Покоренная плазма

Глава IV Подвиги ученых и плазма

Случилось это много лет назад, в начале прошлого века. Уже была открыта электрическая дуга Василия Петрова, уже ученые умели получать некоторые электрические разряды и были сделаны первые шаги в их изучении. Однако никто не знал еще, какие процессы происходят внутри светящегося газа, какие законы заставляют его так резко менять свои свойства, когда к электродам подводят высокое напряжение и газ начинает светиться.

Не было и слова «плазма» для обозначения четвертого состояния вещества.

И несмотря на все это, плазма уже тогда начала приносить пользу.

Здесь я расскажу о том, как маленькая искорка помогла английскому ученому Майклу Фарадею открыть важный закон физики.

Сын кузнеца, Майкл Фарадей с двенадцати лет начал зарабатывать себе на хлеб в переплетной мастерской. Здесь он все свободное время отдает чтению книг, которые приходилось переплетать. Фарадей посещает общедоступные лекции по физике и химии и наконец пишет письмо знаменитому химику сэру Гемпфри Дэви. К письму он прикладывает записанный и переплетенный конспект лекций.

Это произвело впечатление на маститого ученого, и Майкл Фарадей становится его помощником. Попав в научную лабораторию, Фарадей, кроме подметания полов и мытья посуды, участвует в опытах ученого, а вскоре начинает проводить их самостоятельно.

Блестящие способности Майкла Фарадея, упорство в достижении намеченной цели, ясность научного мышления позволили Фарадею, не получившему специального образования, стать крупным ученым своего времени. Мировую славу Фарадею принесли его опыты по изучению электрических и магнитных явлений.

В 1822 году Фарадей поставил смелую задачу, которую он сформулировал так: «Превратить в магнетизм электричество». Эту задачу ученый блестяще решает, поставив свой знаменитый опыт.

Повторим опыт Фарадея. Возьмем связку пластин от старого трансформатора и намотаем на этот пакет несколько десятков витков провода в изоляции. Закрепив концы этой первичной обмотки, намотаем поверх нее еще одну обмотку, но витков положим в десять раз больше. Теперь соберем схему, изображенную на рисунке (стр. 50).

В цепь аккумуляторной батареи входит амперметр, первичная обмотка и рубильник.

Последовательно с большой, вторичной обмоткой присоединен миллиамперметр с реостатом, служащим для предохранения прибора от перегрузки.

Здесь все, как в опыте Фарадея, если не считать того, что мы применили современный источник тока и приборы и намотали обмотки не на железном кольце, как Фарадей, а на пакете трансформаторных пластин.

Фарадей, ставя этот опыт, хотел доказать единство электрических и магнитных сил. Сотни раз переделывал он схему, но ничего не получалось.

Он видел, что в момент включения рубильника между его контактами проскакивала маленькая, еле заметная искорка. Стрелка амперметра отклонялась от нулевого положения, показывая потребление тока первичной обмотки. Стрелка же второго прибора была неподвижна, как бы пристально ни смотрел на нее ученый.

И вот однажды, замыкая рубильник, Фарадей случайно взглянул на миллиамперметр. В момент замыкания стрелка его чуть-чуть отклонялась вправо и затем снова возвращалась на нуль. То же самое происходило и при размыкании рубильника.

Это было замечательное открытие. Существование электромагнитной индукции было доказано.

Сейчас каждый, кто окончил восемь классов, знает, в чем состоит суть открытого Фарадеем явления. Поэтому я расскажу о нем коротко.

Еще до Фарадея датский ученый Эрстед установил, что как только в проводнике возникает ток, вокруг проводника образуются магнитные силы, появляется магнитное поле. В этом легко убедиться: поднесите к проводу с током магнитную стрелку; она тотчас займет положение, перпендикулярное проводнику, — вдоль магнитных силовых линий.

Но никто тогда не знал и не мог доказать, что магнитное поле может рождать ток; иными словами, наука ничего не знала о единстве электрических и магнитных явлений.

