и очень важную реакцию фотосинтеза. Из простых неорганических соединений образуются углеводы.

начало развиваться производство высококачественных пластмасс с помощью радиационно-химической полимеризации мономеров. Радиационная химия предложила новые способы вулканизации каучука. Изготовленная таким путем резина отличается большой износоустойчивостью.

Или взять радиационный крекинг. Крекингом называется процесс расщепления сложных соединений, образующих нефть. При этом нефть обогащается простыми, легкими углеводородами как насыщенными, так и ненасыщенными, из которых получают многие ценные органические продукты. Обычный крекинг проводят при высокой температуре и в присутствии катализатора. Радиационный крекинг этих условий не требует. Сильное гамма-облучение образцов нефти в короткий срок производит расщепление тяжелых углеводородов. В других условиях облучение может вызвать и обратный процесс. Из легких углеводородов - метана и этана - получают сложные ценные вещества - альдегиды, кетоны и органические кислоты.

Ученые ищут пути, как непосредственно из азота получить азотную кислоту под действием радиоактивных излучений.

Вот они, первые достижения радиационной химии, а раскрывшиеся перед ней горизонты поистине необозримы.

... Все, что было создано на Земле до человека, все, что он создал, и все, что он создаст в будущем, - это результат химических реакций, которые так же многообразны, как сам мир.

* * *

Аристотель: «Наука возникла от

удивления».

* * *

Луи де Вройль: «Наука - дочь удивления и любопытства».

* * *

Не забывайте немецкой пословицы: «Ганс не знает того, что не выучил Гансик».

* * *

Бэкон: «Человек познает в споре».

Во время публичной лекции, прочитанной детям, Фарадей показывал свечу с «Роял Джорджа», которая вместе с кораблем 57 лет пролежала на дне моря. Свеча прекрасно горела

404


БОЛЬШАЯ ЗАДАЧА ЭЛЕКТРОХИМИИ (топливные элементы)

ПОЧЕМУ НЕВЫГОДНА ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Трудно представить себе нашу жизнь без электрической энергии. Электричество освещает наши города и села, плавит металл в электропечах, приводит в движение миллионы станков, питает радиостанции и совершает тысячи других полезных дел.

Около 80% электроэнергии дают тепловые станции, где в гигантских котельных сжигают уголь, сланцы, торф, природный газ, и лишь 20% электроэнергии вырабатывают гидростанции.

Усилия ученых направлены на совершенствование процесса получения электроэнергии из топлива.

Процесс этот выглядит так. При химической реакции горения (окисления) топлива выделяется энергия тепловая, благодаря ей в котле расширяется пар и приводит в действие лопасти паровой турбины - появляется энергия механическая. Механическая энергия в свою очередь побуждает к работе электрический генератор. Так возникает целая цепочка превращения энергии:

По закону сохранения энергии при каждом преобразовании энергии общее ее количество не изменяется, энергия не теряется безвозвратно и не возникает из ничего. Казалось бы, для практики безразлично, каким образом один вид энергии превращается в другой. На самом же деле это не так - разные виды энергии неравноценны.

Механическую и электрическую энергию можно непосредственно и полностью использовать в виде любой полезной работы и полностью превратить в любой другой вид энергии. Иначе обстоит дело с тепловой энергией. Если мы попытаемся превратить тепловую энергию в механическую, какая-то ее доля всегда останется неиспользованной. Отношение количества энергии, которое можно использовать для превращения в механическую, к общему количеству тепловой энергии называется коэффициентом полезного действия (к. п. д.) процесса превращения энергии.

К. п. д. тепловых машин зависит от их рабочих температур. Обычно он не превышает 30% (у паровоза даже 7%) и лишь у самых совершенных машин достигает 40%. Это значит, что больше половины тепловой энергии и в переносном и в буквальном смысле вылетает в трубу. Ясно, что тепловая машина - устройство малоэффективное.

Много лет ученые пытаются повысить к. п. д. тепловых машин - совершенствуют конструкции агрегатов, увеличивают их мощность и т. д. Но повышение к. п. д. сверх 40% связано с большими трудностями. Поэтому заманчива другая идея - полностью отказаться от тепловых машин и использовать химическую энергию окисления топлива, минуя промежуточное выделение тепловой энергии.

На принципиальную возможность такого превращения указывает нам окружающая природа. Любой организм черпает необходимую энергию из органических видов топлива - пищевых продуктов. В организме происходит то же самое окисление топлива, что и в тепловой машине, образуются те же конечные продукты реакции - вода и углекислый газ. Но в машине окисление происходит с выделением тепловой энергии, что вызывает сильное нагревание среды, а в организме энергия выделяется в основном в виде механической энергии мускульных сокращений, и температура окружающего пространства почти не повышается. Коэффициент

Коэффициент преобразования энергии в живом организме

достигает 60-70%. Такие высокие показатели немыслимы

для самых совершенных тепловых машин.

405


преобразования энергии в живом организме достигает 60-70%. О таких показателях конструкторы тепловых машин даже и не мечтают.

Итак, химическая энергия может превращаться прямо в механическую. А прямо в электрическую?

ЭЛЕКТРОХИМИЯ И УЧЕНИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ

Проблемой непосредственного превращения химической энергии в электрическую и электрической в химическую занимается электрохимия. Эта наука зародилась в самом начале XIX в. В наши дни она переживает свою вторую молодость.

Электрохимические реакции отличаются от обычных химических реакций тем, что в них участвуют свободные электроны. В ходе такой реакции свободные электроны либо выделяются, либо поглощаются. Примерами первых реакций могут служить реакции растворения металлов: Zn → Zn+2 + 2 е

В первой половине XIX в. единственными практическими источниками электрического тока были гальванические элементы - электрохимические источники тока. С их помощью стали возможны многочисленные открытия в области теории электричества.

В 1834 г. петербургский академик Б. С. Якоби создал первый электрический двигатель. Он действовал от электрохимического источника тока.

или реакции выделения кислорода на положительном электроде при электролизе воды:

40Н → 2Н2 O + O2 +4е.

Реакции с отдачей электронов окислительные (металлический цинк, отдавая электроны, окисляется до двухвалентного состояния). В качестве примера вторых, восстановительных реакций назовем реакции отложения металлов из растворов, например Cu+2 +2e → Cu, или реакцию электролитического выделения водорода: 2Н+ +2е → Н2 .

Электрохимические реакции протекают на поверхности металлических электродов, погруженных в раствор электролита. Электроны в обычных условиях не могут существовать в водном растворе в свободном состоянии; поэтому их и подводят к реагирующим веществам или отводят от них по электроду.

Электрохимические реакции играют большую роль в технике. В течение почти всей первой половины XIX в. единственными источниками электрического тока, которые помогали совершать многочисленные открытия в области теории электричества, были электрохимические источники тока, или гальванические элементы (см. ст. «Электромагнитное поле»). Без этих источников невозможно себе представить ни развития представлений об электромагнетизме, ни создания основ электротехники, ни даже появления первых электромагнитных двигателей и

406


генераторов. Зарождение электроэнергетики неразрывно связано с электрохимическими источниками тока и электрохимическими реакциями, с превращением химической энергии в электрическую.

ЭЛЕКТРОХИМИЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

Во второй половине XIX в. электрохимические источники тока уступили место электромагнитным генераторам, оказавшимся более удобными для производства электроэнергии в больших масштабах. Но сама электрохимия продолжала развиваться. Появились большие электрохимические производства. С помощью электролиза стали получать не только водород и кислород, хлор и щелочи, но и такие металлы, как магний и алюминий, занимающие почетное место во многих отраслях современной техники. Техника начала требовать материалы высокой чистоты, а электрохимические методы - растворение и осаждение - помогли получить чистую медь и другие чистые металлы.

Существует электрохимический процесс, который приносит человечеству миллиардные убытки. Это процесс коррозии металлов.

Заметим попутно, что электрохимические реакции не всегда приносят пользу. Есть электрохимический процесс, который приносит человечеству неисчислимые убытки. Это коррозия металлов, уносящая каждый год десятую долю всего выплавляемого железа. Перед лицом такого бедствия электрохимикам приходится изобретать средства не только для ускорения электрохимических реакций, но и для их замедления.

Электрохимические методы помогают химикам обнаруживать при анализе различные вещества. С помощью особого прибора - полярографа можно осаждать на поверхности ртутной капли малейшие количества вещества из раствора и регистрировать их. Существуют электрохимические приборы, которые улавливают и регистрируют звуковые колебания, измеряют давление, ускорение, вибрации и разнообразные другие физические величины.

Электрохимические реакции хороши тем, что их скорость можно регулировать довольно простыми способами. Это очень важно, когда имеешь дело с несколькими реакциями одновременно. Замедляя одни реакции и ускоряя другие, можно направить общее течение процессов в желаемое русло, т. е. управлять процессами. Поэтому одним из важнейших разделов электрохимической теории, начавшей по-настоящему развиваться в 30-х годах нынешнего столетия, стало учение о скорости электрохимических реакций, или электрохимическая кинетика. Исследование основных законов электрохимической кинетики позволило усовершенствовать важнейшие электрохимические процессы, в том числе и те, которые были присущи первым источникам тока - гальваническим элементам.

ЭНЕРГЕТИКА БОЛЬШАЯ И МАЛАЯ

Электрохимические источники тока к концу прошлого века почти полностью потеряли свое значение как источники электроэнергии. Они не могли конкурировать с промышленными электростанциями. И все же ученые вынуждены были вернуться к ним и заняться их изучением и совершенствованием. Этого требовала жизнь. Переносной радиоаппаратуре требовались автономные (не связанные с электрической сетью) источники питания, надежные и удобные. В таких источниках испытывают нужду и средства транспорта - самолеты, автомобили, а теперь и космические корабли. За последние тридцать

407


лет для этих целей созданы десятки типов гальванических элементов и аккумуляторов, достаточно мощных и энергоемких.

Но как бы ни были совершенны гальванические элементы и аккумуляторы, если можно воспользоваться электроэнергией от сети, конкурировать с электрогенераторами они не в силах. Поэтому наметилось совершенно четкое деление способов выработки и потребления энергии: в «большой энергетике» электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется по сетям к потребителю, в «малой энергетике» применяют автономные, малогабаритные, но и относительно маломощные источники электроэнергии для питания аппаратуры, которая не может быть присоединена к электросети.

И в той и в другой области электроэнергию получают за счет химической энергии окисления топлива. В электрохимических источниках тока превращение происходит прямо и непосредственно, с большим к. п. д. Тепловым станциям, как мы уже убедились, свойственно многоступенчатое превращение энергии, и к. п. д. там невысок. Создается парадоксальное положение: энергетика отдает предпочтение не простому и выгодному электрохимическому методу, а сложному и неэффективному многоступенчатому превращению.

Парадокс этот вызван прежде всего экономическими соображениями. В котельных тепловых электростанций сжигают дешевое природное топливо; в электрохимических же источниках тока издавна использовали такие экзотические (с экономической точки зрения) виды «топлива», как цинк, магний, свинец или в лучшем случае железо. Ясно, что никакой к. п. д. не окупит расходы на такое «топливо». Кроме того, тепловая энергетика пользуется даровым окислителем - кислородом воздуха, а электрохимические источники тока требуют в качестве окислителей все ту же «экзотику», например двуокись марганца, а иногда даже окись серебра.

Вторым существенным недостатком электрохимических элементов была прерывистость их действия. В элемент заложен определенный запас активных материалов («топлива» и окислителя), рассчитанный на выработку какого-то количества электрической энергии. Запас израсходован, и элемент надо заменять другим или перезаряжать. Тепловая же машина работает непрерывно, топливо и окислитель подводят к ней без перебоев.

Как же преодолеть эти противоречия? Очевидно, надо подумать над тем, как применить электрохимический метод к обычному топливу и как сделать процесс непрерывным. Если бы все это удалось, расход топлива на производство электроэнергии сократился бы в полтора, а то и в два раза.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Вот уже почти столетие ученые многих стран ищут пути прямого преобразования химической энергии дешевого топлива в электрическую. Создать топливные элементы оказалось чрезвычайно трудно. Во-первых, обычное топливо так медленно поддавалось электрохимическому окислению, что о мало-мальски приемлемой мощности не могло быть и речи. Во-вторых, топливные элементы были чрезвычайно недолговечными. Их свойства быстро ухудшались, электрические характеристики падали, и элементы теряли всякую работоспособность. До середины текущего столетия проблема создания надежных и эффективных топливных элементов многим казалась почти неразрешимой и бесперспективной.

Но энтузиасты-исследователи продолжали развивать теоретические основы электрохимии, они искали новые материалы и новые катализаторы, и их исследования увенчались успехом. Теперь они говорят с полной уверенностью: проблема будет решена и решена сравнительно скоро. Об этом свидетельствуют новые образцы топливных элементов.

Как же они устроены?

Топливный элемент существенно отличается от обычного гальванического элемента старого типа. Топливо и окислитель, необходимые для электрохимической реакции, не закладываются в него заранее, а непрерывно подводятся к нему в процессе работы. Для удобства подвода компонентов желательно, чтобы они были в газообразном или жидком состоянии. От тепловой Машины топливный элемент отличается тем, что окисление происходит в нем не химическим путем (путем горения), а электрохимическим.

При обычном химическом окислении электроны с молекул топлива переходят на частицы окислителя. Если бы этот переход был упорядочен, т. е. совершался преимущественно в одном направлении, мы получили бы электрический ток. Но в пламени частицы топлива и окислителя перемешаны и электронный переход совершается хаотично, во всех направлениях. Энергия процесса рассеивается в виде тепла.

408


Смысл электрохимического окисления как раз и заключается в упорядочении электронных переходов. Для этого прежде всего необходимо разделить частицы топлива и окислителя. Топливо и окислитель подводятся к электродам, на которых возможны электрохимические реакции выделения и присоединения электронов. Рассмотрим в качестве примера простейшую электрохимическую реакцию окисления водорода кислородом. Водород подводится к электроду, выбранному так, чтобы на нем могла протекать реакция окисления водорода с образованием водородных ионов и электронов:

Н2 → 2Н+ +2 е.

Другой электрод выбирается таким образом, чтобы на нем подаваемый кислород мог восстановиться в воду:

1/2 O2 +2Н+ +2е → Н2 O .

Если соединить электроды металлическим проводником (электрической цепью), то реакции на обоих электродах все время будут протекать слева направо. Образующиеся на первом электроде электроны по внешней цепи переходят на второй электрод - по цепи течет электрический ток, совершающий электрическую работу. Электрическая цепь замыкается электролитом, в котором образующиеся ионы водорода также переносятся ко второму электроду.

Необходимая для электрической работы энергия получается за счет энергии химического процесса. Суммарной химической реакцией, протекающей на обоих электродах, является реакция образования воды:

Н2 + 1/2 O2 → Н2O.

Сложность создания топливных элементов заключается в подборе электродов (и электролита), которые были бы достаточно активны. Для увеличения скорости электрохимических реакций, как и для реакций химических, часто используют катализаторы. Катализаторы находятся на поверхности или в порах электродов; чтобы они не теряли свою активность и служили как можно дольше, химики подвергают их специальной обработке.

ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

На цветной таблице (стр. 412) представлена схема простейшего водородно-кислородного элемента. Основа элемента - два электрода,

на которых происходят электрохимические реакции ионизации газов. Электроды имеют вид тонких пористых дисков, получаемых прессованием и спеканием металлических порошков, чаще всего никелевого порошка. В электрод (либо в процессе изготовления, либо потом) введен катализатор. Электроды укрепляют в ячейке так, чтобы с одной стороны они соприкасались с раствором электролита. Края электродов тщательно герметизированы.

Через обратную сторону к электродам подаются газы: к одному - водород, к другому - кислород. Газы нагнетают под слегка повышенным давлением, так что они частично вытесняют электролит из пор электродов. Таким образом внутри пористого электрода создаются участки контакта трех тел - твердого электрода, жидкого электролита и газообразного реагента (водорода или кислорода). Вблизи этих так называемых трехфазных границ раздела и происходит токообразующая электрохимическая реакция. От электродов ток с помощью специальных токоотводов отводится во внешнюю цепь.

В качестве электролита в водородно-кислородных элементах обычно применяют сорока процентный раствор щелочи КОН. Рабочая температура поддерживается равной 70 - 100°Ц.

Если внешняя цепь разомкнута, то электроны, естественно, не могут перейти с одного электрода на другой: после выделения некоторого количества электронов на водородном электроде и поглощения некоторого количества электронов на кислородном процесс прекращается. Между электродами устанавливается разность потенциалов, называемая электродвижущей силой (э. д. с.) или напряжением разомкнутого элемента. Для водородно-кислородных элементов напряжение при разомкнутой цепи равно 1,0 -1,1 в, причем более отрицательным является водородный электрод (на нем электроны выделяются и частично накапливаются).

Замкнем внешнюю цепь, подключив к ней, например, лампочку. Через цепь пойдет ток. Возобновившиеся реакции ионизации газов поддержат его. Но во время прохождения тока напряжение элемента несколько снизится; чем больше будет ток, тем ниже напряжение. Практически допускают снижение напряжения до 0,7 в. Ток, при котором это напряжение достигается, считается максимальным разрядным током данного элемента.

Величина максимального разрядного тока элемента зависит прежде всего от величины поверхности электродов и от их каталитической

409


активности. Для сравнения элементов разных размеров очень удобно рассчитать величину плотности электрического тока, т. е. тока, снимаемого с единицы поверхности электродов. Для водородно-кислородных элементов в зависимости от катализаторов и условий работы максимальная плотность тока может колебаться от 50 до 500 (и более) миллиампер на квадратный сантиметр поверхности электрода. Таким образом, при использовании электродов с поверхностью в несколько квадратных дециметров можно получить разрядные токи в 30-100 а.

Батарея водородно-кислородных элементов. Мощность ее 5 квт . Диаметр каждого электрода 250 мм.

Для практического использования электрической энергии требуется, как правило, сравнительно высокое напряжение. Автомобильная аппаратура работает при напряжении в 12 в, самолетная - в 28 в. Чтобы получить такие напряжения, несколько элементов соединяют последовательно в батарею. На рисунке показан общий вид батареи, состоящей из 40 последовательно включенных элементов. Она может дать разрядный ток до 200 а при напряжении 28 в. Общая электрическая мощность, развиваемая батареей, превышает, таким образом, 5 квт.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Электрохимическое окисление топлива не всегда протекает гладко. Такие распространенные и дешевые виды топлива, как генераторный СО или природный газ СН4, реагируют на электродах значительно хуже, чем водород.

Даже самые активные катализаторы лишь в незначительной степени ускоряют эти реакции. А малая скорость реакции означает малую величину плотности тока и, следовательно, малую мощность.

Возможность для проведения этих реакций с достаточной скоростью дает использование высоких температур, например 500° или даже 1000°Ц. Но тут возникает новая трудность: при высоких температурах вода испаряется мгновенно, водный раствор электролита оказывается неподходящим.

Электролитами могут служить либо расплавы солей (например, смесь углекислых солей натрия, калия и лития, плавящаяся при температуре чуть ниже 500°Ц), либо твердые электролиты.

Таким твердым электролитом может быть, например, двуокись циркония ZrO2, содержащая некоторые примеси. При температурах около 800-1000°Ц благодаря подвижности отрицательных ионов кислорода О−2 она начинает хорошо проводить электрический ток (катионы Zr+4 не перемещаются и ток не переносят). Наличие такой «кислородной» проводимости влияет на характер электрохимических реакций, протекающих на электродах. Если построить элемент описанного выше типа - вместо раствора КОН взять в качестве электролита ZrO2 -и подводить к одному электроду окись углерода, а ко второму кислород, то при температурах около 1000°Ц молекулы кислородного электрода станут принимать электроны из внешней цепи, превращаясь в отрицательные ионы:

O2 +4е → 2 O−2,

а молекулы СО топливного электрода соединяются с ионами О−2 из твердого электролита, образуя углекислый газ и отдавая электроны во внешнюю цепь:

2СО+2 O−2 → 2С O2 +4е.

Электрический ток во внешней цепи обусловлен переходом электронов от отрицательного (топливного) электрода к положительному (кислородному) электроду; этот ток компенсируется движением ионов O−2 в твердом электролите в обратном направлении.

Такие высокотемпературные топливные элементы, питаемые генераторным газом и кислородом, могут работать при плотностях тока 50- 150 ма/см², выдавая напряжение около 0,5 в на элемент.

410


ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДАЮТ ТОК

Топливные элементы выходят из лабораторий, но предстоит большая работа по их усовершенствованию, повышению их стабильности и упрощению технологии их изготовления. Но уже можно сказать, что вопрос непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую принципиально решен, и в недалеком будущем различные типы топливных элементов найдут широкое применение в народном хозяйстве.

Конечно, заманчивее всего было бы создать на базе топливных элементов большие электростанции, вырабатывающие электрическую энергию из природного топлива или продуктов его переработки. Основой таких электростанций явятся высокотемпературные топливные элементы с расплавленным или твердым электролитом. Топливом для элементов послужит либо природный газ, либо генераторный газ, получающийся при газификации твердого топлива. Твердое топливо при температуре около 700°Ц обрабатывают углекислым газом, в результате чего образуется окись углерода. Окись углерода поступит в топливный элемент, где окислится в углекислый газ:

2СО+О2 → 2СО2. Электростанция будет состоять из большого количества совершенно одинаковых элементов, что значительно упростит ее строительство. На станции почти совсем не будет движущихся и вращающихся механизмов. Постоянный ток, вырабатываемый топливными элементами, по-

Топливо для работы высокотемпературного топливного элемента вырабатывается в

газогенераторе.

Электростанция будущего работает на продуктах подземной газификации.

411


Автомобили с электрическими двигателями, питаемыми от топливных элементов, не будут отравлять воздух городов вредными выхлопными газами.

ступит к мощным полупроводникам преобразователя, вырабатывающим почти без потерь переменный ток промышленной частоты.

Трудно сказать, сколько потребуется времени для осуществления этого, но несомненно, что когда-нибудь невыгодный процесс химического сжигания топлива будет заменен электрохимическим «холодным горением».

Топливные элементы найдут применение также в малой энергетике, и при этом раньше, чем в большой. В сельских районах перестанут стучать многочисленные «дизели», уступив свое место бесшумным электрохимическим установкам.

Очень интересна перспектива применения топливных элементов в автомобилях. Автомобили с электрическими двигателями, питаемыми от топливных элементов, не будут отравлять воздух городов вредными выхлопными газами.

Создание различных топливных элементов электрохимия считает одной из своих важнейших задач. Ее успешное решение способно преобразить многие отрасли техники.

ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ МЕЖДУ ТЕЛАМИ

МОЛЕКУЛЫ-ПОГРАНИЧНИКИ

Свойства всех веществ зависят от состава и строения их молекул. Свойства тел, для которых вещество служит как бы сырьем, кроме того, зависят и от расположения молекул, от расстояний между ними, а следовательно, и от их взаимодействия - молекулярного сцепления. В одних телах молекулы находятся друг от друга далеко, а в других - совсем рядом, и мы различаем в одном случае газы, а в другом - жидкости и твердые тела - кристаллы.

Во всех телах молекулы находятся в беспорядочном тепловом движении, которое замирает лишь при температуре абсолютного нуля - на 273 °Ц ниже точки плавления льда. В газах (парах) молекулы беспорядочно движутся по прямым, сталкиваясь друг с другом или со стенками сосуда, в жидкостях - ползают, как пчелы в рое, а в кристаллах - беспорядочно колеблются вокруг узлов решетки - правильной пространственной сетки, лишь иногда перемещаясь на короткие расстояния.

Тепловое движение приводит к диффузии, к выравниванию концентрации частичек вещества, т. е. их числа в каждой единице объема тела. Чем выше температура, тем быстрее диффузия. В жидкостях диффузия идет медленнее, чем в газах, а в твердых телах при комнатной температуре она почти незаметна.

Неправильно считать, что молекулы, занимающие весь объем тела, в равной мере определяют его свойства. Особенно важную роль, прежде всего при взаимодействии соприкасающихся тел или тела и окружающей его среды, играют молекулы-пограничники. Они занимают поверхности раздела или, вернее, тонкие поверхностные слои на границах тел. Молекулы в этих слоях ведут себя иначе, чем в объеме каждого тела.

От особых свойств поверхностных слоев зависят все виды молекулярного взаимодействия тел: прилипание, сваривание, паяние, склеивание, трение. Даже разрушение твердого тела, т. е. преодоление молекулярного сцепления внешними силами, надо рассматривать как образование новых поверхностей - явление, обратное свариванию двух кусков тела. Свойствами поверхностных слоев определяются и такие процессы, как растворение и кристаллизация, испарение и конденсация пара, коррозия, или химическое растворение твердых тел (металлов) окружающей средой, разрушение горных пород и почв - их эрозия.

412


Таблица к статье "Большая задача электрохимии (топливные элементы)" Электрохимические источники тока и топливный элемент: I - схема работы гальванических элементов и аккумуляторов; II - схема работы водородно-кислородного топливного элемента; III - топливные элементы будут широко применяться на транспорте будущего.

Таблица к статье «Замечательные явления на границе между телами» 1. В аквариуме плавает гусь. Гидрофобная оболочка перьев не смачивается, и вода не проникает в оперение, образуется воздушная подушка, на которой птица плавает, лишь немного погрузившись в воду. Добавим в аквариум немного активного смачивателя, совершенно безвредного для птицы. Гусь почувствовал себя необычно - его оперение намокает, он отяжелел, он тонет! 2. Схема флотационной машины. Справа показан пузырек воздуха, выносящий прилипшие к нему частицы ценного минерала.

Если твердое тело размолоть в мельчайшие пылинки, поверхность каждой единицы его объема увеличится в десятки тысяч раз. При этом возрастет и химическая активность. Свойства таких дисперсных тел станут целиком определяться свойствами их поверхностного слоя.

Каждая молекула в объеме любого тела связана со своими соседями, равномерно окружающими ее со всех сторон. Иное дело молекулы-пограничники: со стороны объема жидкости или твердого тела у них такие же соседи, так же плотно расположенные, а извне либо их очень мало, если тело граничит с газом (собственным паром), либо это чужие молекулы, принадлежащее другому телу. Поэтому молекулы-пограничники всегда обладают свободными связями - избытком свободной энергии, они активированы - вооружены избытком энергии.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ

Попробуем увеличить поверхность тела, сохранив его объем. Растянем, например, пленку жидкости. Упругое растяжение, как у резины, не произойдет, расстояние между молекулами не увеличится. Просто все новые и новые молекулы будут переходить из объема жидкости на ее поверхность, образуя поверхностный слой толщиной в молекулу - мономолекулярный слой.

Представим себе молекулы плотно упакованными в поверхностном слое в виде одинаковых кубиков. Размер молекулы, т. е. ребро кубика ( b), составляет около 3-5 ангстрем (A). 1 A = 10−8см. Следовательно, площадь, занятая молекулой (), равна 10-25 A², а число молекул на 1см² слоя (n1 = 1⁄b²) - около 1015.

На каждую молекулу слоя действует сила f, направленная внутрь жидкости, и, чтобы вывести молекулу на поверхность, надо затратить работу, приблизительно равную произведению силы f на путь b. Работа образования 1см² поверхностного слоя, или поверхностное натяжение, выразится так:

σ = f b n1 = f / b .   (1)

Эта величина определяет избыток свободной энергии, сосредоточенной в каждом квадратном сантиметре слоя на границе двух любых тел. Эта энергия называется свободной, потому что ее можно использовать для совершения механической работы; подобную же энергию приобретает груз, поднятый на определенную высоту.

Так активируются молекулы-пограничники. Поверхностное натяжение иначе можно назвать удельной свободной поверхностной энергией. Его можно рассматривать как энергию активации всех n1 молекул в 1см² слоя. На одну молекулу эта энергия составляет σ⁄n1 = f b = σ .

Если поверхность тела S см², то свободная поверхностная энергия равна σ S. У дисперсных тел с очень сильно развитой поверхностью эта энергия может быть очень велика.

Сравним измеренные значения σ в эрг/см³ при 20°Ц на поверхностях раздела некоторых жидкостей с собственным паром. У углеводорода гептана С7Н16 σ = 20, у воды σ = 73, у ртути σ = 480. Для большинства металлов σ вблизи точки плавления лежит между 500 и 2000эрг/см². У малолетучих тел поверхностное натяжение на границе с воздухом характеризует молекулярные силы сцепления. Из уравнения (1) f = σ b, считая σ = 500эрг/см², а b = 4·10−8см, находим f = 2·10−5дин. Эта сила очень мала - она соответствует весу двух стотысячных долей миллиграмма! Но помножьте ее на все n1 молекул, и вы получите идеальную, т. е. наибольшую, прочность твердого тела на разрыв:

Pт = f n1 = f ⁄ b² ≈ 1010дин ⁄ см² .

Стержень из такого материала сечением 1см² выдержит вес 10 т !

КАПЛИ НА ПОВЕРХНОСТИ. СМАЧИВАНИЕ. ФОРМА ЖИДКИХ ТЕЛ

Если каплю жидкости поместить на гладкую сухую поверхность, например на стеклянную пластинку, то она либо полностью растечется, покрыв пластинку пленкой, либо останется на месте. В первом случае произойдет полное смачивание: силы сцепления жидкости с твердым телом на их общей границе, т. е. силы прилипания, превысят сцепление молекул самой жидкости; во втором - силы

413


прилипания окажутся меньше сил сцепления молекул жидкости и капля не растечется в пленку, полного смачивания не будет. Капля останется сидеть на пластинке, образуя с ней краевой угол; чем он больше, тем хуже смачивание. Если краевой угол тупой, как например у ртути на стекле или у воды на парафине, капля свободно бегает по пластинке, не оставляя на ней следа. Поверхность, образующую тупой краевой угол с каплей воды, называют гидрофобной (в переводе с греческого - ненавидящий воду) или водоотталкивающей. Строго говоря, это неправильно, так как сама вода не отталкивается, а притягивается к любым поверхностям, но силы прилипания к гидрофобным поверхностям так малы, что не могут преодолеть силы сцепления между молекулами воды в капле.

Чем больше поверхностное натяжение жидкости на границе с ее паром, тем хуже она смачивает твердую поверхность. Углеводородные жидкости - нефть и минеральные масла σ =20-30 смачивают все сухие твердые поверхности, вода (σ = 73) не смачивает жирные (гидрофобные) поверхности, а ртуть (σ = 480) не смачивает все обычные поверхности.

Чем сильнее молекулярное взаимодействие жидкости с каким-либо телом, чем она сильнее прилипает к нему, тем лучше она его и смачивает. Оттого-то ртуть и другие жидкие (расплавленные) металлы прекрасно смачивают металл, очищенный от окисла, но не смачивают ни стекло, ни поверхность твердых металлов, покрытую на воздухе окисленной пленкой. Этим свойством широко пользуются при паянии и лужении; перед тем как сварить или спаять металлы, их очищают от окислов. В отличие от гидрофобных гидрофильные поверхности (по-гречески - любящие воду) хорошо смачиваются водой. С поверхностями кварца и силикатных стекол вода вступает даже в химическое соединение, образуя слои гидрата двуокиси кремния - кремневой кислоты.

Сами по себе, или, как говорят, самопроизвольно, происходят те процессы, при которых уменьшается свободная энергия. Именно поэтому самопроизвольно, под действием молекулярных сил, капля жидкости принимает форму шара: поверхность ее становится наименьшей при постоянном объеме. Это легко заметить, наблюдая за маленькими каплями воды на несмачиваемой поверхности парафина или за каплями ртути на стекле. У крупных капель форма шара искажается силой тяжести, но если большую каплю масла поместить в не смешивающуюся с ним жидкость равной плотности, например в смесь воды со спиртом, она по закону Архимеда станет невесомой, тогда капля примет форму шара (рис. 1). Это и есть собственная форма жидких тел; она легко возникает, но так же легко искажается под действием внешних сил.

Соприкасаясь, капельки сливаются в одну большую каплю, что тоже вызвано уменьшением свободной поверхностной энергии - уменьшением поверхности при постоянстве объема. Число молекул-пограничников при этом всегда уменьшается; они возвращаются в объем жидкости.

АДСОРБЦИЯ

Поверхностный слой может улавливать из окружающей среды такие молекулы, которые способны «насытить» свободные силы сцепления молекул-пограничников. Эти силы связывают молекулы слоя с уловленными молекулами. При этом поверхностная энергия уменьшается без изменения поверхности. Такой процесс называется адсорбцией, а вещества, молекулы которых связываются с поверхностью,- поверхностно-активными веществами.

Адсорбцию используют для очистки газов и жидкостей от примесей и вредных веществ, для извлечения из растворов ценных продук-

Как выдувать мыльные пузыри?

Растворите в 100 г теплой дистиллированной или долго кипевшей воды 2 г тонко наструганного сухого детского мыла и 10 г чистого глицерина. После охлаждения к раствору добавьте понемногу крепкого нашатырного спирта, пока раствор не станет прозрачным и не будет сильно пахнуть аммиаком. Затем небольшую стеклянную вороночку, к которой присоединена резиновая трубочка, погрузите раструбом в мыльный раствор.

Крупные пузыри хорошо выдувать на блюдце с раствором, смочив им края блюдца. Выдувая пузырь, понаблюдайте, как с уменьшением толщины пленки на ней играют все более и более яркие интерференционные цвета.

414


Рис. 1. Если большую каплю масла поместить в не смешивающуюся с ним жидкость равной плотности, например смесь воды со спиртом, то по закону Архимеда капля масла станет невесомой. Такая капля принимает форму шара. Отдельные капельки масла сливаются в одну большую.

тов, например соединений редких металлов. Вещества улавливаются на поверхности адсорбентов - тонкопористых тел, пронизанных мельчайшими открытыми каналами. Таковы специально приготовленные активные угли, или силикагели; их получают обезвоживанием студней кремнекислоты. Поверхность одного грамма таких высокодисперсных адсорбентов достигает 1000 м² ! Адсорбенты применяют и как катализаторы - ускорители химических реакций. Молекулы веществ, активируясь на поверхности в порах адсорбента, легче реагируют друг с другом, и скорость реакции повышается во много раз. Именно так действуют катализаторы при получении аммиака, серной кислоты и в других важнейших химических производствах. Главная роль поверхностно-активных веществ в том, что они сильнейшим образом изменяют свойства поверхности тел и условия взаимодействия этих тел. Для этого требуется очень мало поверхностно-активного вещества - столько, чтобы покрыть поверхность адсорбента слоем в одну молекулу. При самой плотной упаковке молекула этого слоя занимает площадку в виде квадратика со стороной около 4,5 Å. Следовательно, площадь, занимаемая молекулой, равна (4,5·10−8)² =20· 10−16 см². Значит, на 1м² приходится 104 /(20· 10−16) молекул. Но известно, что грамм-молекула (моль) любого вещества содержит 6·1023 молекул (число Авогадро); таким образом, на 1м² приходится около 10−5 моля вещества. Если молекулярный вес этого вещества около 300, то, чтобы покрыть 1м² поверхности мономолекулярным слоем, потребуется около 3мг поверхностно-активного вещества .

Свойства адсорбционных слоев помогают нам управлять технологическими процессами: отмывать загрязнения с любых материалов,

приготовлять устойчивые суспензии и эмульсии или, наоборот, быстро их разрушать, делать поверхности смачиваемыми или, наоборот, не смачиваемыми водой. Поверхностно-активные вещества позволили разработать флотацию - эффективный метод обогащения полезных ископаемых, т. е. отделения их частиц от пустой породы. Частицы ценного минерала, сделавшись благодаря тончайшему адсорбционному слою несмачиваемыми, при перемешивании в воде прилипают к пузырькам воздуха и выносятся ими наверх, в пену, а хорошо смачиваемые частицы породы остаются в воде и оседают на дно. Флотационные процессы помогают добывать свинец, цинк, медь, золото, платину и все редкие и ценные металлы, обогащать фосфориты, серу, уголь, железную руду, использовать самые бедные руды, которые прежде невыгодно было разрабатывать. Во всем мире на огромных флотационных фабриках обогащаются ежегодно миллионы тонн рудных и нерудных ископаемых.

С помощью поверхностно-активных веществ можно делать несмачиваемыми ткани и волокна. Они остаются пористыми, пропускают пары, «дышат», но не впитывают и не пропускают воду.

КАК ПОСТРОЕНЫ МОЛЕКУЛЫ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Молекулы поверхностно-активных веществ состоят из двух частей, связанных химическими силами, но с противоположными свойствами: из гидрофильной полярной группы (гидроксильной, карбоксильной или аминогруппы) и гидрофобной длинной неполярной углеводородной цепи. Полярная группа - источник сил притяжения. Углеводородная же цепь слабо притягивает другие молекулы. Недаром предельные углеводороды назвали парафинами (в переводе с латинского - слабое сродство). Молекулы притягиваются своими полярными группами к твердым поверхностям, а углеводородные цепи этих молекул торчат наружу, покрывая их поверхность гидрофобной пленкой (рис. 2).

Растворите в воде капельку поверхностно-активного вещества - спирта или жирной кислоты. На воде образуется молекулярный адсорбционный слой. Гидрофильные полярные группы останутся в воде, углеводородные же цепи из-за сильного притяжения молекул воды друг

415


Рис. 2. Ориентация молекул поверхностно-активного вещества при адсорбции на твердом теле слева на доске. Строение мицелл мыла: шарообразных - справа внизу, пластинчатых - справа па доске. Белыми кружками показаны полярные группы, черными - молекулы воды, крестиками - атомы поверхности твердого тела.

к другу будут выталкиваться ими на поверхность. Чем длиннее углеводородная цепь, тем активнее адсорбируется вещество, тем сильнее оно понижает поверхностное натяжение воды - у чистой воды с 73 эрг /см² до 27 эрг /см² ; оно приближается к поверхностному натяжению чистого углеводорода - 20 эрг/см² .

Самыми эффективными и универсальными поверхностно-активными веществами оказываются моющие (мылообразные) вещества. Углеводородная цепь их молекул состоит не менее чем из 11 звеньев

и «уравновешена» сильно гидрофильной полярной группой А, которая сама по себе резко повышает растворимость вещества в воде. Такой группой может быть остаток серной кислоты

где водород замещен щелочным металлом (Na, К). Щелочные соли высших жирных кислот и называются собственно мылами. Мылообразные вещества растворимы в воде и обладают высокой поверхностной активностью. Образуя адсорбционные слои, они сильно понижают поверхностное натяжение воды. Вещества эти анионактивны, так как углеводородная цепь - источник поверхностной активности - входит у них в состав отрицательного иона - аниона, а положительным ионом ( катионом) служит ион водорода или щелочного металла. В катион-активных веществах углеводородная цепь входит в состав поверхностно-активного катиона, а анионом служит, например, ион хлора. Такова хлористоводородная соль октадециамина

Может ли сталь плавать на воде?

Закон Архимеда дает ясный ответ: сталь тяжелее равного объема воды почти в 8 раз - она обязательно должна утонуть, упасть на дно. Однако потрем сухую иглу между пальцами и осторожно положим ее на поверхность чистой воды в тарелке. Класть надо горизонтально. Для этого можно положить иголку сначала на кусочек

промокашки, а затем на воду. Бумажка промокнет и потонет, а игла будет плавать. Ее удерживает поверхностное натяжение воды.

Если подлить в воду концентрированный раствор смачивателя, понижающего поверхностное натяжение воды,- мыла, игла вскоре намокнет и. потонет.

416


или хлористая соль четырехзамещенного (триметил-, гексадецил-) аммония:

Поверхностно-активные вещества могут быть и неионными, тогда они растворяются в воде в виде молекул. Чтобы они были подобны мылу, их полярная группа должна обладать высокой гидрофильностью. К таким веществам принадлежат моноалкиловые или алкифенольные эфиры полиэтиленгликоля. Гидрофильная группа у них - полимеризованная окись этилена (С2 Н4 O)m, где m изменяется от 4 до 20.

ПОЧЕМУ МЫЛА МОЮТ

Мылообразные поверхностно-активные вещества образуют в воде коллоидные растворы: при определенной концентрации несколько десятков молекул или ионов мыла объединяются в агрегаты - мицеллы (рис. 2). Мицеллы имеют шарообразную форму с гидрофильной оболочкой из полярных групп и гидрофобным ядром из углеводородных цепей. С ростом концентрации мицеллы становятся пластинчатыми - прослойки из углеводородных цепей покрыты с обеих сторон полярными группами. Такие пластинчатые мицеллы становятся зародышами кристалликов мыла. Пластинчатые мицеллы сцепляются углеводородными цепями крайних молекул в пространственные сетки-каркасы, и раствор, как говорят, структурируется -приобретает свойства упругого твердого тела, напоминающего желе и называемого гелем.

Поверхности, покрытые такими мицеллярными адсорбционными слоями в растворах мыл, всегда хорошо смачиваются водой. Этому помогает сильно пониженное поверхностное натяжение воды на границе с воздухом. Именно поэтому одно и то же вещество может в очень малой концентрации делать твердую поверхность гидрофобной, в большой концентрации давать прямо противоположный результат - обеспечивать смачивание водой любую гидрофобную поверхность (рис. 3).

Но мыла не только смачиватели; они и сильные стабилизаторы, обеспечивающие устойчивость жидких пленок (вспомним знакомые всем мыльные пузыри) - пен, а также всех дисперсных систем - эмульсий и суспензий. В эмульсиях мелкие капельки одной жидкости, не смешиваясь, распределяются в другой жидкости. Под действием поверхностной энергии они при соприкосновении стремятся слиться друг с другом. Подобно этому сцепляются в агрегаты и частицы твердого тела, образующие суспензию в жидкой среде. Стабилизатор же создает на поверхности капе-

Рис. 3. Влияние адсорбции мыла на смачивание водой твердых поверхностей.

лек эмульсии или частиц суспензии гелеобразный (структурированный) адсорбционный слой, который препятствует сближению и взаимодействию частиц.

Нальем в стеклянный сосуд (бутылку) воду и, встряхивая, будем понемногу добавлять туда керосин или бензин. Капельки бензина тотчас же начнут сливаться в крупные капли, и смесь разделится на два жидких слоя. Теперь повторим опыт, добавив к воде 1-5% мыла. При встряхивании образуется молочно-белая

417


устойчивая эмульсия, в которой отдельные капельки, не превышающие сотых долей миллиметра, защищены от слияния адсорбционными оболочками мыла.

Водный раствор мыла занимает двадцатую часть сосуда, но его хватает на эмульгирование в двадцать раз большего объема бензина. Весь бензин разобьется на мельчайшие капельки, плотно прижатые друг к другу, но устойчиво разделенные тонкими прослойками мыльного раствора. Такие концентрированные эмульсии очень вязки, они напоминают сметану. Кстати, и сметана, и сливки, и молоко - это эмульсии жира в воде, стабилизованные белковым веществом - альбумином.

Попробуем разрезать кончиком стеклянной палочки слой ртути толщиной 2-3 мм, покрывающий дно плоской чашечки или блюдца под водой (рис. 4). Такой разрез сделать нельзя: он тотчас же «залечивается» - смыкается под действием поверхностного натяжения на границе ртуть - вода. Однако, если к воде добавить один процент сапонина - экстракта из мыльного корня, разрез стабилизируется структурированными адсорбционными слоями. Они примут форму, соответствующую минимуму свободной энергии, которую можно рассчитать математически. Разрез дол-

жен кончаться у краев слоя ртути или замыкаться на себя, образуя кружок - кольцо. В одной точке могут пересекаться только три разреза, образуя равные углы в 120°.

Время жизни таких разрезов возрастает по мере насыщения адсорбционного слоя и характеризует стабилизирующую способность данного поверхностно-активного вещества.

Так почему же мыло моет, почему оно легко отмывает с любой поверхности грязь - сажу, масло, нефть? Именно потому, что оно обладает смачивающей и стабилизирующей способностью. Мыло переводит всю грязь в воду в виде тонкодисперсных суспензий и эмульсий.

Обычное мыло - натриевые соли жирных кислот - без труда справляется с грязью в мягкой воде, в которой нет солей кальция и магния. В жесткой же воде мыло осаждается в виде нерастворимых кальциевых и магниевых мыл, раствор теряет свою моющую способность. Однако химики создали синтетические мылообразные (моющие) вещества, пригодные для любой воды, даже для морской; особенно хороши неионные мыла, совершенно устойчивые к действию солей.

Моющие средства и смачиватели используются и в быту, и в промышленности, и в сельском хозяйстве. Смачиватели применяют в изготовлении фотокинопленки, когда прозрачную полимерную ленту надо равномерно полить светочувствительным составом высокодисперсной взвесью бромистого серебра на водном растворе желатины. Смачиватель, добавленный в ванну, где окрашивают волокно и ткань, ускоряет процесс и делает окрашивание равномерным. Полное смачивание - необходимое условие для взаимодействия жидкости с твердым телом, для проникновения жидкости в тонкие поры. Поэтому-то все ядохимикаты и гербициды, применяемые в сельском хозяйстве, содержат поверхностно-активные вещества.

Лучше всего действуют такие средства в виде тонкодисперсных эмульсий или суспензий. Поверхностно-активные вещества в них служат и смачивателями и стабилизаторами действующего яда. Порошок ДДТ, например, не смачивается водой, и из него нельзя приготовить раствор для опрыскивания. Но тот же порошок с добавкой смачивателя равномерно распределяется в воде, образуя в ней устойчивую суспензию, прочно прилипающую к поверхности листвы и вредителей.

Смачиватели несут самую разнообразную службу. Например, чтобы избавить шахтеров

418


от вредной пыли, в шахтах распыляют воду с добавкой смачивателя. Пыль улавливается такой водой, и воздух становится чище.

ПЕНЫ ПОЛЕЗНЫЕ И ВРЕДНЫЕ

Мылообразные вещества вызывают образование устойчивой обильной пены, в которой пленки разделяют мелкие пузырьки воздуха или другого газа.

Если загорится нефть или бензин, пожар можно потушить только устойчивой пеной. Ее получают, вспенивая водный раствор поверхностно-активного вещества-стабилизатора углекислым газом. Устойчивую пену применяют и в производстве легких и достаточно прочных теплоизоляционных материалов - пенобетонов, пенопластиков, пенорезин. В пленках такой пены отвердевает цемент или образуется полимер, и пена становится твердой. Вспененный материал в сотни раз легче массивного. Если кубометр литого пластика весит 1 т, то кубометр того же пенопласта - всего 10 кг. Нет нужды доказывать, насколько удобен и полезен такой материал.

Но, кроме полезных пен, есть и вредные. Тем, кто готовит пищевые продукты или лекарства, нередко устойчивая пена очень мешает. Пена может даже затопить цех. Тогда в ход идут пеногасители - вещества, понижающие поверхностное натяжение сильнее, чем вспениватели. Пеногаситель, например октиловый спирт, вытесняет из поверхностного слоя адсорбированный стабилизатор, но сам структурированного слоя образовать не может, и пена разрушается.

На этом основано и химическое деэмульгирование - разрушение устойчивых эмульсий малыми добавками очень активных веществ. Деэмульгаторы, как и пеногасители, хотя и образуют пены и эмульсии, но очень неустойчивые - они «живут» всего несколько минут.

Нефть, добываемая из недр земли, почти всегда содержит воду в виде мелких капелек в устойчиво эмульгированном состоянии. Вода сильно засолена - часто это насыщенный раствор природных солей, так как соляные пласты, «купола», сопровождают нефтяные месторождения. Чтобы не возить и не обрабатывать эту воду и чтобы она не подвергала коррозии ценную аппаратуру для перегонки нефти, эмульсию нужно разрушить. Сто граммов деэмульгатора на тонну нефти - и эмульсия расслаивается, в нефти почти не остается воды.

ОТ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРОВ ДО КНИГОПЕЧАТАНИЯ

Углеводороды практически нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в водном растворе мыла: они поглощаются ядрами мицелл. Это явление называется солюбилизацией или коллоидной растворимостью и играет большую роль в производстве полимеров. Молекулы мономера - первичного вещества, из которого получается полимер,- при эмульгировании в водном растворе мыла переходят из капелек в ядра мицелл, где идет

Что прочнее - сухой или влажный слой песка?

Сухой песок сыпуч и бессвязен - из него нельзя формовать детские «куличики» пли строить домики. Вспомним, как трудно пешеходу или велосипедисту передвигаться по сухому прибрежному песку. Но стоит немного смочить песок водой, как он становится пластичным, а вылепленные из него сооружения достаточно прочными. По такому песку легко ходить и ездить на велосипеде. Если с помощью рюмки сформовать из влажного песка конус, он осыплется, когда полностью высохнет или в том случае, когда он под водой. Это показывает, что вязкость влажного песка вызвана смачивающими «мостиками»- менисками воды, которые стягивают зерна песка. Эти же мениски стягивают волоски шерсти мокрой собаки.

Мостики исчезают и при полном удалении влаги, и при заполнении водой всех пустот между зернами.

Иное дело с глиной. Если замешать ее с водой как густое тесто, а потом высушивать, то, чем меньше в ней останется воды, тем прочнее будет отформованное изделие - в тысячи раз прочнее «кулича» из влажного песка. Частицы глины гораздо меньше, чем зерна песка, и они связаны непосредственно молекулярным сцеплением по относительно большим площадкам прямого соприкосновения. Тонкие прослойки воды только раздвигают частицы глины и понижают прочность структуры.

Прочность грунтов, на которых строят здания, зависит от содержания в них песка и глины. Этой прочностью можно управлять, изменяя условия на поверхностях раздела во влажном грунте.

419


полимеризация. Образуется латекс - высокодисперсная взвесь частиц полимера, напоминающая сливки (млечный сок по-латыни - «латекс»). Полимеризация в эмульсиях очень удобна для изготовления пленочных изделий: в латекс макают металлический цилиндр, и, после того как вода испарится, на нем образуется сплошная пленка из слившихся друг с другом частиц полимера.

Поглощая жидкий углеводород, керосин или гептан, пластинчатые мицеллы мыла разбухают, становятся круглыми и больше не могут сцепляться в каркас. Даже концентрированные растворы мыл - гели - при этом разжижаются, превращаясь в текучие жидкости, их вязкость понижается в сотни тысяч раз. Так можно управлять образованием пространственных структур в дисперсных системах,- их превращают в твердые тела или в легко текучие жидкости. С помощью мыл можно загущать, или, как говорят в технике, «отверждать», жидкое горючее - керосин, бензин или спирт. Таким горючим пользуются полярники, геологи, туристы.

Человеческие потребности разнообразны. Нам необходимо научиться отмывать грязь, но не менее важно наносить ее на чистую поверхность. Что такое печатание книг и иллюстраций, как не нанесение на бумагу устойчивых загрязнений. Процесс печатания можно рассматривать как сложный комплекс тонко управляемых поверхностных явлений. В литографии на поверхность гладкого камня - известняка - или металлическую печатную форму наносят жирной краской рисунок. Краска содержит поверхностно-активные вещества (обычно жирные кислоты). Благодаря им одни участки формы смачиваются краской, но не смачиваются водой, а другие после обработки водным раствором гидрофильного поверхностно-активного вещества (крахмала, декстрина, поливинилового спирта) во влажном состоянии не воспринимают краску и становятся «пробельными местами». В этом процессе очень важно сделать резкой границу между двумя такими участками и сохранить ее надолго, чтобы с одной формы получить много оттисков.

Поверхностно-активные вещества - наши незаметные и незаменимые друзья. Они помогают нам управлять поверхностными процессами, которые имеют решающее значение во взаимодействии различных тел - твердых, жидких и газообразных. Не думайте, что поверхностные явления и процессы характерны только для техники, не менее важны они и в природе. Вот быстро бежит по зеркалу пруда водомерка - ее лапки не смачиваются водой. По той же причине прилипает к поверхности

Как самому ставить опыты с мономолекулярными слоями

В белую тарелку или стеклянную ванночку, вымытую горячей водой и розовым раствором марганцовокислого калия, наливают чистую воду так, чтобы она переливалась через край. Это обеспечит чистоту поверхности воды, на ней не будет мономолекулярных слоев активных загрязнений. Затем поверхность воды припудривают тальком и касаются ее поверхности стеклянной палочкой, смоченной в олеиновой кислоте. Слой талька раскалывается и уплотняется мономолекулярным слоем олеиновой кислоты. Удача опыта и служит проверкой чистоты поверхности.

Второй опыт. На чистую поверхность воды насыпают немного мелких кристалликов камфары или паратолуидина, которые тотчас же начинают носиться по поверхности в бешеном танце: поверхностно-активные молекулы разбегаются, отрываясь от самых активных мест кристалликов, а те испытывают реактивные толчки в разных направлениях. Такое адсорбционное движение можно сделать и направленным. Из алюминиевой фольги вырезают подобие плоской ракеты - реактивного кораблика с прорезом в хвосте. Кораблик плавает на воде, удерживаясь силами поверхностного натяжения (вследствие несмачивания). Затем пинцетом в прорез осторожно помещается кристаллик поверхностно-активного вещества (камфары). Поток молекул вырывается струйкой из прореза, стремясь покрыть всю поверхность мономолекулярным слоем. Кораблик движется вперед под действием реакции струи и быстро вращается вдоль краев сосуда. И танец кристалликов, и движение кораблика можно тотчас прекратить, коснувшись поверхности воды палочкой, смоченной олеиновой кислотой. Кислота гораздо активнее, и ее мономолекулярный слой равномерно покрывает всю поверхность воды, быстро вытесняя адсорбционные слои камфары или других веществ и понижая еще сильнее поверхностное натяжение.

Опыт вытеснения адсорбционного слоя можно сделать еще более эффектным, нанеся на чистую поверхность воды несколько мельчайших крупинок анилинового красителя - кристаллического фиолетового. Поверхностно-активный краситель растворяется прежде всего в поверхностном слое, окрашивая его в фиолетовый цвет. Ничтожные количества олеиновой кислоты, как говорят химики, ее следы, не обнаруживаемые никакими методами, кроме радиохимического, немедленно вытесняют слой красителя. Поверхность становится бесцветной, а окрашенные слои воды уходят в объем.

420


воды и не тонет личинка малярийного комара. Чтобы избавить окрестность от малярии, надо покрыть пруд тончайшей нефтяной пленкой.

Капли росы и дождя не смачивают восковую поверхность листьев, а потому не закрывают поры, и растения дышат свободно. Силы смачивания помогают влаге подниматься по стеблям и стволам растений. Напротив, благодаря тому что плазма крови не смачивает стенки самых тонких капиллярных сосудов, облегчается кровообращение, кровь не свертывается. Выпадение осадков, образование и рассеивание тумана и облаков - все это поверхностные явления. Мелкие зародышевые капельки и кристаллики влаги испаряются, крупные, наоборот, растут за счет конденсации пара и слияния друг с другом - идет дождь или снег. Все это связано с проявлениями поверхностной энергии.

Но если множество процессов в природе, в организмах растений и животных вызвано особыми свойствами поверхностей, то не научится ли человек управлять ими так же, как сейчас он управляет подобными процессами в технике. На этот вопрос можно дать утвердительный ответ. Физико-химия поверхностных явлений и дисперсных систем - наука быстро развивающаяся, и от нее надо ожидать очень много нового и ценного. Порукой этому служат необозримые применения ее уже в наши дни: от обогащения руд до книгопечатания, от моющих средств до производства полимеров.

ПУТЬ К ПРОЧНОСТИ - ЧЕРЕЗ РАЗРУШЕНИЕ

Странно звучит, не правда ли? Всем известно, что прочность - это сопротивление твердого тела разрушению. И все-таки, как это ни парадоксально, путь к самой высокой прочности ведет через разрушение твердого тела - через его превращение в мельчайшие крупинки. Чтобы понять это удивительное противоречие, выясним, что такое реальные твердые тела и чем они отличаются от идеальных. В кристаллах расстояния между молекулами, атомами или ионами в среднем очень малы и правильные ряды этих частичек образуют пространственную решетку. Такого порядка в расположении молекул нет в жидкостях, хотя и здесь молекулы расположены очень плотно. Стекла - вязкие жидкости, они практически не текут и могут быть прочными и упругими, как кристаллы, хотя и лишены правильной структуры.

Но беспорядочное тепловое движение молекул образует и в кристаллах, и в стеклах изъяны, или дефекты,- места с меньшей плотностью «упаковки» молекул и с увеличенными расстояниями между ними. Такие дефекты плотной структуры - слабые места с пониженной прочностью. Они-то и есть причина того, что прочность реальных твердых тел в несколько сот раз ниже, чем прочность идеальных кристаллов и стекол. У идеального твердого тела тот же состав и строение, что и в реальном теле, но в его правильной или просто плотной структуре нет слабых мест, изъянов.

Разрушение любого реального твердого тела - процесс постепенного раскрытия сначала наиболее слабых мест, а затем все менее и менее опасных дефектов. Представим себе, что тело образовано сеткой переплетенных стальных цепей, в которых на каждые сто стальных звеньев приходится в среднем по одному бумажному звену. Ясно, что под нагрузкой в такой конструкции будут разрываться бумажные звенья, стальные же останутся нетронутыми. В обрывках сетки будет оставаться все меньше и меньше бумажных звеньев, наконец останутся только стальные Такие обрывки цепей из стальных звеньев - маленькие осколки твердого тела - будут очень прочны, в них уже почти совсем не встретишь изъянов.

Теперь вам понятен парадокс: измельчение твердого тела - путь к его упрочнению. Легко сообразить, что крупинки твердого тела станут особенно прочными, близкими к идеальной, т. е. наибольшей прочности, когда их размер приближается к среднему расстоянию между дефектами в структуре (рис. 5). Современные методы структурного анализа показывают, что в среднем один дефект - зародыш разрушения - приходится в твердом теле на несколько сот нормальных расстояний между центрами молекул. Это нормальное расстояние равно нескольким ангстремам - десятимиллионным долям миллиметра. Значит, среднее расстояние между дефектами - десятые доли микрона (около 10−4 мм). И действительно, тонкое измельчение твердых тел в обычных мельницах, постепенно замедляясь, прекращается вовсе, когда размеры крупинок достигают микрона или долей микрона. В таких крупинках уже почти нет изъянов, они становятся очень прочными.

Но ведь нам нужны не отдельные, пусть даже сверхпрочные крупинки, а прочное тело большого размера. Устранив бумажные звенья, мы должны теперь соединить обрывки сталь-

421


Рис. 5. Чем мельче осколки твердого тела, тем они прочнее.

ных цепей, т. е. склеить или сварить крупинки друг с другом. Это можно сделать, например, связав их тончайшими прослойками другого мелкокристаллического или стекловидного материала. Если эти прослойки будут очень тонкими, они окажутся упрочненными по тем же причинам.

Измельчение путем разрушения - не единственный путь к высокой прочности. Самое главное - получить мелкозернистое (высокодисперсное) твердое тело. А прийти к этому можно и другим путем. В расплавленном металле или в другой жидкости, охлажденной ниже температуры плавления, создают условия для быстрого образования множества зародышей будущего твердого тела. Затвердевая, жидкость превращается в прочный сросток мельчайших беспорядочно расположенных кристалликов. Такие же кристаллики нового твердого тела могут образоваться и в старом теле после термомеханической обработки, в которой сочетаются нагрев, охлаждение и пластическая деформация. Таким же путем можно закристаллизовать и стекла. Так получают ситаллы, в которых мельчайшие кристаллики связаны тонкими прослойками твердого, но незакристаллизовавшегося стекла.

Но возвратимся к разрушению твердого тела, к его превращению в мельчайшие крупинки. После того как предел измельчения достигнут, упрочненные крупинки начинают сцепляться друг с другом в прочные рыхлые агрегаты. Дальнейшее разрушение прекращается - идет обратный процесс. И тут нас

снова выручают поверхностно-активные вещества. Их добавки облегчают разрушение твердого тела, помогают развитию в нем дефектов. Это явление, называемое адсорбционным понижением прочности, было открыто и исследовано советскими учеными.

Когда тело разрушается, у него образуются новые поверхности. Работа, идущая на их образование, и есть свободная поверхностная энергия. Возьмите толстую резиновую трубку и надрежьте ее в нескольких местах поперек на разную глубину. Растяните трубку. Вы увидите, как в местах надрезов развиваются новые поверхности (рис. 6). Отпустите трубку, и надрезы благодаря упругости (эластичности)

422


резины сомкнутся. Если же трубку растянуть до предела, она разорвется по самому глубокому надрезу. В этом месте развивался самый опасный дефект - зародыш разрушения. Работа, идущая на развитие трещины, определяется поверхностной энергией, которая и понижается в присутствии поверхностно-активных веществ. Если за время развития трещины адсорбционный слой успеет распространиться по новой поверхности и покрыть ее, работа образования трещины и сопротивление тела разрушению понизятся. Это хорошо видно у металлов, которые в обычных условиях пластичны. Пластинка из такого металла (например, цинка) деформируется пластично - обнаруживает большие остаточные деформации, не разрушаясь при изгибе. Здесь сильнодействующими поверхностно-активными веществами служат тоже металлы, только легкоплавкие и в жидком состоянии: для стали - олово, для цинка - ртуть или галлий (белый металл, плавящийся при температуре около 30°Ц). Поцарапайте немного цинковую пластинку и нанесите на обнажаемую поверхность (свободную от окисной пленки) капельку ртути. Если попытаться изогнуть пластинку, она даст трещину, а при медленном надавливании сломается, как стекло, даже

не изогнувшись. Твердое тело из пластического стало хрупким, так как поверхностно-активное вещество облегчило развитие новой поверхности (рис. 7).

Невозможно растереть цинк в порошок без добавки ртути. Добавки поверхностно-активного вещества нужны для тонкого измельчения и всех других тел. Вся вновь возникающая поверхность тел должна по мере ее образования покрываться мономолекулярным адсорбционным слоем. Для обычного кварцевого песка, например, сильно поверхностно-активным веществом оказывается простая вода: ее добавка к сухому песку позволяет тонко помолоть кварц, и образующиеся мельчайшие песчинки не слипаются в агрегаты.

Мы видим, что и образование частиц нового тела при кристаллизации, и процесс разрушения (измельчения) твердых тел определяются поверхностными явлениями. И в том и в другом случае образованием таких малых, а потому и прочных крупинок твердого тела можно управлять с помощью адсорбционных слоев. Они облегчают развитие дефектов - зародышей разрушения - и могут задержать дальнейший рост мельчайших кристалликов. Такие кристаллики-зародыши могут плотно срастаться. Именно так и образуются новые сплавы, сохраняющие свою прочность до очень высокой температуры - до 3000°. Прочность таких металлов на растяжение достигает 200- 300 кгс/мм² (по новой системе СИ - 2000- 3000 н/мм²).

Чтобы разорвать проволоку из такого металла диаметром 1 мм, т. е. площадью поперечного сечения около 0,8 мм², надо подвесить к ней груз в 200 кг. А какой длины должна быть такая проволока, чтобы она разорвалась от собственного веса? Представим себе, что мы подняли ее на воздушном шаре, сматывая с огромной катушки, как кабель. Вес проволоки длиной L см и с площадью сечения Q см² будет равен QLD, где D - плотность металла в г/см³. На единицу площади сечения растягивающая сила веса составит LD, и, если проволока разорвется при длине Lm, прочность на разрыв будет Pm =Lm D. Отсюда Lm =Pm /D .

Для сталей D » 8 г/см³, и, следовательно, при Pm = 24 ·10³кгс/см² разрывная длина проволоки составит24·106 /8=3·106 см, или 30км,

т. е. наш воздушный шар должен быть стратостатом (рис. 8). Кстати, разрывная длина не зависит от диаметра (сечения) проволоки:

423


она одна и та же и для проволоки диаметром 1 мм и для плетеного каната. Вес проволоки будет, конечно, пропорционален площади поперечного сечения, но на единицу этой площади он будет один и тот же.

Однако, как мы уже знаем, даже такая огромная прочность значительно ниже идеальной. Чтобы приблизиться к идеальной прочности, надо, как мы видели, постараться (с участием поверхностно-активных веществ!) раскрыть все изъяны в крупинках-кристалликах, а затем сварить или плотно склеить эти крупинки.

Равномерно перемешать мельчайшие крупинки, а затем предельно плотно их упаковать - вот главная задача порошковой металлургии, а также технологии тонкой жаропрочной керамики, огнеупоров и металлокерамики. Тугоплавкие твердые тела могут быть сформованы без плавления и литья. Они формуются из тонких порошков с небольшим количеством связующего, роль которого часто играет поверхностно-активное вещество. Отформованное изделие спекается при температуре хотя и высокой, но не достигающей точки плавления. Спекание - поверхностное явление, подобное слиянию двух капель ртути в одну,- происходит благодаря уменьшению поверхностной энергии. В твердых телах ему способствует диффузия, скорость которой растет с повышением температуры.

Уплотнить мелкозернистый порошок не так-то просто. Для этого нужна огромная и дорогая прессовая аппаратура, развивающая высокие давления. Но и в таких прессах хорошо уплотняются только Пластичные зерна, например зерна мягких металлов, которые как бы текут под давлением и заполняют все пустоты. Зерна же твердых, тугоплавких и хрупких материалов не текут и лишь немного (упруго) деформируются. В спрессованном материале возникают огромные внутренние (упругие) напряжения. Когда давление снимают, эти внутренние напряжения разрывают изделие иногда еще до спекания, возникает растрескивание, идет брак.

Новая отрасль науки - физико-химическая механика решает задачу, как управлять дисперсной структурой и свойствами будущего материала в процессе его образования. Физико-химическая механика предлагает эффективный и дешевый способ: все связи между крупинками разрушаются интенсивной вибрацией с частотой около 10 тыс. колебаний в минуту. Снова путь к прочности через разрушение! И дело вовсе не в том, чтобы просто подвергнуть порошок вибрированию,- вибрационные воздействия применяют в технике давным-давно. Важно знать, какой должна быть вибрация, чтобы смешение было однородным, упаковка наиболее плотной, а следовательно, и конечная прочность материала максимально высокой. Нужно, чтобы подвижность смеси стала наибольшей, т. е. разрушились бы все молекулярные связи.

Вы, конечно, догадываетесь, что и тут дело не обходится без поверхностно-активных веществ, обволакивающих каждую крупинку тончайшим смазочным слоем. Эти замечательные вещества в сочетании с предельным вибрированием и позволяют обойтись без громоздких прессов. Теперь давление для наиболее плотной упаковки требуется в сотни раз меньшее. Крупинки порошка укладываются плотно (рис. 9), внутренних напряжений не возникает, и изделие после спекания получается очень прочным.

Изменяя размеры зерен порошка, можно создавать высокопрочные тела с различной пористостью вроде фильтров, или поглотителей, или катализаторов в виде таблеток или гранул. Катализаторы - дисперсные тела с сильно развитой поверхностью пор, на которой в адсорбционных слоях быстро протекают химические реакции.

Современной химической технологии как раз и нужны прочные катализаторы, выдерживающие интенсивные газовые потоки.

Самый распространенный строительный материал- цементный, бетон. Частицы тонко молотого цемента при перемешивании с водой, песком и щебнем растворяются в воде, и из раствора выкристаллизовываются гидратные

424


Рис. 9. Прессование порошков: справа - без вибрации, слева - под действием вибрации. Нижняя кривая - без смазки; верхняя - с активной смазкой.

новообразования - химические соединения цемента с водой. Кристаллики срастаются друг с другом и с поверхностью песчинок, щебня и стальной арматуры, объединяя всю массу в затвердевший монолит. Все это, казалось бы, несложно. Но беда в том, что для бетона требуется крупный песок и щебень, а того и другого не так уж много, да и бетон получается плохого качества - рыхлый, непрочный, впитывает и пропускает воду, а потом не выдерживает мороза.

Применение же методов физико-химической механики позволяет использовать в бетоне дешевый мелкозернистый песок, обходиться без дорогого щебня и получать очень плотный, однородный, а следовательно, и прочный, быстро твердеющий бетон. Выгода от этого при наших масштабах строительства огромна. Новый бетон, плотный и звонкий, как металл, не боится ни влаги, ни мороза, ни химически агрессивных жидкостей. Детали и конструкции из него гораздо более легкие, изящные и долговечные.

Изучение поверхностных явлений ведет к заветной цели современной науки о материалах - к получению материалов с заданными свойствами. Этим и занимается физико-химическая механика, возникшая на стыке технологии с физической и коллоидной химией, молекулярной физикой твердого тела и механикой материалов. Химия должна решать сегодня две основные задачи: с одной стороны, синтезировать новые вещества или извлекать уже известные вещества из природных источников и, с другой стороны, перерабатывать вещества в разнообразнейшие твердые тела (технические материалы и изделия) в строительные материалы для зданий, в детали машин, в волокна, ткани, пленки и т. д. Без решения второй задачи первая не принесет пользы: можно получить новое вещество и не найти способ, как его применять, т. е. не суметь превратить его в материал, а именно материалы - основа технического прогресса. Физико-химическая механика вручает сегодня технологам простые и универсальные методы для решения этой, второй задачи, помогая рождению новых материалов.

НЕМЕТАЛЛЫ

Из этой статьи вы узнаете о большой семье элементов, которые называют неметаллами. Неметаллы, как правило, не проводят электрический ток, не ковки, не проводят тепло... По химическим свойствам неметаллы резко отличаются от типичных металлов. Вот почему эта группа элементов получила такое «отрицательное» название. Относитесь к неметаллам с уважением. Это элементы необычайно интересные и необходимые. Конечно, название «неметаллы» неудачно, но химики пока не придумали другого.

Неметаллы занимают верхний правый угол периодической системы элементов, причем в вершине этого угла находится фтор - «король» неметаллов, а граница «царства» прохо-

425


дит по диагонали через всю систему. Такое положение неметаллов в периодической системе, конечно, не случайно.

ЧТО ТАКОЕ НЕМЕТАЛЛЫ

Все химические свойства элементов связаны с наружными электронными оболочками их атомов (одной или двумя). Наиболее устойчивыми бывают такие оболочки, которые состоят из восьми (неон, аргон и другие инертные газы) или из двух (гелий) электронов. Сравнительно устойчивым является также «ансамбль» из восемнадцати электронов. Движущей силой химической реакции, в которой участвуют элементы, служит стремление каждого из них к созданию устойчивого наружного слоя.

Рис. 1. Атом натрия отдает свой единственный внешний электрон, обнажая восьмиэлектронную оболочку. Атом фтора принимает недостающий электрон. Теперь оба они имеют стабильную наружную электронную оболочку.

Сделать это элемент может двумя способами: или отдать один или несколько электронов, чтобы оставшиеся электроны образовали, например, желанную «восьмерку», или взять недостающее число чужих электронов, «достроить» наружный слой до такого же устойчивого «ансамбля».

Посмотрим, как построены атомы некоторых элементов (рис. 1). Натрий - типичный металл, потому что для его атома (чтобы наружная оболочка стала восьмиэлектронной) достаточно отдать один электрон; этот путь самый легкий, самый выгодный. А для фтора решение достигается по-другому: взяв еще один электрон, фтор достроит свою наружную электронную оболочку до восьмиэлектронной. Для атома хлора возможны оба варианта - взять еще один электрон или отдать семь. Но все-таки первая тенденция сильнее, первый путь более выгодный.

Сравнивая для каждого элемента обе эти тенденции, ученые называют неметаллами элементы электроотрицательные, т. е. такие, которые легче принимают электроны, чем отдают их.

Когда во внешней электронной оболочке содержится уже много электронов (это относится к элементам V, VI и VII групп периодической системы), у атома должна быть сильнее тенденция брать электроны. Именно поэтому неметаллы занимают правую часть периодической системы.

Но если наружная электронная оболочка находится на большом расстоянии от положительно заряженного ядра, то ядро удерживает последние электроны слабо, они теряются легче, а значит, растут металлические свойства элементов. Поэтому в одной и той же группе, идя сверху вниз, мы встречаем все менее электроотрицательные элементы. Углерод и свинец - оба находятся в IV группе, оба содержат по 4 электрона в наружном слое, но радиус атома углерода невелик, ядро прочно удерживает электроны: углерод - неметалл. А свинец - металл, потому что из-за большого расстояния наружной электронной оболочки от ядра электроны последнего слоя легко освобождаются.

Легкость, с какой освобождаются наружные электроны, делает металлы хорошими проводниками электричества и тепла. Ведь электрический ток, текущий в металле, и есть поток таких «свободных» электронов.

Граница между неметаллами и металлами проходит не по вертикали - это результат совместного действия на электроотрицательность элемента двух факторов: размеров атома и количества электронов в последнем слое. По этой же причине переход от металлов к неметаллам происходит постепенно, нерезко.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ АКТИВНОСТЬ НЕМЕТАЛЛА

Интересно разобраться, почему именно фтор часто и не без оснований называют «королем неметаллов». Активность неметалла в химических реакциях определяется легкостью, с которой его атом отнимает у других атомов электроны для достройки своей электронной оболочки. Кислороду не хватает только двух электронов, поэтому он активнее азота, которому нужно три. По сравнению с серой кислород также более активен, но уже по другой причине - у кислорода меньше радиус атома. Ясно, что

426


фтор активнее своих соседей - кислорода и хлора, не говоря уже о других неметаллах. Самый малый радиус атома и наличие в последнем слое семи электронов делает фтор активнейшим среди неметаллов. А если это так, то в химических реакциях невозможно отобрать у иона F «лишний» электрон и выделить фтор в свободном состоянии. Именно поэтому этот элемент был получен последним из всех галогенов, и для этого понадобилось более 100 лет упорных поисков.

В наше время фтор получают в достаточном количестве. Действуя электрическим током на расплавленный фтористый калий, удается отнять восьмой электрон у иона фтора и выделить этот элемент в свободном состоянии.

ПОЧЕМУ НЕМЕТАЛЛЫ ПРОЯВЛЯЮТ ПОЛОЖИТЕЛЬНУЮ И ОТРИЦАТЕЛЬНУЮ ВАЛЕНТНОСТЬ

Когда вступают в реакцию два атома, один из них отдает электроны другому с тем, чтобы оба элемента приобрели устойчивую наружную электронную оболочку. Допустим, произошла встреча атома серы с атомом металла бария. На последней оболочке атома бария два электрона, как раз столько, сколько не хватает атому серы, чтобы дополнить свою шестиэлектронную оболочку.

Оба атома соединяются между собой:

Сера взяла два электрона и проявила, таким образом, отрицательную валентность, равную двум. Барий отдал два электрона и проявил положительную валентность, также равную двум. Образовавшийся положительный ион Ва+2 и отрицательный ион S−2 притягиваются друг к другу и образуют молекулу. Связь бария и серы в этой молекуле называется ионной. Как общее правило, металлы проявляют положительную валентность потому, что всегда отдают свои наружные электроны. В соединениях с металлами сера, как и другие неметаллы, всегда проявляет отрицательную валентность, потому что берет электроны в наружный слой. Ну, а если происходит соединение двух неметаллов? Когда сера соединяется с кислородом или хлором, она отдает свои электроны (ведь и

кислород и хлор активнее серы) и потому проявляет положительную валентность. Переход электронов от одного неметалла к другому часто обозначают стрелками:

Но если сера взаимодействует с фосфором, то по праву более сильного она отнимает электроны и потому проявляет отрицательную валентность:

Вот почему неметаллы могут проявлять как положительную, так и отрицательную валентность в своих соединениях. Правда, не все неметаллы. Активнейшие из них - фтор и кислород - никогда не отдают своих электронов другим неметаллам и потому проявляют в соединениях только отрицательную валентность.

Впрочем, нельзя говорить в полном смысле слова: «сера отдает электроны хлору». Когда мы пишем P2 +5 S3 −2, то цифры +5 и -2 совсем не означают, что молекула состоит из пятизарядных положительных ионов фосфора и двузарядных отрицательных ионов серы.

Почему же все-таки эту формулировку и эту форму записи можно применять? Отвечать на этот вопрос мы начнем с объяснения странного с точки зрения арифметики равенства

СЕМЬ + СЕМЬ = ВОСЕМЬ И ВОСЕМЬ...

Перед нами реакция взаимодействия двух совершенно одинаковых атомов:

Из двух семиэлектронных оболочек образовались ... две восьмиэлектронные! Подобным образом возникает и молекула азота:

427


Теперь у каждого атома образовалась устойчивая электронная оболочка, но оба атома коллективно владеют одной или несколькими парами электронов. Такую связь двух атомов принято называть ковалентной.

Здесь мы впервые встречаемся с очень важной и интересной закономерностью, которую можно было бы назвать...

ПРАВИЛО ЭЛЕКТРОННЫХ ПАР

Оказывается, закономерности, управляющие движением электронов на оболочках атомов, таковы, что наиболее выгодно состояние, при котором все электроны распределены по парам и их общее число четное. Например, хлор или йод, на последней оболочке атома которых движутся семь электронов, проявляют преимущественно только нечетную валентность: -1, +1, +3, +5, +7. Сера (6 электронов на последней оболочке) в своих устойчивых соединениях проявляет четную валентность: -2, +4, +6.

Почему так ? А вот почему: отдай сера 3 электрона, она имела бы валентность + 3, но тогда один из оставшихся трех электронов был бы непарным, а это невыгодно. Хлор же, отдав нечетное число электронов, все оставшиеся электроны группирует по парам. Поэтому-то валентность его только нечетная.

Ковалентная связь, при которой два атома имеют общую пару электронов, очень характер-

Рис. 2. Если ковалентная связь образуется между атомами двух разных неметаллов, то «центр тяжести» электрических зарядов такой молекулы находится не на равном расстоянии от каждого атома, а ближе к атому, заряд ядра которого больше. Это смещение приводит к тому, что связь становится полярной.

на для неметаллов. Но если соединились неодинаковые атомы (например, хлор и водород), то общая электронная пара все же больше принадлежит активному неметаллу. Она как бы «сдвинута» ближе к более активному неметаллу. Такую ковалентную связь называют полярной.

Но если такой «сдвиг» произошел, то в молекуле Н+ С l водород частично положителен, а хлор частично отрицателен: обе эти частицы еще не ионы, но это уже, так сказать, «зародыш» ионов, которые образуются, например, в растворе хлористого водорода под действием молекул воды.

А вот молекула водорода ионов в водном растворе дать не может, потому что в этой молекуле таких ионов нет даже в «зародыше».

Теперь мы можем смело употреблять выражение: «неметалл А отдал неметаллу Б свои электроны», понимая, что речь идет не о полной отдаче, а о «сдвиге» электронов в сторону более активного неметалла. И в этом смысле более активный неметалл становится отрицательным, а менее активный - положительным:

Как правило, соединяющиеся неметаллы создают общую электронную пару «на равных условиях» - каждый отдает в общее пользование по одному электрону.

Но бывает и иначе... Вот как образуется молекула аммиака из атомов азота и водорода:

Как видно из этой схемы, три электронные пары, созданные «общими усилиями», связывают атом азота с тремя атомами водорода, а одна электронная пара азота остается «свободной», незанятой. Но стоит аммиаку попасть в раствор какой-нибудь кислоты, содержащий ионы водорода (в них водород лишен своего электрона), как такие ионы «зайцем» занимают свободную

428


электронную пару азота - и уже невозможно отличить «бесплатного» пассажира от трех других атомов водорода. Так образуется комплексный ион аммония NH4 +, а связь, образованную парой электронов, ранее принадлежавшей целиком одному атому, называют координационной связью.

Ионы водорода в водных растворах связываются с молекулами воды координационной

связью и дают комплексный ион гидроксония Н3 О+, так что представление о том, что в растворах кислоты существуют свободные ионы водорода, нуждается в уточнении.

АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВ

Давайте теперь разберемся, как уже готовые молекулы одного и того же соединения относятся друг к другу. Это поможет нам понять, от чего зависит агрегатное состояние веществ, т. е. почему одни вещества - газы, другие- жидкости, а третьи - твердые тела. Случайно ли, что водород, кислород, азот, хлор - газы? Почему соединения неметаллов с водородом - это газы или жидкости? Как объяснить, что почти все минеральные кислоты - жидкости, а их соли - твердые вещества?

Агрегатное состояние вещества зависит от расстояния между его частицами и от степени их взаимодействия друг с другом. Сила притяжения молекул друг к другу - это главным образом сила электростатическая.

Посмотрите, как построен кристалл поваренной соли (рис. 3). Каждый ион здесь окружен шестью ионами противоположного знака. Попробуйте-ка определить, где кончается одна молекула NaCl и начинается другая! Весь кристалл - как одна гигантская молекула, состоящая из крепко спаянных ионов. По этой причине ионные соединения - твердые вещества с высокой температурой плавления. Не удивительно поэтому, что поваренная соль плавится лишь при 800°, а кипит при 1413°.

