Страница 4 из 16
Так что говорить о том, что вскоре мы сможем познавать миры, рассылая по Вселенной своих голографических двойников-«фантомов», пока еще рано. Но вообще-то ничего противоречащего законам физики в том нет. Именно так, скажем, предлагает осуществлять изучение космоса известный ученый, бывший космонавт, доктор технических наук К.П. Феоктистов. По его мнению, существующие аппараты годятся для изучения лишь околоземного пространства. А улететь с их помощью к звездам человечеству вряд ли удастся.
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Как взвесить… невидимку?
Оглянитесь вокруг. Дома, автомобили, самолет в небе. По радио объявили о запуске нового космического корабля… Все это и многое, многое другое было б немыслимо, если бы люди не знали, из какого вещества что делать, не умели составлять сплавы с заранее заданными свойствами, не умели анализировать, что у них получается. Причем все чаще примеси в том или ином материале (скажем, в полупроводнике) нужно исчислять с точностью до молекулы. Но как определить, что это за молекула?
Обычно это делают по ее молекулярному весу. Взвешивать же молекулы научились далеко не сразу. История тут длинная. Вот некоторые ее фрагменты…
Даже если бы мы вдруг настолько уменьшились в росте, что могли бы оперировать отдельными молекулами, которые разглядеть можно далеко не во всякий микроскоп, взвесить эти частички вещества оказалось бы не просто. Прежде всего, молекулы мечутся в броуновском движении. Особенно это свойственно молекулам газа. И когда встала задача научиться их взвешивать, к ней долго не могли подступиться.
Вот как справился с этой задачей в 30-х годах XIX века известный немецкий химик Юстус Либих. Он по-своему интерпретировал совет литературного героя — Тартарена из Тараскона.
Если помните, этот литературный родственник барона Мюнхгаузена разработал такой способ ловли львов в африканской пустыне. «Нужно просеять песок, — советовал он. — Когда он весь высыпется, в остатке останется чистый лев».
Поскольку химику приходится иметь дело вовсе не с песком и львами, то Либиху пришлось поломать голову над тем, как осуществить совет Тартарена на практике. И установка для поимки молекул, в конце концов, приобрела такой вид (см. рис.).
В длинную трубку из огнеупорного стекла помещается платиновый тигель с исследуемым веществом и нагревается газовой горелкой. Чтобы вещество лучше горело, в атмосферу трубки добавляют окислитель (чистый кислород), а по соседству размещают катализатор — обычно это окись меди. Далее следует конденсатор или водяной холодильник, в котором вещество, превращенное на горелке в дым, снова становилось жидким или даже твердым. Ну а чтобы разделить и взвесить компоненты дыма, Либих использовал ряд ловушек с веществами-поглотителями.
Предположим, нам пришлось бы анализировать состав воздуха. Тогда воду или водяной пар можно поглотить прокаленным хлористым кальцием (это вещество и по сей день представляет собой самый ходовой в лабораторной практике осушитель). Кислород сгорит. Углекислый газ (двуокись углерода) будет поглощен натронной известью. А в трубке останется чистый азот.
Остается понять, сколько чего было изначально. Для этого Либих взвешивал тот или иной поглотитель до и после реакции на обычных лабораторных или аптекарских весах. И по разнице масс определял количество того или иного газа в смеси. Ничем же не поглощенный азот экспериментатор собирал в отдельной емкости и измерял объем собранного газа.
Схема прибора Свентославского. При кипении раствора в сосуде левый термометр орошается кипящей жидкостью, а правый измеряет температуру паров растворителя. Разность их показаний подставляют в специальную формулу, по которой и вычисляют молекулярную массу исходного вещества.
Говорят, он так поднаторел в своих опытах, что ухитрялся, взяв всего лишь 0,5 г исходного вещества, проводить анализ с точностью 0,3 %, или 0,0015 г.
Впрочем, хотя установку Либиха по сей день используют в лабораторной практике, до взвешивания отдельных молекул еще далеко. Несмотря даже на то, что впоследствии лауреат Нобелевской премии, австриец И. Прегль создал лабораторные микровесы точностью до 1 мг, а сам анализ проводится автоматически, и процентный состав той или иной смеси печатается на бумажной ленте или высвечивается на экране компьютерного дисплея. Тем не менее, первый шаг был сделан!
Более точно удается определять молекулярную массу газов по ее объему. Это стало возможным после того, как в 1811 году итальянский химик А. Авогадро открыл закон, носящий его имя. Согласно ему, «грамм-молекула любого газа занимает при нормальных условиях объем в 22,4 литра».
Обычно в лабораториях при этом используют прибор Свентославского, представляющий собой довольно сложную конструкцию из стекла, обращаться с которой приходится с особой осторожностью. А поскольку далеко не все вещества легко превращаются при нагревании в пар, то для анализа особо тугоплавких веществ используют тот факт, что с повышением содержания примеси температура плавления смеси понижается. Это правило используют и для самой очистки вещества. Стержень из него расплавляют на узком участке, а затем медленно передвигают нагреватель, смещая таким образом зону плавления. И все примеси постепенно смещаются к одному концу стержня.
Такой способ зонной плавки, например, очень выручил создателей первых полупроводников, которым были нужны материалы исключительной чистоты (99,999 %), но и с его помощью отдельную молекулу не взвесить.
Примерно так выглядят на графике диаграммы рассеивания «ядер» — молекул разного удельного веса; сильнее всего отклонятся в магнитном поле наиболее легкие частицы.
Положение не спасло и предложение пойти «от обратного». Некоторые вещества при анализе теперь не расплавляют, а, напротив, замораживают. И замеряют температуру замерзания смеси с помощью, например, термометра Бекмана — длинного лабораторного градусника, устроенного так, что на его шкале отмечены не только десятые, но даже тысячные доли градуса.
При этом известно, что если чистая вода замерзает при 0 °C, то соленая — при более низкой температуре. И чем выше соленость, тем ниже точка замерзания. Таким образом, кстати, удается довольно точно замерять не только соленость, скажем, проб морской воды, но и опреснять ее. Известно, например, что в природе довольно часто ледовые поля Северного Ледовитого океана состоят из пресного льда, с вмороженными в него капсулами особо соленой и потому не замерзшей воды.
Химиков не устраивает лишь то, что для большей точности анализируемую жидкость приходится постепенно охлаждать несколько раз, на что обычно уходит не менее 2–3 часов. Так что ни о какой оперативности анализа не может быть и речи. Да и вещества должно быть никак не менее нескольких сот миллиграммов.
Даже самые умудренные опытом химики были поражены, когда физики предложили им использовать для анализа и взвешивания вещества своего рода… пушку. Но согласились, поняв суть дела.