Если бы не искорка, проскакивающая в рубильнике, то и Фарадей вряд ли смог бы доказать это.

Дело в том, что в то время ученые имели в своем распоряжении только постоянный ток. Источники переменного тока изобретены еще не были, а для того чтобы во вторичной обмотке возникал ток, в первичной должен быть ток не постоянный по величине, а переменный.

Искорка в рубильнике помогла выйти из затруднения.

При замыкании рубильника ток в цепи первичной обмотки достигал максимума в течение какого-то небольшого отрезка времени. Магнитные силовые линии появлялись вокруг витков первичной обмотки тоже постепенно.

Они расходились в стороны подобно тому, как расходятся круги на воде, когда в нее бросают камень. Пересекая витки вторичной обмотки, эти магнитные силовые линии заставляли свободные электроны двигаться в одну сторону, иными словами, во вторичной цепи возникал ток. Когда же ток в первичной обмотке достигал предела, становясь обычным постоянным током, магнитное поле «замирало», движения магнитных силовых линий не было, и ток во вторичной цепи прекращался.

При размыкании рубильника эффект был тот же, только теперь ток возникал от пересечения «сжимающимися» магнитными линиями.

Если бы Фарадей вместо рубильника поставил, скажем, реостат и, выводя его — уменьшая сопротивление, получал бы в первичной обмотке тот же самый ток, явления электромагнитной индукции он бы не заметил. Маленькая искорка в рубильнике «включала» ток быстро, толчком, и это позволило на миг создавать меняющееся магнитное поле — необходимое условие для проявления электромагнитной индукции.

Так небольшой кусочек плазмы — искра в рубильнике — позволил сделать Майклу Фарадею открытие мирового значения.

Фарадей немало сделал для изучения самих электрических разрядов в газе. Много времени и сил уделил он изучению искрового разряда. Он обнаружил, например, что первая искра проскакивает между электродами при более высоком напряжении, чем вторая, третья, четвертая…

Во времена Фарадея трудно было объяснить этот факт. Сейчас сделать это легко: первая искра сильно ионизирует газ в разрядном промежутке. После нее заряды еще продолжают «жить» нередко в течение нескольких минут; они-то и облегчают следующий искровой пробой.

Чутье Фарадея-ученого подсказывало ему, что электрическим разрядам в газах принадлежит замечательное будущее. Он так и писал: «…Результаты, связанные с различными явлениями положительного и отрицательного разряда, повлияют на теорию электричества сильнее, чем мы теперь думаем…»

А теперь вернемся с английских островов снова на континент.

Мы в лаборатории немецкого физика Генриха Герца. 1888 год. Герц, не зная усталости, настойчиво изучает электромагнитные явления. Ученый поставил перед собой трудную задачу: на опыте подтвердить положения «Трактата об электричестве и магнетизме», изданного пятнадцатью годами раньше английским физиком Максвеллом.

Джемс Максвелл был необыкновенным ученым. Он не работал в лаборатории, не строил «громовых машин», гальванических батарей, не придумывал опытов, чтобы выманить у природы новые тайны.

Максвелл был ученым-теоретиком. Бумага и перо и, конечно, необыкновенная одаренность и знания — вот его оружие.

Едва Джемсу исполнилось пятнадцать лет, он уже выполнил первую научную работу, «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами» — так называлась эта работа. В восемнадцать лет Максвелл был уже вполне сложившимся ученым. Его блестящие выводы, облеченные в безукоризненно четкую математическую форму, поражали всех. Он доказывает, разумеется, по-прежнему с пером и бумагой, что кольца планеты Сатурн, наблюдаемые в телескопы, не сплошные твердые или жидкие массы, а рой метеоритов-спутников.

