Превращение элементов - Борис Казаков

Думается, что наблюдения Уолластона были неизвестны Фраунгоферу, и появление чёрных линий в спектре было для него полной неожиданностью. Мюнхенский мастер показывал свои опыты очень многим светилам научного мира, но объяснить появление чёрных линий в солнечном спектре никто тогда не мог. Так и умер этот замечательный экспериментатор, оставив после себя жгучую загадку «фраунгоферовых линий». Не одно десятилетие потом она привлекала внимание учёных. Разгадать её выпало на долю Роберта Бунзена и Густава Кирхгофа.

Когда в 1854 г. в Гейдельберге был построен газовый завод, Бунзен позаботился о подводке газа в свою лабораторию. Но поскольку существующие горелки не удовлетворили его, он сконструировал свою, ту самую, какой мы пользуемся и в наши дни. Пламя её не коптило, легко регулировалось и было почти бесцветным.

Бунзен был не только большим учёным, но и прекрасным стеклодувом, он сам изготовлял необходимые для научной работы стеклянные приборы самой причудливой формы. Не раз он замечал, что при внесении стеклянной трубки в пламя цвет последнего резко менялся. Иногда в плохо отрегулированной горелке пламя проскакивало внутрь трубки и окрашивалось в красивый зеленый цвет. За два десятилетия до Бунзена один из пионеров фотографии английский учёный Талбот в пламя спиртовой горелки вводил соли разных металлов и наблюдал, как пламя окрашивается в разные цвета. Талбот натренировался отличать малиновую окраску, полученную введением в пламя солей лития, от малиновой же, вызванной солями стронция. Подобно Уолластону, Талбот не пошёл дальше в изучении этого явления, так как занимался фотопроцессом. Ведь это именно ему мы обязаны открытием закрепителя фотоизображения — гипосульфита.

Бунзен знал об опытах Талбота. Знал также, что некоторые химики пытались установить состав вещества по окраске пламени, но из этого ничего тогда не вышло. У Бунзена было некоторое преимущество перед предшественниками: его горелка давала практически бесцветное пламя. Поэтому ему не составляло труда установить, что соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет, калия — в фиолетовый, стронция — в малиновый и т. д. Однако затруднение выявилось сразу из-за того, что некоторые элементы вызывали сходную окраску пламени, причём светофильтры не очень помогали. Ещё более сложно было узнать состав вещества, если в него входило несколько металлов. Всеми своими сомнениями по этому поводу Бунзен поделился со своим другом Кирхгофом. После некоторого размышления тот сказал, что на его месте он как физик поступил бы иначе: изучал бы не цвет пламени, а получаемый от него спектр. С этого и началась их совместная, можно сказать, лихорадочная работа.

Из сигарного ящика, обклеенного внутри чёрной бумагой, призм и двух старых подзорных труб Кирхгоф смастерил прибор, через который друзья стали изучать спектры пламени, окрашенного солями различных металлов. Натриевое пламя, например, давало две жёлтые линии на чёрном фоне на вполне определённом месте. Соли калия — одну линию фиолетовую и одну красную. Различить, что находится в пламени — литий или стронций уже не составляло труда: в первом случае появилась одна ярко-красная линия и менее заметная оранжевая, во втором же — ярко-голубая и несколько ярко-красных. Главное же было в том, что их местоположение не совпадало, спутать было невозможно.

Опираясь на эксперименты Онгстрема, изучавшего спектры электрических разрядов в различной газовой среде, учёные пришли к выводу, что цветные линии в спектре дают не сами металлы, а пары этих металлов, образующиеся в пламени горелки.

Усовершенствовав свой прибор, Бунзен и Кирхгоф вооружили химиков новым и очень тонким методом количественного анализа. Достаточно сказать, что натрий новым методом можно было зарегистрировать даже в том случае, если его содержание составляло всего лишь трёхмиллионную долю миллиграмма.

Друзья увлеклись поисками элементов в различных объектах. Считавшийся тогда редким металлом литий они обнаружили в гранитах, в солёной воде Атлантического океана и табаке, молоке и мышечной ткани, крови и винограде.

Кажется, с цветными линиями спектра теперь всё ясно. Оставалось узнать, откуда берутся «фраунгоферовы линии». Был поставлен следующий опыт. Через щель спектроскопа пропустили ослабленные матовым стеклом солнечные лучи и на их пути поместили пламя горелки, окрашенное парами натрия. Спектры наложились один на другой, и на месте «фраунгоферовой линии» светилась жёлтая линия натрия. Когда матовое стекло убрали и солнечный световой поток резко усилился, то в спектре жёлтая линия натрия исчезла и вместо неё появилась жирная чёрная линия.