Если связь между атомами полярная, то концы молекул противоположно заряжены. Такие диполи ориентируются так, что разноименные полюса поворачиваются друг к другу, несколько молекул взаимно притягиваются, ассоциируются. Конечно, такое взаимодействие более слабое, чем ионное. Поэтому вещества с полярными связями в молекуле (например, вода, многие кислоты) - это жидкости или газы, легко превращающиеся в жидкости.

Наконец, если связи в молекуле неполярны, взаимодействие между молекулами совсем слабое, а подобные вещества в обычных условиях - газы. Именно поэтому атмосфера Земли - своеобразная «копилка» неметаллов - азота и кислорода, а также соединений неметаллов - углекислого газа и паров воды. Наши рассуждения касаются лишь сравнительно простых соединений и неприменимы к полимерам и вообще к веществам с молекулами очень больших размеров.

МЕСТО НЕМЕТАЛЛОВ В ПРИРОДЕ

Сочетание атомов сотни химических элементов образует все вещества живой и неживой природы... Но встречаются в природе атомы

Рис. 4. Наблюдая звезды, туманности и межзвездное пространство, ученые узнают, из каких химических элементов состоит их вещество.

429


тех или иных химических элементов не одинаково часто. Во Вселенной, как показывают расчеты, на каждые 100 000 атомов приходится в среднем 90 000 атомов водорода, 9800 атомов гелия, 1970 атомов кислорода, азота, углерода и неона; число атомов железа, кремния и магния составляет 100, а атомов всех остальных элементов - всего 30 на 100 000. Итак, подавляющее большинство атомов Вселенной - это атомы неметаллов.

Состав нашей планеты очень отличается от среднего состава Вселенной. Пока еще недостаточно хорошо знают, как распространены химические элементы в глубоких недрах Земли. Но в самых верхних слоях ее - в земной коре, атмосфере и гидросфере - также преобладают неметаллы: кислород, кремний, водород, азот, углерод.

Правда, причины господства неметаллов в космосе иные, чем в земных условиях. Дело в том, что атомы неметаллов - легких элементов с относительно небольшим атомным весом - образуются в звездных «термоядерных реакторах» в больших количествах, чем атомы тяжелых элементов, занимающих «подвал» периодической системы. Преобладание неметаллов в наружных слоях нашей планеты связано с их химическим характером, физико-химическими свойствами их соединений.

Рис. 5. В ближнем космосе - в нашей солнечной системе - господствуют неметаллы. Считают, что Юпитер и Сатурн на ³/4 состоят из водорода...

Рис. 6. Вулканические газы - «водоворот» неметаллов и их соединений.

Изливающаяся из кратера вулкана лава состоит из сравнительно легкоплавких соединений, главные составные части которых кремний и кислород. Из этих соединений и образовалась когда-то земная кора. Главные из них - гранит и базальт. Обе эти горные породы - силикаты, т. е. соли кремневой кислоты. Кроме кремния и кислорода, они содержат алюминий и в меньших количествах натрий, калий, кальций, железо и магний. Вулканы выносят из недр Земли также пары воды, углекислый газ, серу, сероводород и сернистый газ, азот и аммиак, галогеноводороды и их летучие соли, водород и метан. Что общего у всех этих веществ? Все они неметаллы или их соединения. А ведь именно такие вещества легколетучи.

Помните, как герои сказок иногда демонстрируют свою силу, выжимая воду из камня? Сказка сказкой, а при совсем не сказочном процессе плавления гранита из каждого кубического километра этой горной породы выделяется в среднем 26 млн.т воды, 5,3 млн.м³ водорода и много других летучих веществ... Эти летучие вещества и дали начало первичной атмосфере нашей планеты.

После охлаждения поверхности Земли ниже 100° на нее изливались потоки горячих кислот, извлекавшие из горных пород ионы металлов. Пройдя огонь и воду, гранитные горы рассыпа-

430


лись в песок, превращались в глину, давая вместе с нерастворимыми карбонатами осадочные породы...

Отступающее море оставляло после себя залежи солей, титанические сжатия земной коры изменяли лицо Земли и характер горных пород. Процессы перераспределения элементов шли уже на поверхности Земли. Еще позже в судьбу неметаллов активно вмешались живые организмы...

По содержанию в наружных сферах Земли все рекорды побивают два вещества - вода и двуокись кремния. Достаточно сказать, что океан занимает примерно три четверти поверхности Земли при средней глубине его около 4 км, а общее количество свободной воды считают сейчас равным около 1,4 млрд. км³ .

А ведь в объеме, равном одному кубическому километру, можно разместить все дома большого современного города! Горные породы содержат в среднем около 60 % двуокиси кремния, а граниты - до 80%. Разновидностей двуокиси кремния известно очень много, начиная от обычного песка и кончая прекрасными кристаллами горного хрусталя и драгоценных камней.

Если бы мы захотели составить словарь всех известных химических соединений (не считая органических!), то получилась бы, в общем, не очень большая книга - в нее пришлось бы записать 50-60 тысяч названий. А если выбрать лишь те вещества, которые встречаются в естественном состояний, способны к длительному существованию и составляют основную массу наружных сфер Земли, то словарь наш резко сократится: в него войдут примерно 2000 названий минералов, но и здесь символы неметаллов будут занимать главное место.

В виде каких соединений чаще всего встречаются в природе неметаллы? Углерод встречается чаще в виде карбонатов; азот - в виде нитратов и солей аммония; фосфор - фосфатов; сера - сульфатов и сульфидов; наконец, галогены встречаются в основном в виде солей галогеноводородных кислот.

Главные минералы, в состав которых входят неметаллы, - это либо окислы, либо соли кислот (кислородных и бескислородных).

КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ НЕМЕТАЛЛОВ

Неметаллы, за исключением галогенов, с большей или меньшей легкостью соединяются

Рис. 7. Прекрасные правильные кристаллы кварца и их целые семейства - друзы, как и обычный песок,- это формы существования двуокиси кремния.

с кислородом и образуют окислы. Окислы галогенов получают косвенным путем.

Как известно, большинство неметаллов может иметь переменную валентность. Поэтому известен не один, а несколько окислов каждого неметалла: два - для углерода (С O2 и СО), пять - для азота, два - для серы и т. д.

В окислах отчетливо проявляются свойства неметаллов и их периодичность. Возьмем, к примеру, высшие окислы неметаллов третьего периода. Вот они: SiO2, P2 O5, SO3, С l2 O7. Как и положено окислам неметаллов, их гидраты - это кислоты:

Сила кислоты определяется легкостью, с которой кислота в водном растворе диссоциирует, давая ионы водорода:

HNO3 « Н+ +N O3 или, точнее.

Н2 О+ HNO3 « Н3 O+ + NO3 .

Поэтому кислота тем сильнее, чем прочнее связь центрального атома неметалла с кислородом и чем слабее связь с кислородом атома водорода. Ясно, что увеличение заряда, т. е. рост валентности центрального атома неметалла, и уменьшение его радиуса увеличивает силу кислоты. Так, кремневая кислота - слабая, фосфорная - средней силы, серная - сильная, хлорная - очень сильная кислота. В то же вре-

431


мя известно, что угольная кислота сильнее кремневой, а азотная сильнее фосфорной:

Если неметалл образует несколько кислот, то наиболее сильной из них будет та, в которой неметалл проявляет максимальную валентность. Например, серная кислота (сильная) и сернистая кислота (слабая). Или ряд кислот хлора:

Окислы низших валентностей часто совсем не взаимодействуют с водой и потому называются безразличными: СО, N2 O, NO.

Отметим два особенных окисла. Один из них - соединение фтора с кислородом. Получают его, пропуская фтор через слабый раствор щелочи:

2NaOH + 2F2 → 2NaF + Н2O + F2O.

В этом соединении - и только в нем! - кислород проявляет положительную валентность, так как электронные пары, связывающие атомы фтора с кислородом, смещены к более активному фтору. Другая интересная особенность харак-

терна для двуокиси кремния. В отличие от газообразной двуокиси углерода, своего ближайшего аналога, SiO2 - вещество твердое, прочное и тугоплавкое (плавится лишь при 1713°!). Это объясняется особенным строением кристалла двуокиси кремния.

Как видно на рисунке 8, каждый атом кремния в кристалле фактически связан не с двумя атомами кислорода, как в молекуле СО2, а с четырьмя, так что образуется очень прочная структура. По этой причине двуокись кремния не растворяется в воде, а кремневая кислота, отвечающая этому окислу и получаемая косвенным путем, также состоит не из отдельных молекул H2 SiO3, а частично сохраняет свойственную двуокиси кремния сетчатую структуру (рис. 9). Именно поэтому кремневая кислота, в отличие от других минеральных кислот, нерастворима в воде, не является жидкостью и нелетуча.

ВОДОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ НЕМЕТАЛЛОВ

В табличке собраны некоторые простейшие водородные соединения (гидриды) неметаллов:

Физические свойства гидридов в целом изменяются закономерно в пределах каждой группы: чем ниже стоит неметалл, тем выше температура кипения его гидрида и тем легче можно превратить газообразный гидрид в жидкость.

432


Таблица к статье «Неметаллы»

В твердом поверхностном слое Земли из каждой 1000 атомов 820 - атомы двух неметаллов: кислорода и кремния. Лишь 126 атомов принадлежат четырем самым распространенным металлам - алюминию, железу, магнию и натрию. Подавляющее большинство атомов других неметаллов сосредоточено также в верхних оболочках Земли - литосфере, атмосфере, гидросфере. Вселенная в целом более чем на 90% состоит из атомов водорода.

Таблица к статье «Неметаллы»

...Зеленые деревья и бурые водоросли, черви, высшие животные и человек - как бы ни были различны эти проявления жизни, они тесно связаны с одинаковой в своей основе структурой, изображенной в центре рисунка. Это - порфин. В состав гемоглобина - красящего вещества крови человека и высших животных - входит скелет порфина с боковыми цепями, содержащий в центре молекулы ион железа. Такую структуру называют гем (слева вверху). А незначительное изменение лишь одной боковой цепи молекулы гема приводит к красящему веществу крови некоторых червей. Цвет такой крови зеленый (справа вверху). Магний - центральный атом зеленого хлорофилла, в основе которого лежит несколько измененный порфиновый скелет (внизу). В состав синей крови некоторых моллюсков входит медь, а некоторые обитатели морей собирают в крови ванадий...

Однако поведение аммиака, воды и фтористого водорода нарушает общую логику: температура кипения и плавления этих соединений аномально высока.

Дело в том, что их молекулы ассоциированы и не отвечают их простейшей формуле. Так, даже в кипящем фтористом водороде (+20°) средний состав его отвечает формуле (HF)4 и лишь при 90° пары состоят из молекул HF. Аналогично, хотя и в меньшей степени, ассоциированы молекулы жидкого аммиака. Вода в обычных условиях, кроме простейших молекул Н2 О, содержит молекулы (Н2 O)2, (Н2 O)3 ...

Связь между молекулами воды в таких «двойных» и «тройных» молекулярных агрегатах из-за ее относительной прочности нельзя объяснить лишь обычной ориентацией диполей.

Как происходит такая ассоциация молекул?

Чтобы это было ясно, вспомним, что каждая валентная черточка символизирует общую пару электронов ковалентно связанных атомов. Кроме того, атом кислорода имеет и «свободную», только ему принадлежащую пару электронов. Поэтому атом водорода имеет возможность связаться не только со «своим» атомом кислорода, но и с «чужим». Правда, такая связь менее прочна, чем обычная ковалентная связь. Называют ее водородной связью.

Таким же образом происходит ассоциация молекул фтористого водорода:

В этом случае водородная связь оказывается особенно прочной, так что в растворах фтористоводородной кислоты, кроме привычных нам ионов:

H2 O+HF « H3 O+ +F,

образуются также и ассоциированные ионы: Н2 O + 2HF « H3 O+ +HF2 .

Водородная связь похожа на уже знакомую нам координационную связь, образованную за счет «чужой» пары электронов. Такая связь образуется не обязательно между одинаковыми молекулами. Вот что происходит, например, при растворении аммиака в воде:

В.: свойствах гидридов отчетливо проявляется периодичность. Возьмем, к примеру, гидриды неметаллов второго периода. Метан - вещество совершенно нейтрального характера, своеобразный «инертный» газ. Далее следует аммиак, способный присоединять ионы водорода и потому обладающий основными свойствами. Фтористый водород, как известно, кислота, а вода, стоящая в нашей таблице между аммиаком и фтористым водородом, в определенном смысле является амфотерным электролитом. В самом деле, в реакции с аммиаком вода ведет себя как кислота (отдает протон):

NH3 +H2 O « NH4 + +OH .

При взаимодействии же с фтористым водородом она связывает протон, т. е. ведет себя как основание:

H2 O+HF « H3 O+ +F .

Чем ниже стоит гидрид в нашей таблице, тем слабее становятся его основные свойства, если измерять их способностью реагировать с кислотами. Действительно, широко известны соли аммония, образующиеся из аммиака и кислот. А гидрид фосфора РН3, который в принципе тоже способен присоединять протон, давая ион фосфония РН4 +, образует лишь несколько устойчивых солей с самыми сильными кислотами, например (PH4)+ ClO4 .

Кислотные же свойства гидридов, наоборот, увеличиваются сверху вниз. Так, кислотные свойства у сероводорода выше, чем у воды,

433


а из галогеноводородных кислот самая слабая фтористоводородная. На примере гидридов неметаллов можно проследить действие важнейшего закона природы: между самыми противоположными свойствами нет непроходимой границы, во всяком явлении борются противоположные тенденции, причем в зависимости от условий либо побеждает одна из них, либо происходит их синтез, совмещение, переход одной противоположности в другую. Этот закон поможет нам понять некоторые интересные явления, быть может несколько неожиданные и необычные.

ПАРАДОКСЫ В СЕМЬЕ НЕМЕТАЛЛОВ

Ни у кого не вызовет удивления бесспорное утверждение, что кислота реагирует с основаниями. Но иногда кислоты способны в определенных условиях вступать в реакции между собой. Так, концентрированная азотная кислота в смеси с серной кислотой отщепляет уже не ионы водорода (точнее, не ионы гидроксония Н3 O+), а гидроксильную группу:

HONO2 +2H2 SO4 « NO2 + +H3 O+ +2HSO4 . Известна и такая реакция;

HNO3 +2HF « H3 O+ +NO2 + +2F .

Выходит, что в этих случаях азотная кислота ведет себя... как основание.

«Отменяет» ли это наши прежние представления о кислотах? Конечно, нет!

Мы не случайно выделили слово концентрированная кислота. В ней нет или почти нет воды, а это имеет решающее значение, потому что все наши школьные знания о кислотах и основаниях относятся к водным растворам. Стоит нам изменить это условие, и многие привычные представления меняются и требуют уточнения.

Вот еще один «парадокс». В обычных условиях для аммиака характерны основные свойства. Но при изучении свойств жидкого аммиака (при -33,4°) оказалось, что его водород может замещаться металлом с образованием амидов:

2NH3 + 2Na → 2NaNH22 .

Удивительно, что эта же реакция происходит и при высоких температурах ( +350°). Вот и получается, что аммиак может вести себя в реакциях с металлами... как кислота!

И хотя условия реакции с металлами несколько различны, аммиак, вода и фтористый водород в этой реакции очень сходны:

2Na+2NH3 → 2NaNH2 +H2

2Na + 2H2 O 2NaOH+H2

2Na + 2HF → 2NaF+H2

Такое же сходство обнаруживается и при сравнении основных свойств этих гидридов:

NH3 +НС lO4 → (NH4)+ ClO4 Н2 O +НС lO4 → (Н3 О)+ С lO4 HF +НС lO4 → (H2 F)+ ClO4

Как это ни парадоксально, фтористый водород здесь выступает в роли основания, т. е. связывает протон.

Правда, последняя реакция исключительна, потому что возможна лишь с сильнейшей из минеральных кислот - хлорной, которая одна только способна «заставить» фтористый водород играть необычную для него роль.

Нетрудно видеть, что эта необычность свойств обычных соединений связана с особенными условиями, в которые эти соединения мы поставили. Но есть одно простейшее и распространеннейшее соединение, свойства которого во многом необычны в самых «заурядных» условиях. Это соединение - вода (см. ст. «Беседа о самом необыкновенном в мире веществе»).

СВОБОДНЫЕ НЕМЕТАЛЛЫ В ПРИРОДЕ

В число десяти элементов, знакомых людям с глубокой древности, входят два неметалла - углерод и сера. Оба элемента встречаются в природе в свободном состоянии.

Молекула серы состоит из восьми атомов, соединяющихся друг с другом в кольцо. При нагревании такие кольца разрываются, а при более высокой температуре образовавшиеся цепочки укорачиваются, так что сера становится смесью молекул, содержащих 8, 6 и 2 атома. При очень высокой температуре пары серы состоят из молекул S2, т. е. построены так же, как молекулы кислорода, азота, хлора в обычных условиях. Самое устойчивое состояние серы - кольцеобразная молекула S8. При быстром охлаждении расплавленной серы разорванные кольца не успевают замкнуться и сера становится пластичной, а затем, превращаясь в самую устойчивую форму, возвращает себе привычный внешний вид и свойства.

434


Так проявляется один из самых универсальных законов: все процессы в природе идут так, чтобы достигалось самое устойчивое состояние, энергия которого самая маленькая (камень падает с горы, потому что у ее подножия он будет обладать самой маленькой потенциальной энергией; сжатая пружина разжимается, потому что это ведет к снижению ее потенциальной энергии; атом любого элемента стремится к образованию устойчивой наружной оболочки, так как это тоже отвечает минимуму энергии).

Углерод встречается в природе в двух различных формах (аллотропических видоизменениях), отличающихся друг от друга строением кристаллической решетки: это - алмаз и графит. Люди не сразу пришли к пониманию того, что благороднейший алмаз и невзрачный уголь - близнецы. А между тем установить это было совсем просто: в один прекрасный день с помощью линзы сконцентрировали солнечные лучи на кристаллике алмаза, помещенного под стеклянный колпак. Алмаз... сгорел, а под колпаком образовался углекислый газ - тот же самый, что образуется при горении угля...

Если алмаз - одно из редчайших произведений природы, то графит и уголь образуют мощные залежи. Правда, уголь почти никогда не состоит из чистого углерода, а всегда содержит различные примеси.

Недавно было установлено, что обычная сажа имеет строение, похожее на строение графита.

Рис. 10. Пучок солнечных лучей, сконцентрированный линзой и направленный на кристалл алмаза, сжигал «царя минералов» и превращал его совершенно так же, как и кусочек обычного угля, в углекислый газ.

Рис. 11. Много хитроумных способов придумали люди, чтобы обеспечить наиболее полное сгорание топлива - без дыма, копоти и сажи. Но вряд ли еще 50 лет назад кто-нибудь мог предполагать, что сегодня целые заводы будут решать совсем обратную задачу: получать при горении топлива как можно больше сажи, которая очень нужна промышленности, прежде всего резиновой.

В течение долгого времени она причиняла людям одни неприятности, засоряя дымоходы, загрязняя воздух. Сажу использовали лишь для приготовления красок, туши и т. п. Но в последние десятилетия ее стали специально готовить, причем для этого пришлось строить большие заводы, придумывать способ сжигать топливо так, чтобы сажи получалось как можно больше. Сажа - необходимый компонент при изготовлении резины из каучука. Специальным образом приготовленный аморфный углерод широко используется для поглощения (адсорбции) многих веществ и как основа для нанесения катализаторов.

Графит очень нужен людям не только для карандашей. Порошок графита - хорошая смазка для трущихся частей машин. Из графита делают электроды для различных электрических устройств, потому что графит хорошо проводит электрический ток, и это, пожалуй, единственный пример хорошей электропроводности среди неметаллов.

Азот и кислород составляют 99% атмосферы нашей планеты (78%- азот и 21%- кислород). Галогены встречаются в природе в виде различных соединений, и это понятно - ведь они очень активны. Но кислород тоже очень активный неметалл. Как же это совместить с большим количеством свободного кислорода в природе? Нет ли здесь какого-то противоречия?

435


Рис. 12. Растения, используя энергию солнечных лучей, усваивают углекислый газ и обогащают атмосферу кислородом.

Все дело в огромной роли, которую играют в химии Земли растения. Это они - действующие «фабрики» - производят кислород. Если бы вдруг в один совсем не прекрасный день весь растительный мир перестал существовать, количество кислорода немедленно начало бы уменьшаться, а через 3000 лет в атмосфере совсем не осталось бы кислорода... И все же высокая химическая активность кислорода сказывается на его судьбе. Количество свободного кислорода 1015 т, т. е. 1 миллион миллиардов тонн. В соединениях с другими элементами его содержится в 10 000 раз больше.

Без кислорода нет дыхания, а без дыхания нет жизни. Но значение кислорода для жизни не ограничивается только этим. Из двух аллотропных видоизменений кислорода - «обычного» кислорода O2 и озона O3 - устойчивой является именно первая форма. Озон довольно быстро превращается в «обычный» кислород, если не успевает вступать в реакцию с другими веществами. Солнце могло бы стать причиной гибели всего живого, потому что, кроме благодатного тепла и света, оно посылает на Землю разящий поток губительных ультрафиолетовых лучей. И защищает нас от этого врага невидимое кислородное «одеяло»: на большой

высоте ультрафиолетовые лучи встречаются с молекулами кислорода, «разбивают» их и превращают в молекулы озона. Образовавшийся озон и задерживает смертоносное излучение Солнца.

О кислороде обычно говорят: «газ без цвета, без запаха, без вкуса». Это верно, но лишь для привычных нам условий. Если обычный воздух охладить ниже - 150° под давлением в 40 атм, он превращается в бесцветную жидкость. Если такую жидкость поместить в специальные сосуды с двойными стенками из зеркального стекла, между которыми выкачан воздух, то жидкий воздух медленно испаряется, причем легче улетучивается азот. Поэтому в конце концов в сосуде останется чистый жидкий кислород. Оказывается, жидкий кислород совсем не бесцветный, а голубой... Его помещают под давлением в стальные баллоны и используют там, где это необходимо. А необходимость в кислороде большая. Для выплавки чугуна, например, в домну вдувают воздух, необходимый для сгорания топлива. Но необходим-то только кислород, а азот активно мешает процессу, уносит тепло, ухудшает качество металла. Поэтому в доменном процессе очень перспективно применение чистого кислорода. Жидкий кислород используют в качестве окислителя топлива в некоторых системах космических ракет.

Азот - «безжизненный» газ, как его назвали когда-то (он не поддерживает горения и дыхания),- интересный неметалл. Молекула N2 очень прочна, поэтому азот с трудом вступает в реакции. Свободный азот - самая устойчивая форма существования этого элемента в природе. Значительная часть азота на Земле

Двуликий элемент

В пределах каждого периода происходит переход от элементов-металлов к элементам-неметаллам и затем к инертному газу. Но в первом периоде перед инертным газом гелием находится лишь один элемент - водород. Это исключительный случай. Потому и элемент очень необычен, своеобразен. По физическим свойствам он очень похож на неметаллы - галогены. Реагируя с некоторыми металлами, например с литием, водород проявляет, как и галогены, валентность -1. Значит, водород - неметалл? Но, соединяясь со всеми остальными неметаллами, водород проявляет валентность + 1, отдавая электрон. В таком состоянии он способен образовать ионы Н+. В этом водород похож на металлы. Вот почему водород часто помещают и в I и в VII группу периодической системы.

«Окись водорода» - вода при диссоциации дает не только ионы водорода Н+ (как положено кислоте), но и ионы ОН (как положено основанию). Это ли не амфотерность? Итак, в известном смысле водород - и металл, и неметалл, и «пограничный элемент» одновременно.

436


Рис. 13. Грозовые разряды заставляют азот воздуха вступить в соединение с кислородом. Растворяя окислы азота, дождевая вода превращается... в азотную кислоту.

находится именно в атмосфере, а те сравнительно небольшие скопления соединений азота, которые есть на Земле, обязаны своим происхождением в основном живым организмам.

Мы уже знаем, что растения освобождают кислород и выделяют его в атмосферу. С азотом дело обстоит как раз наоборот: живые организмы связывают азот атмосферы. Подсчитано, что так называемые азотобактерии, живущие в почве, способны за год связать 50 кг азота на каждом гектаре Земли. Бактерии же, обитающие на корнях бобовых растений, перерабатывают втрое больше атмосферного азота в расчете на 1 га ! Есть бактерии, «работающие» в обратном направлении,- они возвращают связанный в соли азотной кислоты элемент опять в атмосферу.

При электрических разрядах в атмосфере во время грозы азот вступает в соединение с кислородом и в конце концов превращается в азотную кислоту. Потоки азотной кислоты, льющиеся на землю с грозовым дождем! Не слишком ли это преувеличено? Судите сами: в среднем на всех материках происходит более 40 000 гроз в день, и эти грозы приносят ежегодно около 15 кг связанного азота на 1 га земной поверхности.

В наше время в судьбу азота активно вмешался человек. Еще 140 лет назад первую партию чилийской селитры - одного из важнейших азотных удобрений - выбросили в море ... за ненадобностью. Сегодня на сотнях заводов превращают атмосферный азот в химические соединения, без которых невозможна ни современная промышленность, ни сельскохозяйственное производство.

Один из методов связывания атмосферного азота подражает природе: смесь азота и кислорода пропускают через электрическую дугу и получают окисел N0, который далее легко реагирует с кислородом воздуха, превращаясь в бурый NO2. При растворении в воде он дает азотную кислоту. Этот метод сейчас отступает перед самым распространенным процессом - синтезом аммиака из смеси азота и водорода в присутствии катализатора:

N2 +3H2 « 2NH3 .

Если вы внимательно читали эту главу, вы обязательно должны задать коварный вопрос: все процессы в природе должны вести к уменьшению энергии, все элементы должны находиться в своей самой устойчивой форме - «камень обязательно должен упасть»?.

Как же может случиться, что кислород находится не в устойчивой форме своих соединений, а в свободном состоянии; наоборот, почему же азот, максимально устойчивый в своем элементарном состоянии, все же превращается в различные соединения?

Частично мы уже ответили на этот вопрос, подчеркнув роль живых организмов в судьбе этих двух элементов. Да, «камень должен упасть», если он предоставлен самому себе. Но не требует доказательств тот очевидный факт, что любой из нас может взять этот упавший камень и поднять его обратно на гору. Для этого нужно лишь затратить энергию. Теперь ясно, почему растения способны произвести превращения, о которых мы рассказали: ведь они затрачивают энергию, которую получают от Солнца.

Подсчитано, что масса живого вещества на Земле составляет один грамм на каждый квадратный сантиметр поверхности. Много ли это? Много! Ведь только благодаря участию живых организмов в атмосфере появился свободный кислород, на суше и в морях образовались огромные залежи известняков, мела, фосфоритов, углей, нефти. Недаром эти минералы называют биолитами. Растения вмешиваются в распределение элементов в земной коре, концентрируя одни из них, способствуя рассеиванию других. В течение года растения фиксируют 8,2 млрд. т азота и 184 млрд. т углерода. Не удивительно поэтому, что общий вес живых организмов в 2,5 раза превышает вес всего никеля, хрома, цинка, свинца и золота земной коры, вместе взятых.

437


ХИМИЯ ЖИЗНИ - ЭТО ХИМИЯ НЕМЕТАЛЛОВ

На нашей планете существует около полумиллиона видов растений и свыше миллиона различных видов животных. И все они - от мельчайших одноклеточных водорослей до исполинских эвкалиптов, от бактерий до человека - состоят в своей основе из небольшого числа элементов-неметаллов, сочетание которых и составляет колоссальное многообразие органических соединений.

Почему именно из соединений неметаллов построены живые организмы? Конечно, потому, что неметаллы гораздо богаче металлов по своей реакционной способности. Ведь неметаллы способны проявлять как положительную, так и отрицательную валентность, способны давать соединения друг с другом. Ковалентные связи между неметаллами - наличие общих электронов - позволяют атомам оказывать гораздо более существенное влияние друг на друга, чем это возможно в ионных соединениях. Эти элементы так и называют «органогены». Вот они: углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор (значительно реже - галогены).

Почему именно эти неметаллы лежат в основе вещества живых организмов? Может быть, потому, что их много в земной коре? Да, но не это главное. Ведь кремния неизмеримо больше,

Рис. 14. Жизнь во всех ее проявлениях на нашей планете связана с существованием органических веществ, в основе Которых лежат углеродные цепи. Они связаны между собой «мостиками» из атомов азота, серы, кислорода. Все главные элементы жизни - углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор - неметаллы.

чем углерода! Пожалуй, важное значение имеет большая подвижность органогенов и их соединений (кремний же легко превращается в наиболее устойчивое и малоподвижное соединение SiO2). Но и этого мало. Все жизненно важные структуры в живом организме - белки, углеводы, нуклеиновые кислоты - это высокополимерные вещества, включающие в себя длинные цепочки атомов. Из всех же неметаллов лишь углерод способен образовывать цепи практически неограниченной длины.

И хотя известно много органических соединений, содержащих относительно небольшой процент углерода, именно этот неметалл лежит в основе органических веществ. Углеродный «скелет» - цепи или кольца атомов углерода, соединенных ковалентной, да к тому же неполярной связью,- составляет относительно устойчивую, консервативную часть органической молекулы. Подобно тому как наиболее частым «партнером» кремния является кислород, самым частым «соседом» углерода бывает водород. Поскольку его связь с углеродом малополярна, он также неохотно вступает в реакции. Остальные органогены, сочетаясь между собой, образуют полярные группы, замещающие некоторые из атомов водорода в молекулах органических веществ. Такие функциональные группы образуют активную часть молекул, а разнообразие таких групп и их сочетаний ведет к огромному разнообразию химических превращений, к которым способны органические вещества. Итак, сама жизнь во всех ее формах - могучий гимн неметаллам.

Но, проанализировав состав вещества растений, мы обязательно найдем в них, кроме неметаллов - органогенов, еще и калий, кальций, железо, магний. Содержание металлов здесь сравнительно невелико. Но отсутствие в почве ничтожных количеств меди и цинка или других микроэлементов резко сказывается на развитии растений. Для нормальной жизни растению необходимо около 70 элементов. Металлы входят в состав важнейших ферментов и витаминов, регулирующих жизнь животного организма (см. цв. табл. к стр. 433).

Железа в крови человека совсем немного - из него, пожалуй, и гвоздя-то не сделаешь, но попробуйте обойтись без него! Или попробуйте лишить скелет человека содержащегося в нем кальция!

В природе нет «лишних» элементов. Каждый из них занимает в ней определенное место и связан тысячами связей со своими близкими и далекими соседями по периодической системе.

438


МЕТАЛЛЫ

ЧТО ТАКОЕ МЕТАЛЛЫ

В периодической системе металлы преобладают (рис. 1). По многим свойствам металлы очень отличаются друг от друга: литий вдвое легче воды, а осмий тяжелее ее в 22,5 раза (рис. 2). Цезий или галлий можно расплавить в ладони, а вольфраму для плавления нужна температура лишь вдвое меньше, чем температура поверхности Солнца; литий, натрий или калий можно резать ножом, а чистый хром не всякий резец возьмет... Различна и химическая активность металлов - от почти полной химической

инертности золота или платины до неукротимой реакционной способности калия или натрия.

Но, несмотря на все свое разнообразие, эти элементы образуют единую семью, потому что все они относительно легко расстаются со своими наружными электронами и превращаются в положительно заряженные ионы.

Элемент легко отдает электроны, если их в наружном слое мало (поэтому элементы первых трех групп, не считая бора,- металлы) ила если радиус атома так велик, что ядро не в состоянии прочно удерживать наружные электроны (поэтому висмут, атом которого имеет в

439


Рис. 2. Литий вдвое легче воды, осмий тяжелее ее в 22,5 раза.

наружном слое пять электронов, все-таки относят к металлам).

Проследив, как изменяются свойства у элементов III периода, мы увидим, что с увеличением числа электронов в наружном слое атомов элементы постепенно переходят от активного металла натрия к активному неметаллу хлору. IV период тоже начинается активным металлом калием. В конце этого периода перед инертным газом криптоном также стоит активный неметалл бром. Следовательно, и в этом периоде должен происходить такой же переход.

Почему же этот переход такой медленный? Дело в том, что у элементов IV периода от скандия до цинка «достраивается» не наружный электронный слой, а предыдущий (рис. 3). И лишь после цинка (начиная с галлия) число электронов в наружном слое увеличивается, так что у германия здесь четыре электрона. Он - «пограничный» элемент, за которым следуют неметаллы.

Поскольку у элементов от скандия до никеля в наружном слое не больше двух электронов, то они - металлы. Каждый большой период включает в себя подобный ряд, состоящий только из металлов. У этих рядов четные номера

(4, 6, 8,10), а из большинства расположенных в них металлов состоят побочные подгруппы периодической системы. Металлы, стоящие в середине больших периодов и последовательно «достраивающие» не наружный, а более глубоко лежащие электронные слои, называют переходными металлами.

Переходные металлы, как правило, проявляют переменную валентность, и потому их соединения гораздо многочисленнее и разнообразнее, чем соединения металлов главных подгрупп периодической системы.

Так, ванадий способен, вступая в химические реакции, отдавать один за другим все пять своих валентных электронов, изменяя свою валентность от +2 до + 5. Интересно, что при этом получаются соединения красивой окраски, характерной для каждой из этих валентностей.

Максимальная валентность переходных металлов равна номеру группы. Правда, у большинства элементов VIII группы валентность ниже максимальной (см. ст. «Великий закон»). Проявляя максимальную валентность, металлы побочных подгрупп в своих соединениях становятся похожими на соседей из главных подгрупп. Так, семивалентный марганец входит в состав марганцевой кислоты НМ nO4, похожей по строению молекулы на хлорную кислоту НС lO4 .

Если металл проявляет переменную валентность, то окислам высшей валентности отвечают кислоты, низшей - основания. Окислы, в которых валентность металла промежуточна, амфотерны, т. е. способны в зависимости от условий проявлять как кислотные, так и основные свойства.

КОГДА МЕТАЛЛЫ ПОХОЖИ ДРУГ НА ДРУГА

Мы привыкли к тому, что у элементов одной и той же главной подгруппы и у соединений

440


этих элементов сходные свойства. Причины такого сходства - похожая структура внешней электронной оболочки. Такая закономерность полностью относится и к металлам.

Но переходные металлы обнаруживают и новую особенность: ведь за несколькими исключениями, у всех у них в наружном слое по два электрона, и все они отличаются друг от друга лишь структурой второй (или третьей) снаружи оболочки.

Особенно близки свойства у металлов с почти завершенной предпоследней оболочкой, например у железа, кобальта и никеля. Поэтому такие «триады» элементов помещают вместе в VIII группу. Сходство этих металлов не ограничивается «своей» группой: следующий за никелем элемент медь хоть и попадает в I группу, но во многом подобен своим предшественникам. Особенно заметно такое сходство между «триадой» - осмий, иридий, платина-и золотом.

Особое сходство у двух замечательных пар - ниобий и тантал, цирконий и гафний - связано не только с одинаковой структурой внешних электронных оболочек, но и с одинаковым радиусом у атомов каждой пары.

У семейства лантаноидов различия электронной структуры «спрятаны» уже не во втором, а в третьем снаружи электронном слое. Вот почему это семейство помещают вместе в одну клетку периодической системы.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ АКТИВНОСТЬ МЕТАЛЛА

Активный металл легко отдает свои электроны, вступая в химическую реакцию. Сравнить активность нескольких металлов часто помогает всемогущая периодическая система.

Вот четыре металла-соседа. Нам известна их электронная структура (рис. 4).

Вступить в реакцию для перечисленных металлов означает отдать наружные электроны. Натрий отдаст легче один электрон, чем магний - два или алюминий - три. Поэтому от натрия к алюминию активность металлов уменьшается. Два наружных электрона у кальция дальше от ядра, чем такие же два электрона у магния. Поэтому кальций легче потеряет их, а это и значит, что активность кальция выше, чем магния.

Когда речь идет о металлах, стоящих в главных подгруппах периодической системы, можно довольно точно теоретически предска-

зать, какова будет их относительная активность: чем ниже и левее место металла в системе, тем он активнее. Не нужно, однако, забывать, что активность связана и с тем «партнером», с которым взаимодействует металл. Относительную активность всех остальных металлов теоретически предвидеть гораздо труднее. Здесь на помощь приходит опыт, эксперимент. Простейший опыт может проделать каждый: опустите железный гвоздь в пробирку с раствором медного купороса, очень быстро железо покроется золотистым слоем металлической меди. Что произошло? Ионы меди, чтобы превратиться в металлическую медь, должны вернуть себе два электрона:

Cu+2 + 2e → Cu0.

Эти электроны и дает меди металлическое железо:

Fe0 - 2e → Fе+2 .

Но если железо расстается со своими электронами, а медь включает их в свою электронную оболочку, то это и значит, что железо активнее.

Более сложные и точные эксперименты помогли выстроить металлы в одну шеренгу по их активности: К Na Mg Al Mn Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag

Почему в этот ряд попал водород? Он имеет на это право потому, что водород по своему химическому характеру во многих реакциях ведет себя как металл (см. ст. «Неметаллы»).

441


Кроме того, один из важнейших признаков, характеризующих металлы,- это отношение к разбавленным кислотам, в которых металлы, стоящие слева от водорода, растворяются, становясь на его место.

А может ли водород вытеснять стоящие справа от него металлы из растворов их солей? Да, может. Газообразный водород под давлением способен замещать малоактивные металлы.

Чем левее стоит металл в таком ряду активности, тем легче он вступает в химические реакции, отдавая электроны.

Вот мы бросили в чашку с водой кусочек металлического натрия. Блестящий шарик бегает по поверхности воды, шипя и потрескивая. То и дело вспыхивает желтый огонек, сердито разбрызгивая во все стороны образовавшийся раствор щелочи. А если кусочек металла взять побольше, то дело может кончиться взрывом!

Магний в ряду активностей стоит правее натрия, он реагирует с водой лишь при нагревании.

Если же наблюдать взаимодействие железа с водой, то потребуются, пожалуй, недели, а то и месяцы, пока появятся видимые изменения: ржавчина на поверхности железа и совсем небольшое количество водорода, которое можно собрать над водой. Поэтому химик назовет железо сравнительно неактивным металлом. А инженер-технолог с ним не согласится, да еще, пожалуй, и поругает железо за его излишнюю готовность вступать в реакции. Прав каждый по-своему. И наверно, стоит посочувствовать технологам: ведь они-то хорошо знают, что более 10% всего добываемого ежегодно железа приносится в жертву воде, кислотам и другим веществам-агрессорам.

А поскольку железо, его сплавы с другими металлами и сами эти металлы - важнейшие конструкционные материалы, без которых невозможна современная техника, то ясно, что проблема химической устойчивости выдвигается на самое первое место.

КАК ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ СВЯЗАНО С ИХ СВОЙСТВАМИ

Металлы мы узнаем среди других веществ по их особому металлическому блеску. Блестят они потому, что отражают падающие на них лучи света: не пропускают сквозь себя, как стекло, и почти не поглощают, как сажа. Это общее свойство металлов. Но ярче всего оно проявляется у серебра. Вот почему его применяют

Рис. 5. Железо растворяется в азотной кислоте, а тантал по отношению к ней удивительно стоек.

для изготовления зеркал, иногда, впрочем, его заменяют алюминием или индием.

Такое же общее свойство металлов - электропроводность. Без металлов невозможно было бы передавать по проводам электрическую энергию на тысячи километров или разговаривать по телефону. Здесь на первом месте среди металлов оказывается опять серебро и вплотную к нему примыкают медь и алюминий. Вот почему электропровода делают из чистой меди и алюминия.

Нить накала электролампочки раскаляется за счет сопротивления, оказываемого ею электрическому току, поэтому для изготовления ее, наоборот, нужен металл со сравнительно малой электропроводностью, но очень тугоплавкий. Таких металлов много, но из них выбран самый тугоплавкий - вольфрам. Нити из большинства других металлов при включении электролампочки либо мгновенно плавились бы, либо в короткий срок испарялись.

Но почему же из вольфрама не делают спирален для электроплиток? Это было бы грубой ошибкой. Не только потому, что вольфрам слишком дорогой металл, но и потому, что он выдерживает длительное накаливание только в вакууме или инертном газе. На воздухе же он быстро окисляется.

Итак, новое назначение требует нового, специально для него приспособленного металлического материала. Вот тут-то и приходят на помощь сплавы.

СВОЙСТВА СПЛАВОВ И ИХ СОСТАВ

Современная техника нуждается в металлических материалах с самыми разнообразными свойствами и сочетаниями свойств. Химия и металлургия должны обеспечить ее всем необходимым. Рассмотрим, как наука и техника решают эту задачу.

Металлический сплав для типографского шрифта, которым отпечатана эта книга, должен быть достаточно легкоплавким, чтобы из него

442


легко было отлить литеры, и в то же время достаточно твердым - иначе литеры износятся прежде, чем будет отпечатан весь тираж. При этом металл должен точно воспроизводить форму, в которой отливаются литеры. Среди чистых металлов нет такого, в котором сочетались бы все заданные свойства. Свинец легкоплавок, но слишком мягок, его можно царапать даже ногтем. Сурьма легкоплавка и достаточно тверда, но слишком хрупка.

Сплав же свинца с сурьмой и незначительным количеством олова обладает плавкостью свинца и твердостью сурьмы, но не хрупок, как она. В момент затвердевания этот сплав слегка расширяется и поэтому точно воспроизводит форму, в которой отлит. Вся эта сумма свойств, а не каждое в отдельности и делает наш сплав - гарт - почти незаменимым типографским металлом.

Не подумайте, что при сплавлении металлов их свойства просто складываются или же что свойства сплавов представляют что-то среднее между свойствами сплавленных металлов. Гарт, например, плавится при более низкой температуре, чем каждый из входящих в него металлов. Еще более легкоплавки припои; они соединяют, спаивают металлические части. А ведь припой состоит из тех же самых металлов - свинца, олова и сурьмы. Так, простейший из припоев - третник (одна треть свинца и две трети олова) плавится при 183°, в то время как точка плавления свинца 327°, олова 232°. Особенно легкоплавки сплавы висмута, хотя сам он плавится лишь при 271°. Из висмутового сплава (точка плавления всего 60°) изготовляют кольца, удерживающие пробки в водопроводной сети, проложенной по потолку здания. При возникновении пожара кольца плавятся, напор воды вышибает пробки и воде открывается путь к огню. Такую сеть устраивают в театрах, на складах горючих материалов, на деревообделочных и текстильных предприятиях.

Сплавляя одни и те же металлы, но в разной пропорции, можно получить сплавы с разными свойствами и разного назначения.

Корпус ручных часов чаще всего изготовляют из нержавеющей стали, а пружину - уж обязательно из элинвара. И то и другое - сплавы железа с хромом, никелем и углеродом. Но в состав нержавеющей стали входит 18% Cr, 8% Ni, а в состав элинвара - 12% Cr, 36% Ni .

Каждый день, заводя часы, вы закручиваете часовую пружину. Заведенная пружина раскручивается, тянет шестеренки-колесики - часы идут. Многие годы и изо дня в день, 365 раз

в году скручивается и раскручивается пружина, не утрачивая упругости.

При другом соотношении тех же составных частей, например 15% Cr, 60% Ni, получается нихром - сплав с низкой электропроводностью и высокой жаропрочностью. Он применяется в электронагревательных устройствах (например, в электроплитках).

Сплав того же железа с 48% Ni обладает одинаковым со стеклом и платиной коэффициентом расширения при нагревании. Это платинит. Без платинитовой проволочки, впаянной в стеклянную оболочку электролампочки, нельзя было бы подвести ток к нити накала, так как другие металлические материалы при изменении температуры расширяются либо больше, либо меньше, чем стекло, и сцепление металла со стеклом нарушается.

Состав, свойства и назначение сплавов чрезвычайно разнообразны. Но в современной технике чаще всего применяют сплавы, в основе которых самый дешевый и доступный металл - железо.

ЧЕМ ЧУГУНЫ ОТЛИЧАЮТСЯ ОТ СТАЛЕЙ

Железа добывают из недр земли больше, чем любого другого металла. Но чистое железо вы вряд ли видели. Этот серебристый металл слишком мягок, а поэтому малопригоден для технических изделий (за исключением сердечников электромагнитов).

Сплавы железа - чугуны и стали - очень отличаются друг от друга своими свойствами. Как ни старайтесь, вам не удастся согнуть чугунный стержень, при большом усилии он не выдержит - сломается, но не согнется. Лезвие же стального обеденного ножа сгибается и снова выпрямляется. Чугун хрупок, а сталь упруга. Впрочем, упругость стали имеет свой предел: лезвие ножа нельзя согнуть в дугу - оно сломается.

Металлурги изготовляют сотни разнообразных сортов («марок») стали, десятки сортов чугуна. Во всех непременно содержится углерод. Поэтому и сталь и чугун называют железоуглеродистыми сплавами.

В чугунах более 2% углерода, в сталях - менее 2%, и совсем мало его в мягких сталях, в ковком железе. Из ковкого железа прокатывают листы кровельного железа, протягивают проволоку, из железной проволоки изготовляют гвозди.

443


Огромная отрасль промышленности, которая занята получением чугуна, сталей и ковкого железа, называется черной металлургией, а сами железоуглеродистые сплавы - черными сплавами (см. т. 5 ДЭ, ст. «Черная металлургия»).

КАКИЕ БЫВАЮТ ЧУГУНЫ

Если железную проволоку нагревать электрическим током, то сначала она все более провисает - от нагревания железо расширяется. При 769° проволока перестает притягиваться магнитом. А при 910° проволока внезапно натягивается: объем железа уменьшается. При этой температуре расположение атомов в железе изменяется и обыкновенное железо, или альфа-железо (рис. 6), превращается в гамма-железо (рис. 7). Одно из отличий гамма-железа в том, что оно способно науглероживаться: оно впитывает в себя углерод, как губка воду, пока не насытится им. Наконец, при 1539° железо плавится, превращаясь в подвижную, легко расплескивающуюся жидкость. Жидкое железо более жадно поглощает углерод, чем твердое гамма-железо.

Железо выплавляют из его руд с помощью кокса. Он как раз и представляет собой почти чистый углерод. Поэтому ослепительно блестящая струя, с шумом извергающаяся из лётки доменной печи в ковш,- это не чистое железо, а раствор углерода в жидком железе - чугун.

При затвердевании жидкого чугуна в нем образуются кристаллы железа. Но эти кристаллы не в состоянии удержать в себе весь растворенный углерод. Его излишек выделяется в виде графита - получается серый чугун.

В отливке из серого чугуна кристаллы железа переслоены тонкими и широкими чешуйками графита. На рисунке 8 показано, как выглядит срез серого чугуна под микроскопом.

Рассекающие срез во всех направлениях тонкие, словно трещинки, полоски - это и есть пластинки графита. Графитовые чешуйки легко расщепляются, как спрессованная стопка бумаги. Поэтому графит - «слабое» место в сером чугуне. При ударе отливка из серого чугуна разбивается на куски вдоль прослоек графита, как если бы эти прослойки были в самом деле трещинами. Такой чугун хорошо отливается в формы, но хрупок, и его нельзя ковать. Из серого чугуна отливают станины машин, маховые колеса, плиты, канализационные трубы.

На рисунке 9 показана отшлифованная поверхность высокопрочного чугуна под микроскопом. Такой чугун получен в СССР. Графит не рассекает отливку тонкими пластинками, он «блокирован» в виде включений шарообразной формы. Это достигнуто тем, что в расплавленный чугун перед его разливкой в формы введено незначительное количество магния. Из высокопрочного чугуна можно поэтому отливать и такие ответственные детали, как, например, коленчатый вал мощного судового двигателя.

На примере высокопрочного чугуна мы познакомились еще с одним из способов изменять по заказу свойства сплавов - с применением

444


модификаторов. При модифицировании химический состав сплава не меняется: ведь высокопрочный чугун по составу практически ничем не отличается от обыкновенного. Изменяются лишь форма, размеры и расположение кристаллов тех веществ, из которых сплав образован.

КАК ЗАКАЛЯЕТСЯ И ОТПУСКАЕТСЯ СТАЛЬ

Большая часть выплавляемого в доменных печах чугуна переделывается в сталь. Для этого из расплавленного чугуна выжигают углерод, пока его останется не более 2%.

Для каждого стального изделия нужно подобрать подходящий сорт стали. Так, железнодорожные колеса изготовляют из мягкой, а поэтому вязкой стали, их ободья (бандажи) - из более твердой стали, так как иначе при трении о рельсы колеса быстро изотрутся. Для осей, на которые насажены колеса, сталь нужна еще более твердая.

Твердость стали придает содержащийся в ней углерод. Но вот что получилось при забивании трех гвоздей в твердое дерево: один сломался при первом же ударе, второй затупился, согнулся, и шляпка его расплющилась. И только третий послушно вошел в дерево. А между тем все три гвоздя изготовлены из одной и той же стали, с одним и тем же содержанием углерода. В чем же здесь секрет? Дело в том,

что гвозди прошли разную термическую обработку.

Двигателем в наших часах служит пружина. Раскручиваясь, пружина приводит в действие весь сложный механизм часов. Но если пружину перекрутить, она сломается. Такая сталь обладает упругостью и хрупкостью. Первое свойство наряду с твердостью делает сталь почти незаменимым поделочным материалом. Со вторым же свойством поневоле приходится мириться.

Эти свойства стальное изделие получает во время закалки. Для закалки его нагревают, не давая расплавиться, и тем самым дают возможность атомам углерода проникнуть в его кристаллы.

Если теперь изделие медленно охладить, в нем произойдет то же, что в затвердевающем чугуне: железо освободится от растворенного в нем углерода, перейдя в альфа-железо.

Проделайте эту операцию со стальным пером, иглой или кусочком стальной проволоки, и вы убедитесь, что материал неузнаваемо изменился. Он легко сгибается, не ломаясь, и не возвращается к первоначальной форме. Упругость и твердость, а вместе с ними хрупкость утрачены. Вновь нагрейте докрасна этот предмет, но охладите его быстро, бросив в холодную воду. В результате сталь останется твердой, упругой и хрупкой.

При закалке стального изделия атомы углерода из-за быстроты охлаждения не успевают выделиться из кристаллов альфа-железа. Эти «застрявшие» атомы и придают закаленной стали особые свойства.

В закаленном состоянии сталь получает наивысшую твердость, но становится такой же хрупкой, как чугун. Чтобы сделать ее менее хрупкой, изделие подвергается последней операции - отпуску. Предмет еще раз нагревают до сравнительно невысокой температуры. Так, стальные инструменты отпускаются при температурах всего 120-150°. При этом твердость стали почти не снижается, а хрупкость уменьшается. Для пружин и рессор сохранять высокую твердость не обязательно, поэтому их подвергают отпуску при более высоких температурах (300-400°); при значительной потере твердости достигается наибольшая упругость.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Быстро вращается сверло сверлильного станка, вонзаясь в стальную плиту. Разумеется,

445


сверло при этом сильно нагревается. Что из этого следует?

Сталь остается твердой и упругой лишь до тех пор, пока она закалена, т. е. пока углерод остается растворенным в железе. Но при нагревании закалка стали исчезает и сверло должно стать мягким. Резцы и сверла из обыкновенной стали не выдерживают значительного нагревания при работе. Здесь на помощь приходит вольфрам - тот самый металл, из которого изготовлена нить электролампочки. Добавка вольфрама к стали при ее выплавке позволяет углероду удерживаться в твердом растворе вплоть до температуры красного каления. Так делают быстрорежущую инструментальную сталь.

Применяя резцы из такой стали, можно сильно увеличить скорость резания металла и в несколько раз повысить производительность металлообрабатывающих станков. Быстрорежущая сталь относится к сталям легированным, т. е. содержащим, помимо углерода, добавочные элементы.

Применения стали весьма разнообразны - от стального пера до реактивного самолета. В каждом случае к ней предъявляются различные требования. Многие из них металлург может удовлетворить, усложняя состав стали теми или иными легирующими элементами. И только когда эти возможности полностью исчерпаны, он отказывается от стали и обращается к другим сплавам. Так, по заказу металлообрабатывающей промышленности был создан победит - безжелезный сверхтвердый сплав из кобальта и карбида вольфрама. Сверхтвердые сплавы позволили еще более увеличить скорость резания металлов - до десятков метров в секунду.

В ТЕХНИКУ ПРИХОДЯТ НОВЫЕ МЕТАЛЛЫ

В течение веков человек не испытывал нужды в больших количествах других металлов, кроме железа. В XIX в. распространение машин вызвало стремительный рост производства чугуна и особенно стали. Вместе с тем появились и совершенно новые потребители металлов -электротехника, а в XX в.- авиация. Начался быстрый рост производства меди для электропромышленности. Для авиации потребовались другие металлы - прочные, как сталь, но не в пример ей легкие. Химия с помощью электропромышленности доставила такой материал. Это был алюминий.

Первые слитки алюминия, появившиеся в конце прошлого столетия на промышленной выставке под рекламным названием «серебро из глины», поразили воображение посетителей. Люди привыкли к большому удельному весу металлов и не хотели верить, что здесь нет никакого фокуса, что слитки не полые внутри. В будущее нового металла было еще трудно поверить, так как цена у него была почти такая же, как у золота. Когда химический способ получения алюминия заменили электролитическим, цены на алюминий стали стремительно падать. Вскоре новый металл оказался доступным для самого широкого применения, но, конечно, опять-таки не в чистом виде.

Чистый алюминий мягок и податлив в значительно большей степени, чем чистое железо. Однако, сплавляя алюминий с небольшими количествами других металлов, получили алюминиевые сплавы, жесткие, прочные, упругие, приближающиеся этими качествами к сталям, при плотности в среднем почти втрое меньшей.

Фотографическая «специальность» железа

Некоторые соединения железа светочувствительны. Фотолюбители могут попробовать получить отпечатки с негативов, если их не пугает необычный синий цвет отпечатков. Для этого готовят рабочий раствор, смешивая 10 частей 25%-ного раствора щавелевокислого железа с 7 частями концентрированного раствора аммиака и 20 частями насыщенного раствора щавелевой кислоты. При этом образуется комплексная соль железа и аммония, обладающая светочувствительностью. Отдельно готовят 25%-ный раствор

красной кровяной соли. Перед работой оба рабочих раствора смешивают равными долями и полученным раствором смачивают обыкновенную бумагу. Высушенную бумагу следует экспонировать, но выдержка должна быть значительно длительнее, чем при работе с обычными фотобумагами. Проявителем служит обычная вода. Вместо фиксирования снимок просто высушивают. Отпечатки можно получить и на ткани. Для этого к светочувствительному раствору нужно добавить желатин и полученный густой раствор наносить на ткань. Если обесцветить готовый отпечаток в растворе соды, а затем опустить его в раствор таннина, получается коричневый отпечаток, в растворе галловой кислоты - черный.

446


Рис. 10. Алюминий не выдержал экзамена на «тепловой барьер» .

В качестве нового конструкционного легкого металла соперником алюминия выступил другой металл - магний. Его плотность всего 1,7. У сплавов магния она лишь немногим выше - около 1,8, а по механическим свойствам магниевые сплавы приближаются к алюминиевым сплавам и к сталям. Конструкторы считают, что если какие-то части из алюминиевых сплавов заменить равноценными по прочности деталями из сплавов магния, то конструкция облегчится примерно на 25-30%. Но далеко не всегда такая замена возможна. Магний уступает алюминию в пластичности, а главное, он более подвержен химическому разрушению (коррозии) из-за сравнительно плохого качества его защитной пленки.

У алюминия есть достоинство, всем известное из повседневного опыта: стойкость к природным агрессорам - воздуху и воде. Между тем химики причисляют алюминий к самым химически активным металлам. Как вяжется одно с другим?

Оказывается, при первом же соприкосновении с воздухом алюминий, окисляясь, покрывается тончайшей пленкой своего очень прочного нелетучего и нерастворимого в воде и кислотах окисла Al2O3. Эта пленка преграждает доступ кислороду и другим веществам-агрессорам к поверхности металла и играет роль маски, скрывающей подлинное химическое «лицо» алюминия.

Если снять защитную пленку, например счистить ее напильником под слоем ртути, то алюминий становится неузнаваемым, или, если хотите, «самим собой». Ведь при этом алюминий, не успев «залечить раны», т. е. образовать новую пленку, лишен защиты. Дело в том, что на амальгамированной, покрытой ртутью поверхности пленка окисла не удерживается, отслаивается. Если бросить такой «очищенный» алюминий в воду, он будет энергично вытеснять из нее водород.

Пленку окиси алюминия, защищающую металл от коррозии, можно «усилить» так называемым анодированием. Если при электролизе разбавленного раствора серной кислоты в качестве анода взять алюминий, то его поверхность окисляется за счет выделяющегося при электролизе кислорода. Толщина «брони» Al2O3 при этом может составлять 0,15 мм, в то время как в обычных условиях пленка окисла на поверхности металла имеет толщину лишь 0,00001 мм.

ОТ АЛЮМИНИЯ К ТИТАНУ

Казалось, что авиация обеспечена легкими и прочными конструкционными материалами. Но авиация вступила в новый этап. Преодолев «звуковой барьер», она вырвалась на просторы сверхзвуковых скоростей и натолкнулась на новый барьер - «тепловой». При скоростях, в несколько раз превышающих скорость звука, возникает сильное трение обшивки летательного аппарата о воздух. Обшивка сильно разогревается. Точки плавления обоих «крылатых» металлов - алюминия и магния - не так уж низки, около 650°. Но прочность металлов сильно снижается при нагревании задолго до плавления металла. И алюминий с магнием не выдержали экзамена на «тепловой барьер»; запас их прочности оказался исчерпанным. И опять встал вопрос о новом металле, достаточно легком и вместе с тем способном выдержать сильный нагрев без значительного снижения прочности.

В наши дни таким металлом оказался титан. Он имеет не такую уж малую плотность- 4,5. Однако это искупается чрезвычайной прочностью металла и его сплавов, и, главное, точка плавления титана более чем на 1000° выше, чем у магния, и «тепловой барьер» для него значительно более высок.

К тому же титан не подвержен разрушительному действию даже морской воды - самой агрессивной к металлам природной среды. Пластинку из титана извлекали из морской воды после многолетнего пребывания в ней такой же блестящей, не поврежденной коррозией, какой она была при погружении. Ни сталь, ни алюминиевые сплавы не выдержали

447


бы такого испытания. Поэтому титан оказался счастливой находкой не только для авиации, но и для судостроения.

СТАРОСТЬ И МОЛОДОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Давайте поставим перед собой такой вопрос: почему алюминий - металл замечательный своими свойствами - люди по-настоящему используют лишь примерно 40 лет, титан - около 20 лет, а железо служит людям не менее восьми тысячелетий?

Может быть, алюминия на земном шаре мало? Нет. Его почти вдвое больше, чем железа. Правда, основная масса алюминия входит в состав алюмосиликатов, где относительное содержание алюминия не очень велико.

Выделить железо из руды удается сравнительно просто - обжигом руды с углем. В бокситах же, главном сырье алюминия, кислород крепче удерживает алюминий. Поэтому только электролиз при большой затрате энергии позволил освободить серебристый металл. Ясно, что лишь двадцатый век - век электричества - мог стать веком алюминия.

Нынешний соперник железа - титан в 1910 г. имелся в научных лабораториях в количестве нескольких граммов. В 1947 г. за рубежом было выплавлено 2 т этого металла. А спустя 13 лет производство поднялось до 350 тыс.т. Понятно, что новые металлы вызваны к жизни растущими требованиями техники. Но эти требования взаимны.

Чтобы титан во всю свою мощь начал работать в промышленности, необходимо было научиться выделять его из руды.

Вот как это делается сегодня. Минерал титана - рутил восстанавливают углеродом в присутствии хлора:

TiO2 + С + 2Сl2 → СO2 + ТiСl4 .

Затем действием металлического магния отнимают хлор и получают титан в виде губчатой массы:

TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2.

Теперь нужно металл переплавить. Чтобы не дать ему при этом вступить в реакцию с азотом и кислородом воздуха, процесс ведут или в вакууме, или в атмосфере инертного газа аргона.

Надо было создать аппаратуру, устойчивую к действию хлора; применить в промышленных масштабах вакуум и организовать получение больших количеств аргона. Лет тридцать назад о решении таких задач нельзя было даже мечтать.

Титан взлетел на крыльях сверхзвуковых скоростных самолетов. Но ведь ракеты мчатся еще стремительнее, непрерывно растут скорости станков, турбин, все более жестким испытаниям подвергаются материалы новой техники. И главное испытание - огнем. Начинаются новые поиски. А что, если испытать в работе соседей титана по периодической системе?

КТО СЛЕДУЮЩИЙ?

Среди металлов известно несколько особо тугоплавких (рис. 12). Самые тугоплавкие металлы сгруппированы в периодической системе довольно компактно (рис. 13). Из них хром, молибден и вольфрам сравнительно давно используются в металлургии для легирования сталей. Технология этих металлов сейчас хорошо известна. Но вот беда: молибден и вольфрам при высокой температуре окисляются. Впрочем, может быть, это не беда, а полбеды? Ведь окисел алюминия или хрома, образовавшийся на поверхности металла, служит надежной броней, защищающей металл от дальнейшего окисления.

448


Таблица к статье «Металлы»

Восхождение человечества к вершинам современной науки и техники неразрывно связано с использованием металлов. Железо, золото, медь, олово, свинец, серебро были знакомы людям с глубокой древности. Сначала медленно, ощупью, наугад люди ставили себе на службу металлы и их соединения. До начала XIX в. в обиходе людей появилось около 20 металлов и их соединений, за 100 следующих лет - до начала нашего века -число «работающих» металлов увеличилось еще на 15. XX век стал веком алюминия, сплавов, содержащих ванадий и вольфрам, молибден и кобальт, магний и цирконий, веком титана. Век атомной энергии не мог не стать веком урана, тория, плутония. Все шире используются бериллий, ниобий, тантал, цирконий, гафний, редкоземельные элементы.

Таблица к статье «Металлы»

Ценные технологические свойства, практически неисчерпаемые запасы в природе делают алюминий металлом сегодняшнего и завтрашнего дня.


К сожалению, окислы молибдена и вольфрама летучи, поэтому металлы при нагревании на воздухе буквально тают. Кроме того, вольфрам очень тяжел.

Есть много оснований считать, что наиболее перспективные металлы будущего - ниобий вместе со своим близнецом - танталом.

Оба эти металла еще более стойки к коррозии, чем титан. Правда,

и ниобий и тантал при высокой температуре окисляются. Но сплав этих двух металлов отличается повышенной устойчивостью к окислению.

Очень интересна история редких металлов-близнецов - циркония и гафния. Они всегда встречаются в природе вместе, но в течение полутораста лет никто об этом не подозревал, настолько похожи химические свойства этих металлов. Примесь гафния, как тень, всюду следовала за цирконием, вступая в те же реакции, что и «главный» металл.

Эта близость становится понятной, если учесть, что оба «близнеца» имеют одинаковую структуру внешних электронных оболочек и совершенно одинаковый радиус атомов.

Отделить цирконий от гафния очень трудно. Но ведь технологические свойства обоих металлов одинаково хороши, поэтому оба металла использовали совместно. В самом деле, имеет ли смысл разделять «близнецов», желая затем получить их карбиды, если один из этих карбидов плавится при 3550°, а другой - при 3887°?

И все-таки пришлось научиться разлучать неразлучных. Этого настоятельно потребовала еще одна новейшая отрасль техники - атомная промышленность. Цирконий оказался хорошим материалом для оболочки урановых стержней - сердца атомного реактора. Важно здесь не только то, что цирконий прекрасно сопротивляется коррозии, но и то, что он почти не поглощает нейтронов. А гафний, наоборот, жадно поглощает нейтроны. Ведь это свойство связано не со строением электронных оболочек, а со структурой атомного ядра.

А она-то у этих «близнецов» различна!

Развитие атомной энергетики заставило организовать в больших промышленных масштабах получение таких ранее почти не использовавшихся металлов, как ниобий, тантал, иттрий, бериллий.

449


ЧТО ТАКОЕ «РЕДКИЕ» МЕТАЛЛЫ

Обычное понимание слова «редкий» подсказывает нам, что, по-видимому, это металлы, которых в природе мало. Но это не так. «Редкий» металл бериллий распространен в природе больше, чем всем известная ртуть, а «редкого» молибдена лишь в полтора раза меньше, чем обычного свинца. Значит, дело не только в распространенности. Относя тот или иной металл к разряду «редких», приходится учиты-

449


Рис. 14. Редкие металлы-близнецы - цирконий и гафний - имеют одинаковую структуру внешних электронных оболочек и совершенно одинаковый радиус атомов; поэтому они так похожи друг на друга.

Рис. 15. Цирконий почти не поглощает нейтронов, а гафний, наоборот, жадно их глотает.

вать, встречается ли этот металл в значительных скоплениях минералов, легко ли его выделить из этих минералов, нужен ли он сегодняшней технике в чистом виде или в соединениях.

Ясно, что различие между «редкими» и «обычными» металлами очень условно. Вспомните, как быстро стал обычным металлом еще сравнительно недавно «редкий», алюминий, как стремительно уходит из семьи «редких» титан. На очереди бериллий, цирконий, тантал, ниобий...

Но есть ряд элементов, в отношении которых все ученые единодушно голосуют за название «редкие»: галлий, германий, таллий, индий, рений... Эти металлы почти не имеют своих минералов, не образуют собственных месторождений, а встречаются в природе лишь как незначительная примесь к рудам других металлов. Добывают их также в незначительных количествах.

Та их особенность, что они встречаются почти повсеместно, хотя и в ничтожных количествах, отражена в другом «титуле» - рассеянные элементы. Трудно прибрать к рукам рассеянные элементы, но сделать это становится настоятельной необходимостью. И прежде всего это касается германия.

ЭЛЕМЕНТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКИ

Вплоть до тридцатых годов учебники писали о предсказанном Менделеевым и открытом

Винклером германии довольно единодушно: «практического применения не имеет».

Виной тому было своеобразие промежуточного положения германия в периодической системе: от неметаллов он как будто ушел, а к металлам не пришел - не проводник и не изолятор, тверд, но хрупок. Как будто ничего интересного.

Сейчас германий - важнейший элемент полупроводниковой техники. Но трудно найти другой пример, когда на пути исследователей стояло бы столько, казалось бы, непреодолимых трудностей. В земной коре германия содержится лишь вдвое меньше, чем свинца. Однако для этого элемента слова «в земной коре» следует понимать совершенно буквально: в ничтожных количествах он содержится во всех без исключения горных породах.

В результате долгих поисков удалось найти способ получать германий в качестве побочного продукта при переработке цинковых руд или, как это ни странно, из золы и сажи углеперерабатывающих заводов. Итак, источник германия был найден, но трудности только начинались.

Давно известно, что у каждого элемента только ему присущая температура плавления, теплопроводность и другие физические свойства.

Рис. 16. Германий стал важнейшим элементом полупроводниковой техники.

Но германий никак не хотел подчиняться этому закону: электропроводность различных его образцов оказалась настолько различной, что это приводило исследователей в отчаяние.

Выяснилось, что все дело было в незначительных примесях, которые содержались в металле и коренным образом сказывались на его свойствах.

Как нельзя лучше к германию подходят меткие слова А. Е. Ферсмана: «Истинные законы - великие законы природы - обычно на-

450


чинаются за третьим десятичным знаком - в тонких мелочах строения». Добавим к этому, что за 6-7-м десятичным знаком начинаются чудеса - те чудеса, которые входят сегодня в наш быт миниатюрными приемниками и телевизорами, а в науку и технику-великолепными приборами... Но чтобы эти чудеса стали возможными, пришлось научиться очищать германий до невероятной чистоты - 99,99999999%! Для этого не годился ни один из прежде известных методов очистки. Пришлось разрабатывать принципиально новые способы. Одним из таких способов, например, стала зонная плавка (см. ст. «Полупроводники»).

Сейчас в периодической системе почти не осталось элементов, которые не находят себе применения, и круг их «профессий» с каждым днем становится все шире. «Новые» металлы занимают прочные позиции в технике.

Исследования продолжаются, и, как знать, может быть, «старые», давно известные металлы еще откроют нам свои до сих пор неизвестные

особенности, свойства. В наш век пластмассы приходят на смену металлам в таких областях, где еще вчера металлы считались незаменимыми,- в машиностроении. Но это не значит, что век металлов кончился. Металлы остаются незаменимыми всюду, где от материала требуется высокая электропроводность, высокая теплопроводность, высокая жаропрочность, соединенная с пластичностью. Пластмасс, способных длительно выдерживать температуру в сотни и тысячи градусов, мы еще не знаем. Современная наука и техника по-прежнему немыслимы без металлов. И машиностроение, и строительное дело, и транспорт, и атомные электростанции, и космические ракеты - все они нуждаются в металлах. Вот почему в наших планах развития народного хозяйства наряду с очень высокими темпами роста выпуска пластмасс предусматривается быстрое увеличение производства черных и особенно цветных металлов - алюминия, редких металлов и их жаропрочных сплавов.

РЕДКИЕ ЗЕМЛИ

В 1964 г. исполнилось 170 лет со дня одного выдающегося события. Ни один календарь, ни одна статья в научном или популярном журнале не отметили этой даты. Но в исторической летописи науки 1794 год должен занимать почетное место.

Сто семьдесят лет назад финский химик Юхан Гадолин открыл новый элемент, который был назван иттрием. С него началась удивительная история не менее удивительного семейства элементов, которое раньше называли редкими землями, а теперь именуют редкоземельными элементами, или лантаноидами. Сам иттрий в это семейство не включают, однако по своим свойствам он близок редкоземельным элементам и в природе встречается вместе с ними.

Химики прошлого называли «землями» окислы некоторых элементов - кальция, магния, бария. Окислы тех элементов, о которых пойдет речь, обладали многими свойствами «земель». И, кроме того, их редко находили в природе. Отсюда и название «редкие земли».

В XIX в. редкие земли принесли ученым столько огорчений и разочарований, сколько

не дали все остальные элементы, вместе взятые. Хорошо сказал об истории редких земель французский химик Жорж Урбэн: «Это было море ошибок, и истина в нем тонула...»

«Гроссмейстер химии» прошлого века швед Йенс Берцелиус в 1803 г. открыл вторую редкую землю - цериевую. Иттрий и церий встречались в одних и тех же минералах и были очень похожи друг на друга. Этот факт оказался своеобразным намеком на грядущие трудности, которые ждали исследователей редких земель. На деле иттрий и церий оказались смесями элементов.

В 1839 г. ученик Берцелиуса Карл Мосандер выделил из церия две новых «земли» - лантан и дидим. Через три года он нашел, что иттрий тоже смесь элементов. Тербий и эрбий пополнили список редких земель. В нем значилось теперь шесть представителей. И все они напоминали друг друга, словно братья-близнецы. Такого не было среди других известных элементов. Так родилась проблема редких земель - самая запутанная проблема неорганической химии.

Ученые по-разному пытались отличить их друг от друга. Но это оказалось очень трудно.

451


Ведь все они давали одинаковые химические реакции. Их пытались различать по окраске, но цвет их часто менялся в зависимости от способа получения и чистоты «земель». Пытались распознать иттрий по сладковатому вкусу его солей, но этот метод даже тогда вызывал у ученых усмешку.

Наступает 1860 г., и немецкие ученые Кирхгоф и Бунзен дают в руки исследователей чудесный способ анализа - спектральный анализ. Каждый элемент имеет свой характерный спектр, и с помощью этой «визитной карточки» любой элемент можно отличить на фоне других. Каждая редкая земля получила теперь свой опознавательный знак, и химики, которые изучали редкие земли, почувствовали, наконец, облегчение.

Но спектральный анализ оказался для науки о редкоземельных элементах чем-то вроде мифического троянского коня. В нем таилась опасность, о которой пока еще ученые и не подозревали.

Дмитрий Иванович Менделеев сразу почувствовал угрозу для своей периодической системы со стороны редких земель. Пока их было всего шесть. Слишком мало по сравнению с тем, сколько мы знаем их теперь. Слишком много для того, чтобы удачно разместить их в таблице Менделеева. Все они были трехвалентны, все стремились в третью группу системы, но она могла предоставить редким землям всего одно место. Менделеев думал, что пока они плохо изучены. И когда ученые лучше с ними познакомятся, каждая редкая земля получит свое отдельное место в таблице. А спустя тридцать пять лет автор периодического закона с огорчением писал, что в отношении редких земель его личное мнение ни на чем определенном не остановилось.

И не мудрено. Ибо с середины 70-х годов в области редких земель возникает то «море ошибок», о котором говорил Урбэн. Спектральный анализ оказался слишком капризным методом. Часто он обнаруживал истину там, где ее не было, новые элементы, даже когда их на деле не существовало. И все потому, что малейшие примеси других веществ искажали картину спектров. И, как в кривом зеркале, ученые видели не то, что было в действительности. Обратная сторона медали приносила беды исследованию редких земель.

За каких-то тридцать лет сто раз провозглашалось открытие новых редкоземельных элементов. И только восемь раз эти открытия не были ошибочными. Как снежный ком, росло

число редких земель. Сколько их - десять, пятнадцать, двадцать - или им вообще нет числа? И все они похожи друг на друга. Если редкие земли в самом деле элементы, то как располагать их в таблице Менделеева? А может быть, эта таблица и неправильна. Лжеэлементы со звучными названиями - викторий и дагмарий, деципий и космий и многие другие - были словно пороховыми зарядами, грозившими подорвать стройное здание периодической системы.

И потребовался поистине титанический труд химиков, чтобы выловить истину из «моря ошибок». В начале XX в. химики установили, что в действительности существуют уже по крайней мере пятнадцать редких земель.

Это были наши старые знакомые лантан и церий, тербий и эрбий. Дидим оказался смесью элементов. В 1879 г. француз Лекок де Буабодран извлек из этой смеси первую «составляющую» - самарий, а через шесть лет австриец Ауэр фон Вельсбах разделил остаток на два новых элемента - неодим и празеодим. А от эрбия и тербия ученым удалось отделить неизвестные раньше элементы: от первого - гольмий, тулий и иттербий; от второго - диспрозий и лютеций. И в честь Гадолина одна из действительно открытых редких земель была названа гадолинием. Редкоземельным оказался также и европий.

Один представитель этого семейства - прометий - пока не обнаружен в земной коре. Ученые получают его искусственно, путем ядерного синтеза (см. ст. «Рождение, жизнь и смерть химических элементов»).

Почему все редкоземельные элементы так похожи друг на друга? Ответ дали физики. Они показали, что две наружные электронные оболочки у атомов редкоземельных элементов устроены одинаково. А ведь химические свойства элементов как раз зависят от строения внешних электронных оболочек. Если оболочки одинаковы, то и химические свойства очень близки.

Своеобразие свойств редкоземельных элементов нашло отражение в периодической системе. Все пятнадцать элементов-близнецов (лантан и 14 лантаноидов - от церия до лютеция) помещают теперь в третью группу таблицы Менделеева, в клетку лантана (см. ст. «Великий закон»).

Когда редкоземельными элементами занялись геохимики, то обнаружилась любопытная вещь. Редкие земли оказались отнюдь не такими уже редкими, как это представлялось многим поколениям ученых. Судите сами: запасы ред-

452


коземельных элементов в земной коре в два раза превышают запасы олова, в 10 - свинца, в 320 - сурьмы, в 1600 - серебра, в 2500 раз - ртути и в 3200 раз - запасы золота. Словом, редкоземельного сырья в недрах нашей планеты достаточно много.

А как же они используются на практике?

Долгое время редкоземельные элементы, составляющие 20% всех известных на Земле металлов, оставались не у дел. Требования новой техники положили конец этому неоправданному забвению. Ныне трудно назвать область человеческой деятельности, где бы не участвовали редкоземельные элементы. Каждый год во многих странах устраиваются съезды и конференции, специально посвященные им. О них ежегодно выпускаются сотни научных статей и книг.

Редкоземельные металлы отличает высокая химическая активность. С другой стороны, они закипают при высоких температурах. Эти две особенности делают их всегда ценными добавками, входящими в различные стали и чугуны. Они легко входят в состав сплавов и удаляют из сталей вреднейшие примеси - серу, азот, кислород, фосфор. Тем самым значительно улучшаются качества сталей. Всего лишь десятые доли процента так называемого мишметалла (смешанного редкоземельного металла, состоящего в основном из церия) придают стали дополнительную жаропрочность, значительно облегчают ее обработку и делают ее гораздо более стойкой против коррозии.

Экономисты весьма удовлетворены тем эффектом, который произвело внедрение редкоземельных элементов в выплавку стали. Ученые недаром считают вмешательство редкоземельных металлов самым выдающимся успехом в сталеварении за последние 50 лет.

Содружество редкоземельных элементов с магнием сделало ценнейшие прочные магниевые сплавы еще более ценными. Резко подскочил температурный потолок службы сплавов на основе магния. Теперь эти сплавы, «усиленные» редкоземельными металлами, применяются для отливки деталей сверхзвуковых реактивных самолетов, управляемых снарядов и оболочек искусственных спутников Земли.

Широко применяют редкоземельные элементы в силикатной промышленности. Они сообщают стеклам самую разнообразную окраску. Они же придают стеклам высокую прозрачность, не позволяя им желтеть и мутнеть под действием ультрафиолетовых лучей солнца, рентгеновского или гамма-излучения, а на такие стекла современная техника предъявляет огромный спрос. Редкоземельные элементы используются при варке специальных оптических стекол, для астрономических и спектроскопических приборов. Сверхпрочные стекла, светочувствительные стекла, стекла с высокой электропроводностью, с большим показателем преломления - вот ассортимент изделий, которые не обходятся без редкоземельных добавок. А смесь редкоземельных окислов оказывается наилучшим абразивом (полирующим порошком) в весьма ответственном процессе полировки стекол. Уже появился термин: редкоземельная керамика. Она очень нужна при изготовлении специальной радиотехнической аппаратуры.

...Работает ядерный реактор, и безаварийность его работы обеспечивают редкоземельные элементы. Их роль заключается в следующем. От управляемой ядерной реакции до ядерного взрыва, образно говоря, один шаг. Как только количество свободных нейтронов превысит критическое значение, наступает мгновенное расщепление всего ядерного горючего. Нужны «тормоза» - специальные регулирующие стержни. Их задача - поглощать избыток свободных нейтронов. Редкоземельные элементы европий и гадолиний - великолепные поглотители. Их ядра поглощают нейтроны с жадностью, не свойственной другим элементам.

Редкоземельные элементы входят в состав керамических и огнеупорных материалов, применяемых в ядерных реакторах. Соли этих элементов участвуют в сложном технологическом процессе отделения плутония, накапливающегося при работе реактора, от оставшегося урана.

Радиоизотопы редкоземельных элементов, такие, как прометий-147, тулий-170, церий-144 и европий-150, занимают видное место среди применяемых на практике радиоактивных изотопов.

Редкоземельные элементы и их соединения - превосходные катализаторы. Эти элементы используются в радиотехнике и электронике, в медицине и пищевой промышленности, в текстильном и лакокрасочном деле... Практической деятельности редкоземельных элементов посвящаются ныне специальные большие книги.

453



ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ВОКРУГ НАС

СКОЛЬКО ИХ?

Органических веществ в настоящее время известно около двух миллионов, и число это непрерывно растет. Каждый год синтезируют или открывают в природе свыше 90 тысяч новых органических соединений.

Десятки тысяч химиков органиков-синтетиков в тысячах лабораторий мира - в университетах, учебных институтах, колледжах, в высших технических школах, в научно-исследовательских институтах, в многочисленных химических лабораториях фабрик и заводов, в центральных лабораториях промышленных фирм - заняты изысканием новых органических веществ. Результаты этих работ публикуются в научных журналах, патентах и авторских свидетельствах на изобретения.

С каждым годом растет поток информации о новых органических веществах.

Огромный поток сведений о новых органических веществах ежегодно систематизируется в реферативных журналах, сводится в картотеки, в формульные и предметные указатели, заполняет справочники.