Но больше всего прославили Максвелла его работы по электричеству. Опираясь на фундамент опытов Фарадея, Томсона и других ученых, он доказал, что любой проводник с переменным током обязательно должен излучать в пространство электромагнитные волны. Эти волны, говорил Максвелл, распространяются с колоссальной скоростью в триста тысяч километров в секунду и представляют собой совокупность электрических и магнитных сил, точнее полей, взаимозависимых и взаимообусловленных. Ученый смело заявлял, что свет также имеет электромагнитную природу.

Если для света есть прозрачные и непрозрачные тела, говорил Максвелл, то и электромагнитные волны через одни тела — дерево, кирпич, фарфор — проходят беспрепятственно, а другими телами, например металлами, отражаются и поглощаются. Максвелл утверждал, что электромагнитные волны обладают энергией.

Свои смелые выводы ученый преподнес в виде стройной системы математических уравнений. Сейчас ими пользуется почти всякий физик; современники же Максвелла встретили его теорию с большим недоверием.

Но Генрих Герц верит Максвеллу и ставит перед собой задачу доказать теорию Максвелла на практике.

После долгих и настойчивых поисков был создан знаменитый вибратор Герца — генератор, излучающий в пространство радиоволны.

По своему устройству прибор этот несложен. Два металлических шара соединены проволокой. В середине проволока разорвана, и в месте разрыва на концы отрезков проволоки насажены два, тоже металлических, шарика. К шарикам через выключатель присоединена электрическая батарея высокого напряжения.

Как в опыте Фарадея «присутствовала» искра, так и в вибраторе Герца без нее обойтись было нельзя. Но если у Фарадея искра была только «свидетельницей», а «стержнем» опыта являлось пересечение магнитными линиями витков вторичной обмотки, то у Герца в искре была заключена вся суть получения, или генерирования, радиоволн.

В чем же заключалась эта основа опыта?

Замкнем рубильник. Между маленькими шариками проскочит искра, потом вторая, третья. Система больших шаров не останется безучастной к этим искрам, она тотчас отзовется на них.

Под воздействием электрического «удара» возникшей искры свободные электроны шаров и соединяющей их проволоки начнут колебаться подобно тому, как колеблется камертон, издавая определенный звук, если по нему ударить молоточком. Только частота колебаний электронов в тысячи раз больше частоты звучания камертона.

Посмотрите на качели. Взлетая вверх и стремительно падая вниз, качели все время имеют меняющуюся скорость движения. Так и электроны в вибраторе Герца. Их общие согласованные колебания, представляющие собой, в сущности, переменный ток, тоже есть не что иное, как «качели», только электронные.

Еще из рассмотренного нами опыта Фарадея мы уяснили, что изменяющийся по величине ток вызывает отпочкование магнитных силовых линий. В вибраторе Герца картина значительно сложнее: здесь «отпочковываются», бегут в пространство не только магнитные, но и электрические силовые линии, они взаимно перпендикулярны и составляют одно целое.

Посмотрите еще раз на вибратор Герца. Если мы силой своего воображения остановим на мгновение бег электромагнитных волн и «проявим» их, сделаем видимыми, то окажется, что магнитные линии «нанизаны» на провод, соединяющий шары, и расположены они перпендикулярно плоскости чертежа, а электрические охватывают большие шары, располагаясь перпендикулярно магнитным линиям, то есть в плоскости чертежа.

Итак, вибратор Герца — это электронный маятник. Обращали вы внимание на стенные часы? Если часы имеют длинный маятник, то колебания его более редкие, чем у часов с коротким маятником. В вибраторе Герца частота колебаний электронов тоже зависит от расстояния между большими шарами: чем больше это расстояние, тем меньше колебаний в каждую секунду успевают совершить электроны. А от этого зависит длина волны — тот путь, который проходит волна за один цикл, за один период колебаний электронов.

Генрих Герц, создавший свой вибратор более семидесяти лет назад, получал радиоволны длиной от шестидесяти сантиметров до десяти метров. Это ультракороткие радиоволны.

