Покоренная плазма

Как были обнаружены световые позывные плазмы

Оставим пока в покое маленький пузырек газа, оказавшийся в стеклянной трубке у Кавендиша.

Перекочуем из восемнадцатого века в середину девятнадцатого и заглянем в лабораторию профессора химии Роберта Бунзена, который жил в небольшом немецком городе Гейдельберге.

Многие часы проводит профессор около газовой горелки, которую он сам изобрел.

Горелка Бунзена — устройство простое. На подставке стоит металлическая трубка. Снизу по шлангу в нее подается светильный газ, а с боков через два отверстия в средней части поступает воздух. Стоит поднести спичку к верхнему концу трубки, и над ней вспыхнет бледное, почти бесцветное пламя.

Маленькое пламя, но жаркое: температура внутри него равна 2300 градусам — это на полтысячи градусов больше, чем внутри домны.

Бунзен, конечно, не знал, что пламя его газовой горелки — плазма. Не знал он точно и какова температура пламени. Но, погружая в пламя различные металлы и другие вещества, он убеждался, что они испарялись. При этом пары металлов окрашивали пламя горелки в какой-либо цвет. Натрий делал пламя ярко-желтым, калий — фиолетовым, литий — красным, медь — зеленым.

«По цвету пламени можно распознавать вещества!» — решил Бунзен и стал помещать в пламя всё новые и новые пробы. Но вскоре ученый обнаружил, что пользоваться световыми сигналами, полученными им, нельзя. Оказалось, что два разных вещества могли по-одинаковому окрасить пламя. Так, соли лития и соли стронция — обе давали малиново-красный цвет. Кроме того, трудно было отделить световые сигналы веществ, состоящих из нескольких элементов.

Бунзен попал в тупик. И тут на помощь ему пришел другой гейдельбергский профессор — физик Густав Кирхгоф. Он изобрел необычный прибор и сам придумал ему название «спектроскоп».

Через этот прибор и предложил Кирхгоф посмотреть на окрашенное пламя горелки.

Свершилось чудо: сплошное светящееся пламя оказалось разбитым на составные части — отдельные цветные линии. Ученые по очереди смотрели в спектроскоп и каждый раз видели не сплошную полосу света, а светящиеся линии — столбики.

Это были «позывные» веществ, превращенных газовой горелкой в плазму.

Как же смог спектроскоп Кирхгофа выделить их?

Это нетрудно понять, если разобраться в устройстве прибора. На рисунке изображена его схема.

Лучи света попадают в спектроскоп слева через узкую щель. В середине спектроскопа расположена главная его деталь — стеклянная призма, напоминающая формой небольшой клин. Световые лучи беспорядочной толпой ударяются в левую грань призмы, а выходят из призмы в строгом порядке. Если на пути этих вышедших из призмы лучей поставить экран, то на нем красные лучи обязательно будут вверху, ниже их разместятся оранжевые, потом желтые, зеленые, голубые, синие и ниже всех — фиолетовые.

Такая цветовая гамма, называемая сплошным спектром, будет в том случае, если в спектроскоп послать белый дневной свет, который является, как известно, смесью лучей вышеназванных цветов. Каждый из них по-разному преломится призмой, поэтому лучи попадут в разные точки экрана.

Раскаленные пары металлов и других веществ не обладают таким богатством световых лучей. Поэтому они, попав в пламя горелки, окрашивают его в какой-нибудь определенный цвет, а в спектре можно отыскать лишь отдельные цветные линии.

Бунзен и Кирхгоф сразу же обратили внимание на то, что у каждого вещества, помещенного в пламя горелки, в спектроскопе появляются свои линии, занимающие строго определенное место. Натрий дал одну желтую линию, калий — две красные и одну фиолетовую, медь — целое семейство зеленых, желтых и оранжевых линий. Теперь спектроскоп безошибочно распознал, когда светится литий, а когда стронций, хотя они оба окрашивали пламя в малиновый цвет. Спектр лития состоял из одной красной и одной оранжевой линий, а стронция — из одной голубой и нескольких красных, оранжевых и желтых линий.

«Спектральный анализ» — такое название дали ученые методу распознавания веществ, предложенному Бунзеном и Кирхгофом. Сейчас без него не обходится ни одна химическая или физическая лаборатория. Но о применении его в современной науке и технике речь будет идти впереди.

А сейчас я доскажу историю пузырька газа, оставшегося в стеклянной трубке у ученого-чудака Кавендиша. Кавендиш, как мы знаем, не разгадал тайну этого остатка. За него это сделали другие спустя целое столетие.