Известный справочник по органической химии, основатель которого русский академик Федор Федорович Бейльштейн, был издан в 1882 г. в двух больших томах. В нем содержались сведения обо всех известных тогда органических веществах. В наши дни немецкое химическое общество продолжает выпуск 4-го издания этого справочника. Выпущено уже более ста таких томов, а литература по органическим веществам охвачена только до 1949 г., и издание еще не закончено. Теперь уже ясно, что количество сведений о новых органических веществах возрастает так стремительно, что охватить их справочной литературой скоро станет невозможно. Химики-органики первые в науке предложили привлечь электронные вычислительные машины для «запоминания» справочных данных. Сейчас идут интенсивные исследования по конструированию и использованию электронных запоминающих машин.

Насколько это важно, видно из того, что уже сегодня годовой комплект реферативного журнала «Химия» занимает полку длиной в метр. Через десять лет это будет два метра, через двадцать - четыре, а через пятьдесят лет такой комплект займет 32 метра полок. Пользоваться такими справочниками станет невозможно. Среди информации по химии значительное место занимают сведения о новых органических веществах.

Новые органические вещества родятся в научных лабораториях; главная масса их так и не выходит из лабораторий. Однако многие вещества - тысячи и десятки тысяч - передаются на фабрики и заводы, где их изготовляют в очень больших количествах. Одни вещества,

как например органическое азотное удобрение карбамид, производятся на заводах в миллионах тонн, другие изготовляются совсем в да-

454


больших количествах - десятки или сотни килограммов в год. Но все они нужны, и органические вещества можно встретить всюду: на заводах и в колхозах, в больницах и на стадионах, в жилых домах и в палатках полярников, в библиотеках и в обсерваториях...

ПОЧЕМУ ИХ ТАК МНОГО?

Органические вещества - это разнообразные соединения углерода с другими элементами, и прежде всего с водородом, кислородом, азотом, фосфором. Многообразие органических веществ - следствие особых свойств углерода, что и выделяет его среди всех других элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Углерод находится в четвертой группе периодической системы; во внешней электронной оболочке атома углерода четыре электрона, поэтому углерод четырехвалентен и легко образует прочные химические соединения как с элементами, легко отдающими свои валентные электроны (водород), так и с элементами, легко принимающими электроны в свою внешнюю валентную сферу (кислород или хлор).

Но одно это свойство не могло бы обеспечить все многообразие органических веществ, если бы не способность углерода соединяться... с самим собой и создавать таким образом цепи атомов. Эти цепи могут быть короткими - из двух, трех, четырех атомов, но могут быть и очень длинными - 100 000 атомов и больше. Например, молекулы некоторых видов полиэтилена содержат в среднем в цепи около 150 000 атомов углерода. Вещества с очень длинными цепями атомов называются полимерами (см. ст. «Полимеры»).

Цепи атомов углерода могут быть линейными (нормальными), в которых все атомы, соединенные в цепочку, расположены подряд, но могут быть и разветвленными; они могут образовывать кольца, сетки, разнообразные пространственные фигуры. Цепи могут составляться не только из атомов углерода, но в них могут включаться в разных местах атомы других элементов - кислорода, азота, серы. Разнообразие цепей, которое можно составить из атомов углерода и других элементов, поистине безгранично.

Однако это еще не все! Мы говорили только о цепях из атомов углерода, пусть с включением атомов других элементов. Но ведь при образовании цепи атом углерода использует только две свои валентности, а их у него четыре (лишь

455


в местах разветвления цепей углерод использует три или даже все четыре валентности). В линейной цепи у каждого атома углерода остаются еще две валентности, а у атомов, расположенных с краю цепи, даже три валентности, которые могут быть использованы для соединения с атомами других элементов, прежде всего с атомами водорода. Тогда получаются разнообразные углеводороды:

Вместо атомов водорода в различных местах цепей могут быть также атомы кислорода, азота, серы... Получаются разнообразные кислородные, азотистые, сернистые производные углеводородов. Таким образом, великое разнообразие цепей углеводородов, т. е. цепей из атомов углерода, обрамленных атомами водорода, еще умножается на великое разнообразие производных, которые различаются характером атомов, замещающих водород, и их расположением в цепи.

И это еще не все причины разнообразия органических веществ! Атомы углерода могут соединяться друг с другом не одной, а двумя или тремя валентностями. Тогда между ними возникают двойные и тройные связи.

Эти кратные связи могут быть расположены в различных местах цепей или колец. В некоторых случаях при этом образуются особенно прочные группы атомов, как например в бензоле, где шесть атомов углерода связаны 18 валентностями, образуя шесть так называемых ароматических связей (название «ароматический» сложилось исторически, так как некоторые представители этого класса соединений обладают приятным ароматом). Остальные шесть валентностей атомов углерода соединены с водородом. Часто (но неточно) бензол изображают с тремя простыми и тремя двойными связями между атомами углерода.

Наконец, разнообразие органических веществ увеличивается еще и оттого, что они могут различаться пространственным расположением атомов, как например двукольчатые углеводороды, так называемые цис- декалин и транс- декалин. Два шестичленных кольца в этих веществах соединены друг с другом по-разному, и пространственно эти молекулы сильно отличаются одна от другой.

Количество органических веществ безгранично. Одних только разных углеводородов состава С20 Н42 может быть 366319, и ясно, что те два миллиона органических соединений, которые нам известны сегодня,- это ничтожная

456


часть возможных, даже простых, органических соединений.

Вот мы ответили на вопрос, почему известно так много органических веществ. Ответ получился неожиданный. Известных нам органических веществ совсем немного, а возможное число их бесконечно. И надолго еще хватит работы химикам-органикам всего мира по созданию новых органических веществ.

Для чего же нужны органические вещества? Какую роль они играют в природе и зачем человечество неустанно умножает число известных органических веществ?

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Органические вещества лежат в основе всей живой природы. Растения и животные, микроорганизмы и вирусы - все живые существа состоят из огромного количества различных органических веществ и сравнительно небольшого числа неорганических. Именно соединения углерода, благодаря их великому разнообразию и способности к многочисленным химическим превращениям, явились той основой, на которой возникла жизнь во всех ее проявлениях. Для этого потребовались очень сложные органические вещества, молекулы которых содержат цепи из многих тысяч атомов, т. е. полимеры. Такие полимеры называют биополимерами.

Прежде всего это белки - носители жизни, основа живой клетки. Сложные органические полимеры - белки состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Их молекулы образованы соединением очень большого числа простых молекул - так называемых аминокислот. Аминокислот около двадцати, но соединяются они друг с другом в различном сочетании, строго характерном и постоянном для каждого белка, каждого органа, каждой ткани, каждого вида живых существ. А так как длина белковых молекул может быть очень велика - до нескольких десятков тысяч отдельных аминокислот в цепи, то становится ясно, каким образом именно белки обеспечивают разнообразие проявлений жизни.

Существует очень много разных белков.

Цис-декалин и транс-декалин (справа).

Есть белки опорные, назначение которых формировать скелет, покровы и другие опоры организма. Такие белки входят в состав костей, образуют хрящи, кожу, волосы, рога, копыта, перья, чешую рыб. Есть опорные белки, образующие мышцы и несущие не только опорные, но и сократительные функции. Сокращение мышц (важнейшая роль белков этого типа) - это превращение части химической энергии таких белков в механическую работу. Есть белки крови с самыми разнообразными функциями. Гемоглобин крови, например, служит разносчиком кислорода по организму. Очень большая

Пришлось бы затратить много лет жизни тому, кто захотел бы написать теоретически возможные формулы всех изомеров одного лишь сравнительно простого углеводорода - С20 Н42 .

457


Белки сокращают мышцы, превращают химическую энергию в механическую. Справа белок крови - гемоглобин - разносит кислород по всему организму человека.

группа белков регулирует химические реакции в организмах. Это ферменты (биологические катализаторы). Их известно более семисот. Высокоразвитые организмы умеют вырабатывать еще и защитные белки, так называемые антитела, которые способны осаждать и тем обезвреживать проникшие извне в организм посторонние вещества и тела.

Наряду с белками важнейшую роль в жизни играют нуклеиновые кислоты. Эти вещества строят белки. В живом организме всегда происходит обмен веществ. Постоянно обновляется состав почти всех его клеток. Обновляются и белки клеток. Но ведь для каждого органа, для каждой ткани нужно изготовить свой специфический белок, со своим неповторимым порядком аминокислот в цепи. Хранители этого порядка - нуклеиновые кислоты. Это тоже полимерные молекулы, сложно построенные, часто в виде двойной спирали из атомов. Нуклеиновые кислоты являются своего рода шаблонами, по которым организмы строят свои белки. Часто образно говорят, что в них записан код синтеза белка. Для каждого белка - свой код, свой шаблон. У нуклеиновых кислот есть еще одна функция. Они шаблоны и для самих нуклеиновых кислот. Это своего рода «запоминающее устройство», при помощи которого каждый вид живых существ передает из поколения в поколение коды построения своих белков.

В нашем организме вырабатываются защитные белки - антитела. Они охраняют здоровье человека.

Опорные функции в живой природе выполняют не только белки. В растениях, например, опорные, скелетные вещества - целлюлоза и лигнин. Это тоже полимерные вещества, но совсем другого типа. Длинные цепи атомов целлюлозы построены из молекул глюкозы, относящейся к группе сахаров. Поэтому целлюлозу относят к полисахаридам. Строение лигнина до сих пор окончательно не установлено. Это тоже полимер, по-видимому, с сетчатыми молекулами. А у насекомых опорные функции выполняет хитин- тоже полисахарид.

Есть большая группа веществ (жиры, сахара или углеводы), которые переносят и запасают химическую энергию. Они являются запасным строительным материалом, необходимым для образования новых клеток (см. ст. «Химия пищи»). Множество органических веществ в живых организмах играет роль регуляторов жизнедеятельности (витамины, гормоны). Одни регулируют рост и деление клеток, другие - дыхание или пищеварение, третьи - деятельность нервной системы и т. п. В живых организмах содержатся еще многочисленные вещества самых разнообразных назначений: красящие, которым мир цветов обязан своей красотой, пахучие - привлекающие или отпугивающие, защищающие от внешних врагов, и много других. Растения и животные, даже каждая отдельная клетка, представляют собой очень сложные лаборатории, в которых возникают, превращаются и разлагаются тысячи органических веществ. Многочисленные и разнообразные химические реакции протекают в этих лабораториях в строго определенной последовательности. Создаются, растут и отмирают сложнейшие структуры...

Мир органических веществ окружает нас, мы сами состоим из них, и вся живая природа, с которой мы ежесекундно сталкиваемся, среди которой мы живем и которую мы постоянно используем, состоит из органических веществ.

ЧЕЛОВЕК И ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Органические вещества известны человеку с глубокой древности. Прежде всего это природные органические материалы растительного

458


или животного происхождения, из которых человек делал свои орудия и другие предметы. Из кожи изготовлялись обувь и одежда, шерсть домашних животных или растительные волокна шли на изготовление тканей, древесина служила топливом и одновременно материалом для изготовления орудий и постройки жилищ. Наконец, пища - ведь она вся растительного или животного происхождения и состоит главным образом из органических веществ. Первобытный человек использовал естественные органические материалы в том виде, в каком находил их в природе, придавая им лишь нужные размеры и форму и соединяя отдельные части.

Природные органические материалы обычно представляют собой сложные смеси разных веществ и лишь в редких случаях более или менее отдельные чистые вещества. Например, волокно хлопка состоит почти из чистой целлюлозы. Однако уже сравнительно давно человек научился выделять из природных материалов отдельные полезные ему вещества и превращать одни вещества в другие. Таков был уксус древних - водный раствор уксусной кислоты (приправа к пище), винный спирт (по-латыни «спиритус вини» - дух вина). Брожение сахаристых соков с образованием спирта было известно всем древним народам: древние греки и все народы Малой Азии знали виноградное вино, египтяне и древние германцы - пиво, а древние славяне - мед (напиток из меда). В Азии и Африке издревле было известно крашение тканей и кожи природными органическими красителями. С незапамятных времен применяли настойки и экстракты для врачевания.

Знания веществ и их превращений постепенно расширялись и углублялись, и к XVIII в. они слились в науку химию. Мы считаем началом научной химии XVIII в., потому что только в это время великие химики - М. В. Ломоносов в России и А. Лавуазье во Франции - поставили химию на строгие количественные основы. В химических лабораториях стали применять точное взвешивание веществ. Однако и в тот период человечеству еще не был известен органический синтез, т. е. искусственное получение определенных органических веществ из простейших исходных соединений, хотя люди уже умели перерабатывать одни вещества в другие.

В 1856 г. английский химик Перкин получил первый синтетический органический краситель - мовеин. Эта пурпурная краска образовалась при окислении неочищенного анилина. Он сразу оценил практическое значение

Древний человек использовал органические вещества в том виде, в каком находил их в природе.

своего открытия. Ведь анилин можно было получить из бензола по способу, открытому незадолго до этого русским химиком Н. Н. Зининым, - восстановлением нитробензола. А бензол уже тогда умели получать из каменноугольного дегтя - отброса производства светильного газа из угля. Начиная с 1814 г. этот способ освещения городов светильным газом быстро распространился из Англии на континент и... столь же быстро стали расти груды неиспользованного отхода - дегтя, который в лучшем случае применялся для обмазки стен или как плохое топливо. Перкин запатентовал свое открытие и уже в следующем году стал производить мовеин фабричным путем.

В то время химики знали много хороших красителей для тканей: индиго, ализарин, кошениль, различные сорта сандалов. Однако все это были дорогие вещества. Прекрасный алый краситель - кошениль добывалась в Мексике; она представляет собой высушенные и измельченные тела насекомых - червецов, живущих на некоторых видах кактусов. Ради синего индиго во многих странах разводили плантации вайды - растения, из которого получали индикан, образующий при специальной обработке индоксил, легко окисляющийся на воздухе в индиго.

Синтетические красители оказались несравненно более дешевыми. Так, синтетическое индиго быстро вытеснило природное, и вайда как сельскохозяйственная культура исчезла с полей

На смену природным красителям пришли более дешевые- синтетические.

459


Европы. Синтетический ализарин вытеснил природный ализарин, который добывали из корней марены, и культура марены, как и вайды, прекратила свое существование. Впервые человек заменил природные органические вещества синтетическими, получаемыми химической переработкой из каменноугольной смолы, т. е. в конечном счете из каменного угля.

Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что потребность производства красящих веществ для текстильной промышленности в течение многих десятилетий стимулировала и направляла развитие органического синтеза.

СОЗДАНИЕ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Синтез мовеина был случайным. Перкин на самом деле собирался получить бесцветное вещество хинин - лекарство против малярии, а получил краску. Теперь мы знаем, что хинин он таким образом и не мог получить, но в те времена этого знать было нельзя. Химики не имели тогда еще и представления о строении молекул органических веществ.

Середина XIX в. - очень интересный период в развитии химии. Ученые достигли высокой техники лабораторных работ. Открытия новых веществ сыпались как из рога изобилия. И все же для развития органического синтеза не хватало теории. Было сделано много опытов, стали известны уже многие органические вещества и их превращения, но не было теории, которая могла бы объяснить все эти превращения, могла бы предсказывать новые еще неизвестные вещества, могла бы направлять работу по синтезу. По образному выражению Вёлера, органическая химия в этот период представлялась ему дремучим лесом, изобилующим чудесными вещами, огромную чащу без выхода, без конца. Лишь пользуясь теорией, можно было найти дорогу в этом лесу.

Такая теория возникла во второй половине XIX в. В 1861 г. казанский профессор органической химии Александр Михайлович Бутлеров впервые высказал и позже доказал опытным путем основной принцип теории химического строения: свойства веществ зависят не только от их состава, но и от химического строения, т. е. от последовательности и характера связей атомов в молекуле. Изучая химические свойства веществ, можно на основании реакций установить химическое строение их молекул. Сейчас все это выглядит очень просто. Однако в то время эта теория была революционной, так как позволяла не только изучать превращения веществ, но через превращения познать их внутреннюю структуру и предсказать новые, еще не изученные свойства.

В создании теории химического строения выдающуюся роль сыграли еще два химика - немецкий химик Август Кекуле и молодой англичанин Арчибальд Купер. Кекуле в 1858 г. открыл четырехвалентность углерода и способность этого элемента образовывать цепи атомов. Купер разработал способ изображения строения молекул органических веществ при помощи структурных формул (1858).

Новая теория стала быстро развиваться. Эрленмейер (1864) открыл двойные связи между атомами углерода, Вант-Гофф и Ле Бель (1874) ввели представление о пространственном расположении атомов. В. В. Марковников (1869) разработал учение о взаимном влиянии атомов в молекуле. В первой половине XX в. теория химического строения обогатилась учением о валентных электронах и об электронной природе связей между атомами. Теория строения органических веществ стала электронной теорией. Новая квантовая физика внесла в нее методы математического расчета строения молекул. Вот уже более ста лет теория химического строения является путеводной звездой для исследований в области органической химии; она дала столь могущественный и длительный толчок исследованиям, какой лишь редко исходил из какой-либо другой естественнонаучной теории.

Итак, теория была найдена. С этого времени начался быстрый, все возрастающий рост органического синтеза. Химики почувствовали в своих руках изумительное по своей остроте и надежности средство предвидения. Всякое вещество получало формулу строения. Формула предсказывала существование неизвестного вещества, и это вещество удавалось синтезировать. Формула предсказывала химические свойства вещества, его химические реакции, и эти реакции удавалось осуществить в лаборатории. Синтезировались тысячи, десятки и сотни тысяч новых веществ, и все они укладывались в систему теории. Это был триумф теории химического строения. Конечно, находились вещества или их химические реакции, которые не укладывались в уже известные рамки теории. Что ж, эти факты только служили ее дальнейшему развитию. Теория обогащалась, развивалась, совершенствовалась...

460


А поток новых веществ все увеличивался... Новые красители, лекарственные препараты, душистые вещества, растворители, дубильные вещества и многие другие... Во все области производства проникали все новые органические вещества. Из рук ученых они попадали в руки инженеров-химиков. Вещество, которое с радостным волнением первооткрывателя еще недавно держал в пробирке ученый, становилось предметом промышленного производства; граммы сменялись килограммами, тоннами, сотнями, тысячами тонн.

КРАСКИ ВСЕХ ЦВЕТОВ И ОТТЕНКОВ

Долгое время красочная промышленность держала первенство в развитии промышленного органического синтеза, а химия красящих веществ ежегодно давала наибольшее число новых органических соединений. Коксохимия - переработка каменноугольной смолы - явилась замечательным источником полупродуктов для производства красок. Из этой смолы было выделено более 150 различных органических веществ, многие оказались прекрасным сырьем для изготовления красок.

Краски для хлопка, краски для шерсти, краски для шелка, краски всех цветов и оттенков, все более яркие, все более прочные! Люди хотят одеваться дешево, красиво - повышаются требования к цвету, его чистоте, оттенку, к тому, чтобы окрашенные ткани не линяли при стирке, не выцветали на солнце. В ответ на эти требования появлялись все новые и новые красители; дешевые вытесняли дорогие, лучшие вытесняли хорошие.

Получили распространение самые разнообразные способы крашения тканей: субстантивное, когда ткань, проходя через красильную барку, сама «выбирает» краситель из раствора; протравное, когда ткань сначала пропитывается «протравой», содержащей соли тяжелых металлов - хрома, алюминия, олова и других, потом ее красят в барке и затем уже подвергают «запарке» при повышенной температуре; при этом соль металла образует с красителем яркий, прочный, несмываемый лак; при так называемом ледяном крашении ткань пропитывается при низкой температуре последовательно двумя бесцветными растворами, содержащими вещества, которые уже на ткани вступают в химическую реакцию образования красителя. Очень прочные окраски дает к у б о-

Краски для хлипка, шерсти и шелка всех цветов и оттенков!

вое крашение. Нерастворимый в воде краситель сначала переводится в бесцветное, но растворимое в воде вещество; этим раствором «красят» ткань, и из красильной барки она выходит бесцветной, но при «запарке» происходит окисление кислородом воздуха, и снова из бесцветного вещества образуется краситель, прочно отложившийся на волокне.

А сколько изобретательности было проявлено для печатания рисунков на ткани. Есть, например, черная ткань с ярким цветным рисунком. Это так называемые «вытравки» по черному анилину. Ткань красят анилином (бесцветным веществом) в смеси с окислителем, который потом при запарке превратит анилин в черную краску «черный анилин». Потом по этой ткани печатают цветной рисунок на ситцепечатных машинах, а в краски добавляют специальные вещества (восстановители), которые предотвращают превращение анилина в черный анилин там, где напечатан цветной рисунок. Получается при запарке черная ткань с ярким цветным рисунком. Существует много еще разных приемов крашения и печатания. Искусство крашения тканей и печатания на них рисунка требует специальных знаний, и специалисты этого дела - колористы - совмещают в своем труде знания химика, опыт инженера и чутье художника.

Органические красители нужны также для окрашивания кожи, меха, для изготовления цветных чернил, для книгопечатания, живописи, цветного кино и для многих других целей. Во всех случаях к красителям предъявляются разные требования, и химики должны были искать и находили вещества, удовлетворяющие этим требованиям.

Еще недавно казалось, что химики-красочники в союзе с колористами решили все основные задачи. Но в последнее десятилетие появилось много новых синтетических волокон для

461


текстильных тканей: капрон, лавсан, нитрон и др. Оказалось, что старые красители непригодны для окрашивания новых тканей. И снова исследования, новые синтезы, новые органические вещества...

ОРГАНИЧЕСКИЕ КРАСИТЕЛИ ДЛЯ ФОТОГРАФИИ И КИНО

Как известно, ранее выпускавшиеся фотографические пластинки и пленки были нечувствительны к красному цвету. Поэтому их проявляли при свете красного фонаря. Светочувствительность была различной к разным участкам спектра: очень высокая к фиолетовым и синим лучам, она понижалась к красному концу спектра. Поэтому фотоснимок неточно передавал тона изображения. Общая светочувствительность этих пластинок и пленок была невелика; при фотографировании применялись большие выдержки, что очень сокращало возможности моментальной фотографии. Перед химиками встал вопрос, как повысить чувствительность фотопленок и сделать ее более равномерной по отношению к различным цветам. Эта задача была решена. Были найдены новые красители - так называемые сенсибилизаторы, повышающие чувствительность фотографического слоя к свету. Появились ортохроматические пластинки, дополнительно очувствленные к желто-оранжевой части спектра, панхроматические - чувствительные ко всем цветам видимого света. Эти пленки подлежат обработке в полной темноте, что, конечно, неудобно, особенно для целей художественной фотографии.

Цветная фотография - вот способ запечатлеть разнообразные цветовые оттенки природы.

Однако и это неудобство было преодолено. Были найдены специальные красители - десенсибилизаторы.

Если перед проявлением экспонированную пленку обработать в темноте раствором десенсибилизатора, то потом ее можно проявлять... на свету. Пленка почти полностью потеряла свою светочувствительность.

Были найдены также специальные инфракрасные сенсибилизаторы, и фотографирование стало возможным через дымку и даже ночью. Новые инфрахроматические фотопленки оказались очень ценными для астрономической съемки.

Интересно решили химики задачу цветного фотографирования. Она была очень трудна и потребовала десятилетий упорного исследовательского труда.

Пленка для цветного фотографирования содержит обычно три цветочувствительных слоя. В каждом слое находится, как обычно, светочувствительное бромистое серебро. В одном слое к нему добавлен сенсибилизатор, делающий его чувствительным только к красным лучам, в другом - к зеленым, в третьем - к голубым. В каждый слой, кроме того, введены так называемые цветные компоненты - пока бесцветные вещества. После фотографирования такая пленка проявляется специальным проявителем. В первом слое проявляются только те места пленки, куда упал красный свет, так как к другим лучам этот слой нечувствителен. Бромистое серебро в этом месте восстанавливается и превращается в черное металлическое серебро, а то, что образовалось из проявителя в процессе проявления, вступает в реакцию с цветной компонентой и образует красную краску. Таким же образом во втором слое образуется зеленая краска в тех местах, куда упали зеленые лучи, а в третьем слое - синяя. Теперь остается удалить из изображения металлическое серебро и остаток бромистого серебра (эта операция похожа на обычное «закрепление»), и цветное изображение готово. Такой процесс называется процессом с «обращением», а пленка - «обратимой», так как на ней сразу появляются натуральные цвета. Другой процесс - «негативный» - сложнее, но основан на тех же простых принципах.

Кажется, просто? А ведь потребовалось испытать тысячи красителей, сотни сенсибилизаторов, десятки проявителей, чтобы все это подобрать. Когда вы смотрите в кино красивый цветной фильм, вспомните об энтузиастах-иска-

462


телях, трудолюбивых и изобретательных химиках, создавших цветную кинопленку и цветное проявление.

ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА

Применение органических веществ для врачевания началось еще на ранних ступенях развития человека. Уже в древнем Египте были известны многие лекарственные растения: клещевина, горчица, морской лук и др. Древние греки и римляне не только хорошо знали лечебное действие многих растений, но и умели готовить из них экстракты, настойки, пилюли и прочие лекарственные средства. Многие лекарственные средства растительного происхождения стали известны европейцам после великих географических открытий XVI - XVII вв. Из Америки, например, была привезена кора хинного дерева, ипекакуана, гидрастис. Издревле народы Средней Азии знали много лекарственных растений. Знания их были собраны в «Медицинском каноне» знаменитого таджикского ученого X - XI вв. Ибн-Сина, или Авиценны.

С развитием научной химии все в большем количестве вместо целых растений или растительных экстрактов стали применять лекарственные вещества, выделенные из растений в более или менее чистом виде. Позже началось применение синтетических лекарственных веществ. Это произошло одновременно с развитием химии красящих веществ. Основатель химиотерапии - науки о лечении инфекционных заболеваний химическими средствами - П. Эрлих исходил из опыта окрашивания микробов под микроскопом. Он считал, что с микробами можно бороться ядовитыми для них красками. Действительно, метиленовый синий краситель оказался пригодным для лечения малярии. Особого успеха ученый добился в использовании красителей, содержащих в молекуле мышьяк. Потом оказалось, что лекарства могут быть найдены и среди бесцветных веществ. Чтобы найти нужное органическое вещество, Эрлих испытывал большое количество веществ, каждое из которых отличалось от предыдущего лишь небольшим изменением в строении молекулы. Если изменение в строении ухудшало лечебное действие, Эрлих от него отказывался; если улучшало, он сохранял это изменение в следующих веществах и т. д. На этом пути нужен был синтез очень большого количества веществ и их последовательные испытания, что отнимало много времени и сил, однако в конце концов приводило к

Синтезированы тысячи лекарственных препаратов.

цели. Это эмпирический метод. Он сохранил свое значение и в наши дни.

Однако более рационален другой путь, который основывается на глубоком изучении способа действия лекарственного вещества. Нужно знать, как оно распределяется в организме, на какие органы действует, в какие химические реакции вступает. Средства против инфекционных болезней должны быть ядовиты для микробов - возбудителей болезни, но неопасны для человека; средства против неинфекционных болезней должны действовать на одни органы человека и не затрагивать других. Знание механизма действия, особенно его химической стороны, позволяет находить избирательно действующие вещества и, значит, более целеустремленно и сознательно синтезировать новые средства лечения заболеваний.

Есть, например, хорошо известный бактерицидный (убивающий микробов) препарат - хиназол. Механизм его действия был полностью установлен. Дело в том, что для нормального роста микроорганизмов необходимы соли кобальта. Человеку тоже нужен кобальт. Но только в виде сложного соединения - витамина В12. Хиназол очень легко соединяется с кобальтом, образуя прочное химическое соединение, но не может отнять кобальт от молекулы витамина В12. Отсюда ясно, почему хиназол ядовит для микробов: он лишает их солей кобальта. Он не ядовит для людей, так как не затрагивает витамина В12. Поняв все это, химики получили возможность синтезировать новое сильнодействующее средство для лечения кишечных заболеваний - энтеросептол. Строением молекулы это вещество похоже на хиназол и очень прочно связывает ионы кобальта.

Много новых лекарственных веществ синтезировали химики за последнее время. Появились новые средства лечения инфекционных болезней и даже таких опасных, как туберкулез или малярия, пневмония или менингит; средства, регулирующие кровяное давление, стимулирующие деятельность сердца, обезболивающие, снотворные; созданы препараты для лечения психических заболеваний, а в последнее время появились первые надежды найти химические

463


Вот что дерево подарило химикам.

средства лечения рака. И здесь, как и в химии красящих веществ, трудится целая армия химиков, физиологов, бактериологов, фармакологов, врачей. Синтезируют тысячи и десятки тысяч веществ. Одних только сульфамидных препаратов было синтезировано свыше 4000, чтобы в конечном счете остановиться на десятке из них для внедрения в медицину.

ЛЕС- ИСТОЧНИК ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Более ста лет главным источником для промышленного получения органических веществ служила каменноугольная смола, образующаяся при коксовании каменных углей. Много химических продуктов поставляет лесохимия.

При нагревании древесины без доступа воздуха происходит обугливание; при этом образуется древесный уголь, смола и летучие продукты. Древесный уголь идет в доменное производство, а также для изготовления активированного угля; смола или деготь - на приготовление флотационных масел и других продуктов, а летучие вещества, конденсирующиеся в виде дегтярной воды, используются для выделения из них метилового спирта, уксусной кислоты, ацетона.

Углежжение - сухая перегонка дерева - известно с незапамятных времен. Сначала дрова обугливали в кучах, покрытых слоем земли, потом в примитивных печах. При этом все ценные летучие продукты терялись. Теперь процесс обугливания ведется в металлических печах - ретортах, куда вкатываются вагонетки с дровами. Летучие продукты полностью улавливаются. По окончании процесса из реторт выкатываются вагонетки с углем. Миллионы кубических метров дров, главным образом березовых и осиновых, ежегодно превращают в уголь.

Другой лесохимический источник органических продуктов - живица хвойных, главным образом сосны. Ствол и ветви сосны имеют систему так называемых смоляных ходов, заполненных жидкой смолой. При ранении дерева липкая смола затягивает рану и защищает его от проникновения насекомых, микроорганизмов и т. п. Чтобы получить сосновую смолу, на дереве делают специальные надрезы - карры, из которых постепенно вытекает светло-желтая липкая, приятно пахнущая смола - живица. На воздухе она постепенно густеет и темнеет. Из живицы перегонкой получают скипидар и канифоль, используемые для различных технических целей.

Главные продукты химической переработки древесины - это целлюлоза и бумага. В отличие от углежжения здесь используется древесина хвойных пород, в основном еловая. Часто сырьем для производства целлюлозы служат отходы лесопильных заводов. Целлюлоза нужна для изготовления искусственного шелка (вискозный и ацетатный шелк), нитроцеллюлозы (для производства кинопленки), пироксилина (взрывчатое вещество, из которого изготовляют бездымный порох). В последнее время быстро развивается производство спирта из древесины.

Много других видов растительного сырья применяют для получения органических веществ. Из сахарной свеклы или сахарного тростника получают сахар, из семян масличных растений - подсолнечника, льна, хлопка, кукурузы - добывают растительные жиры, из эфироносных и душистых растений, таких, как мята, анис, миндаль, жасмин, получают пахучие масла для парфюмерии, из каучуконосных деревьев, разводимых в Южной Америке, в Индонезии и в других тропических странах,- каучук, из дубильных растений - дубильные экстракты для выделки кож и т. п.

«ЧЕРНОЕ ЗОЛОТО»-НЕФТЬ

Ни коксохимия, ни лесохимия, ни другие менее крупные источники органических веществ, не смогли, однако, удовлетворить все возрастающую потребность человечества в органических веществах. Начиная с 20-х годов нашего века на первое место среди источников химического сырья вышли нефть и природные газы.

Нефть - это смесь углеводородов с самыми разнообразными цепочками атомов углерода.

464


Встречаются и короткие цепи, и длинные, и нормальные, и разветвленные, и замкнутые в кольца, и многокольчатые. Кроме углеводородов, в нефти содержатся в небольшом количестве кислородные и сернистые соединения и совсем немного азотистых. Впрочем, нефть Второго Баку содержит много сернистых соединений.

Нефть возникла на Земле в прошлые геологические эпохи в результате разложения грандиозных скоплений растительных и животных остатков, особенно морского планктона. В ходе геологических процессов нефть видоизменялась, перемещалась из одних слоев в другие и, наконец, образовала известные нам крупные месторождения: на Кавказе, в Поволжье и Приуралье, в Иране, Месопотамии и Ираке, в Калифорнии и в Техасе, в Венесуэле, в Сахаре и в других районах земного шара.

Очень интересна история добычи и переработки нефти. Как и многие другие источники органических веществ, она была известна многим древним народам. Раскопки на берегах Евфрата установили, что за 6000-4000 лет до нашей эры нефть применяли как топливо. Есть сведения, что у нас на Кавказе нефть использовалась 2000 лет тому назад. Арабский историк Истархи, живший в VIII в., свидетельствует, что с древних времен бакинцы вместо дров жгли землю, пропитанную нефтью. Нефть издавна вывозилась из Баку в качестве осветительного материала.

Промышленная добыча нефти началась, однако, гораздо позже - только с середины XIX в., когда стали применять бурение скважин. В те времена нефть перерабатывалась в основном на осветительные (керосин) и смазочные масла. Потом ее стали употреблять как топливо для паровых котлов, главным образом пароходных и позже паровозных (мазут). С появлением двигателей внутреннего сгорания, изобретенных Дизелем, продукты перегонки нефти - керосин и соляровые масла (а для тихоходных двигателей также и более тяжелые масла) - нашли широкое применение в качестве дизельного топлива. Все это вызвало быстрое развитие добычи и переработки нефти. Наиболее простой метод переработки нефти - прямая гонка. Этот метод заключается в перегонке нефти при нагревании в закрытых котлах или трубчатках с отводными трубами, соединенными с холодильниками. Сначала отгоняются наиболее легкокипящие погоны (бензины, лигроин), потом более тяжелый керосин. Бензины состоят из углеводородов с пятью - десятью атомами углерода в молекуле, а керосиновые погоны - из углеводородов с десятью - пятнадцатью атомами углерода. Остаток от перегонки - мазут - густая черная жидкость. Он употребляется как топливо или подвергается новой перегонке, чтобы выделить смазочные масла: легкие - соляровые, более тяжелые - веретенные и машинные и, наконец, тяжелые - цилиндровые.

В начале нашего века произошли коренные изменения в нефтепереработке. Быстрое распространение карбюраторных бензиновых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием для автомобилей (а позже в авиации) потребовало очень много бензина. Это привело прежде всего к усовершенствованию нефтедобычи, так как при старом открытом способе много легкокипящих фракций испарялось на воздухе. Однако этого было недостаточно. При прямой гонке получалось сравнительно мало бензиновых фракций, и они не могли удовлетворить все возрастающий спрос. Особенно остро почувствовалась нехватка бензина в годы первой мировой войны. Тогда в промышленность был введен крекинг-процесс - разложение углеводородов нефти под влиянием высокой температуры. При нагреве до 500-600° углеводородные цепочки разрываются и образуются осколки с меньшим числом атомов углерода в молекуле. Промышленное освоение крекинг-процесса сразу повысило ресурсы бензина. Однако не во всех случаях качество бензинов термического крекинга было удовлетворительным. Особенно оно не удовлетворяло авиацию.

Русский химик Н. Д. Зелинский предложил усовершенствовать крекинг с помощью ускорителей процесса - катализаторов. Он применил в качестве катализатора хлористый алюминий. Еще лучшие результаты дало применение алюмосиликатного катализатора, предложенного французскими инженерами. Этот процесс давал высококачественный бензин, пригодный для авиационных двигателей.

Однако жизнь шла вперед. От бензиновых двигателей внутреннего сгорания требовалась все большая быстроходность, все большая мощность при все уменьшающихся размерах и весе, приходящихся на единицу мощности. Этого удалось достичь, повышая степень сжатия топлива в цилиндрах двигателя. Однако здесь появился предел, связанный с детонацией топлива. В момент сильного и быстрого сжатия паровоздушная смесь преждевременно взрывалась, и это приводило к стуку в двигателе и потере мощности. Борьба с детонацией стала на долгий период главной задачей улучшения методов нефтепере-

465


работки. Оказалось, что различные углеводороды, содержащиеся в бензинах, детонируют с различной легкостью. Хуже всего в этом отношении оказались углеводороды с нормальной цепочкой атомов углерода. Углеводороды с сильно разветвленными цепочками атомов, а также ароматические детонировали труднее.

Способность бензинов противостоять детонации характеризуют так называемым октановым числом: чем оно выше, тем лучше. Значит, и нефть нужно перерабатывать так, чтобы получать бензины с возможно большими октановыми числами. В этом отношении каталитический крекинг гораздо лучше простого термического. Появились новые процессы нефтепереработки - «риформинг», «платформинг». Особое значение в них получили реакции ароматизации нефтяных углеводородов, открытые и разработанные советскими химиками. Промышленность стала даже на путь синтеза углеводородов с разветвленной цепью (изооктана и триптана), чтобы их прибавлять к бензинам и повышать таким образом антидетонационные свойства. Особенного успеха удалось

достичь в применении специальных добавок к топливу - так называемых антидетонаторов. Добавленные в небольшом количестве к бензину, они значительно повышают его октановое число. Это тетраэтилсвинец (сокращенно ТЭС). Этилированный бензин с этим антидетонатором очень ядовит. Будьте всегда осторожны с этилированным бензином: не обливайте им рук, не засасывайте в рот через шланг при переливании. Немедленно сотрите, смойте попавший на вас этилированный бензин!

Теперь найден лучший антидетонатор, чем ТЭС. Это вещество со сложным названием - циклопентадиенилтрикарбонил марганца, или ЦТМ. Как видно из названия, это органическое вещество содержит марганец. Скоро появятся в гаражах «марганцевые» бензины.

Казалось, переработка нефти решила все проблемы, поставленные перед ней автомобильными и авиационными конструкторами. Но жизнь опять пошла вперед. На смену двигателям внутреннего сгорания пришли реактивные и ракетные двигатели. Оказалось, что здесь не нужны высокие октановые числа. Наоборот, лучшее топливо - это углеводороды с прямыми малоразветвленными цепочками атомов углерода или кольчатые. Все наоборот! И совсем не бензиновые фракции, а керосиновые и соляровые. И снова поиск, снова открытия, снова изменения нефтепереработки.

И это еще не все! До сих пор речь шла о применении нефтепродуктов в качестве топлива. Менялись типы двигателей: от паровых к дизелям, к бензиновым моторам, потом к реактивным двигателям. Но оставалось в принципе то, что от нефтяных углеводородов требовалась их теплотворная способность. Только тепло, образующееся при сгорании топлива!

Для химика-органика сжигание нефтяных углеводородов - непростительное расточительство. Ведь эти углеводороды так нужны для химического синтеза! Из них можно сделать так много ценных химических продуктов! И нефтехимический синтез выступил мощным конкурентом транспорта в потреблении нефти. Прежде всего пошли в дело нефтяные газы, состоящие из углеводородов с маленькими цепочками атомов углерода - от одного до пяти. Из этилена CH2=CH2 можно делать этиловый спирт, а из него - синтетический каучук (СК). Из этилена же получается прекрасный широко известный полимер - полиэтилен. Из пропилена CH3CH=CH2 можно делать изопропиловый спирт и ацетон; про-

466


пилен нужен для производства фенола, наконец, из него можно делать полипропилен - полимер, дающий новый тип синтетического волокна. А в последнее время научились из пропилена делать акрилонитрил (НАК) - сырье для производства синтетической шерсти. Другие нефтяные газы тоже находят важное применение в нефтехимическом синтезе. Значит, нефтепереработку нужно вести иначе. Нужно получать как можно больше газов, особенно таких, молекулы которых содержат двойные связи между атомами углерода.

Между нефтью-топливом и нефтью - химическим сырьем началась напряженная борьба.

Конечно, в настоящее и ближайшее время нефть будут использовать, главным образом, как топливо. Однако доля нефти, расходуемая на химическую переработку, непрерывно возрастает.

А совсем недавно появился еще один возможный потребитель нефти. Он пока еще «младенец», и ему много нефти не нужно. Но как знать? Это микробиологическая переработка нефти на ... белки. Нашлись бактерии, которые хорошо живут на нефти, потребляя ее в пищу. Нефть исчезает, бактерии растут. Постепенно (и не так уж медленно) исчезает значительная часть нефти, и вместо нее образуется масса клеток бактерий. Это в основном белок. И по всем данным - хороший кормовой белок. Во что вырастет этот «младенец»? Не изменит ли он снова баланс путей переработки нефти? Не изменит ли он структуру сельского хозяйства?

До сих пор шла речь о газах нефтепереработки. Однако есть и природный газ, образующий громадные скопления в толще земли. Природный газ в основном состоит из метана CH4. Он добывается в громадных количествах и используется в качестве горючего для промышленных и бытовых целей. Вместе с нефтяными газами, сопутствующими нефти, и газами нефтепереработки природный газ является важным источником для синтеза разнообразных органических веществ. Самым большим химическим потребителем газа является промышленность полимерных материалов (см. ст. «Полимеры»).

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

В повышении урожаев зерна, хлопка, сахарной свеклы и других сельскохозяйственных культур большую роль играют органические вещества. Прежде всего речь идет о средствах защиты растений от сорняков, вредителей и болезней. Уже давно химики старались найти вещества, ядовитые для сорняков и безвредные для полезных растений. Такие вещества были найдены - это гербициды. Теперь их известно уже много и с разным строением молекул. Одни из них уничтожают широколиственные сорняки и не затрагивают злаки. Другие, наоборот, уничтожают злаки-сорняки и не трогают, например, хлопчатник. Есть специальные гербициды для защиты от сорняков кукурузы, сахарной свеклы. Но трудно найти вещества для химической прополки злаковых культур от злаковых же сорняков, например от упрямого пырея.

Есть средства, которые не убивают растения, а только вызывают у них опадение листьев. Это так называемые дефолианты. Такие вещества нужны, например, для обработки посевов хлопчатника перед сбором урожая. Сбор хлопка вручную - дело очень трудоемкое. Сконструированы специальные машины для сбора хлопка. Однако работе этих машин очень мешают листья. Поэтому перед сбором урожая нужно удалить у хлопчатника листья и притом так, чтобы не повредить раскрывшиеся коробочки хлопка. Вот здесь-то и приходят на помощь дефолианты. Достаточно обработать поле с самолета раствором дефолианта, чтобы через некоторое время все листья опали, а коробочки с хлопком остались на ветках.

Есть еще так называемые ростовые вещества. Они родственны гербицидам, но не убивают растения, а, наоборот, вызывают их усиленный рост. Бывает и так, что одно и то же вещество в малых количествах действует на растения как ростовое вещество, а в больших - как гербицид.

Не менее разнообразна и увлекательна защита растений от насекомых-вредителей. Существует множество насекомых, питающихся культурными растениями. Некоторые из них размножаются в таком количестве, что становятся сущим бедствием. Кто не читал про саранчу, которая превращает цветущие поля в голую землю. Есть не менее опасные вредители: они не летают тучами, как саранча, но основательно портят, а иногда и полностью уничтожают урожай. Таковы, например, клоп - вредная черепашка (повреждает посевы пшеницы) или паутинный клещ (уничтожает посевы хлопчатника). А кому не приходилось видеть яблоки, поврежденные плодожоркой.

Опять труд тысяч химиков! Опять искания энтузиастов. И опять открытие препаратов -

467


инсектицидов, уничтожающих вредителей. Были найдены так называемые контактные препараты ; они уничтожали насекомых при попадании яда на поверхность их тела. Таковы ДДТ, хлорофос. Были открыты также инсектициды системного, или внутрирастительного, действия. Когда такой препарат попадает на растение, оно всасывает его. Соки растения становятся ядовитыми. И горе насекомому-вредителю, которое попытается питаться соками этого растения. Оно погибнет! Лучшие системные инсектициды содержат фосфор: это фосфорорганические вещества, например фосфамид, препарат М-81.

Конечно, и здесь все совсем не просто. Ведь растения, опрыснутые или опыленные ядами, могут быть ядовиты и для людей! Значит, нужно отыскать такие инсектициды, которые ядовиты для насекомых и неопасны для людей и домашних животных. Это в принципе та же задача избирательности действия, о которой мы говорили в разделе о лекарственных веществах. Уже сами шифры - названия некоторых препаратов - иногда говорят о большой работе, проделанной перед тем, как их нашли: Е-605, М-81, Байер-S-1752. Подумайте, сколько веществ нужно было синтезировать и испытать!

И здесь многое еще остается нерешенным. Мы плохо умеем бороться с мальвовой молью, повреждающей хлопчатник, с колорадским жуком - опасным вредителем картофеля, с филлоксерой виноградников.

Кроме насекомых, растения часто повреждают болезни - грибковые, вирусные, бактериальные. И здесь нужны органические препараты - лекарства для растений! Снова тысячи препаратов, снова искания, находки, промышленное производство найденных органических веществ. И опять еще не решенные задачи! Есть, например, опасное заболевание хлопчатника - вилт. Оно поражает тысячи гектаров посевов, а средств борьбы с ним еще нет. Но будут, обязательно будут, если только к этому делу применить знания, фантазию и упорство. Мир окружающих нас органических веществ грандиозен по количеству и разнообразию. В известной части он создан руками человека, синтезировавшего сотни тысяч веществ, ранее природе неизвестных. Человек научился изменять этот мир, научился заставлять его служить себе, помогать себе в самых разнообразных видах деятельности, в самых разнообразных случаях жизни. Это результат грандиозного труда, начинающегося в лабораториях и кончающегося на фабриках и заводах, на полях и плантациях, в клиниках и больницах... Это результат кропотливых исследований, тщательного изучения, вдохновенных идей и смелых теоретических обобщений. Гений человека и упорный труд рука об руку создали органическую химию. Они решили множество труднейших задач, ранее считавшихся неразрешимыми, создали изобилие веществ, ранее казавшихся недоступными, раскрыли сокровенные тайны природы, ранее представлявшиеся навсегда скрытыми. Науки об органических веществах - органическая химия и ее сестра - органическая химическая технология - продолжают идти вперед. Еще много нерешенных задач, неоткрытых законов, неизвестных веществ. Каждая решенная задача призывает к решению новой, каждое синтезированное вещество влечет за собой новые синтезы, каждый открытый закон ставит перед наукой новые вопросы. Производство требует улучшения, повышения качества, расширения ассортимента. Наша страна нуждается в изобилии продуктов, изобилии вещей, изобилии средств их созидания. С изобилием придет коммунизм: полностью будут удовлетворяться потребности людей, расцветут их таланты, облегчится труд. И органическая химия, создающая новые органические вещества, внесет свою лепту в светлое будущее человечества.

КАК ХИМИК СТРОИТ НУЖНУЮ МОЛЕКУЛУ

Прежде чем построить молекулу, химик должен знать ее состав и структуру (строение), т. е. представлять себе, как взаимно расположены составляющие ее атомы элементов.

Строение молекул неорганических веществ выяснить не так трудно. Для этого нужно знать их состав и валентность элементов, из которых они образованы. Валентностью называют число атомов, с которым может соединиться атом того или другого элемента. Рассмотрим это на примерах. Возьмем соединения, состав которых хорошо известен: хлористый водород

468


HCl, вода H2O, аммиак NH3, болотный, или рудничный, газ - метан CH4. Общее для их состава - водород, но он входит в них в разных количествах.

В хлористом водороде с одним атомом хлора соединен один атом водорода, в воде с одним атомом кислорода соединены два атома водорода, в аммиаке с одним атомом азота соединены три атома водорода, в метане с одним атомом углерода соединены четыре атома водорода. Атомы хлора, кислорода, азота и углерода не могут присоединить к себе больше указанного числа атомов водорода. Поэтому говорят, что они обладают определенной валентностью: атом хлора одновалентен, атом кислорода двухвалентен, атом азота трехвалентен, атом углерода четырехвалентен. Само собой разумеется, что атом водорода одновалентен. Из этого следует, что атом кислорода может присоединить к себе два атома хлора, образуя соединение С l2 O, атом углерода - четыре атома хлора, образуя вещество СС l4, или два атома кислорода, образуя соединение С O2. Существуют элементы, атомы которых обладают более высокими валентностями. Вот пример соединений таких атомов: пятихлористый фосфор РС l5, трехокись серы SO3, четырехокись осмия OsO4 .

Если взять такие количества водорода и хлора, которые будут эквивалентны их относительным атомным весам, то, имея в виду, что оба эти элемента одновалентны, можно попытаться соединить эти количества друг с другом. Действительно, при сильном освещении хлор и водород соединяются именно в таких отношениях без остатка, образуются молекулы хлористого водорода HCl. Подобным же образом реагируют водород с кислородом, если их количества соответствуют отношению двух атомов водорода к одному атому кислорода. Если на такую смесь воздействовать электрической искрой или губчатой платиной, образуется вода.

Зная состав даже такого сравнительно сложного соединения, как серная кислота, и валентности составляющих ее элементов, можно предположить, что она образуется соединением одной молекулы воды и одной молекулы трехокиси серы. Водород одновалентен, кислород двухвалентен, а сера шестивалентна.

Гораздо сложнее построить или синтезировать органические молекулы. В их состав всегда входят углерод и водород, часто - кислород и азот, иногда - сера или фосфор, хлор, бром или йод, а также металлы. Валентность углерода, водорода, кислорода и азота выражается небольшими числами. Казалось бы, что это не должно усложнять построение органических молекул. Однако у органических соединений есть одна особенность, которая и делает эту задачу очень трудной. Четырехвалентные атомы углерода могут соединяться друг с другом, образуя прямые или разветвленные цепочки либо кольчатые образования. При этом число атомов углерода, принимающих участие в формировании таких молекул, практически неограниченно, следовательно, число органических соединений, или соединений углерода, чрезвычайно велико и во много раз превышает число известных соединений всех других элементов, вместе взятых (см. ст. «Органические вещества вокруг нас»). Знать структуру и строение молекулы - обязательное условие ее синтеза.

Простейшее органическое соединение - метан CH4 состоит из углерода и водорода. Его ближайшие соседи - этан С2 Н6 и пропан С3 Н8. Помня о валентности атомов углерода и водорода и о способности атомов углерода образовывать цепочки, можно прийти к единственно возможным формулам строения этих соединений:

Легко можно составить и формулы строения более сложных углеводородов, в молекулах которых содержится 4, 5, 6 и более атомов углерода и соответствующее число атомов водорода.

Как же построены органические молекулы, в состав которых, кроме углерода и водорода, входит атом хлора, например хлористый метил CH3Cl и хлористый этил C2H5Cl? Для этих соединений, очевидно, можно написать только такие формулы:

Каждая формула показывает, что эти соединения получились при замене одного атома водорода в молекулах метана и этана на атом хлора, причем в данном случае безразлично, какой из атомов водорода замещен атомом хлора.

469


Однако в молекуле, содержащей три атома углерода, т. е. в хлористом пропиле С3 Н7 С l, это уже небезразлично. Для этого соединения существуют две формулы в зависимости от того, у какого из углеродных атомов водород замещен на хлор.

Хлористый пропил

Хлористый изопропил

Они отличаются друг от друга не только строением, но и физическими и химическими свойствами. Вещества, подобные хлористому пропилу и изопропилу, т. е. состоящие из одинакового числа атомов одних и тех же элементов, называются изомерами, а явление изомерии - одна из причин большого числа органических соединений, известных в настоящее время.

Обратимся к несколько более сложным примерам органических соединений, например к органическим спиртам. Простейшие представители этого класса - метиловый спирт CH4 O и этиловый спирт С2 Н6 О. Их состав таков, как будто они получились присоединением одного атома кислорода к углеводородам метану CH4 и этану С2 Н6. Однако такое предположение противоречило бы четырехвалентности углерода.

О том, как построены эти молекулы, можно судить по некоторым их превращениям. Оказывается, что в каждом из этих спиртов не все атомы водорода ведут себя одинаково: в их молекулах имеется по одному атому водорода, способному выделяться при действии металлического натрия:

CH4 O + Na → Н+ CH3 ONa и С2 Н6 O + Na → Н+ C2 H5 ONa.

Кроме того, при определенных условиях в молекулах этих спиртов хлором заменяется не атом водорода, как в углеводородах CH4 и С2 Н6, а группа атомов ОН. При этом образуются знакомые уже нам хлористый метил CH8 С l и хлористый этил С2 Н5 С l .

Эти превращения позволяют построить формулы строения метилового и этилового спирта:

В этих формулах валентности Н, О и С, о которых мы говорили выше, соблюдены, и в то же время один атом водорода, в отличие от всех остальных, соединен не непосредственно с атомом углерода, а через атом кислорода. Очевидно, этим и объясняется его способность легко заменяться металлом или вместе с кислородом при определенных условиях уступать место хлору.

Попробуем теперь, зная строение молекул этих спиртов, построить, или синтезировать, их. Долгое время метиловый спирт получали разлагая древесину нагреванием, а этиловый (винный) спирт и сейчас еще получают при спиртовом брожении крахмала, содержащегося в картофеле или злаках. Оба пути очень сложны.

Как химик приступает к построению молекул нужной структуры? Очевидно, так же, как и любой строитель, т. е. прежде всего он составляет план строительства, иначе говоря, составляет архитектурную схему здания и намечает, из каких строительных элементов он будет создавать целое. Но современный строитель применяет уже не отдельные кирпичи, а целые готовые блоки, из которых легче сложить здание. Так поступает и химик. Для построения желаемой молекулы он берет готовые полупродукты известного строения и комбинирует их.

Для синтеза метилового спирта, очевидно, было бы целесообразно взять такие вещества, в которых уже есть готовая группа CH3 и группа ОН. Такие вещества известны: это, например, хлористый метил CH3 С l и едкий натр NaOH. Реакция между ними дает метиловый спирт:

По такой же схеме можно получить и этиловый спирт. Но это не единственные пути для синтеза метилового и этилового спирта. Промышленные способы их синтеза совсем иные. В них учтены требования технологии и экономики производства. Метиловый спирт получается из

470


доступной окиси углерода и водорода. Эту смесь, или «водяной газ», можно образовать действием нагретого до высокой температуры водяного пара на уголь: С+Н2 O → СО+Н2 .

Если прибавить к ней один объем водорода и пропустить новую смесь при высокой температуре и под высоким давлением через соответствующий катализатор, то получится синтетический метиловый спирт, или метанол:

Три атома водорода присоединились к атому углерода, а один атом водорода - к кислороду.

Промышленный синтез этилового спирта осуществляется при высокой температуре и в присутствии катализатора. Водяным паром действуют на газообразный этилен С2 Н4, выделяемый из газов крекинга нефти. В молекуле этилена два атома углерода соединены так называемой двойной связью:

Реакция происходит по следующему уравнению:

Один водородный атом воды Присоединился к первому углероду этилена, а гидроксильная группа воды ОН - ко второму.

Как же синтезируются более сложные молекулы? Важный класс органических соединений - кислоты. Подобно спиртам, они состоят из углерода, водорода и кислорода, но в молекуле кислоты содержится на два атома водорода меньше и на один атом кислорода больше, чем в молекуле спирта с тем же числом атомов углерода. Сравним состав молекул винного спирта С2 Н6 O и уксусной кислоты С2 Н4 O2. Возникает предположение, что уксусную кислоту можно получить из винного спирта, заменяя в нем два атома одновалентного водорода на один атом двухвалентного кислорода путем окисления либо с помощью бактерий уксуснокислого брожения, либо при действии окислителей:

Подобным же образом можно получать и другие органические кислоты из соответствующих спиртов с тем же числом атомов углерода. Для всех этих кислот будет характерна так называемая карбоксильная группа, или карбоксил:

В ней один атом водорода связан, как и в спиртах, с кислородом; поэтому он легко замещается на металлы, образуя соли. У натриевой соли уксусной кислоты, или уксуснокислого натрия, такое строение:

Группа атомов - О - Н в уксусной кислоте и в других кислотах, точно так же как и в спиртах, может быть заменена в соответствующих условиях хлором. Тогда получится соединение:

Оно называется хлорангидридом кислоты (в данном случае уксусной).

Сравнивая состав уксусной кислоты С2 Н4 O2 и метана CH4, мы видим, что уксусная кислота отличается от метана одним атомом углерода и двумя атомами кислорода, а это молекула углекислого газа. Нельзя ли соединить непосредственно метан с углекислым газом, чтобы получить уксусную кислоту? К сожалению, этого сделать не удается. Но можно сделать так:

т.е. в метане заместить атом водорода атомом одновалентного металла, например лития. Такое металлоорганическое соединение легко реагирует с

газом и дает уксуснокислый литий.

Как видим, и в классе органических кислот возможен, как говорят, «направленный синтез», т. е. построение молекул определенной структуры по заранее составленному плану. Синтез кислот - лишь отдельные, наиболее простые примеры такого построения. Кислоты любой сложности и любой структуры могут быть синтезированы с помощью рационально подобранных последовательных реакций.

Сложные эфиры, имеющие близкое отношение к спиртам и кислотам, широко распространены в природе - в растительном и животном мире. Летучие сложные эфиры обладают приятными запахами и встречаются в растительных эфирных маслах. Все жиры - растительные и животные - принадлежат к классу сложных эфиров. Сюда же относятся различные виды пчелиного воска, содержащие 55-65 атомов углерода в молекулах.

Сложные эфиры при нагревании с едким натром превращаются в натриевую соль кислоты и спирт. При реакции уксусноэтилового эфира С4 Н8 O2 образуются уже знакомые нам уксуснокислый натрий и этиловый (винный)

Если мысленно отнять от полученных соединений элементы едкого натра, а оставшиеся части молекул соединить друг с другом, то, очевидно, получится молекула исходного уксусноэтилового эфира:

Построить такую молекулу можно различными способами:

Оба способа действительно приводят к цели, но на практике уксусноэтиловый эфир получают из смеси уксусной кислоты и этилового спирта, нагревая ее с концентрированной серной кислотой:

Перечисленными реакциями, конечно, не ограничиваются все возможные пути построения сложных эфиров. Такие пути меняются в зависимости от состава и строения кислоты и спирта, сложности их молекул и т. д.

Вообще задача построения нужных молекул не так проста, как может показаться при рассмотрении всех приведенных выше примеров. Иногда десятилетиями ищут удобный и доступный путь для синтеза того или иного вещества. Требуется большое количество промежуточных реакций, чтобы окончательное решение было удачным. Тем не менее в настоящее время химики научились синтезировать очень многие из встречающихся в природе соединений, иногда с очень сложным составом и строением.

472


СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ ЛЕБЕДЕВ

Сергей Васильевич Лебедев (1874-1934)

Выдающийся советский химик-органик. Замечательный исследователь процессов полимеризации. По заданию Советского правительства академик Лебедев создал первый промышленный способ приготовления искусственного каучука (1932). Благодаря его работам наша Родина освободилась от иностранной зависимости и от огромных затрат на импорт натурального каучука, который так необходим народному хозяйству - от автомобильных шин до галош и детских мячей.

ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ КУРЧАТОВ

Игорь Васильевич Курчатов (1903-1960)

Ученый-коммунист. Академик. Сын уральского лесничего. Замечательный физик нашего времени. Научные интересы ученого И. В. Курчатова были широки и многообразны. Он открыл новый обширный класс явлений в области электрических свойств твердого тела, названный им ссгнетоэлектричеством. Это новая область науки с большой технической перспективой. В период Отечественной войны он разработал принципы защиты кораблей от магнитных мин. Тысячи советских моряков обязаны жизнью расчетам ученого.

Больше всего Игоря Васильевича

интересовала проблема атомного ядра. Она стала целью всей его жизни. Ему принадлежит открытие явления ядерной изомерии. Под руководством Курчатова было открыто самопроизвольное деление урана. Он возглавил в нашей стране работы по созданию первого атомного реактора, первой в мире атомной электростанции, первого в мире атомного корабля - ледокола «Ленин». Академик Курчатов и его ученики первыми открыли для человечества путь к овладению неисчерпаемым источником энергии - к осуществлению реакции термоядерного синтеза. Игорь Васильевич очень

много сделал для обеспечения безопасности нашей Родины, для создания атомной промышленности. Это был великий борец за мир. Он неустанно повторял: «Мирный атом - вот наша цель!»

За замечательные достижения в области атомной физики Родина трижды удостоила его высокого звания Героя Социалистического Труда. Его беззаветное служение народу, великая любовь к науке, самоотверженность, страстность и увлечение в работе пусть послужат примером для вас, молодые читатели Детской энциклопедии.

В наше время сложные природные соединения успешно синтезируют в лабораториях и даже на заводах.

В лабораториях и в промышленности синтезируются, кроме того, многочисленные соединения, не встречающиеся в живой природе. Химики получают в полном смысле слова искусственные материалы.

Строение таких материалов обычно очень сложно, а их свойства, в том числе и механические, часто превосходят свойства самых ценных природных материалов.

ПОЛИМЕРЫ

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ ПОЛИМЕРЫ

Слово «полимеры» за последние годы прочно вошло в наш язык наряду с такими понятиями, как «атомная энергия», «радиоэлектроника», «термоядерная реакция», «космические полеты». Все эти слова олицетворяют наиболее выдающиеся достижения науки и техники сегодняшнего дня.

Полимеры, или, как их еще называют, высокомолекулярные соединения, изучает и создает химия, развитию которой придается важное значение. Химия полимеров призвана сыграть немаловажную роль в построении материально-технической базы коммунизма.

Наша земля богата полезными ископаемыми, и сырьевой голод нам не угрожает. Но наука уже сегодня вынуждена вести поиски новых источников сырья, доступных и неисчерпаемых, вести поиски веществ дешевых и универсальных, таких, которые могли бы заменить и превзойти по своим качествам металлы, древесину, пищевое сырье, используемые в технических целях.

473


Кроме того, новая техника и промышленность все чаще и чаще испытывают нужду в материалах, обладающих более высокой прочностью, твердостью, жаростойкостью и другими свойствами. Без таких материалов невозможно полностью использовать уже достигнутые в технике сверхвысокие температуры, давления и скорости, нельзя создавать более совершенные машины, которые помогут увеличить производительность труда.

Появилась острая нужда в таких веществах, которых в природе не существует. Например, не бывает прозрачных металлов, металлических изоляторов (диэлектриков) и неметаллических проводников тока, «вечных» смазок, неметаллических магнитных материалов. Что же делать, если природа «забыла» создать такие вещества, а они нам необходимы? Надо создавать их!

Этим очень трудным, но важным делом и занимается химия полимеров. Чтобы убедиться в том, какую роль эта отрасль человеческих знаний играет в жизни людей, достаточно лишь оглянуться вокруг. Наверняка из всех попавшихся на глаза предметов большинство будет продуктами химии, а из них добрая половина - химии полимеров. Сегодня без химии немыслим никакой прогресс, невозможно развитие буквально всех отраслей техники, науки, промышленности, быта.

Химия способна изготовить ткани более прочные, чем шелк и полотно, ткани, не боящиеся действия химических веществ, обладающие целебными свойствами. Только она может создавать материалы, которые не растворяются ни в одной из самых крепких кислот и щелочей, выдерживают нагрев, при котором любые природные органические вещества обугливаются и сгорают. Только с помощью химии можно получить жидкости и масла, не замерзающие при самом лютом морозе и не теряющие своих свойств в настоящем пекле.

Лишь химия полимеров способна создать материалы прочнее стали, легче пробки, эластичнее и выносливее природного каучука, долговечнее дерева и камня.

Создаваемые химией искусственные меха дешевле, красивее, прочнее, легче, теплее и износоустойчивее, чем меха редких и дорогих пушных зверей. Даже в медицине начинают использовать полимеры - вещества, заменяющие кровь, кости и ткани человеческого организма.

И все эти необыкновенные материалы рождаются в лабораториях ученых и производятся на химических заводах из угля, нефти, природных газов, сланцев, древесных отходов.

Поясним, что вещества, получаемые путем химической переработки природных полимеров, например вискозное волокно из целлюлозы, называют искусственными, а изготовляемые совершенно заново - синтетическими.

Сейчас человечество вступило в век атомной энергии. Ученые ищут пути управления термоядерной реакцией. Когда эта важнейшая задача будет решена - а ее решение, видимо, не за горами,- забота о неиссякаемых источниках энергии, которые понадобятся людям коммунистического будущего, будет снята с них навсегда. И тогда вся огромная масса ныне добываемого ископаемого топлива - угля, нефти, природных газов, сланцев - поступит целиком в распоряжение химиков для производства бесконечного разнообразия самых удивительных вещей. Человечество получает возможность исправить вековую несправедливость, о которой в свое время говорил Д. И. Менделеев: «Сжигать нефть все равно, что топить печь ассигнациями».

Вот почему в создании материально-технической базы коммунистического общества в числе важнейших ее основ признана и химия полимеров.

РОДОСЛОВНАЯ БОЛЬШИХ МОЛЕКУЛ

Все окружающие нас вещества состоят из атомов, которые в ходе самых разнообразных химических реакций соединяются, собираясь в молекулы - группы из десятков, а иногда из сотен атомов. Только немногие атомы, главным образом атомы углерода, способны соединяться в длинные цепочки из десятков и сотен тысяч атомов. Вещества, состоящие из таких гигантских цепочек, и называются полимерами.

Химики приложили немало усилий, чтобы разгадать тайны строения гигантских молекул, хотя это было по существу дерзким вызовом природе. Ведь вслед за этим можно перейти к воспроизведению природных веществ искусственным путем, а затем и к созданию подобных им новых веществ, которых в природе не существует.

Разработанная русским ученым А. М. Бутлеровым структурная теория позволила определить строение и «разложить по полочкам» сотни тысяч органических веществ - от простейшего болотного газа (метана) до змеиного яда и белка. Многочисленная армия химиков-органиков начала искать способы производства

474


искусственным путем не слишком сложных органических веществ - красителей и лекарств. Это и привело в конце концов к зарождению «химии больших молекул».

В конце XIX в. ученые установили химический состав целлюлозы, каучука и некоторых белков. Оказалось, что эти вещества, как и большинство других органических соединений, состоят из очень немногих видов атомов - углерода, азота, водорода, серы, кислорода. Но за этой простотой скрывалась масса всевозможных сюрпризов. Так, целлюлоза, вещество совершенно неплавкое и почти ни в чем не растворимое, оказалось сходным по химическому составу с легко растворимым и плавящимся сахаристым веществом - глюкозой.

Химикам стало ясно, что секрет противоположных свойств кроется не столько в химическом составе этих веществ, сколько в размерах и строении их молекул. Способность органических веществ растворяться и плавиться уменьшается по мере увеличения количества атомов в их молекулах. Этим же, в частности, объясняется высокая механическая прочность природных волокон хлопка (целлюлоза), шерсти (белок), шелка и ... паутины.

Молекулы этих волокон очень длинные. А так как в их состав входит ограниченное количество видов атомов, то химики пришли к выводу, что длинные молекулы образуются из периодически повторяющихся и сравнительно небольших «кирпичиков». Такие молекулы- «кирпичики» были названы мономерами («моно» - единственный, один). Длинная молекула целлюлозы (С6 H10 O5)n представляет собой цепочку, содержащую до 10 тыс. звеньев. Каждое звено - это молекула глюкозы С6 H12 О6, у которой отнята молекула воды H2 O, благодаря чему и произошло соединение молекул в цепочку. Молекула природного каучука сложилась из непрерывно повторяющихся молекул углеводорода изопрена С6 H8, сцепившихся друг с другом за счет разрыва двойных связей. Мономер - одно звено, полимер - много повторяющихся звеньев.

Ученые еще не вполне понимали структуру природных полимеров, но это уже не мешало им получать искусственные высокомолекулярные вещества. Были найдены способы превращения целлюлозы в целлулоид, в ацетатный шелк, порох, кинопленку, красивые блестящие лаки и краски.

В начале XIX в. был открыт способ превращения природного каучука в резину путем его вулканизации. При нагревании каучука в присутствии серы звенья его длинных молекул скрепляются между собой как бы перемычками из атомов серы. Это придает каучуку необычную прочность и эластичность. Главным потребителем резины стала бурно развивающаяся с начала XX в. автомобильная промышленность. И в настоящее время она поглощает более 85% резины, производимой в мире.

ПЕРВЫЕ ИСКУССТВЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ

В науке всегда находились ученые, заглядывавшие на десятилетия, а иногда и на века вперед. Великий русский химик А. М. Бутлеров в середине XIX в. первым разработал те основные принципы, на которых впоследствии были основаны методы получения полимеров из низкомолекулярных органических соединений. Эти работы оказали огромное влияние на дальнейшее развитие химии полимеров.

Еще в 1909 г. С. В. Лебедев связал молекулы бутадиена - газообразного продукта, вырабатываемого из спирта,- в длинные цепочки и получил полимер, сходный с естественным каучуком. Но организовать промышленное производство синтетического каучука (СК) в России удалось лишь после Великой Октябрьской социалистической революции, в 1932 г.

В начале XX в. резко изменилось отношение химиков к некоторым веществам, до этого только загрязнявшим лабораторную посуду. Молодой бельгийский химик Л. Бакеланд, работавший в США, заинтересовался вязкой жидкостью, образующейся в результате реакции между давно известными органическими веществами - фенолом и формальдегидом, растворенными в воде. Однажды, нагревая эту смесь под давлением, он получил твердое и прозрачное вещество, которое прекрасно выдерживало высокую температуру, было очень устойчиво к действию химических веществ, хорошо противостояло механическому износу, не боялось влаги и в довершение всего оказалось великолепным изолятором электрического тока. Новый материал в честь его создателя был назван бакелитом. Бакелит стал первым продуктом новой отрасли промышленности - индустрии пластических масс.

Нагревая под давлением формальдегид с мочевиной или анилином, химики получили ряд пластмасс уже с иными, чем у бакелита, свойствами. Из этих первых промышленных полимеров, созданных, так сказать, на ощупь, изготов-

475


ляли различные предметы, применяемые в быту и в промышленности. Но законов, управляющих их образованием и поведением, никто из первых исследователей не открыл. Встал вопрос не только о том, как изготовлять те или иные изделия, но и почему они получаются такими. Без этого нельзя было создавать новые, еще более совершенные материалы, уменьшать стоимость, расширять области их применения. Изучением полимеров нужно было заняться глубоко и всесторонне.

КАК ПОЛУЧАЮТСЯ МОЛЕКУЛЫ-ГИГАНТЫ

Одно дело - разгадать, как устроен природный полимер, а другое - искусственно воспроизвести его или похожий на него полимер, т. е. «сковать» составляющие его звенья в нужную длинную цепочку.

Химик, совершающий такое волшебство, чем-то напоминает строителя. Но вместо одинаковых и реально осязаемых кирпичей у химика множество невидимых кирпичиков и даже целые готовые блоки из них самой различной величины и формы, образованные из молекул исходных органических веществ - мономеров.

Не все органические вещества способны образовывать полимеры. Органические соединения, состоящие лишь из атомов углерода, обрамленных с нескольких сторон атомами водорода, называют предельными или насыщенными углеводородами. Это означает, что сами по себе молекулы этих веществ соединяться в еще более длинные цепочки не могут.

Однако в молекулах некоторых углеводородов атомы углерода связаны между собой двойными и даже тройными связями. Такие углеводороды называют непредельными или ненасыщенными. В химическом отношении они намного активнее насыщенных. Таковы, например, газы:

Особенность молекул непредельных углеводородов заключается в том, что при определенных условиях одна из связей между атомами углерода может быть разорвана, и тогда молекула приобретает способность присоединять к себе одну за другой множество таких же молекул. Образуется одна гигантская молекула-цепочка, состоящая из нескольких десятков и сотен тысяч метиленовых групп CH2. Таким путем появился на свет полиэтилен. Из газа возникает твердое вещество, обладающее большой механической прочностью.

Благодаря своим исключительным свойствам в промышленности, изготовляющей электрические кабели и провода, 1 т легкого полиэтилена заменяет 3 т очень дорогого свинца. Из полиэтилена можно изготовлять и всевозможную тару: химическую, обычную посуду и даже огромные цистерны для перевозки жидкостей. Полиэтилен - отличный материал для футеровки(облицовки) изнутри металлических труб, применяемых для перекачки кислот и других жидкостей, разъедающих металлы. Там, где стальные трубы приходилось менять каждые два месяца, трубы, облицованные изнутри полиэтиленом, служат больше трех лет.

Из полиэтилена изготовляют и сплошные трубы - прочные, гибкие, практически «вечные». Трудно даже подсчитать, какое количество газовых, водопроводных и иных металлических труб можно будет заменить на более стойкие и дешевые - пластмассовые. Можно представить себе машину будущего, которая на ходу роет траншею, тут же отливает полиэтиленовую трубу, укладывает ее на место и засыпает землей. Вот почему ускоренному развитию производства полиэтилена в нашей стране сейчас уделяется огромное внимание.

Из полимеров - молекул-цепочек - состоят и все клетки живой материи - растений и животных. Вот перед нами дерево. Целлюлоза - главная составная часть древесины - полимер. Мясо и шерсть животных - полимеры. Углеводы и белки зерновых злаков - тоже полимеры. Волокна хлопка, шелка, смола растений и многих других природных веществ - все это представители великой семьи полимеров. Миллионы лет природные гигантские молекулы, или полимеры, обеспечивали человека пищей, одеждой, теплом, кровом.

Свои величайшие богатства природа создавала из очень сложных молекул. Эти невероятно тонкие структуры, выработанные в процессе развития живой материи, наделены бесконечным разнообразием свойств и качеств. Человек просто брал от природы все эти блага готовыми. Высокомолекулярные соединения довольно долго представляли для химиков загадку, «книгу за семью печатями». Когда же во всеоружии

476


Способностью соединяться в длинные цепочки (полимеры) обладают атомы углерода; обрамленные с нескольких сторон атомами водорода, так называемые углеводороды. Если в такой молекуле содержится менее пяти атомов углерода, то вещество обычно имеет газообразную форму ( A); от 5 до 11 атомов углерода - это уже жидкости ( Б); более 12 атомов углерода - твердые вещества, например парафины (В). Цепочки из десятков и сотен тысяч атомов углерода образуют высокопрочные пластические вещества, например полиэтилен (Г).

477


Важнейшие мономеры и соответствующие им полимеры.

приобретенного веками опыта они начали исследовать вещества, из которых состоит органический мир, перед ними открылись неисчерпаемые и необъятные просторы. Свыше двух миллионов химических соединений знают теперь химики-органики, и это количество увеличивается буквально каждый день.

Как мы уже говорили, простейшим мономером является этилен. Некоторые из мономеров- те же молекулы этилена, в которых один из атомов водорода замещен каким-либо другим атомом или группой атомов.

Если в молекуле этилена один из четырех атомов водорода заменен атомом хлора, то получается уже другой мономер - винилхлорид, из которого образуется полимер поливинилхлорид, - материал, имеющий тысячи применений.

По сравнению с полиэтиленом поливинил-хлорид обладает меньшей горючестью, большей жесткостью и высокой механической прочностью, особенно при ударных нагрузках. Из пропитанной им ткани изготовляют прочные ремни для шахтных транспортеров, плитки для полов, водопроводные трубы и множество других изделий. Поливинилхлорид заменяет металлы. 1 т этого полимера сберегает 6 т стали.

В южных районах, особенно в Средней Азии, вода ценится на вес золота. Для орошения полей вода поступает через сильно разветвленную сеть ирригационных сооружений. При этом значительная часть воды просачивается сквозь стенки многочисленных каналов и уходит в землю, не дойдя до посевов. Но если стенки каналов выстлать тонкой поливинилхлоридной пленкой, утечка воды практически прекратится.

Замена в этилене одного из атомов водорода группой CN приводит к образованию мономера акрилонитрила. Из него получается цолиакрилонитрил - материал для изготовления синтетических волокон (орлон, нитрон, акрилан). Нити из нитрона в четыре раза прочнее натуральной шерсти. Меха, ковры, одеяла, перчатки, носки, свитера из нитрона так же теплы и мягки, как и сделанные из верблюжьей шерсти. Изделия из него после стирки не нужно гладить.

478


Цепочка полимера, «собранного» из многих мономеров, в свою очередь может принять уже три различные формы.

Боковые группы (Cl, CN, CH3 и др.) «смотрят» в любые стороны как попало. Такие полимеры называют атактическими. Все боковые группы «направлены» в какую-либо одну сторону. Такие цепочки легко укладываются параллельно друг другу и способны образовывать полимеры, напоминающие вещества с частично кристаллической структурой. Их называют изотактическими. Наконец, полимеры, боковые группы в которых располагаются по обеим сторонам, но в каком-то определенном порядке чередования, называют синдиотактическими.

Полимеры могут состоять не из одинаковых, а из разных мономеров, которые также соединяются друг с другом в цепочки в полном беспорядке или в каком-то определенном порядке. У таких полимеров в качестве боковых отростков на месте отдельных атомов или групп атомов могут быть присоединены мономерные и даже полимерные молекулы.

Мы видим, какое огромное количество вариантов цепочек можно составить, имея в своем распоряжении столь богатые возможности, комбинировать порядок расположения атомов и групп атомов в пределах мономеров, а сами мономеры - в цепочке всего полимера! И каждое изменение в структуре полимера означает какое-то определенное изменение механических или иных его свойств.

«ШВЕЙНАЯ ФАБРИКА» ГИГАНТСКИХ МОЛЕКУЛ

Молекулы-мономеры сами собой в длинные цепочки не соединяются. Чтобы заставить их соединяться в полимер, нужно «ввернуть» в молекулу по какому-то особому «крючочку». Для этого существуют две основные химические реакции: поликонденсация и полимеризация. Эти реакции протекают при различных условиях: одни при нагревании, другие при очень низких температурах. Приходится применять то высокие, то низкие давления и катализаторы-инициаторы. Только в результате энергичного воздействия исходные мономеры перестраиваются, расположенные на их концах атомы приобретают способность связываться, сцепляться с другими атомами, как сцепляется на сортировочной станции поезд: вагон за вагоном.

Структуры полимерных цепочек: а) атактические; о) изотактические; в) снндиотактические.

ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ

Процесс поликонденсации - сложная химическая реакция, в ходе которой от так называемых функциональных групп, расположенных на концах мономеров, отщепляются не очень прочно удерживаемые ими отдельные атомы или даже их целые группы. Этим поликонденсация отличается от полимеризации, при которой исходные вещества превращаются в конечный продукт без всяких «отходов».

К таким функциональным группам в молекулах органических веществ относятся аминогруппа NH2, от которой легко отрывается атом водорода, и карбоксильная группа СООН, от которой отрывается уже гидроксильная группа ОН. Когда молекула с карбоксильной группой на одном или на обоих концах встречается с молекулой, наделенной аминогруппой, тоже на одном или на обоих концах, то отрывающийся от аминогруппы атом водорода получает возможность соединиться с группой ОН, отрывающейся от карбоксильной группы. Образуется молекула воды. При этом у первой молекулы освобождается связь при атоме углерода,

479


Полимерные цепочки, состоящие из мономеров, можно составлять различно: а) в полном беспорядке; б) в какой-либо строгой последовательности; а) группами (блоками); г) присоединением боковых веточек; а) перекрещивающимися ветвями.

я у второй - при атоме азота. Через эти связи молекулы и получают возможность смыкаться друг с другом в длинные цепочки.

Если у каждого исходного мономера лишь одна функциональная группа, то попарным соединением друг с другом этих молекул все и кончается. Такой тип химической реакции называется конденсацией. Если же мономер содержит не менее двух функциональных групп, появляется возможность последовательного присоединения к получающейся цепочке все новых и новых звеньев. Это уже поликонденсация (рис. 1 - цв. табл.).

Поликонденсация идет сравнительно медленно и, кроме того, не позволяет «выращивать» очень длинные молекулы. К счастью, для создания многих полимеров, например нейлона, вполне достаточно молекул с молекулярным весом от 10 000 до 20 000.

Методом поликонденсации получают смолы, применяемые как связующие вещества при производстве фанеры, электроизоляционных изделий, плит и изделий из прессованных древесных опилок. Поликонденсация дает нам полимеры, из которых получаются исключительно прочные волокна - капрон и лавсан. Из капрона делают почти невесомые чулки, прочные мужские носки, шубы и многое другое. Однако большее значение имеет техническое применение капрона. Изготовленные из него морские канаты в несколько раз прочнее самых лучших пеньковых, очень эластичны и не рвутся при рывках. Рыболовные сети из капрона не намокают и не гниют. Делают из него и особенно прочную кордовую ткань для автомобильных и самолетных шин, резервуары для нефти емкостью до 600 т. Караваны таких «танкеров» можно буксировать но воде одним судном. Капроновые шестерни меньше изнашиваются, чем металлические, и совершенно бесшумны в работе.