Могут спросить: «А как Герц обнаружил электромагнитные волны, излучаемые вибратором? Увидеть их нельзя, а радиоприемник в то время еще изобретен не был!»

Герц нашел выход. Он установил недалеко от вибратора другое несложное устройство — резонатор. Это металлический разорванный обруч с разрядными электродами. Когда обруч пересекали электромагнитные волны, в нем возникало движение электронов и между электродами проскакивала слабенькая, еле заметная искорка. Нет радиоволн — резонатор не искрит, не отзывается, появились радиоволны — резонатор тотчас отметит это.

Хотя Герцу удалось обнаружить электромагнитные волны на расстоянии не более трех метров, теория Максвелла в этих опытах нашла блестящее подтверждение.

Значение искры — этого кусочка плазмы — трудно переоценить. В опытах Герца она служила и для возбуждения радиоволн, и для их обнаружения! Не обладай газ способностью превращаться в плазму, кто знает, сколько времени потребовалось бы науке для открытия радиоволн!

Но открытие Герца — это еще не изобретение радио. В его аппарате не хватает таких существенных элементов, без которых радиосвязь немыслима.

Да и сам Герц утверждал, что его опыт лишь подтверждение теории Максвелла. Для практических целей, заявлял ученый, электромагнитные волны использовать нельзя. Они принадлежат, так сказать, чистой науке.

Но Генрих Герц заблуждался.

В другой стране, в России, вскоре после открытия Герца радиоволны были поставлены на службу человеку.

Имя Александра Степановича Попова — замечательного русского ученого и изобретателя знает весь мир. Человечество благодарно ему за то, что он изобрел радио — незаменимое средство для передачи на далекие расстояния радиосигналов и человеческой речи, музыки и изображений.

Вам, наверное, известна биография этого ученого. Родился он в поселке Турьинские Рудники на Северном Урале (сейчас это город Краснотурьинск). Несмотря на то что отец-священник хотел сделать его духовным лицом, Попов по окончании общеобразовательных классов Пермской семинарии уехал в Петербург и поступил на физико-математический факультет университета. Профессора университета сразу обратили внимание на блестящие способности молодого студента и нередко позволяли ему исполнять обязанности ассистента на своих лекциях.

Окончив Петербургский университет, А. С. Попов становится преподавателем физики в Кронштадтском минном офицерском классе и в минной школе. Здесь был один из лучших в Европе физический кабинет. Все новое, чего достигла в то время физика, демонстрировалось там с помощью всевозможных приборов.

Попов имел блестящую теоретическую подготовку и вместе с тем был непревзойденным экспериментатором. Своими руками он сделал десятки физических приборов, продуманных до мельчайших деталей.

Уже на следующий год после опытов Герца он демонстрировал их у себя в Кронштадте. Но, в отличие от Герца, Попов во всяком физическом явлении старался найти какое-либо практическое приложение. Демонстрируя электромагнитные волны, он высказал пророческою мысль, что их можно использовать для беспроволочной связи.

Шесть лет шел ученый к намеченной цели. Наконец 7 мая 1895 года русский ученый отдал на службу людям свое детище — радио. В этот день он выступил перед крупнейшими учеными Петербурга с докладом, в котором сообщил о созданном им первом в мире радиоприемнике.

День 7 мая 1895 года стал днем рождения радио и сейчас отмечается как праздник не только у нас, но и за рубежом.

Первым «корреспондентом» Александра Степановича была плазма. Да, плазма, создаваемая природой во время гроз и названная людьми молнией.

Мы уже знаем, что искровой разряд рождает электромагнитные волны, а так как к моменту изобретения радио мощных генераторов радиоволн не было, Попов использовал природный «генератор» — грозовые разряды. Поэтому и свой прибор он назвал грозоотметчиком.

Я не буду подробно останавливаться на схеме радиоприемника Попова, она проста и многим известна. Приемник состоял всего из четырех «узлов»: электрического звонка, реле, антенны и когерера. Три первых предмета хорошо известны каждому из нас. Нужно только заметить, что изобретение антенны принадлежит Попову и в этом одна из главных его заслуг, без антенны невозможно ни передавать, ни принимать радиосигналы.

