Борис Казаков - Превращение элементов

В первом издании «Основ химии» Менделеев писал: «Легко предположить, что атомы простых тел суть сложные существа, образованные сложением некоторых ещё меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами… выставленная мной периодическая зависимость между свойствами и весом, по-видимому, подтверждает такое предчувствие…». Но уже тогда он записал в «Дневнике»: «Следовательно, всё сводится на элементы, всё учение химии состоит в учении о свойствах элементов: цель и задача — превратить один в другой — это будет дальше». Он искал свои «ультиматы» или «предводородные» элементы, полагая, что возможны элементы легче водорода, для чего изучал разреженные газы. Тогда он не получил желаемых результатов.

Такая «непоследовательность» великого учёного смущала не только его современников, но и последующих исследователей. Между тем, если вдуматься, она была вполне в духе времени. Наука о строении веществ напоминала тогда человека, готового принять крайне важное решение, но для этого ему не хватало фактов, а каких — он и сам ещё не знал.

В науке нередко так бывало, что одно замечательное открытие не всегда согласовывалось, а то и шло на первый взгляд вразрез с данными другого, не менее важного. Так и здесь: на торжествующий периодический закон отбрасывало чёрную тень… солнечное вещество — гелий. Его открыли раньше, чем Менделеев сформулировал закон. Сложилась неприятная ситуация: Менделеев не находил гелию места в таблице и не хотел признавать его. Выступая в Лондоне с лекцией о своих работах, Дмитрий Иванович с негодованием отозвался о «воображаемом гелии».

Менделеев никак не отрицал спектрального анализа, наоборот, он даже указывал, что такой-то элемент, вероятнее всего, будет обнаружен с помощью этого метода. Однако когда речь шла об открытии гелия, он говорил следующее: «Опыт ясно показывает изменчивость напряжённости света спектральных линий простых тел при различии температур и давлений, а потому можно думать, что линия гелия принадлежит одному из давно известных простых тел, поставленному в неизвестное для наших опытов состояние температуры, давления и напряжения тяжести». Доводы довольно веские: кто знает, как космические условия влияют на смещение спектральных линий.

В 70-е гг. один из первооткрывателей гелия, Локьер, напечатал статью «О спектрах звёзд и о природе элементов», в которой весьма убедительно предположил, что все элементы — это полимерные состояния водорода (никак не угасает гипотеза Праута: видно, в ней «что-то» есть!). Пришёл он к этому из следующего наблюдения: чем выше температура звезды, тем проще её спектр. Отсюда выводилось, что с понижением температуры из водорода образуются металлы, всё более и более тяжёлые, а затем появляются неметаллические элементы, после чего начинается соединение элементов. Известный французский учёный М.Бертло выступил на дискуссии в Парижской академии наук с критикой этих взглядов Локьера, хотя и признавал, что в космическом пространстве действуют иные силы, результатом чего атомы элементов изменяются не по тем законам, по которым изменяются сложные тела; но возможность превращения одних элементов в другие он не отрицал. В какой-то степени был прав и Менделеев: нельзя безоговорочно полагаться на спектральные линии, полученные от далёких светил. Сам он не дожил до такого подтверждения своей мысли. Лишь в 1927 г. был «закрыт» элемент небулий, после того как физик Боуэн показал, что давно наблюдаемые в спектре туманностей линии N 1и N 2принадлежат не какому-то новому элементу, а давно известному кислороду, находящемуся в совершенно необычных (по земным понятиям) условиях. Условия эти — крайняя степень разреженности и интенсивнейший поток ультрафиолетовых лучей.

Англичанину Джону Релею пришла в голову счастливая мысль — заново определить атомные веса. По всей видимости, родилась эта мысль из подозрения, что прежние вычисления неточны, и из пристрастия Релея к точнейшим измерениям. Он любил говорить: «Физика — это измерение». В 1893 г. он приступил к осуществлению своего замысла, пользуясь новейшими приборами, какими не располагали химики и физики середины столетия. Начал он с точного взвешивания различных газов, самых «ходовых» — водорода, кислорода и азота. В последнем случае учёный столкнулся с неожиданным результатом. Он взвешивал азот, полученный из разных веществ, и вес газа совпадал не всегда. Литр азота, добытого из воздуха, весил 1,2565 грамма, а полученного из аммиака — 1,2507 грамма. Естественно, что учёный прежде всего заподозрил самого себя, с досадой отметив: не чисто проведённый опыт! Проверив всё несколько раз, он получил тот же результат. Что же из этого следует? Поставить под сомнение закон постоянства состава? Тогда рухнет вся химия, несмотря на её блестящие достижения. Релей стал получать азот из разных веществ и взвешивать его. Окись азота, закись азота, азотнокислый аммоний, селитра, мочевина послужили ему сырьём для получения чистого азота. Во всех случаях он получил число 1,2507, лишь литр азота из воздуха весил больше на 6 миллиграммов. Релей послал письмо в лондонский научный журнал «Природа» и сообщил о той аномалии в весе, которую он обнаружил у «воздушного» азота. Письмо содержало обращение к учёным попытаться объяснить эту аномалию.

Никакого даже предположительного ответа на имя Релея от учёных не поступило. Тогда Релей рассказал о своих опытах приятелю, профессору химии Уильяму Рамзаю и предложил совместно поискать объяснение этого шестимиллиграммового привеса. Спорили они долго. Рамзай предположил, что «воздушный» азот утяжелён присутствием какого-то другого неизвестного газа. Стали рыться в книгах и журналах, перечитывать все статьи, где описывались опыты с воздухом, но ничего такого, что хотя бы намекнуло им на разгадку аномального привеса, не обнаружили.

Узнав о затруднениях Релея и Рамзая, физик Дж. Дьюар порекомендовал им обратить внимание на работы жившего за столетие до них химика Генри Кавендиша. Того самого затворника Кавендиша, о котором говорили, что он самый учёный из богатых и самый богатый из учёных. Того самого Кавендиша, который никогда не торопился публиковать свои работы, и они стали известны благодаря Максвеллу много и много позже, когда самого Кавендиша давно не было в живых. Максвелл, ознакомившись с работами Кавендиша, нашёл, что многие из них содержат ценнейшие сведения (а автор считал их малозначительными!) и организовал их публикацию.

У Рамзая была такая книга, и, просматривая её после рекомендации Дьюара, он натолкнулся на свою же карандашную пометку: «обратить внимание». В лабораторном журнале Кавендиша описывалось, как он с помощью электрической искры (на машине со стеклянным кругом) соединил в некотором объёме весь азот воздуха с кислородом и удалил образовавшиеся окислы, но с крохотным пузырьком газа так ничего поделать не мог. Этот остаток никак не хотел вступать в соединение. Релей и Рамзай решили проверить каждый у себя в лаборатории, не есть ли этот пузырёк в действительности не азот, а примесь какого-то неизвестного газа. Они договорились не выходить из лаборатории, пока не придут к тому или иному решению. Но оставаться без взаимной информации о ходе работ было выше их сил, и они ежедневно обменивались письмами, посланными с нарочными.