Лавсан получают из терефталевой кислоты и этиленгликоля. Это белоснежное и мягкое, как пух, шелковистое волокно, напоминает первоклассную шерсть, а по своим качествам значительно превосходит ее. Из лавсана делают высокопрочный шинный корд, невоспламеняющиеся транспортерные ленты (особенно нужны они во взрывоопасных угольных шахтах), приводные ремни, химические фильтры, изоляцию. Из него вырабатывают не пропускающие воду брезенты, пожарные рукава, складные лодки и байдарки, палатки, шланги, паруса, специальную одежду для рыбаков и трактористов.

Из лавсана получаются превосходные пленки, которые почти не пропускают газа и более

480


Таблица к статье «Полимеры»

1. Две молекулы гексаметилендиамина и адипиновой кислоты, соединяясь в цепочку, высвобождают молекулу воды Н - О - Н. В результате непрерывного роста цепочки образуется полимер нейлона-66. S. Свободный радикал Н - О, получаемый при расщеплении перекиси водорода, имеет одну свободную валентную связь, через которую он и соединяется с мономером акрилонитрила. При этом свободная валентная связь перемещается на конец мономера. Мономер акрилонитрила получает возможность присоединить к себе другой такой же мономер, а переместившаяся на конец этого мономера свободная валентная связь - присоединить к образующейся цепочке третий мономер и т. д. Процесс непрерывного увеличения длины цепочки мономера прекращается лишь тогда, когда две такие цепочки соединяются друг с другом своими свободными валентными связями.

прочны, чем алюминиевая фольга одинаковой с ним толщины. Их широко применяют для изоляции электрических проводов, упаковки пищевых товаров, для изготовления баллонов, в которых хранят газы и жидкости.

ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ

В процессе полимеризации получаются гигантские молекулы-цепочки из сотен тысяч и даже миллионов составных звеньев. Если в поликонденсации участвуют молекулы и на концах у них заранее заготовлены «крючочки», с помощью которых они соединяются в цепочки полимера, то в процессе полимеризации эти «крючочки» создаются лишь в тот момент, когда каждый мономер становится на свое место в цепочке (рис. 2 - цв. табл. к стр. 480).

Мы уже говорили, что не все мономеры сразу, без предварительной подготовки, пригодны для создания полимеров. Поэтому чаще всего их приходится предварительно перестраивать и только после этого приступать к «сшиванию» в длинные цепочки.

Чтобы уяснить, как все это происходит в действительности, последовательно рассмотрим процесс создания синтетической пластической массы политетрафторэтилена, или фторопласта (тефлона). Это один из самых сложных процессов. Он наглядно покажет методы и приемы, к каким приходится прибегать современной химии высокомолекулярных соединений (цв. табл. к стр. 488).

Химики заранее задались целью получить вещество, которое обладало бы сочетанием свойств, не встречающихся в природе. В качестве исходного вещества был взят газ метан. Чтобы конечный продукт был теплостоек, устойчив к самым сильным химическим реактивам и обладал многими другими достоинствами, атомы водорода в нем нужно заменить атомами фтора. Для этого метан подвергают действию хлора. В ходе химической реакции из молекулы метана удаляются три атома водорода и на их место становятся три атома хлора. Вместо молекулы метана образуется молекула хлороформа CHCl3. Один атом водорода еще сохраняется. Хлороформ подвергают воздействию фтористого водорода. Из молекулы хлороформа удаляются два атома хлора, и на их место становятся два атома фтора. Образуется молекула дифторхлорметана CHF2Cl.

Итак, атомы фтора заняли в молекуле метана место атомов водорода. Сейчас уже можно

приступить к созданию тетрафторэтилена - исходного мономера, необходимого для постройки цепочки задуманного полимера.

Остается удалить из новой молекулы «вспомогательный» атом хлора и атом водорода, которые тяготеют друг к другу и стремятся соединиться в молекулу HCl. Но это может произойти лишь в ходе взаимодействия двух молекул дифторхлорметана, так как иначе в них остались бы свободные (ненасыщенные) связи у атомов углерода:

Заготовка исходного вещества закончена. Можно приступить к «сшиванию» полученных мономерных молекул в политетрафторэтилен. Процесс полимеризации проводят под высоким давлением в присутствии катализатора, например перекиси водорода.

Полученный полимер - белая твердая масса - обладает необыкновенными свойствами и сохраняет их в очень широких температурных пределах, от −60° до +300°.

На фторопласт не действуют ни щелочи, ни кислоты. Его не растворяет даже так называемая «царская водка» (смесь соляной и азотной кислот), разъедающая золото и платину. Поэтому фторопласт, который иногда называют «органической платиной»,- идеальный материал для изготовления химической посуды, труб и аппаратуры. Кроме того, пока это самое скользкое вещество в мире. Брошенная на стол пленка из фторопласта может буквально «стечь» на пол. Если скользящую поверхность лыж подбить такой пленкой, скорость спуска с горы резко увеличивается. Фторопластовые подшипники в некоторых приборах и машинах могут работать бесконечно долго без всякой смазки! Фторопласт - прекрасный диэлектрик, обладающий к тому же исключительно высокой теплостойкостью. Защищенные им электрические провода и обмотки могут выдерживать перегрев до 400° (температура, при которой плавится свинец). Единственный недостаток полимера - трудность и сложность переработки его в изделия - пленки, волокна.

481


СЕКРЕТ ПРОЧНОСТИ

Молекулы органических веществ, образовав длинные цепочки из десятков и сотен молекул-мономеров, приобретают необычную прочность. Происходит это из-за исключительной «цепкости» атомов углерода. Возьмем цепочку уже

знакомого нам полиэтилена. Ее метиленовые звенья прочно «сшиты» между собой валентными связями углерода. В свою очередь метиленовые звенья двух соседних молекул тоже притягиваются друг к другу, но довольно слабо. Чтобы разорвать валентную связь между двумя углеродными атомами, нужно затратить примерно в 160 раз больше энергии, чем для того, чтобы переместить относительно друг друга два соседних метиленовых звена. Поэтому оторвать одну от другой обычные малые молекулы, например расплавить вещество, которое они образуют, или просто разъединить их механическим путем куда легче, чем разорвать самое молекулу.

А вот в гигантской молекуле все происходит иначе. Чтобы переместить две такие молекулы друг относительно друга, нужно силу притяжения двух метиленовых звеньев умножить на общее количество таких звеньев во всей цепочке полимера. А их может быть несколько десятков тысяч. В этом случае куда легче разорвать самое молекулу, чем оторвать друг от друга две молекулы полимера.

Выше речь шла главным образом об одной, отдельно взятой гигантской молекуле. Но в любом, даже ничтожно малом, количестве вещества их превеликое множество, и от того, как они располагаются друг относительно друга, зависят и свойства вещества. Цепочки могут располагаться прямолинейными параллельными пучками, вроде проводов в телефонном кабеле. Тогда вещество приобретает свойство прочных эластичных волокон или очень гибкого твердого тела. Если же молекулы свернуты в клубки, вещество приобретает способность сильно растягиваться и вновь сокращаться, вроде всем хорошо знакомых изделий из каучука.

В зависимости от этого в них проявляются самые необычные и неожиданные сочетания физических свойств. Они могут одновременно счастливо сочетать в себе упругость, свойственную газообразным веществам, текучесть и несжимаемость, присущие жидкостям, сопротивляемость любому изменению формы, характерную для твердых тел.

Например, некоторые полимеры способны течь, как и жидкости, и одновременно обладают огромной вязкостью, в миллионы раз большей, чем очень вязкие вещества, например масла. При медленном механическом воздействии на них такие полимеры весьма податливы, легко деформируются и как бы текут. При более быстром воздействии они сопротивляются, как самая упругая резина, а при ударе ведут себя, как твердое тело.

СТЕКЛО, КОЖА ИЛИ РЕЗИНА?

Все полимеры можно разделить на две большие группы: полимеры, имеющие аморфную структуру, такую, как, например, стекло, и полимеры с частично кристаллической структурой.

В аморфных полимерах молекулярные цепочки переплетены друг с другом в самых причудливых комбинациях. Такие полимеры используют для получения различных веществ - от искусственной кожи и резины до органического стекла. Иначе говоря, они могут обладать свойствами и стекла, и резины, и кожи. Однако эти их свойства существуют только при обычной, комнатной температуре. Резина, если ее заморозить до температуры -80°, разлетается при ударе, как стекло. Если же стекловидную пластмассу начать нагревать, то она становится сначала мягкой и гибкой, как кожа, затем приобретает свойства резины, а при даль-

482


нейшем нагревании окончательно теряет свою форму и превращается в тягучую вязкую жидкость.

Нужно заметить, что при нагревании полимеры никогда не переходят в парообразное состояние, как вода или другие жидкости. Этому препятствуют большая длина их молекул и сильное притяжение молекул друг к другу в расплавленной массе. Однако жидкий полимер - это не обычная жидкость. Его текучесть определяется не способностью каждой отдельной молекулы скользить вдоль другой, как у обычных жидкостей, а способностью всей совокупности отдельных звеньев длинных молекулярных цепочек скользить вдоль других. Следовательно, вязкость полимера зависит главным образом от длины его молекул.

Многие полимерные вещества в таком состоянии легко превратить в любое готовое изделие путем прессования. При выдавливании их через тончайшие отверстия получаются длинные нити, из которых затем изготовляют волокно и ткут ткани. Так ведут себя высокомолекулярные вещества с линейными или линейно-разветвленными молекулами - термопластические полимеры, т. е. такие, которые можно повторно размягчить и формовать в нужные изделия.

Иначе ведут себя термореактивные полимеры. При их нагревании между соседними молекулами образуются многочисленные связки, препятствующие взаимному скольжению цепочек полимера, и он необратимо твердеет.

Еще более частое расположение таких связок позволяет полимеру сохранять стекловидное состояние до температуры, при которой вместо размягчения сразу начинается его разложение. Так ведет себя при нагревании, например, бакелит.

Ко второй группе относятся полимеры, структура которых частично напоминает структуру кристаллических тел. Эти свойства приходятся на те участки полимера, где все короткие отрезки большого числа длинных молекул улеглись параллельно друг другу. Такие островки порядка в море беспорядка можно обнаружить при помощи рентгеновских лучей. Расположенные между ними звенья образуют аморфные участки полимера. Они служат как бы своеобразным клеем, скрепляющим мелкие кристаллики вещества полимера в твердое тело.

Свойства частично кристаллических полимеров изучены еще сравнительно мало. Установлено, что при повышении температуры они

не приобретают свойств резины или кожи, утрачивая только хрупкость, но не твердость. Закристаллизовавшиеся участки не дают изделию изменить приданную ему форму. Твердость таких полимеров зависит от количества кристаллических участков. Однако аморфные участки придают веществу достаточную упругость, что особенно полезно в тех случаях, когда изделие подвергается ударным нагрузкам.

Некоторые природные полимеры (шерсть, шелк, хлопок) потому и обладают высокой прочностью, что их молекулы определенным

Будет ли полимерное вещество обладать способностью повторно размягчаться и формоваться в новые изделия или же необратимо твердеть, зависит от взаимного расположения полимерных цепочек. При линейно-разветвленном расположении мономеров получаются так называемые термопластические полимеры ( а); при поперечных связях с соседними цепочками - термореактивные полимеры ( б).

483


образом ориентированы в пространстве. Когда такую ориентацию удается осуществить в синтетических волокнах, их прочность приближается даже к прочности стали.

У ИСТОКОВ ВЕКА ПОЛИМЕРОВ

Изменяя состав исходных мономеров, порядок их чередования в гигантских молекулах, условия синтеза и последующей обработки полученных материалов, можно практически неограниченно изменять свойства полимера: от легко воспламеняющихся до совершенно негорючих и жаростойких; от растворимых в воде до отталкивающих влагу; от хрупких и тяжелых, как металл, до эластичных и гибких, как каучук, или в десятки раз более легких, чем вода.

В этой сложной области органической химии ученым предстоит решить еще очень и очень много загадок. Сейчас в распоряжении химиков более 40 видов исходных органических мономеров. Может показаться, что это не так уж много - 40 видов. Но из этих «кирпичиков» получают бесконечное количество синтетических веществ - волокон, смол и пластических масс. Каждый день приносит нам все новые и новые открытия, новые материалы.

Вот, например, каучук. Известен лишь один вид природного каучука - изопреновый. Его молекула имеет такой вид:

Цепочка полимера природного каучука образована примерно из 15 000 молекул изопрена.

Как образуются углеводородные цепи природного каучука, ученые пока еще не знают, но химики стремились создать синтетический каучук со структурой, близкой к природному. Именно такой каучук, марки «СКИ», создан советскими учеными.

У резины, изготовленной из натурального каучука, целый ряд недостатков. Она разбухает в бензине, боится масла, разрушается при нагревании выше 120°. Но химики создали много сортов искусственных каучуков, устойчивых к действию бензина и масла, глубокого холода и температур выше 100°, например полибутадиеновый «СКД» (рис, 1 -цв. табл. к стр. 481). Недавно полученный полиуретановый каучук химически совершенно не похож на естественный. Он настолько износоустойчив, что изготовленные из него шины, по-видимому, смогут пережить автомобиль.

Из стеклянного волокна или ткани, связанной эпоксидными смолами, прессуются корпуса автомобилей, лодок, кораблей, детали изделий и шахтного оборудования и даже... спиральные пружины, которые по своей прочности, выносливости и упругости превосходят стальные.

Существуют полимерные клеи, способные склеивать все, что угодно, например резец с державкой. При перегрузке чаще лопается резец или державка, чем место склейки. Поверхность склейки, равная всего 20 см², способна уже через полчаса выдержать вес легкового автомобиля с тремя пассажирами. Подобные клеи применяются для «шитья» одежды, склейки корпуса и крыльев самолета и даже для строительства металлических клееных мостов!

Из смеси некоторых полимерных клеев, изготовленных на базе фурфурола и песка, получается отличный легкий, быстротвердеющий,

Новоселы семьи полимеров

Полиорганометаллосилоксаны...

Какое мудреное название! Впрочем, для химии это не редкость. Если же говорить о качествах этих новых полимеров, то они обещают многое. Вы уже знакомы с кремнийорганическими полимерами. Они стоят на грани двух химических миров - органического и неорганического. В молекулах этих полимеров вместе с углеродом присутствуют также атомы кремния и кислорода. Это придает полимеру очень важное свойство - жаростойкость. Кремнийорганические лаки, например, выдерживают температуру 300-400°.

А что, если в неорганическую часть молекулы ввести, помимо кремния, и другие элементы: алюминий, титан, бор? Очень заманчиво!

И вот уже созданы новые полимеры - их-то и называют полиорганометаллосилоксанами. В молекулярной цепочке таких полимеров находятся звенья: кремний - кислород - алюминий, кремний - кислород - титан, кремний - кислород - бор и др. Идя по этому пути, наши химики создали так называемые циклолинейные полимеры с очень интересными свойствами. Они не плавятся до температуры 500-600°!

484


влагостойкий бетон, прочный и на сжатие и на растяжение, не нуждающийся в армировании сталью. Он не боится огня, кислот, щелочей, морской воды, времени, не нуждается в окраске.

Так же необычен и «твердый» бензин. Он заключен в блоки из миниатюрных пластмассовых сот с очень тонкими стенками. Его можно перевозить и хранить открытым, он не испарится и не вспыхнет. Перед употреблением бензин из полимерного блока выжимают, как воду из губки, небольшим ручным прессом.

Но и это еще не все. Зная законы образования полимеров, можно изменять свойства высокомолекулярных соединений совсем уже необычными способами. Допустим, в полимер, не обладающий высокой температурной стойкостью, удалось ввести еще один теплостойкий мономер, который нарушил первоначальную однообразную структуру цепочки. В результате получился так называемый сополимер, т. е. как бы двойной полимер, обладающий уже высокой теплостойкостью. Чередуя определенные количества мономеров одного вида с тем или иным числом мономеров другого вида, можно получить сополимеры с самыми различными, порой даже неожиданными свойствами, например: с очень большой сопротивляемостью различным растворителям, высокой прочностью, гибкостью, растяжимостью, долговечностью.

Для создания полимеров применяют и методы прививки примерно так, как это делается в садоводстве (рис. 2 - цв. табл. к стр. 481). К какому-либо мономеру, входящему в качестве звена в цепочку основного полимера, сбоку присоединяется мономер, являющийся начальным звеном цепочки другого полимера. Для такой операции из молекулы-мономера тем или иным способом удаляют какой-либо из атомов, обычно атом водорода, а на освободившиеся места наращивают боковые цепочки. Прямолинейная гигантская молекула начинает ветвиться, как дерево. Но ветви эти имеют особый, отличный от нее состав, и весь полученный таким путем полимер приобретает совершенно новые свойства.

Так можно, например, «привить» ветку полистирола к цепочке молекул целлюлозы. Последняя жадно впитывает воду, а полистирол отталкивает ее. В результате материалы, изготовленные из такой «привитой» целлюлозы, приобретают способность отталкивать воду. Это весьма важно для тканей, идущих на изготовление палаток, плащей, складных лодок и т. д. Сколько огорчений и неприятностей вызывает вид помятой одежды, плохо выглаженного

белья, сколько полезного времени отнимает их утюжка! «Прививая» молекулы акрилонитрила к молекулам целлюлозы, можно получать волокна для немнущихся тканей.

Некоторые полимеры обладают ценными свойствами полупроводников (см. ст. «Полупроводники»). Такие вещества очень нужны для современной радиоэлектроники, приборостроения, космической навигации.

И В ОГНЕ НЕ ГОРИТ...

Действие некоторых фантастических романов развертывается на планетах, где температура достигает нескольких сот градусов, где текут реки из расплавленного камня, а населяющие эти планеты живые существа выдерживают подобную жару.

Так могло, пожалуй, быть, если бы в составе живой материи - молекул органического вещества - место атомов углерода заняли атомы кремния. Все, что в природе связано с этим элементом, например кварц, песок, отличается высокой теплостойкостью.

Конечно, создать живую материю на основе кремния еще никому не удавалось. Но ввести в некоторые органические полимеры атомы кремния ученым удалось еще лет 30 назад. Тогда впервые были получены полимеры-гибриды из углеводородных и кислородных соединений кремния, т. е. органических и неорганических веществ, что впоследствии привело к идее создать действительно ни на что не похожие полимеры.

Современная промышленность нуждается в электрических двигателях, которые развивали бы большую мощность при очень небольших размерах. Этого можно достигнуть, увеличив сверх нормы силу электрического тока, пропускаемого через обмотки двигателей, что неизбежно ведет к их резкому перегреву. Поэтому потребовалось разработать совершенно новые изоляционные материалы, способные выдерживать очень высокую температуру.

Получить такие материалы долго не удавалось. Вместо них химики получили содержащие кремний жидкости. Для них тоже нашлось применение: они оказались отличными смазочными маслами, которые выдерживали очень высокую температуру. Примерно к 1945 г. были получены первые содержащие кремний каучуки, а затем и смолы.

В молекулах органических веществ атомы углерода соединяются валентными связями не-

485


посредственно друг с другом. В кремнийорганических соединениях атомы кремния соединены между собой через атомы кислорода. Поэтому их и назвали силоксанами (от латинских слов «силициум» - кремний и «оксигениум» - кислород) (рис. 3- цв. табл. к стр. 481).

Силоксаны, как и органические мономеры, способны соединяться в длинные цепочки. При этом в зависимости от исходного состава участвующих в этом мономеров, а также по мере удлинения молекулы сначала получаются жидкие полимеры, затем вязкие смолы, потом каучуки и, наконец, твердые вещества. Если цепочки кремнийорганических полимеров связаны между собой еще и перемычками, они образуют структуру, отличающуюся особой прочностью.

Получать кремнийорганические полимеры можно несколькими путями, в том числе и обычными для органических полимеров, т. е. поликонденсацией и полимеризацией. И хотя эта отрасль химии высокомолекулярных соединений зародилась относительно недавно, ее вклад в науку и технику уже сейчас весьма велик и продолжает расти с каждым днем.

Возьмем для примера кремнийорганические смолы. На их основе удалось создать краски, которые отлично предохраняют бетонные и каменные сооружения от действия влаги и разрушения. Силоксановыми и силиконовыми красками и лаками окрашивают нагреваемые до высоких температур печи, трубопроводы, которые раньше вообще не окрашивались, так как любые краски на них разлагались или выгорали.

Силиконовыми смолами пропитывают ткани из стеклянного волокна. Эти ткани используют для изоляции деталей электрических машин. Электрический двигатель с кремнийорганической изоляцией обмотки работает даже будучи погруженным в воду.

Особенно удивительные качества приобретают получаемые на основе кремнийорганических полимеров каучуки. Никакая автомобильная покрышка, изготовленная из естественного или синтетического каучука, не может выдержать в рабочих условиях изменения температуры от -60° до +130°. А некоторые сорта силиконовой резины выдерживают нагрев даже до 350°!

Кремнийорганический каучук очень теплостоек, но плохо переносит действие бензина и масла. Однако если в изготовленные из него пленки ввести соответствующий органический мономер (например, акрилонитрил) и воздействовать на них сильным гамма-излучением,

то к кремнийорганическому полимеру «привьются» боковые веточки полиакрилонитрила. Получится каучук и теплостойкий, и устойчивый против действия бензина и масел.

Многие приборы (вентили, части насосов и т. д.), через которые проходят горячие и едкие жидкости, нуждаются в смазке. Никакие масла, жиры, тавоты для этого непригодны. А водоотталкивающая, теплостойкая, прочно удерживающаяся на рабочей поверхности кремнийорганическая эмульсия прекрасно справляется с этой задачей.

Кремнийорганическая смазка, нанесенная тонким слоем на окна самолета или автомобиля, длительное время предохраняет стекло от смачивания водой, запотевания, обледенения. Если вылить воду из посуды, покрытой тонким слоем кремнийорганической смазки, на стенках не останется ни капли жидкости. Это очень важно для некоторых химических производств и лабораторных экспериментов.

Очень ценны кремнийорганические соединения в тех случаях, когда нужно предотвратить прилипание одного вещества к другому независимо от того, будут эти вещества в холодном, теплом или горячем состоянии. В литейном производстве долгое время был большой производственный брак оттого, что формовочная смесь прилипала к стенкам моделей, а расплавленный металл - к изложницам. Когда модели стали покрывать силиконовыми смазками, брак был устранен. Применяются эти смазки и в производстве резиновых изделий: смазкой покрывают внутреннюю поверхность труб и аппаратуры, по которым проходят липкие жидкости.

В некоторых производствах образование пены - серьезный, даже опасный недостаток. Образуется она от незначительной примеси белков, моющих веществ и других так называемых поверхностно-активных веществ, концентрирующихся в виде тончайших пленок на границе между воздухом и жидкостью. Если кипящую жидкость перемешивать, количество пены резко увеличивается.

Существует много способов уничтожения пены: механические (вращающиеся диски, центрифуги), химические (добавления касторового масла). Однако все они дороги, недостаточно эффективны, а главное, больше препятствуют образованию новой пены, чем уничтожают старую. И лишь кремнийорганические вещества радикально устраняют эту неприятность, причем требуемое для этого количество примеси весьма невелико: от одной до 25 частей на миллион!

486


Ученых заинтересовала и такая проблема: если органическое полимерное вещество можно сшить с неорганическим полимером, содержащим кремний, то почему бы не попытаться сделать это и с металлами?

Попытка принесла блестящий успех. Полистирол, «привитый» к металлическому порошку, дал сополимер, по свойствам похожий и на металл и на пластик. Из него можно штамповать любые изделия, обычно изготовляемые из металла.

Появились полимеры, в молекулы которых входят атомы кремния, кислорода и металлов -алюминия, бора, кобальта. Такие металлоорганические полимеры особенно интересны тем, что обещают поднять «потолок» устойчивости к высоким температурам. Многие современные отрасли техники уже перестали удовлетворяться даже чудесными свойствами кремнийорганических полимеров, выдерживающих температуру в 350-450°. Нужны материалы, которые могли бы длительное время работать при температурах 600-1000° и выше! А ведь с каждым годом эти требования будут все повышаться.

Таковы лишь немногие области применения кремнийорганических полимеров. Но и их достаточно, чтобы представить себе увлекательные перспективы, открывающиеся здесь перед наукой и техникой ближайшего будущего.

Сейчас химия высокомолекулярных соединений способна получать материалы с заранее заданными свойствами - «выкроенные» и «сшитые» по заказу. Но достижения сегодняшней химии полимеров - лишь первые ее шаги.

Именно в этой области человек сможет в полной мере развернуть свои силы и возможности для создания «второй природы» - веществ, каких еще не было и нет. Человеку рано или поздно удастся приблизиться к тому удивительному совершенству, с каким живой организм строит свои гигантские молекулы.

Сады в пластмассе

В пустыне нельзя вырастить сад. Там много тепла и света, есть и вода, но она скрыта глубоко под слоем песка. В сухом, бесплодном песке нет питательных солей и не удерживается влага. Растения жить не могут.

В одной из пустынь Кувейта на Аравийском полуострове недавно удалось вырастить сад в необыкновенной почве: ямы в песке, приготовленные для посадки деревьев, были за-

полнены пенистой пластмассой. Новый вид искусственной почвы обладает способностью удерживать воду и минеральные соли, необходимые для питания растений. Все саженцы принялись. Быть может, такая искусственная почва из пластмассы поможет в будущем вырастить зеленые цветущие сады в безжизненных, мертвых пустынях, а их на нашей Земле немало - почти 20 млн.км².

ПОЛИМЕРЫ БУДУЩЕГО

Химия полимеров - новая область науки. Она быстро развивается и в будущем даст много открытий, приведет к созданию неизвестных сейчас материалов. Некоторые из них будут совершенно неожиданными, появление других можно предсказать уже сейчас. Полимеры будущего должны обладать многими замечательными качествами, но особенно важны полимеры с высокими механическими свойствами.

ПОЛИМЕРЫ - СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

Авторы научно-фантастических романов рисуют нам конструкционные материалы будущего, в которых сочетаются лучшие свойства известных материалов - прочность стали, прозрачность стекла и в то же время упругость и стойкость к ударам, присущие лучшим пластикам. Возможно ли создать такие материалы, И какие пути ведут к этому?

Из трех перечисленных материалов наиболее прочны силикаты (стекло), но они хрупки; металлы тяжелы и непрозрачны; пластики упруги, но недостаточно прочны. Уже давно предпринимаются попытки сочетать в одном материале лучшие свойства двух веществ - стекла и пластика. Для этого стекло вытягивают в тонкие нити, из нитей готовят ткани или подобие войлока и пропитывают жидким веществом, способным со временем или при нагревании превращаться в упругий полимер. Таким образом, прочность создается стеклянными нитями, а упругость - пропиты-

487


Уже сейчас возможно получать полимерные нити с прочностью хорошей стали.

вающим полимером. Эти замечательные материалы называются стеклопластиками и широко применяются в авиации, судостроении, для изготовления труб, мебели. В будущем прочность стеклопластиков увеличится еще больше благодаря повышению прочности стеклянных нитей.

Но еще более интересный путь - замена стеклянных нитей нитями из синтетических полимеров. Уже сейчас можно получать полимерные нити с прочностью до 150 -170 кг/мм², т. е. с прочностью хорошей стали. Плотность таких нитей в 7-8 раз меньше, чем у стали, и, таким образом, на единицу веса они во много раз прочнее металла. В недалеком будущем удастся получить еще более прочные искусственные волокна. Применяя их вместо стеклянных волокон, химики создадут новые материалы легче и прочное стали.

Вся эта группа материалов, состоящих из различных волокон и полимера-связующего, называется армированными пластиками. Пока они с трудом перерабатываются в изделия, но, когда освоят

Есть полимерные материалы, которые отличаются необычайно высоким сопротивлением к истиранию и износу. Шины, сделанные из них, проходят сотни тысяч километров.

их обработку на машинах, армированные пластики станут важнейшим конструкционным материалом.

Существует возможность получить подобные материалы, не вводя в полимер стеклянные или другие волокна. Некоторые полимеры, кристаллизуясь, образуют длинные и тонкие кристаллы, очень похожие на волокна. Такие кристаллики могут играть ту же роль, что и волокна в армированных пластиках. Полимеры, кристаллизующиеся таким образом, тоже замечательно сочетают в себе прочность и упругость. Примером такого самоармирующегося полимера являются поликарбонаты. Они пока дороги и применяются только в специальных случаях, но им принадлежит большое будущее.

Уже сейчас есть полимерные материалы, которые отличаются необычайно высоким сопротивлением к истиранию и износу. Шины, сделанные из них, проходят сотни тысяч километров. Основой для этих полимерных материалов служат пока еще дорогие и редкие полиуретанэфиры. Но, несомненно, разработают более простую технологию, и неизнашивающиеся полимеры прочно войдут в производство шин, покрытий полов, шлангов и любых трущихся изделий из резины. Удивительная способность этих полимеров сопротивляться износу вызвана тем, что в них не распространяются трещины; каждая маленькая трещина, являющаяся началом разрушения вещества, быстро залечивается. В любом месте повреждения эти полимеры быстро упрочняются, что препятствует дальнейшему распространению повреждения.

С помощью таких полимеров химики получат еще один класс полимерных материалов - прочные и очень легкие полимерные пены. Обычные полимерные пены применяются довольно широко и сейчас; они обладают легкостью и малой теплопроводностью. Но они непрочны и легко истираются. Если же приготовить пены из неистираемого полимерного вещества, то сфера их применения значительно расширится. Уже сейчас пены из полиуретанэфиров начинают широко использоваться в технике, для матрасов и мебели, для подкладки легкой и теплой одежды.

Однако прочность полимерных пен остается все же небольшой, и возникает желание их упрочнить. Мы знаем, что для упрочнения полимеров в них вводят волокна. Нельзя ли армировать и пены? Жесткими волокнами (стеклянными или даже обычными синтетическими) армировать пены нельзя: слишком велико различие их свойств. Пена будет легко растягиваться, а жесткие волокна растягиваться так не смогут и начнут от нее отрываться. Материал легко разрушится. Но если армировать пену упругими и прочными волокнами, которые растягивались бы так же, как и она сама, это затруднение исчезнет. Таким способом можно создать прочные, очень легкие и стойкие к износу пенные полимерные материалы.

ПОЛИМЕРЫ В ЖИЗНИ ЛЮДЕЙ

В будущем появится много новых полимерных материалов - легких, прочных, эластичных. Как же будут выглядеть одежда, обувь, жилища, предметы обихода, транспорт?

Мы привыкли одеваться в ткани и обычно уже не думаем, насколько сложно их изготовление. Сначала нужно получить волокна, из волокон сделать нити, пряжу, из нитей соткать ткань. Каждый процесс состоит из десятков отдельных операций, через многие

К статье «Полимеры будущего» Со временем создадут долговечные полимерные пленки, и тогда множество легких жилищ даже на далеком севере будут делать из пленок.

десятки машин пройдет каждое волоконце от коробочки хлопчатника до готовой ткани (см. т. 5 ДЭ, ст. «От волокна до ткани»).

Конечно, в будущем люди научатся получать материалы для одежды более простыми путями, и некоторые из этих путей уже наметились. Прежде всего, можно использовать тонкие слои полимерных пен. Они исключительно легки и хороши для теплой одежды. Сейчас пены еще недостаточно прочны и их применяют для утепления одежды в качестве подкладки. Когда удастся повысить их прочность, они станут самостоятельным материалом для одежды.

Необходимо, чтобы любой материал для одежды был пористым и мог пропускать воздух и пары влаги. Поэтому обычные сплошные пленки, вероятно, никогда не будут служить материалом для одежды, за исключением плащей и специальных защитных костюмов для работы с вредными веществами. Чтобы пленка «дышала», в ней надо проделать большое количество очень маленьких дырочек. От этого, конечно, уменьшится общая прочность пленки, однако если исходная прочность очень велика, то и оставшейся части будет достаточно для использования пленки в качестве основной ткани. А разнообразные полимерные пленки становятся все более и более прочными. В будущем прочность их станет достаточной и для изготовления своеобразной нетканой одежды из пленок с большим числом маленьких отверстий.

В основном же нетканые материалы для одежды будут получать и уже получают из беспорядочно перепутанных волокон, создавая нечто среднее между войлоком или фетром и бумагой. Чтобы эти ткани были и тонкими и одновременно достаточно прочными, их будут делать из очень прочных волокон. Кроме того, чтобы ткань не мялась, как бумага, волоконца должны быть еще и упруги и склеены друг с другом. Склеивающее вещество не должно образовывать сплошную пленку, иначе потеряется пористость, способность пропускать воздух и влагу. Значит, склейка должна быть точечной только в тех местах, где волоконца соприкасаются друг с другом. Это очень нелегкая задача, но она будет решена. Привычные нам ткани постепенно исчезнут и будут заменены различными неткаными изделиями.

Изменятся не только сами материалы для одежды. Изменятся и волокна, из которых делают ткани. Появятся очень прочные волокна. На первый взгляд может показаться, что прочность не так уж нужна одежде - ведь никто не будет носить одну и ту же вещь десятки дет. Она надоест, выйдет из моды, устареет прежде, чем износится. Но очень прочные волокна нужны и для нетканых изделий, и для смешения с другими волокнами, которые менее прочны, но обладают другими ценными свойствами.

Наиболее интересна комбинация из очень прочных и пористых волокон. Пористые волокна можно получить из полимерных пен. Они исключительно легки и хороши для теплой одежды, но не прочны и не могут применяться в чистом виде. В смеси же получатся замечательные легкие и теплые материалы, у которых несомненно большое будущее.

Синтетические волокна так быстро совершенствуются, что возникает вопрос: сохранятся ли в будущем

Из пленки, армированной упругими и прочными волокнами, можно создать очень легкие и стойкие к износу пенные полимерные материалы.

естественные волокна, какие, в каком количестве и в каком виде? Некоторые из природных волокон исчезнут, и очень быстро. В первую очередь естественный шелк. На его получение затрачивается громадный труд - в десятки раз больший, чем на производство искусственных волокон. Современные синтетические волокна уже превосходят природный шелк большинством своих свойств. Такая же судьба ожидает и лен. Искусственные волокна из целлюлозы уже сейчас очень близки к хорошему льняному волокну, а в будущем превзойдут его. Лен сохранится не из-за волокна, а из-за льняного масла, получаемого из его семян. Это масло перерабатывают в лучшую олифу для красок. Пока будут выращивать лен, сохранится и льняное волокно. Когда же найдут синтетические вещества для лакокрасочных покрытий, льняное волокно исчезнет окончательно.

Шерсть сохранит свое значение еще долгое время. У шерстяного волокна есть замечательное свойство - мелкая извитость, которая придает изделиям из него высокие теплоизолирующие свойства. Лишь совсем недавно удалось выяснить причину такой извитости. Оказалось, что каждое волокно шерсти состоит из мно-

Некоторые из природных волокон исчезнут, и очень быстро. В первую очередь натуральный шелк.

489


жества более мелких волоконец двух разных типов, склеенных друг с другом. Одни из них имеют круглое сечение, другие почти плоское. Неравномерное распределение этих волоконец по сечению волокна и создает такую мелкую извитость. Когда причина извитости стала ясна, появилась и возможность создать синтетические волокна такого же строения, а следовательно, с такими же свойствами. Но шерсть отличается еще и строением поверхности волокон, покрытых мельчайшими чешуйками, подобно змеиной коже. Именно эта особенность строения поверхности волокон шерсти обусловливает их способность сцепляться друг с другом, а это позволяет шерстяным изделиям хорошо сопротивляться истиранию. Вероятно, в будущем создадут синтетические волокна с такими свойствами. Но это дело очень далекого будущего. Шерсть послужит нам еще многие десятилетия.

Сохранится надолго и хлопок. Но применять будут только химически обработанные волокна. Уже сейчас поверхность хлопковых волокон покрывают очень тонким слоем синтетических полимеров. И хотя количество нанесенного вещества составляет лишь несколько процентов от веса хлопка, хлопковые волокна после такой обработки приобретают ряд ценных свойств, присущих обычно синтетическим волокнам: способность хорошо окрашиваться, не мяться и сохранять свою форму после стирки. Несомненно, в будущем удастся повысить их прочность и стойкость к износу, а может быть, создать и извитость, как у шерсти. Таким образом, хлопок останется, но в измененном, улучшенном виде. Его будут химически модифицировать.

На века сохранится и дерево - великолепный материал нашего времени. Но и его будут применять только в модифицированном виде. Древесину станут пропитывать мономерами - легкоподвижными жидкостями, проникающими в мельчайшие поры древесины и впоследствии превращающимися в полимеры. Это даст возможность сочетать прекрасные природные качества дерева с превосходными качествами пластиков. Дерево станет негниющим, не будет набухать в воде и трескаться при высушивании, станет прочнее и красивее.

Несомненно, в недалеком будущем создадут пластичную древесину, которая сможет приобретать нужную форму под прессом, как приобретают ее типичные пластики.

...И одежду, наверное, будут не шить, а склеивать.

Мебель, двери, оконные рамы начнут прессовать из такого модифицированного дерева. Химическая обработка поможет использовать малоценные, но быстрорастущие сорта деревьев.

Вероятно, гораздо шире, чем сейчас, будут использовать синтетический клей. Действительно, склеивание - это самый удобный способ соединять части любой конструкции, будь то мебель, машина или одежда. И сейчас есть очень прочные клеи, иногда они прочнее тех материалов, которые соединяют. Но дело не только в прочности клея или в его способности соединяться с материалами. Важно, что в тонком слое клея, отличающемся по своим механическим свойствам от склеиваемых материалов, как бы концентрируются те напряжения, те механические усилия, которые испытывает склеенное изделие. Часто поэтому слои клея разрушаются в первую очередь. В будущем удастся создать такие приемы склеивания, когда один материал постепенно будет переходить в другой. Для этого применят либо склеивающие промежуточные пленки, либо клей, проникающий глубоко в материал. Тогда клеями будут пользоваться гораздо шире, чем сейчас. И одежду, наверное, будут не шить, а склеивать. И тогда потребуется не распарывать, а удалять клей растворителем.

Непрерывно будет совершенствоваться и бумага. Она станет более прочной. В будущем для приготовления бумаги из древесины будут извлекать целлюлозу, почти ее не разрушая, во всяком случае разрушая гораздо меньше, чем сейчас. Чтобы получить очень прочную, эластичную, немнущуюся бумагу, в бумажную массу добавят синтетические волокна, а потом проклеят бумагу синтетическими полимерами. Такая бумага станет похожа на тонкую ткань. Так, вероятно, создастся непрерывный переход от бумаги к текстильным материалам, особенно нетканым, о которых уже говорилось. Конечно, в будущем бумагу станут использовать и для одежды, легкой, красивой, необычно дешевой. Такую одежду будут надевать один или несколько раз.

Изменится и вид жилищ. Полы уже сейчас покрывают эластичным материалом из полихлорвинила. В будущем стены и потолки будут делать из слоистых пластиков - слоев бумаги или ткани, пропитанных полимерным связующим. Такие материалы не только красивы - к ним не пристает пыль, они легко моются. Широко будут применяться и армированные пластики, особенно для легких зданий. Для легких построек будут использоваться тонкие и толстые пленки. Сейчас такие дома-палатки из пленки, натянутой на каркас, недолговечны. Их разрушает влага, ветер, солнце. Но со временем создадут долговечные полимерные пленки - пленки, которые станут служить в естественных условиях десятки лет. И тогда множество легких жилищ и в теплых краях, и на далеком севере будут делать из пленок!

Может быть, в будущем появятся и такие дома, что их и строить не придется. Для несущего каркаса химики изготовят очень прочные тонкие полимерные трубки, для простенков - хорошо сохраняющие тепло стены из полимерных гибких слоистых материалов с заранее вмонтированными окнами из прозрачных пластиков. Такой дом можно целиком изготовить на заводе. Его привезут в сложенном виде на место, накачают в трубки под большим давлением сжатый воздух. Трубчатый каркас расправится, приобретет необходимую жесткость, растянет стены, и, как в сказке, красивый, светлый, теплый и просторный дом вырастет сам.

490


Конструкторы рассчитали, что из такой трубчатой надувной арматуры можно будет возводить даже башни высотой более километра, а может быть, и выше. Чтобы снизить вес, каркас будут надувать водородом или гелием. Но прежде химикам придется создать высокопрочные и газонепроницаемые полимерные трубки.

ПОЛИМЕРЫ В МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ

Уже сейчас известны полимеры, в первую очередь полиакрилаты и полиамиды, которые способны как бы срастаться с тканями живых организмов. В будущем количество таких полимеров увеличится. А это даст возможность заменять поврежденные сухожилия, части кровеносных сосудов эластичными и прочными полимерными пленками или тканями. Возможна и замена зубов. Искусственный зуб с корнями, сделанный из твердого полимерного материала точно по форме удаленного зуба, сможет врасти на месте естественного зуба.

Не менее интересна и возможность склеивания сломанных костей полимерными клеями. Пострадавший сможет пользоваться поврежденным органом вскоре же после перелома, а клей со временем рассосется, заменяясь соединительной костной тканью. Наверное, широко будут применять искусственную кровь, которая сможет выполнять все основные функции крови и, главное, переносить кислород от легких ко всем тканям организма. Быть может, удастся решить и проблему искусственной почки. Почки очищают кровь от ненужных примесей. Для осуществления такого процесса нужно иметь полупроницаемую полимерную пленку, которая пропускала бы удаляемые примеси и задерживала бы остальные части крови. Когда удастся создать такие пленки - модели пленок, существующих в живых организмах, тогда можно будет перейти и к модели самого органа - почки.

Со временем люди научатся получать полимерные вещества, вырабатываемые только в организмах, в первую очередь ферменты, хотя бы простейшие. Такие синтетические полимерные вещества явятся важной группой лекарств. Они смогут влиять на разнообразные процессы жизнедеятельности так, как на них влияют ферменты, гормоны и другие биологически активные соединения. Научившись синтезировать подобные очень сложные по своему строению полимерные вещества, химики попытаются осуществить процессы, протекающие пока лишь в организмах. Наиболее важный из них - это фиксация азота, т. е. поглощение азота из воздуха и превращение его в различные химические соединения. Сейчас простейшим методом фиксации атмосферного азота служит получение аммиака реакцией между азотом и водородом при температуре около 400° и давлении 700 атм в присутствии катализатора. Более дорогой метод - получение соединений азота с кислородом в электрической дуге уже при совсем высоких температурах. А микроорганизмы осуществляют фиксацию азота при обычных температуре и давлении! И это происходит, несомненно, при помощи сложных полимерных катализаторов -ферментов. Когда ученые поймут весь механизм подобных процессов и научатся осуществлять их при помощи синтетических полимерных веществ, появится и новая область химии, основанная на использовании тех процессов, которые сейчас происходят только в живых организмах.

Среди созданных химиками полимеров есть и такие, которые, по-видимому, помогут перестроить систему земледелия и все сельское хозяйство.

Второй пример таких процессов - фиксация растениями углекислоты и ее превращение в первую очередь в углеводы. Этот процесс в растениях происходит под действием света в обычных условиях, но он, конечно, будет осуществлен при помощи синтетических полимеров, похожих на биополимеры.

Среди созданных химиками полимеров есть и такие, которые, по-видимому, помогут перестроить систему земледелия и все сельское хозяйство. С первого взгляда их роль и назначение очень скромны и незаметны: они просто обладают способностью изменять структуру тонко измельченных веществ, собирая и склеивая их частицы в более крупные комочки. Если вносить такие полимерные добавки в почву, создается комковая структура, а это очень повышает плодородие почвы. Возможно, в будущем химики найдут такие структурообразующие полимеры, которые позволят создать чрезвычайно благоприятные условия для корневого питания растений.

Все шире в химии будут распространяться полимерные реагенты. Уже сейчас существует

Комплексонные полимерные реактивы (иониты) смогут извлекать нужные металлы из растворов очень малых концентраций, даже из морской воды.

491


Возникнет множество полимеров, которые сейчас трудно предугадать, и полимеры станут так же необходимы людям, как ранее необходимы были камень и металлы.

громадное количество полимерных соединений, среди которых представлены почти все классы органических веществ. Есть полимерные кислоты и основания, полимерные спирты, альдегиды и кетоны, разнообразные ароматические и гетероциклические полимерные соединения. Они могут реагировать с другими веществами, подобно тому как происходят химические реакции в среде обычных низкомолекулярных веществ. Но здесь одним из продуктов происходящих реакций будет полимерное вещество. А полимерное вещество легко отделить от реакционной среды, и это создает новые химические возможности. Например, мы имеем соль какой-либо кислоты и хотим получить из нее самое кислоту. Можно прибавить к такой соли более сильную кислоту. Она вытеснит интересующую нас кислоту, но при этом получится смесь кислоты и образовавшейся соли. Разделить такую смесь обычно нелегко. Если же мы возьмем полимерную кислоту в виде зерен, пленок или волокон и пропустим через такую нерастворимую полимерную массу раствор соли, то

получится полимерная соль и чистая кислота. Мы обменили ионы водорода в полимерной кислоте на катионы соли и легко отделили полимерный реагент.

Такие полимерные реагенты - кислоты и основания - так и называются ионнообменными смолами. Они уже сейчас применяются достаточно широко. В будущем появится много разнообразных полимерных реагентов - окислителей и восстановителей. Чтобы окислить или восстановить какое-либо соединение, достаточно будет пропускать его через слой зерен или волокон полимерного реагента-электронообменника. Такое название дано этой группе веществ потому, что окисление или восстановление всегда связаны с обменом электронов.

Еще шире будет применяться другая группа этих реагентов - комплексонные смолы. Они способны образовывать комплексы с определенными металлами. Такие комплексонные полимерные реактивы в виде пленок или волокнистых материалов смогут извлекать нужные металлы из растворов очень малых концентраций, даже из морской воды. Ведь в будущем, когда богатые месторождения будут выработаны, придется извлекать металлы из более бедных месторождений. И новые полимерные реагенты дадут возможность построить иные методы добычи цветных и редких металлов.

Возникнет еще много новых типов полимеров. Светочувствительные полимеры, дающие сразу рельефное изображение, смогут применяться в фотографических и полиграфических процессах. Полимерные проводники и полупроводники, особенно плавкие и растворимые,- очень удобный тип электротехнических материалов. Полимерные электролиты станут неотъемлемыми частями химических источников тока- аккумуляторов, элементов и особенно топливных элементов, способных превращать химическую энергию топлива в электрическую. Ученые найдут стойкие и активные полимерные поверхностно-активные вещества, которые будут создавать и разрушать суспензии и эмульсии, регулировать испарение воды с поверхности водоемов. Возникнут полимерные вещества, способные обеспечивать идеальное скольжение или громадное сцепление поверхностей, т. е. фрикционные полимерные материалы. Возникнет множество полимеров, которые сейчас трудно предугадать, и полимеры станут так же необходимы людям, как ранее необходимы были камень и металлы.

ХИМИЯ ЖИЗНИ И ЗДОРОВЬЯ

Когда появилась потребность в химии как подлинной науке, объединяющей практические сведения о превращениях веществ, возник вопрос: чем конкретно она должна заниматься, в чем должна помогать людям?

Тогда же была сделана попытка ограничить задачи химии только помощью врачам в изготовлении всевозможных лекарств и снадобий. Но для неокрепшей науки такая задача была непосильной.

Связь между строением молекулы какого-либо вещества и действием ее на живой организм оказалась настолько сложной, что планомерная работа по изобретению лекарственных веществ, так называемая рациональная химиотерапия, стала возможной лишь при высоком уровне развития химической науки. Преждевременно было навязывать химии медицинские цели тогда, когда она только выходила из мрака алхимических подземелий.

492


ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ВЕЩЕСТВ НА ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ

О трудностях, особенно характерных для данной области химического синтеза, полезно составить наглядное представление, прежде чем знакомиться с ее удивительными достижениями.

Первая трудность состоит в том, что живой организм оказывается очень разборчивым даже к самым незначительным изменениям в строении молекулы вещества. Вот характерный пример.

К числу веществ, молекулы которых существуют в виде двух оптических изомеров, похожих друг на друга, как предмет на свое отражение в зеркале, относится адреналин. Иначе говоря, существует не один, а два адреналина: «левый» и «правый» (рис. 1- цв. табл. к стр. 497). Оба имеют одну и ту же структурную формулу, одинаковы по внешнему виду, у них один и тот же удельный вес, одна и та же точка плавления, растворимость и пр. И все же это два различных вещества, и они по-разному действуют на живые организмы.

Адреналин играет очень важную роль в химическом «хозяйстве» живых организмов - животных и человека. Его широко применяют врачи при падении кровяного давления, ослаблении деятельности сердца и во многих других случаях. Адреналин был синтезирован химиками спустя всего 4 года после его выделения в виде бесцветных кристаллов из надпочечников быка. Но действие синтетического адреналина оказалось намного слабее, чем природного. Почему? Потому, что при химических реакциях получаются и «левые» и «правые» его молекулы, причем те и другие в одинаковом количестве. Действуют же на симпатическую нервную систему практически только молекулы одного вида.

Еще более разительный пример представляет самый популярный из витаминов - витамин С. Его химическое название - аскорбиновая кислота. И она существует в двух формах: «левой» и «правой». В плодах шиповника вырабатывается «левая» аскорбиновая кислота, она и поступает в аптеки под названием витамина С. А ее зеркальный «двойник» - «правая» аскорбиновая кислота,- оказывается, обладает прямо противоположным действием на организм: это антивитамин, он не усиливает, а подавляет, сводит на нет деятельность витамина С.

Итак, живой организм оказывается иногда чрезвычайно чувствительным к малейшим изменениям в строении молекулы веществ, с которыми он сталкивается. Это одна из особенностей воздействия веществ на живые организмы.

Другая особенность заключается в необычайной силе действия. Тот же адреналин явственно действует при введении его в кровь в концентрации 1 : 1 000 000 000. Еще один пример: тироксин (рис. 2- цв. табл. к стр. 497), образующийся в щитовидной железе млекопитающих. В 1927 г. он был получен искусственно, после чего стали изучать действие тироксина на живые организмы. Оказалось, что впрыскивание десятой, даже сотой доли миллиграмма тироксина в кровь головастика ускоряет превращение его (как и любой другой личиночной формы животных) во взрослую форму. Так как накопление вещества в организме головастика не успевает следовать за ненормально быстрым превращением, получаются удивительные «карликовые» лягушки.

Химия пришла на помощь медицине, предоставив ей лекарства, полученные случайно (например, хлороформ). Затем она вступила на путь синтеза лекарственных веществ, содержащихся в природных (растительных и животных) материалах. Наконец, были созданы новые сильнодействующие лекарства, не существующие в природе в готовом виде. Рациональная химиотерапия не смогла бы возникнуть, если бы структурная теория не осветила путь к ней.

МОЛЕКУЛЫ ПРОТИВ МИКРОБОВ

Большинство самых тяжелых недугов человека возникает в результате проникновения в его организм различных микробов или вирусов.

Рис. 1. Антисептики подобны заградительному отряду, отражающему натиск врага на подступах к крепости.

493


Важным событием в истории медицины была первая операция с применением антисептического (обеззараживающего) вещества, которую сделал в середине XIX в. английский хирург Листер. Антисептиком служила карболовая кислота - один из продуктов сухой перегонки каменного угля. До применения антисептиков даже легкие операции приводили иногда к смерти. Рану заражали микробы. Теперь же эта угроза рассеялась и смертность от хирургических операций резко снизилась.

Так был достигнут один из первых успехов в отражении атак микробов еще на подступах к живому организму. Но как уничтожить бактерии, которые проникли в организм, пока еще не знали. Карболовая кислота, убивая микробов, не щадила и живую ткань. Естественно, возникла идея так «отрегулировать» молекулу лекарственного вещества, чтобы, «стреляя» в микроба, не «попасть» в живую ткань.

Около 300 лет назад в Европу впервые привезли кору хинного дерева. Из коры был выделен хинин - белый горький порошок, исцеляющий от губительной лихорадки. Со временем химики разгадали строение молекулы хинина и получили его искусственно. Однако дешевых способов синтеза не найдено и до сих пор.

Зато изучение действия хинина на больных малярией открыло путь рациональной химиотерапии. В 1860 г. русский врач Романовский, рассматривая в микроскоп каплю крови больного, увидел, как разрушаются тела малярийных плазмодиев от действия хинина. В этом исследовании родилась основная формула рациональной химиотерапии: наилучшим лекарством против всякой болезни будет то вещество, которое ока-

Рис. 2. Если врагам удалось ворваться в крепость, то основным девизом химиотерапии становится: поражать микробы, щадя живую ткань.

жет наименьший вред организму больного и вызовет наибольшие разрушения в болезнетворных организмах.

Естественно, у химиков возник вопрос, достаточно ли молекула хинина отвечает этому требованию, не нуждается ли она в усовершенствовании. Действие хинина удалось видоизменить и отчасти усилить путем некоторых изменений в молекуле (рис. 3 - цв. табл. к стр. 497). Внимание химиков было обращено на наиболее доступную для перестроек ее часть, обозначенную буквой А. Сюда можно присоединить через атом кислорода цепочку из любого числа углеродно-водородных звеньев CH2 .

И вот что оказалось. Если цепочка состоит из двух звеньев (оптохин), то получается химическое оружие против наших невидимых врагов - пневмококков, которые вызывают воспалительные процессы в легких. Стоит увеличить число звеньев до 5 (эукупин) - и получается средство, мало действующее на пневмококки, зато весьма активное против возбудителей рожи и других кожных заболеваний. Еще одна «пристройка»: присоединяется 8 звеньев - и возникает новое лекарство (вуцин), губительное для стрептококков. При дальнейшем накоплении звеньев действие на микробы исчезает.

Великий немецкий ученый Эрлих, много работавший над изобретением лекарственных веществ, недаром сравнивал отношение лекарств к живому веществу с отношением ключей к замкам. Усовершенствованные химией молекулы хинина вполне можно сравнить с обычным ключом, от числа зарубок на котором (соответственно числу углеродно-водородных звеньев в «хвосте» молекулы) зависит, отопрет или не отопрет он данный замок. Исследователю иногда нужно перебрать тысячи «ключей», прежде чем будет найден тот, который нужен.

У медицины сейчас громадное число синтетических веществ для уничтожения уже поселившихся в организме болезнетворных микробов. Лучшие из этих веществ были построены по заранее продуманному плану. Очень остроумно была, например, использована идея «рельсов». Для того чтобы «проложить путь» к тем или иным микробам, использовались молекулы веществ, обладающих химическим сродством к данному виду микроба, и к этим молекулам прицеплялась токсофорная группа атомов («токсофорный» в буквальном переводе - «несущий яд»), как заряд пироксилина к самодвижущейся торпеде. Кстати сказать, эту идею подсказала способность каждого вида микробов интенсив-

494


но окрашиваться определенными красителями, т. е. сильно и при этом избирательно поглощать их.

Так, исходя из структурной формулы хинина, в лабораториях были созданы новые лекарства, которые убивают болезнетворные микроорганизмы и не вредят живой ткани.

Ну, а малярия, в борьбе с которой были заложены основы рациональной химиотерапии? Руководствуясь общей идеей «архитектурного» плана молекулы хинина, в Германии и в СССР были созданы чисто синтетические противомалярийные препараты - акрихин, плазмохин и плазмоцид. Они равноценны природному хинину и почти полностью заменили его.

Структурная формула плазмохина (рис. 3- цв. табл. к стр. 497) показывает, какое близкое родство у искусственных противомалярийных лекарств с природным хинином. Общая всем им часть молекулы изображена на зеленом фоне; надстройка сверху (вместо атома водорода) относится к хинину; пристройка снизу (вместо атома водорода) - к плазмохину.

ОТ КРАСОК К ЛЕКАРСТВАМ

В настоящее время одно из первых мест среди химических средств борьбы с микробами занимают так называемые сульфаниламидные препараты. История их открытия поучительная. В начале XX в. химики искали новые пути синтеза красителей, причем в качестве исходного продукта брали сульфаниловую кислоту - чрезвычайно удобное для самых разнообразных перестроек вещество.

Поиски новых красителей увенчались блестящим успехом. Но до 1935 г. никто не подозревал, что получающиеся при синтезах продукты представляют собой грозное оружие против очень опасных микробов. Когда же это обнаружилось, поиски приняли новое направление. Химики синтезировали один сульфаниламидный препарат за другим и передавали их в руки медиков, а врачи тотчас же проверяли действие нового препарата на искусственно зараженных разными микробами животных. Масштабы работы были огромны. Один за другим синтезировались многие тысячи препаратов, чтобы отобрать из них десяток-другой наиболее успешно действующих. Сейчас широко известны названия таких веществ: сульфидин, стрептоцид, сульфазол, сульфадимезин. Все они получаются из сульфаниловой кислоты замещением в ней атома водорода (отмечен звездочкой) на тот или

иной радикал (рис. 5- цв. табл. к стр. 497) и объединяются под стеклом аптечной витрины общим названием «сульфамиды».

Зная строение молекул, химики могли не только создавать новые лекарства, но и понять, как именно эти лекарства действуют. Микробы нуждаются в витаминах. Таким витамином для них служит парааминобензойная кислота. Она присутствует в нашей крови в ничтожных количествах. Если бы ее не было совсем, поселившиеся в нас микробы не погибли бы, но перестали бы размножаться.

Теперь сравните строение молекул парааминобензойной, сульфаниловой кислот и сульфидина (рис. 5- цв. табл. к стр. 497). Сходство их бросается в глаза. Мы уже сравнивали отношение лекарств к живым организмам с отношением ключей к отпираемым ими замкам. Представим себе, что молекула парааминобензойной кислоты - это настоящий «ключ», а молекула сульфидина - «ключ» поддельный. Он вошел в замочную скважину, но не отпер замок, а застрял в нем так прочно, что его не открыть и настоящим ключом. Примерно так мы и представляем себе действие сульфамидных препаратов на микробы. Бактерия ассимилирует «по ошибке» вместо парааминобензойной кислоты сходные с ней молекулы сульфамидного препарата. Теперь необходимо лишь поддерживать в организме достаточную концентрацию лекарства, чтобы он мог расправиться с парализованными, но еще живыми микробами.

Если микроб не нуждается в парааминобензойной кислоте, то он не поддается действию сульфамидных лекарств, и поиски химического оружия против него должны идти в другом направлении.

Еще в XIX в. было известно целебное действие салициловой кислоты при ревматизме. Но, пока ее с большими трудностями добывали только из растительного сырья, она была очень дорога. В 1874 г. нашли простой способ превращать в салициловую кислоту фенол путем внедрения в его молекулу молекулы угольного ангидрида (рис. 4- цв. табл. к стр. 497). Это был первый синтез природного лекарственного вещества. С него началось промышленное производство как самой салициловой кислоты, так и других лекарств, образующихся путем усложнения ее молекулы: это утоляющий боль и понижающий жар аспирин, салол, дезинфицирующий кишечник, и т. д. Как оружие против микробов салициловая кислота малоэффективна.

Но в числе ее производных оказался и ПАСК - препарат, останавливающий рост

495


и размножение смертоносной туберкулезной палочки. Сравните ПАСК с парааминобензойной кислотой, и вам опять-таки бросится в глаза сходство в строении их молекул. Поэтому к ПАСКу можно прийти и от салициловой и от парааминобензойной кислот. Второй путь легче, и он предпочитается, потому что сама парааминобензойная кислота легко синтезируется: из толуола, одного из отходов коксования углей.

Из той же парааминобензойной кислоты получают анестезин и новокаин. Эти вещества замечательны не своим действием на микробы, а действием на организм. Они временно отключают нервы, посылающие в мозг сигналы боли, от места, в котором ощущение боли рождается. Оперируемый находится в полном сознании, он все видит и слышит, но может даже не чувствовать прикосновения скальпеля хирурга к своему телу.

Для местной анестезии впервые был применен кокаин - природный продукт, получающийся из листьев тропического кустарника кока. Но применение кокаина в медицине ограничено вследствие его высокой токсичности. Поэтому лишь с заменой кокаина синтетическим продуктом - новокаином - проблема местной анестезии была решена.

Так созидающая химия сыграла важную роль в разрешении одной из основных задач хирургии - обезболивание при операции. В химическом, а отсюда и в производственном родстве через сульфаниловую кислоту оказываются лекарственные вещества самого различного назначения.

Но возвратимся к микробам, Наиболее мощные из современных лекарств, т, е. наиболее убийственные по отношению к микробам и безвредные для организма человека,- это антибиотики. Таков общеизвестный пенициллин, извлекаемый из зеленой плесени. Достаточно ввести 1/1000 мг пенициллина в 1 мл крови, чтобы остановить развитие микробов. И с антибиотиками повторилась обычная история. Установлено их строение, осуществлен синтез, и ряд антибиотиков уже производится не из их природного источника - живых клеток, а на химических заводах. Что же касается признанного «короля» антибиотиков - пенициллина, то он переживает сейчас в химических лабораториях как бы второе рождение. Подобно молекуле хинина, молекула пенициллина состоит из основного ядра и пристроенной к нему углеводородной цепочки. У пяти природных пенициллинов ядро одно и то же, а цепочки (отсюда и эффективность действия) разные. Распоряжаясь

цепочками, как при усовершенствовании молекулы-хинина, химикам удалось создать новые «расы» этого антибиотика, преодолев в них природные недостатки пенициллина: неустойчивость против кислот (что препятствует приему пенициллина внутрь) и быстрое выбрасывание пенициллина почками (что заставляет все время поддерживать «боевую» концентрацию пенициллина в организме частыми повторными уколами).

УСЫПЛЯЮЩИЕ ЛЕКАРСТВА

Не все недуги проистекают от вторжения в наш организм микробов и вирусов. Многие болезни вызваны нарушением нормального хода тех или других естественных процессов, из которых слагается жизнь. И здесь созидающая химия, опираясь на изучение строения молекул, пришла на помощь медицине.

Наш организм нуждается в периодическом отдыхе, который мы называем сном. К счастью, не так уж много людей испытало на себе, как мучительно страдать бессонницей и к каким тяжелым последствиям это ведет. Каким же благодеянием было открытие снотворного действия барбитуровой кислоты (рис. 3)! Звездочкой обозначены атомы водорода, особенно легко замещаемые другими атомами или атомными группами. И вместо одного врачи получили из рук химиков целый набор снотворных веществ. Одни из них действуют тотчас же после приема, но вызывают кратковременный сон, другие вызывают сон средней продолжительности. А некоторые применяются для лечения длительным сном.

В сущности говоря, снотворные вещества - это уже вторжение химии в человеческую психику. Но найдены и более тонкие способы воздействия на психику химическими средствами: пришло время говорить о зарождении нового вида химиотерапии - психохимиотерапии. Так, существуют два разных вещества с близко сходным химическим строением. Поскольку «ядро» их молекул одно и то же, одинаково и их действие на психику: оба они «снимают» депрессию - чувство подавленности, тоски и страха, но наблюдается и различие, связанное с различием строения молекул в деталях: один препарат

496


Таблица к статье «Органические вещества вокруг нас» Теория строения органических соединений помогает человеку создавать самые разнообразные вещества.


Таблица к статье «Химия жизни и здоровья»

1. «Левый» и «правый» адреналин. 2. Тироксин. 3. Структура хинина и плазмохина. В центре рисунка, на зеленом фоне, выделена общая хинину и плазмохину часть молекулы. 4. В молекулу фенола внедряется молекула угольного ангидрида (вверху); получается салициловая кислота (внизу); еще одна перестройка - и перед нами ПАСК (на черном фоне). 5. Последовательно представлены структуры молекул: сульфаниловой кислоты, ее амида, сульфидина, а на синем фоне - парааминобензойной кислоты.

Звездочкой обозначены атомы водорода, которые особенно легко замещаются другими атомами или атомными группами.


лечит «беспричинную» депрессию органического происхождения, а другой  угнетенное состояние психики, порожденное внешними обстоятельствами.

ЖИЗНЕННЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ

Еще в 1880 г. русский исследователь Н. И. Лунин поставил поразительный опыт. Он рассадил белых мышей в две клетки и назначил одним обычную молочную диету, других же кормил искусственным молоком: оно было составлено из очищенных веществ, входящих в состав натурального молока,- казеина, жира, молочного сахара и солей. В первой клетке мыши чувствовали себя прекрасно, во второй - гибли одна за другой. Вывод напрашивался сам собой: в натуральном молоке, кроме перечисленных, присутствуют в ничтожном количестве какие-то неизвестные вещества, столь же необходимые для жизни.

Впоследствии эти вещества были названы витаминами. Недостаток их в пище приводит к тяжелым заболеваниям и гибели животных и людей. Самое удивительное в витаминах то, что они оказывают свое действие, находясь в пище в ничтожных, едва поддающихся химическому учету количествах. Суточная потребность человека в том или ином витамине выражается миллиграммами или даже долями миллиграмма. Организм животных и человека сам не вырабатывает витаминов, а получает их главным образом из растительной пищи (см. т. 4 ДЭ, ст. «Витамины»).

Итак, перед химиками встала привычная задача: извлечь из растительного продукта содержащийся в нем витамин, установить его структурную формулу и, руководствуясь ею, синтезировать витамины из каких-либо дешевых и доступных материалов. Малейшая ошибка в установлении структуры молекулы витамина или малейшая неточность в воспроизведении этой молекулы искусственным путем приводит подчас к тому, что весь труд пропадает даром.

Случается даже, что при этом вместо витамина получается его противоположность - антивитамин. Здесь повторяется история с «фальшивыми ключами». Таким фальшивым ключом - антивитамином по отношению к витамину С - является его зеркальный «двойник» - «правая» аскорбиновая кислота.

За последние два-три десятка лет установлена химическая природа многочисленных природных витаминов и синтезированы сотни органических соединений, обладающих витаминными и антивитаминными свойствами. Эти драгоценные вещества, очень скупо рассеянные в природе, сейчас тоннами получают на заводах.

Рис. 3. Барбитуровая кислота.

В прошлом вспышки авитаминозов - болезней от недостатка витаминов - были обычным явлением. Еще и сейчас авитаминозы поражают бедные слои населения даже в такой богатой капиталистической стране, как США. В Советском Союзе массовых авитаминозов нет. В этой победе выдающаяся роль принадлежит нашей химии.

Сходную с витаминами роль в нашем организме играют гормоны. В самом начале статьи мы познакомились с двумя из них - адреналином и тироксином. Гормоны - это химические регуляторы жизненных функций нашего организма. Предположим, что внезапно вас что-то сильно испугало или рассердило. Тотчас по сигналу из мозга надпочечная железа выдавливает в кровь незначительную капельку адреналина. Под его влиянием тонкие кровеносные сосуды, доставляющие кровь мышцам рук и ног, расширяются, сердце начинает биться учащенно и сильно. Весь организм приведен в состояние готовности энергично реагировать на угрожающую ему опасность.

497


В отличие от витаминов гормоны не поступают в живой организм извне. Они вырабатываются в самом организме, в специализированных «фабриках» - железах внутренней секреции. Понятно, что нужда в том или другом гормоне у животного и человека может возникнуть лишь в случае нарушения нормальной деятельности соответствующей железы. И это случается.

Пока гормонами не занялась созидающая химия, эти вещества, как и витамины, получали с величайшим трудом из организмов животных. При этом приходилось перерабатывать многие тонны сырья, чтобы получить миллиграмм гормона - столько, сколько весит булавочная головка. А когда было установлено строение их молекул, то стало сравнительно легко находить пути их искусственного получения, а затем и усовершенствования. Сейчас гормоны применяют не только для лечения людей, но и для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных.

Прошло немногим более ста лет после того, как научный мир был ошеломлен известием, что искусственным путем в обыкновенной химической колбе впервые получено органическое вещество - мочевина. И вот сегодня уже не в отдельных колбах, а в реакторах химических заводов получают витамины и гормоны - вещества, принимающие самое непосредственное, самое деятельное участие в жизненном процессе.

НА ПУТИ К ИСКУССТВЕННОМУ СОЗДАНИЮ ЖИЗНИ

В искусстве мало ценятся художники, весь талант которых заключается в умении подражать чужим, хотя и действительно прекрасным образцам. Искусство создавать что-то совершенно новое несравненно ценнее и почетнее, чем искусство копировать и подражать.

...Мы давно перестали видеть что-то особенно замечательное в том, что многие продукты лаборатории тождественны с теми или другими произведениями природы. Скорее мы склонны увлечься идеей создания веществ, которых в природе нет и не может быть.

Но в одной области искусство человека отстало от искусства природы. Здесь мы еще остаемся подражателями и учениками. Химик может искусственно создавать важнейшие разновидности жиров и углеводов. Он проник в строение белковых веществ, из которых состоит

мозг, мускулы, кожные покровы - весь организм людей, животных и других живых существ, вплоть до микробов и вирусов. Простейшие, подобные белкам вещества давно воспроизведены в лаборатории.

Практическое значение открытий в этой области науки, казалось бы, должно быть особенно ценным для пищевой промышленности. Умение создавать основные пищевые вещества, исходя, если нужно, из элементов, могло бы перевернуть все дело питания. Но природа поставляет нам белки, жиры и углеводы за несравненно более дешевую цену. Живые организмы - сложнейшие «фабрики», которые возникли и усовершенствовались не в один или два года, а создавались миллионы лет.

Белки входят в состав нашего организма в виде массивных молекул с громадными молекулярными весами, примерно от десяти тысяч и до нескольких миллионов единиц. В нашем теле содержатся тысячи различных белков, каждый из которых имеет свое особое строение и выполняет свою особую роль в жизнедеятельности организма.

При кипячении со щелочами и кислотами громадные молекулы белков расщепляются на мелкие молекулы аминокислот - так плохо скованные цепи распадаются на отдельные звенья. Аминокислоты и являются теми звеньями, из которых слагаются молекулы всех белков. На рисунке 4 представлена структура молекулы простейшей из аминокислот, так называемого глицина. В рамки заключена та группировка атомов, которая сохраняется во всех белковых аминокислотах. Остальные из числа важнейших природных аминокислот, на которые расщепляются природные белки, отличаются от этой лишь тем, что один водородный атом замещен той или другой несложной группой атомов.

Это замещение имеет замечательное последствие: отмеченный звездочкой атом углерода становится асимметрическим, т. е. появляется возможность существования молекулы в двух вариантах - «левом» и «правом». Но особенно поразительно другое. Каков бы ни был источник природной аминокислоты - любой растительный или животный вид, любой вид бактерий, молекулы всех природных аминокислот оказываются «левыми»; «правые» аминокислоты в живой природе обнаружены лишь в антибиотиках.

498


То, что происходит с белками в химической колбе, происходит и в природной «колбе» - в желудке: белки расщепляются в нем на аминокислоты. Маленькие молекулы аминокислот легко проникают через стенки желудка в кровь и разносятся по тканям организма, где вновь сцепляются в молекулы белков. Значит, нам не обязательно питаться белками, можно питаться и непосредственно аминокислотами? Не обязательно даже, чтобы белковая пища попадала в желудок, можно впрыскивать раствор аминокислот прямо в кровь? Именно так и поступают врачи, когда больной страдает настолько глубоким расстройством пищеварения, что его желудок отказывается переваривать белковую пищу.

Не обязательно также, чтобы в аминокислотной диете содержались все природные аминокислоты. Мы нуждаемся лишь в 9 из них, остальные наш организм может готовить сам. Низшие же организмы способны вырабатывать для себя все необходимые аминокислоты из неорганических веществ.

Белковая пища полноценна, когда в ней содержатся все 9 необходимых аминокислот. Таков творог. Если в белковой пище недостает тех или иных аминокислот, она неполноценна. Например, в желатине (белке), образующемся при вываривании костей, недостает трех из числа необходимых человеку аминокислот.

Сцепление молекул аминокислот в цепочкообразные молекулы белка осуществляется в тканях нашего организма путем отщепления воды:

В одних случаях молекулы образующегося белка напоминают нить, свернутую в клубок (такие молекулы образует, например, белок куриного яйца). В других случаях они сохраняют вытянутую форму (такая молекула напоминает длинную пружинку - рис. 5). Из молекул-пружинок, скрученных друг с другом, как проволочки в кабеле или тросе (рис. 6), слагаются волосы, ногти, мускулы и другие

волокнистые ткани нашего организма. Эти молекулы действительно обладают свойством пружины: они могут растягиваться до длины, вдвое превышающей их нормальную, и сжимаются вновь, как только растягивающая сила перестает действовать.

Химик вводит расщепленный белок в прибор-автомат и спустя сутки без своего дальнейшего участия получает готовый результат анализа - график, запечатленный на ленте. Он узнает, какие именно аминокислоты и в каком количественном соотношении входили в состав данного белка. Но далее встает сложная задача - превратить данные анализа в структурную формулу. До конца удалось решить ее (с помощью физики и математики-рентгеновского анализа и электронно-счетных машин) для нескольких белков, в том числе для одного из животных белков-гормонов - инсулина. Молекула этого белка состоит из 51 звена, представленного 15 аминокислотами. Его структурная формула едва уместилась бы на странице этого тома. И вот что замечательно: последовательность сцепления аминокислотных звеньев строго одна и та же в инсулине, извлеченном из столь различных животных, как свинья и кит.

Строение молекул инсулина всех свиней и всех китов повторяется и в инсулине лошади, только в нем в одном из звеньев аминокислота серии заменена глицином; у быка замещены другими аминокислотами два аминокислотных звена, у овцы - три... Это единство плана построения молекулы белка, выполняющего одно и то же назначение в организме разных животных, тем более поразительно, что из 15 аминокислот теоретически можно образовать миллиарды миллиардов (больше, чем, например, волос на головах всех жителей Земли) 51-звенных цепей различного строения, беря одинаковые или различные звенья и смыкая их друг с дру-

499


гом в разном порядке. На рисунке 7 представлена последовательность сцепления аминокислот в молекуле еще более сложного белка - рибонуклеазы; аминокислоты обозначены здесь начальными буквами их названий: сер - серин, вал - валин и т. д.

Рис. 7. Последовательность сцепления аминокислот в молекуле белка - рибонуклеазы. Мостики между отдельными участками цепи образуют остатки аминокислот. Лиз - лизин, глут - глутаминовая кислота, тре - треонин, ал- аланин, фал - фенилаланин, арг - аргинин, сер - серин, гис - гистидин, мет - метионин, тир - тирозин, цис - цистин, асп - аспарагиновая кислота, лейц - лейцин, прол - пролин, вал - валин, глиц - глицин, изол - изолейцин.

Проблема искусственного белка продолжает штурмоваться в разных направлениях. Но и сейчас химия далека от решения задачи получения белков заводским путем. Таким образом, нельзя особенно надеяться на коренное преобразование в ближайшем будущем современных способов питания. Успехи в искусственном воспроизведении природных белков в какой-то мере приближают нас к решению величайшей теоретической и практической задачи - искусственному созданию жизни.

При искусственном воспроизведении белков не обошлось без разочарований. Многие рассчитывали, что создать белок - это и значит создать жизнь. Однако выделено большое количество белков, все они прекрасно сохраняются в пробирках, многие - в виде превосходных кристаллов, но признаков жизни вне живого организма в них так же мало, как в сахаре или крахмале. Это нисколько не поколебало уверенность, что уяснить и осуществить переход от «неживого» к «живому» - цель, доступная именно химическому исследованию.

Химик обращается к биологу с вопросом: какими свойствами нужно наделить молекулу, чтобы она стала «жить»? Тогда уже дело химика думать, какие сочетания атомов для появления этих свойств следует создать.

Многие полагают, что жизнь имеет нехимическое начало, что она началась не с молекулы, а с какого-то уже достаточно сложного сочетания молекул, так как всякий живой организм обладает не только определенным химическим составом, но и определенной организацией. Подробное обсуждение этих мнений будет иметь смысл лишь тогда, когда мы точно определим, что именно разумеем под словом «жить».

Для того чтобы решить, что рассматриваемый объект именно живое существо, мы должны установить у него одновременное наличие ряда свойств. Вопрос и заключается в том, можно ли все эти свойства сочетать в одной молекуле. Создавая краски, химик именно так и сочетает в одной молекуле свойство быть окрашенной, свойство сцепляться с волокном и т. д.

500


Ставя таким образом задачу искусственного создания жизни, мы не рассчитываем, как алхимики, что из химической колбы выскочит готовый гомункулус - маленький живой человечек. Ведь живые существа, помимо всего прочего, имеют за собой миллионы лет истории, управляемой законами естественного отбора, и мы вряд ли сможем перепрыгнуть через эту великую пропасть времени. Мы можем рассчитывать лишь создать нечто такое, что, будучи предоставлено самому себе, при благоприятных условиях превратилось бы спустя миллионы лет в растения, животные или нечто подобное тем и другим.

Будет ли это искусственно созданное «нечто» веществом или каким-то сверхпростым организмом? В течение многих лет пристальное внимание ученых приковано к миру живых существ, недоступных даже сильнейшим микроскопам. Таков бактериофаг - «пожиратель бактерий». Действие бактериофага впервые описал русский ученый Н. Ф. Гамалея еще в 1898 г. Это такой же паразит по отношению к бактериям, как бактерия по отношению к человеку. Бактериофаги присутствуют всюду, где присутствуют бактерии: в животных организмах, в воде рек, озер, морей и т. д. Они выделены и из продуктов, не зараженных бактериями: из чеснока, лука, яблок, моркови. Бактериофаги удалось наблюдать лишь с помощью ультрамикроскопа и электронного микроскопа. Это инструменты такой мощной разрешающей силы, что им уже доступны наиболее крупные молекулы. Итак, бактериофаги имеют размеры массивных молекул! Это материя, раздробленная на молекулы. Но эта материя живет, т. е. питается и размножается, сохраняя свои прирожденные свойства. Вокруг бактериофагов разгорелся страстный спор. По мнению одних, бактериофаг - это вещество, по мнению других - живое существо. Не есть ли он и то и другое одновременно, думали третьи.

Бактериофагам во всем, кроме условий существования, подобны вирусы - ультрамикроскопические возбудители заразных болезней, таких, как грипп, полиомиелит, бешенство. Первый вирус - возбудитель чумы у рогатого скота - был открыт тем же русским ученым Гамалея за два года до открытия им первого бактериофага. Частицы одних вирусов выглядят в электронном микроскопе, как шарики, других - как тонкие и длинные палочки. По отношению к людям, животным и растениям вирусы ведут себя, как микробы. Живые организмы в свою очередь относятся к ним, как к микробам: в борьбе с вирусами они вырабатывают в себе

Риг. 8. Бактериофаги под электронным микроскопом.

«антитела», гибельные для данного вида вируса, и в таких случаях, перенеся болезнь, приобретают иммунитет к нему, т. е. повторно этому заболеванию не подвергаются.

Естественно, что врачи обращаются с вирусами так же, как с микробами. А химики обращаются с теми же вирусами, как с самыми обыкновенными веществами: они растворяют их, адсорбируют, осаждают и кристаллизуют.

ХИМИЯ И НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

Самое удивительное в развитии живых существ заключается, конечно, в том, что из ничтожного микроскопического зернышка, клубка хромосом, развивается нечто очень большое, очень сложное, очень тонко организованное и настолько точно предопределенное, что близнецы, развившиеся из одной и той же клетки, часто оказываются неразличимо похожими друг на друга. Мы называем это наследственностью. Казалось бы, химику в обсуждении вопросов наследственности делать нечего. Но это не так.

Чтобы последующее не показалось слишком необыкновенным, вспомним, какое богатство образов, мыслей, чувств порождает в нас литературное произведение с помощью всего 33 значков - 33 букв русского алфавита, расставленных в строго определенном порядке и множество раз повторяющихся. Но и 33 значка - это роскошь. Любой текст может быть передан телеграфистом всего с помощью трех знаков азбуки Морзе: точка, тире и пауза.

Однако речь у нас пойдет не о литературных произведениях, а об основном свойстве живых

501


Рис. 9. ДНК - линейный биополимер. Она слагается из нуклеотидов, структура одного - из них представлена на этом рисунке.