Незнакомым для вас устройством является лишь когерер. Что это такое?

Если насыпать в стеклянную трубочку мелких железных опилок, вывести с двух сторон провода, — получим когерер. Попов присоединил к когереру длинный провод — антенну. Грозовой разряд возбуждал в антенне переменные токи, между крупинками железа в когерере проскакивали микроскопические искорки (снова плазма) и спекали их. В результате сопротивление столбика железных опилок резко падало и реле включало звонок. Трель звонка предупреждала о приближении грозы, «отмечала грозу».

По тем временам грозоотметчик Попова был совершенным прибором. В течение многих лет он добросовестно работал на метеорологической обсерватории Лесного института.

Александр Степанович Попов был дальнозорким ученым. Изобретение грозоотметчика для него являлось лишь ступенью в достижении главной цели — создании аппарата для обмена телеграфными сигналами с помощью радиоволн.

Понимая, что для его приемника безразлично, какие принимать радиоволны — рожденные ли молнией или полученные искусственно, — Попов решил в радиопередатчике применить электрическую искру.

Посмотрите на схему искрового передатчика, сконструированного ученым в 1895 году. Если вы не забыли об опыте Фарадея, то легко поймете, как работает этот радиопередатчик.

При нажатии ключа «К» во вторичной обмотке возникает напряжение. Эта вторичная обмотка имеет очень много витков по сравнению с первичной, поэтому и напряжение, возникшее на ней, будет очень высоким. Между шарами разрядника проскакивает искра. А так как к одному из шаров подключена антенна, она немедленно пошлет «порцию» радиоволн.

Благодаря антенне «дальнобойность» генератора радиоволн увеличивается в сотни и тысячи раз. Герц, как мы знаем, не мог обнаружить радиоволны дальше трех метров от своего вибратора; Попов же первую в мире радиосвязь — это было 24 марта 1896 года — установил на расстоянии 250 метров. В том же году им был преодолен пятикилометровый рубеж, а в 1899 году радиоволны успешно «освоили» дистанцию лыжного марафона — пятьдесят километров. Кстати, эта дистанция была первой в мире практической линией радиосвязи. Она была установлена между островом Гогланд и Коткой в Балтийском море. Там благодаря помощи радио был спасен броненосец «Генерал-адмирал Апраксин», севший у острова Гогланд на камни.

Попов был энтузиастом своего дела. Работа, проделанная им, огромна. Он разработал радиотелеграфную аппаратуру для морского флота, создал первые полевые радиостанции для пехотных частей, предложил использовать радиоволны для целей радиолокации и передачи «живой» человеческой речи.

И во всех радиоустройствах Попова неутомимо работала искра — плазма, прирученная ученым. Она работала еще долго и после смерти ученого, пока не была заменена радиоламповой аппаратурой.

Но, может быть, теперь значение плазмы в радиосвязи сошло на нет?

Ничего подобного! Плазма по-прежнему помогает людям вести разговор по радио.

Знаете, как осуществляется радиосвязь на коротких волнах, например, между Москвой и Владивостоком?

Вдоль Земли короткие волны распространяются недалеко, и это люди знают. Поэтому для связи используется так называемый отраженный луч.

Радиоволны, вырвавшись из антенны, под углом устремляются в небо, но очень далеко не уходят. На своем пути они встречают ионосферу, которая есть не что иное, как плазма. Ионосфера, как зеркало, отражает волны, посылает их снова на Землю. Радиоволны снова встречаются с Землей уже на расстоянии тысяч километров от того места, где стоит передатчик. Антенна приемника «ловит» отраженный радиолуч, который несет с собой сигналы азбуки Морзе, музыку, человеческую речь.

Недавно использован для радиосвязи еще один вид плазмы.