Кирхгоф не удивился бы, если бы жёлтая линия побледнела, но она исчезла совершенно. Образовался какой-то провал в спектре. Но почему? И Кирхгоф решил прибегнуть к так называемому «искусственному солнцу» — друммондову свету. Получается он накаливанием извести в кислородно-водородном пламени. Ослепительно белый друммондов свет, пропущенный через щель, дал непрерывный, ровный спектр без всяких чёрных линий. Тогда Кирхгоф направил лучи в щель через пламя горелки, окрашенное парами натрия. «Фраунгоферова линия» выступила с предельной чёткостью в той части спектра, где до этого светилась жёлтая линия. Кирхгоф получил искусственную «фраунгоферову линию» и понял: жёлтые лучи натриевого пламени и жёлтые лучи, входящие в состав друммондова света, сложившись, дали чёрную линию. Очень важное открытие! Оно навело на мысль, что таким путём можно исследовать состав околосолнечной атмосферы и, стало быть, самого Солнца. Бунзен и Кирхгоф стали искать на Солнце известные им элементы и находили. Своими сообщениями в Берлинскую академию наук они буквально потрясли учёных всего мира.

Правда, исследованиями солнечного спектра занимался больше Кирхгоф, а Бунзена влекли земные дела. Он, в частности, загорелся мечтой с помощью спектрального метода найти на Земле неизвестный элемент. Что только он не пробовал, но всегда обнаруживал уже известное.

Так он добрался до минеральной воды Дюркгеймских источников. Он упарил её, сгустил и обнаружил всё те же натрий, калий, кальций, литий, стронций.

Бунзен — прекрасный химик с острым аналитическим умом. Рассудил он так: очевидно, присутствие в дюркгеймской воде больших количеств известных веществ мешает обнаружить новое — они его просто «подавляют», затмевают. Надо от них во что бы то ни стало освободиться. Как только это ему удалось сделать, вознаграждение пришло незамедлительно: новый элемент просигналил о себе двумя голубыми линиями в спектре.

Бунзен понимал, что если не сумеет выделить элемент в чистом виде, чтобы показать коллегам, в небесно-голубые линии никто из них не поверит. Но в воде Дюркгеймских источников его ничтожно мало, поэтому в лабораторных условиях эту задачу решить практически невозможно.

Тогда Бунзен поступил как технолог, благо он хорошо знал химическую технологию: в молодые годы он спускался в угольные шахты, бывал на металлургических, химических предприятиях, знал сахарное производство. Недалеко от Гейдельберга располагался содовый завод, и учёный обратился к нему за помощью. За несколько недель по просьбе Бунзена в огромных котлах и резервуарах для него упарили 44 тысячи литров дюркгеймской воды. После переработки остатка Бунзен выделил семь граммов нового металла и назвал его цезием, что означает небесно-голубой (по цвету линии в спектре). Триумф учёного этим ещё не завершился. Когда были отделены посторонние металлы, Бунзен вдруг обнаружил совершенно новые линии в спектре, среди которых особенно отчётливо выступали тёмно-красные. Это был ещё один элемент. Бунзен назвал его рубидием — также по цвету спектральных линий. Из раствора его удалось выделить даже больше, чем цезия, — десять граммов.

Вклад Бунзена в науку поистине велик. В разработанный им совместно с Кирхгофом метод спектрального анализа нельзя было не поверить, ибо он давал очень надёжные результаты. На основе своего же метода, с помощью несложного прибора — спектроскопа Бунзен открыл два неизвестных ранее элемента — металлы рубидий и цезий.

Современники Бунзена и Кирхгофа по достоинству оценили метод спектрального анализа, поняв, какие перспективы он перед ними открывает.

Вслед за Бунзеном успеха добился лондонский химик Уильям Крукс.

Уже в 1861 г., изучая огарки серного колчедана, остающиеся в производстве серной кислоты, Крукс подверг их спектральному анализу и обнаружил новую ярко-зелёную линию. Элемент, сигнализирующий о себе зелёной полосой в спектре, Крукс окрестил таллием (таллос по-гречески — "зелёная ветвь").

Такую же работу проделал бельгийский учёный Клод Огюст Лами. Он также обнаружил новый металл по спектру в огарках серного колчедана, но этим не ограничился, а выделил его и получил химическое соединение, поэтому открытие таллия до сего времени значится за именами двух этих учёных.