существ - их способности воспроизводить поколение за поколением себе подобные новые живые существа. Главную роль в передаче наследственных признаков у всех живущих существ, начиная с бактериофага, выполняет определенное вещество. Оно называется дезоксирибонуклеиновой кислотой или сокращенно ДНК. ДНК является линейным биополимером, она слагается из отдельных кирпичиков, так называемых нуклеотидов, как молекула белка из аминокислот. Но аминокислот 20, а нуклеотидов всего 4. Структура одного из них представлена на рисунке 9. Заключенная в рамку часть - общая для всех четырех нуклеотидов, а придаток, изображенный в виде язычка, у них разный. Эти придатки называются соответственно аденином, гуанином, тимином и цитозином. В последующем мы будем обозначать их первыми буквами: А, Г, Т и Ц. ДНК, свойственные каждому виду бактерий, растений или животных, отличаются от ДНК любого другого вида числом составляющих их нуклеотидов и порядком их сочетания

Рис. 10. Вверху - сочетание нуклеотидов в молекуле ДНК: две параллельные цепи, соединенные мостиками между нуклеотидами А, Г, Т и Ц. Внизу показано размножение молекулы ДНК.

друг с другом совершенно так же, как отличаются друг от друга различные белки. Верхняя часть рисунка 10 показывает, как сочетаются нуклеотиды в молекуле ДНК в две параллельные цепи, связанные одна с другой через придатки А, Г, Т и Ц. Обратите внимание на то, что Т связывается только с А, Ц только с Г! Поэтому последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет и размещение нуклеотидов в другой.

Подобно цельному живому организму, ДНК, содержащиеся в его клетках, способны к самовоспроизведению. Как происходит размножение молекул ДНК, показано в нижней части того же рисунка. Начинается с того, что цепочки расходятся, расцепляются. Затем к каждой из них начинают пристраиваться свободные молекулы нуклеотидов, содержащиеся в окружающей среде, следуя строго тому же закону: Т пристраивается к А (или наоборот) и Ц к Г. В результате из одной молекулы ДНК образуются две, совершенно тождественные с исходной молекулой.

Размножение ДНК воспроизведено в пробирках, вне живого организма, как обыкновенная химическая реакция. Для этого достаточно ввести ДНК, выделенную из какого-либо организма, в среду, содержащую все четыре необходимых нуклеотида (обязательно все четыре, иначе реакция не пойдет) и особый фермент - полимеразу, которая «сшивает» пристраивающиеся молекулы нуклеотидов в новую цепочку. Для успеха опыта необходимо лишь предварительно расщепить исходные молекулы очищенной ДНК на две отдельные цепочки. Это достигается простым нагреванием ДНК в течение 10 минут.

Так же происходит «размножение» ДНК в живых организмах, например при заражении бактерии бактериофагом. Бактериофаг представляет собой свернутую в виде спирали молекулу ДНК, наполовину заключенную в белковый чехольчик. При заражении бактерии соответствующим бактериофагом (например, дизентерийной бактерии антидизентерийным бактериофагом) ДНК бактериофага внедряется в бактерию, а белковый чехольчик остается снаружи. В теле бактерии появляется новый «хозяин» - чужеродная ДНК - и начинается тот же самый процесс, который только что был описан как пробирочная реакция. В результате бактерия погибает, и из нее выходит новое поколение бактериофагов - в точности таких же молекул ДНК, заключенных в такие же белковые чехольчики. Нечто подобное происходит с вирусами.

502


В ДНК, в их нуклеотидном составе и в последовательности нуклеотидов заключена программа развития будущего организма - будь то бактериофаг, вирус или высокоорганизованное существо - человек. Но это значит, что состав и строение исходной молекулы ДНК определяет, контролирует аминокислотный состав и строение молекул тех белков, которым предстоит образовываться в процессе развития данного организма (подобно тому, как последовательность точек и черточек на ленте, выходящей из телеграфного аппарата, определяет последовательность букв в расшифрованном тексте телеграммы). Так оно и есть.

Было синтезировано простейшее вещество, подобное ДНК,- полиуридиловая кислота. Ее цепочка слагается из однотипных звеньев - лишь из одного из четырех нуклеотидов. При ее участии в пробирке был синтезирован «белок». Оказалось, что и «белок» состоит из однотипных звеньев: лишь из одной аминокислоты - фенилаланина. Затем в полиуридиловую кислоту был «вставлен» второй нуклеотид - аденин, и в «белке» появилась новая аминокислота - изолейцин. Но нуклеотидов всего четыре, а аминокислот 20. Как же структура молекулы ДНК может предопределять, контролировать структуру белка, построенного из большего числа аминокислот, чем четыре? Вот здесь нам и приходит на помощь азбука Морзе. Депеша, которая выходит из телеграфного аппарата, состоит только из значков троякого вида: точек, черточек и пауз (если считать паузу за особый значок), а расшифрованный текст - из 33 букв алфавита, причем каждая буква в нем занимает столь же строго определенное место, как каждая точка или черточка в телеграфной депеше. Очевидно, нечто подобное имеет место и в молекулах биополимеров. Каждой аминокислоте отвечает не отдельный нуклеотид, а сочетание (как сейчас предполагается) из трех нуклеотидов; не отдельное нуклеотидное звено молекулы ДНК, а участок из трех таких звеньев, как каждой букве в азбуке Морзе отвечает не отдельный знак - точка или черточка, а комбинация из нескольких точек и черточек.

Химическая теория наследственности открыла пути в создании новых видов - мутаций - живых организмов через перестройку ДНК существующих видов, воздействуя на них химическими реактивами, получившими название мутагенов («рождающих мутации»).

Первые опыты в этом направлении уже принесли обнадеживающие результаты. Открыты,

в частности, вещества, которые вызывают увеличение числа хромосом, т. е. пучков нуклеиновых кислот в растительных клетках. Так, из обычных сортов свеклы создана сахарная свекла, превосходящая по урожайности и содержанию сахара лучшие сорта, ранее выведенные биологами. Весьма эффективным вмешательством в структуру ДНК оказалось радиоактивное облучение. Оно вызывает перестройку молекул ДНК, наследственно передаваемую потомству облученных организмов. Отбирая растения, которые обладают полезными качествами, получают новые сорта, более продуктивные, невосприимчивые к вирусам и другим заболеваниям, с неполегающим стеблем.

МЕДИЦИНА НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ

Мы изучаем жизненный процесс, разлагая, расчленяя его на массу отдельных закономерностей, причины которых до поры до времени остаются невыясненными. Но это нисколько не мешает нам использовать замеченные закономерности на практике. С другой стороны, раз закономерность установлена, объяснение ее становится лишь вопросом времени. Мы знаем, например, какие службы в нашем организме несет кровь; умеем определять ее достоинства и недостатки с помощью анализа; знаем, как сложно ее поведение в организме, как сложен ее состав, и обнаруживаем строгие закономерности там, где раньше видели дело случая.

Образное выражение «в их жилах течет одинаковая кровь» получило научный смысл. Действительно, кровь может быть одинаковой и разной. Смешав каплю крови своей и своего друга, как это делали наши предки, клянясь друг другу в вечной дружбе, вы под микроскопом увидите либо слипшиеся друг с другом кровяные шарики, либо не увидите ничего особенного. Картина слипания кровяных шариков на языке медицины называется агглютинацией, а на языке химии - коагуляцией.

Эта картина далеко не безобидна. Она раньше приводила к смертельному исходу при неудачных переливаниях крови. Поэтому при ответственной операции врач должен при помощи физико-химического исследования крови определить, к какой из четырех «кровяных групп» принадлежит кровь его пациента и лица, у которого берут кровь.

Как любой орган, кровь подвержена заболеваниям. Одно из них, почти всегда смер-

503


тельное, под микроскопом проявляется в том, что кровяные шарики утрачивают округлые очертания и принимают форму серпа. Из заболевших кровяных шариков был извлечен белок, осуществляющий функцию дыхания,- гемоглобин и исследовано строение его молекул. И что же обнаружилось? В «больном» гемоглобине одна из аминокислот оказалась в отдельных звеньях замещена другой - глютаминовая кислота валином. Глютаминовая кислота имеет электрический заряд, и это препятствует слипанию молекул гемоглобина, а валин лишен электрического заряда. Вследствие этого молекулы «больного» гемоглобина слипаются друг с другом, что и придает кровяным шарикам серповидную форму.

С точки зрения химика, живой организм - это крепость, построенная из белков, ДНК и т. д. Когда в эту крепость вторгаются и начинают хозяйничать в ней микробы или вирусы - это вторгаются чужеродные белки и нуклеиновые кислоты, наступает инфекционное заболевание. Но, как мы только что видели, заболевание может наступить из-за перерождения собственных белков и ДНК организма - нарушения нормального состава и строения вырабатываемых организмом белков.

С этих позиций рациональная химиотерапия около двух десятков лет назад вступила в борьбу с самой таинственной и зловещей болезнью - раком. Вместо нормального «строительного» материала для ДНК в раковую клетку вторгаются молекулы нуклеотида, испорченные прикреплением к ним того или иного токсофора. Испорченный материал вовлекается в процессы, идущие в раковой клетке, и это отравляет, губит ее.

ХИМИЯ НА СЛУЖБЕ ВОЙНЫ И МИРА

Многие века люди ставили себе горчичники, чихали от нюхательного табака, желая при этом друг другу здоровья, приправляли свои кушанья перцем, луком и чесноком, не подозревая, что действующие начала этих растений будут извлечены и сконцентрированы также для целей войны. Но интерес к нарывным, чихательным и слезоточивым отравляющим веществам растительного происхождения как к средствам химической войны прошел так же быстро, как появился: они были заменены продуктами химической индустрии, сходными по химическому строению, более дешевыми и сильными по действию.

Сравните строение молекулы действующего начала чеснока со строением молекулы «короля» отравляющих веществ - иприта (рис. 11). И там и здесь имеет решающее значение часть молекулы, заключенная между пунктирными линиями, так называемый мустаргил. Это новое участие химии в массовом истреблении людей удалось преодолеть. Было подписано международное соглашение, запрещающее применять отравляющие вещества (под ним не хватало лишь одной подписи - американского представителя). Но неожиданно исследование отравляющего действия иприта открыло новые пути в химиотерапии злокачественных опухолей. Иприт подавляет деятельность кроветворных органов, чрезмерное усиление которой приводит к переполнению крови лейкоцитами - к белокровию. Но иприт не удовлетворяет основному требованию химиотерапии: щадить здоровую, живую ткань. При замене атома серы в иприте атомом азота получается эмбихин - лекарство, помогающее при хроническом белокровии, а также при злокачественных заболеваниях лимфатических желез.

Когда в борьбу с раком вступила химия, возникла идея присоединить азотно-ипритную группировку атомов к кирпичикам - аминокислотам и нуклеотидам, из которых строятся белки и ДНК, и тем самым как бы отравить их. Были созданы новые средства борьбы со злокачественными опухолями - допан и сарколизин («растворитель опухолей»). Таково обещающее начало: не следует забывать, что химия включилась в борьбу против рака каких-нибудь два десятка лет назад.

Еще вчера утверждали, что наука бессильна в борьбе с теми глубочайшими расстройствами

504


«химического хозяйства» организма, которые вызывают радиоактивные излучения (а с этой угрозой придется вплотную встретиться при длительных космических путешествиях). Но при этом в расчет не была принята химия. Сначала ощупью, затем, опираясь на первые успехи и раскрывая связь между строением молекул и их антирадиационным действием, через рациональный синтез химики нашли пути к предупреждению и лечению и этого страшного недуга - лучевой болезни.

Итак, искусственные белки, сахар и шелк из дерева, тончайшие ароматические вещества из отвратительно пахнущих продуктов распада и разложения, бесчисленные краски и лекарства из каменноугольной грязи, добротные ткани из природных газов - все это не мечта и не сказка. Это явь XX в., результат неустанного изучения строения молекул. Химия представляется нам волшебным деревом с необычайно разнообразными плодами, но питающимися одними и теми же соками. Направить эти соки в ту или другую ветвь зависит от людей. От них зависит, будет ли химия врачевать или умерщвлять, улучшать пищевые продукты или фальсифицировать их, удобрять почву или уничтожать урожаи напалмом, красить материи, двигать суда, прокладывать туннели... Химия - это океан неисчерпанных и неисчерпаемых возможностей.

ХИМИЯ ПИЩИ

Замечательная лаборатория - кухня! Сколько чудесных химических превращений совершается в ней!

Вы хотели налить себе стакан молока, но, оставленное в теплом месте, оно скисло, и вы съедаете уже простоквашу. Вы с наслаждением вдыхаете аромат свежеиспеченного хлеба, покрытого аппетитной корочкой. Но ведь хлеб - это уже совсем не то, что мука, из которой он был испечен. Вы хотели поджарить яичницу, но зазевались, и яичница на сковородке подгорела. А вот варится суп. Мясо в нем потеряло прежнюю окраску, оно стало серым и легко распадается на отдельные волоконца.

Пока человек не умел добывать огонь, он пользовался растительной и животной пищей в том виде, в каком находил ее в природе,- питался сырым мясом и сырыми плодами. А теперь едва ли кто-нибудь возьмется перечислить все кушанья, какие умеют готовить люди.

Из каких же веществ состоит все это богатство современной кулинарии? Что происходит с пищей при ее приготовлении, а затем и в нашем организме?

Человеку для питания нужны прежде всего три вида веществ - углеводы, жиры и белки. Продукты питания и состоят из этих веществ. Сало и масло - это жиры; в картофеле, овощах и хлебе много углеводов; мясо, рыба, яйца богаты белками.

Всякий знает, что, кроме этих веществ,

человеку нужны еще вода и соли. И то и другое также содержится в нашей пище. Например, в каждых 100 г капусты - 90 г воды. Но, кроме того, воду человек употребляет и отдельно, а соль добавляет в пищу. Известно также, что наш организм нуждается еще в микроскопических количествах так называемых витаминов (см. т. 4 ДЭ, ст. «Витамины»).

Поговорим же о главных составных частях нашей пищи - об углеводах, жирах и белках.

Начнем с ... киселя! Чтобы его сварить, нужен крахмал. Это белое мучнистое вещества называют иногда картофельной мукой. Крахмал разбалтывают в воде и выливают, помешивая, в горячий фруктовый сироп, который сразу начинает густеть. Вот этот крахмал и есть главный представитель углеводов, необходимых нашему организму.

505


«Как же это может быть,- спросите вы недоуменно,- ведь кисель мы едим сравнительно редко, а углеводы нужны организму постоянно?» Крахмал мы употребляем обычно не в чистом виде, а в составе различных продуктов. Его много в растительной пище - в клубнях и корнях, плодах и зернах. Каждые 100 г картофеля доставляют организму около 20 г крахмала, 100 г пшеничной муки - около 70 г крахмала.

Чтобы убедиться в том, что крахмал в этих продуктах есть, проделаем опыт. Изотрите на терке две-три хорошо промытые картофелины. Затем заверните картофель в реденькую тряпочку и разминайте пальцами в воде до тех пор, пока не перестанет образовываться муть. Воде дайте отстояться. Вы заметите на дне кастрюли белый осадок, Слейте с него воду. Это и есть крахмал.

Йодную настойку разбавьте водой и капните этим раствором в сваренный вами крахмальный клейстер. Жидкость сразу же окрасится в ярко-синий цвет. Разбавьте клейстер в 10-20 раз водой. Он и после этого от йода посинеет. Давайте теперь искать крахмал с помощью йодной настойки в различных продуктах.

Капните раствор на свежий срез картофеля, на кусочек вареного картофеля, на срез неспелого яблока, на ломтик белого хлеба и даже на пудру. Всюду, оказывается, есть крахмал. Но синевы не получится, если капнуть йодным раствором на ломтик сала, кусочек мяса, на поваренную соль или на щепочку.

Крахмал - сложное вещество, он состоит из трех видов атомов: углерода, водорода и кислорода. Вы уже вспомнили, что из этих трех видов атомов состоит и клетчатка. Сходство по составу крахмала и клетчатки прямо-таки разительное! У них даже одна и та же формула (С6 H10 05)n, и в молекуле крахмала, как и в молекуле клетчатки, таких групп - С6 H10 O6 - тысячи. Почему же крахмал и клетчатка разные вещества? Причина в том, что звенья С6 H10 O6 в молекуле клетчатки соединены в одну длинную цепь, а в молекуле крахмала разветвлены. Поэтому крахмал не образует волокон, а клетчатка не служит продуктом питания.

В природе крахмал находится в виде зерен в растительных клетках. Зерна эти можно видеть под микроскопом. Каждое из них - это скопление громадного числа молекул. Когда вы терли картофель, то разрывали оболочки клеток, зерна освобождались, отмывались и осаждались на дно.

Заметили ли вы, что на срезе клубня картофеля окраска йода появляется не сразу? Это потому, что зерна крахмала там защищены оболочкой. А в вареном картофеле клетки набухают от воды, оболочки лопаются и йод беспрепятственно попадает к крахмалу.

В поисках крахмала капнем, кстати, йодом себе на руку. Да зачем капать? Мы и так знаем, что от йода наша кожа не синеет. Сколько крахмала мы поедаем в виде хлеба, картофеля, овощей, но в составе наших тканей его нет. Что же происходит с молекулой крахмала, когда она с пищей попадает в наш организм?

Как аппетитно выглядит жареный картофель! При одном его виде, особенно если вы проголодались, «текут слюнки». И они текут недаром: для них сейчас найдется дело.

При пережевывании во рту пища обильно смачивается слюной. В ней есть особое вещество - фермент амилаза. Большие молекулы крахмала могут разлагаться молекулами воды на более мелкие части, а амилаза помогает им в этом.

Разложение молекул крахмала на все более и более мелкие части продолжается и дальше - в желудке и кишечнике (под влиянием других ферментов), пока он в конце концов не пре-

506


вратится в глюкозу С6 H12 O6. Ее много в винограде, она и придает ему сладкий вкус. Поэтому глюкозу часто называют виноградным сахаром.

Наш организм крахмал непосредственно не усваивает, так как его крупные молекулы не могут всасываться в кровь через стенки кишечника. Маленькие же, растворимые в воде молекулы глюкозы легко проникают в кровеносные сосуды и доставляются током крови ко всем тканям организма. Там глюкоза окисляется поступающим с кровью кислородом и превращается в углекислый газ и воду. При этом выделяется теплота. Она дает организму жизненную энергию и поддерживает определенную температуру тела. Значит, крахмал - это как бы топливо нашего организма. Теперь понятно, почему слабому больному для укрепления сил врачи прописывают глюкозу.

Замечательное явление! Если крахмал полностью превращается в глюкозу, то глюкозы получается больше, чем было крахмала. Каждое звено С8 H10 O5 превращается в молекулу глюкозы С6 H12 О6. Сравните эти формулы. Между ними разница на молекулу воды H2 O. Превращение крахмала в глюкозу к тому и сводится, что к каждому звену С6 H10 O5 присоединяется молекула H2 O. Эту реакцию изображают так:

Разложение вещества водой называется гидролизом. При гидролизе крахмала, прежде чем появится глюкоза, образуется много промежуточных веществ, молекулы которых мельче молекул крахмала, но еще крупнее молекул глюкозы. Это так называемые декстрины.

Почему не едят сырую картошку, а предварительно варят или жарят ее? Почему не питаются непосредственно мукой, а пекут из нее хлеб? Да потому, что при варке, жарении и печении крахмал уже начинает подвергаться гидролизу - из него образуются декстрины. А в нашем организме они быстрее и легче превращаются в глюкозу, чем сам крахмал.

Декстрины клейки. Из них образуется твердая корочка на жареном картофеле или печеном хлебе. Их появлением объясняется и клейкость крахмального клейстера. Накрахмаленный воротничок под горячим утюгом становится твердым потому, что крахмал превращается в декстрины.

Вернемся снова к нашей «химической лаборатории» - домашней кухне. Чтобы испечь хлеб или пирог, муку смешивают с водой, добавляют дрожжи и сильно месят. После этого тесто ставят в теплое место и дают ему «подойти». Понаблюдайте за ним в это время. Тесто понемногу поднимается, на нем лопаются какие-то пузырьки. Поднесите к тесту горящую спичку. Она гаснет, как в углекислом газе. Да это и есть углекислый газ. В тесте под влиянием фермента дрожжей идет брожение. В нем накапливается углекислый газ, который поднимает тесто и даже выходит наружу. От этого хлеб при печении становится пористым. Такой хлеб лучше переваривается в организме.

Но ведь при брожении образуется спирт. Вы сможете обнаружить и его. Понюхайте поднявшееся и уже перестоявшее тесто: оно пахнет спиртом.

К углеводам, которые идут нам в пищу, кроме крахмала и глюкозы, относится еще сахароза, или свекловичный сахар. Сахар сначала был найден в соке сахарного тростника, и Европа долго не знала его, так как тростник произрастал только в тропических странах. Но вот в XVIII в. сахар был найден в свекле. Казалось бы, чего проще: потереть свеклу, выжать сок, выпарить его - и сахар готов. Но он еще долго не давался в руки химикам. Сколько было неудач, прежде чем начали ра-

507


ботать заводы по извлечению сахара из сахарной свеклы! Сейчас эти заводы вырабатывают во всех странах миллионы тонн сахара ежегодно.

Сахар не только лакомство, он очень питателен. Молекула его несложна - С12 H22 O11. В организме человека она разлагается на молекулу глюкозы и молекулу фруктозы:

Глюкоза и фруктоза имеют одинаковые формулы, но отличаются друг от друга строением молекул. Дальнейшие превращения глюкозы в организме нам известны. Такова судьба и фруктозы.

Если вас спросить, что слаще - мед или сахар, вы, вероятно, назовете мед. А знаете, почему он слаще сахара? Мед - это смесь глюкозы и фруктозы, а фруктоза слаще сахара.

Углеводы на наш стол поставляет природа. Зеленый лист растения - вот та замечательная фабрика, которая изготовляет их. На него падает световой луч. За счет световой энергии между водой, поступающей в лист из земли, и углекислым газом, поглощаемым из воздуха, происходит химическая реакция:

6С02 +5Н2 O =С6 H10 О5 +6 O2 .

Образуются крахмал и кислород. Вот куда идет углекислый газ, усваиваемый растениями, и вот откуда берется кислород, выделяемый растением в атмосферу.

Углекислого газа и воды вокруг нас много. Не попытаться ли искусственно приготовить углеводы для нашей пищи? Образование углеводов в листе идет под действием особого катализатора - зеленого хлорофилла, который как бы ловит световой луч и его энергию обращает в химическую. Однако в лаборатории этот синтез так просто не идет. Все же нашему знаменитому химику А. М. Бутлерову удалось (правда, другим путем) искусственно получить сахаристое вещество. Крахмал вне зеленого

листа пока не получили, но нет сомнения, что и такую задачу ученые смогут решить. И тогда реакция углекислого газа с водой в лаборатории, а затем и на заводе будет давать углеводы к нашему столу.

Теперь о жирах. Их известно много. Одни из них твердые; это преимущественно жиры животные - баранье и свиное сало, коровье масло. Другие - жидкие; это в основном растительные масла. Они содержатся в семенах конопли, льна, подсолнечника и т. д.

Молекулы жиров, как и молекулы углеводов, состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. При гидролизе они распадаются на молекулы глицерина и «жирных кислот». Стеарин, из которого когда-то делали свечи,- это и есть смесь «жирных кислот».

Переваривание жиров в организме начинается лишь при выходе пищи из желудка в тонкие кишки, так как ни слюна, ни желудочный сок на них не действуют. Под действием фермента тонких кишок - липазы - жиры разлагаются водой на глицерин и кислоты, которые и всасываются через стенки кишечника; затем из этих веществ в организме снова образуются жиры. При окислении жиров в тканях выделяется больше теплоты, чем при окислении углеводов. Таким образом, жиры более калорийное «топливо» для нас.

Углеводы и жиры могут частично заменять друг друга в пище. На севере, где скудна растительность и низка температура, человек потребляет преимущественно жирную пищу, а на юге, богатом растительностью, где организму не приходится тратить столько тепла, человек больше питается овощами и фруктами.

Твердые животные жиры в большом количестве используются в мыловарении. Откуда же взять столько жиров? Решить эту задачу помогла химия. Химики превращают жидкие растительные жиры в твердые.

Оказалось, что если в жидком растительном масле размешать мелкий порошок металла никеля, а затем пропускать при нагревании водород, то водород присоединяется к маслу и образуется твердый жир. Никель служит катализатором этой реакции гидрогенизации. Одни сорта гидрогенизированного жира используются в производстве мыла, другие - для получения маргарина. Сейчас мыло все больше готовят из синтетических веществ, и в скором времени жиры уже не будут расходоваться на непищевые цели.

Маргарин готовят, сильно перемешивая смесь животных и гидрогенизированных жиров

508


с молоком. Для большей полноценности к нему добавляют витамины. Он очень хорошо усваивается организмом и по питательности не уступает обычным жирам.

Белки - очень сложные органические вещества. В состав их молекул, кроме атомов углерода, водорода и кислорода, входят еще атомы азота и других элементов. Так как белки входят в состав всех живых клеток, то мы неизбежно употребляем их в пищу, питаемся ли мы растительной или животной пищей.

Однако главными «поставщиками» белков для нас служат мясо, рыба, яйца, хлеб. Белков в этих продуктах примерно: 21 % (в мясе), 18% (в рыбе), 13% (в сухом хлебе).

Белки - это прежде всего «строительный материал» тканей организма. Один ученый сказал, что клеточки организма - это печки, построенные из белка, в которых горят жиры и углеводы. Но и белки тоже подвергаются изменениям в нашем организме. Они как бы «изнашиваются», сгорают и требуют замены. Беспрерывное обновление клеток организма идет за счет белков пищи.

Белки невозможно заменить углеводами или жирами, как те заменяют друг друга. При отсутствии их в пище человек начинает худеть, так как расход их перестает восполняться. При длительном белковом голодании может наступить полное истощение и смерть.

Сложные молекулы белков под действием ферментов - пепсина и трипсина - в пищеварительном тракте подвергаются гидролизу. Получаются более простые вещества -аминокислоты. Они всасываются в кровь, и из них уже организм строит свои собственные белки.

Посмотрим теперь, что же происходит с белками в нашей кухонной лаборатории. Белок яйца на сковороде свернулся, но он, конечно, сохранил свои питательные свойства. Свернувшиеся белки мяса мы наблюдаем в виде

хлопьев на поверхности супа. Чтобы суп имел более красивый вид, хозяйки удаляют их. Но следует ли это делать, ведь с белковыми хлопьями суп будет питательней.

Если дома при варке супа хотят иметь вкусное мясо, посоветуйте опускать его в кипящую, а не в холодную воду. Белки мяса при этом свернутся и закроют выход из мяса в суп другим белкам и вкусовым веществам. Мясо станет вкусным, но бульон будет не особенно приятным. Наоборот, если хотят получить наваристый бульон, то мясо следует опускать в холодную воду. Белки и вкусовые вещества мяса при этом будут переходить в бульон, и суп будет вкусным.

Знание свойств белков объяснит нам еще одно явление. Когда речь шла о выпечке хлеба, не возник ли у вас вопрос: «Почему хлеб остается пористым даже после того, как углекислый газ улетучился из него?»

Возьмите немного муки, заверните в реденькую тряпочку и отмойте крахмал. На тряпочке останется белок - клейковина. Он недаром так назван, вы даже на ощупь можете убедиться в его клейкости. Теперь уже ответ ясен: клейковина образует вокруг пузырьков углекислого газа прочную пленочку, которая остается и после того, как углекислый газ вырвется наружу.

Есть простой способ распознавания белковых веществ по их запаху при горении. Но мы познакомимся с более совершенным химическим способом.

Разбавьте белок куриного яйца водой, добавьте раствор щелочи, затем несколько капель раствора медного купороса и слегка нагрейте. Появляется фиолетовая окраска. Теперь, зная эту реакцию, пускайтесь с нею в исследования по вашей «лаборатории». Прокипятите кусочек мяса или возьмите немного супу и испытайте его при помощи щелочи и медного купороса.

509


Испытайте клейковину, кусочек рыбы. Покипятите со щелочью шерсть или волосы и проверьте, дадут ли они фиолетовое окрашивание. Или другой способ. Прибавьте к разбавленному водой белку несколько капель концентрированной азотной кислоты, и вы заметите белый постепенно желтеющий осадок. Желтые пятна на руках у тех, кто неаккуратно обращается с азотной кислотой,- результат реакции кислоты с белками кожного покрова.

В заключение нашей экскурсии по домашней лаборатории займемся исследованием молока. Это - замечательное сочетание всех необходимых для питания человека веществ, о которых мы только что говорили. Недаром только одним молоком матери питается начинающий жизнь ребенок. В каждых 100 г молока содержится примерно по 4 г углеводов и жиров и 5 г белков; есть в нем и витамины.

Когда молоко долго стоит, оно покрывается слоем сливок. Это всплывают наверх мельчайшие капельки жира. С виду сливки как будто не похожи на жир. Но если их сбить, то получится сливочное масло. Снимите сливки с молока ложечкой. Добавьте к снятому молоку несколько капель уксуса. На ваших глазах произойдет створаживание молока. Это свертывается белок - казеин. Отделите творожную массу от сыворотки и проделайте

с белком ту или иную известную вам цветную реакцию.

Сыворотка представляет собой раствор в воде углевода - молочного сахара - и некоторого количества солей. Молочный сахар очень похож на обычный и легко усваивается молодым организмом. Именно молочный сахар, а не крахмал представляет здесь класс углеводов.

Скисание молока часто происходит без добавки уксуса, под действием образующейся в самом молоке кислоты. В воздухе всегда носятся так называемые молочнокислые бактерии. Попадая в молоко, эти бактерии вызывают брожение молочного сахара. При этом образуется молочная кислота, под действием которой и свертывается казеин.

Если молоко долго стояло и вы боитесь, что оно может свернуться при кипячении, добавьте в него немножко питьевой соды. Она нейтрализует кислоту, и молоко можно безбоязненно кипятить.

Теперь, когда вы сядете за обед или завтрак, можете о многом поразмыслить. Подумайте, из чего приготовлено каждое ваше блюдо, и представьте себе всю цепь химических превращений потребляемых вами веществ.

510


БЕСЕДА О САМОМ НЕОБЫКНОВЕННОМ В МИРЕ ВЕЩЕСТВЕ

ЧТО ТАКОЕ ВОДА?

Такой вопрос может показаться не только странным, но и немного невежливым. Кто же этого может не знать? Всякий знает, что вода - это соединение водорода и кислорода. Вот ее всем известная формула:

H2O

С водой очень хорошо знаком каждый, кто привык умываться по утрам, пьет чай, умеет плавать, любит бегать под дождем, не боясь промокнуть, кататься на коньках и ходить на лыжах.

Сколько существует различных водородов?

В природе существуют три различных водорода - три его изотопа. Самый легкий - H1. Химики его часто называют протием. Водород в обычной воде почти нацело состоит из протия. Кроме него, во всякой воде есть тяжелый водород - дейтерий Н², его чаще в химии обозначают символом D. Дейтерия в воде очень мало. На каждые 6700 атомов протия в среднем приходится только один атом дейтерия. Кроме протия и дейтерия, существует еще сверхтяжелый водород Н³. Его обычно называют тритием и обозначают символом Т. Тритий радиоактивен, период его полураспада немного больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Количество трития на нашей Земле исчезающе мало - меньше одного килограмма на всем земном шаре; но, несмотря на это, его можно обнаружить повсюду, в любой капле воды. Физики научились получать тритий искусственно в ядерных реакторах.

Недавно ученые заподозрили, что возможно существование четвертого изотопа водорода - H4 и даже пятого - H5. Они тоже должны быть радиоактивными.

Сколько на свете кислородов?

В природе найдены три различных изотопа кислорода. Больше всего легкого кислорода O16, значительно меньше тяжелого O18 и совсем мало кислорода O17. В кислороде воздуха, которым мы дышим, на каждые десять атомов O17 приходится 55 атомов O18 и более 26 000 атомов изотопа кислорода O16 .

Физики сумели создать в своих ускорителях и реакторах еще четыре радиоактивных изотопа кислорода: O14, O15, O19 и O20. Все они живут очень недолго и через несколько минут распадаются.

Сколько может быть различных вод?

Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой H2 O, то результат покажется неожиданным: всего могут существовать сорок две разных воды. Из них тридцать три воды будут радиоактивными, но и стабильных, устойчивых вод будет тоже немало - девять:

Н2 O16, H2 O17, H2 O18, HDO16, HDO17, HDO18, D2 O16, D2 O17, D2 O18 .

Если же подтвердится сообщение о том, что существуют еще два сверхтяжелых изотопа водорода - Н4 и Н5, то будут возможны уже сто пять различных типов молекул воды.

Подсчитайте сами, сколько различных вод, молекулы которых содержат тритий, могут образовываться на границе с космосом и постепенно вместе с дождями выпадать на землю. Попробуйте сосчитать также, сколько различных радиоактивных вод возникает в воде, охлаждающей атомный реактор.

Где бы в мире ни зачерпнуть стакан воды, в нем всегда окажется смесь различных молекул, неодинаковых по изотопному составу. Конечно, вероятность образования молекул с разным изотопным составом далеко не одинакова. Молекулы, содержащие сразу два или три редко встречающихся изотопных атома, будут возникать так редко и их будет так мало, что, по мнению физиков, их пока можно не принимать во внимание.

Что же такое обыкновенная вода?

Такой воды в мире нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она всегда необыкновенная. Даже по изотопному

С водой хорошо знаком каждый из вас.

511


составу вода в природе всегда различна. Он зависит от истории воды - от того, что с ней происходило в бесконечном многообразии ее круговорота в природе. При испарении вода обогащается протием, и вода дождя поэтому отлична от воды озера. Вода реки не похожа на морскую воду. В закрытых озерах вода содержит больше дейтерия, чем вода горных ручьев. В каждом источнике свой изотопный состав воды.

Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился: в нем уменьшилось содержание тяжелого водорода, но зато повысилось количество тяжелого кислорода. Поэтому вода из растаявшего льда уже другая и отличается от той воды, из которой лед был получен.

Если воду разложить химически и сжечь добытый из нее водород, то получится снова вода, но совсем другая, потому что в воздухе изотопный состав кислорода отличается от среднего изотопного состава кислорода воды. Но зато, в отличие от воды, изотопный состав воздуха один и тот же на всем земном шаре.

Вода в природе не имеет постоянного изотопного состава, она вечно меняется, и только поэтому нельзя сказать, что где-то есть какая-то обыкновенная вода.

Что такое легкая вода?

Это та самая вода, формулу которой знают все школьники - Н12 O16. Но такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили ученые. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды, и в первую очередь для измерения ее плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений.

Что такое тяжелая вода?

И этой воды в природе нет. Строго говоря, нужно было бы называть тяжелой воду, состоящую только из одних тяжелых изотопов водорода и кислорода -

Тяжелая вода кипит при более высокой температуре, чем обычная вода.

...и замерзает при более высокой температуре.

D2 O18 ; но такой воды нет даже и в лабораториях ученых. Пока она еще никому не нужна и незачем ее готовить. Конечно, если эта вода понадобится науке или технике, ученые сумеют найти способ, как ее получить: и дейтерия, и тяжелого кислорода в природной воде сколько угодно.

В науке и ядерной технике принято условно называть тяжелой водой тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного легкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха.

Еще совсем недавно никто в мире и не подозревал, что такая вода существует, а теперь во многих странах мира работают гигантские заводы, перерабатывающие миллионы тонн воды, чтобы извлечь из нее дейтерий и получить чистую тяжелую воду.

Тяжелая вода потому и тяжелая, что тяжелее обычной. Ее плотность 1,104.

Бывает ли полутяжелая вода?

Полутяжелой водой можно назвать воду со смешанными молекулами состава HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы воды в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но благодаря реакции обмена

2HDO « H2 O + D2 O

она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом: H2 О, HDO, D2 O.

512


НЕВЕДОМОЕ РЯДОМ

КАПЛЯ ВОДЫ, УПАВШАЯ В ВОДУ

Это изящное и загадочное явление каждый из вас может увидеть сам. Для этого нужно очень осторожно уронить подкрашенную каплю с высоты 1-2 см в прозрачную банку с водой, которая перед опытом простояла несколько часов вдали от источников тепла, и в ней прекратилось конвекционное движение.

На этих фотографиях, сделанных специально для Детской энциклопедии, показано, что происходит с каплей. Капля (1), упав с кончика пипетки в воду, превращается в вихревое кольцо (2). Оно расширяется, и в нем возникают утолщения (3). Постепенно они развиваются во вторичные вихревые колечки (4, 5, 6). Процесс повторяется, и число колечек быстро растет (7, 8, 9, 10). В такую сложную систему вихревых потоков капля превращается всего за несколько минут.

В правом ряду фотографий процесс снят сверху, в левом - сбоку. Это удивительное явление еще почти неизвестно и не изучено. Может быть, кто-либо из читателей исследует его и откроет законы, которые им управляют? Кто знает, к каким последствиям это приведет в будущем.

На этих снимках сфотографирован конец очень тонкой водяной струи. На поверхности струйки возникают волнообразные упругие колебания ( 1). Они усиливаются, и образуется тонкая перетяжка (2), она разрывается. Утолщение струи ( 3), находившееся перед" перетяжкой, превращается в каплю ( 4), а то, что было перетяжкой, оттягивается (5) и становится маленькой капелькой ( 6). Она названа «шариком Плато» по имени бельгийского физика. Плато был слепым, но тем не менее он сумел предсказать существование этой капельки задолго до того, как ученые смогли ее рассмотреть.

Под действием поверхностного натяжения капля колеблется. Она то вытягивается ( 7), то, снова расширяясь, сплющивается ( 8). Ее колебания хорошо изучены. Они в свое время помогли физикам разгадать тайну распада атомного ядра.

Распад струи жидкости на капли имеет очень большое значение для техники, поэтому его тщательно изучают. Механизм образования капель влияет на эффективность использования горючего при впрыскивании его в двигатель внутреннего сгорания. Тем самым от распада струи зависит и мощность двигателя.

Снимки сделаны выдержкой в одну миллионную долю секунды. Они увеличены в 10 раз.

Что такое «нулевая» вода?

Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эту воду физико-химики выбрали в качестве эталона: у нее очень постоянный состав. Ее не так уж трудно получать, и с ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: определив разницу, в плотности, легко найти содержание дейтерия.

А может быть, есть еще какая-нибудь вода?

Кроме всех перечисленных вод, еще существует тяжелокислородная вода - H2 O18. Получать ее из природной воды очень сложно и трудно. До сих пор эту воду в чистом виде еще, пожалуй, никто не сумел приготовить.

Тяжелокислородная вода очень нужна для исследования многих биологических и химических процессов, поэтому довольно концентрированные растворы этой воды в воде обычной получают теперь на заводах.

А радиоактивная вода существует?

Да. Физики научились получать тритиевую воду искусственным путем в атомных реакторах. Из-за сильной радиоактивности эта вода очень опасна. Пока такая вода нужна только ученым.

Больше нет никаких вод?

Больше нет. Просто потому, что все остальные возможные воды пока еще никому не нужны. Если понадобятся и они, то, без сомнения, наука найдет способ получать любую из них.

Много ли разных вод содержится в воде?

В какой воде? В той, что льется из водопроводного крана, куда она пришла из реки, тяжелой воды D2 O16 около 150 г на тонну, а тяжелокислородной (Н2 O17 и H2 O18 вместе) почти 1800 г на тонну воды. А в воде из Тихого океана тяжелой воды почти 165 г на тонну.

В тонне льда одного из больших ледников Кавказа тяжелой воды на 7 г больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной воды столько же. Но зато в воде ручейков, бегущих по этому леднику, D2 O16 оказалось меньше на 7 г, а H2 O18 - на 23 г больше, чем в речной.

Тритиевая вода Т2 O16 выпадает на землю вместе с осадками, но ее очень мало - всего лишь 1 г на миллион миллионов тонн дождевой воды. В океанской воде ее еще меньше.

Строго говоря, вода всегда и всюду разная. Даже в снеге, выпадающем в разные дни, разный изотопный состав. Конечно, отличие невелико. Всего 1-2 г на тонну. Только, пожалуй, очень трудно сказать - мало это или много.

В чем же различие между легкой, природной и тяжелой водой?

Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому он задан. Каждый из нас не сомневается, что с водой-то он знаком хорошо. Если каждому из нас показать три стакана с обычной, тяжелой и легкой водой, то каждый из нас даст совершенно четкий и определенный ответ: во всех трех сосудах простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцветна. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти между ними никакой разницы. И это будет верно. Это все - вода.

Химик на этот вопрос ответит почти так же: между ними нет почти никакой разницы. Все их химические свойства почти неразличимы: в каждой из этих вод натрий будет одинаково выделять водород, каждая из них при электролизе будет одинаково разлагаться, все их химические свойства будут почти совпадать. Это и понятно: ведь химический состав у них одинаков. Это вода.

Физик не согласится. Он укажет на заметную разницу в их физических свойствах: и кипят и замерзают они при различных температурах, плотность у них разная, а упругость их пара тоже немного различна. Правда, все эти различия малы. Изменения в изотопном составе очень мало влияют на физические свойства вещества.

Биолог, пожалуй, встанет в тупик и не сразу сумеет найти ответ. Ему нужно будет над вопросом о различии между водой с разным изотопным составом еще немало поработать. Еще совсем недавно все считали, что в тяжелой воде живые существа не могут жить. Ее даже мертвой водой называли. Но оказалось, что если очень медленно, осторожно и постепенно заменять протий в воде, где живут некоторые микроорганизмы, на дейтерий, то можно их приучить к тяжелой воде и они будут в ней неплохо жить и развиваться, но обычная вода станет для них вредной.

Кому же нужна тяжелая вода?

Человечеству! Оно уже стоит у порога, за которым ждет его страшная угроза энергетического голода. И вся надежда связана с тем, что будет решена проблема, как использовать для энергетики тяжелую воду.

Зачем нужна тяжелая вода теперь?

Все, что мы до сих пор говорили, касалось тех свойств, которые зависят от строения атомов, от их порядкового номера, от числа и расположения электрических зарядов в атомных ядрах и электронов в молекуле. Только это и определяет химическое поведение вещества. Строение молекулы не зависит от массы атомного ядра. Поэтому одинаковые молекулы с разным изотопным составом химически почти неразличимы.

Но сходство в свойствах изотопных соединений прекращается, когда вопрос касается кинетических и ядерных характеристик. Молекула, содержащая тяжелый изотопный атом, при той же температуре движется с меньшей скоростью, при столкновении таких частиц иначе протекает обмен кинетической энергией. А самое главное - это то, что изменяется способность вступать в ядерные превращения.

513


Вот эти-то свойства резко отличают тяжелую воду от любой другой воды с иным изотопным составом: ведь в ее состав входит тяжелый водород. В наши дни тяжелая вода успешно применяется в атомной энергетике для замедления нейтронов в ядерных реакторах.

Роль замедлителя в атомном котле очень важна. Когда ядро урана-235 распадается на два атомных ядра-осколка, из него одновременно вылетают два или три нейтрона. Скорость их огромна, она превышает 20 000 км/сек. Эти быстрые нейтроны не могут сами вызвать новый распад в других атомах урана. Они пролетят мимо них с такой быстротой, что просто не успеют прореагировать. Нейтроны нужно замедлить примерно до 2,2 км/сек, так, чтобы они пришли в равновесие с тепловым движением окружающих молекул. При этом энергия нейтронов должна уменьшиться почти в 60 млн. раз. Далеко не всякое вещество пригодно в качестве замедлителя. Выбор очень ограничен. Во-первых, оно не должно поглощать нейтроны, вступая само в ядерные реакции, а во-вторых, оно должно состоять обязательно из легких элементов с малыми массовыми числами. При соударении с тяжелым ядром скорость нейтрона почти не изменяется, точно так же как почти не изменяется скорость мяча, отскакивающего при ударе о стенку.

Самым лучшим замедлителем мог бы быть легкий водород, но он заметно поглощает нейтроны. Тяжелый водород их почти не поглощает. Нейтрону, попавшему в тяжелую воду, достаточно всего 25 раз столкнуться с тяжелым водородом, чтобы потерять свою высокую энергию и приобрести способность взаимодействовать с ураном. Неплохой замедлитель - углерод в форме графита, но нейтрону в нем приходится испытывать около 110 столкновений, чтобы утратить начальную скорость.

Использование тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет конструкторам создавать очень эффективные, а главное, легкие и компактные атомные энергетические установки, особенно для их применения на транспорте.

Зачем еще нужна тяжелая вода?

Чтобы исследовать механизм многих химических, физических и биологических процессов. Это, конечно, скромное, но очень важное применение тяжелой воды. Наверное, нет ни одного природного процесса, в котором не принимала бы участия вода или водород. Атомы тяжелого водорода наиболее важные меченые атомы. Их, как разведчиков в бой, направляют химики в исследуемые реакции, чтобы проследить за ее ходом. В наши дни уже возникла и быстро развивается самостоятельная область науки - химия изотопного обмена. Наиболее важная ее задача - изучать с помощью дейтерия механизм химических реакций при получении органических соединений и исследовать их строение.

Почему же человечеству будет нужна именно тяжелая вода?

Чтобы ответить на этот вопрос, нельзя обойтись без самого замечательного языка - без языка цифр и формул. Он понятен всем по-настоящему грамотным людям, в какой бы стране они ни жили и на каком бы языке ни разговаривали. Для химиков теперь очень точно измерены массы всех изотопных атомов. Вот некоторые значения этих масс:

Протий1 Н1 M =1,007 825

Дейтерий1М =2,014 102

Тритий1 Т³ М =3,016 049

Физики сумели установить возможность ядерных реакций между легкими атомами, в том числе возможность реакций между атомами дейтерия:

1 D² +1 D² =1 H1 +1 T³ .

К такой реакции неприменим закон сохранения веса, каким представляла его старая химия: в результате реакции получается недостача:

22,014 102-1,007 825-3,016 049=0,004 330 г. Это немалая недостача, она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реакция между двумя грамм-атомами тяжелого водорода, то, согласно уравнению Эйнштейна Е= D m с², можно было бы получить энергию:

0,00433(3,01010)² =3,91018 эрг =3,91011 дж.

Это немалая энергия. В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много ни мало 13,5 т первосортного угля. А ведь его еще нужно добыть из шахт и доставить из-под земли к топке.

Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затрате всего лишь двух грамм-атомов дейтерия, которые содержатся в одной грамм-молекуле тяжелой воды. А тяжелая вода есть в любой природной воде. Следовательно, простой воды потребуется: 670018=120 600 г, или 120 л. Значит, из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из ста килограммов высококачественного угля. А запасы воды на нашей Земле неисчерпаемы.

Что же мешает получать энергию из воды?

Такая возможность пока что кажется фантастической, но она вполне реальна. На пути к ее осуществлению наука уже преодолела немало трудностей. Уже решена сложнейшая проблема, как извлекать тяжелую воду из природной. Теоретически уже исследованы и рассчитаны условия, при которых возможны ядерные реакции между легкими атомами.

Но, к сожалению, исследователи встретили много трудностей. Насколько они серьезны, может показать прямой расчет: чтобы два атома могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнуться, т. е. сблизиться до расстояния, начиная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электростатическое отталкивание - примерно до 10−12 см.

Но ядра атомов защищены, как броней, своими электронными оболочками. Эти оболочки простираются на расстояние в десятки тысяч раз большее. А самое главное - ядра заряжены и отталкиваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Энергию, необходимую для того, чтобы преодолеть их взаимное отталкивание, рассчитать нетрудно. Из закона Кулона следует, что потенциальная энергия двух ядер, сблизившихся на расстояние 10−12 см, должна быть равна:

Z1  Z2 (4,8  10−20)² /10−12 =2,3  10−7  Z1  Z2 эрг,

514


если между собой сталкиваются элементы с атомными номерами Z1 и Z2 .

Конечно, мир атомных величин не очень привычен и нагляден, и трудно сразу представить себе, какова же эта энергия - мала или не очень мала. Но легко сообразить, с какой скоростью должны сталкиваться атомы, чтобы преодолеть потенциальную энергию электростатического отталкивания. Они должны обладать не меньшей кинетической энергией или по крайней мере равной. Следовательно, можно написать:

¹/2 mv² = 2,3  10- 7  Z1  Z2 эрг,

массу одного атома можно найти из атомного веса, зная, сколько атомов содержится в грамм-атоме: m= А/ 6,021023

Можно найти и скорость, с которой должны столкнуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реакция;

У дейтерия атомный номер Z= 1. Масса изотопа А=2, следовательно, скорость атомов должна быть равна: V=3,8  108 см в секунду, или 3800 км/сек. При обычной температуре физикам известна средняя скорость теплового движения у атомов дейтерия, она равна всего лишь 1,9 км/сек. При комнатной температуре - 293°К- кинетическая энергия молекул возрастает пропорционально абсолютной температуре, или, что то же самое, пропорционально квадрату скорости. Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до температуры:

T =293  (3800² /1,9²)= 1,1109 градусов.

Итак, сталкиваться и реагировать между собой могут только ядра дейтерия, «нагретые» до температуры свыше миллиарда градусов. Вот в этом-то и заключается довольно серьезное затруднение для подлинных героев науки - физиков, посвятивших свою жизнь труднейшей и величественнейшей из проблем - стремлению обеспечить энергией будущие поколения.

Быть может, тяжелую воду можно чем-нибудь заменить?

Ничем. Тяжелая вода как источник тяжелого водорода для термоядерных реакций с целью получения энергии, по-видимому, незаменима. Это следует из того, что необходимая для начала реакции температура очень сильно возрастает по мере увеличения атомного номера элемента. В самом деле, попробуйте сами подсчитать, какой температуре будет соответствовать кинетическая энергия частиц, способных преодолеть электростатическое отталкивание ядер атомов бериллия или кремния. Часть дейтерия можно заменить на тритий, но этого изотопа в природе почти нет.

Неужели же это все-таки возможно?

Очень трудно, но возможно. Во-первых, природа и физика идут навстречу исследователям: чтобы началась реакция, не нужно, чтобы весь газ был нагрет до такой немыслимо чудовищной температуры. Достаточно, если отдельные атомы будут обладать в нем столь высокой энергией.

Во всяком газе при любой температуре есть частицы с разными скоростями, от очень малых до очень больших. Благодаря этому реакция между атомами дейтерия будет идти с достаточной скоростью даже и при температуре, в несколько раз меньшей, чем 109 градусов. Это намного облегчает задачу.

Кроме того, существует так называемый туннельный эффект, благодаря которому всегда есть некоторая вероятность, что реакция между ядрами все же может произойти, даже если их кинетическая энергия будет несколько ниже, чем необходимо для преодоления электростатического отталкивания.

Поэтому для начала термоядерного процесса между ядрами тяжелого водорода оказывается вполне достаточной температура всего только в триста миллионов градусов (!). Если же вести реакцию между дейтерием и тритием, то будет достаточно и сорока миллионов градусов.

Как же это будет сделано?

Это уже сделано. Физики уже осуществили реакцию термоядерного взрыва, в которой температура, необходимая для начала ядерного синтеза более тяжелых элементов из легких ядер, достигается взрывом атомного заряда - запалом.

Но очень, очень много осталось еще сделать. Ведь нужен человечеству не взрыв, а управляемая реакция - источник энергии для промышленности, для транспорта, для всего, что будет необходимо обществу будущего. Нужна термоядерная «топка» - топка с температурой в сотни миллионов градусов.

Можно быть уверенным, что эта еще более фантастическая задача будет решена. Физики в нашей стране первыми нашли поистине совершенно удивительный путь к созданию термоядерного реактора. Они доказали, что такая «топка» возможна, хотя в природе нет и не может быть материала, способного выдержать такую температуру. Молекулы любого вещества, атомы любого элемента при таком немыслимо чудовищном «жаре» полностью разрушаются и теряют все свои электроны. Все вещества полностью превращаются в плазму - газ, состоящий не из молекул и даже не из атомов, а из свободных атомных ядер и свободных электронов. И несмотря на эту, казалось бы, полную принципиальную невозможность решения, наши ученые нашли путь, как создать такую топку для термоядерного реактора. Они доказали, что ее стенками могут служить мощные электромагнитные поля. Неощутимые, невидимые, прозрачные, они будут непроницаемы для ядер тяжелого водорода и для любых других элементов даже при ста, а может быть, и больше миллионов градусов.

На сколько времени хватит человечеству энергии, скрытой в воде?

Не менее чем на миллиард лет.

СВОЙСТВА ВОДЫ

Почему вода - вода?

Этот вопрос совсем не так неразумен, как это может показаться. В самом деле, разве вода - это только та бесцветная жидкость, что налита в стакан?

515


Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную Землю, в котором миллионы лет назад зародилась жизнь,- это вода. Тучи, облака, туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности,- это ведь тоже вода. Бескрайние ледяные пустыни полярных областей, снеговые покровы, застилающие почти половину планеты,- и это вода.

Прекрасно, не воспроизводимо бесконечное многообразие красок солнечного заката, его золотых и багряных переливов; торжественны и нежны краски небосвода при восходе солнца. Эта обычная и всегда необыкновенная симфония цвета обязана рассеянию и поглощению солнечного спектра водяными парами в атмосфере. Этот великий художник природы - вода.

Горные цепи сложены гигантскими толщами сотен различных горных пород, и геологи знают, что большинство из них созданы величайшим строителем природы - водой. Непрерывно изменяется облик Земли. На месте, где возвышались высочайшие горы, расстилаются бескрайние равнины, их создает великий преобразователь - вода.

Безгранично многообразие жизни. Она всюду на нашей планете. Но жизнь есть только там, где есть вода. Нет живого существа, если нет воды.

Почему же одно из бесчисленных химических соединений с простой и ничем не примечательной формулой, состоящее из двух обычных для мироздания элементов, молекула которого состоит всего из трех атомов,- простая окись водорода, самая обычная вода, занимает столь особое место в жизни природы? Чем объясняется такая исключительная роль воды?

Среди необозримого множества веществ вода с ее физико-химическими свойствами занимает совершенно особое, исключительное место. И это надо понимать буквально. Почти все физико-химические свойства воды - исключение в природе. Она действительно

Правильное кристаллическое строение льда выражается в изумительном изяществе снежинок.

самое удивительное вещество на свете. Она удивительна не только многообразием изотопных форм молекулы и не только надеждами, которые связаны с ней как с неиссякаемым источником энергии будущего. Она удивительна своими самыми обычными свойствами. Простое химическое соединение с простейшей формулой H2O заняло особое место на нашей чудесной планете благодаря изумительному сочетанию необычайных свойств.

Как построена молекула воды?

Как построена одна молекула воды, теперь известно очень точно. Она построена вот так:

Хорошо изучено и измерено взаимное расположение ядер атомов водорода и кислорода и расстояние между ними. Оказалось, что молекула воды нелинейна. Вместе с электронными оболочками атомов молекулу воды, если на нее взглянуть «сбоку», можно было бы изобразить вот так:

а если взглянуть «сверху» - со стороны атома кислорода, то так:

т. е. геометрически взаимное расположение зарядов в молекуле воды можно изобразить в виде простого тетраэдра.

Такое строение ведет к возникновению необычайно сильного взаимного притяжения молекул воды друг к другу: каждая молекула воды может образовать четыре одинаковые водородные связи с другими молекулами воды.

Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно одинаково.

516


Положительные заряды в молекуле воды связаны с атомами водорода. Отрицательные заряды - это валентные электроны кислорода. Их взаимное расположение в молекуле воды можно изобразить в виде простого тетраэдра.

Как построена молекула льда?

Никаких особых молекул льда нет. Молекулы воды благодаря своему замечательному строению соединены в куске льда друг с другом так, что каждая из них связана и окружена четырьмя другими молекулами. Это приводит к возникновению очень рыхлой структуры льда, в которой остается очень много свободного объема. Правильное кристаллическое строение льда выражается в изумительном изяществе снежинок и в красоте морозных узоров на замерзших оконных стеклах.

B н u зу - схематическое расположение атомных ядер водорода и кислорода в молекулах воды, образовавших кристаллическую решетку льда. Вверху - молекулы воды, образовавшие ледяной кристалл с сохранением масштабов электронных оболочек. Обратите внимание на рыхлую структуру льда.

Как построены молекулы воды в воде?

К сожалению, этот очень важный вопрос изучен далеко не достаточно. Строение молекул в жидкой воде очень сложно. Когда лед плавится, его сетчатая

структура частично сохраняется в образующейся воде. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул - из агрегатов, сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распадается, их размеры становятся меньше.

Взаимное притяжение ведет к тому, что средняя величина сложной молекулы воды в жидкой воде значительно превышает размеры одной молекулы воды. Такое необычайное молекулярное строение воды обусловливает ее необычайные физико-химические свойства,

При какой температуре вода должна кипеть ?

Этот вопрос, конечно, странен. Ведь вода кипит при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, всем известно, что именно температура кипения воды при давлении в одну атмосферу и выбрана в качестве опорной точки температурной шкалы, условно обозначенной 100°Ц.

Однако вопрос поставлен иначе: при какой температуре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева.

Чем меньше атомный номер элемента, чем меньше его атомный вес, тем ниже температура кипения его соединений. Вода по химическому составу может быть названа гидридом кислорода. H2 Те, H2 Se и H2 S - химические аналоги воды. Если проследить за температурами их кипения и сопоставить, как изменяются температуры кипения гидридов в других группах периодической системы, то можно довольно точно определить температуру кипения любого гидрида, так же как и любого другого соединения. Сам Менделеев таким способом предсказал свойства химических соединений еще не открытых элементов.

Если же определить температуру кипения гидрида кислорода по положению его в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при 80° ниже нуля. Следовательно, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения воды - это наиболее обычное ее свойство - оказывается необычайным и удивительным.

Попробуйте теперь представить себе, что наша вода потеряла вдруг способность образовывать сложные, ассоциированные молекулы. Тогда она, вероятно, должна была бы кипеть при той температуре, какая ей положена в соответствии с периодическим законом. Что бы тогда стало на нашей Земле? Океаны внезапно закипят. На Земле не останется ни одной капли воды, а на небе никогда не сможет больше появиться ни одного облачка... Ведь в атмосфере земного шара температура нигде не падает ниже минус 80° - минус 90°Ц.

При какой температуре вода замерзает?

Не правда ли, вопрос не менее странен, чем предыдущий? Ну кто же не знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить, при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей химической природой. Оказывается, гидрид кислорода на основании его положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.

517


Свойства любого химического соединения зависят от природы образующих его элементов и, следовательно, от их положения в таблице Менделеева. На этих графиках приведены зависимости температур кипения и плавления водородных соединений элементов IV и VI групп периодической системы. Вода является поразительным исключением. Благодаря очень малому радиусу протона силы взаимодействия между ее молекулами столь велики, что разделить их очень трудно, поэтому вода кипит и плавится при аномально высоких температурах. Кроме воды, в значительно меньшей степени аномальными свойствами обладают аммиак и фтористый водород. График А. Нормальная зависимость температуры кипения гидридов элементов IV группы от их места в таблице Менделеева. График Б. Среди гидридов элементов VI группы вода обладает аномальными свойствами: должна была бы кипеть при минус 80° - минус 90°Ц, а кипит при плюс 100°Ц. График В. Нормальная зависимость температуры плавления гидридов элементов IV группы от их положения в таблице Менделеева. График Г. Среда гидридов элементов VI группы вода нарушает порядок: должна была бы плавиться при минус 100°Ц, а ледяные сосульки тают при 0°Ц.

518


Вода на самом деле очень удивительное вещество. Ее, пожалуй, даже можно назвать непослушным веществом. Она не подчиняется многим физико-химическим закономерностям, справедливым для других соединений, потому что взаимодействие ее молекул необычайно велико и требуется особенно интенсивное тепловое движение молекул, чтобы преодолеть дополнительное притяжение. Это и приводит к такому неожиданному и резкому повышению температур ее кипения и плавления.

Попробуйте и на этот раз пофантазировать: вдруг исчезает ассоциация молекул воды ... немедленно на всей нашей планете исчезают снега и льды. Нельзя кататься на коньках, негде бегать на лыжах; впрочем, и некому тогда было бы кататься и бегать.

Полагается ли воде быть на Земле жидкой или твердой?

Нет, не полагается. Из того, что температура плавления и кипения гидрида кислорода - его аномальные свойства, следует, что в условиях нашей Земли жидкое и твердое состояния его также аномалии. Нормальным должно было бы быть только газообразное состояние воды.

Невозможным жителям невозможного мира, в котором все свойства воды были бы «нормальны», пришлось бы строить специальные сложные машины, чтобы сжижать такую воду, подобно тому как это делаем мы, получая жидкий кислород.

Самые обычные свойства воды оказываются необычайными и удивительными, если как следует с ними познакомиться и хорошо в них разобраться.

Сколько существует газообразных состояний воды?

Только одно - пар.

Сколько существует жидких состояний воды?

На такой вопрос не так просто ответить. Конечно, тоже одно - привычная нам всем жидкая вода. Но вода в жидком состоянии обладает такими необыкновенными свойствами, что приходится задуматься: правилен ли такой простой, казалось бы, не вызывающий никаких сомнений ответ? Вода - единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а затем по мере повышения температуры начинает расширяться. При +4°Ц у воды наибольшая плотность. Эту редкостную аномалию в свойствах воды объясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор совершенно необычайного состава: это раствор воды в воде.

При плавлении льда сначала образуются крупные сложные молекулы воды. Они сохраняют остатки рыхлой кристаллической структуры льда и растворены в обычной низкомолекулярной воде. Поэтому сначала плотность воды низкая, но с повышением температуры эти большие молекулы разрушаются, и поэтому плотность воды растет, пока не начнет преобладать обычное термическое расширение, при котором плотность воды снова падает. Если это верно, то возможны несколько

На графике показано, как изменяются с температурой объемы одного грамма льда и жидкой воды. Эти изменения очень малы, но они имеют большое значение для жизни природы. Такой странной и удивительной зависимостью плотности от температуры обладает только вода. Обратите внимание еще на одно удивительное свойство воды - огромное расширение льда при замерзании. Оно так велико, что графически на одном чертеже представить изменение объема воды при замерзании невозможно. У тяжелой воды температурный ход изменения плотности аналогичен; но замерзает она при 3,8°Ц и наибольшей плотностью обладает при 11, 6°Ц.

состояний воды, только их никто не умеет разделить. И пока неизвестно, удастся ли когда-нибудь это сделать. Такое необычайное свойство воды имеет огромное значение для жизни. В водоемах перед наступлением зимы постепенно охлаждающаяся вода опускается вниз, пока температура всего водоема не достигнет +°Ц. При дальнейшем охлаждении более холодная вода остается сверху и всякое перемешивание прекращается. В результате создается необычайное положение: тонкий слой холодной воды становится как бы «теплым одеялом» для всех обитателей подводного мира. При 4°Ц они чувствуют себя явно неплохо.

Что должно быть легче - вода или лед?

Кто же этого не знает... Ведь лед плавает на воде. В океане плавают гигантские айсберги. Озера зимой покрыты плавающим сплошным слоем льда. Конечно, лед легче воды.

Но почему «конечно»?.. Разве это так ясно? Наоборот, объем всех твердых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном расплаве. А вот лед плавает в воде. Это свойство воды - аномалия в природе, исключение, и притом совершенно замечательное исключение.

Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами и лед был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее жидкой воды. Зимой намерзающий сверху более плотный лед тонул бы, непрерывно опускаясь на дно водоема. Летом лед, защищенный толщей холодной воды, не мог бы растаять. Постепенно все озера, пруды, реки, ручьи промерзли бы нацело, превратившись в гигантские ледяные глыбы. Наконец, промерзли

519


бы моря, а за ними и океаны. Наш прекрасный цветущий зеленый мир стад бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тонким слоем талой воды. Чудесной аномалией плотности льда и воды обладает наше удивительное вещество.

Сколько существует льдов?

В природе, на нашей Земле - один: обычный лед. Это самый прекрасный из всех минералов. Никакие алмазы не могут сравниться блеском и красотой со снежинками, искрящимися на солнце. Из этого голубовато-зеленого камня сложены на Земле не только горы и колоссальные ледники, им покрыты целые материки. Лед - горная порода с необычайными свойствами. Он твердый, но течет, как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно стекающие с высоких гор. Лед изменчив - он непрерывно исчезает и образуется вновь. Лед необычайно прочен и долговечен - десятки тысячелетий хранит он в себе без изменений тела мамонтов, случайно погибших в ледниковых трещинах.

В своих лабораториях человек сумел открыть еще, по крайней мере, шесть различных, не менее удивительных льдов. В природе их найти нельзя. Они могут существовать только при очень высоких давлениях. Обычный лед сохраняется до давления в 2115 атм, но при этом давлении он плавится при -22°Ц. Если давление выше, чем 2115 атм, возникает плотный лед - лед -III. Он тяжелее воды и тонет в ней. При более низкой температуре и большем давлении - до 3000 атм - образуется еще более плотный лед- II. Давление сверх 5000 атм превращает лед в лед -V - этот лед можно нагреть почти до 0°, и он не растает, хотя и находится под огромным давлением. При давлении около 20 000 атм возникает лед -VI. Это буквально горячий лед - он выдерживает, не плавясь, температуру +80°Ц. Лед -VII, найденный при давлении 40 000 атм, пожалуй, можно назвать раскаленным льдом. Это самый плотный и тугоплавкий из известных льдов. Он плавится только при 175° выше нуля. Некоторые ученые подозревают, что существует еще неустойчивый лед -IV, быстро переходящий в лед -V.

Наверно, человек, расширяя свое познание природы, сумеет в будущем найти еще не один вид льда.

Что нужно, чтобы лед растаял?

Очень много тепла. Гораздо больше, чем для плавления такого же количества любого другого вещества. Исключительно большое значение скрытой теплоты плавления - 80 калорий на грамм льда - также аномальное свойство воды. При замерзании воды такое же количество тепла снова выделяется.

Когда наступает зима, образуется лед, выпадает снег и вода отдает обратно тепло, подогревает землю и воздух. Они противостоят холоду и смягчают переход к суровой зиме, к жестоким морозам. Именно благодаря этому замечательному свойству воды на нашей планете существуют осень и весна.

Сколько тепла нужно, чтобы нагреть воду?

Очень много. Больше, чем для нагревания равного количества любого другого вещества. Чтобы нагреть грамм воды на один градус, необходима одна калория.

Это больше чем вдвое превышает теплоемкость любого химического соединения.

Вода - вещество, необычайное даже в самых обыденных для нас свойствах. Конечно, эта особенность воды имеет очень большое значение не только при варке обеда на кухне. Вода - это великий распределитель тепла по Земле. Нагретая Солнцем под экватором, она переносит тепло в Мировом океане гигантскими потоками морских течений в далекие полярные области, где жизнь возможна только благодаря этой удивительной особенности воды.

Как вода попадает в облака?

Очень просто. Солнце нагревает воду. Всюду, где она есть,- в луже, в пруду, в море, в океане. Вода поглощает в своем тонком верхнем слое почти всю энергию попадающих на нее солнечных лучей и испаряется. Молекулы воды исключительно просты в своем строении и вместе с тем необычайны, отличны от всех других молекул. Они сильно притягиваются друг к другу благодаря силам межмолекулярного притяжения за счет дополнительных водородных связей. Солнцу приходится затрачивать очень много энергии, чтобы разделить молекулы воды, чтобы превратить ее в пар. Нет ни одного вещества, у которого бы скрытая теплота испарения была бы больше, чем у воды. Вода - лучший теплоноситель. Ничто не может сравниться с ней. Ничто не может лучше работать в паровых турбинах электростанций, в цилиндрах паровых двигателей.

Вода - гигантский двигатель и в природе. Метеорологи подсчитали, что Солнце испаряет на Земле за одну минуту миллиард тонн воды. Каждую минуту миллиард тонн водяного пара вместе с восходящими потоками нагретого воздуха поднимается в верхние слои атмосферы. Каждый грамм водяного пара уносит с собой 537 калорий солнечной энергии.

На большой высоте, где давление мало, воздух расширяется, его температура сильно понижается и водяной пар конденсируется, снова превращаясь в воду,- ее мельчайшие капельки образуют облака.

Энергия Солнца, поднятая с водяным паром вверх, неминуемо должна выделиться обратно, когда он превращается в облака. Эта энергия переходит в тепловую, нагревая воздух. Каждую минуту водяной пар отдает атмосфере Земли чудовищно огромное количество энергии: 2,21018 дж. Столько энергии за то же время могли бы выработать сорок миллионов электростанций, по миллиону киловатт каждая.

Это та энергия, которая переносит сотни миллиардов тонн воды по воздуху в облаках и орошает дождями всю поверхность Земли. Это та энергия, за счет которой дуют ветры, возникают бури, рождаются ураганы и штормы. А только один развившийся ураган выделяет энергию, эквивалентную энергии тридцати тысяч атомных бомб.

Почему в море вода соленая?

Это, пожалуй, одно из самых важных следствий одного из самых удивительных свойств воды. В ее молекуле центры положительных и отрицательных зарядов сильно смещены относительно друг друга. Поэтому, вода обладает исключительно высоким, аномальным значением диэлектрической проницаемости. Для воды e =80, а для воздуха и вакуума e =1. Это значит, что два

520


любых разноименных заряда в воде взаимно притягиваются друг к другу с силой в 80 раз меньшей, чем в воздухе. Ведь по закону Кулона

f=Q1  Q2 / e  r² .

Но все межмолекулярные связи во всех телах, определяющие прочность тела, обусловлены взаимодействием между положительными зарядами атомных ядер и отрицательными электронами. На поверхности тела, погруженного в воду, силы, действующие между молекулами или атомами, ослабевают под влиянием воды почти в сотню раз. Если оставшаяся прочность связи между молекулами становится недостаточной, чтобы противостоять действию теплового движения, молекулы или атомы тела начинают отрываться от его поверхности и переходят в воду. Тело начинает растворяться, либо распадаясь на отдельные молекулы, как сахар в стакане чая, либо на заряженные частицы - ионы, как поваренная соль.

Именно благодаря аномально высокой диэлектрической проницаемости вода - один из сильнейших растворителей. Она способна растворить любую горную породу на земной поверхности. Медленно и неотвратимо она разрушает даже граниты, выщелачивая из них наиболее легко растворимые составные части. Нет в природе такой прочной породы, которая могла бы сопротивляться всемогущему разрушителю - воде.

Ручьи, речки и реки сносят растворенные водой примеси в океан. Вода из океана испаряется и вновь возвращается на землю, чтобы снова и снова продолжать свою вечную работу. А растворенные соли остаются в морях и океанах.

Не думайте, что вода растворяет и сносит в море только то, что легко растворимо, и что в морской воде содержится только обычная соль, которая стоит на обеденном столе. Нет, морская вода содержит в себе почти все элементы, существующие в природе. В ней есть и магний, и кальций, и сера, и бром, и йод, и фтор. В меньшем количестве в ней найдены железо, медь, никель, олово, уран, кобальт, даже серебро и золото. Свыше шестидесяти элементов нашли химики в морской воде. Наверное, будут найдены и все остальные. Больше всего в морской воде поваренной соли. Поэтому вода в море соленая.

А знаете ли вы, что кровь человека и других животных близка по составу к морской воде? И что растения извлекают из земли питательные вещества в виде водного раствора? Если бы вода не обладала удивительным свойством - необычайно высокой диэлектрической проницаемостью, море не было бы соленым. Но это некому было бы заметить - не было бы на Земле жизни.

Распадаются ли в воде на ионы ее собственные молекулы?

Да, распадаются. Молекулы воды очень прочны, но все же очень небольшая часть их диссоциирует на ионы: H2 О=Н+ +ОН. При этом из каждого миллиарда молекул воды при обычной температуре диссоциированы всего лишь только две молекулы.

Свободный протон Н+ - ядро атома водорода,- конечно, не может существовать в водной среде: ион водорода немедленно присоединяется к молекуле воды и образует ион гидроксония H3 O+ .

Видал ли хоть кто-нибудь воду?

Этот вопрос может показаться нелепым. Однако если быть строгим и точным в ответах, то придется сказать, что нет - воду пока еще, наверное, никто не видал и не держал в руках. То, что налито в стакане и что мы по привычке называем водой, на самом деле всегда представляет собой раствор очень многих веществ в воде. В ней растворены газы: азот, кислород, аргон, углекислота - и все примеси, находящиеся в воздухе. В ней растворены соли из почвы, железо из водопроводных труб. В ней растворены, наверное, сотни, а может быть, и тысячи различных соединений почти всех элементов периодической системы. В ней взвешены мельчайшие нерастворимые частицы пыли. Это мы и называем «чистой водой».

Много ученых работают над решением трудной проблемы получения абсолютно чистой воды. Но пока еще получить такую воду не удалось. Да и как это сделать: налитая в стакан вода растворяет стенки стакана, соприкасаясь с любым газом, она растворяет газ.

Очень тщательно очищенная и освобожденная от газов вода приобретает совершенно необычайные свойства: ее можно перегреть на десятки градусов выше точки кипения - она не закипит, ее можно очень сильно переохладить - она не замерзнет.

Почему вода «мокрая»?

Вода не очень «мокрая», если считать, что этот шутливый вопрос относится к способности воды смачивать другие тела. Большинство жидкостей гораздо «мокрее» воды. Вода с трудом смачивает металлы, совершенно не смачивает жирные поверхности. Водой не намочишь парафин. Капли воды скатываются с поверхности многих полимерных материалов: тефлона, полиэтилена и др. Спирт же, например, или керосин очень хорошо смачивают почти любые тела. Это объясняется тем, что силы взаимодействия между молекулами воды так необычайно велики, что вода собирается в капли там, где все другие жидкости растекаются.

Это свойство воды причиняет много огорчений в обыденной жизни и в технике: загрязненные жиром или маслами руки водой не отмоешь. Из-за этого и было изобретено мыло. Химиками было синтезировано много специальных веществ - «смачивателей», которые очень широко применяются в технике, чтобы воду сделать «мокрее».

Какую форму имеет вода?

Хотя этот вопрос может показаться странным, но он задан совершенно правильно. Вода обладает собственной формой, как и любая другая жидкость. Ее форма - шар. Утверждение учебников, что вода принимает форму сосуда, а собственной не имеет, неверно. Ее собственная форма на Земле обычно искажена силой тяжести.

Но что воде свойственна форма шара, в этом очень легко убедиться - достаточно слетать на космическом корабле в космос и вытряхнуть там воду из бутылки. Можно увидеть это и на Земле: посмотрите на падающую каплю или выдуйте хороший мыльный пузырь. Во всех этих случаях действие силы тяжести исключено и вода принимает свою собственную форму.

521


В условиях невесомости вода принимает форму шара.

Можно ли бегать по поверхности воды?

Можно. Чтобы в этом убедиться, посмотрите летом на поверхность любого пруда или озера. По воде не только ходит, но и бегает немало живого и быстрого народца. Если учесть, что площадь опоры лапок у этих насекомых очень мала, то нетрудно понять, что, несмотря на их небольшой вес, поверхность воды выдерживает, не прорываясь, значительное давление.

Может ли вода течь вверх?

Да, может. Это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту - от глубоко скрытых в земле корней к листьям и плодам. Сама движется вода вверх в порах промокательной бумаги, когда вам приходится высушивать кляксу, или в ткани полотенца, когда вытираете лицо. В очень тонких трубочках - в капиллярах - вода может подняться на высоту до нескольких метров.

Чем это объясняется?

Еще одной замечательной особенностью воды - ее исключительно большим поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение воды столь велико? что по ней спокойно могут гулять, как посуху, довольно крупные водяные насекомые, вроде этих.

Молекулы воды на ее поверхности испытывают действие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэтому каждая молекула на ее поверхности втягивается внутрь жидкости. В результате возникает сила, стягивающая поверхность жидкости. У воды она особенно велика: ее поверхностное натяжение составляет 72 дин/см.

Эта сила и придает мыльному пузырю, падающей капле и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она поддерживает бегающих по поверхности пруда жуков, лапки которых водой не смачиваются. Она поднимает воду в почве, стенки тонких пор и отверстий в ней, наоборот, хорошо смачиваются водой. Вряд ли вообще было бы возможно земледелие, если бы вода не обладала бы этой исключительной особенностью.

Все ли свойства воды понятны ученым?

Конечно, нет! Вода - загадочное вещество. До сих пор ученые не могут еще понять и объяснить очень многие ее свойства. Непонятно, например, почему вода не только изменяет некоторые свойства при воздействии на нее магнитного поля, но и надолго сохраняет эти изменения. В такой воде иначе идут реакции осаждения. Многие соли из обычной воды выпадают при ее испарении в форме плотного осадка, образуя накипь (посмотрите в чайник). «Намагниченная» вода накипи не образует. Почему это так - никто не знает. Но то, что явление это еще не понято и пока не объяснено, нисколько не мешает инженерам с успехом применять его в технике для борьбы с накипью в котлах тепловых электростанций.

Недавно было обнаружено новое загадочное явление. Оказалось, что вода на Земле изменяет свою природу в зависимости от того, что происходит на Солнце и в космосе. Было замечено, что космические причины влияют на характер протекания в воде некоторых химических процессов, например на скорость появления осадков. Почему - неизвестно.

Многие наблюдения и факты говорят о том, что талая вода обладает особыми свойствами - она более благоприятна для развития живых организмов. Почему - тоже неизвестно.

Можно не сомневаться, что все подобные загадки будут успешно разрешены наукой. Будет открыто еще немало новых, более удивительных загадочных свойств воды - самого необыкновенного вещества в мире.

Все ли свойства воды уже перечислены в этой статье?

Нет, к сожалению, далеко не все. Не хватило места даже для наиболее интересных. Но тот, кто захочет подробно познакомиться со всеми свойствами воды, которые уже изучены, сможет это сделать самостоятельно.

Для этого ему нужно будет прочесть во всех научных библиотеках мира все уже вышедшие журналы и книги, где напечатаны научные работы по химии, физике, биологии, физиологии, биохимии, биофизике, геологии, геохимии. Придется изучить и многие работы по астрономии и астрофизике (интересно, есть ли вода на планетах, в межзвездном про-

522


странстве, в далеких галактиках? И как ее там ищут астрономы?). Надо будет изучить работы по зоологии и ботанике (ни животные, ни растения без воды жить не могут). Рыбы и микроорганизмы живут в воде - придется читать работы по ихтиологии и микробиологии.

Само собой разумеется, что нельзя пропустить книги по гидрологии, океанологии, лимнологии (это очень интересная наука об озерах), необходимо также изучить работы ученых по теории рек, их образовании и жизни, тщательно проработать все, что известно по гляциологии (это очень важная наука о свойствах льда - она помогает строить большие города на далеком севере), по спелеологии (ведь пещеры в недрах Земли созданы водой, и это тоже ее свойство).

Без термодинамики нельзя понять роль воды в энергетике (ведь все тепловые электростанции работают на паре, а гидростанции - на воде). Придется изучить и ядерную физику (зачем атомной энергетике нужна тяжелая вода). Есть еще очень обширная и трудная наука - гидравлика.

Придется изучить ряд разделов электротехники - без этой науки нельзя усвоить электрохимию, большинство процессов которой протекает в водных растворах.

Где и какие реки, моря и океаны расположены на Земле, рассказано в работах по географии. Совершенно особые свойства воды изучает навигация - наука о кораблевождении и теория кораблестроения.

Очень много интересного о воде можно узнать из книг по метеорологии - науке, которая изучает, почему рождаются тучи и идет из них дождь.

Нельзя оставить без внимания научные работы по медицине - и в человеке все жизненные процессы протекают в водной среде.

Может быть, вы думаете, что можно пропустить сочинения по истории, по экономике? Нет, их развитие определялось на нашей планете водными путями сообщения.

Наверное можно назвать, если хорошенько подумать, еще много отраслей знаний, в которых изучаются свойства воды. Попробуйте подумать сами.

Все ли уже известно о воде?

Совсем еще недавно, немного лет назад, химики были уверены, что состав воды им хорошо известен. Но однажды одному из них пришлось измерить плотность остатка воды после электролиза. Он был удивлен: плотность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной. В науке нет ничего незначительного. Эта ничтожная разница потребовала объяснения. В результате учеными было открыто много новых больших тайн природы. Они узнали, что вода очень сложна. Были найдены новые изотопные формы воды. Добыта из обычной тяжелая вода; оказалось, что она совершенно необходима для энергетики будущего. Теперь во всех странах мира физики упорно и неустанно работают над решением этой великой задачи. А началось все с простого измерения самой обычной, будничной и неинтересной величины - плотность воды измерена точнее на лишний десятичный знак.

Каждое новое более точное измерение, каждый новый верный расчет не только повышают уверенность в знании и надежности уже добытого и известного, но и раздвигают границы неведомого и еще не познанного и прокладывают к ним новые пути.