Видели вы, как ночью «падают» звезды? Теперь всякий знает, что это не звезды, а метеоры — твердые космические тела, врывающиеся в атмосферу Земли. Ежедневно тысячи таких метеоров «бомбят» атмосферу и сгорают в ней. Сгоревший метеор — это облачко плазмы.

Радиопередатчики небольшой мощности, спаренные с приемниками, нацеливаются на определенный участок неба и, когда там появляется и сгорает метеор, производят быстрый радиообмен. Исчезнет одно облачко плазмы — ждут, когда появится новое. Аппаратура работает автоматически, без вмешательства человека.

Эти примеры говорят о том, что эстафету использования плазмы для нужд радио, которую первым поднял Александр Степанович Попов, современная наука успешно продолжает нести.

Когда я рылся в каталогах Библиотеки имени В. И. Ленина, безуспешно пытаясь найти хотя бы одну научно-популярную книгу о применениях плазмы, я обратил внимание на карточку: «М. Бронштейн „Солнечное вещество“».

«Наконец-то, — обрадовался я, — наверняка эта книжка о плазме, ведь солнечное вещество — не что иное, как плазма».

И вот книга у меня в руках, я прочел ее одним дыханием… хотя она была совсем не о плазме. Так интересно, так талантливо написал ее физик Матвей Петрович Бронштейн.

Автор дал правильное название книге. В ней рассказал он всю историю открытия гелия, а ведь в раскаленной массе Солнца гелия содержатся многие миллиарды миллиардов тонн. Кроме того, гелий впервые был обнаружен на Солнце, а потом уже открыт на Земле. Отсюда и название нового элемента. «Гелиос» по-гречески и значит — солнце.

Но о книге Бронштейна я заговорил по другой причине.

В ней есть рассказ об одном английском ученом, который впервые заставил плазму исполнять обязанности химика.

Кто был этот ученый, вы узнаете из небольшого отрывка из книги, который я приведу здесь.

«В конце восемнадцатого века жил в Лондоне ученый-химик, которого звали Генри Кавендиш. Это был нелюдимый и одинокий человек. Он появлялся на улицах с узловатой палкой, в длинном дедовском сюртуке и в широкополой шляпе. О его странностях и причудах по городу ходило множество слухов и басен. Передавали, будто нелюдимость его и суровость доходят до того, что иной раз за целый день он не произносит ни одного слова. Говорили еще, что он очень богат и все свое огромное состояние тратит на всякие опыты и на покупку научных машин и приборов. Об опытах своих и открытиях он никому не рассказывает: опытами и открытиями он занят для собственного удовольствия и мнение других людей его нисколько не интересует…»

Странный ученый, не правда ли?

О научных трудах Кавендиша мы, пожалуй, и не узнали бы, если бы не Джемс Максвелл, который однажды опубликовал найденные им рукописи Кавендиша.

Генри Кавендиш первый из ученых вычислил, сколько весит земной шар, первый открыл, что вода состоит из водорода и кислорода, первый заставил электрическую искру потрудиться для химии.

Последнее непосредственно относится к нашему рассказу, остановимся на этом подробнее.

Что сделал Кавендиш?

Ученый имел у себя в лаборатории машину для добывания электрических искр. Она была несовершенна: стеклянный круг при помощи рукоятки вращался на оси и терся о кожаные подушки. Стекло и кожа заряжались разноименными зарядами, эти заряды и могли создавать искры.

Кавендиш присоединил к зажимам электрической машины два провода и свободные концы этих проводов опустил в два стеклянных стакана с ртутью, а в ртуть поместил концы изогнутой стеклянной трубки. В незанятый ртутью объем трубки ученый «запер» смесь кислорода и азота, добытого из воздуха.

Три недели, днем и ночью, Кавендиш и его слуга вращали стеклянный круг электрической машины. Искры неутомимо прыгали внутри трубки из одного стакана в другой. Постепенно трубка наполнилась оранжево-красным дымом. Ученый тщательно исследовал его и обнаружил, что это были окислы азота — соединения азота с кислородом. В воздухе подобная реакция происходит при грозовых разрядах, но во времена Кавендиша этого никто не знал.