Английский физик Джон Уильям Релей решил произвести точное взвешивание всех известных ему газов — водорода, кислорода, азота. Сделав эту работу, он обнаружил, что литр азота, добытого из аммиака, на шесть миллиграммов легче литра азота, полученного из воздуха. Опубликовав свои данные и не получив ни одного письма, в котором кто-либо объяснил поведение «воздушного» азота, Релей обратился к своему другу профессору химии Уильяму Рамзаю, но и тот ничем не смог помочь. Однако, вспомнив про опыты Кавендиша, Рамзай высказал предположение, что азот, добытый из воздуха, по-видимому, содержит примесь какого-то неизвестного газа, причем этот газ тяжелее азота.

«Возможно, — говорил он, — пузырек газа, оставшийся в трубке Кавендиша и не поддававшийся воздействию искр, и был этим самым газом».

Эта догадка полностью подтвердилась.

Ученые выделили из азота воздуха остаток газа, который, как и у Кавендиша, никак не хотел окисляться. Он был почти в полтора раза тяжелее, чем азот.

Чтобы объявить об открытии нового вещества или элемента, полагается рассказать про его свойства. Релей и Рамзай стали испытывать открытый ими газ. Что только не делали они, какие «ловушки» не придумывали они для нового газа! Его сжимали, нагревали, целыми сутками через него гоняли электрические искры — ничто не помогало, газ ко всему оставался безучастным.

В отместку ученые назвали открытый ими газ «ленивым». Тогда принято было брать названия из греческого языка, и газ получил название «аргон». В переводе на русский язык это слово и значит «ленивый».

Ученый мир узнал об открытии нового газа, растворенного в воздухе, в 1894 году на съезде английских физиков, химиков и естествоиспытателей, проходившем в старинном городке Оксфорде.

В своем докладе Релей утверждал, что в каждом кубометре воздуха содержится около пятнадцати граммов аргона. В зале, где заседал съезд, было, утверждал ученый, ни много, ни мало — несколько пудов аргона.

Выступление Релея вызвало много споров и недоверие некоторых ученых, но, говорят, «факты — упрямая вещь», и сомневающиеся в конце концов признали правоту Релея и Рамзая.

И опять помогли в этом световые позывные плазмы. Только теперь ученые научились их «извлекать» не из пламени газовой горелки, а из разрядной трубки, через которую пропускали электрический ток.

Разноцветные линии, которые рождала плазма, помогли найти в воздухе и другие «ленивые», или инертные, газы.

Химик Рамзай со своим помощником Трэверсом доказал, что Кавендиш выделил не только аргон, но и другие газы, безразличные к посторонним воздействиям. На первых порах их не заметили, так как они содержатся в воздухе в значительно меньшем количестве, чем аргон. Проведя серию сложных опытов, Рамзай и Трэверс установили, что, кроме аргона, в каждом литре воздуха содержится: неона — 18 кубических миллиметров, гелия — 5, криптона — 1 и ксенона 1/10 кубического миллиметра.

Без спектрального анализа обнаружить эти газы вряд ли удалось бы. Ведь они «равнодушны» ко всему и ничем не выдают своего присутствия в воздухе. Недаром гелий вначале был обнаружен в спектре излучения плазмы солнца и лишь через двадцать семь лет был открыт на Земле.

Все перечисленные выше газы названы инертными вполне справедливо. Они настолько безучастны ко всему, что даже в воздухе существуют в виде атомов-одиночек. Кислород и азот, например, разбиваются на пары, молекулы этих газов каждая состоит из двух объединившихся атомов; для инертных газов слово «молекула» значит одно и то же, что и слово «атом», у них молекулы — это атомы-одиночки.

Лишь превратившись в плазму, инертные газы «соглашаются» выполнять работу — излучать свет и пропускать ток. Эти свойства сейчас широко используются в науке и технике. Газы-бездельники стали газами-работягами. И все это, повторяю, произошло благодаря тому, что плазма оказалась способной рождать цветные линии на экране спектроскопа.

— Подумаешь, — возразят мне некоторые, — раскаленное твердое тело тоже может излучать свет, значит, оно тоже может рождать спектр.

Верно, но спектр спектру рознь. Твердые тела, излучая свет, дают не линейчатый, а сплошной спектр. В нем, как и в спектре солнечного света, можно найти всевозможные цветовые оттенки. Попробуй разберись в этой цветной радуге.

Чтобы получить от вещества настоящие световые позывные — спектральные линии, его нужно превратить в плазму.

Сейчас спектральный анализ оказался надежным помощником в руках ученых. Мы еще поговорим об этом.