Нет предела человеческому разуму, нет предела его возможностям; и то, что мы теперь так много знаем о природе и свойствах поистине самого удивительного в мире вещества - о воде, открывает перед вами, перед теми, кто читает сейчас эту книгу, еще большие, неограниченные возможности. И кто может сказать, что вы еще узнаете, что откроете нового, еще более необычайного. Умейте только видеть и удивляться.

Вода, как и все в мире, неисчерпаема.

Откуда на Земле взялась вода?

Вечно, по всем направлениям, Вселенную пронизывают потоки космических лучей - потоки частиц с огромной энергией. Больше всего в них протонов - ядер атомов водорода. В своем движении в космосе наша планета непрерывно подвергается «протонному обстрелу». Пронизывая верхние слои земной атмосферы, протоны захватывают электроны, превращаются в атомы водорода и немедленно вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. Расчет показывает, что ежегодно почти полторы тонны такой «космической» воды рождается в стратосфере.

На большой высоте при низкой температуре упругость водяного пара очень мала и молекулы воды, постепенно накапливаясь, конденсируются на частицах космической пыли, образуя таинственные серебристые облака. Ученые предполагают, что они состоят из мельчайших ледяных кристалликов, возникших из такой космической воды. Подсчет показал, что воды, появившейся таким образом на Земле за всю ее историю, как раз хватило бы, чтобы родились все океаны нашей планеты. Значит, вода пришла на Землю из космоса? Но...

Геохимики не считают воду небесной гостьей. Они убеждены, что у нее земное происхождение. Породы, слагающие земную мантию, которая лежит между центральным ядром Земли и земной корой, под влиянием накапливающегося тепла радиоактивного распада изотопов местами расплавлялись. Из них выделялись летучие составные части: азот, хлор, соединения углерода, серы, больше всего выделялось водяных паров. Сколько же воды могли выбросить при извержениях все вулканы за все время существования нашей планеты? Ученые подсчитали и это. Оказалось, что такой изверженной «геологической» воды тоже как раз хватило бы, чтобы заполнить все океаны.

Интересно все-таки было бы знать: откуда же не Земле взялась вода?

523



СПРАВОЧНЫЙ ОТДЕЛ

ВСЕМУ МИРУ - ОДНУ МЕРУ

(Система единиц измерения)

СРАВНЕНИЕ И СЧЕТ

В жизни, особенно в науке и технике, люди часто измеряют расстояния, вес, время и т. п. Чтобы измерить какую-нибудь величину, например вес камня или глубину реки, ее сравнивают с другой известной величиной, выбранной в качестве единицы измерения,- с килограммом или метром. Результат измерения выражается числом единиц, содержащихся в измеряемой величине, например: вес камня - 10 кг, глубина реки - 3 м. Измерение позволяет нам оценивать различные масштабы предметов и явлений.

В каждом языке есть названия всевозможных предметов и явлений природы. Но без количественного исчисления и без сравнения предметов сведения о них были бы неполными. С развитием общения между людьми, с расширением торговли и ростом науки появилась необходимость в количественном измерении. А измерение невозможно без счета и без единиц измерения, с которыми сравниваются величины.

Самое простое измерение - счет целыми числами. Ими можно измерить и сравнить количество одинаковых и неделимых предметов - 8 человек, 3 лошади, 5 деревьев. Стадо в 100 овец вдвое больше стада в 50 овец. К такому счету мы привыкли так же, как к родному языку.

Привыкли мы и к нашей десятичной системе счета, общепринятой во всем мире: единицы объединяются в десятки, десятки - в сотни, сотни - в тысячи. Но существовали и иные системы счета. В древнем Вавилоне употребляли шестидесятичную систему счета. Мы пользуемся ею и сейчас, когда измеряем время: 60 секунд - минута, 60 минут - час. Деление года на 12 месяцев, окружности на 360 градусов - все это наследие вавилонской системы счета. Существует двоичная система счета, где за основание числа берется не 10, как в десятичной, а 2. Так считают и электронно-вычислительные машины.

Целыми числами можно измерить количество одинаковых, неделимых предметов - людей, животных, деревьев. А как измерить расстояние между городами, количество зерна, воды? Для этого нужны единицы измерения, с которыми можно было бы сравнивать эти величины.

Расстояние или длину можно измерить количеством шагов или сравнить их с размерами различных частей человеческого тела - рук, ног. В древних странах, в Египте, Вавилонии, Греции, единицей длины был локоть - длина руки человека от локтя до кончиков пальцев (рис. 1). В древней Руси единицами длины были: сажень - расстояние между концами пальцев разведенных в стороны рук (рис. 2); аршин, равный примерно длине руки; вершок - длине среднего сустава большого пальца. Но так как длина локтя, ступни, размаха рук у разных людей различны, то локти, футы и сажени у разных народов несколько отличались друг от друга. Локоть в Египте равнялся 0,45 м, а в Греции- 0,51 м.

Разнообразие единиц очень усложняло торговлю и обмен сведениями. Переводить одни единицы измерения в другие было гораздо труднее, чем переводить с одного языка на другой названия предметов. И люди пришли к выводу, что лучше всем народам иметь одинаковые единицы измерения.

КАКИМИ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Эти единицы мер должны быть удобными и неизменными. Удобными - это значит, что результат измерения наиболее часто встречающихся величин должен выражаться наименьшим количеством слов. Не-

524


лепо, например, рост человека измерять микронами: 1 млн. 650 тыс.мк. Для науки вообще нельзя придумать «удобную» единицу - ей приходится измерять и расстояния до звезд, и размер атома, длительность молний, и возраст Вселенной. Если это нужно, ученые сами придумывают удобную для науки единицу, например: расстояния во Вселенной удобно измерять световыми годами, световой год = 9,461015 м, а сечения атомных ядер - барнами. Барн=10−28 м² .

Но самое важное, чтобы принятые единицы были одинаковыми у всех народов и стран. Для этого в каждой стране хранят образцы (эталоны) измерительных единиц. Эти эталоны периодически сверяют друг с другом, и правительства обязывают всех граждан своих стран пользоваться только этими единицами. Важно также, чтобы неизменность единиц измерения могла быть проверена каким-нибудь неизменным и вечным природным эталоном. Например, единицу времени - секунду сверяют с временем оборота Земли вокруг Солнца. Для точных наук особенно важно, чтобы эталоны единиц в различных государствах были настолько одинаковы, насколько это возможно для современного уровня техники. Два эталона метра, отличающиеся друг от друга всего на одну миллионную долю (микрон), для физика-оптика уже два разных «метра»; ясно, что сравнение измерений, сделанных этими двумя метрами, теряет для него ценность.

МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ

Первый шаг к единой Международной системе единиц был сделан после Великой французской революции 1789 г. Тогда в Европе почти в каждом государстве была своя система единиц, свои меры. Французские ученые изобрели новую систему - метрическую и предложили всем странам принять ее. Идея метрической системы очень проста. Система счисления - десятичная, единица длины - метр - определенная часть меридиана Земли. Единицей времени была принята секунда - 1/86400 доля земных суток. Основные единицы - метр и секунда - могли быть в любое время проверены естественным эталоном: размером земного шара и временем его оборота вокруг своей оси.

С максимальной точностью, с помощью геодезических измерений, была измерена дуга Парижского меридиана от Дюнкерка до Барселоны; одна сорокамиллионная часть длины этого меридиана была названа специально изобретенным словом метр. Из твердого и прочного сплава платины с иридием был изготовлен эталон метра, хранящийся в Архиве Франции (рис. 3).

За единицу массы был принят вес 1 дм³ чистой воды при 4°Ц и назван килограммом. Из того же сплава изготовили эталон килограмма (рис. 4). Эталоны метра и килограмма, так же тщательно изготовленные, были разосланы во все страны. Есть эти эталоны и у нас, они хранятся в Палате мер и весов.

Эталоном единицы времени были установлены сутки. Измеряли время по часам или хронометрам, сверяя их с астрономическими данными. Другие единицы измерения, например единицы площади, скорости и т. п., образовались от основных: квадратный метр, метр в секунду.

К концу прошлого века в науке и технике появился целый ряд систем единиц. Они различались тем, что, например, в одних (СГС) за основные единицы были приняты сантиметр, грамм-масса, секунда, в других

Рис. 3. Поперечный разрез эталона метра. Такая форма эталона предохраняет его от прогибания и других деформаций.

Рис. 4. Эталон массы - 1кг.

(МКГСС) - метр, килограмм-сила, секунда. Создатели систем доказывали, что их системы самые удобные. Как бы то ни было, переход от одной системы к другой был затруднителен, так как единицы измерений в этих системах сильно отличались друг от друга. За единицу электрической емкости в системе СГС принималась емкость шарика радиусом в 1 см, а в практической системе - емкость шарика радиусом в 9 млн.км (фарада).

Для введения новых единиц и систем собирались международные Генеральные конференции. В 1960 г. XI Генеральная конференция рассмотрела и утвердила единую Международную систему - С И (System International - SI) и рекомендовала во всех странах пользоваться только ею. СИ опирается на 6 основных единиц, из которых могут быть получены всевозможные единицы для измерения любых физических величин. Вот ее основные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, свеча. Для измерения углов установлены дополнительные единицы - радиан и стерадиан.

Единица длины - метр. Прежнее определение метра оказалось неточным. Меридиан длиннее, чем 40 000 000 м, а изготовленный в 1795 г. платино-иридиевый эталон так и остался эталоном метра. Но еще более неприятным оказалось, что метр и его эталоны, разосланные в разные страны, со временем, в результате перекристаллизации в сплаве, изменились. Ученые обнаружили это, измеряя эталоны при помощи световых волн. При этом они открыли, что длина волн света, излучаемого атомами некоторых элементов, гораздо постояннее, чем металлический эталон метра. С помощью приборов интерферометров-компараторов (сравнителей) можно определить разницу между двумя эталонами, равную сотой доле длины световой волны. Особенно пригодной для этой цели оказалась длина волн оранжевого света, излучаемого инертным газом криптоном-86 при прохождении через него электрического тока - она наиболее постоянна и легко измерима. Но металлический эталон все равно нужен, нельзя же каждую деталь или расстояние до планет и звезд измерять при помощи световых волн. Поэтому ученые рекомендовали проверять неизменность эталона метра длиной световых волн криптона-86. Длина этой волны принята за естественный эталон. Величина метра теперь определяется так: метр есть длина, равная 1650763,73 длины волны излучения криптона-86. Эталон метра проверяют, измеряя число световых волн, укладывающихся в нем; по эталону изготовляют линейки, калибры и другие измерительные инструменты.

Чтобы понять, как сравнивают эталон метра с длиной волны света, надо знать физику и особенно ее раздел оптику (см. ст. «Свет»). Из волновой оптики известно, что если световые волны, отраженные, например, от двух зеркал, приходят в одну точку и при этом разница между длиной их пути равна нулю или составляет чет-

525


ное число полуволн, то в этой точке амплитуды волн складываются и интенсивность света усиливается. Если же эта разница равна нечетному числу полуволн (волны приходят в точку в противоположной фазе), то их амплитуды вычитаются и интенсивность света резко уменьшается (рис. 5).

На металлическом брусе устанавливают два зеркала: верхнее может передвигаться при помощи винта (рис. 6). Плоскость верхнего точно совмещают с поверхностью нижнего неподвижного зеркала. На оба зеркала направляют по узкому лучу света от криптоновой лампы, отраженные лучи сводят линзой в одну точку и наблюдают за ее освещенностью. Когда поверхности обоих зеркал точно совмещены, разность хода между отраженными лучами равна нулю и в точке мы видим светлое пятно. Стоит сдвинуть верхнее зеркало вправо на длину в четверть волны, как отраженный от него луч придет в точку с опозданием на одну полуволну и в точке не будет видно света - он погасится благодаря интерференции. Если верхнее зеркало сдвинуть вправо еще на четверть волны, луч «опоздает» на две полуволны и свет в точке усилится. Расстояние между поверхностями зеркал будет в этом случае равно половине длины световой волны. Наблюдатель постепенно передвигает

Рис. 6. Схема измерения длины метра с помощью световых волн. 1 - криптоновая лампа, погруженная для стабильности излучения в сосуд с жидким азотом. Линзы и коллиматор (2) формируют свет лампы в узкий пучок. Призмы (3) и коллиматор выделяют из спектра криптона-86 его оранжевую линию. Полупрозрачное зеркало 4 раздваивает световой пучок; часть лучей проходит через полупрозрачные зеркала 4 и 5 и отражается от зеркала 6; другая часть лучей, отраженная зеркалами (4), пройдет через зеркало 5 и отразится от зеркала 7. Лучи, отраженные от зеркал 6 и 7, отразятся и от зеркала 5, пройдут через линзу 8 и совместятся в одной точке на экране 9.

верхнее зеркало и подсчитывает вспышки и гашения. Когда он насчитает их 3301527,46, расстояние между поверхностями зеркал станет равным 1 метру. Сосчитать более трех миллионов вспышек и гашений света трудно, поэтому чаще всего таким методом измеряют не целый метр, а эталон в 1 или 10 см.

Излучение криптона-86 получают, пропуская электрический ток через трубку с разреженным криптоном (давление несколько миллибар); его оранжевое излучение с длиной волны 6057,802110−10 м выделяют из спектра призмой. Чтобы излучение было более однородным (монохроматичным), при разряде поддерживают строго определенную силу тока, а трубку со светящимся криптоном помещают в сосуд с жидким азотом при температуре 73,3°К(-199,8°Ц).

Точность измерения величины определяется числом достоверно известных знаков в результате измерения. Метр измерен числом длин волн, выраженным девятью знаками, - это значит, что точность определения эталона не менее одной миллиардной. С такой же точностью (но не большей) можно измерить длину в любых опытах.

За единицу массы - килограмм - принята масса платино-иридиевого эталона, хранящегося в Международном бюро мер и весов. Прежнее определение килограмма как массы 1 литра воды при 4°Ц тоже оказалось неточным. 1 литр весит на 27 мк меньше, чем изготовленный во Франции эталон килограмма. Но в отличие от платино-иридиевого эталона длины масса эталона килограмма совершенно не меняется со временем, и сравнить эталон с его копиями можно с большой точностью - до нескольких миллиардных долей.

Согласно определениям механики масса есть мера инерционности тел. Масса тела тем больше, чем больше атомов входит в его состав. Вес же по второму закону Ньютона есть сила, с которой Земля (или другое небесное тело) притягивает к себе тело данной массы. Вес равен произведению массы тела на ускорение силы тяжести. На Луне, например, где ускорение силы тяжести в 6 раз меньше, чем на Земле, во столько же раз будет меньше и вес нашего, земного килограмма. А на Юпитере- в 2,4 раза больше, на Солнце - больше в 28 раз! Масса же, например, у эталона килограмма во всех этих случаях не изменится. Наконец, на борту спутника вес массы любого тела при состоянии невесомости равен нулю. Даже на Земле в разных ее местах вес тела одной и той же массы изменяется: не везде одинаково ускорение силы тяжести. Земля не идеальный шар, она немного сплюснута у полюсов. Вблизи полюсов g =9,83 м/сек², а на экваторе - 9,78 м/сек². Поэтому в качестве основной единицы в системе СИ принята единица массы тела (кг), которая не изменяется в любых условиях, тогда как вес тела зависит от ускорения силы притяжения. В тех же случаях, когда надо подчеркнуть, что говорится не о массе, а именно о весе, его обозначают кгс (килограмм-сила).

«Позвольте,- скажете вы.- Давайте взвесим на Земле кусок металла на весах с гирями; пусть он весит ровно 1 кгс. Затем полетим на Луну вместе с этим куском, гирями и весами и взвесим там. Что же, он будет там весить меньше?» Да, и на Луне весы будут в равновесии, вес куска металла и гири в 1 кгс будут равны друг другу. Взвешивая на чашечных весах с гирями, мы на самом деле измеряем не вес тела, а массу, сравнивая вес тела и вес гирь. Вот если бы мы взвешивали кусок металла на пружинных весах, то на Луне его вес, т. е. сила, с которой он растянул бы пружину весов, была бы в 6 раз меньше. Сопротивление пружины растяжению не зависит от ускорения силы тяжести, а определяется только свойством материала. Итак, на чашеч-

526


ных весах нельзя определить вес тела. Просто мы привыкли употреблять слово «вес» вместо слова «масса». Эти понятия надо уметь различать и четко знать, что такое вес и что такое масса. Вес - это сила, с которой Земля притягивает к себе тела различной массы. В системе СИ вес (силу) измеряют в ньютонах. Вес массы в 1 кг на Земле равен 9,81 н, на Луне - 1,5 н. Когда обычно говорят, что тело весит 2 кгс, это значит, что оно притягивается к Земле так же, как и гиря массой в 2 кг. В физических единицах веса системы СИ оно весит, т. е. притягивается к Земле, с силой в 19,62 н.

Вернемся к эталону килограмма. Почему не приняли для него какой-либо естественный эталон, например массу углеродного атома? Принята же она в физике за единицу атомной массы элементов, и они измеряются ею с точностью до 10−12. Оказывается, что взвесить любой атом с помощью атома углерода ученые могут с величайшей точностью, но взвесить сам атом углерода или другой атом пока не могут. Казалось бы, можно очень точно взвесить на весах кристалл алмаза (ведь он состоит из чистого углерода), сосчитать число атомов в нем, высчитать таким образом вес одного атома и определить эталон килограмма числом атомов углерода, как определили длину метра числом световых волн. Но точно сосчитать число атомов в кристалле пока не удается. Число Авогадро (6,02481023), показывающее, сколько атомов содержится в грамм-атоме какого-либо элемента, известно пока еще с точностью не больше одной стотысячной. Такая точность для эталона недостаточна.

Единица времени - секунда. Эта единица, как уже говорилось, родилась в Вавилоне. И до недавнего времени, как и 6 тыс. лет назад, ее определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток - времени оборота Земли вокруг своей оси.

Точные исследования показали, однако, что Земля вращается вокруг своей оси неравномерно и замедляет свой оборот на 0,002 секунды в столетие. Из-за этого в величине секунды появляется неопределенность до одной десятимиллионной. В системе СИ значение

секунды уточнено. За естественный эталон секунды принята длительность тропического года - так называют астрономы промежуток времени между весенними равноденствиями (23 марта). Ради еще большей точности выбран определенный тропический год, между весенними равноденствиями 1899 и 1900 гг., и принято, что в том году содержалось 31556925,9747 секунды. Точность определения секунды таким образом достигает одной стомиллиардной.

Практически время измеряют с помощью хронометров, сверяемых по сигналам точного времени, которые передаются по радио. Эти сигналы подаются при помощи точнейших кварцевых часов, в которых использовано свойство кварцевой пластинки, вырезанной из кристалла горного хрусталя: пластинка эта совершает в секунду строго определенное число колебаний - это очень точный маятник. Кварцевые часы обычно устанавливают в крупнейших обсерваториях, так как эти часы приходится сверять с временем, в которое Земля завершает годовой оборот вокруг Солнца. Еще точнее кварцевых изобретенные совсем недавно атомные или молекулярные часы. В них использовано свойство возбужденных атомов цезия или молекул аммиака совершать неизменное число колебаний в секунду.

Единица силы электрического тока - ампер. Значение, или эталон, этой единицы устанавливается на основе открытого Ампером фундаментального закона о взаимодействии электрических токов, протекающих по параллельным проводникам. Ампер - это сила тока, который, проходя по двум параллельным проводникам, расположенным в метре друг от друга, вызывает между ними силу притяжения, равную 210−7 н на каждый метр проводов. Для воспроизведения эталонного тока в 1 а применяют токовые весы (рис. 7). Ток пропускают через две катушки: одна из них неподвижна, а другая прикреплена к коромыслу точных аналитических весов. Подвижная катушка может втягиваться внутрь неподвижной, когда через них пропущен ток. Силу втягивания можно очень точно измерить, уравновесив ее весом гирь на другом плече коромысла весов. Определенный таким образом ампер не нуждается в естественном эталоне, так как он установлен посредством единиц длины и силы.

Рис. 7. Токовые весы. По обмоткам двух катушек (1 и 2), вставленных друг в друга, течет ток. Катушка 1 подвешена к коромыслу весов 3. Силу, втягивающую катушку 1 в катушку 2, уравновешивают весом гирь 4. Токовыми весами градуируют амперметр 6, которым затем будут измерять силу тока в любых других электрических цепях.

527


Конечно, можно было бы определить единицу силы тока (ампер) или единицу количества электричества (кулон) естественным эталоном - зарядом электрона. Но опять-таки заряд электрона (или число электронов, составляющих кулон) известен еще с недостаточной точностью, чтобы его можно было принять за эталон единицы в системе СИ. 1 е= 1,6020210−19 к. Взаимодействием катушек с током можно определить ампер так же точно, как определены эталоны длины, массы и времени.

Единица измерения температуры - градус термодинамической шкалы Кельвина. Кельвин - английский ученый, установивший значение абсолютного нуля температур. В шкале Кельвина абсолютный нуль - 0°К. Это наинизшая температура. Если бы ее можно было достичь, при ней прекратилось бы движение всех атомов и молекул. Термодинамической эта шкала называется потому, что измерение температуры в ней производится на основании термодинамических законов состояния газов. Согласно одному из этих законов давление идеального газа при неизменном его объеме пропорционально его термодинамической температуре. Как наиболее идеальные для измерения температуры подходят газы гелий и водород. Термодинамическую температуру измеряют гелиевым или водородным термометром, определяя давление газа в замкнутом неизменном объеме, принимающем температуру измеряемого тела.

Для практических измерений температуры пользуются жидкостными или электрическими термометрами, шкалой и градусами Цельсия. Градус Цельсия в точности равен градусу Кельвина, но в шкале Цельсия за 0°принята температура тающего льда при нормальном атмосферном давлении 1,018 бар, а температура кипения воды при том же давлении принята за 100°Ц. В шкале Кельвина 0°Ц соответствует 273,15°К - на одну сотую градуса ниже, чем температура неизменного сосуществования всех трех фазовых состояний воды- льда, жидкости и паров - 273,16°К. В жидкостном термометре изменение температуры определяют по изменению объема жидкости (ртути, спирта), заполняющей шарик термометра при его нагревании или охлаждении. В электрических термометрах (термопарах, термисторах) используется свойство некоторых металлов или сплавов изменять свои электрические характеристики (термоэлектродвижущая сила, сопротивление) в зависимости от температуры. Высокую температуру тел (пламени, Солнца, звезд) измеряют, основываясь на законах излучения нагретыми телами инфракрасных или световых волн: чем выше температура тела, тем

Рис. 8. Схема получения эталона света. 1 - тигель, сделанный из окиси тория; 2 - расплавленная платина; 3 и 4 -отражательные призмы; 5 и 6 - фотоэлементы; 7 - измеряемый источник света; 8 - шкала сравнения.

больше коротких волн содержится в спектре его излучения.

Единица силы света - свеча. Это одна шестидесятая доля силы света, излучаемого 1 см² поверхности затвердевающей платины. Свечение платины при температуре ее затвердевания (2046°К) оказалось более постоянным и воспроизводимым эталоном силы света, чем применявшиеся ранее эталоны свечи - масляная лампа Карселя, лампа Гефнер-Альтенека, где горел амилацетат, или электролампы, питаемые строго определенным током.

Для сравнения с силой света какого-либо другого источника, например электрической лампы, свет от 1 см² платины, застывающей в тигле (сделанном из тугоплавкой окиси тория), выводится через трубочку из той же окиси тория в оптическую систему сравнения (рис. 8).

Для измерения углов введены две дополнительные единицы - радиан и стерадиан. Радианом измеряют плоские углы. Это угол, опирающийся на дугу окружности, равную по длине ее радиусу. Стерадиан - единица измерения телесного угла - равен телесному углу с вершиной в центре сферы и опирающемуся на участок сферы, равный по площади квадрату радиуса.

Из основных и дополнительных единиц выводят производные единицы для измерения любых физических величин. Например, единица скорости - метр в секунду (м/сек), ускорения - м/сек². Единица силы - ньютон - сила, которая сообщает ускорение в 1 м/сек² телу массой в 1 кг - кгм/сек². Единица работы и энергии - джоуль - работа, совершаемая силой в 1 к на длине пути в 1 м, и т. д. Ряд важнейших производных единиц приведен в таблице (на стр. 529).

Иногда результаты измерений приходится выражать очень большими или очень малыми числами. Они одинаково неудобны для произношения и написания. В системе СИ признано целесообразным применять кратные и дольные единицы, образуемые при помощи приставок. Километр - это 1000 м, киловатт - 1000 вт. Приставка «мега» означает, что кратная единица в миллион раз больше основной: мегаом=106 ом, мегаватт=106 вт. При помощи приставки «милли» образуются тысячные доли - миллиграмм, миллиампер. Миллионные доли единицы образуются приставкой «микро» - микрофарада, микросекунда. Для образования кратных, которые в 10 раз больше единиц, используют приставку «дека»; в 100 раз больше- «гекто» (гектоватт, гектар); в 10 раз меньше - «деци» (дециметр); в 100 раз меньше- «санти» (сантиметр).

Доли секунды образуются при помощи приставок «милли», «микро», т. е. соответственно десятичной системе счисления. А кратные секунде единицы - минута, час, равные 60 и 3600 секундам,- так и не поддаются десятичной системе.

И ВСЕ ЖЕ ЕДИНИЦ НЕ ХВАТАЕТ!

Эталоны основных единиц Международной системы определены с максимально возможной для современной науки точностью. Система СИ принята как основная в большинстве стран мира, в ней есть единицы для измерения всевозможных физических величин. И все же их не хватает. Наряду с единицами СИ допускается использование и ряда внесистемных единиц. Большинство из них настолько употребительны и привычны, что нет ни пользы, ни смысла их отменять. Они

528


Важнейшие производные единицы в системе СИ

Наименование физической величины Название единицы Сокращенное обозначение Чему равна новая единица в прежних единицах IIочему или в честь кого она названа
Скоростьметр в секундум/сек3,60 км/час-
Ускорениеметр на секунду в квадратем/сек² 0,102 ускорения силы тяжести-
Силаньютонн0.102 кгс105 динИ. Ньютон
Давлениеньютон на квадратный метрн/м² 10−5 бар
1,02·10−5 техн. атм
0,981·10−5 физич.атм
0,752·10−2 мм ртутного столба
Работа, энергияджоульдж 0,102 кгс·м
107 эрг
0,24 малой калории
6,25·1018 эв
Д. Джоуль
Мощностьваттвт 1,36·10−3 л.с.Д. Уатт
ЧастотагерцгцГ. Герц
Количество электричествакулонк 6,25·1018 зарядов электрона,
3·109 единиц СГС
Ш. Кулон
Потенциал электрического полявольтв1/300 единиц СГСЭ* А. Вольта
Напряженность электрического полявольт на метрв/м
Электрическое сопротивлениеомомГ. Ом
Напряженность магнитного поляампер на метр а/м1,256·10−2 эрстед-
Световой потоклюмен лм-по-гречески «лампа», «свеча»
Освещенность люкслк-по-латыни «свет»
Яркостьнитнт-по-гречески «сверкать»
Электрическая емкостьфарадаф9·1011 см М. Фарадей
 
 * СГСЭ - электростатическая система измерений - «сантиметр-грамм-секунда».

очень удобны для измерения различных величин не только в науке и технике, но и в повседневной жизни.

Кроме часа и минуты, можно назвать еще единицу измерения плоских углов - градус (1°=0,017453 радиана). Градусами пользуются в геометрии, навигации, геодезии. В технике часто имеют дело с микронами (1 мк= 10−6 м). По правилу образования дольных единиц его настоящее название - микрометр, но так уже давно называют прибор для точного измерения размеров. Поэтому и пришлось оставить этой единице внесистемное название.

Длины световых волн, расстояния между атомами в молекулах выражают в ангстремах ( Å =10−10 м). Длина волны желтого излучения натрия равна, например, 5,89610−7 м, а если выразить в ангстремах, то 5896 Å. Расстояние между атомами углерода в кристалле алмаза - 1,54 Å. Единица эта названа в несть шведского физика Ангстрема.

Для измерения массы служат удобные внесистемные единицы тонна-1000 кг и центнер -100 кг.

Для измерения давления предлагается удобная единица - бар, равная 105 н/м². Единица давления в системе СИ ( н / м²) слишком мала, ею неудобно пользоваться. Нормальное атмосферное давление равно 1,018105 н/м². Выраженное в барах, оно равно 1,018 бар. Эта единица очень близка и к технической атмосфере, широко употреблявшейся ранее: 1 атм =0,9806 бар.

В атомной физике очень удобна и употребительна для измерения энергии микрочастиц внесистемная единица электрон-вольт: 1 эв= 1,60210−19 дж. Средняя тепловая энергия молекул воздуха равна 0,035эв, а энергия, выделяющаяся при распаде ядра урана, - около 200 мегаэлектрон-вольт.

Астрономы для измерения расстояний до звезд применяют парсек, равный 3,26 светового года, или 3,0841016 м ; световой год - путь, проходимый светом за год (9,461015 м).

Для измерения земельных площадей употребительны единицы - гектар (10 000 м²), ар (100 м²).

529


Тепло (энергию) измеряют в калориях. Калория- тепло, необходимое для нагревания 1 г воды на 1°Ц. 1 калория=4,187 дж. По-видимому, эта единица скоро будет полностью вытеснена и заменена принятым в СИ джоулем.

Кроме внесистемных, долго еще будут пользоваться некоторыми своеобразными и интересными единицами. Лошадиная сила - какой живучей оказалась эта единица мощности, придуманная Д. Уаттом, изобретателем паровой машины, более 200 лет назад!

По вековой морской традиции скорость кораблей измеряют узлами. Узел - это 1,852 км/час. Язык не повернется у моряка сказать, что скорость корабля 36 км/час. Он скажет: 20 узлов.

А летчики совсем недавно ввели для себя новую единицу скорости - мах,- равную скорости звука в воздухе - 334 т/сек, или 1188 км/час. Теперь очередь за космонавтами - у них есть свои единицы скорости: первая космическая - 8 км/сек и вторая космическая - 11,2 км/сек.

Перевод наиболее употребительных единиц старых и специальных систем измерения в единицы системы СИ

Наименование
величины
Единица
измерения
Чему равна
эта единица
в системе СИ
Длинамикрон10−6 м
ангстрем10−10 м
световой год9,46·1015 м
парсек30,8·1015 м
астрономическая
единица
1495981·105 м
Площадьгектар104 м²
ар (сотка)102 м²
Объемлитр10−3 м³
Скоростькм/час 0,278 м/сек
мах (скорость звука)334 м/сек
узел (морской)0,501 м/сек
Ускорениеg - ускорение
силы тяжести
9,81 м /сек²
Силадина 10−5 н
килограмм-сила 9,81 н
грамм-сила 9.81·10−3 н
Работа, энергияэрг10−7дж
кгс·м9.81 дж
ватт-час3600 дж
калория4.187 дж
электрон-вольт1,602·10−19 дж
энергия 1 атомной
единицы массы
1,496·10−10 дж
Массатонна 103 кг
центнер 100 кг
углеродная атомная
единица массы
1,6603·10−27 кг
Мощностькилограмм-метр в секунду9,81 вт
эрг в секунду10−7 вт
лошадиная сила735,5 вт
Наименование
величины
Единица
измерения
Чему равна
эта единица
в системе СИ
Давлениебар 105 н/м²
техническая атмосфера 1 кгс/см² 9,81 ·104 н/м²
физическая атмосфера
(760 мм ртутного столба)
1,018-105 н/м²
1 мм водяного столба 9,81 н/м²
Количество
электричества
единица СГСЭ 3.33-10−10 к
заряд электрона 1,602·10−19 к
Потенциал
электрического поля
единица СГСЭ300 в
Напряженность
электрического поля
киловольт/см 105 в/м
единица СГСЭ30000 в/м
Электрическое
сопротивление
единица СГСЭ9·1011 ом
Электрическая емкостьсантиметр 1,11·10−12 ф
пикофарада10−12 ф
Напряженность
магнитного поля
эрстед 79,58 а/м (на виток)
Частотакюри3,7·1010 гц
Яркостьстильб (свеча/см²)104 нт
Освещенностьфот (люмен/см²)104 лк

530


ЧТО ОЗНАЧАЛИ СТАРЫЕ ЕДИНИЦЫ

До введения метрической и Международной систем измерения в различных странах существовали свои, национальные единицы и системы измерения, узаконенные государственной властью. Разбираться в них интересно не только историкам, каждому интересно, как возникали эти единицы.

На заре человек ждал восход солнца, и, как только показывался его краешек, он вставал и шел навстречу ему, пока оно полностью не поднималось над горизонтом. Пройденное человеком за это время расстояние называлось стадией. В разных странах стадии немного отличались, но все же были примерно одинаковы: в Вавилонии стадия была равна 194 м, в Египте-174,5 м, в древней Греции - 185 м. Места, где проводились соревнования атлетов и бегунов, размечались стадиями, и от этого пошло название - стадион. Впрочем, мы пользуемся и самим словом «стадия», обозначая им этап развития какого-либо процесса.

Некоторыми единицами люди пользовались еще в недалеком прошлом - всего 50-100 лет назад. Знать их необходимо, потому что они часто встречаются в литературе - русской, европейской, американской. Вспомните хотя бы «20 000 лье под водой» Жюля Верна или «451° по Фаренгейту» Рея Брэдбери. Произведения литературы - не учебники, в них не заменишь национальные единицы на международные. Встречаясь в этих произведениях с прежними единицами измерения, хочется сравнить их с привычными нам. Верста, туаз, лье - сколько это метров или километров?

Вот какими были, например, старые российские меры: в версте было 500 саженей, в сажени - три аршина, в аршине - 16 вершков. 1 вершок равен 4,445 см. Четыре вершка составляли пядь- 17,78 см. Аршин равен 71,12 см, сажень - 2,133 м, верста- 1,066 км. В 1709 г. Петр Великий постановил принять за эталон аршина английский дюйм. Он издал указ: в аршине должно быть 28 английских дюймов. С тех пор русские меры стали соизмеримыми с английскими дюймами, а дюйм - это 2,54 см. В России было введено еще десятичное деление дюйма: в дюйме 10 линий по 2,54 мм, в линии 10 точек по 0,254 мм каждая. Основной мерой площади земли была десятина - 1,09 га. Наиболее часто встречающиеся меры объема: ведро - 12,3 л, штоф- 1,23 л. Русская мера веса -фунт - равна 409 г. В фунте было 32 л о т а, в лоте - 3 золотника по 4,26 г. Всего в фунте 96 золотников. 40 фунтов составляли пуд - 16,4 кг. И до сих пор у нас урожай зерна чаще всего измеряют в пудах.

В литературе могут встретиться старинные единицы веса, до сих пор применяемые специалистами. Мерой массы (веса) драгоценных камней служит карат. Он равен 0,2 г. Слово это арабское, означает оно - стручок рожкового дерева, семена которого служили в глубокой древности мерой веса. Для взвешивания лекарств в аптеках существует целая система единиц. Наиболее употребительна из них - гран. Он равен 0,062 г. В прошлом веке это была самая маленькая единица веса, и потому она даже вошла в поговорку, например: «ни грана правды».

Широко распространена в мире британская система мер. Единица длины в ней - ярд (0,914 м). Фут (по-английски «ступня ноги») равен 30,49 см. В футе 12 дюймов по 2,54 см. Британские единицы мер были установлены еще в средние века, и только в 1965 г. английский парламент принял решение перевести все измерения в королевстве

в метрическую систему. От средних веков в Англии пока останется сложная денежная система. Своеобразны в Англии единицы измерения больших расстояний. Есть миля сухопутная и морская. Сухопутная миля равна 1,609 км, морская - 1,853 км. Морская мера скорости - узел, это одна морская миля в час. Британский фунт (0,453 кг) содержит 16 унций по 28,35 г. Британская тонна равна 2240 фунтам (1016 кг).

Своеобразна и применяемая в Англии и в США шкала температур Фаренгейта, появившаяся в 1715 г. Фаренгейт - один из первых изобретателей знакомого нам жидкостного термометра. За нуль градусов своей шкалы он принял температуру смеси льда с нашатырем (хлористым аммонием), думая, что это наинизшая температура на Земле. По шкале Цельсия - это минус 17,7°. За вторую точку шкалы Фаренгейт принял температуру тела здорового человека, приписав ей значение 96°. По шкале Цельсия - это 37,3°. Перевести температуру из градусов Фаренгейта в шкалу Цельсия можно по формуле

t °Ц = 5/9 (T °Ф − 32);    T °Ф = 9/5 t °Ц + 32.

0°Ц соответствует 32°Ф, температура кипения воды (100°Ц) соответствует 212°Ф. Восьмидесятиградусный мороз в рассказах Джека Лондона - это минус 62°Ц.

Редко, но встречается шкала Реомюра. Перевести ее в шкалу Цельсия просто: надо число градусов Реомюра умножить на 5/4. 0°Р совпадает с 0°Ц, температура кипения воды по Реомюру 80°Р = 100°Ц.

Старинная французская мера длины туаз = 1,97м; величиною она довольно близка к русской сажени. Лье - единица измерения больших расстояний - равно примерно 4,5 км. На ровной местности это соответствует расстоянию до видимой линии горизонта.

В этой статье мы рассказали о единицах измерения - подробнее о современных и коротко о старых и старинных. С развитием науки людям придется изучать и измерять величины, характерные для новых физических явлений, и придумывать для этого новые единицы. Например, придумали, как измерять количество информации, которую вы получили, прочитав, например, эту статью. Информация измеряется в битах.

Приходится измерять и, казалось бы, совсем неизмеримые величины: интенсивность запаха, силу землетрясений и штормов, даже успеваемость учеников. Пока все это, в том числе и успеваемость ученика, не измеряют, а оценивают баллами. Придет время, и люди научатся совершенно точно определять, скажем, успеваемость в единицах запомнившейся учеником информации, скажем в мегабитах.

А знаете ли вы, чем измеряют количество и полезность труда, совершенного человеком? Деньгами. И эту свою роль деньги правильно выполняют только в социалистическом обществе, где осуществляется принцип «каждому - по труду».

Измеряют и силу взрыва ядерных бомб - в килотоннах и мегатоннах взрывчатки. Вот уж этой «единице» пожелаем исчезнуть и забыться как можно скорее и навсегда!

Развитие системы единиц измерения неотделимо от развития науки и техники, требующих повысить точность измерений и точность эталонов измерительных единиц. Точные измерения - одно из основных средств науки в открытии неведомых еще тайн и законов природы.

РАЗБЕРЕМСЯ В РАЗМЕРАХ

В этом томе и в других томах энциклопедии вы не раз читали о бесконечно большом и бесконечно малом, о гигантском и крошечном: о звездах-карликах и гигантских водорослях, о гигантских белковых молекулах и ничтожных пылинках, о громадных космических просторах, мельчайших вирусах и о невообразимо маленьких электронах. Как все это сопоставить друг с другом? Что больше чего и во сколько раз?

Давайте наведем порядок. Расставим все предметы мира по ранжиру. Вот серия рисунков. На исходном рисунке - нулевом - глаз человека, он будет нашим масштабом. Масштаб принято выражать отношением размера изображения к действительному размеру. Мы условно примем, что нулевой рисунок изображен в масштабе 1:1. С человека мы начали не потому, что человек центр Вселенной, а потому, что мы сами - люди, мы изучаем природу, чтобы использовать ее в своих интересах, вот и примеряем все на свете к себе. А оценку размерам производит именно глаз.

На рисунке 1 масштаб уменьшен в десять раз (1:10) - здесь голова человека. На рисунке 2 - весь человек. Его линейный размер примерно в 100 раз больше линейного размера глаза. Масштаб рисунка 1:100. На рисунке 3 масштаб - 1:1000, человек еще виден, но с трудом уместилось дерево средних размеров. На рисунке 4 масштаб снова уменьшен в десять раз (1:10 000): тут и дерево еле разглядишь, зато поместилось одно из самых массивных сооружений человека - египетская пирамида. А телевизионная башня, та, что строится в Москве у Останкинского пруда, не поместилась целиком, верхушка ее вышла за обрез.

532


Принцип ясен: от рисунка к рисунку масштаб уменьшается в десять раз (на один порядок), и в поле зрения попадают предметы в десять раз крупнее.

На рисунке 5 изображены Крымские горы и вулкан Этна. На рисунке 6 - гора Джомолунгма и самая маленькая планета солнечной системы - Эрот. На рисунке 7 - Крымский полуостров и остров Сицилия. На рисунке 8 - Луна почти целиком. На рисунках 9 и 10 - планеты. На рисунке 11 - Солнце, затем звезды-гиганты, но для рисунка 15 звезду не подберешь, на нем изображена наша солнечная система.

Дальнейшие рисунки занимают системы небесных тел: двойные звезды, звездные скопления вплоть до самого громадного - гигантской спиральной галактики вроде нашего Млечного Пути (рис. 23). Затем - расстояние до ближайших галактик, скопления галактик и все, что видно с помощью сильнейших телескопов. Все это называется видимой частью Метагалактики.

Радиотелескопы помогают проникнуть несколько дальше оптических зеркальных телескопов, но и радио-мир умещается на рисунке 28, масштаб которого 1:1028 1028 - это единица с двадцатью восемью нулями. Что следует изобразить на рисунке 29, наука пока еще не знает.

Вернемся к глазу человека и проделаем путешествие в противоположном направлении - в мир малых величин. На этот раз мы от рисунка к рисунку будем увеличивать масштаб в 10 раз. На рисунке 1 веслоногий рачок циклоп, который раз в десять меньше глаза. Для рисунка 2 уже не нашлось предмета, видимого невооруженным глазом, здесь пришлось поместить амебу. Между этими рисунками проходит важный порог, который человечество не могло переступить до конца XVII в. - граница возможностей человеческого зрения. Рачков наши предки видели все, амебу до Левенгука не видел никто. Микроскоп позволил перейти этот барьер, показал нам мир клеток: одноклеточных животных и клеток организма, изображенных на рисунках 3 и 4. И снова барьер - почти сто лет наука топталась перед ним, - барьер дифракции. Нельзя с помощью световых лучей видеть то, что меньше длины их волны. Только перейдя от видимых лучей к невидимым, от световых волн к электронным, наука продвинулась в середине нашего века еще на одну клетку, сфотографировала то, что изображено на рисунках: 5 - вирус и 6 - большую молекулу. Между рисунками 6 и 7 проходит барьер сегодняшнего видения. Дальнейшие рисунки составлены на основании косвенных данных, добытых опытами и приборами, которые не дают изображение, а измеряют свойства: электрические, магнитные, энергию, скорость, силу удара, прочность и т. д.

На рисунке 8 условно изображен атом: в цент-

ре - положительное ядро, на периферии - орбиты отрицательных электронов. У ученых нет уверенности, что электроны движутся именно по таким орбитам, да и размеры ядра на самом деле значительно меньше. Его надо было бы изобразить мельчайшей точечкой.

Для рисунков от 9 до 12 нет соответствующих предметов.

Ядро атома, изображенное как совокупность нуклонов на рисунке 13, в 100 тыс. раз меньше самого атома.

Мы не изображаем электроны, мезоны и другие элементарные частицы потому, что их строение еще неизвестно достоверно, а следовательно, и размеры их могут быть лишь весьма предположительными.

Мы ограничиваемся рисунком 22. На нем изображено сечение самой загадочной из известных элементарных частиц - нейтрино. Впрочем, нельзя утверждать, что у нейтрино именно такие размеры. Выяснено лишь, что в таком сечении эта частица взаимодействует с веществом.

Все эти рисунки наглядно показывают размерные соотношения предметов. Например, бактерии и бактериофаги изображены на смежных рисунках - это значит, что бактерия в десятки раз больше бактериофага. Вирус (бактериофаг) во столько же раз меньше человека, во сколько раз человек меньше Земли. Галактика больше Солнца на 12 порядков, на столько же Солнце больше циклопа.

Ряды этих рисунков полезны не только для сравнений, нужны они и для размышлений о природе в целом, они подсказывают недоуменные «почему», на которые наука не всегда способна ответить.

Главное вы уже заметили. От рисунка к рисунку нам приходилось менять не только масштаб, но и тему. Люди бывают разного роста, но нет ни одного карлика, который мог бы втиснуться в рисунок 1, ни одного

533


гиганта, который не выглядел бы жалкой черточкой на рисунке 3. И на этих рисунках мы должны были изобразить не людей, а что-то другое: дерево, глаз. Может, следовало повсюду изобразить животных? Да, вместо дерева можно было бы нарисовать, например, кита, но для рисунка 4 не нашлось бы зверя, достаточно крупного, чтобы стоять рядом с пирамидой. А для рисунка 5 не нашлось бы и здания подходящего, по величине сравнимого с горами. У всякого класса предметов оказались свои размеры - от сих и до сих.

Особенно резко видны границы, если мы расположим предметы не по размерам, а по массе, как это сделано на таблице, помещенной на этой и следующей страницах. Так как масса связана с объемом, а объем пропорционален кубу размера, здесь каждая ступень означает увеличение не в 10, а в 1000 раз. Нулевая ступень принадлежит человеку, здесь - предметы с массой от 1 кг до 1 т. И глядите, что получается: для звезд - две ступеньки, для молекул - две, для атомов - одна, для живых существ - девять ступенек, но у каждого типа своя ступенька, звери - на трех ступеньках, птицы - на двух, бактерии - на двух, но гораздо ниже и т. д.

В общем-то таблица масс очень сходна с таблицей линейных размеров. Впрочем, есть и различия. Например, в линейных размерах Солнце и солнечная система отличаются резко - на четыре порядка. На таблице же масс Солнце и солнечная система сливаются, потому что массы их почти одинаковы. В Солнце сосредоточено 99,8% массы всей системы. То же и с атомом. На таблице масс атом и атомное ядро слились, потому что в ядре сосредоточено более 99,9% массы, а в ряду рисунков они разделены четырьмя порядками, так как по сравнению с атомом ядро - все равно что рачок по сравнению с деревом.

Только не делайте скороспелый вывод, что атом - крохотная планетная система. Они сходны, но и несходны, как и все в природе сходно и несходно. Сходны силами, их образующими: электростатическим притяжением в атоме, гравитационным тяготением в космосе. Но ядро состоит из десятков или сотен нуклонов и совсем не похоже на Солнце, сложившееся из 1056 атомов. Ничего нет общего и между планетой и электроном - частицей со свойствами волны. Интересно, что из несходного материала с помощью подобных сил природа может слепить внешне сходные предметы.

Рассматривая рисунки, вы заметили, наверное, что ряд гигантов оказался гораздо длиннее ряда карликов. Казалось бы, в глубины человек проникает медленнее.

На таблице масс такой диспропорции нет, там человек оказался почти точно в середине: 17 ступеней вверх, 17 - вниз.

Произошло это за счет самого низа, где на таблице масс несколько ступеней занимают электромагнитные волны. На рисунках их нет, потому что нет ясности, каков размер волны. У волн есть длина - расстояние между двумя гребнями, но по отношению к фотонам нет никакой уверенности, что длину там можно понимать в прямом размерном смысле, что там вообще есть гребни и расстояние между ними.

Но даже если бы мы изобразили на рисунках длину волн, не размышляя, что это такое, получился бы

534


полнейший разнобой: чем ниже оказалась бы волна в таблице масс, тем выше в таблице объемов. Ведь у волн чем меньше масса, тем больше длина. Волны света оказались бы на уровне бактерий, волны инфракрасные - возле клеток и амеб, радиоволны рядом с деревьями и башнями... Лишнее доказательство того, что понятия, выработанные для мира, который окружает человека, не подходят для микровеличин. Видимо, масса в мире волн - нечто побочное.

Окинем еще раз взглядом таблицу масс. Итак, на одной ступени звезды, на другой - планеты, полторы ступени заняли молекулы, одну ступень - атомы.

У каждой группы! предметов - свои этажи, свои квартиры. И соответственно по разным этажам и квартирам распределяются науки. На самом верху, под «небом», работает астрономия: на средних ступенях - сфера действия биологии и геологии. Всего пять ступеней - две вверх и две вниз от человека - завоевала техника. Сооружения и изделия наших рук все еще меньше гор и больше песчинок.

Самый низ таблицы - фундамент, основу основ - изучают физика и химия, причем владения химии начинаются не в самом низу, а только на минус девятой ступени, где из атомов образуются сложные сооружения - молекулы. Одна ступень принадлежит химии, но уже на следующей ступени из молекул начинают возникать еще более сложные сооружения: в мире неживого - кристаллы, в мире живого - вирусы. Но так как все вещества и все существа состоят из химических соединений, так как и в живой и в неживой природе идут химические процессы, химия простирает свое влияние на много ступеней вверх: через биохимию - на живое и через геохимию - на неживое. Влияние могущественной химии заканчивается только на десятой ступени - в мире горячих солнц. Там из-за высокой температуры молекулы разрушаются. Молекулам конец - и химии конец.

Сфера влияния физики еще обширнее. Физика царит на самых нижних ступенях. Фундамент мира, кирпичики, из которых построено все (элементарные частицы и атомы), изучает физика. С миром жизни физика связана через биофизику, с миром неживых тел - через геофизику, с миром небесных тел - через астрофизику.

С физикой мы встречаемся и на семнадцатой нижней ступени, и на семнадцатой верхней.

Естественно, возникает вопрос: а что же на следующих ступенях - на восемнадцатой, девятнадцатой, двадцатой? Надо ли продолжать таблицу вверх и вниз до бесконечности? Что такое эта таблица: схема строения природы или схема наших знаний о ближайшем участочке природы?

Ученые не одинаково отвечают на эти вопросы. Астрономы, ведающие верхом таблицы, думают, что ее можно будет продолжить вверх, хотя здесь мы уже подходим к границам пространства, откуда до нас может доходить свет.

Физики же, хозяева нижних ступеней таблицы, полагают, что далеко вниз продвигаться не придется, что мы уже находимся у самого дна, у основы основ материи, многообразной, но неделимой.

БИОГРАФИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

У каждого химического элемента своя биография. Есть элементы, «жизненные пути» которых можно очень точно проследить со дня их «рождения» - открытия. Начало биографий других элементов теряется в далеких тысячелетиях. Открытие одних элементов ни у кого не вызывало сомнений; открытие других пришло после длинной цепи ошибок и разочарований.

Давайте сделаем перепись «населения» периодической системы элементов. Сто четыре химических элемента расположены в клетках таблицы Менделеева. Сто лет назад их было всего 63. А еще столетием ранее ученые весьма нечетко представляли себе, что же следует считать химическим элементом. В качестве элементов фигурировали подчас различные сложные вещества, соединения. Например, известь, кремнезем, магнезия считались самостоятельными элементами. И только в 1789 г. французский химик Лавуазье провел четкую грань между элементом и соединением.

Но что же следует понимать под открытием химического элемента? Выть может, выделение элемента в чистом виде? Нет. Половина элементов периодической системы первоначально была известна в виде соединений: проходило немало времени, прежде чем ученые находили способы извлекать их из этих соединений. Так, соединение фтора - плавиковая кислота - стало известно в 1771 г. Затем ученые установили, что водород в кислоте соединен с незнакомым еще элементом фтором. И фтор вошел в список химических элементов. Но чтобы получить свободный фтор - самый активный неметалл, - потребовались десятилетия. Только в 1886 г. француз Анри Муассан получил газообразный фтор. Что же считать истинной датой открытия фтора?

А вот другой рассказ об элементе, которому суждено было «родиться» по крайней мере трижды. Это популярный теперь и знакомый всем уран. Первооткрывателем его считают немца Мартина Клапрота (1789). Спустя полвека француз Эжен Пелиго выяснил, что его немецкий коллега держал в руках не элемент уран, а всего лишь окись урана. Пелиго получил чистый металл, но свойства его и атомный вес определил неверно. Когда Менделеев строил периодическую систему, он убедился, что уран по своему атомному весу должен стоять в третьей группе, но его свойства к этой группе не подходят. Веря в справедливость открытого им закона, Менделеев сделал вывод: атомный вес урана должен быть значительно больше и элемент следует поместить в шестую группу. Так уран стал замыкающим в таблице элементов. Это было как бы его третьим рождением. Правда, Мартин Клапрот не потерял право называться первооткрывателем урана.

В 1912 г. при раскопках древнеримского города Помпеи была найдена фреска из мозаики. Анализ краски в этой фреске показал слабую радиоактивность. Химики выяснили причину радиоактивности: в состав красок входил уран (около 1% по весу). А позднее было доказано, что римляне знали окислы урана, применяли их для окраски стекол и керамики. Закономерно предположить, что именно здесь следует искать истоки биографии урана.

Открытие 104 химических элементов - это сто четыре незыблемые истины. Многие теории и гипотезы под давлением новых фактов могут меняться, могут быть отвергнуты вовсе. Но существование 104 элементов доказано со всей возможной научной строгостью. Можно синтезировать новые сверхтяжелые элементы, закрыть старые нельзя. Для науки наших дней - это аксиома, хотя бы потому, что в таблице Менделеева все клетки в старых границах - от водорода до урана - заполнены.

Это не было аксиомой в XIX в. и в течение почти всей первой половины XX в. Рядом со списком 104 химических элементов история науки хранит другой список, куда более длинный, - перечень ложных открытий элементов, печальный и курьезный реестр ошибок.

536


В 1821 г. шведский химик Иенс Берцелиус открыл новый элемент - торий. Никто из ученых не усомнился в истинности открытия. Усомнился сам автор. Сомнение оказалось полезным. То, что Берцелиус принял за торий, представляло собой фосфорнокислую соль уже известного элемента иттрия. Правда, Берцелиус в 1828 г. все же сумел обнаружить истинный торий. А минерал, послуживший источником ошибки, назвал ксенотимом (по-гречески это означает чужая честь).

Не избежал ошибок и знаменитый английский ученый Вильям Крукс. Он провозгласил открытие целого класса так называемых метаэлементов. А немец Рихард Свинне с подобным же «успехом» открыл тяжелые трансурановые элементы... в образцах космической пыли, собранных в Гренландии известным полярным путешественником Норденшельдом.

Есть среди элементов такие, которые сначала были открыты в атмосфере Солнца и звезд, а уже потом на Земле. Это - гелий и технеций. О существовании некоторых элементов ученые могут судить лишь по косвенным признакам. Это тяжелые трансурановые элементы. Есть, наконец, и такие, которые вряд ли удастся выделить в свободном виде, в мало-мальски весомом состоянии. Это - астат и франций. Но все эти элементы, как и остальные представители периодической системы,- полноправные химические элементы, в материальности которых никто не сомневается.

Авторы открытий элементов в большинстве случаев известны и признаны. Правда, французы и немцы до сих пор молчаливо остаются при своем мнении относительно названия элемента 71 - последнего редкоземельного элемента: лютеций или Кассиопей?

Наука существует тысячелетия, но большинство элементов периодической системы обнаружено только в последние двести лет. Почему один и тот же элемент порой «открывался» дважды, трижды, четырежды и более раз? Одни элементы были известны с глубокой древности, а другие, которых в земной коре ничуть не меньше, удалось найти сравнительно недавно. Почему, наконец, сам факт открытия химических элементов - это всего лишь счастливое стечение обстоятельств, событие целиком случайное?

Начнем с ответа на последний вопрос. После открытия периодического закона эта случайность была сведена к минимуму. Периодическая система, предсказывая свойства неизвестных элементов, как бы позволяла программировать их поиски. Вспомним, как блистательно оправдались предсказания Менделеева о свойствах «экабора», «экаалюминия», «экасилиция»- будущих скандия, галлия и германия. Свойства и источники для поисков доброго десятка неоткрытых элементов были предугаданы на основании периодической системы. Немецкие химики Вальтер и Ида Ноддак еще до открытия рения знали с помощью таблицы Менделеева такие подробности его свойств, как если бы он уже был найден и достаточно хорошо изучен. Американский физик Глен Сиборг вместе с сотрудниками синтезировал большинство трансурановых элементов. И в этих открытиях периодическая система была им незаменимой помощницей.

Но ведь до того, как появилась периодическая система, было открыто 63 химических элемента - почти² /3 известных теперь. И уж открытия этих-то элементов, должно быть, наверняка случайны.

И да и нет! Да потому, что ученые чаще всего неожиданно наталкивались на следы неизвестного элемента в каком-нибудь минерале или соединении. Нет потому, что история открытия химических элементов - это не какая-нибудь оторванная от жизни, ни с чем не связанная история. Она неразрывна с историей всей химии. Химия год за годом совершенствовала свои методы исследования, делала их более отточенными и четкими. Возникала основа для открытия новых элементов, которые для прежних методов оставались незамеченными.

Несколько химических элементов было известно на заре нашей цивилизации. И люди знали эти элементы в свободном виде. Более того, подавляющее большинство этих элементов в земной коре встречается сравнительно редко (см. табл. на стр. 539, графу «Распространенность в природе»).

Прежде всего следует сказать об углероде. Быть может, это первый химический элемент, с которым познакомился человек. Ведь угли костра - это тот же самый углерод.

Затем несколько металлов. Среди них прежде всего золото. Знакомство человека с золотом произошло, видимо, 6-7 тыс. лет тому назад. В те отдаленные времена люди знали еще медь и серебро. Олово, свинец, цинк и сурьма также принадлежат к элементам древности. Употребление железа положило начало железному веку. И, наконец, сера, упоминания о

537


которой встречаются в старинных письменных источниках. Все это древнейшие химические элементы - разные по своим свойствам, по распространенности в земной коре. Одна черта у них общая. Кроме железа и цинка, они встречаются в самородном состоянии, в чистом виде. Эти элементы выделяли из руд сравнительно легко даже примитивными способами. Некоторые ученые считают, что человек познакомился с метеоритным железом прежде, чем научился выплавлять его из минералов.

Но есть на Земле еще шесть элементов (платиновые металлы), которые встречаются в самородном состоянии: рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платина. Почти все они были открыты только в прошлом веке. Их месторождения крайне редки. Они очень похожи друг на друга свойствами и потому встречаются вместе. И чтобы разобраться в этом спутанном клубке платиновых металлов, понадобилось все искусство химического анализа.

Примитивные методы химического анализа знали еще с давних пор и алхимики. Разлагая всевозможные минералы и соединения, они, бесспорно, держали в своих руках несколько элементов, открытых гораздо позже. Только два элемента - мышьяк и висмут - были с достоверностью обнаружены в средние века. Эти элементы действительно были открыты совершенно случайно.

Когда же способы качественного и количественного химического анализа стали научными методами и химики научились определять, из каких элементов состоит тот или иной минерал, тогда-то стали возможными многочисленные открытия новых химических элементов. По крайней мере три десятка неизвестных ранее простых веществ были открыты с помощью методов аналитической химии: литий и бериллий, титан и ванадий, хром и молибден, ниобий и тантал. Это произошло за каких-то сто лет: вторая половина XVIII - первая половина XIX в.

Химики начали изучать газы; так родилась новая область химии - пневматическая химия. Загадки невидимой земной атмосферы постепенно разгадывались- Воздух представился людям в виде смеси газов - газообразных элементов. Новый метод исследования дал возможность открыть новые элементы: водород, азот, кислород. Кстати, чем не парадокс: кислород - самый распространенный элемент на Земле, а стал известен человечеству только в 70-х годах XVIII в. Вот еще пример закономерной случайности!

Соединения натрия, калия, магния, кальция люди использовали с давних времен. Но в свободном виде эти элементы предстали перед учеными лишь в 1807-1808 гг. Знаменитый английский химик Гемфри Дэви применил новый метод исследования - электролиз расплавленных солей. И на катоде заблестели крупинки щелочных и щелочноземельных металлов.

Открытый в 1860 г. спектральный анализ позволил еще дальше продолжить список известных химических элементов. Яркие спектральные линии сигнализировали о присутствии в земных минералах рубидия и цезия, индия и таллия.

После того как Менделеев разработал периодическую систему элементов, стало ясно, какие еще элементы предстоит обнаружить ученым,

В 1895 г. В. Рентген открыл неизвестные лучи. Применение рентгеновских лучей на практике позволило разработать метод рентгеноспектрального анализа. Итог: два новых элемента - гафний и рений.

В 1896 г. Анри Беккерель обнаружил явление радиоактивности. Его исследование привело к открытию целой серии радиоактивных элементов: полония и радия, актиния, радона и протактиния.

Так одна за другой заполнялись пустовавшие клетки таблицы. И только некоторые из них, несмотря на усилия ученых, оставались «незаселенными» - клетки 43, 61, 85, 87. И неясно было, существуют ли элементы тяжелее урана. Все эти недостающие элементы были получены искусственным путем (см. ст. «Рождение, жизнь и смерть химических элементов»).

В таблице (стр. 539) указано, кем и когда был открыт тот или иной элемент и почему он так называется. Кроме того, даны сведения о распространенности химических элементов. В геохимии величина распространенности элемента называется кларк (в честь американского геохимика Ф. Кларка), Например, цифра 0,01 против азота говорит о том, что земная кора содержит азот в количестве сотой доли процента по весу. Точные данные о содержании инертных газов отсутствуют.

 


Кем и когда были открыты химические элементы

 №  Название элементаСим-
вол
Кто и когда открылРаспро-
странен-
ность в
природе
Происхождение названия
1ВодородHAнглийский ученый Г. Кавендиш в 1766 г.0,15От латинского слова «гидрогениум» - рождающий воду
2ГелийHeОбнаружили в солнечном спектре англичанин Н. Локьер и француз Ж. Жансен в 1868 г. На Земле обнаружил англичанин У. Рамзай и 1895 г. - От греческого слова «Гелиос» - Солнце
3ЛитийLiШведский ученый А. Арфведсон в 1817 г.0,0065От греческого слова «литос» - камень
4БериллийBeФранцузский ученый А. Воклен в 1797 г.6·10−4Но названию минерала берилла
5БорBФранцузские ученые Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар в 1808 г.3·10−4От персидского слова, означающего бура
6УглеродCИзвестен с глубокой древности0,1Латинское название «карбониум» происходит от санскритского слова «кра», что значит пылать. Русское название «углерод» введено в 1824 г.
7АзотNАнглийский ученый Д. Розерфорд в 1772 г.0,01Латинское название «нитрогениум» происходит от слова «нитрум» - селитра
8КислородOШведский ученый К. Шееле и английский Д. Пристли в 1768--1774 гг.47,2От латинского слова «окенгенн-ум» - рождающий кислоты
9ФторFВ виде плавиковой кислоты получен К. Шееле в 1771 г.0,027От греческого слова «фторос» - разрушающий
10НеонNeАнглийские ученые Д. Рэлей, У. Рамзай и М. Траверс в 1898 г. - От греческого слова «неос» -новый
11НатрийNaАнглийский ученый Г. Дэви в 1807 г.2,64От «едкого натра», названия щелочи
12МагнийMgАнглийский ученый Г. Дэви в 1808 г.2,1От латинского слова «магвезна»-окись магнии
13АлюминийAlДатский ученый К. Эрстед в 1827 г.8,8От латинского слова «алюмен» - квасцы
14КремнийSiШведский ученый И. Берцелиус в 1823 г.27,6От латинского слова «лаппс кре-манс» - кремень
15ФосфорPНемецкий химик Г. Брандт в 1669 г.0,08От греческих слов «фое» - свет и»феро» - весу
16СераSИзвестна с глубокий древности0,09От санскритского слова «сира» - светло-желтый
17ХлорClШведский ученый К. Шееле в 1774 г.0,045От греческого слова «хлорос» - зеленоватый
18АргонArАнглийские ученые У. Рамзай и Д. Рэлей в 1894 г. - От греческого слова «аргос» - ленивый
10КалийKАнглийский ученый Г. Дэви в 1807 г.2,6От «едкого кали», названия щелочи
20КальцийCaАнглийский ученый Г. Дэви в 1808 г.3,6От латинского слова «кальке» известь
21СкандийScШведский ученый Л. Нильсон в 1879 г.6·10−4в честь Скандинавии
22ТитанTiАнглийский ученый В. Мак-Грегор в 1784 г.0,6По имени героя греческой мифологии Титана
23ВанадийVШведский ученый Н. Зефстрем в 1830 г.0,015По имени древнескандинавской богини красоты Ванадис
24ХромCrФранцузский ученый А. Воклен в 1797 г.0,02От греческого слова, означающего цвет, краска
25МарганецMnШведские ученые К. Шееле и И. Ган в 1774 г.0,09От латинского слова «магнезии»
26ЖелезоFeИзвестно с глубокой древности5,1От санскритского слова «гнла», обозначающего металл, руда
27КобальтCoШведский химик Г. Брандт в 1735 г.0,003По имени мифологического злого духа Кобольда
28НикельNiШведский химик А. Кронштедт в 1751 г.0,008По имени мифологического злого духа Ника
29МедьCuИзвестна с глубокой древности0,01Латинское название меди «купрум» происходит от названия о-ва Кипр

539


 № Название элементаСим-
вол
Кто и когда открылРаспро-
странен-
ность в
природе
Происхождение названия
30ЦинкZnОткрыт в средние века0,005Происходит от латинского слова, означающего бельмо или белый налет
31ГаллийGaФранцузский ученый П. Лекок де Буабодран в 1875 г.0,0015От старинного названия Франции - Галлия
32ГерманийGeНемецкий ученый К. Ввнклер в 188(1 г.7·10−4В честь Германии
33МышьякAsОткрыт в средние века5·10−4Русское название «мышьяк» происходит от слов «мышь» и «яд»
34СеленSeШведские ученые И. Берцелиус и И. Ган в 1817 г.6·10−5От греческого слова «селена» - Луна
35БромBrФранцузский ученый А. Баляр в 1825 г.6·10−4От греческого слова «бромос» - зловонный
36КриптонKrАнглийские ученые У. Рамзай и М. Траверс в 1898 г. - От греческого слова «криптос» - скрытый
37РубидийRbНемецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен в 1861 г.0,031От греческого «рубидос» - темно-красный
38СтронцийSrАнглийские ученые А. Крофорд и Т. Хоп в 1792 г.0,04От названия минерала стронцианита
39ИттрийYФинский ученый Ю. Гадолин в 1794 г.0,0028От названия шведской деревушки Иттерби, где был найден первый редкоземельный минерал
40ЦирконийZrНемецкий ученый М. Клапрот в 1789 г.0,02От названия минерала циркон
41НиобийNbАнглийской ученый Ч. Гетчет в 1801 г.0,001В честь мифологической богини Ниобеи - дочери Тантала
42МолибденMoШведский ученый К. Шееле в 1778 г.3·10−4От названия минерала молибденит
43ТехнецийTcИскусственно получили итальянские физики Э. Сегре и К. Перье в 1937 г. Иа Земле обнаружили американские ученые Б. Кеина и Т. Курода в 1961 г.СледыОт греческого слова «технетос» - искусственный
44РутенийRuРусский ученый К. К. Клаус в 1844 г.5·10−4В честь России (от латинского «Рутения» - Россия)
45РодийRhАнглийский ученый В. Волластон в 1803 г.1·10−7От греческого слова «родон» - розовый
46ПалладийPdАнглийский ученый В. Волластон в 1803 г.1·10−6По названию астероида Паллас, открытого в 1801 г.
47СереброAgИзвестно с глубокой древности1·10−5От ассирийского слова «сарпу»; символ произошел от романского названия серебра «аргентум»
48КадмийCdНемецкий ученый Ф. Штромейер.. 1817 г.0,001От греческого слова «кадмейа» - цинковая руда
49ИндийInНемецкие ученые Ф.Рейх и Т. Рихтер в 1863 г.1·10−5От синей линии в спектре, своей окраской напоминающей цвет краски индиго
50ОловоSnИзвестно с глубокой древности0,004Латинское название «станнум» происходит от санскритского слова, означающего твердый
51СурьмаSbИзвестна с глубокой древности4·10−5От турецкого слова «сурьме» - чернение
52ТеллурTeНемецкий ученый М. фон Рейхенштейн в 1782 г.1·10−6От латинского слова «теллурис» - земля
53ЙодIФранцузский ученый Б. Куртуа в 1811 г.3·10−5От греческого слова «иодос» - фиолетовый
54КсенонXeАнглийские ученые У. Рамзай и М. Траверс в 1898 г. - От греческого слова «ксенос», означающего чужой
55ЦезийCsНемецкие ученые Р. Бунзен и Г. Кирхгоф в 1860 г.7·10−4От греческого слова «цезиус» - небесно-голубой
56БарийBaШведский ученый К. Шееле в 1774 г.0,05От греческого слова «барис» - тяжелый
57ЛантанLaШведский ученый К. Мосандер в 1839 г.0,0018От греческого слова «лантанос» - скрытый

540


 № Название элементаСим-
вол
Кто и когда открылРаспро-
странен-
ность в
природе
Происхождение названия
58ЦерийCeШведские ученые И. Берцелиус и В. Хизингер и немецкий ученый М. Клапрот в 1803 г.0,0045По названию малой планеты Церера
59ПразеодимPrАвстрийский ученый К. Ауэр фон Вельсбах в 1885 г.7·10−4От греческих слов «празеос» - бледно-зеленый и «дидимос» - близнец
60НеодимNdАвстрийский ученый К. Ауэр фон Вельсбах в 1885 г.0,0025От греческих слов «неос» - новый и «дидимос» - близнец
61ПрометийPmВыделили из осколков деления урана американские ученые Д. Маринский. Л. Глендевин и Ч. Кориэлл в 1947 г. В земной коре пока не обнаружен - В честь титана древнегреческой мифологии Прометея
62СамарийSmФранцузский ученый П. Лекок де Буабодран в 1879 г.7·10−4По названию минерала самарскита
63ЕвропийEuФранцузский ученый Е. Демарсей в 1901 г.1,2·10−4В честь Европы
64ГадолинийGdФранцузский ученый П. Лекок де Буабодран в 1886 г.0,001По имени финского химика Ю. Гадолина, открывшего иттрий
65ТербийTbШведский ученый К. Мосандер в 1843 г.1,5·10−4По названию шведской деревушки Пттербп
66ДиспрозийDyФранцузский ученый П. Лекок де Буабодран в 1886 г.4,5·10−4От греческого слова «диспрозитос» -труднодоступный
67ГольмийHoШведский ученый П. Клеве в 1879 г.1,3·10−4В честь Стокгольма (старинное название «Гольмиа»)
68ЭрбийErШведский ученый К. Мосандер в 1843 г.4·10−4По названию шведской деревушки Иттерби
69ТулийTmШведский ученый П. Клеве в 1879 г.8·10−5От «Туле» - названия легендарной страны на севере Скандинавии
70ИттербийYbФранцузский ученый Ш. Мариньяк в 1878 г.3·10−4По названию шведской деревушки Иттерби
71ЛютецийLuФранцузский ученый Ж. Урбэн в 1907 г. - В честь Парижа (древнее назваиие «Лютециа»)
72ГафнийHfДатский ученый Д. Костер и венгерский Г. Хевеши в 1923 г.3,2·10−4В честь Копенгагена (старинное название «Гафнпа»)
73ТанталTaШведский ученый А. Эксберг в 1802 г.2·10−4В честь древнегреческого мифологи ческо|о героя Тантала
74ВольфрамWШведский ученый К. Шееле в 1781 г.1·10−4От названия минерала вольфрамита
75РенийReНемецкие ученые И. и В. Ноддак и О. Берг в 1925 г.1·10−7В честь реки Рейна
76ОсмийOsАнглийский ученый С. Теннант в 1803 г.5·10−6От греческого слова «осмэ» - запах
77ИридийIrАнглийский ученый С. Теннант в 1804 г.1·10−7От греческого слова «иридис» - радуга
78ПлатинаPtОбнаружена в XVI в.5·10−7По названию реки Платно дель Иино в Колумбии
79ЗолотоAuИзвестно с глубокой древности5·10−7Латинское пазвание «аурум» происходит от Авроры, что означает утренняя заря
80РтутьHgИзвестна с глубокой древности7·10−6Происхождение названия неясно. Латинское название «гидраргирум» - от греческих слов «гидрос» - вода и «аргерос» - серебро
81ТаллийTlАнглийский ученый В. Крукс в 1861 г.3·10−4От греческого слова «таллос» - молодая зеленая ветвь
82СвинецPbИзвестен с глубокой древности0,0016Происхождение названии неясно
83ВисмутBiОткрыт в средние века2·10−5От старонемецкого слова, означающего белый металл
84ПолонийPoФранцузские ученые М. и П. Кюри в 1898 г.3·10−14В честь Польши

541


 № Название элементаСим-
вол
Кто и когда открылРаспро-
странен-
ность в
природе
Происхождение названия
85АстатAtИскусственно получили в 1940 г. ученые Э. Сегре, В. Корсон и В. Маккензи. Обнаружили на Земле австрийские ученые Карлик и Бернерт в 1943 г.СледыОт греческого слова «астатос» - неустойчивый
86РадонRnАнглийский ученый Э. Резерфорд в 1900 г.7·10−16От элемента радия
87ФранцийFrФранцузский ученый М. Перей в 1939 г.СледыВ честь Франции
88РадийRaФранцузские ученые М. и П. Кюри в 1898 г.1·10−10От латинского слова «радиус» - луч
89АктинийAcФранцузский ученый А. Дебьерн в 1890 г.3·10−14От греческого слова «актис» -луч
90ТорийThШведский ученый И. Берцелиус в 1628 г.8·10−4В честь Тора - бога скандинавской мифологии
91ПротактинийPaНемецкие ученые О. Ган и Л. Мейтнер и английские ученые Ф. Содди и A. Кpанстон в 1917 г.3·10−4От греческих слов «протос» и «актис» - первый луч
92УранUНемецкий ученый М. Клапрот в 1789 г.3·10−4По названию планеты Уран
93НептунийNpИскусственно получили американские ученые Макмиллан и Абельсон в 1940 г. Обнаружен в земных минералах в 1952 г.СледыПо названию планеты Нептун
94ПлутонийPuИскусственно получили американские ученые Сиборг, Макмиллан, Кеннеди и Валь в 1940 г. В земных минералах обнаружен в 1952 г.СледыПо названию планеты Плутон
95АмерицийAmИскусственно получили американские ученые Сиборг, Джеймс и Морган в 1944 г. - В честь Америки
96КюрийCmИскусственно получили американские ученые Сиборг, Джеймс и Гиорсо в 1944 г. - В честь Марии и Пьера Кюри
97БерклийBkИскусственно получили американские ученые Томпсон, Гиорсо и Сиборг в 1940 г. - По названию американского города Беркли
98КалифорнийCfИскусственно получили американские ученые Томпсон, Стрит, Гиорсо и Сиборг в 1950 г. - По названию американского штата Калифорния
99ЭйнштейнийEsИскусственно получен группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом в 1955 г. - В честь физика А. Эйнштейна
100ФермийFmИскусственно получен американским ученым Г. Сиборгом и др. в 1955 г. - В честь физика Э. Ферми
101МенделевийMdИскусственно получен американским ученым г. Сиборгом и др. в 1955 г. - В честь Д. И. Менделеева
102Название окончательно не даноИскусственно получен группой советских ученых во главе с Г. Н. Флеровым п 1962 г. -
103ЛоуренсийLwИскусственно получен группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом в 1962 г. - В честь Э. Лоуренса - изобретателя циклотрона
104Название пока не даноИскусственно получен группой советских ученых во главе с Г. Н. Флеровым в 1964 г. -

542


ВАЖНЕЙШИЕ ОТКРЫТИЯ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ И ХИМИИ

40 000 лет до н. э. Первобытный человек начал применять первую химическую реакцию - научился добывать огонь и пользоваться им.

3000 лет до н. э. Человек научился добывать бронзу и применять ее.

2500-2000 лет до н. э. На юге Вавилонии изобретены весы.

2000 лет до н. э. Открыт способ получения железа из руды.

1500 лет до н. э. В Египте научились добывать соду, получать из золы поташ и варить стекло.

VI в. до н. э. Изучены основные свойства магнитного камня. Платон, Сократ.

Открыто соотношение чисел в гармоническом интервале звуков. Пифагор Самосский .

V в. до н. э. Первые философские суждения об атомистическом строении тел. Левкипп и Демокрит.

Открыты законы о прямолинейном распространении света и о его отражении от зеркал. Эвклид.

IV в. до н. э. Философское обобщение сведений о различных явлениях природы. Первый научный поиск связи между ними. Аристотель.

Первая гипотеза о природе звука и явлении эхо. Аристотель.

III в. до н. э. Открыта закономерность: тело теряет в весе при погружении в жидкость. Архимед.

Открыт центр тяжести тел; найдены условия равновесия тел. Архимед.

Изучены свойства зажигательных стекол. Архимед.

I в. до н. э. В поэме «О природе вещей» изложена материалистическая атомистическая картина мира. Лукреций Кар.

II в. Исследовано преломление света на границе двух сред. Клавдий Птолемей.

Изобретен прототип паровой турбины. Герон Александрийский.

Открыт способ изготовления бумаги. Чай-Лунь.

VIII в. Возникло учение об алхимии. Описаны методы получения азотной кислоты. Джабир ибн-Хайян.

1445. Вышла в свет первая печатная книга.

1536. Возникновение ятрохимии - науки о приготовлении лекарств. Парацельс.

XVI в. Изобретено устройство, сохраняющее неизмененным положение тела в пространстве. Д. Кардано.

1543. Создана гелиоцентрическая система космогонии. Н. Коперник.

1583. Доказано, что при малых отклонениях период качания маятника не зависит от амплитуды. Г. Галилей.

1600. Доказано, что Земля подобна намагниченному шару. У. Гильберт.

Открыты электрические свойства янтаря у различных веществ. У. Гильберт.

1610. Открыты законы равноускоренного движения тел и инерции. Г. Галилей.

1611. Изобретена телескопическая труба прямого зрения. И. Кеплер.

1637. Объяснена физическая природа радуги. Р. Декарт.

Сформулирован закон о преломлении света. В. Снеллиус.

1642. Первый опыт, доказывающий давление атмосферы; впервые получено «пустое пространство». Э. Торричелли.

1648. Доказано, что давление атмосферы изменяется с высотой. Б. Паскаль.

Введено понятие «газ». Я. Ван-Гельмонт.

1653. Открыт гидростатический парадокс. Б. Паскаль.

1654. Опыты с большим объемом безвоздушного пространства - (магдебургские полушария). О. фон-Герике.

1657. Математическое обоснование законов о качании маятника и об упругом ударе шаров. X. Гюйгенс.

1662-1679. Исследованы упругие свойства воздуха и газов; открыта зависимость объема газов при неизменной температуре от давления. Р. Бойль и Э. Мариотт.

1665. Открыта дифракция света. Ф. Гримальди.

1666. Открыто цветовое деление белого света. И. Ньютон.

1669. Открыто двойное лучепреломление в кристалле исландского шпата. Э. Бартолин.

1672. Построена машина для электризации тел; обнаружено свечение электрических искр. О. фон-Герике.

1675. Первое определение скорости света. О. Рёмер.

1677. Исследована зависимость веса тел от высоты. Р. Гук.

Усовершенствован микроскоп. А. Левенгук.

1678. Открыта зависимость упругой силы от относительного удлинения при деформации тел. Р. Гук.

Предложена теория о волновой природе света. X. Гюйгенс.

Вывод законов об отражении и преломлении света. X. Гюйгенс.

1683. Закон всемирного тяготения. И. Ньютон.

1684. Предложена корпускулярная теория о природе света. И. Ньютон.

1686. Сформулированы основные законы механики: 1) закон инерции; 2) закон об изменении количества движения пропорционально приложенной движущей силе; 3) закон о равенстве действия и противодействия. И. Ньютон.

1697. Предложена гипотеза о существовании флогистона. Г. Шталь.

543


1723. Открыты два вида электрических зарядов и характер взаимодействия между ними. Ф. Шарль.

1727. Исследованы плавучесть и устойчивость корабля. Л. Эйлер.

1728. Скорость света измерена по углам аберрации неподвижных звезд. Д. Брадлей.

1729. Открыто, что все тела делятся на проводящие и непроводящие электричество. С. Грей.

1745. Изобретена «лейденская банка» - устройство, накапливающее электрические заряды. Э. Клейст и П. Мушенбрук.

1747. Изобретен громоотвод. Б. Франклин.

Наэлектризованные тела разделены на положительно и отрицательно заряженные. Б. Франклин.

1748. Открыт закон сохранения массы при химических реакциях. М. В. Ломоносов.