Так электрическая искра, умело использованная ученым, родила новые вещества.

Но Кавендиш не прекратил на этом опыта. Пипеткой он впустил в трубку раствор едкого натра. Красноватый дым исчез — едкий натр поглотил окислы азота. А машина продолжала работать. Новые искры скакали из стакана в стакан, все выше и выше поднималась по трубке ртуть, заполняя пустоту. Ученый решил превратить в окислы весь азот, имеющийся в трубке, поэтому все вращал и вращал ручку машины. Своей цели Кавендиш не достиг. Сколько ни гонял он искры, в трубке оставался крохотный пузырек газа, который никак не хотел вступать в реакцию.

«Это был остаток азота, — записал пунктуальный ученый, — который почему-то не удалось соединить с кислородом». Такая запись появилась в 1785 году.

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.

В 1874 году начальником телеграфа Московско-Курской дороги работал Павел Николаевич Яблочков. Это был знающий дело специалист. Однажды ему дали серьезное задание: сопровождать поезд важного назначения, который следовал в Крым. Яблочкову вручили дуговой прожектор и приказали зорко следить, чтобы он исправно освещал дорогу впереди паровоза.

Яркое пламя, вспыхнувшее в коробке прожектора между двумя угольными электродами, оказалось капризным. Приходилось непрерывно следить за механическим регулятором, который сближал угли по мере их сгорания. Несколько долгих ночей провел на паровозе Яблочков, коченея от холода, но огненному жгутику плазмы погаснуть не дал. В эти ночи у Яблочкова возникло твердое решение посвятить себя работе над устройством электрического освещения. «Нужна простая, удобная дуговая лампа», — думал Яблочков и, вернувшись домой, с жаром принялся за дело.

В мастерской товарища, куда он перешел работать, изобретатель ставит один опыт за другим. Яркие вспышки электрического света часто освещают окна небольшого помещения, но бегут дни, недели, а успех не приходит. Яблочков решил уехать во Францию.

В Париже русский изобретатель поступает работать в электротехническую мастерскую. Целые дни проводит он у динамо-машин, а вечерами продолжает работать над дуговой лампой.

В истории техники известны случаи, когда решение задачи приходит внезапно. «А что, если вовсе отказаться от регулятора и расположить электроды параллельно? — подумал Яблочков. — Пламя дуги, зажженное у концов электродов, будет постоянно спускаться вниз…»

Все? Нет! Нужно еще придумать способ, как удержать дугу вверху, ведь она может переметнуться к середине электродов и быстро их пережечь.

Начинаются поиски. Талантливый изобретатель наконец разрешает труднейшую техническую задачу и создает свою знаменитую «свечу Яблочкова».

И вот включен рубильник. Стоит теперь замкнуть в верхней части электроды «свечи», и яркое пламя озаряет все вокруг. Жгутик дуги устойчиво прилепился к концам электродов. Соскользнуть вниз ему не дает прослойка между угольными стержнями. Яблочков сделал ее из смеси земли, извести и других материалов. Есть в этой «замазке» даже вещество, которое окрашивает пламя в розоватый цвет. Оно нужно, чтобы лица не казались мертвенно-бледными.

С поразительной быстротой разнеслась по всему миру слава русского изобретателя. Дуговые фонари зажигаются в Париже, Лондоне, Лиссабоне, Петербурге, во владениях персидского шаха и короля Камбоджи.

«Русское солнце!» — так называют их всюду. И действительно, только с солнцем можно было сравнить ослепительно яркий жгутик плазмы в «свече Яблочкова».

Сейчас электрический свет — обыкновенная, всем доступная вещь. А тогда?

