На рубеже XVIII и XIX вв. химик Винтерль занимался опытами по «разложению» металлов. Никаких реальных результатов он не добился, но сама идея уцелела. Уже после 1860 г. химик Стас не скрывал своего позитивного к ней отношения и потратил немало усилий, чтобы получить ответ на вопрос: не распадаются ли химические элементы на другие, более лёгкие? А сколько раз подвергался проверке закон постоянства состава! И совсем не ради самой проверки: если бы закон экспериментально не подтвердился, то это означало бы, что при различных химических реакциях атомы элементов не остаются неизменными.
Даже Д.И.Менделеев в 60-е годы (после конгресса!), хотя и не признавал безоговорочно — из-за отсутствия экспериментальных подтверждений — принципиальную возможность взаимопревращаемости элементов, относился к ней тогда в целом сочувственно.
Торжество спектра
В том же 1860 г. химики вооружились таким инструментом исследования, о котором не смели и мечтать, — методом спектрального анализа.
К многоцветной дуге на небесном своде, возникающей иногда после дождя, привыкли. Ею восхищались, любовались, иногда и преклонялись, но почему она появляется — никто ничего сказать не мог и ограничивался ссылкой на волю и дар вседержителя — Бога.
В 1675 г. Ньютон, пропустив луч света через призму, получил радугу на стене. Вместо обычного белого пятна он увидел изображение, окрашенное в переходящие постепенно друг в друга цвета — от фиолетового до красного. Ньютон назвал его спектром. Он обнаружил, что белый свет (и цвет) — это некое сложное образование, которое с помощью очень простых средств легко разложить на составляющие.
Но прежде чем заявить об этом во всеуслышание, Ньютон, точности ради и чтобы обезопасить себя от нападок коллег, поставил контрольный опыт. На пути луча он вместо одной призмы поставил две, одну за другой. Первая стояла на основании, вторую он клал на ребро. В опыте только с одной — первой — призмой спектр был, а вот когда на пути луча появлялась вторая призма, спектр исчезал и на экране светилось обычное белое пятно. Вывод мог быть только один: вторая призма снова собирала воедино лучи разного цвета, «смешивала» их и получался прежний белый свет.
В истории науки хорошо известны случаи, когда очень важные открытия делались не высокоучёными мужами, а людьми, не имеющими образования. Таким был, в частности, привратник ратуши и торговец шерстью голландец Антони Левенгук, живший в XVII в. У него было, как это принято ныне называть, хобби: с исключительным трудолюбием и увлечённостью шлифовал он линзы. Из них делал увеличительные приборы, украшал их серебром и золотом, а потом рассматривал через них всякую всячину. Коллеги по купеческой гильдии считали, что Левенгук занимается этим в ущерб своим делам. Но мы теперь знаем, что от его занятий выиграла наука. Левенгук открыл капиллярное кровообращение, ячеистое строение кожи, а в каплях воды и в соскобе со своих собственных зубов — мир живых существ, о котором никто до этого и не подозревал. О своих наблюдениях Левенгук сообщал в письмах, регулярно направляемых в Лондонское Королевское общество. Сообщения торговца шерстью производили там весьма и весьма сильное впечатление.
Деятельность замечательного мюнхенского оптика Йозефа Фраунгофера протекала полтора столетия спустя. В отличие от Левенгука, который, сообщая в Лондонское Королевское общество о замечательных открытиях, ревниво оберегал от чужого глаза устройство своих микроскопов и соглашался передать их в руки учёных только после своей смерти, Фраунгофер снабжал приборами всех, кому они были нужны.
Фраунгофер получил математическое образование, после чего совершенствовался в физике и других науках самостоятельно. Чтобы шлифовать линзы не на авось, а с точным расчётом, он решил вывести коэффициент преломления лучей различного цвета и с этой целью поставил несколько опытов, подобных ньютоновым. Но свет он пропускал не через круглое отверстие, как Ньютон, а через узкую щель, благодаря чему у него получалось более резкое и чёткое изображение цветной полосы.
Для проверки отшлифованных линз Фраунгоферу требовался одноцветный свет. Он поставил перед щелью масляную лампу и получил спектр, но в нём резко выделялись две жёлтые линии. Заменив масляную лампу спиртовкой, он наблюдал такую же картину. Пламя свечи показало то же самое. Тогда Фраунгофер обратился к солнечному свету и увидел, что в означенном месте наблюдаемые им ранее жёлтые линии отсутствуют, но — странное дело! — весь спектр (у него были очень совершенные по тем временам линзы) пересечён множеством тёмных линий. Он насчитал их более пятисот и заметил, что при каждом наблюдении они занимали строго определённое место. Создавалось впечатление, что в солнечном спектре есть какие-то «провалы», что не хватает каких-то цветов.
Если быть строгим, то следует сказать, что идея наблюдения спектра, полученного не через круглое, а через щелевидное отверстие, пришла в голову более чем за десятилетие до работ Фраунгофера английскому химику Уолластону; более того, этот учёный тогда же обнаружил тёмные линии в солнечном спектре. Однако Уолластон, целиком поглощённый работой по открытию новых элементов в сырой платине, не обратил никакого внимания на это явление.
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.