Дано молекулярно-кинетическое описание природы тепла. М. В. Ломоносов.

Исследования атмосферного электричества. Г. В. Рихман.

Изобретен электроскоп - прибор для количественного измерения электрических зарядов. Г. В. Рихман.

1751 -1780. Издана «Энциклопедия, или толковый словарь наук, искусств и ремесел» (35 томов), которая оказала большое влияние на развитие физики и химии. Д. Дидро, Ж. Д'Аламбер и другие ученые - «энциклопедисты» .

1766. Открыт водород. Г. Кавендиш.

1768-1774. Открыт кислород. К. Шееле и Дж. Пристли.

1773. Разработана теория горения. А. Лавуазье.

1783. Установлено, что вода состоит из кислорода и водорода. А. Лавуазье и Ж. Мёнье.

1784. Изобретены крутильные весы. Ш. Кулон. Построена паровая машина. Дж. Уатт.

1785. Открыт закон о взаимодействии электрических зарядов и магнитных полюсов; измерена величина силы этого взаимодействия. Ш. Кулон.

Открыто явление адсорбции. Т. Е. Ловиц.

1787. Установлено, что при постоянном объеме давление газа изменяется пропорционально изменению температуры. Ж. Шарль.

1791. Открыто действие электричества на мышцы и нервы препарированной лягушки; обнаружено электрическое действие на мышцы, когда их касаются соединенными между собой различными металлами. Л. Гальвани.

1793. Во Франции введена метрическая система мер.

1798. На крутильных весах измерена гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения. Г. Кавендиш.

1799. Создан гальванический элемент (вольтов столб). А. Вольта.

1800. Определено понятие электродвижущей силы и ее направление. А. Вольта.

Исследована контактная разность потенциалов при соединении разнородных металлов. А. Вольта.

Открыто магнитное поле вокруг проводника с током по действию этого поля на магнитную стрелку. X. Эрстед.

Исследовано явление интерференции света. Т. Юнг.

Объяснено возникновение цветных пятен на тонких пленках. Т. Юнг.

Открыто свойство электрического тока разлагать воду на кислород и водород. У. Николсон и Э. Карлейль.

1801. Открыт закон парциальных давлений: давление смеси газов равно сумме давлений отдельных газов. Дж. Дальтон.

1802. Исследованы свойства газа при различных температурах. Ж. Гей-Люссак.

Открыта электрическая дуга при коротком замыкании полюсов вольтова столба. В. В. Петров.

1802-1814. Изобретен спектроскоп. У. Волластон.

1803. Предложены первые обозначения химических элементов и химических соединений. Дж. Дальтон.

1804. Открыт закон кратных отношений - важнейший закон атомистической теории. Д. Дальтон.

1805. Создана теория о механизме электролиза. X. Гроттус.

1806. Открыт первый каталитический процесс при получении серной кислоты, катализатор - окислы азота. Н. Клеман-Дезорм и Ш. Дезорм.

1807. Получены электролизом из расплавленных солей металлы натрий и калий. Г. Дэви.

1808. Определена зависимость между давлением, объемом и температурой газа, когда нет теплообмена с окружающей средой. С. Пуассон.

Высказана гипотеза, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. В. Праут.

Установлен закон о постоянстве состава химических веществ. Ж. Пруст.

1808-1811. Открыта поляризация света при прохождении через кристалл и отражении от него. Л. Малюс.

Сформулирован закон об интенсивности поляризованного света. Л. Малюс.

1811. Определено число молекул в грамм-моле вещества. А. Авогадро.

1814. Предложены современные буквенные символы для химических элементов. И. Берцелиус.

Предложена первая таблица атомных весов, включающая 46 элементов. И. Берцелиус.

1817. Объяснены темные линии в спектре солнечного света. И. Фраунгофер.

Исследована дифракция параллельных лучей. И. Фраунгофер.

1818. Открыт первый закон фотохимии: только поглощенный телом свет вызывает в этом теле химическое действие. X. Гроттус.

544


1818-1827. Доказана волновая теория света на основе явлений дифракции и поляризации. О. Френель.

1819. Сформулирован закон: произведение удельных теплоемкостей твердых элементов на их атомные веса - величина постоянная. П. Дюлонг и А. Пти.

1820. Открыт закон, определяющий напряженность магнитного поля. Ж. Био и Ф. Савар.

1821. Открыт закон, определяющий силу, действующую на проводник с током в магнитном поле. А. Ампер.

Открыт закон взаимодействия электрических токов. А. Ампер.

1822. Измерена скорость звука в воздухе. Ж. Гей-Люссак, Д. Араго и др.

1823. Открыта изомерия химических соединений. Ю. Либих.

1824. Открыто намагничивание железа в магнитном поле электрического тока. Д. Араго.

Открыто явление изоморфизма. Э. Митчерлих.

Открыт второй закон термодинамики. Н. Карно.

1825. Открыт бензол. М. Фарадей.

1826. Разработан способ измерения плотности паров, чтобы определять атомный вес элемента. Ж. Дюма.

1827. Открыты законы постоянного электрического тока. Г. Ом.

1828. Синтетически получено первое органическое соединение - мочевина. Ф. Вёлер.

1830. Разработан метод анализа органических соединений. Ю. Либих.

1831. Открыта электромагнитная индукция. М. Фарадей.

1832. Сформулировано правило, которое определяет направление электродвижущей силы электромагнитной индукции. Э. X. Ленц.

1833. Сформулированы законы электролиза. М. Фарадей.

Электродам даны названия: положительному - анод, отрицательному - катод. М. Фарадей.

1834. Открыт основной закон термохимии - закон постоянства суммы тепла. Г. И. Гесс.

1835. Введено в химию понятие «катализ». И. Берцелиус.

1837. Открытие гальванопластики. Б. С. Якоби.

1841. Открыт закон сохранения и превращения энергии. Р. Майер, Г. Гельмгольц и Д. Джоуль.

Создана теория погрешностей при физических измерениях; предложены правила обработки результатов наблюдений. К. Гаусс.

Определен точный атомный вес углерода. Ж. Стас и Ж. Дюма.

1842. Получен из нитробензола анилин. Н. Н. Зинин.

1842-1848. Определен механический эквивалент теплоты. Д. Джоуль.

1845. Обнаружено, что в магнитном поле плоскость поляризации света вращается. М. Фарадей.

1849. Определена скорость света в воздухе. И. Физо.

1850. С помощью маятника доказано, что Земля вращается вокруг своей оси. Ж. Фуко.

1851. Предложена шкала абсолютных температур. В. Томсон (Кельвин).

1852. Изобретен гироскоп. Ж. Фуко.

Сформулировано понятие о валентности. Э. Франкленд.

1854. Открыт термический способ получения алюминия из руды. А. Сент-Клер Девиль.

1860. Разработаны методы спектрального анализа. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен.

Открыт закон о распределении молекул по скоростям. Дж. Максвелл.

Определен точный атомный вес кислорода. Ж. Стас.

1861. Установлено понятие «критическая температура». Д. И. Менделеев.

Предложена теория строения органических соединений. А. М. Бутлеров.

1862. Измерена скорость распространения света в воде и других средах. Ж. Фуко.

1864. Предложены основные законы электродинамики в виде четырех уравнений, которые обобщили открытые эмпирически законы электрических и магнитных явлений. Дж. Максвелл.

1864-1867. Сформулирован закон действующих в химической реакции масс. К. Гульдберг и П. Вааге.

1865. Определена структурная формула бензола. А. Кекуле.

Впервые определено число молекул в 1 см³. Й. Лошмидт.

Введено в науку понятие «энтропия». Р. Клаузиус.

1868. Обнаружен в солнечном спектре элемент гелий. Ж. Жансен и Н. Локьер.

1869. Открыт периодический закон химических элементов. Д. И. Менделеев.

Открыто взаимное влияние атомов в химических соединениях. В. В. Марковников.

1871. Предложена теория электромагнитного поля, распространяющегося в вакууме со скоростью света. Дж. Максвелл.

Предсказаны и подробно описаны неизвестные еще элементы: экабор, экаалюминий, экакремний. Д. И. Менделеев.

1872. Изобретен аммиачный способ получения соды. Э. Сольве.

1873. Введено понятие «поток плотности энергии» при распространении волн в упругих средах. Н. А. Умов.

1875. Открыт галлий (экаалюминий). П. Лекок де Буабодран.

545


1879. Открыт скандий (экабор). Л. Нильсон.

1880. Открыто явление пьезоэлектричества. Пьер и Поль Кюри.

1881. Первый опыт, доказавший, что движение Земли не влияет на скорость света. А. Майкельсон.

1882. Открыт закон о понижении точки замерзания растворов. Ф. Роул.

1883. Определена плотность потока энергии в электромагнитной волне. Дж. Пойнтинг.

1884. Установлен общий закон о смещении химического равновесия в зависимости от внешних факторов (принцип Ле Шателье). А. Ле Шателье.

Разработана теория электролитической диссоциации. С. Аррениус.

1885-1891. Создана наука о симметричной структуре кристаллов. Е. С. Федоров.

1886. Открыт германий (экакремний). К. Винклер.

1887. Разработана химическая теория водных растворов. Д. И. Менделеев.

1887-1888. Открыт фотоэлектрический эффект. Г. Герц и А. Г. Столетов.

1888. Найдена закономерность, связывающая степень диссоциации электролита с его концентрацией (закон разведения). В. Оствальд.

Открыты электромагнитные волны. Г. Герц.

1889. Разработана теория электролитического растворения металлов. В. Нернст.

Установлено понятие «активные молекулы». С. Аррениус.

1890. Разработана теория гидролиза солей. С. Аррениус.

1893. Разработана координационная теория о строении комплексных соединений. А. Вернер.

1895. Открыты Х-лучи, излучение большой проникающей силы. В. Рентген.

У электрона определен элементарный отрицательный электрический заряд. Дж. Томсон.

Изобретена радиопередача сигналов электромагнитными волнами без проводов на расстояние. А. С. Попов.

Обнаружен на Земле элемент гелий. У. Рамзай.

1896. Открыта естественная радиоактивность урана. А. Беккерель.

1897. Сформулированы физические принципы межпланетных полетов. К. Э. Циолковский.

Построена первая аэродинамическая труба. К. Э. Циолковский.

Установлена химическая сущность дыхательных процессов. А. Н. Бах.

1898. Открыты радиоактивные элементы полоний и радий. М. Склодовская-Кюри и П. Кюри.

1899. В электроне измерено отношение заряда к массе. Дж. Томсон и Ф. Ленард.

Предложена первая электронная теория валентности. Р. Абегг и Г. Бодлендер.

1899-1900. Определены основные свойства радиоактивных веществ. М. Склодовская-Кюри и П. Кюри.

1900. Начато исследование каталитических реакций при высоких давлениях и температурах. В. Н. Ипатьев.

Начата разработка физико-химического анализа сплавов и растворов (учение о связи между составом и свойствами). Н. С. Курнаков.

Открыт закон о распределении энергии в спектре абсолютно черного тела. М. Планк.

Передана первая в мире радиотелеграмма. А. С. Попов.

1901. Открыто свойство энергии поглощаться и излучаться квантами. М. Планк.

Измерена величина давления света. П. Н. Лебедев.

1903. Разработан метод хроматографического анализа. М. С. Цвет.

Создана теория радиоактивного распада. Э. Резерфорд и Ф. Содди.

1904. Создана первая модель атома. Дж. Томсон.

1905. Теоретически обосновано существование фотонов. А. Эйнштейн.

Выведено основное уравнение фотоэлектрического эффекта. А. Эйнштейн.

1905-1916. Сформулирована теория относительности. А. Эйнштейн.

1907. Получена фенол-формальдегидная пластмасса (фенопласт). Л. Бакеланд.

1909. Разработаны физико-химические основы промышленного синтеза аммиака из воздуха и водорода. Ф. Габер.

1910. Получен элемент радий в металлическом виде. М. Склодовская-Кюри и А. Дебьерн.

Установлено понятие об изотопах. Ф. Содди.

1911. Предложена планетарная (ядерная) модель строения атома. Э. Резерфорд.

Открыто явление сверхпроводимости. Г. Камерлинг-Оннес.

Точно измерен заряд электрона. Р. Милликен.

1912. Изобретена камера для наблюдения траектории движения элементарных частиц. Ч. Вильсон.

Доказана волновая природа рентгеновских лучей - открыта их дифракция в кристаллах. М. Лауэ.

1913. Установлен закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером испускающего эти лучи элемента. Г. Мозли.

Открыта закономерность в радиоактивных превращениях - правило смещения. Ф. Содди и К. Фаянс.

Открыт дискретный характер энергии атома; сформулированы законы об излучении и поглощении энергии атомом. Н. Бор.

Объяснена природа линейчатых спектров атомов. Н. Бор.

546


Открыто существование изотопов у стабильных элементов (неон). Дж. Томсон.

1915. Исследованы природа и состав хлорофилла. Р. Вильштеттер.

Создан сухой фильтрующий противогаз. Н. Д. Зелинский.

1916. Разработаны электронные теории валентности. В. Коссель и Г. Льюис.

1917. Предсказана возможность индуцированного излучения. А. Эйнштейн.

1919. Бомбардировкой α-частицами выделен из ядра азота протон. Э. Резерфорд.

Разработана планетарная модель атома. Э. Резерфорд и Н. Бор.

1921. Объяснена последовательность заполнения электронных оболочек в атомах, тем самым физически обоснована периодическая система элементов. Н. Бор.

1923. Создана совершенная теория кислот и оснований. И. Бренстед.

1923-1935. Разработана теория колебаний и распространения радиоволн. Н. Д. Папалекси и Л. И. Мандельштам.

1924. Предложена гипотеза о волновых свойствах частиц. Л. де-Бройль.

1925. Разработан полярографический метод анализа. Я. Гейровский.

1926. Выведено волновое уравнение квантовой механики. Э. Шредингер.

Создан математический аппарат квантовой механики. В. Гейзенберг.

1926-1930. Разработано промышленное получение синтетического каучука. С. В. Лебедев.

1927. Определена скорость света с точностью +4 км/сек. А. Майкельсон.

Открыта дифракция электронов, подтвердившая волновые свойства микрочастиц. К. Дэвиссон и Л. Джермер.

Открыт принцип неопределенности. В. Гейзенберг. Начата разработка теории цепных реакций. Н. Н. Семенов и Г. Хиншельвуд.

1928. Теоретическое открытие позитрона. П. Дирак.

Открыто комбинационное рассеяние света. Л. И. Мандельштам, Г. С. Ландсберг и Ч. Раман.

Открыто лекарственное вещество - пенициллин. A. Флеминг.

1931. Теоретическое открытие нейтрино. В. Паули.

1932. Открыт нейтрон. Дж. Чэдвик. Открыт позитрон. К. Андерсон.

Предложена теория о протонно-нейтронном строении атомного ядра. Д. Д. Иваненко и B. Гейзенберг.

1933. «Тяжелая» вода выделена из обыкновенной. Г. Льюис и Р. Макдональд.

Открыто явление аннигиляции. П. Блеккет и Дж. Оккиалини.

1933-1934. Открыто свечение частиц, движущихся в среде быстрее скорости света. П. А. Черенков и С. И. Вавилов.

1934. Открыта искусственная радиоактивность. Ф. и И. Жолио-Кюри.

1935. Открыта ядерная изомерия у искусственных радиоизотопов. И. В. Курчатов с сотрудниками.

1936. Обнаружены в космических лучах мезоны. К. Андерсон и С. Неддермайер.

1936-1938. Разработан промышленный метод производства синтетического полиамидного волокна - нейлона. У. Кэрозерс.

1937. Впервые искусственно получен новый химический элемент - технеций. К. Перрье и Э. Сегре.

Теоретически объяснен эффект Черенкова - Вавилова. И. Е. Тамм и И. М. Франк.

Синтезирован витамин A1. P. Кюн.

1938. Разработан метод термодиффузионного разделения изотопов. К. Клаузиус и Г. Диккель.

Открыто явление сверхтекучести гелия. П. Л. Капица.

1939. Открыто деление ядер урана под действием медленных нейтронов. О. Ган и Ф. Штрассман.

1940. Создана теория полупроводников и начато их практическое применение. А. Ф. Иоффе.

Открыто спонтанное деление ядер урана. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак.

1942. Построен первый атомный реактор. Э. Ферми.

1944. Открыт принцип автофазировки ускорителя. В. И. Векслер и Э. Макмиллан.

Синтезирован антибиотик стрептомицин. Э. Ваксман.

Синтезирован хинин. Группа американских ученых.

1945. Синтезирован метанол из углекислого газа и водорода. В. Н. Ипатьев и Г. Монроэ.

1950. Начато применение «меченых атомов», чтобы изучать механизм химических реакций.

Искусственно получены трансурановые элементы берклий и калифорний. Группа американских ученых под руководством Г. Сиборга.

1951. Открыта возможность усиливать электромагнитные волны и видимый свет, используя индуцированное излучение. В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бутаева.

Открыт «атом» позитрония. М. Дейч.

1952. Полный синтез морфина.

1953. Исследована структура молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Дж. Уотсон и Ф. Крик.

1954. Созданы квантовые усилители и генераторы электромагнитного излучения. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, Ч. Таунс.

Исследована структура протеинов. Л. Полинг.

1954-1957. Искусственно получены трансурановые элементы: эйнштейний, фермий, менделевий и элемент № 102. Группа американских ученых под руководством Г. Сиборга.

547


1955. Открыт антипротон. Э. Сегре, О. Чемберлен, К. Виганд и Т. Ипсилантис.

Искусственно получен алмаз.

1956. Открыт антинейтрон. Корк и Ломбертсон.

1957. Экспериментально подтверждено существование нейтрино. К. Коуэн и Ф. Рейнес.

1958. Открыт эффект упругого испускания или поглощения γ-квантов атомными ядрами, связанными в твердом теле. Р. Мёссбауер.

1962. Установлено существование двух типов нейтрино: электронных и мюонных. Лидерман, Шварц и Стейнбергер.

ЧТО ЧИТАТЬ ПО ФИЗИКЕ И ХИМИИ

Дорогие ребята! В этом томе вы познакомились с ролью физики и химии в жизни людей. Вы прочитали об основных физических явлениях, их применении в технике, о строении вещества и его превращениях, о свойствах химических элементов и их соединений. Если вы захотите углубить ваши знания, то прочтите еще и другие книги, просмотрите также и научно-популярные журналы. В этом вам поможет библиографический указатель «Что читать по физике и химии».

Описания книг сгруппированы в указателе в соответствии с основными разделами тома. Внутри раздела книги и брошюры расположены по темам и по алфавиту. Оговорено, какие из них доступны лишь школьникам старших классов. О каждой книге даны следующие сведения: фамилия и инициалы автора; заглавие; подзаголовки, которые уточняют содержание; выходные данные (место издания, название издательства и год выпуска), количество страниц, иллюстрации, а иногда и серия, в которой выпущена книга, и т. п.

В разделе «Научная фантастика» дан список романов, повестей и рассказов, затрагивающих научные проблемы, относящиеся к физике и химии.

Библиографический указатель поможет правильно выбрать книгу. В конце указателя перечислены альманахи и журналы, в которых регулярно печатаются статьи и заметки, посвященные проблемам физики и химии.

Общие вопросы

Азимов А. Вид с высоты. М., «Мир», 1965, 234 стр.

Книга о проблемах, стоящих перед современной наукой.

Блудов М. И. Беседы по физике. Ч. I-II. М., «Просвещение». Ч. I, 1964. 166 стр. с илл.; Ч. II, 1965. 163 стр. с илл. (Б-ка школьника).

Винер Н. Я - математик. Сокр. перевод с англ. М., «Наука», 1964. 354 стр.

Автор - «отец кибернетики» - сыграл большую роль в математическом обосновании многих открытий современной физики. В книге популярно рассказано, как автор постепенно пришел от исследований броуновского движения к кибернетике.

Келер В. Homo Sapiens. Человек разумный. М., «Молодая гвардия», 1964. 222 стр.

Автор излагает воззрения современной науки о прошлом, настоящем и будущем человечества. Он отводит большую роль историческому обзору развития науки и прогнозу ее путей на ближайшие десятилетия.

Кто, когда, почему? Перевод с польск. М., Детгиз, 1961. 256 стр. с илл.

Ответы на вопросы из самых различных областей знания. В разделе «Точные науки» - интересный материал о физических и химических явлениях.

Кузнецов Б. Г. Развитие физических идей от Галилея до Эйнштейна в свете современной науки М Изд-во АН СССР, 1963. 511 стр.

Книга доступна школьникам старших классов.

Ландау Л. Д., Китайгородский А. И. Физика для всех. Движение. Теплота. М., «Наука», 1965. 391 стр. с илл.

Не повторяя школьного курса физики, книга помогает углубить и расширить понимание физических законов. В конце книги дан обзор энергетических ресурсов человечества.

Наука и человечество. 1962, М., «Знание», 1962. 412 стр. с илл.

Наука и человечество. 1963. М., «Знание», 1963. 526 стр. с илл.

Наука и человечество. 1964. М., «Знание», 1964. 432 стр. с илл.

Наука и человечество. 1965. М., «Знание», 1965. 408 стр. с илл.

Сборники статей советских и зарубежных ученых, рассказывающих, над чем работает мировая паука в самых различных областях знания. Большинство статей доступно школьникам старших классов.

Орир Л. Популярная физика. Перевод с англ. М., «Мир», 1964. 446 стр. с илл.

Книга об основных законах физики и о ее последних достижениях.

Пайерлс Р. Е. Законы природы. Перевод с англ. Изд. 2, испр. М., Физматгиз, 1962. 340 стр. с илл. и черт.

Доступна школьникам старших классов.

Перельман Я. И. Занимательная физика. Кн. 1-2. Изд. 17. М., «Наука». Кн. 1, 1965. 234 стр. с илл.; кн. 2, 1965. 280 стр. с илл.

Перельман Я. И. Занимательная механика. Изд. 7. М., Физматгиз, 1959. 187 стр. с илл.

Перельман Я. И. Знаете ли вы физику? Изд. 2, переработ. Л., ОНТИ, 1935. 339 стр. с илл. Гл. ред. науч.-попул. юнош. лит-ры.

Книги известного популяризатора помогают углубить и освежить знания физики, учат сознательно ими пользоваться. «Достигается это,- пишет автор,- рассмотрением пестрого ряда головоломок, замысловатых вопросов, занимательных рассказов, забавных задач, парадоксов и неожиданных сопоставлений из области физики».

Радунская И. «Безумные» идеи. М., «Молодая гвардия», 1965. 416 стр.

Квантовая физика, теория относительности и их приложения, радиоастрономия, квантовая электроника - таковы области физики, затронутые в книге автором. «Прочитав книгу, убеждаешься, что развитие науки - это не столько результат гениального прозрения одиночек, сколько плод организованного и целенаправленного труда»,- пишет в послесловии академик А. И. Берг.

Книга доступна школьникам старших классов.

548


Физика. Близкое и далекое. Проблемы. На стыках наук. Применения. Гипотезы. М., «Знание», 1963. 518 стр.

Эллиот Л., Уилкокс У. Физика. Перевод с англ. М., Физматгиз, 1963. 807 стр. с илл.

Книга широко распространена в США. Рассчитана на читателя, впервые знакомящегося с физикой и обладающего элементарными знаниями математики.

Масса и движение

Дерягин Б. В. Что такое трение? Изд. 2, перераб. и доп. М., Изд-во АН СССР, 1963. 230 стр. (Научно-популярная серия).

Дуков В. М. Закон сохранения энергии. М., «Знание», 1961. 40 стр.

О работе, мощности, энергии, коэффициенте полезного действия, о видах энергии и их превращениях; о том, почему невозможен вечный двигатель.

Ивановский М. П. Законы движения. М., Детгиз, 1957. 127 стр. с илл. (Б-ка школьника).

Книга рассказывает о том, как были открыты законы движения.

Игнациус Г. И. О загадках скорости. М., Детгиз, 1959. 64 стр. с илл.

Принцип относительности движения - основа механики. В книге рассказано об этом принципе, о явлениях, связанных с относительностью движения и встречающихся в природе и технике.

Игнациус Г. И. Движение и покой в природе. М., «Знание», 1964. 94 стр. с илл.

Основные законы кинематики, динамики и статики. Начальные сведения о теории относительности.

Краснов А. И. Возможен ли вечный двигатель? М., Гостехиздат, 1956. 64 стр.

Краснов А. И. Волчок и применение его свойств. М., Гостехиздат, 1958. 64 стр. (Научно-популярная б-ка).

Левантовский В. И. Тяжесть, невесомость, перегрузки. М., «Знание», 1964. 96 стр. (Народный ун-т культуры).

О законе всемирного тяготения и полетах в космос.

Ленский В. С., Литвин-Седой М. З. Механика. О специальности «механика» на механико-математическом факультете Московского гос. университета. (М.), Изд-во Моск. ун-та, 1962. 43 стр.

Эта брошюра поможет читателю, интересующемуся физикой, выбрать специальность.

Лобанов А. З. Законы механического движения. М., Учпедгиз, 1955. 60 стр. с илл. (Б-ка школьника).

В книге раскрываются понятия, связанные с прямолинейным движением тел: скорость, ускорение, инерция, сила, вес и масса, количество движения и основные законы механики. Изложение иллюстрировано примерами из различных областей техники.

Смилга В. Очевидное? Нет, еще неизведанное... М., «Молодая гвардия», 1961. 352 стр.

Популярное изложение теории относительности.

Ушаков С. З. Законы движения. М., «Знание», 1961. 40 стр.

Кратко изложены особенности механического и молекулярного движения, история развития механики от Галилея и Ньютона до Эйнштейна.

Звук

Анфилов Г. Б. Физика и музыка. Изд. 2, испр. и доп. М., «Детская литература», 1964. 192 стр. с илл. (Школьная б-ка).

В этой книге рассказано о том, как были созданы разные музыкальные инструменты и как помогала их изобретателям наука, как научились записывать звуки и как машина попробовала сочинять музыку.

Борисов Ю. Я., Макаров Л. О. Ультразвук в технике настоящего и будущего. М., Изд-во АН СССР, 1960. 88 стр. с илл. (Научно-популярная серия).

О сегодняшнем и завтрашнем дне ультразвуковой техники.

Гриффин Д. Эхо в жизни людей и животных. Перевод с англ. М., Физматгиз, 1961. 108 стр.

О способности ряда живых существ к звуколокации и о применении звуколокации в технике. Книга доступна учащимся старших классов.

Коробко-Стефанов А. А. Звук за работой. М., Детгиз, 1957. 96 стр. с илл. (Школьная б-ка).

Книга рассказывает, как была разгадана тайна звука и какую пользу приносит теперь звук. Отдельные главы посвящены ультразвуку.

Кудрявцев Б. Б. Неслышимые звуки. М., «Молодая гвардия», 1957. 159 стр. с илл.; 4 л. илл.

Автор рассказывает об ультразвуке и его свойствах, о первых применениях ультразвука в современной технике. Дано описание постройки простейшего ультразвукового генератора.

Температура, давление

Владимиров Л. В. Путь к нулю. М., «Молодая гвардия», 1963. 136 стр.

Герой этой книги - холод. Читая ее, вы совершите путешествие вниз по температурной шкале, к абсолютному нулю; познакомитесь со всевозможными холодильными машинами, полупроводниковыми термобатареями, со свойствами жидких газов, с применением глубокого холода для электронно-вычислительных машин и световых генераторов - лазеров.

Ляпунов Б. В. Рекорды техники. М., «Знание», 1964. 40 стр.

Рассказы о получении высоких и низких температур, высоких и низких давлений. Брошюра доступна школьникам старших классов.

Радунская И. Л. Когда атомам тесно. М., «Знание», 1962. 48 стр.

Рассказ о том, как высокое давление помогло создать искусственные алмазы, какие удивительные превращения происходят с веществом при повышении давления.

Брошюра доступна школьникам старших классов.

Суда, самолеты, ракеты

Галлай М. Через невидимые барьеры. Испытано в небе. Из записок летчика-испытателя. М., «Молодая гвардия», 1965. 348 стр. с илл.

Жабров А. А. Почему и как летает самолет. Изд. 2. М., Физматгиз, 1959. 56 стр. с илл. (Научно-популярная б-ка).

549


Казневский В. П. Аэродинамика в природе и технике. Изд. 2, доп. М., Учпедгиз, 1958. 136 стр. с илл. (Б-ка школьника).

Казневский В. П. Космические ракеты. М., Учпедгиз, 1961. 124 стр. с илл., портр. (Б-ка школьника).

Крошкин М. Г. Человек проникает в космос. (Научные исследования с помощью ракет и спутников). М., Воениздат, 1961. 160 стр. с илл.

Перельман Р. Г. Двигатели галактических кораблей. М., Изд-во АН СССР. 1962. 199 стр. с черт. (Научно-популярная серия).

Турьян В. А. В мире летательных аппаратов. М., Изд-во ДОСААФ, 1964. 71 стр. с илл.

Как и почему летают самолет и вертолет, как менялись формы самолетов с ростом скорости, как авиация стала сверхзвуковой.

Электромагнитные явления

Адирович Э. И. Электрический ток. М., Детгиз, 1955. 72 стр. с илл. (Школьная б-ка).

Анфилов Г. Б. Что такое полупроводник. М., Детгиз, 1957. 143 стр. с илл. (Школьная б-ка).

В этих двух книгах рассказано, почему у полупроводников такие удивительные свойства и где они применяются.

Артемьев И. А. Радиофизика в нашей жизни. (Физические основы радиоэлектроники, различные применения радиотехнических устройств). М., «Знание», 1964. 144 стр. с илл.

Доступна учащимся старших классов.

Борисов Е. Б., Пятнова И. И. Ключ к Солнцу. Рассказы о молодой науке и новой области техники, сделавшей возможным космическое радио и телевидение, электростанции без машин и многое другое,- словом, рассказы о полупроводниках. Изд. 2, доп. М., «Молодая гвардия», 1964. 304 стр. с илл.

Вонсовский С. В. Природа магнетизма. М., «Знание», 1964. 40 стр.

Брошюра знакомит с тем, как современная физика объясняет природу магнетизма и как используется он в технике и для научных исследований. Книга доступна старшим школьникам.

Голованов Л. В. С микроскопом в радиотехнику. М., «Знание», 1964. 127 стр. с илл.

Приложение: Плотников В. Описание карманного любительского радиоприемника «Москва-2».

Путь радиотехники от детекторных приемников до сверхминиатюрной электронной аппаратуры.

Грановский В. Л. Новые пути получения электрической энергии. М., «Знание», 1962. 48 стр.

Из этой книги вы узнаете о целом ряде создаваемых теперь электрогенераторов, непохожих на вчерашние. Книга доступна школьникам старших классов.

Жаботинский М. Е., Радунская И. Л. Радио наших дней. М., Изд-во АН СССР, 1959. 264 стр. (Научно-популярная серия).

Книга о современных достижениях радиотехники и радиоэлектроники. Доступна школьникам старших классов.

Леонидов И. Г. Свет несущие. М., «Советская Россия», 1961. 168 стр. с илл.

Это история открытия таинственного «холодного света» - основы производства и применения люминофоров.

Мезенцев В. А. Когда помогают невидимки. В мире электроники. М., Детгиз, 1963. 160 стр.

Книга о многообразной службе, которую несут теперь электроны. Автор рассказывает о новой науке- бионике, изучающей живые организмы, чтобы использовать явления живой природы в технике.

Плонский А. Ф. Радиоэлектроника, или рассказ об удивительных открытиях: о том, как человек приручил волну, о новом Алладине и его лампе, о том, как подслушали разговор звезд, о ста профессиях, «мыслящей» машине и о многом другом. М., «Советская Россия», 1958. 224 стр. с илл.

Савченко В. И. Полупроводники на старте. М., Детгиз, 1958. 124 стр. с илл. (Школьная б-ка).

Смагин Б. И. Голубое свечение. М., Детгиз, 1959. 32 стр. с илл.

Брошюра посвящена замечательному открытию советских ученых Вавилова и Черенкова. В ней рассказано, как оно помогает осваивать термоядерную энергию, изучать космос и элементарные частицы.

Суворов С. Г. О чем рассказывает свет. М., Воениздат, 1963. 144 стр. (Научно-популярная б-ка).

Книга посвящена свойствам и природе света, применению световых лучей для изучения состава вещества и далеких небесных тел. Рассказано о перспективах использования солнечной энергии, о фотонных двигателях.

Фабрикант В. А. Луч идет в космос. М., «Знание», 1961. 32 стр.

Один из самых замечательных физических приборов, созданных в последние годы,- лазер. Он дает такой яркий луч, что его можно использовать вместо радиопередатчика для космической связи, а также для многих других целей. О принципах устройства такого генератора и рассказано в брошюре, доступной школьникам старших классов.

Штейнгауз А. И. Девять цветов радуги. М., Детгиз, 1963. 296 стр. с илл. (Школьная б-ка).

Что такое свет видимый и невидимый? Как с помощью света проник человек в недра вещества и в космос? Как научился он видеть в темноте, передавать изображения на расстояние, изучать процессы, длящиеся ничтожные доли секунды? Обо всем этом рассказывает книга.

Шур Я. И. Верный путеводитель. Рассказы о компасе. М., Детгиз, 1956. 208 стр. с илл. и карт.; 2 л. илл. и карт.

Как вещество построено

Ария С. М. Великий закон природы. Периодическая система элементов Менделеева и ее значение в наши дни. М. - Л., Детгиз, 1953. 112 стр. (В помощь школьнику) .

Браунбек В. Основы ядерной физики. М., Госатомиздат, 1962. 103 стр. с илл. (Научно-популярный очерк).

Буянов А. Ф. Ядра, атомы, молекулы. М., Госатомиздат, 1962. 364 стр. с илл.

Книга состоит из двух частей - «В недрах атома» и «В мире молекул». Первая посвящена строению вещества, электронике и атомной технике; вторая представляет собой обзор основных направлений развития современной химии.

550


Васильев М. В., Станюкович К. П. В мире семи стихий. [М.], «Молодая гвардия», 1961. 256 стр. с илл.; 4 л. илл.

Эта книга знакомит с теми разделами физики, которые обеспечили сегодняшние успехи авиации, гидроэнергетики, ракетной техники, тепловых машин.

Данин Д. С. Неизбежность странного мира. Изд. 2. [М.], «Молодая гвардия», 1962. 363 стр. с портр.

Книга вводит читателя в мир идей и представлений физики нашего века. Автор рассказывает об элементарных частицах материи и о работе ученых разных стран в области ядерной физики.

Китайгородский А. И. Кристаллы. М., Гостехтеориздат, 1955. 64 стр. (Научно-популярная б-ка).

Эта брошюра - маленькая популярная энциклопедия кристаллографии.

Корякин Ю. И. Биография атома. Рассказы об открытии и использовании атомной энергии. М., Госатомиздат, 1961. 207 стр. с илл., портр.

Кудрявцев Б. Б. Мир в песчинке. (Рассказ о простых вещах). [М.], «Молодая гвардия», 1961. 160 стр. с илл.

Первый раздел книги - «Хаос» - знакомит с атомно-молекулярным строением вещества и свойствами газов; второй - «На пути к порядку» - рассказывает о свойствах жидкостей и их практическом применении, а третий - «В мире порядка» - о кристаллах.

Новожилов Б. Б. О твердых жидкостях. М., «Знание», 1963. 48 стр.

Брошюра об аморфных телах, их свойствах и отличиях от кристаллов.

Орлов В. И., Тростинов В. Н. Частицы, из которых состоит мир. М., «Советская Россия», 1961. 144 стр.

Парнов Е. И. Дальний поиск. М., Госатомиздат, 1963. 256 стр. с илл. (Научно-популярная б-ка).

Книга посвящена строению и свойствам атомного ядра и элементарных частиц, новейшим достижениям ядерной физики.

Парнов Е. И., Глущенко Е. А. Окно в антимир. Изд. 2. М., Госатомиздат, 1963. 79 стр. с илл.

Авторы рассказывают, как были открыты античастицы - антиподы электрона, протона, нейтрона, как объясняет современная ядерная физика некоторые космические явления, какое применение сможет найти антивещество.

Рыдник В. И. Четвертое состояние вещества. М., «Советская Россия», 1962. 102 стр.

Из этой книги можно подробно узнать о плазме, ее получении и возможном использовании.

Рыдник В. И. Что такое квантовая механика. М., «Советская Россия», 1963. 220 стр.

В этой книге объясняются основные положения квантовой механики и рассказано о том, как с ее помощью удалось понять строение и свойства атомов, молекул, кристаллов.

Сиборг Г. Т., Вэленс Э. Г. Элементы Вселенной. Перевод с англ. под ред. акад. А. П. Виноградова. М., Физматгиз, 1962. 260 стр. с илл.

Эту увлекательную книгу написали крупнейшие американские физики. Она охватывает широкий круг явлений - от атомов до Вселенной: из чего состоит вещество, как устроен мир и как наука проникла внутрь ядра.

Трифонов Д. Н. Границы и эволюция периодической системы. М., Госатомиздат, 1963. 168 стр.

Автор рассказывает об изменениях, которые произошли в периодической системе за последние десятилетия, о том, какие изменения в ней можно ждать в будущем. Книга доступна старшим школьникам.

Франк-Каменецкий Д. А. Плазма - четвертое состояние вещества. Изд. 2, испр. М., Госатомиздат, 1963. 160 стр. с илл. (Научно-популярная б-ка).

Юнг Р. Ярче тысячи солнц. Повествование об ученых-атомниках. М., Госатомиздат, 1961. 280 стр. с илл.

Краткая история «атомного века», начиная с открытия радиоактивности и кончая взрывом атомной бомбы.

О превращениях вещества

Азерников В. З. От спички к ракетному топливу. [М.], «Молодая гвардия», 1961. 141 стр. с илл.

Азерников В. З. Разгаданный код. М., «Знание», 1963. 40 стр. с илл.

В брошюре рассказано о том, как ученые пытаются разгадать химическую основу наследственности. Книга доступна старшим школьникам.

Андреева Е. В. Без соли не проживешь. Л., Детгиз, 1963. 174 стр. с илл.

Поваренная соль, химическое соединение натрия и хлора... Автор рассказывает много интересного об этом всем хорошо известном веществе.

Андреева Е. В. и Андреев Ю. Н. Огнем рожденное. Л., Детгиз, 1957. 208 стр. с илл.

Книга об истории русского стекла, о производстве и применении стекла в науке, технике и быту.

Бахтамов Р. Властелин Окси-мира. М., «Детская литература», 1965. 219 стр. с илл.

Увлекательный рассказ о кислороде, его соединениях и применении их в технике.

Буянов А. Ф. Властелины атомов. М., «Молодая гвардия», 1962. 239 стр. с илл.

Вода и воздух, растения и полезные ископаемые - все состоит из атомов. Современная химия получает из одних сочетаний атомов молекулы-карлики, из других - молекулы-гиганты. А какие удивительные вещества можно получить из этих молекул, узнаете, прочитав эту книгу.

Васильев М. В. Знакомые незнакомцы. (Элементы земли, воды и воздуха). М., «Советская Россия», 1964. 350 стр.

Книга рассказывает о неметаллах, их соединениях, истории их открытия и изучения, о широком применении в промышленности и сельском хозяйстве.

Васильев М. В. Металлы и человек. М., «Советская Россия», 1962. 416 стр. с илл.; 8 л. илл.

Свойства металлов; руды; получение чугуна и стали; металлообработка; металлы, применяемые в технике; металлы будущего.

Васильев М. В., Гущев С. З. Репортаж из XXI века. Мы записали рассказы тридцати девяти советских ученых о науке и технике будущего. Изд. 2, доп. М., «Советская Россия», 1963. 340 стр.

Химии посвящен раздел «Материалы, которых ждет техника»; в разделе «Во имя жизни и изобилия» рассказывается о биохимии и применении химии в сельском хозяйстве.

Вилле Г. Г. Чудесный мир воды. Перевод с нем. Л., Детгиз, 1963. 142 стр.

В главе «Вода в реторте» рассказано о том, кто и как открыл химический состав воды; что такое перекись водорода; как разлагают воду на составные части; почему вода бывает «мягкой» и «жесткой».

551


Власов Л. Г., Трифонов Д. Н. Рожденные заново. М., «Знание», 1962. 48 стр.

О том, как были созданы искусственные элементы, каковы их свойства и области применения. Доступна школьникам старших классов.

Власов Л., Трифонов Д. Занимательно о химии. М., «Молодая гвардия», 1965. 255 стр. с илл.

Сборник маленьких рассказов о периодической системе, реакциях и соединениях, химическом анализе, практических достижениях химии.

Вольпер И. Н. Большая химия. [М.], «Молодая гвардия», 1961. 160 стр. с илл.

Рассказы об искусственных красках, каучуке, пластмассах и других синтетических материалах, сельскохозяйственной химии, «малой» - бытовой химии и, наконец, о будущем химической науки.

Зубарев Г. Н. Что ты знаешь о пластмассах? М., Детгиз, 1960. 143 стр. с илл. (Школьная б-ка).

Зубарев Г. Н. Химия в цехе. [М.]., «Молодая гвардия», 1962. 10 стр. с илл. (Книжки-помощники).

Козлов П. М. Вторжение мифа. М., «Молодая гвардия», 1960. 78 стр. с илл. (Химия идет в наступление).

О борьбе химии с коррозией, бичом металлов, о новых материалах, заменяющих металл, о химических машинах-математиках и химических двигателях.

Кнунянц И. Л., Фокин А. В. Покорение неприступного элемента. М., Изд-во АН СССР, 1963. 192 стр. (Научно-популярная серия).

В этой книге речь идет о фторе, о том, как химики открыли его, получили в чистом виде и нашли способы применять в технике.

Крупин В. Карлики рождают гигантов. М., «Молодая гвардия», 1965. 200 стр. с илл.

Очерки о биохимии.

Лаврухина А. К., Колесов Г. М. Образование химических элементов в космических телах. М., Госатомиздат, 1962. 172 стр. (Научно-популярная б-ка).

Книга о строении вещества, о распространении, образовании и эволюции элементов во Вселенной. Доступна школьникам старших классов.

Лысогоров Н., Тонгур В. Полимеры - клетка- жизнь! [М.], «Молодая гвардия», 1961. 192 стр.

В книге рассказывается о том, как устроена живая клетка, о биологических полимерах - белках-ферментах, структурных белках, нуклеиновых кислотах и их роли в образовании белка.

Ляпунов Б. Химия всюду. М., «Детская литература», 1965. 160 стр.

Книга о роли химии в пашей жизни и успехах химической науки.

Моралевич Ю. А. Мир пластмасс. М., «Детский мир», 1959. 72 стр.

Прошли века камня, бронзы, железа... Наступил век искусственных, синтетических материалов, в котором мы живем. Пластмассы - одни из важнейших представителей мира синтетики. Как они появились, что они дают нам сейчас, что можно ожидать от них в будущем - об этом рассказывает книга.

Неисчерпаемый. Сборник. М., «Молодая гвардия», 1964. 496 стр.

Статьи разных авторов об углероде и его соединениях.

Нехожеными тропами. Сборник. Составитель С. Берданосов. М., «Молодая гвардия», 1965. 240 стр. с илл.

Статьи и заметки (из журналов и газет 1964 г.) о важнейших достижениях химии, сгруппированные в два раздела: «Материалы XX века» и «В труде и быту».

Николаев Л. А. Катализ и химия будущего. М., «Знание», 1962. 48 стр.

Ускорить или, наоборот, замедлить ход химической реакции - такую задачу выполняют катализаторы. Автор брошюры рисует увлекательные перспективы применения катализаторов - ускорителей и замедлителей в химии.

Новая химия. Перевод с англ. М., Изд-во АН СССР, 1959. 208 стр. (Научно-популярная серия).

Новое в химии. Сборник статей. М., «Наука», 1964. 364 стр. (Научно-популярная серия).

Статьи разных авторов о новых химических элементах и реакциях, о новых методах исследования и о направлении развития химии. Для старшего возраста.

Орбиты чудес. Сборник. М., «Правда», 1963. 64 стр. (Б-ка «Комсомольской правды»).

Раздел «Мост в будущее» посвящен химии и перспективам развития химической науки в ближайшие два десятилетия.

Поляков В. Г. Кислород. Для учащихся старших классов. М., Учпедгиз, 1961. 100 стр. с илл.

Пурмаль А. П. В мире кремния. М., Детгиз, 1962. 96 стр.

Земная кора почти на одну треть состоит из кремниевых соединений. Прочитав эту книгу, вы узнаете о минералах, содержащих кремний, и об их свойствах и применении в технике, об искусственных его соединениях.

Путешествие в страну элементов. Сборник. М., «Молодая гвардия», 1963. 368 стр.

«Картой страны элементов» названа периодическая система. Авторы знакомят со свойствами химических элементов, составляющих неживую природу, а также с элементами, полученными искусственным путем.

Ребиндер П. А. На стыках наук. М., «Знание», 1963. 40 стр.

Рассказ о принципах и достижениях физической химии и физико-химической механики.

Реутов О. А. Органический синтез и его перспективы. М., Гостехиздат, 1958. 96 стр. (Научно-популярная б-ка).

Книга знакомит с тем, как химики научились создавать высокомолекулярные вещества и как в наше время из угля, нефти, природных газов и отходов различных производств создаются многие миллионы тонн различных материалов.

Розен Б. Я. Материалы тысячи назначений. Л., Детгиз, 1960. 143 стр. с илл.

Эта книга о том, как человек выигрывает соревнование с природой в создании всевозможных материалов и о могуществе химии, изготовляющей материалы «по заказу».

Розен Б. Я. Семья солеродов. М., Детгиз, 1956. 160 стр. (Школьная б-ка).

В книге описаны история открытия, свойства и применения четырех галогенов - фтора, хлора, брома и йода; упоминается также и об искусственно созданном пятом галогене - астате.

Розен Б. Я. Чудесные добавки. Л., «Детская литература», 1964. 183 стр. (Школьная б-ка).

Микроэлементы и их значение в сельском хозяйстве и жизни человека.

Рудой Б. Л. Новая жизнь стекла. М., «Знание», 1963. 48 стр.

О новых сортах и новых применениях стекла.

Свешников М. П. Тайны стекла. Изд. 3, доп. Л., Детгиз, 1955. 191 стр. с илл. (Школьная б-ка).

552


Автор рассказывает, как было открыто стекло, как его изготовляют, какие виды стекла теперь существуют и какое применение оно находит в технике.

Степанов Б. И. Рассказы о больших молекулах. М., Детгиз, 1961. 101 стр. с илл. (Школьная б-ка).

В книге рассказано, как создаются искусственные волокна, красители, каучуки, синтетические материалы - пластмассы. Заключительная глава посвящена химии больших молекул.

Таубе П. Р., Руденко Е. И. От водорода до?.. Изд. 3. М., «Высшая школа», 1964. 352 стр.

Читая эту книгу, вы совершите путешествие по периодической системе элементов, узнаете об истории их открытия, их свойствах и применении.

Трифонов Д. Н. Рассеянные элементы. М., «Знание», 1964. 40 стр.

Открытие, свойства и применение рассеянных элементов: скандия, галлия, германия, таллия, индия, гафния, рения.

Трифонов Д. Н. Путешествие в страну РАИ. М., «Молодая гвардия», 1960. 102 стр.

Книга о радиоактивных изотопах и о том, как меченые атомы помогают металлургам и врачам, химикам и биологам, агрономам и машиностроителям.

Трифонов Д. Н. Элемент 61, его прошлое, настоящее и будущее. М., Госатомиздат, 1960. 56 стр.

Книга доступна школьникам старших классов.

Трифонов Д. Н. Элементы с необычной судьбой. Технеций, астатин, франций. М., Госатомиздат, 1961. 96 стр.

Книга доступна школьникам старших классов.

Трифонов Д. Н. Если бы не было урана и тория... М., Изд-во АН СССР, 1963. 88 стр. (Научно-популярная серия).

Уран и торий - единственные первичные радиоактивные элементы, существующие в земных минералах и рудах. Книга доступна учащимся старших классов.

Трифонов Д. Н. Удивительное семейство элементов. М., «Знание», 1963. 40 стр.

В книге рассказано об истории открытия редких земель и об их удивительных свойствах. Книга доступна школьникам старших классов.

Фердман Д. Л. Химия живого. М., «Знание», 1963. 40 стр.

Проблема белков, нуклеиновых кислот, содержащихся в ядре живой клетки, и использование энергии питательных веществ - таково основное содержание брошюры. Брошюра доступна старшим школьникам.

Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. Химия Земли. Изд. 3. Л., Детгиз, 1954. 488 стр. (Школьная б-ка).

Герои этой книги - наиболее распространенные и важные химические элементы, которые встречаются в живой и неживой природе. Автор рассказывает об их свойствах, о путешествии атомов в земных недрах, водной и воздушной стихии и об атомах в космосе.

Фиалков Ю. Я. Девятый знак. М., Детгиз, 1963. 142 стр. с илл.

О том, как химики научились получать сверхчистые вещества и какое значение это имеет для науки и техники.

Финкельштейн Д. Н. Инертные газы. М., «Знание», 1960. 40 стр.

Брошюра доступна школьникам старших классов.

Фролов В. А., Юдкевич Р. В. Металлы будущего. М., «Советская Россия», 1960. 184 стр.

Авторы подробно характеризуют металлы ряда групп менделеевской таблицы и значение в современ-

ной технике чистых металлов и сплавов с редкими металлами.

Храпковский А. И. Занимательные очерки по химии. Л., Детгиз, 1958. 102 стр. (Школьная б-ка. В помощь самодеятельности пионеров и школьников).

Шпаусус З. Путешествие в мир химии. Перевод с нем. М., Учпедгиз, 1959. 454 стр.

Книга знакомит с важнейшими химическими элементами, их соединениями, основными законами и теориями химии, применениями ее в быту и промышленности.

Юрмин Г. Веселый художник, или Чудеса без чудес. Изд. 2. Илл. Л. Ромасенко и В. Рытман. М., «Детская лит-ра», 1964. 109 стр. с илл. (Школьная б-ка).

Рассказы о пластмассах, искусственных волокнах, каучуке, коже.

История науки о веществе и энергии

Арлазоров М. С. Циолковский. Предисл. Ю. Гагарина. М., «Молодая гвардия», 1962. 319 стр. с илл., портр. (Жизнь замечательных людей).

Болховитинов В. Н. Александр Григорьевич Столетов. 1839-1896. [М.], «Молодая гвардия», 1953. 512 стр. с илл. (Жизнь замечательных людей).

Бронштейн М. П. Солнечное вещество. Изд. 2. М., Детгиз, 1959. 104 стр. с илл.

В этой интересной и увлекательно написанной книге изложена история открытия гелия, элемента, который сначала был обнаружен на Солнце и только потом на Земле.

Бублейников Ф. Д. О движении. Из истории механики. М., Детгиз, 1956. 212 стр. с илл. (Школьная б-ка).

Бублейников Ф. Д. Джемс Кларк Максвелл. М., «Знание», 1960. 48 стр.

Бублейников Ф. Д., Минченко Е. Я. Очерк развития классической механики. М., Учпедгиз, 1961. 224 стр. с илл.

Веселовский И. Н. Архимед. М., Учпедгиз, 1957. 112 стр. с илл. (Классики физики).

Веселовский И. Н. Христиан Гюйгенс. М., Учпедгиз, 1959. 112 стр. с илл., портр.

Гумилевский Л. И. С востока - свет! М., Детгиз, 1958. 248 стр.

Биографическая повесть о жизни великого русского химика А. М. Бутлерова.

Дижур Б. А. Путешественники-невидимки. Рассказы об элементах. М., Детгиз, 1956. 96 стр. (Школьная б-ка).

В книге рассказывается об истории открытия элементов щелочной группы периодической системы. Заключительный рассказ посвящен открытию Д. И. Менделеевым периодического закона элементов.

Дуков В. М. Петр Николаевич Лебедев. Изд. 2. М., Учпедгиз, 1956. 120 стр.

Ивановский М. П. Золотое правило. М., Детгиз, 1959. 64 стр. с илл. (Школьная б-ка).

Рассказ о великом ученом древности Архимеде.

Ильин М., Сегал Е. Александр Порфирьевич Бородин. М., «Молодая гвардия», 1957. 416 стр. (Жизнь замечательных людей).

Келер В. Р. Сергей Вавилов. М., «Молодая гвардия», 1961. 240 стр. (Жизнь замечательных людей).

Космодемьянский А. А. Очерки по истории механики. Изд. 2, доп. М., «Просвещение», 1964. 456 стр.

Жизнь и труды Л. Эйлера, М. В. Ломоносова, Н. Е. Жуковского, А. Н. Крылова, К. Э. Циолковского и других ученых.

553


Кудрявцев П. С. Исаак Ньютон. Изд. 3. М., Учпедгиз, 1963. 142 стр. с илл. и портр. (Классики физики).

Кузнецов Б. Г. Эйнштейн. (Изд. 2). М., Изд-во АН СССР, 1963. 414 стр. с илп. (Научно-биографическая серия).

О жизни и научном творчестве Альберта Эйнштейна - одного из величайших физиков современности.

Нечаев И. Рассказы об элементах. М., Детгиз, 1960. 144 стр. с илл.

Научно-художественные очерки об истории открытия ряда химических элементов.

Пиотровский К. В. Сергей Лебедев. М., «Молодая гвардия», 1961. 238 стр. (Жизнь замечательных людей).

Писаржевский О. Н. Наука древняя и молодая. М., «Молодая гвардия», 1962. 208 стр.

Очерки о работах выдающихся ученых-химиков академиков Н. Д. Зелинского, С. В. Лебедева, А. Н. Несмеянова, Н. Н. Семенова, В. А. Каргина, П. А. Ребиндера, В. А. Энгельгардта.

Писаржевский О. Н. Дмитрий Иванович Менделеев. Изд. 2, доп. М., «Молодая гвардия», 1951. 464 стр. (Жизнь замечательных людей).

Файнбойм И. Б. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. М., «Просвещение», 1964. 64 стр. с илл.

Файнбойм И. Б. Эрнест Резерфорд - человек, заглянувший в глубь атома. М., «Знание», 1958. 48 стр. с илл. и портр.

Ферми Л. Атомы у нас дома. Новосибирск, Изд-во Сибирского отд-ния АН СССР, 1963. 339 стр. с илл.

Автор рассказывает о жизни и работе Энрико Ферми - одного из величайших физиков современности.

Шаскольская М. П. Фредерик Жолио-Кюри. М., «Молодая гвардия», 1959. 267 стр. с илл. и портр.

Чем и как измеряют

Борисов В. Б. Эталоны и системы единиц. М., «Знание», 1964. 62 стр.

Депман И. Я. Меры и метрическая система. М.-Л., Детгиз, 1953. 100 стр. (В помощь школьнику).

Меры (длины, веса и площади), употреблявшиеся в древности разными народами. Преимущества принятой теперь метрической системы мер. Отдельная глава посвящена старым русским мерам.

Плонский А. Ф. Измерения и меры. М., Гостехиздат, 1956. 64 стр. (Научно-популярная б-ка).

Читатель знакомится с эталонами мер длины и веса, измерительными приборами, точностью и способами измерений физических величин - времени, температуры, давления, с электрическими измерениями.

Резников Л. И. Международная система единиц в курсе физики средней школы. Изд. 2, доп. М., «Просвещение», 1964. 72 стр.

Справочные издания

Гальперштейн Л. Я. и Хлебников П. П. Лаборатория юного физика. М., Детгиз, 1962. 128 стр. с илл. (Б-ка пионера «Знай л умей»).

Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике. Изд. 2. М., Физматгиз, 1962. 208 стр.

Соколова Е. Н. Юному физику. М., Учпедгиз, 1956. 256 стр.

Справочные материалы, примеры, вопросы, задачи, описание изготовления простейших физических приборов.

Книга рассчитана на школьников среднего и старшего возраста.

Хендель А. Основные законы физики. Перевод с нем. Изд. 2, М., Физматгиз, 1963. 310 стр.

Справочник (механика, молекулярная физика, оптика, электричество, атомная физика).

Научная фантастика

Беляев А. Продавец воздуха. Роман. Собр. соч. Т. 2. М., «Молодая гвардия», 1963, стр. 131-276.

Беляев А. Светопреставление. Рассказ. Собр. соч. Т. 8. М., «Молодая гвардия», 1964, стр. 6-75.

Беляев А. Над бездной. Рассказ. Собр. соч. Т. 8. М., «Молодая гвардия», 1964, стр. 225-243.

Бердник О. Путешествие в антимир. В сб.: Бердник О. Сердце Вселенной. Перевод с укр. Ташкент, «Ёш гвардия», 1963, стр. 63-112.

Верн Ж. Таинственный остров. Перевод с франц. Собр. соч. Т. 12. М., Изд-во худож. лит-ры, 1957.

Верн Ж. Двадцать тысяч лье под водой. Перевод с франц. Собр. соч. Т. 4. М., Изд-во худож. лит-ры, 1957.

Верн Ж. С Земли на Луну. Вокруг Луны. Перевод с франц. Собр. соч. Т. 1. М., Изд-во худож. лит-ры, 1957, стр. 319-686.

Верн Ж. Опыт доктора Окса. Перевод с франц. Собр. соч. Т. 12. М., Изд-во худож. лит-ры, 1957, стр. 367-624.

Верн Ж. Необычайные приключения экспедиции Барсака. Перевод с франц. (Роман). М., Географгиз, 1958. 168 стр. с илл.

Войскунский Е., Лукодьянов И. Экипаж «Меконга». Книга о новейших фантастических открытиях и старинных происшествиях, о тайнах вещества и о многих приключениях на суше и на море. М., Детгиз, 1962. 544 стр. с илл. (Б-ка приключений и научной фантастики).

Гансовский С. Ф. Миша Перышкин и Антимир. В кн.; Гансовский С. Шаги в неизвестное. Повести и рассказы. М., Детгиз, 1963, стр. 70-90.

Гернсбек X. Ральф 124-С-41+. Роман о жизни в 2660 году. Перевод с англ. М., «Прогресс», 1964. 165 стр.

Книга написана в 1911 г. Интересен научный и технический прогноз автора по представлениям того времени.

Гребнев Г. Невидимка. Рассказ. В кн.: «Невидимый свет». М., «Молодая гвардия», 1959, стр. 102-114.

Гуревич Г. Иней на пальмах. Повесть. М., Трудрезервиздат, 1957. 160 стр. с илл.

Гуревич Г. Рождение шестого океана. Роман. М., Профтехиздат, 1960. 459 стр. с илл. (Фантастика. Приключения).

Днепров А. Глиняный бог. Повесть. В кн.: Днепров А. Формула бессмертия. Рассказы и повести. [М.], «Молодая гвардия», 1963, стр. 3-95, с илл.

Днепров А. Пятое состояние. Рассказ. В кн.: Днепров А. Мир, в котором я исчез. М., «Молодая гвардия», 1962, стр. 44-70.

Днепров А. Пурпурная мумия. (Рассказы). М., «Детская литература», 1965. 284 стр. с илл. (Б-ка приключений и научной фантастики).

Долгушин Ю. ГЧ (Генератор Чудес). Научно-фантастический роман. [М.], Трудрезервиздат, 1959. 424 стр. с илл.

554


Ефремов И. Cor Serpentis (Сердце Змеи). Повесть. В кн.: Ефремов И. Юрта Ворона. М., «Молодая гвардия», 1960, стр. 214-284.

Кларк А. Лунная пыль. Рассказы. Перевод с англ. М., «Знание», 1965. 344 стр. с илл.

Конан Дойл А. Открытие Рафлза Хоу. Роман. В сб.: Конан Дойл А. Избранные научно-фантастические произведения. [М.], «Молодая гвардия», 1957, стр. 12 - 104.

Куприн А. И. Жидкое солнце. Собр. соч. Т. 5. М., «Правда», 1964, стр. 334-393.

Нечаев И. Белый карлик. Рассказ. М.-Л., Детгиз, 1943. 55 стр.

Полещук А. Великое Делание, или Удивительная история доктора Меканикуса и его собаки Альмы. Повесть. М., Детгиз, 1959. 192 стр. с илл.

Полещук А. Ошибка Алексея Алексеева. Повесть. [М.], «Молодая гвардия», 1961. 170 стр. с илл.

Савченко В. Черные звезды. Повесть. М., Детгиз, 1960, стр. 3-183.

Стругацкий А., Стругацкий Б. Страна багровых туч. Научно-фантастическая повесть. М., Детгиз, 1960. 296 стр. с плл. (Б-ка приключений и научной фантастики).

Толстой А. Н. Гиперболоид инженера Гарина. Аэлита. М., Детгиз, 1963. 447 стр. с илл. (Б-ка приключений и научной фантастики).

Уэллс Герберт. Война миров. Перевод с англ. Собр. соч. Т. 2. М., «Правда», 1964, стр. 5-160.

Уэллс Герберт. Война в воздухе. Перевод с англ. Собр. соч. Т. 4. М., «Правда», 1964, стр. 3-292.

Уэллс Герберт. Человек, который делал алмазы. Перевод с англ. Собр. соч. Т. 1. М., «Правда», 1964, стр. 432-440.

Уэллс Герберт. Хрустальное яйцо. Перевод с англ. Собр. соч. Т. 3. М., «Правда», 1964, стр. 476-494.

Циолковский К. Э. Путь к звездам. Сб. научно-фантастических произведений. М., Изд-во АН СССР, 1960. 353 стр. с илл.

Сборники

В московских и ленинградских издательствах выходят альманахи и сборники научно-фантастических произведений и научно-популярных статей. В них вы можете найти произведения, непосредственно касающиеся физики и химии.

Альманах научной фантастики. Вып. 1. М., «Знание», 1964. 326 стр. Вып. 2, 1965. 296 стр. Вып. 3, 1965. 278 стр.

В мире фантастики и приключений. Л., Лениздат, 1959-1964. [Сб. 1], 1959. 576 стр. [Сб. 2], 1963. 672 стр. [Сб. 3], 1964. 712 стр.

Мир приключений. Альманах. М., Детгиз, 1955-1964. № 1, 1955. 458 стр. с илл. № 2, 1956. 365 стр. с илл. № 3, 1959. 440 стр. с илл. № 4, 1959. 383 стр. с илл. № 5, 1959. 443 стр. с илл. № 6, 1961. 327 стр. с илл. № 7, 1962. 318 стр. с илл. № 8, 1962. 296 стр. с илл. № 9, 1963. 544 стр. с илл. № 10, 1964. 798 стр. с илл. № 11, 1965. 784 стр. с илл.

Научно-фантастические рассказы американских писателей. Перевод с англ. М., Изд-во иностранной лит-ры, 1960. 528 стр.

Библиотека современной фантастики в 15 томах. М,, «Молодая гвардия», 1965.

Том 1. Ефремов И. Туманность Андромеды. Звездные корабли, 1965. 462 стр.

Том 2. Кобо Абэ. Четвертый ледниковый период. Тоталоскоп, 1965. 236 стр.

Том 3. Брэдбери Р. 451° по Фаренгейту. Рассказы, 1965. 344 стр.

Том 4. Лем С. Возвращение со звезд. Звездные дневники Ийона Тихова, 1965. 398 стр.

Том 5. Антология фантастических рассказов. Переводы с итальянского, польского, французского, чешского, немецкого, японского. 1965. 318 стр.

Современная зарубежная фантастика. М., «Молодая гвардия», 1964. 396 стр.

Пути в незнаемое. Писатели рассказывают о науке. М., «Советский писатель», 1960-1964. Сб. 1, 1960. 527 стр. Сб. 2, 1962. 582 стр. Сб. 3, 1963. 636 стр. Сб. 4, 1964. 610 стр. Сб. 4. 1965. 500 стр,

Сборники доступны школьникам старшего возраста.

Фантастика, 1962 год. М., «Молодая гвардия», 1962. 480 стр.

Фантастика, 1963 год. М., «Молодая гвардия», 1963. 365 стр.

Фантастика, 1964 год. М., «Молодая гвардия», 1964. 367 стр.

Фантастика, 1965 год. Вып. 1. М., «Молодая гвардия», 1965. 286 стр. Вып. 2. 1965. 360 стр. Вып. 3. 1965. 224 стр.

Хочу все знать. Научно-популярный альманах. (Для сред. и старш. возраста). Л., Детгиз (Ленингр. отд-ние), 1957-1965. 1957. 280 стр. 1959. 280 стр. 1960. 278 стр. 1961. 303 стр. 1963. 336 стр. 1965. 317 стр.

Эврика. (Идеи. Поиски. Решения). Сб. М., «Молодая гвардия», 1963-1964, 1963. 352 стр. с илл. 1964. 280 стр. с илл.

Научно-популярные журналы

«Знание -сила». Ежемесячный научно-популярный и научно-художественный журнал рабочей молодежи. Помещает статьи и очерки о достижениях физики, химии, биологии, а также техники и технических наук; информации о новых книгах, научную фантастику.

«Наука и жизнь». Ежемесячный научно-популярный журнал Всесоюзного о-ва «Знание».

Рассчитан на широкий круг читателей. Печатает статьи о проблемах и достижениях науки и техники. Большое место уделено практическому применению физических и химических открытий, В каждом номере приведены физические, математические и логические задачи.

«Природа». Ежемесячный популярный естественнонаучный журнал Академии наук СССР.

Доступен школьникам старших классов. Публикует статьи ученых о проблемах и достижениях естественных наук.

«Техника - молодежи». Ежемесячный молодежный производственно-технический журнал. В основном помещает статьи ученых и инженеров. Дает рецензии на новые научно-популярные книги; помещает научно-фантастические произведения.

«Химия и жизнь». Ежемесячный научно-популярный журнал Академии наук СССР.

Рассчитан на широкий круг читателей. Печатает статьи о химии и смежных науках. Публикует научную фантастику.

«Юный техник». Ежемесячный популярный научно-технический журнал для юношества. Большое внимание уделяет техническому творчеству, даются описания и чертежи моделей.

555


СЛОВАРЬ-УКАЗАТЕЛЬ

А

Абсолютно черное тело - тело, поглощающее полностью весь падающий на него поток излучения.- 174, 217, 546

Авиценна (Ибн Сина), Абу Али (ок. 980-1037) - таджикский философ и естествоиспытатель.- 463

Авогадро, Амедео (1776-1856) - итальянский химик и физик.- 544

Авогадро число - 6,021023 - число молекул в грамм-молекуле или атомов в грамм-атоме.- 204, 415, 527

Автоматическая космическая станция - космический аппарат, приспособленный для научных исследований.- 44-51

Автопилот - устройство для автоматического управления летательным аппаратом.- 78

Агглютинация - см. Коагуляция.

Агрегатное состояние вещества - общее наименование для твердого, жидкого и газообразного состояний вещества.- 429

Аденозинтрифосфорная кислота - соединение, благодаря которому осуществляется перенос и выделение энергии в живом организме. - 20

Адиабатическая пушка - установка для сжатия газов.- 131

Адиабатический процесс - процесс, протекающий без теплового обмена со средой.- 95, 141

Адреналин - гормон, вещество, поддерживающее жизнедеятельность живых организмов.- 493

Адсорбент - тело, на поверхности которого происходит поглощение веществ из окружающей среды.- 414, 415

Адсорбция - поглощение различных веществ из газов или жидкостей на поверхности твердых тел - адсорбентов.- 414, 422

Азбука Морзе - телеграфный код, в котором каждой букве алфавита соответствует комбинация точек и тире.- 221

Азотобактерии - бактерии, способные усваивать атмосферный азот.- 437

Акваланг - аппарат со сжатым воздухом, позволяющий человеку длительное время дышать под водой.- 86

Аккумулятор электрический - устройство, превращающее электрическую энергию в химическую и обратно.- 258, 408

Акрилонитрил - химическое соединение, из которого получают полимеры для волокон «нитрон». - 467

Активационный анализ - метод химического анализа, основанный на превращении исследуемого вещества в радиоактивное воздействием облучения нейтронами или быстрыми частицами.- 382-384

Активные молекулы - молекулы, обладающие избыточной кинетической энергией.- 546

Актиноиды - 15 радиоактивных элементов III группы периодической таблицы. - 334, 357, 392

Акустика - учение о звуке.- 93

Ализарин - органический краситель красного цвета.- 459, 460

Аллотропические формы (модификации) - формы существования одного и того же элемента, отличающиеся физическими свойствами и строением.- 131, 435

Алмазы искусственные. - 162, 548

Альварец, Луис (р. 1911) - американский физик.- 285

Альфа-распад - тип радиоактивного превращения, при котором испускаются альфа-частицы.- 285, 286, 357

Альфа-частица - ядро атома гелия.- 275, 382

Америций - искусственно полученный химический элемент № 95. - 357, 360, 392

Амиды - органические вещества, содержащие амидную группу (CONH).- 434

Амилаза - один из ферментов; вещество, ускоряющее химические реакции в живых организмах.- 506

Аммиака синтез. - 399, 437

Аминокислоты - органические соединения, содержащие одновременно две функциональные группы - NH2 и СООН -у одного углеродного атома. Из аминокислот состоят белки.- 21, 457, 498-500, 509

Ампер - единица силы электрического тока в СИ.- 207, 527, 529

Ампер, Андре Мари (1775-1836) - французский физик и математик.- 205, 545

Амплитуда колебания - величина, размах колебания. - 31, 111, 186, 226

Ангстрем - единица длины = 10−8см .=10−10 м. - 413, 529

Ангстрем, Андерс Ионас (1814-1874) - шведский физик.- 529

Андерсон, Карл Дэвид (р. 1905) - американский физик.- 283, 547

Анестезин - обезболивающее вещество.- 496

Анизотропии закон: физические свойства твердых тел различны при измерениях в разных направлениях.- 371, 372

Анилин. - 459

Анион - отрицательно заряженный ион в электролите.- 416

Аннигиляция - превращение частицы и античастицы в форму материи, не имеющей массы.- 148, 270, 354, 547

Анод - положительный электрод, на котором разряжаются отрицательные ионы - анионы.- 229

Анодирование - электролитическое образование пленки окислов на поверхности металла.- 447

Антенна - устройство для получения и приема электромагнитных волн.- 221, 227

Античастица - элементарная частица, спин и масса которой равны спину и массе «основной» частицы, а электрический заряд и магнитный момент равны по величине и противоположны по знаку.- 268, 353, 355, 369

Антигиперон - элементарная частица.- 270

Антинейтрино. - 267, 272, 286

Антинейтрон. - 269, 548

Антинуклон. - 269

Антипротон. - 269, 306, 548

Ар - мера площади = 100м². - 530

Араго, Доменик Франсуа (1786-1853) - французский физик и астроном.- 95, 205, 206, 545

Аристотель (384-322 до н. э.) - древнегреческий философ.- 543

Армированные пластики - полимеры, упрочненные волокнистым материалом.- 488

Ароматические углеводороды - органические вещества, в молекулах которых есть бензольные кольца.- 456

Аррениус, Сванте Август (1859-1927) - шведский физико-химик.- 291, 546

Архимед (ок. 287-212 до н. э.) - древнегреческий математик и механик.- 84, 179, 543

Архимеда сила - действует на тело, погруженное в жидкость, направлена вверх.- 214

Аршин - старинная мера длины в России = 71,12 см. - 524, 531

556


Аскорбиновая кислота (витамин С) - органическое вещество, необходимое для нормального обмена веществ в живом организме.- 493, 497

Ассоциированные молекулы - молекулы, соединенные в более крупную частицу.- 433

Астат -искусственно полученный химический элемент № 85.- 338, 542

Астрономическая единица - расстояние от Земли до Солнца, мера длины в астрономии = 149 598 100 ± 750км. - 243, 246, 530

Астрофизика - раздел астрономии, исследующий физическое состояние небесных тел.- 346

Астрохимия - раздел астрономии, исследующий химический состав небесных тел.- 351

Атактические полимеры - полимеры, в молекулах которых боковые группы расположены нерегулярно.- 479

Атмосфера техническая - единица давления, равна 0,9806 бара или 1 кгс/ см². -127, 529, 530

Атмосфера физическая - давление, уравновешиваемое столбом ртути в 760мм при температуре 0°Ц.- 530

Атом - наименьшая частица химического элемента.- 262

Атомистическая теория - учение о прерывистом, зернистом строении материи.- 543

Атомная бомба - устройство для осуществления взрыва, вызываемого неуправляемым делением или синтезом атомных ядер.- 270

Атомный вес - масса атома элемента, выраженная в единицах атомного веса. Единица атомного веса - 1/12 массы атома углерода C12 .- 321, 322, 545

Атомный (ядерный) реактор - устройство для осуществления регулируемой цепной реакции деления атомных ядер.- 295, 547

Афелий - наиболее удаленная от центрального тела точка орбиты небесного тела, обращающегося вокруг него, например Солнца.- 44

Аэродинамика - наука о движении в газообразной среде.- 67

Аэродинамическая труба - установка для исследования поведения обтекаемых тел в газовом потоке.- 71, 546

Аэродинамическое качество - отношение подъемной силы самолета к сопротивлению среды.- 67, 70

Б

Бактериофаг. - 501

Бальмер, Иоганн Якоб (1825-1898) - швейцарский математик. - 178, 179

Бар - единица давления в СИ.- 529

Барбитуровая кислота - органическое вещество, производные которого (барбитураты) применяются как снотворное.- 496

Барионы - общее название тяжелых элементарных частиц.- 268

Барн - единица эффективного поперечного сечения при ядерных процессах = 10−24 см² .- 525

Басов, Николай Геннадиевич (р. 1922) - советский физик.- 547

Бах, Алексей Николаевич (1857-1946) - советский биохимик.- 546

Бегущей волны лампа - радиолампа.- 236

Безынерционность. - 231

Бейльштейн, Федор Федорович (1838-1906) - Русский химик-органик.- 454

Беккерель, Антуан Анри (1852-1908) - французский физик.- 274, 317, 546

Бел (децибел) - логарифмическая единица измерения отношений физических величин.- 98

Белки - высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, важнейшая составная часть всех живых организмов,- 20, 457, 499, 505, 509

Бензол - простейший ароматический углеводород.- 456, 545

Берклий - искусственно полученный химический элемент № 97.- 341, 392, 542, 547

Бернулли, Даниил (1700-1782) - швейцарский математик и механик, в 1725-1733 гг. работал в России.- 68

Бертолле, Клод Луи (1748-1822) - французский химик.- 150

Берцелиус, Йенс Якоб (1779-1848) - шведский химик и минералог.- 451, 536, 539, 544, 545

Бета-распад - радиоактивное превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием электронов или позитронов (бета-частицы).- 266, 271, 272, 285, 286, 288

Биение - периодическое изменение амплитуды колебаний, происходящих одновременно, например звуковых, электромагнитных.- 102

Бинауральный эффект - способность слухового аппарата определять направление на источник звука.- 99

Биополимеры - полимерные вещества, образующиеся в живых организмах.- 457

Биохимия - наука о химических процессах, свойственных живой материи.- 389

Бит - единица измерения информации.- 531

Благородные газы - элементы нулевой группы периодической системы.- 330

Блеккетт, Патрик Мейнард Стюард (р. 1897) - английский физик.- 547

Бозе, Шатьендранат (р. 1892) - индийский физик.- 271

Бойль, Роберт (1627-1691) - английский химик и физик.- 94, 543

Бойля - Мариотта закон: объем газа при постоянной температуре обратно пропорционален давлению.- 543

Болевой порог восприятия - предел чувствительности уха по отношению к звукам очень большой мощности.- 99

Болометр - прибор для измерения лучистой энергии.- 175, 251

Больцман, Людвиг (1844-1906) - немецкий физик.- 165

Бонч-Бруевич, Михаил Александрович (1888-1940) - советский инженер и физик.- 231

Бор, Нильс Генрик Давид (1885-1962) - датский физик,- 178, 179, 218, 325, 546, 547

Бора правило. - 218

Боразон - синтетическое соединение, не уступающее по твердости алмазу. - 133

Брадлей, Джеймс (1693-1762) - английский астроном.- 544

Браунер, Богуслав (1855-1935) - чешский химик.- 331

Бройль, Луи де (р. 1892) - французский физик.- 195, 547

Бунзен, Роберт Вильгельм (1811-1899) - немецкий химик.- 347, 380, 452, 545

Бустер - вспомогательный механизм для увеличения рабочего усилия машины.- 76

Бутлеров, Александр Михайлович (1828-1886) - русский химик.- 460, 474, 475, 545

Бэкон, Фрэнсис (1561-1626) - английский философ и естествоиспытатель.- 145

557


В

Вавилов, Сергей Иванович (1891 -1951) - советский физик.- 184, 185, 193, 547

Вакуум - разреженное состояние газа.- 116, 210, 212, 351, 369, 370

Валентность - свойство атома соединяться с определенным числом других атомов.- 427, 431, 545-547

Ван-Гельмонт, Ян Баптист (1577-1644) - голландский естествоиспытатель. - 543

Ван-дер-ваальс, Ян Дидерик (1837-1923) - голландский физик.- 139

Вант-Гофф, Якоб Гендрик (1852-1914) - голландский химик.- 460

Ватт - единица мощности в СИ.- 529

Вебер - единица измерения потока электромагнитной индукции в СИ.- 208

Векслер, Владимир Иосифович (р. 1907) - советский физик.- 547

Вектор - изображение любой величины, имеющей направление, например, силы.- 30

Вёлер, Фридрих (1800-1882) - немецкий химик.- 545

Верста - русская мера длины = 1,0068км - 531

Вершок - старинная русская мера длины = 4,445см. - 524, 531

Вес тела - сила, с которой тело притягивается к Земле.- 526, 543

Весовой анализ - метод определения количественного состава веществ.- 381, 382

Вестибулярный аппарат - орган человека и животных, обладает чувствительностью к изменению равновесия.- 59

Вечный двигатель второго рода - воображаемый двигатель, способный превращать в работу теплоту холодильника - 157

Взлетно-посадочная скорость самолета .- 74

Вильсон, Чарлз Томсон Рис (1869-1960) - английский физик.- 303, 546

Вильсона камера - прибор, делающий видимыми следы движущихся элементарных частиц.- 304, 382

Вильштеттер, Рихард (1872-1942) - немецкий химик-органик.- 547

Вин, Вильгельм (1864-1928) - немецкий физик.- 192

Винклер, Клеменс Александр (1838-1904) - немецкий химик.- 315, 382

Вирусы - живые организмы, более мелкие, чем микробы.- 21, 501

Витамин С - см. Аскорбиновая кислота.