Лучина над корытцем с водой, или светец, восковые и сальные свечи, керосиновые лампы и кое-где газовое освещение — вот чем пользовались люди во времена Яблочкова. Даже обыкновенные спички имели возраст всего лишь несколько десятилетий. И вдруг — свет, раздвигающий рамки дня, свет, который люди видели только при вспышках молнии.

«Свеча Яблочкова» — плазменный источник света, устройство, появившееся благодаря открытию В. В. Петровым электрической дуги. Начав эстафету электрического света, дуговая лампа позднее была вытеснена лампой накаливания. Ее изобрел тоже русский человек — А. Н. Лодыгин.

Казалось, плазма как источник света сыграла свою роль и на этом можно поставить точку.

Нет. Прошли годы, и она снова стала светить людям, доказав свое право на существование. Но об этом будет рассказано дальше, в отдельной главе.

А сейчас вспомним про второй «козырь», которым обладает дуга и который был отмечен еще В. В. Петровым. Я имею в виду свойство дуги создавать высокие температуры.

Где, когда, кто и как впервые использовал это ее качество?

Снова придется мне рассказывать о русских изобретателях, снова речь пойдет о славе России…

Яблочков не мог долго жить вдали от родины. При первой возможности он вернулся в Россию и открыл мастерские, в которых совершенствовал свое детище.

Среди его сотрудников был Николай Николаевич Бенардос. Он пытливо всматривается в дугу и сквозь темное стекло видит, как плавится огнеупорная глина прослойки «свечи Яблочкова». «Нельзя ли заставить, — думает Бенардос, — плавить этим пламенем металл? Нельзя ли приспособить его для исцеления сломанных машин, для изготовления новых?»

Не ослепительный свет, а жар, который заключен в дуге, на этот раз интересует изобретателя.

Бенардос помещает в пламя дуги кусочки металла и плавит их. После этого он усложняет опыты. Постепенно выкристаллизовывается схема первого в мире электросварочного аппарата.

Схема его проста.

От генератора, вырабатывающего переменный ток, тянутся два толстых провода. Один из них присоединен к свариваемой детали, второй — к угольному электроду. При сближении электрода с деталью вспыхивает дуга. Она разогревает металл по обеим сторонам трещины, которую нужно заварить. Теперь стоит поместить в пламя дуги металлический пруток, и капли металла начнут падать в шов. Они заплавят трещину.

Просто и быстро!

Но это не все. Если перемещать дугу вдоль толстого листа железа, то дуга, выплавив бороздой металл, рассечет лист надвое.

По имени сказочного кузнеца Гефеста Бенардос называет свое изобретение «Электрогефестом». Патенты на свое изобретение он берет не только в России, но и во многих других странах.

Много полезных дел сделала сварочная установка Бенардоса. Она уверенно расправлялась с трещинами в корпусах тяжелых машин, соединяла воедино расколотые детали, резала плазменным ножом металлы.

Но у нее был один серьезный недостаток. Швы, получавшиеся при сварке, были хрупкими. Причину этого разгадал талантливый инженер-металлург горный начальник Пермского пушечного завода Николай Гаврилович Славянов.

Бенардос вел сварку угольным электродом. В пекле дуги уголь легко проникал в металл и становился с ним единым целым. Уголь — это чистый углерод, а повышение содержания углерода в железе делает железо хрупким, ломким, похожим на чугун.

Славянов выбрасывает угольный электрод, а освободившийся провод от генератора присоединяет к металлическому стержню, который у Бенардоса служил лишь материалом для шва. Сварочный аппарат принял вид, близкий к современному.

Это произошло в 1890 году.

Но Россия была отсталой страной. Царское правительство не верило в гений русского народа, преклонялось перед иностранщиной. Поэтому электросварка, как, впрочем, и многие другие замечательные изобретения, почти не нашла применения в дореволюционной России. И к русскому изобретению потянулись жадные руки иностранных капиталистов.

Лишь после Великой Октябрьской революции семена, посеянные замечательными русскими изобретателями, дали обильные всходы.