Витамины -вещества, жизненно необходимые организму.- 458, 497, 505

Водоизмещение - количество вытесненной судном воды.- 89

Водород атомарный. - 328, 346, 350, 352

Водородная связь - соединение двух атомов в разных молекулах «через водород».- 433

«Водородная смерть Вселенной» - ложный вывод некоторых ученых из современных научных данных.- 352

Волны - распространение колебаний.- 93, 171, 212, 221

Волны электромагнитные - электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве.- 212

Вольт - единица измерения разности электрических потенциалов в СИ.- 529

Вольта, Алессандро (1745-1827) - итальянский физик и физиолог.- 203, 529, 544

Вольтов столб - гальванический элемент.- 544

Вольтова дуга - электрический разряд, возникающий между электродами.- 367

Всемирного тяготения закон: сила взаимодействия двух тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.- 543

Вуд, Роберт Уильямс (1868-1955) - американский физик.- 173

Вулканизация - превращение сырого каучука в эластичную резину.- 475

Выпрямитель - устройство для преобразования переменного тока в постоянный.- 253, 376

Высокодисперсный - сильно раздробленный.- 422

Выталкивающая сила - сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу вытесненной жидкости.- 81

Вязкость - способность материала сопротивляться перемещению в нем одного слоя относительно другого.- 363

Г

Габер, Фриц (1868-1934) - немецкий химик.- 546

Газовая динамика - раздел механики газов и жидкостей, изучает их движение с учетом сжимаемости.- 68

Газо-жидкостная хроматография - метод химического анализа.- 388

Галактика - звездная система, в состав которой входит Солнце.- 267

Галилей, Галилео (1564-1642) - итальянский астроном, физик и механик.- 25, 142, 145, 543

Галогены - химические элементы VII группы периодической системы.- 330, 427, 431, 435

Галс - курс судна относительно ветра.- 92

Гальвани, Луиджи (1737-1798) -итальянский физиолог и физик.- 203, 544

Гальванические элементы - источники электрического тока, получаемого при химической реакции.- 203, 204, 406, 408, 544

Гальванометр - прибор, измеряющий слабые электрические токи.- 107

Гальванопластика - электролитическое осаждение металла на поверхность предмета для воспроизведения его формы,- 204, 545

Гальваностегия - электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности металлического предмета для защиты его от коррозии.- 204

Гамалея, Николай Федорович (1859-1949) - советский микробиолог.- 501

Гамма - последовательность топов, входящих в октаву.- 103

Гамма-квант - наименьшая доза энергии гамма-лучей.- 354

Гамма-лучи - коротковолновые электромагнитные колебания, возникающие при радиоактивных превращениях.- 183, 275, 288, 289

Ган, Отто (р. 1879) - немецкий физик.- 283, 296, 547

Гарт - сплав свинца, сурьмы и олова.- 443

Гаусс, Карл Фридрих (1777-1855) - немецкий математик и физик.- 545

Гейгер, Ганс (1882-1945) - немецкий физик.- 303

Гейгера - Мюллера счетчик - прибор, позволяющий регистрировать электрически заряженные частицы.- 303

558


Гейзенберг, Вернер (р. 1901) - немецкий физик.- 282, 547

Гей-Люссак, Жозеф (1778-1850) - французский физик и химик.- 95, 150, 544, 545

Гектар - мера земельной площади = 104 м² . - 530

Гель - студнеобразное состояние растворов.- 417

Гельмгольц, Герман Людвиг Фердинанд (1821-1894) - немецкий естествоиспытатель.- 208, 545

Гемоглобин - сложный белок, красный пигмент крови.- 504

Генератор ламповый - устройство для получения электромагнитных колебаний с помощью электронных ламп.- 231

Генератор электрического тока - устройство для преобразования механической энергии в электрическую.- 208

Геохимия - наука о химическом составе пород Земли. - 345

Гербициды - химические средства для уничтожения сорняков. - 418, 467

Герике, Отто фон (1602-1686) - немецкий физик.- 201, 543

Германий - химический элемент № 32. - 382, 383, 450

Герон Александрийский (I в. н. э.) - древнегреческий ученый. - 543

Герц - единица частоты колебаний в СИ.- 221, 529

Герц, Генрих Рудольф (1857-1894) - немецкий физик.- 93, 213, 220, 529, 546

Гесс, Герман Иванович (1802-1850) - русский химик.- 167, 311, 545

Гетеродин - ламповый генератор электромагнитных колебаний.- 234

Гетерополярная связь - см. Ионная связь.

Гиббс, Джозайя Уиллард (1839-1903) - американский физик.- 165

Гидравлический удар - резкое изменение давления и скорости при движении жидкости.- 112

Гидриды - соединения химических элементов с водородом.- 330, 432-434

Гидрогенизация - присоединение водорода к другим веществам.- 508

Гидродинамика - наука о движении и действии жидкостей на обтекаемые ими тела.- 68

Гидролиз - разложение вещества водой.- 507, 546

Гидроксильная группа - OH. - 415, 479

Гидроксоний - ион H3O. Образуется при соединении иона водорода с молекулой воды.- 429

Гидролокатор - прибор для обнаружения тел в воде или измерения глубины.- 110

Гидрофильный - проявляющий сильное взаимодействие с водой.- 414

Гидрофобный - проявляющий слабое взаимодействие с водой.- 415

Гипероны - элементарные частицы с массой в 2182 раза большей, чем у электрона.- 268

Гирокомпас - компас, в котором магнит заменен на свободно подвешенный гироскоп.- 35

Гироскоп - прибор, основанный на свойстве вращающихся вокруг оси тел (волчков) сохранять направление оси вращения. - 35, 545

Глюкоза - углевод, простейший моносахарид.- 458, 507

Глютаминовая кислота - одна из аминокислот.- 504

Голос моря - инфразвук, возникающий в районе зарождения шторма. - 108

Гормоны - особые вещества живых организмов, регулирующие жизнедеятельность и обмен веществ.- 458, 497

Гравитационная постоянная - коэффициент в формуле закона всемирного тяготения.- 29

Гравитация (тяготение) - свойство материальных тел притягивать друг друга.- 29, 534

Градус - единица измерения температуры.- 529

Грамм-моль (грамм-молекула) - см. Моль вещества.

Гран - аптекарская мера массы=0,062 г. - 531

Гремучий газ - взрывчатая смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода.- 398

Громоотвод - устройство для защиты от молний.- 544

Гроттус, Христиан Иоганн Дитрих (1785-1822) - литовский физик и химик.- 544

Гук, Роберт (1635-1703) - английский естествоиспытатель.- 543

Гюйгенс, Христиан (1629-1695) - голландский механик, математик и физик.- 267, 543

Д

Давление - сила, действующая на единицу площади.- 145

Давление акустическое - давление, возникающее от звуковой волны в жидкости или газе.- 93

Давление света. - 546

Дагеротип - фотография на серебряной пластинке или стекле по методу Л. Ж. Дагера, одного из первых изобретателей фотографии.- 169

Д'Аламбер, Жан Лерон (1717-1783) - французский математик и философ.- 544

Дальтон, Джон (1766-1844) - английский химик и физик.- 544

Датчик - автоматическое устройство, воспринимающее воздействие извне и передающее сигнал измерительному прибору.- 51

Двигатели авиационные: турбореактивный.- 72, прямоточный.- 73; турбовинтовой.- 73

Двигатели будущего (космические): ионный и фотонный - тяга должна создаваться за счет потока ионов или фотонов.- 33, 73, 74

ДДТ - препарат для уничтожения насекомых.- 418, 468

Дёберейнер, Иоганн Вольфганг (1780-1849) - немецкий химик.- 311

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - основная составная часть наследственного вещества в ядрах живых клеток.- 502-504, 547

Дейтерий - тяжелый изотоп водорода.- 18, 22, 277, 367, 368, 511, 514, 515

Дейтрон - ядро атома дейтерия.- 120

Декарт, Рене (1596-1650) - французский философ, математик и физик.- 543

Декстрин. - 507

Демокрит (ок. 460-370 до н. э.) - древнегреческий философ.- 543

Десенсибилизатор -вещество, понижающее светочувствительность фотоматериала.- 462

Десорбция - выделение адсорбированного вещества с поверхности сорбента. - 387

Десятина - старая русская мера площади = 10 925 м². - 531

Детандер. - 116

Детектирование - преобразование электромагнитных колебаний для выявления переданного сигнала.- 233, 234, 237, 254, 360, 388

559


Детонация - распространение химического процесса со скоростью, превышающей скорость звука.- 465, 466

Дефект массы - уменьшение массы при образовании атома из отдельных частиц - нуклонов за счет выделения энергии.- 122

Дефекты твердого тела - нарушения кристаллической структуры.- 373, 421-423

Дефолианты - вещества, вызывающие опадение листьев растений.- 467

Деформации остаточные - изменения формы тела, не исчезающие после прекращения действия внешней силы.- 423

Децибел - см. Бел.

Деэмульгатор - вещество, разрушающее эмульсию.- 419

Джоуль - единица работы, энергии и количества теплоты в СИ.- 528, 529

Джоуль, Джемс Прескотт (1818-1889) - английский физик.- 110, 152, 199, 529, 545

Диамагнетики - вещества, обладающие способностью выталкиваться из магнитного поля.- 117, 205, 216

Дидро, Дени (1713-1784) - французский философ.- 544

Дина - единица силы в СГС = 10−5 н .- 530

Динамик - электродинамический громкоговоритель.- 234

Динатронный эффект - появление вторичных электронов при бомбардировке анода лампы заряженными частицами.- 232

Диод - электронная лампа с двумя электродами.- 229, 234

Диполь, - 215, 433

Дирак, Поль Андриен Морис (р. 1902) - английский физик.- 270, 547

Дисперсный - раздробленный, рассеянный.- 413, 422, 424

Дифракционная решетка - оптический прибор, совокупность большого количества узких параллельных щелей в непрозрачном экране.- 174, 189

Дифракция - огибание преграды волнами.- 111, 187, 363, 543, 544

Дифракция электронов. - 267, 547

Диффузионная камера - прибор для обнаружения заряженных частиц.- 305

Диффузия - самопроизвольное выравнивание концентрации вещества в системе.- 412

Диэлектрики - вещества, почти не проводящие электрический ток.- 374

Диэлектрическая проницаемость среды - отношение сил взаимодействия электрических зарядов в среде к таким же силам в вакууме.- 210

Длина волны - расстояние между двумя точками волны, колеблющимися в одинаковой фазе.- 93

Доза радиации - количество энергии радиоактивных излучений, поглощенное телом или живым организмом в единице объема.- 57

Доплер, Христиан (1803-1853) - австрийский физик и астроном.- 99, 189

Доплера эффект - изменение воспринимаемой частоты колебаний при относительном движении источника и приемника волн.- 99, 100, 189

Дросселирование - искусственное сужение потока жидкости или газа в трубопроводе с последующим расширением.- 116

Дроссель электрический. - 233

Дуанты - ускоряющие электроды-камеры в циклотроне.- 358

«Дырка» - обозначение квантового состояния, не занятого электроном; в кристалле полупроводника ведет себя как положительный заряд.- 248

Дырочные полупроводники - полупроводники, в которых носители тока - «дырки».- 249, 375

Дэви, Гемфри (1778-1829) - английский химик и физик.- 206, 538, 544

Дюйм - английская мера длины = 2,54 см. - 531

Дюлонг, Пьер Луи (1785-1838) - французский физик и химик.- 545

Дюма, Жан Батист Андре (1800-1884) - французский химик.- 545

Е

Емкость электрическая - характеристика системы проводников, мера величины заряда системы при заданном потенциале.- 225, 529

Ж

Жансен, Пьер Жюль Сезар (1824-1907) - французский астроном.- 172, 315, 545

«Желудь» - миниатюрная радиоэлектронная лампа.- 235

Жиры - сложные эфиры глицерина и жирных кислот.- 505, 508

Жолио-Кюри, Ирен (1897-1956) - французский физик.- 283

Жолио-Кюри, Фредерик (1900-1958) - знаменитый французский физик.- 283, 547

Жуковский, Николай Егорович (1847-1921) - советский ученый.- 64, 67, 71, 72

З

Закрылки - устройство на крыле самолета для увеличения подъемной силы и снижения посадочной скорости.- 75

Запас плавучести - способность корабля оставаться на плаву при крене.- 86, 90, 544

Запоминающее устройство - часть вычислительной машины, служащая для хранения закодированной информации.- 119

Звуковой барьер - граница скорости, за которой скорость самолета становится больше скорости звука.- 67, 68

Зелинский, Николай Дмитриевич (1861-1953) - советский химик-органик.- 465, 547

Зинин, Николай Николаевич (1812-1880) - русский химик-органик.- 459, 545

Золотник - старинная русская мера веса = 4,266 г .- 531

Зонная плавка - метод очистки веществ от примесей.- 249

Зрительная труба - оптическая система для наблюдения удаленных предметов.- 196

И

Иваненко, Дмитрий Дмитриевич (р. 1904) - советский физик.- 282, 547

560


Идеальный газ - воображаемый газ, молекулы которого являются материальными точками - не имеют размера и взаимодействуют между собой только механически.- 139, 528

Изобары (в ядерной физике) - атомы с разным числом протонов, но с одинаковым числом нуклонов (массой).- 289

Изоляторы - вещества с очень высоким электрическим сопротивлением.- 203, 246, 263, 374

Изомеры - соединения одинакового химического состава, но с различным строением молекулы.- 289, 353, 361, 395, 470, 545, 547

Изоморфизм - способность атомов или молекул замещать друг друга в кристаллах, при этом образуются соединения переменного состава.- 545

Изотактические полимеры. - 479

Изотермический процесс - процесс, происходящий при постоянной температуре.- 94, 141

Изотопы - разновидности атомов одного элемента с одинаковым зарядом ядра, но с различными массовыми числами,- 276, 282, 289, 319, 342, 357, 382, 453, 546, 547

Изотропность -совпадение физических свойств вещества во всех направлениях.- 25

Инверсионная температура - температура, выше которой реальный газ при дросселировании не охлаждается.- 116

Ингибитор - вещество, замедляющее химическую реакцию.- 402

Индиго - краситель ярко-синего цвета.- 459

Индуктивности катушка - провод, свернутый спиралью или намотанный на катушку.- 205, 221

Индукция электромагнитная - возбуждение электрического тока при изменении магнитного поля.- 206, 207, 210, 545

Индуцированное излучение - электромагнитное поле, излучаемое атомами под воздействием внешнего электромагнитного поля.- 547

Инерция - свойство тела сохранять равномерное прямолинейное движение или состояние покоя, если на него не действует внешняя сила.- 543

Инсектициды - химические средства для уничтожения насекомых.- 468

Инсулин - гормон поджелудочной железы.- 499

Интерференция волн - взаимодействие волн между собой; в зависимости от фазы волны могут усиливаться или погашаться. -185-188, 544

Интерферометр - оптический измерительный прибор, основанный на интерференции волн света.- 186, 187, 525

Инфразвук - звуковые волны с низкой частотой- меньше 16 гц. - 93, 108

Инфракрасные лучи - электромагнитное излучение с длиной волны от 0,75 мк до 0,5 мм. - 176, 192

Ионизационная камера - прибор для обнаружения ионизирующих излучений.- 303

Ионизация - процесс образования в веществе ионов.- 303, 365, 366, 409

Ионная связь - химическая связь, обусловленная притяжением избыточных зарядов противоположно заряженных частей молекулы - ионов.- 427

Ионообменные смолы - твердые вещества, обладающие способностью обменивать свои ионы на другие, имеющиеся в жидкости (растворе).- 390, 492

Ионосфера -часть атмосферы, лежащая выше 60 км. - 223, 365-367

Ионы - электрически заряженные частицы, атомы или группы атомов, присоединившие или потерявшие электроны.- 263, 303, 365

Иоффе, Абрам Федорович (1880-1960) - советский физик.- 246, 547

Иприт - чрезвычайно ядовитое, содержащее серу органическое соединение, отравляющее вещество.- 504

Иразер - усилитель инфракрасных лучей, действующий на основе эффекта индуцированного излучения,- 241

К

Кавендиш, Генри (1731-1810) - английский физик и химик.- 200, 539, 544

Кавитация - образование мельчайших пустот в жидкости.- 112

Казеин - один из основных белков молока.- 510

Калифорний - искусственно полученный химический элемент № 98.- 341, 392, 542, 547

Калория - единица тепловой энергии = 4,187 дж. - 529, 530

Камера-обскура - оптический прибор с малым отверстием вместо линзы.- 169

Камерлинг-Оннес, Гейке (1853-1926) - голландский физик.- 117, 546

Капица, Петр Леонидович (р. 1894) - советский физик.- 119, 547

Капрон - синтетическое волокно высокой прочности.- 480

Карат - единица веса драгоценных камней = 0,2 г.- 531

Карбамид - CO(NH2)2 - искусственное удобрение.- 454, 455

Карбоксильная группа - - группа, входящая в состав органических кислот.- 415, 471, 479

Карбонаты - соли угольной кислоты.- 431

Карман, Теодор фон (1881-1963) - немецкий гидромеханик.- 67

Карно, Никола Леонар Сади (1796-1832) - французский физик и инженер.- 154, 545

Каскад усиления - электрическое устройство для повышения мощности колебаний.- 234

Катализ - ускорение химической реакции под влиянием небольших добавок веществ - катализаторов, не изменяющихся в процессе реакции.- 261, 348, 401, 402, 409, 424, 544, 545, 546

Катион - ион, положительно заряженный.- 416

Катод - отрицательный электрод.- 229

«Катюша» - советский реактивный миномет.- 38

Качественный анализ - совокупность методов, применяемых для определения химического состава вещества.- 379, 381

Квант - минимальное количество энергии, излучаемое или поглощаемое атомом.- 177, 178, 218, 239, 267, 272, 375, 402, 546

Квантовая механика.- 177, 239, 267, 327, 547

Квантовая электроника. - 240

Квантовые числа - главное, побочное, магнитное, спиновое - определяют строение электронной оболочки атома.- 323-325

Квантовый переход - изменение энергетического состояния атомов или молекул вещества.- 245

Квантовый световой генератор - см. Лазер.

Квантовый усилитель -прибор для усиления электромагнитной волны за счет запасенной энергии атомов вещества, через которое проходит импульс излучения.- 240

561


Кварки - гипотетические частицы, из которых, может быть, состоят все известные науке элементарные частицы.- 356

Кекуле, Фридрих Август (1829-1896) - немецкий химик.- 460, 545

Кельвин (Томсон), Уильям (1824-1907) - английский физик.- 114, 178, 545, 546, 547

Кельвина шкала - шкала абсолютной температуры.- 160, 528, 545 .

Кенотрон - электровакуумный выпрямитель тока.- 253

Кеплер, Иоганн (1571-1630) - немецкий астроном.- 177, 543

«Керн» - гипотетическое уплотнение массы в центре атомного ядра.- 290

Килограмм - основная единица массы в СИ.- 525

Килограмм-сила - единица измерения силы.- 525, 526.

Кинескоп - приемная электроннолучевая телевизионная трубка.- 192

Кинетика химическая - учение 6 скоростях и механизмах химических процессов.- 398, 407

Кинетическая энергия - энергия движущегося тела.- 271

Кирхгоф, Густав Роберт (1824-1887) - немецкий физик.- 172, 347, 380, 540, 545

Кислоты - соединения, содержащие водород, способный замещаться на металл.- 431-433, 440, 471

Клапейрон, Бенуа Поль Эмиль (1799-1864) - французский физик.- 138, 139

Клатратные соединения - образуются без участия валентных связей, в результате механического внедрения одних молекул в полости других сложных молекул.- 331

Клаузиус, Рудольф (1822-1888) - немецкий физик.- 161, 545, 547

Клетчатка (целлюлоза) - углевод, составляющий основу оболочек растительных клеток.- 458

Клистрон - высокочастотная электронная лампа.- 236

Коагуляция - слипание частиц в дисперсных системах.- 503

Когерер - 220

Когерентные колебания - колебания, способные к взаимной интерференции, происходящие в одной фазе.- 186, 239

Колебания вынужденные - колебания, возникающие при периодическом действии внешней силы.- 226

Колебательный контур - замкнутая электрическая цепь, поглощающая энергию электромагнитных колебаний только определенной частоты.- 221, 226, 227

Коллиматор - устройство для получения пучка параллельных лучей.- 172

Коллоидный раствор - дисперсная система, состоящая из взвешенных в жидкости частиц размером от 10−5 до 10−7 см .- 417

Колонна синтеза - стальной цилиндр, в котором под высоким давлением идет синтез какого-либо вещества.- 133

Колонна хроматографическая - трубка с сорбентом, прибор для химического анализа или разделения сложных смесей.- 386, 387

Комбинаторика - раздел математики, изучающий перестановки, размещения и сочетания.- 328

Коммутатор - переключатель электрического тока.- 209

Компрессор - аппарат для сжатия и перемещения газа под избыточным давлением.- 128

Конвекция - перемещение массы жидкости или газа под действием внешних сил, разности давлений или температур.- 178

Конверсия внутренняя - одна из форм радиоактивного превращения атомов.- 289

Конденсатор электрический - устройство, запасающее электрический заряд.- 221, 231

Консонанс - согласованное сочетание звуков. - 103

Конструкционные материалы - материалы для строительства и машиностроения.- 487

Координационная связь. - 429

Коперник, Николай (1473-1543) - польский астроном.- 543

Кориолис, Густав Гаспар (1792-1843) - французский физик.- 30

Кориолиса сила - дополнительная сила инерции при движении тела во вращающейся системе.- 30, 31

Корпускулы - общее название частиц материи.- 191

Корпускулярная теория - представление о свете как о потоке частиц.- 543

Корпускулярное излучение Солнца - поток элементарных заряженных частиц, испускаемых Солнцем, в основном протонов.- 44, 48

Коррозия металлов - разрушение, окисление, растворение металлов под действием окружающей среды.- 397, 398, 407

Космическая ракета - ракета, способная преодолеть земное притяжение, развивающая скорость свыше 8 км/сек. - 45

Космическая скорость: первая - скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно совершало движение вокруг Земли по круговой орбите, - 8км/сек. - 42, 530;
вторая - скорость, необходимая телу для полного преодоления притяжения Земли, - 11,2 км/сек. - 530

Космическая химия - новая наука, изучающая химический состав космических тел и межпланетной среды и происходящих в них химических реакций.- 351

Космические лучи - непрерывный поток элементарных частиц и электромагнитных излучений, падающих на Землю из космоса. - 264, 356

Коссель, Вальтер (1888-1956) - немецкий физик.- 547

Коэффициент воспроизводства ядерного горючего - отношение количества плутония, получаемого в атомном реакторе, к количеству затраченного урана.- 302

Коэффициент полезного действия - отношение количества полезной энергии, получаемой от ее преобразователя, к энергии затраченной.- 156, 405

Коэффициент размножения нейтронов - среднее число нейтронов, возникающих взамен каждого нейтрона, вызвавшего деление ядра.- 298, 299

Крабовидная туманность - звездная туманность в созвездии Тельца.- 352, 368

Красное смещение - смещение спектральных линий, наблюдаемых в спектрах звезд и туманностей. - 188

Крахмал. - 506

Крекинг - превращение сложных высокомолекулярных углеводородов в низкомолекулярные.- 465

Криотрон - элемент схемы электронносчетной машины, работает на использовании эффекта сверхпроводимости.- 118

Кристадин - радиоприемник с кристаллическим детектором.- 254

Кристаллическая решетка - правильное расположение атомов, ионов и молекул в кристалле.- 247, 372

Кристаллогидраты - кристаллические вещества, содержащие воду.- 396

Кристаллы - твердые вещества, способные образо-

562


вывать естественную форму правильного многогранника.- 362, 370, 546

Критическая масса - наименьшее количество ядерного горючего, при котором становится возможной цепная ядерная реакция.- 299

Критическая температура - температура, при которой жидкость и пар обладают одинаковыми свойствами.- 545

Крукс, Уильям (1832-1919) - английский физик и химик.- 303, 316, 536

Крутильные весы - прибор для измерения малых сил по закручиванию тонкой нити.- 199, 200, 544

Крылов, Алексей Николаевич (1863-1945) - советский кораблестроитель и математик. - 90

Кулон - единица количества электричества в СИ - 529

Кулон, Шарль Огюстен (1736-1806) - французский физик. - 199, 206, 529

Кулона закон: сила, с которой взаимодействуют два точечных заряда, прямо пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.- 200, 210

Курнаков, Николай Семенович (1860-1941) - советский химик.- 546

Курчатов, Игорь Васильевич (1903-1960) - советский физик.- 473, 547

Кусто, Жак Ив (р. 1910) - французский океанолог.- 86

Кэрозерс, Уоллес (1896-1937) - американский химик, создавший нейлон.- 547

Кюри, Мария - см. Склодовская-Кюри.

Кюри, Пьер (1859-1906) - французский физик и химик. - 109, 199, 274, 317, 546

Кюри точка - температура, при которой ферромагнетики теряют способность намагничиваться. -199

Кюрий - искусственно полученный химический элемент № 96.- 392

Л

Лавировка - движение парусного судна против ветра по ломаной линии.- 92

Лавсан - синтетическое волокно.- 480

Лавуазье, Антуан Лоран (1743-1794) - французский химик.- 459, 544

Лазер - усилитель индуцированного светового излучения.- 180, 181, 219, 241

Ландау, Лев Давидович (р. 1908) - советский физик.- 119, 368

Ландсберг, Георгий Самуилович (1890-1957) - советский физик.- 547

Ланжевен, Поль (1872-1946) - французский физик. - 109

Лантаноиды - 15 химических элементов III группы периодической таблицы.- 331-333, 391, 451-453

Лаплас, Пьер Симон (1749-1827) - французский астроном, математик и физик.- 95, 150

Лауэ, Макс Феликс Теодор (1879-1960) - немецкий физик.- 546

Лебедев, Петр Николаевич (1866-1912) - русский физик. - 177, 213

Лебедев, Сергей Васильевич (1874-1934) - советский химик-органик.- 472, 475

Левенгук, Антони ван (1632-1723) - голландский биолог.- 533, 543

Левкип (V в. до н. э.) - древнегреческий философ.- 543

Лейденская банка - электрический конденсатор в виде банки.- 544

Лекарственные вещества. - 463, 464

Лекок де Буабодран, Поль Эмиль (1838-1912) - французский химик.- 314, 452, 545

Ленц, Эмилий Христианович (1804-1865) - русский физик.- 206, 545

Ленца правило. - 206, 208

Лептоны - группа легких элементарных частиц.- 268

Лесохимия - раздел науки, изучающий химические свойства древесины.- 464

Ле Шателье, Анри Луи (1850-1936) - французский физико-химик.- 546

Ле Шателье принцип. - 400, 546

Либих, Юстус (1803-1873) - немецкий химик.- 545

Ливень элементарных частиц - множественное рождение новых элементарных частиц в результате столкновения частицы космических лучей с атомами атмосферы,-267

Линза - прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями. -172

Липазы - ферменты.- 508

Листер, Джозеф (1827-1912) - английский хирург.- 494

Ловиц, Товий Егорович (1757-1804) - русский химик и фармацевт.- 544

Лодыгин, Александр Николаевич (1847-1923) - русский электротехник.- 204

Локатор - прибор, определяющий местонахождение тела по регистрации отраженных от него электромагнитных волн.- 243

Локьер, Джозеф Норман (1836-1920) - английский астрофизик. - 172, 315, 545

Ломоносов, Михаил Васильевич (1711-1765) - великий русский физик, химик, философ и поэт.- 145, 166, 459, 544

Лоренц, Гендрик Антон (1853-1948) - голландский физик.- 214

Лоренца сила - сила, действующая на заряженную частицу, которая движется в магнитном ноле.- 215

Лосев, Олег Владимирович (1903-1942) - советский физик.- 254

Лоуренс, Эрнест Орландо (1901-1958) - американский физик.- 342

Лоуренсий - искусственно полученный химический элемент № 103.- 342, 392

Лошадиная сила - единица мощности = 75кгс/сек = 0,736квт. - 72, 530

Лукреций, Тит Лукреций Кар (ок. 99-55 до н. э.) - древнеримский философ и поэт.- 543

Лунин, Николай Иванович (1854-1937) - советский биохимик.- 497

Лучепреломление - отклонение направления луча при переходе его из одной среды и другую.- 543

Лье - старинная французская мера длины = 4,5 км. - 531

Льюис, Гилберт Ньютон (1875-1946) - американский физико-химик. - 547

Люкс - единица освещенности в СИ.- 529

Люмен - единица светового потока в СИ. - 529

Люминесценция - свечение тела, избыточное по сравнению с температурным излучением. - 181, 183

Люминофоры - вещества, в которых возникает люминесценция.- 239, 252

Ляпунов, Александр Михайлович (1857-1918) - русский математик и механик. - 77

563


М

Магические числа - числа протонов или нейтронов атомного ядра, при которых наблюдаются резкие изменения ядерных свойств.- 343, 344

Магнетрон - двух электродная электронная лампа с магнитным полем.- 235

Магнитная буря - большие неправильные колебания магнитного поля Земли.- 367

Магнитная ловушка (магнитная бутылка) - аппарат, в котором горячая плазма удерживается при помощи магнитного поля. -123

Магнитная масса - мера количества магнетизма в полюсах магнита.- 200

Магнитная постоянная вакуума. - 208

Магнитное давление - сила действия магнитного поля на плазму.- 366

Магнитное поле. - 367, 544

Магнитное поле Земли. - 367, 543

Магнитный момент. - 216

Магнитострикция - изменение формы тела при намагничивании.- 110, 199

Магнитофон - прибор для записи и воспроизведения звуков.- 108

Мазер - усилитель индуцированного излучения радиоволн.- 17, 219, 241

Майер, Юлиус Роберт (1814-1878) - немецкий ученый.- 151, 545

Майкельсон, Альберт Абрахам (1852-1931) - американский физик.- 33, 170, 171, 187, 213, 546, 547

Максвелл, Джемс Клерк (1831-1879) - английский физик.- 171, 177, 196, 210-214, 220, 545

Мандельштам, Леонид Исаакович (1879-1944) - советский физик.- 214, 547

Маргарин - искусственный пищевой жир, получается гидрогенизацией растительных масел.- 508

Мариотт, Эдм (1620-1684) - французский физик.- 543

Марковников, Владимир Васильевич (1838-1904)- русский химик.- 545

Маркони, Гульельмо (1874-1937) - итальянский радиотехник.- 221

Масса - мера инерции тел и их гравитационных свойств.- 526

Macс-спектрометрический анализ - метод измерения массы изотопов и изотопного состава вещества.- 383

Материя - философская категория для обозначения объективной реальности. Одна из форм материи - вещество.- 362, 370

Мах, Эрнст (1838-1916) - австрийский философ и физик.- 68

Маха число - отношение скорости движущегося тела к скорости звука.- 68, 530

Маятник - твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной оси.- 31, 543, 545

Маячковая лампа - электронная радиолампа.- 235

Мегагерц - миллион герц.- 221

Мегаэлектрон-вольт - миллион электрон-вольт - единица энергии.- 529

Международная система единиц (СИ).- 524-531

Международный геофизический год (МГГ) - период с 1 июля 1957 г. по 31 декабря 1958 г., когда ученые 65 стран проводили исследования геофизических процессов на Земле.- 42

Междуузлия - пространство между атомами в кристаллической решетке.- 372

Мезоатом - атом, в котором один из электронов замещен мезоном.- 354

Мезонная шуба - гипотетическое окружение нуклонов мезонами в ядре атома.- 273

Мезоны - элементарные частицы.- 20, 268, 277, 354, 547

Мейер, Юлиус Лотар (1830-1895) - немецкий химик.- 311

Мейтнер, Лизе (р. 1878) - немецкий физик.- 542

Менделевий - искусственно полученный химический элемент № 101.- 101, 341, 357, 392, 542, 547

Менделеев, Дмитрий Иванович (1834-1907) - великий русский химик.- 307-315, 452, 474, 545, 546

Меншуткин, Николай Александрович (1842-1907)- русский химик.- 308

Мёссбауэр, Рудольф Людвиг (р. 1929) - немецкий физик.- 548

Метагалактика - совокупность галактик, доступных современным телескопам.- 267

Метацентр - точка пересечения выталкивающей силы с плоскостью симметрии плавающего тела.- 89

Метиловый спирт. - 470

Метр - основная мера длины в СИ.- 525

Метрическая система измерения - система, в основу которой положены метр, килограмм и десятичное счисление.- 525, 544

Механика физико-химическая - 424, 425

Механики основные законы - законы Ньютона.- 543

Механический эквивалент тепла. - 152

Микрометр - инструмент, измеряющий длину с точностью до 1 микрона и менее.- 360

Микромодуль - миниатюрная радиодеталь полупроводников.- 257

Микрон - тысячная доля миллиметра.- 529

Микроскоп ультрафиолетовый - микроскоп, действующий с применением ультрафиолетовых лучей.- 195, 196

Микрофон - прибор, преобразующий звуковые колебания в электрические.- 105

Милликен, Роберт Эндрус (1868-1953) - американский физик.- 214, 546

Миля -английская мера длины; сухопутная миля = 1,609км, морская = 1,853км. - 531

Митчерлих, Эйльхард (1794-1863) - немецкий химик.- 545

Мицеллы - частицы в коллоидных растворах.- 417.

Мишметалл - сплав церия и железа.- 453

Модели атома: капельная - 287, оболочечная - 286, Резерфорда-Бора - 216, 280, 546, Томсона - 546

Модуляция - управляемое изменение амплитуды радиоволн или частоты их колебаний.- 105, 224, 233

Мозли, Генри (1887-1915) - английский физик.- 320, 546

Молекула. - 262, 362, 468, 516, 517

Молекулярное сцепление - взаимное притяжение молекул.- 412

Молекулярные спектры - полосатые оптические спектры излучений, создаваемых или поглощаемых молекулами.- 166

Молочный сахар - углевод.- 510

Моль вещества - число граммов вещества, равное его молекулярному весу.- 138, 139, 415

Монгольфье, Жозеф (1740-1810) и Этьенн (1745- 1799) - французы, изобретатели воздушного шара.- 65

Монокристалл - одиночный кристалл, обладает правильным строением во всей массе.- 371

Мономеры - вещества, молекулы которых способны соединяться в полимеры.- 475

564


Мономолекулярный слой - слой на границе тел, толщиной в одну молекулу.- 413, 420

Монохроматический луч - состоящий из излучений с одинаковой длиной волны. - 171

Морзе, Самюэль (1791-1872) - американский изобретатель.- 221

Мотор-генератор - машина, преобразующая переменный ток в постоянный (и наоборот).- 253

Моющие вещества. - 416

Муассан, Анри (1852-1907) - французский химик.- 536

Мыла - щелочные соли высокомолекулярных жирных кислот.- 416, 417

Мюон (мю-мезон) - элементарная частица.- 268, 272

Мягкая посадка - способ постепенного преодоление силы тяжести при посадке ракеты на небесное тело.- 55, 62, 63

Н

Направленный синтез - построение молекул по заранее составленному плану.- 472

Напряжение запирания - отрицательное напряжение на сетке триода, прекращающее поток электронов к аноду.- 230

Напряжение механическое - мера внутренних сил, возникающих в твердом теле в результате внешних воздействий.- 424

Напряженность магнитного поля. - 529

Напряженность электрического поля. - 209, 529

Невесомости состояние - 28, 58-60

Нейтрино - элементарная частица. - 120, 267, 268, 271, 272, 286, 352, 356, 547, 548

Нейтрон - элементарная частица. - 263, 266, 271, 282, 283, 297, 306, 307, 361, 368, 547

Нейтроны запаздывающие - образуются не сразу при делении ядра урана, а при распаде некоторых изотопных ядер в цепочках распада осколочных ядер- поэтому запаздывают. - 299

Некогерентные колебания - колебания, неспособные к интерференции, происходящие в разных фазах, беспорядочно.- 240

Непредельные (ненасыщенные) - органические вещества, углеродные атомы в молекулах которых связаны между собой двойными или тройными связями.- 476

Нептуний - искусственно полученный химический элемент № 93.- 340

Нернст, Вальтер Герман (1864-1941) - немецкий физик.- 166, 546

Нестеров, Петр Николаевич (1887-1914) - русский военный летчик.- 77

Ниепс де Сен-Виктор, Клод (1805-1870) - французский изобретатель.- 275

Нильсон, Ларс Фредерик (1840-1899) - шведский химик.- 315, 546

Нит - единица яркости в СИ.- 529

Нитробензол. - 459

Нитрон (орлон) - синтетическое волокно.- 478

Нихром - сплав никеля, хрома и железа.- 443

Новокаин - обезболивающее средство.- 496

Нуклеиновые кислоты и нуклеотиды - сложные органические соединения, входящие в состав ядер клеток живых организмов.- 21, 458, 502

Нуклоны - общее название протонов и нейтронов.- 268, 290

Нулевая энергия - энергия, которой обладает физическая система в наинизшем энергетическом состоянии.- 148

Ньюлендс, Джон Александер (1838-1898) - английский химик.- 311

Ньютон- единица силы в СИ.- 528

Ньютон, Исаак (1643-1727) - английский физик, астроном и математик.- 24-32, 94, 171, 173, 197, 200, 267, 381, 529, 543

Ньютона сила - сила тяготения.- 214

О

Обертон. - 101

Оболочка электронная - совокупность электронных орбит одного энергетического уровня.- 323-325, 329

Обратной волны лампа. - 236

Объединенный институт ядерных исследований - научно-исследовательский институт, в котором работают физики из стран социалистического содружества, находится в г. Дубне.- 269

Окисление электрохимическое - окисление вещества при электролизе.- 409

Окислы амфотерные - вещества, которые проявляют в зависимости от условий то кислотные, то основные свойства.- 440

Октава - звуковой интервал, объединяющий 12 полутонов. -103.

Октановое число - показатель антидетонационных свойств бензина.- 466

Окуляр - часть оптической системы, обращенная непосредственно к глазу.- 173

Ом - единица электрического сопротивления в СИ.- 529

Ом, Георг Симон (1787-1854) - немецкий физик.- 204, 545

Омега-минус частица - одна из элементарных частиц.- 269

Оптические изомеры - вещества, которые при одинаковом химическом и структурном составе обладают зеркально противоположным строением.- 395

Орбитальный захват - поглощение ядром электрона с ближайшей оболочки.- 285, 286

Ортохроматические пластинки - фотопластинки с повышенной чувствительностью к зеленому и желтому цветам.- 462

Освещенность - величина светового потока, приходящегося на единицу поверхности. -180, 529

Осколки ядерного деления. - 357

Оствальд, Вильгельм Фридрих (1853-1932) - немецкий физико-химик и философ. - 546

Остойчивость - способность судна возвращаться в положение равновесия.- 88

Относительности теория. - 32-34, 170, 265, 271, 546

П

Пальчиковая лампа - компактная радиолампа, пригодная для усиления высоких частот.- 234.

Панхроматические фотоматериалы - фотопластинки (пленки), чувствительные ко всем цветам видимого света.- 462

Папалекси, Николай Дмитриевич (1880-1947) - советский физик.- 214, 547

Парамагнетики - вещества, обладающие способностью втягиваться в магнитное поле.- 205, 216

565


Парафины - предельные углеводороды.- 415

Парацельс, Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (1493-1541) - немецкий врач и естествоиспытатель.- 543

Парсек - астрономическая единица расстояния =3,0841016 м -530

Паск - противотуберкулезный препарат.- 495, 496

Паскаль, Блез (1623-1662) - французский математик, физик и философ.- 82, 543

Паули, Вольфганг (1900-1958) - швейцарский физик.- 327, 547

Пенициллин - лекарственный препарат, антибиотик.- 496, 547

Пеногаситель - вещество, разрушающее пену.- 419

Пенонолимеры. - 488

Пепсин - фермент желудочного сока.- 509

Перегрузки сила - сила, возникающая при движении тела с ускорением против направления силы тяжести.- 29, 58, 77

Переменный ток - электрический ток с периодически меняющимися величиной и направлением.- 208

Переохлажденная жидкость - жидкость, охлажденная ниже температуры замерзания.- 521

Перигелий - точка орбиты небесного тела, наиболее близкая к Солнцу, или спутника - к Земле.- 44

Период колебаний - промежуток времени, через который повторяются фазы колебания.- 31, 94

Период полураспада - время, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного вещества.- 266, 278, 382

Перкин, Уильям Генри (1838-1907) - английский химик-органик.- 459

Петров, Василий Владимирович (1761-1834) - русский физик.- 203, 204, 544

Пикар, Огюст (1884-1962) - швейцарский физик, исследователь стратосферы.- 86

Пикофарада - единица электрической емкости =10−12 Ф,-530

Пилотаж высший - сложный маневренный полет на самолете.- 77

Пион (пи-мезон) - элементарная частица.- 268

Пироксилин - взрывчатое вещество.- 464

Пирометр - прибор для измерения высоких температур.- 251

Пифагор (ок. 580-500 до н. э.) - древнегреческий философ и математик.- 543

Плавиковая кислота - водный раствор фтористого водорода.- 361

Плавучесть - способность корабля оставаться на плаву при крене.- 86, 90, 544

Плазма - состояние вещества.- 120, 123, 365

Плазмотрон - устройство для проведения химических реакций в плазме.- 368

Плазмохин и плазмоцид - противомалярийные препараты.- 495

Планк, Макс Карл Эрнст Людвиг (1858-1947) -немецкий физик. -150, 177, 217, 546

Планка постоянная. - 177, 178, 218

Платинит - сплав железа и никеля.- 443

Платон (427-347 до н. э.) - древнегреческий философ.- 543

Плотность тела. - 84, 85

Плутоний - радиоактивный химический элемент № 94.- 357, 359

Победит - сплав карбида вольфрама с кобальтом.- 446

Поверхностно-активное вещество - вещество, понижающее поверхностное натяжение.- 414, 423, 424

Поверхностное натяжение - сила, стремящаяся сократить поверхность тел. Вызывается притяжением молекул поверхности внутрь вещества.- 413, 414, 522

Подъемная сила. - 66

Позитрон - элементарная частица.- 266, 268, 272, 283, 353, 547

Позитроний - атом, состоящий из электрона и позитрона.- 353, 547

Позитронный распад - радиоактивный распад, сопровождающийся вылетом позитронов.- 283

Пойнтинг, Джон Генри (1852-1914) - английский физик.- 213, 546

Полиакрилаты - синтетические полимеры.- 491

Полиакрилонитрил - полимер, продукт полимеризации акрилонитрила.- 477

Полиамиды - синтетические полимеры.- 491

Поливинилхлорид - синтетический пластический материал.- 476, 478

Поликонденсация. - 479-480

Полимеризация. - 479, 481

Полимер - высокомолекулярное вещество, молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся звеньев.- 455, 473-492.

Полиморфные модификации - различные формы кристаллического строения у одного и того же вещества.- 131

Полинг, Лайнус Карл (р. 1901) - американский химик. - 547

Полипропилен - полимер, продукт полимеризации пропилена.- 467

Полисахариды - сложные углеводы.- 458

Полиуретаны - полимеры, которые используются для получения износостойких каучуков и пористых материалов.- 484

Полиэтилен - полимер, продукт полимеризации этилена.- 476

Полоний - радиоактивный химический элемент № 84.- 541, 546

Полоса пропускания (в радиотехнике) - ширина спектра частот, необходимого для неискаженного воспроизведения сигнала.- 234

Полупроводники. - 203, 249, 374, 375, 547

Полупроводниковые холодильники.- 258

Поляризация света - 213, 215, 544, 545

Полярное сияние - свечение верхних слоев атмосферы, вызываемое потоком космических частиц.- 366, 367

Полярограф - прибор, в котором изучаются химические процессы с помощью электрохимических характеристик. -407

Полярографический анализ - метод электрохимического исследования растворов.- 547

Попов, Александр Степанович (1859-1905) - русский физик, изобретатель радио. -105, 220, 244, 367, 546

Порог слышимости - наименьшая сила звука, воспринимаемая человеком.- 99

Порошковая металлургия - изготовление металлических деталей из порошков металлов.- 424

Постоянства состава закон: каждое химическое соединение, независимо от того, как оно получено, состоит из одних и тех же химических элементов, соединенных в одних и тех же весовых отношениях.- 377, 544

Потенциал электрического поля - работа, совершаемая полем при перемещении единичного положительного заряда в удаленную точку, где потенциал полагают равным нулю.- 529

Поток плотности энергии - количество энергии, переносимей излучением через единицу площади в единицу времени.- 97, 213, 545, 546

566


Прандтль, Людвиг (1875-1953) - немецкий физик.- 67

Праут, Уильям (1785-1850) - английский врач и химик.- 544

Предельные (насыщенные) углеводороды - 476

Преломление света - изменение направления световых волн, когда они проходят через границу двух сред. -172, 543

Прецессия - движение оси вращения твердого тела, при котором эта ось описывает круговую коническую поверхность.- 34

Пристли, Джозеф (1733-1804) - английский химик и философ.- 544

Пробкотрон - установка, в которой плазма удерживается с помощью магнитных полей особой конфигурации (магнитных пробок). -124, 125

Проводники - вещества, хорошо проводящие электрический ток.- 203, 246, 374, 544

Прометий - искусственно полученный химический элемент № 61.- 285, 541

Промоторы - вещества, усиливающие активность катализатора.- 401

Пропилен - органическое соединение, ненасыщенный углеводород.- 466, 467

Протий - самый легкий изотоп водорода.- 277, 511, 514

Протон - элементарная частица.- 263, 266, 271,

547


Протуберанцы - облака или выбросы светящихся газов над поверхностью Солнца.- 172

Прохоров, Александр Михайлович (р. 1916) - советский физик.- 547

Птолемей, Клавдий (II в. н. э.) - древнегреческий астроном и географ.- 543

Пуассон, Симеон Дени (1781-1840) - французский математик и физик.- 94, 186, 544

Пуд - старинная русская мера веса=16,38 кг. - 531

Пузырьковая камера - прибор для наблюдения траекторий заряженных частиц.- 306

Пьезокварц. - 134

Пьезоэлектрический эффект - появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов, подвергаемых изгибу или сжатию.- 51, 109, 372, 546

Пядь - старинная русская мера длины =19,98см.- 531

Р

Равновесия константа. - 399

Радиации пояс - окружающее Землю пространство, в котором магнитным полем Земли концентрируются заряженные частицы космических излучений.- 57

Радиационная опасность - вредное действие радиоактивных излучений на живой организм.- 57

Радиационная химия - наука о химических превращениях вещества под действием излучения.- 404

Радиационный крекинг - расщепление тяжелых углеводородов или нефти под действием гамма-излучений.- 404

Радий - химический элемент № 88.- 276, 277, 542, 546

Радикалы свободные (химические) - высокоактивные осколки молекул, обладающие свободной, ненасыщенной химической связью.- 347, 351

Радиоактивная вилка - боковое ответвление в цепи превращений радиоактивного семейства.- 285

Радиоактивность - самопроизвольное превращение химического элемента в другой элемент, сопровождающееся испусканием заряженных частиц или излучением электромагнитной энергии.- 274, 344, 546, 547

Радиоактивные семейства - цепочки радиоактивных химических элементов, возникающих последовательно в результате ядерных превращений.- 277

Радиоволна в 21см - «голос водорода» - электромагнитное излучение, испускаемое атомами водорода в межзвездном пространстве.- 350

Радиоволны. - 222, 546, 547

Радиоизотопы - радиоактивные изотопы химических элементов (см. Радиоактивность).- 301

Радиолокация - обнаружение тел и их местоположение по регистрации отраженных ими радиоволн.- 221, 243

Радиорелейная линия связи - автоматически действующая линия связи с промежуточными приемно-передающими радиостанциями.- 224

Радиоспектрометр - прибор для изучения спектров поглощения и излучения радиоволн молекулами.- 385

Радиоспектроскопический метод химического анализа - анализ структуры сложных химических соединений, основанный на способности атомов поглощать радиоволны.- 384

Раздельное осаждение - выделение вещества из раствора в виде осадка.- 379

Разрешенная орбита - орбита электронов, соответствующая стабильному уровню энергии.- 239

Разрывная длина - характеристика прочности материалов на разрывной длине стержня любого сечения из данного материала.- 423, 424

Разрядный шнур плазмы - узкий канал наибольшей ионизации при разрядах молнии или в плазмотронах.- 123

Ракета - летательный аппарат, движущийся под действием силы отдачи, которую создает струя отбрасываемых газов.- 35, 37, 41, 42

Раман, Чандрасекара Венката (р. 1888) - индийский физик. -547

Рамзай, Уильям (1852-1916) - английский химик и физик. -172, 316, 330, 546

Рассеянные элементы - химические элементы, не образующие в природе самостоятельные минералы.- 450

Реактивный двигатель - двигатель, в котором сила тяги создается реакцией массы газа, отбрасываемой из сопла.- 36

Реальные газы. - 139-140

Редкие металлы - встречаются в природе лишь как незначительные примеси в рудах других металлов,- 449

Резерфорд, Эрнест (1871-1937) - знаменитый английский физик.- 276, 280-282, 287, 296, 546, 547

Резонанс - резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний при совпадении собственной частоты колеблющегося тела с частотой действия внешней силы.- 31, 100, 226

Резонансные частицы - элементарные частицы с очень коротким временем жизни.- 269

Релятивистская механика - механика, основанная на законах теории относительности.- 24, 32

Релятивистские эффекты - физические явления, проявляющиеся при скоростях, сравнимых со скоростью света.- 33, 265

Рёмер, Оле (1644-1710) - датский астроном.- 170, 543

Рентген, Вильгельм Конрад (1845-1923) - немецкий физик.- 274, 538, 546

Рентгеновские лучи. - 176, 274, 289, 368, 538, 546

567


Рентгеноструктурный анализ - раздел физики, изучающий строение тел при помощи рентгеновских лучей.- 360

Реомюр, Рене Антуан (1683-1757) - французский естествоиспытатель.- 531

Реомюра шкала - температурная шкала, в которой интервал между точками таяния льда и кипения воды разделен на 80 равных частей.- 531

Ридберг, Иоганн Роберт (1854-1919) - шведский физик.- 178

Ридберга постоянная. - 178, 179

Рихман, Георг Вильгельм (1711-1753) - русский физик.- 544

Романовский, Дмитрий Леонидович (1861-1921) - русский врач.- 494

«Ромашка» - термоэлектрогенератор, работающий на атомной энергии.- 302

Ростовые вещества - вещества, ускоряющие рост растений.- 467

Ротор - вращающаяся часть электрогенератора.- 209

Рубин - драгоценный камень, кристалл корунда, окрашенный благодаря примеси хрома в ярко-красный цвет.- 180, 181

Румкорф, Генрих (1803-1877) - немецкий электротехник.- 220

Румкорфа катушка. - 213, 220

Русское химическое общество - научное общество, созданное в 1863 г. при Петербургском университете.- 309, 313

Рутил - минерал, содержит 60% титана.- 448

Рэлей ( Стретт), Джон Уильям (1842-1949) - знаменитый английский физик.- 315

С

Савар, Феликс (1791-1841) - французский физик.- 205, 545

Сажень - старинная русская мера длины = 2,133 м. - 524, 531

Салициловая кислота - лекарственное вещество.- 495

Сарколизин - противораковый препарат.- 504

Сахароза - углевод, содержится во многих растениях.- 507

Сверхновые звезды - звезды, светимость которых внезапно увеличивается в сотни миллионов раз, а потом медленно спадает.- 294, 351, 368

Сверхпроводимость - полное исчезновение электрического сопротивления металлов, наблюдаемое при сверхнизких температурах.- 118

Сверхтекучесть - свойство жидкого гелия при температуре ниже 2,17°К протекать без трения через узкие капилляры и щели.- 119, 120, 547

Световое давление - механическое давление светового и электромагнитного излучения на тела.- 177, 546

Световой год - астрономическая единица расстояния = 9,61015м. - 525, 530

Свеча - единица силы света в СИ.- 528

Свободная энергия на границе тел. - 413

СГС - система измерений, основными единицами которой приняты сантиметр, грамм-масса и секунда.- 525

СГСЭ - система измерений, аналогичная СГС, но с включением единиц измерения электростатических величин.- 529

Сдвига правило - закон, определяющий изменение химической природы элемента при радиоактивном распаде.- 318, 348

Семенов, Николай Николаевич (р. 1896)- советский физико-химик. - 547

Сенсибилизаторы - вещества, повышающие чувствительность фотопленок и пластинок.- 432

Сервомотор - силовое исполнительное устройство в системе автоматической регулировки машин или механизмов.- 76

СИ - Международная система единиц.- 524, 531

Сиборг, Глен Теодор (р. 1912) - американский физик и химик.- 393, 537, 547

Силоксаны - кремнийорганические соединения, образуют полимерные молекулы, в которых чередуются связи между кремнием и кислородом.- 486

Симметрия (в кристаллографии) - закономерность в расположении граней, ребер и вершин кристалла.- 370

Синдиотактические полимеры. - 479

Синтетические каучуки - искусственно получаемые вещества, по свойствам близкие к природному каучуку.- 466

Синхротрон. - 265

Синхрофазотрон. - 265

Сирена - устройство для получения звуковых колебаний с помощью газовой струи.- 110

Ситаллы - кристаллические стекла.- 365, 422

Складовская-Кюри, Мария (1867-1934) - польский физик и химик, работала во Франции.- 274, 317, 546

Склонение магнитное - угол между магнитным и географическим меридианами. - 198

Скобельцин, Дмитрий Владимирович (р. 1892) - советский физик.- 304

Скорость звука - скорость распространения звуковых волн; в воздухе при нормальных условиях = 330 м/сек.- 94, 95, 545

Скорость света - скорость распространения световых волн; в вакууме = 299 792 км/сек. -33, 170, 171, 212, 547

Смачивание - растекание жидкости по поверхности твердого или жидкого тела.- 413, 414

Смещения закон - закон Вина, определяющий, как изменяется распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела при изменении его температуры.- 192, 546

Содди, Фредерик (1877-1956)-английский химик.- 276, 277, 542, 546

Сократ (469-399 до н. э.)- древнегреческий философ.- 543

Соленоид - см. Индуктивности катушка.

Солнечная постоянная - количество тепла, получаемое от Солнца на границе атмосферы Земли за 1 минуту на 1 см² поверхности, перпендикулярной лучам; равняется примерно 2 калориям (9,37 дж). -168

Солнечный ветер - поток плазмы, непрерывно стекающий с поверхности Солнца.- 367

Сольве, Эрнест (1838-1922) - бельгийский химик.- 545

Солюбилизация. - 419

Сополимер - вещество, образующееся при полимеризации двух или нескольких различных мономеров.- 485

Сопротивление аэродинамическое - сила, возникающая при движении тела в воздухе.- 74

Сорбент - твердое тело или жидкость, поглощающие какое-либо вещество из газа или раствора.- 386

Сорбция - поглощение веществ из растворов или газов твердыми телами или жидкостями.- 386

568


Сохранения импульса закон: полное количество движения системы тел (или одного тела) остается постоянным, если нет действия внешних сил.- 27

Сохранения и превращения энергии закон - энергия замкнутой материальной системы остается постоянной при любых процессах, происходящих в системе, и лишь превращается из одной формы в другую.- 27, 545

Сохранения массы закон - общая масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна общей массе полученных веществ.- 544

Спекание - получение пористых или компактных твердых материалов из порошкообразных или пылевидных.- 424

Спектр - совокупность простых гармонических колебаний, на которые может быть разложено сложное колебательное движение. -171, 233

Спектр поглощения - распределение значений коэффициента поглощения света по частотам.- 174

Спектральный анализ - качественный и количественный анализ состава вещества, основанный на изучении спектров испускания и спектров поглощения этих веществ.- 322, 347, 381, 452, 545

Спектрометр - прибор для измерения оптических спектров.- 175

Спектроскоп - прибор для наблюдения спектров.- 172, 190, 380

Спектрофотометр - прибор для определения силы света в различных участках оптического спектра.- 381

Спектрофотометрия - раздел оптики, изучающий зависимость интенсивности спектральных линий от длины волны.- 381

Спектры атомные - спектры, испускаемые атомами при переходе в состояние с меньшей энергией.- 322

Спектры оптические: сплошной, линейчатый, полосатый.- 171, 174, 178

Спин - собственный механический момент элементарной частицы, обусловленный ее квантовой природой.- 35, 216, 269, 272, 324

Спинтарископ - прибор для подсчета сцинтилляций.- 302

Сплавы металлов. - 442, 443

Спонтанное деление - самопроизвольный распад ядра на два осколка.- 285, 286, 357, 361, 547

Спутник Земли искусственный - устройство, движущееся по замкнутой орбите вокруг Земли по инерции. - 42

Стабилизатор химический - вещество, предотвращающее физические и химические изменения в другом веществе.- 417

Стадия - мера расстояния в древнем мире - от 174,5 до 230,4 м.- 531

Сталь - сплав железа с углеродом (до 2%).- 443, 445, 446

Стартовая масса - сумма массы всех ступеней ракеты.- 37

Стас, Жан Серве (1813-1891) - бельгийский химик.- 545

Статистическая термодинамика - раздел статистической физики, исследующий условия равновесия термодинамических систем. Статистическая физика - раздел физики, изучающий методами теории вероятности свойства тел и систем, состоящих из огромного количества отдельных частиц.- 166, 170, 171

Статор - неподвижная часть электрической машины.- 209

Стевин, Симон (1548-1620) - голландский математик и инженер.- 83

Стеклопластики - пластические материалы, состоящие из синтетических смол и стекловолокон.- 374, 488

Степоверит (стешевит) - минерал, модификация кварца. - 135, 373

Стерадиан - единица измерения телесных углов.- 528

Стильб - единица яркости в СГС = 104 нт. - 530

Стокса сила - сила сопротивления, которую испытывает движущееся твердое тело в вязкой среде.- 214

Столетов, Александр Григорьевич (1839-1896) - русский физик.- 217, 546

Странные частицы - группа элементарных частиц (гипероны и К-мезоны).- 263, 268, 355

Стратостат - воздушный шар, оборудованный для подъема человека в стратосферу.- 65

Стратосфера - часть атмосферы, лежащая между 8-17 км и 40 км над уровнем моря. - 223

Структурная теория - теория химического строения органических веществ, предложенная Бутлеровым.- 460, 474, 545

Сульфамидные препараты - сильно действующие антибактериальные препараты.- 495

Сульфаты - соли серной кислоты.- 431

Сульфидин - лекарственный препарат.- 495

Сульфиды - соли сероводородной кислоты.- 431

Супергетеродинный приемник - радиоприемник, в котором колебания сигнала преобразуются в колебания промежуточной частоты.- 232

Суспензия - система из твердых частиц, взвешенных в жидкой среде.- 417

Сцинтиляционный счетчик - прибор для отсчета заряженных микрочастиц. -303

Сцинтилляция - вспышка света, возникающая при прохождении заряженной частицы через люминофор.- 51, 281, 302

Т

Тамм, Игорь Евгеньевич (р. 1895) - советский физик.- 185, 547

Тембр - особенность звучания голоса или музыкального инструмента, зависящая от обертонов.- 101

Температура плавления - температура перехода вещества из кристаллического состояния в жидкое.- 363

Тепловое движение молекул - беспорядочное движение молекул, лежащее в основе явления теплоты.- 421

Тепловой барьер - предел скорости самолета, при которой прочность материалов, применяемых в самолетостроении, резко падает из-за перегрева от трения воздушной среды.- 68, 447

Теплоемкость - количество тепловой энергии поглощаемой телом при нагревании на 1°Ц. -164

Теплород. - 143, 145

Теплота превращений - количество теплоты, нужное для перехода вещества из одного состояния в другое или освобождающееся при таком переходе.- 164

Теренин, Александр Николаевич (р. 1896) - советский физико-химик. -190

Термистор - полупроводниковый термометр.- 250, 528

Термодинамики законы: термического равновесия.- 150, первый.- 150, второй.- 154-160, третий.- 166

Термопара - устройство для измерения высоких температур.- 257, 258, 528

Термоскоп - устройство для наблюдения разности температур. - 142

Термостат - устройство для поддерживания постоянной температуры.- 387

Термоэлектрогенератор - полупроводниковое устройство, превращающее тепловую энергию непосредственно в электрическую.- 257, 302, 376

569


Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов нагретыми твердыми телами.- 229

Термоядерный процесс - синтез более тяжелых ядер из более легких, происходящих при сверхвысокой температуре.- 122

Тесла, Никола (1856-1943) - югославский электротехник.- 207

Тетрод - четырехэлектродная электронная лампа.- 232

Тефлон. - 481

Технеций - искусственно полученный химический элемент № 43.- 336, 337, 537, 547

Тироксин - гормон щитовидной железы.- 493

Ток насыщения - электрический ток, сила которого не возрастает при увеличении разности потенциалов.- 231

Ток смещения. - 211

Ток электрический -направленное движение электрических зарядов.- 203, 204, 210

Токсофорная группа - группа атомов, ядовитая для определенного вида микробов.- 494

Томсон, Уильям - см. Кельвин.

Тон - звук, обладающий определенной высотой.- 101

Тонна - мера массы = 1000 кг. - 529

Торричелли, Эванджелиста (1698-1647) - итальянский физик и математик. - 543

Точечные дефекты - нарушения правильной структуры кристалла в отдельных узлах.- 373

Транзистор. - 237, 376

Трансурановые элементы - искусственно получаемые химические элементы; в периодической таблице находятся в конце после урана.- 283, 334, 338, 391

Трек - след, оставляемый движущейся микрочастицей.- 266, 302, 360

Тренажер - устройство для тренировки летчика.- 78

Третник - сплав свинца и олова.- 443

Триод - трехэлектродная электронная лампа.- 230, 231, 234

Трипсин - фермент, образующийся в кишечнике.- 509

Тритий - тяжелый радиоактивный изотоп водорода.- 277, 511, 514

Тропический год - временной промежуток между прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия=365,242 суток.- 527

Тропосфера - нижний слой атмосферы, простирающийся до 8-17 км над уровнем моря.- 223

Туаз - старинная французская мера длины=1,97м.- 53

Туполев, Андрей Николаевич (р. 1888) - советский авиаконструктор.- 72, 74

Тяжелая вода - вода, в которой обычный водород заменен его тяжелым изотопом - дейтерием.- 367, 368, 511-515

У

Уатт, Джемс (1736-1819) - английский изобретатель.- 529, 544

Углеводороды. - 456

Углеводы. - 458, 505

Угол атаки - угол между направлением движения самолета и осью профиля в его крыле.- 66

Ударная волна - звуковая волна, возникающая при распространении сжатия в газообразной среде со скоростью, превышающей скорость звука в этой среде.- 67, 68, 100

Удельная нагрузка на крыло - вес самолета, приходящийся на 1 м² поверхности крыла.- 74

Удельный вес - отношение веса тела к его объему; в СИ заменен понятием плотности.- 82

Удельный вес двигателя - вес двигателя, приходящийся на единицу мощности.- 72

Узел - мера скорости движения судов= 1,852 км/час. - 91, 530

УКВ - ультракороткие радиоволны.- 222, 235

Ультразвук - очень короткие звуковые волны с частотами больше 20 кгц. -93, 108

Ультразвуковой дефектоскоп - прибор для обнаружения дефекта в изделии.- 111

Ультрафиолетовые лучи - электромагнитные излучения с длиной волны от 4000 до 20 Å. -176, 367

Умов, Николай Алексеевич (1846-1915) - русский физик и математик.- 97, 213, 545

Униполярная машина - электрическая машина постоянного тока.- 209

Усилитель (в радиотехнике) - устройство, увеличивающее напряжение или мощность подведенных к аппарату электромагнитных колебаний.- 224, 227

Ускорители - установки, в которых элементарным частицам, атомным ядрам и ионам сообщается большая энергия.- 215, 264, 547

Ф

Фабрикант, Валентин Александрович (р. 1907) - советский физик.- 219, 547

Фазотрон. - 265

Фарада - единица электрической емкости в СИ.- 525, 529

Фарадей, Майкл (1791-1867) - английский физик,- 204, 206, 210, 214, 220, 529, 545

Фарадея число - количество электричества, которое, проходя через электролит, выделяет на электродах 1 грамм-эквивалент вещества.- 204

Фаренгейт, Даниель Габриель (1686-1736) - немецкий физик.- 143

Фаренгейта шкала - температурная шкала, в которой интервал между точками таяния льда (32°) и кипения воды (212°) разделен на 180 равных частей.- 531

Фаянс, Казимеж (р. 1887) - польский физико-химик.- 277, 546

Федоров, Евграф Степанович (1853-1919) - русский минералог и кристаллограф.- 546

Фенол - органическое соединение ароматического ряда.- 467

Ферменты - органические катализаторы, действующие в живых организмах.- 261, 458, 491, 506

Ферми, Энрико (1901 -1954) - итальянский физик.- 270, 282, 283, 341,547

Фермий - искусственно полученный химический элемент № 100.- 341, 357, 393

Фермионы (ферми-частицы) - элементарные частицы.- 270

Ферромагнетики - вещества, способные намагничиваться в слабых магнитных полях.- 118, 216

Ферсман, Александр Евгеньевич (1883-1945) - русский минералог и геохимик.- 450

Физо, Ипполит Луи (1819-1896) - французский физик.- 212, 545

Флаттер. - 78

570


Флеминг, Александер (1881-1955) - английский бактериолог.- 547

Флеров, Георгий Николаевич (р. 1913) - советский физик.- 284, 285, 547

Флогистон. - 143, 145, 543

Флотация - метод обогащения руд.- 415

Фокус - точка, в которой собирается прошедший через оптическую систему пучок световых лучей, падающих параллельно главной оси системы.- 172

Фонограф - прибор для записи и воспроизведения звуков. -106

Форсажная камера - полость в реактивном двигателе, в которой дожигается горючее.- 73

Фосфоресценция - см. Люминесценция.

Фот - единица освещенности=104 лк. - 530

Фотон - элементарная частица (квант света). - 177, 191, 267, 268, 272, 323, 353, 546

Фотосинтез. - 20, 261, 390, 404

Фотосопротивление - полупроводниковое устройство для изменения силы тока при помощи света. - 192, 251

Фотосфера - видимый нами слой солнечной атмосферы.- 174

Фотохимия - раздел химии, изучающий химические процессы, протекающие под воздействием световых и ультрафиолетовых излучений.- 403

Фотоэлектрический порог - максимальная длина волны, достаточная для появления фотоэффекта. - 217

Фотоэлектрический эффект. -107, 191, 192, 217, 546

Фотоэлемент - прибор, преобразующий световую энергию в электрический ток. -107, 192, 259

Фотоэмульсионная камера - прибор для исследования траекторий космических частиц, попадающих в слои фотоэмульсии.- 306

Франк, Илья Михайлович (р. 1908) - советский физик.- 185, 547

Франклин, (Бенджамин) Вениамин (1706-1790) - американский ученый и политический деятель.- 202, 544

Фраунгофер, Йозеф (1787-1826) - немецкий физик.- 174, 189, 544

Фраунгоферовы линии - темные линии в спектре Солнца. -174, 189, 544

Френель, Огюстен Жан (1788-1827) - французский физик.- 545.

Фуко, Жан Бернар Леон (1819-1866) - французский физик.- 212, 545

Фультон, Роберт (1765-1815) - американский изобретатель.- 90

Функциональная группа - группа атомов, которые определяют химический характер вещества. - 479

Фунт - старинная мера массы; русский фунт = 409,5г. английский фунт - 453,6г. - 531

Фут - старинная мера длины = 0,3048м. - 206, 531

Х

Хевисайд, Оливер (1850-1925) - английский физик.- 223

Химиотерапия - лечение инфекционных болезней химическими препаратами.- 493

Химическая кинетика - раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций.- 398

Хиназол - бактерицидный препарат.- 463

Хинин - лекарственное вещество.- 460, 494, 547

Хитин - углевод, из которого строится наружный скелет ракообразных и насекомых.- 458

Хлорофилл - зеленый пигмент растений.- 385, 508, 547

Христианович, Сергей Алексеевич (р. 1908) - советский физик. - 67

Хроматограмма. - 386, 387

Хроматографический анализ - химический анализ с помощью хроматографии.- 385-396, 546

Хромосфера - один из слоев атмосферы Солнца.- 174

Хронометр - точные переносные часы.- 527

Ц

Цвет, Михаил Семенович (1872-1919) - русский ботаник и биохимик.- 385, 546

Целлюлоза - см. Клетчатка.

Цельсий, Андерс (1701-1744) - шведский астроном и физик. -114, 143

Цельсия шкала - температурная шкала, в которой интервал между точками таяния льда и кипения воды разбит на 100 градусов. -114, 160, 528

Центнер - мера массы = 100 кг.- 529

Цепная реакция - реакция, в результате которой образуются продукты, вызывающие ее продолжение - 284, 297, 402, 547

Цикл термодинамический - изменение системы, в результате которого она приходит точно в первоначальное состояние. -154

Циклотрон - ускоритель тяжелых заряженных микрочастиц.- 265, 358

Циолковский, Константин Эдуардович (1857-1935) - советский ученый и изобретатель.- 35, 546

Циолковского число - отношение стартовой массы ракеты к ее весу в конце работы двигателя.- 37

Ч

Чай Лунь (II в. н. э.)- китайский ученый.- 543

Чаплыгин, Сергей Алексеевич (1869-1942) - советский физик.- 67

Частота волны - число колебаний в 1 сек. - 93

Частота электромагнитных колебаний - число изменений направления электрического тока в излучателе электромагнитных волн в единицу времени.- 221

Чэдвик, Джемс (р. 1891) - английский физик.- 282, 296, 547

Черенков, Павел Алексеевич (р. 1904) - советский физик. -183-185, 306, 547

Черенкова - Вавилова эффект - электромагнитное излучение, возникающее при движении заряженных частиц со скоростью, превышающей скорость света в данной среде.- 185, 306, 547

Черенкова счетчик - прибор для счета быстрых заряженных микрочастиц, основанный на эффекте Черенкова. -306

Чугун - сплав железа с углеродом (свыше 2%).- 443, 444

Ш

Шееле, Карл Вильгельм (1742-1786) - шведский химик.- 544

Шредингер, Эрвин (1887-1961) - австрийский физик.- 547

Шталь, Георг Эрнест (1660-1734) - немецкий химик и врач. - 543

Штоф - старинная мера жидкости = 1,23 кг. -531

571


Э

Эвклид из Мегары (III в. до и. э.) - древнегреческий математик.- 543

Эдисон, Томас Альва (1847-1931) - американский изобретатель. - 106, 204, 228

Эйлер, Леонард (1707-1783) - швейцарский математик и физик, в 1727-1741 и 1766-1783 гг. работал в России.- 544

Эйнштейн, Альберт (1879-1955) - великий немецкий физик.- 24-32, 170, 171, 216, 218, 287, 341, 546, 547

Эйнштейний - искусственно полученный химический элемент № 99.- 341, 547

Экзотермическая реакция - реакция, протекающая с выделением тепла.- 397

Экспонометр - прибор для определения экспозиции при фото- и киносъемках.- 259

Экстракция - извлечение вещества растворителем из смеси.- 379

Электрическая дуга - см. Вольтова дуга.

Электрическая постоянная вакуума. - 210

Электродвижущая сила (ЭДС) - причина, вызывающая и поддерживающая электрический ток в замкнутой цепи.- 204, 409, 545

Электролиз - разложение растворов или расплавов при прохождении через них постоянного тока.- 204 407, 544, 546

Электролитическая диссоциация - полный или частичный распад растворенных веществ-электролитов (например, солей) на ионы.- 546

Электролиты - растворы или расплавы, способные проводить электрический ток.- 204, 406, 410

Электромагнитное поле - физическое поле, осуществляющее взаимодействие между электрическими зарядами.- 369, 370, 546, 547

Электрон - устойчивая элементарная частица.- 214, 263, 266, 268-272, 353, 368

Электрона заряд. - 546

Электрон-вольт - единица энергии в атомной и ядерной физике; энергия, которую приобретает электрон, проходя через ускоряющую разность потенциалов в 1 вольт =1,6021019 дж. - 122, 529

Электроника - наука об электронных процессах в вакууме и газах.- 214

Электронное облако - совокупность свободных электронов, возникающая между катодом и сеткой триода.- 230

Электроннолучевая трубка - прибор, применяемый в телевизорах.- 237, 238

Электронно-оптический преобразователь - прибор, преобразующий световое изображение в электрическое, а затем электрическое - в видимое.- 192

Электронные полупроводники. - 249, 375

Электронный газ. - 247, 271

Электронный микроскоп - прибор для увеличения изображений с помощью быстрых электронов.- 195

Электроны валентные - электроны на внешней оболочке атома, активно участвующие в химических реакциях.- 247

Электроны свободные - внешние электроны, оторвавшиеся от своих атомов и образующие электронный газ.- 406

Электропроводность - свойство веществ проводить электрический ток.- 375, 442, 443

Электроскоп - прибор для обнаружения электризации тел.- 263

Электростатическое взаимодействие - притяжение и отталкивание электрических зарядов, находящихся на расстоянии друг от друга.- 515

Электрохимия - раздел физической химии, изучающий связь между электрическими и химическими процессами.- 403, 405-412

Элементарная ячейка - 372

Элероны - рули самолета, служащие для выравнивания крена.- 75

Элинвар - сплав железа с никелем, хромом и углеродом.- 443

Эмиттер - один из электродов полупроводникового триода.- 254, 255

Эмиссия катода - испускание катодом электронов - 245

Эмульгирование - превращение веществ в эмульсию.- 418

Эндотермическая реакция - химическая реакция, сопровождающаяся поглощением тепла.- 397

Энергетические уровни в атоме - значения энергии атома в различных состояниях.- 239, 374, 375

Энергия активации - энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы осуществилась химическая реакция.- 399

Энергия связи - энергия, выделяющаяся при образовании атомного ядра из нуклона за счет дефекта массы.- 298

Энтропия. - 160-167, 545

Эпиплазма. - 369

Эрг - единица работы и энергии в СГС=10−7 дж - 530

Эрленмейер, Рихард Август (1825-1909) - немецкий химик-органик.- 460

Эрлих, Пауль (1854-1915) - немецкий бактериолог и биохимик.- 436, 494

Эрстед - единица напряженности магнитного поля.- 529

Эрстед, Ханс Кристиан (1777-1851) - датский физик.- 204, 206, 544

Эталон - образцовая мера, служащая для воспроизводства, хранения и получения единиц измерения с наивысшей точностью.- 525

Эфиры.- 472

Эхо - отражение звуковой или радиоволны.- 95, 110, 543

Эхолот - прибор для автоматического измерения глубины ультразвуковыми волнами. - 110

Ю

Юкава, Хидеки (р. 1907) - японский физик.- 282

Юнг, Томас (1773-1829) - английский физик, врач и астроном.- 544

Я

Яблочков, Павел Николаевич (1847-1894) - русский электротехник.- 204

Ядерная химия - раздел науки, исследующий превращения атомных ядер и свойства атомов, полученных в результате превращений.- 348

Якоби, Борис Семенович (1801-1874) - русский физик.- 204, 545

Ядро атома - положительно заряженная центральная часть атома.- 280, 547

Ярд - английская мера длины = 0,914м. - 531

Яркость - характеристика излучения светящейся поверхности.- 180, 529

572


К ЧИТАТЕЛЯМ

«Счастливого пути вам, путешественники в третье тысячелетие». Этими добрыми и мудрыми словами старого большого ученого открывается первый том вашей энциклопедии. Не забывайте их никогда.

Ведь это вам, наши читатели, предстоит прокладывать путь в светлое будущее - в коммунизм. Будьте же к этому готовы. Желаем вам удачи на трудной дороге.

Мы, все те, кто работал над этим томом Детской энциклопедии, твердо уверены, что среди вас, среди сотен тысяч советских ребят, есть замечательные будущие мастера, талантливые конструкторы, инженеры, даже гениальные ученые. Кем-нибудь из них, наверное, станешь и ты - тот, который держит сейчас в руках эту книгу и читает эти строки. Ведь это только от тебя зависит. Мы и тебе желаем удачи.

Как много интересного ждет вас, как много неведомого вы узнаете, как много невиданного увидите, как много сделаете, изобретете и построите!

Сколько новых загадочных тайн природы вам предстоит открыть! Но имейте в виду, что природа - суровый и безжалостный противник. Свои тайны она без борьбы не отдает. Покорять ее может только сильный. И вы, строители будущего, обязаны стать сильными.

Правда, одной только силой такого могучего противника не одолеть. Нужно еще стать смелым, научиться не испытывать страха перед сложным и трудным, не отступать перед ними. Но и этого мало. Придется, кроме того, стать умелым. Нужно научиться умению применять свою силу. Только тогда можно будет рассчитывать на победу в тяжелой борьбе.

В наше время самая могучая сила в мире - это знание. И вы должны, обязаны много знать.

Некоторым из вас иногда, наверное, кажется, что наука - удел немногих, избранных. Это заблуждение. Уже в наши дни наука становится могучей производительной силой и грань между наукой и производством стирается быстро. Теперь иной раз прибор ученого-физика, например циклотрон, не отличишь от большого завода. А на многих химических заводах уже и теперь важнейшим цехом становятся электронные счетно-решающие машины, с помощью которых рабочие ведут технологический процесс. Так кто же будет работать на заводах и в лабораториях недалекого будущего - рабочие или ученые? А велика ли между ними будет разница? Ведь и тот и другой - каждый в своей области - должны будут очень много знать. Только тогда они смогут успешно работать, где бы и кем бы ни пришлось им трудиться. Знание необходимо всем вам, строителям прекрасного будущего. Оно - ваша сила.

Но помните, знание тоже может быть разным. Можно вызубрить таблицу умножения и не суметь решить простенькую задачку. Можно затвердить все законы Ньютона и стоять в беспомощном недоумении перед простым станком, не понимая, как он работает. Можно знать назубок все законы физики и не уметь рассчитать или починить обмотку электромотора или дома сделать проводку.

573


Только знать - мало. Нужно еще уметь применять свои знания. В этом вам может помочь математика. Помните, что за значками и буквами ее сложных формул стоят великие логические законы, которым подчиняется все, что совершается в мире.

Не бойтесь выводов, уравнений и формул. Преодолейте их кажущуюся сложность. Тогда они всегда будут вашими друзьями и помощниками. Тот, кто научится свободно пользоваться удивительным языком математики, только тот и сможет допрашивать природу, ставить перед ней вопросы о ее тайнах и понимать ее ответы. А ведь в этом и состоит главная задача ученого. Конечно, это очень трудно. Но чем труднее задача, тем она интереснее. Даже и в этой книге не все для вас сразу будет легким и понятным. Придется проявить настойчивость и упорство, снова и снова возвращаться к иным, особенно сложным разделам. Не поняли сразу - прочтите еще раз, в конце концов поймете.

Спасибо великим ученым - разведчикам истины за их героический самоотверженный труд. Для вас они разведали и сделали ясными скрытые и таинственные законы природы. И вам придется потратить немало усилий, чтобы эти законы понять и хорошо усвоить. Это совершенно необходимо, иначе не сможете идти вперед. Новые задачи, которые встанут перед вами, будут очень сложны и трудны. Не бойтесь их. Будьте к ним готовы.

Каждая область знания интересна. Каждая специальность важна и необходима. Каждая работа почетна. Пусть одни решат стать биологами, других увлечет медицина, третьих - искусство. Каждого в жизни влечет свое.

Но кто-нибудь из вас обязательно выберет для себя ту дорогу в жизни, которая, как мы в этом уверены по собственному опыту, гораздо увлекательней и интересней, чем любая другая.

Это - познание вещества, исследование, как и по каким законам оно устроено.

Это - поиск неведомого в глубинах космоса и микромира.

Это - поиск неисчерпаемых источников энергии. Без них не сможет обойтись человек будущего.

Это - создание новых элементов, новых веществ, новых материалов, новых конструкций, новых машин.

Это - стремление, повысить точность измерений, которая расширит границы познания.

Тяжелый повседневный труд ждет вас на этом пути. Он потребует от вас большой самоотверженности, твердости, упорства, увлечения и преданности. Вас ждут горечь и разочарование неизбежных заблуждений и ошибок.

Того, кто сумеет развить у себя зоркий взгляд и умение подмечать великое в малом и неведомое в повседневном, того, кто воспитает в себе смелость в постановке проблемы и достижении решения, каким бы безнадежным оно ни казалось, ждет на этом пути великая радость открытия нового, радость победы.

Из того немногого, что мы смогли вам рассказать в этой книге о том, что сделали в науке о веществе ваши великие предшественники, вы должны понять, какие могучие силы и какие неограниченные возможности вы получили в наследство. Вам открыта дорога в космос. Для вас добыта энергия атома.

От вас зависит, как вы это используете. Великая ответственность за будущее мира лежит на вас. Не забывайте о ней.

Условные обозначения и сокращения

Å - ангстрем

а - ампер

атм - атмосфера

б - бел

в.- век

в - вольт

вв.- века

вт - ватт

г.- год

г - грамм

га - гектар

гц - герц

D - прирост переменной величины

за определенный период

дб - децибел

до н. э.- до нашей эры

g - ускорение силы тяжести

и т. д.- и так далее

и т. п.- и тому подобное

°К - градус по шкале Кельвина

кал - калория

квт - киловатт

кг - килограмм

кгс - килограмм-сила (вес)

кгц - килогерц

ккал - килокалория

км - километр

к. п. д.- коэффициент полезного действия

Л.- Ленинград (в библиографическом указателе)

л. с. - лошадиная сила

М.- Москва (в библиографическом указателе)

М - число Маха, отношение скорости предмета к скорости звука

м - метр

ма - миллиампер

мг - миллиграмм

Мгц - мегагерц

мк - микрон

млн.- миллион

млрд.- миллиард

мм - миллиметр

ммк - миллимикрон

мс - миллисекунда

Мэв - миллион электрон-вольт

н - ньютон

ок. - около

с - скорость света

сек - секунда

СИ - Международная система

единиц измерения

см - сантиметр

т - тонна

т. е.- то есть

тыс.- тысяч

°Ф - градус по шкале Фаренгейта

°Ц - градус по шкале Цельсия

эв - электрон-вольт

ЭДС - электродвижущая сила

° - градус окружности

″ - минута окружности

′ - секунда окружности


Детская Энциклопедия - Список томов
Том 3 Содержание