Ядерная бомба
Вернемся теперь к работе Ферми по бомбардировке урана нейтронами. Предположение о том, что в результате бомбардировки получен элемент с порядковым номером 93, в то время подтвердить не удалось, так как попытки выделить этот элемент успехом не увенчались.
Среди ученых, занимавшихся изучением результатов такой бомбардировки, были Ган и Мейтнер, открывшие двадцать лет назад протактиний (см. гл. 13). Эти исследователи обработали барием бомбардированный уран, в результате в осадок выпала какая-то фракция сильно радиоактивного вещества. Эта реакция заставила Гана и Мейтнер усомниться в том, что одним из продуктов бомбардировки был радий: элемент по своим химическим свойствам очень был похож на барий, и можно было ожидать, что радий сопровождает барий в любых химических превращениях. И тем не менее из этих барийсодержащих фракций получить радий не удалось.
Примерно в 1938 г. Ган предположил, что полученная фракция может быть радиоактивным изотопом самого бария, образовавшимся из урана. Такой радиоактивный барий может соединиться с обычным барием, и разделить их обычными химическими способами невозможно. Однако образование такого соединения представлялось весьма сомнительным. Все ядерные реакции, известные к 1938 г., приводили к изменению порядковых номеров элементов только на 1 и 2 единицы. Переход от урана к барию означал, что порядковый номер элемента уменьшился на 36 единиц. Это могло произойти только в том случае, если бы атом урана разделился примерно пополам (расщепление ядра атома урана). Ган не решался — по крайней мере публично — даже обсуждать возможность такого расщепления.
В 1938 г. нацистская Германия вторглась в Австрию и аннексировала ее. Австрийская гражданка Лизе Мейтнер вынуждена была эмигрировать в Швецию. В свете пережитого последствия возможной научной ошибки представлялись ей столь малозначащими, что она опубликовала теорию Гана о том, что атомные ядра урана при бомбардировке нейтронами подвергаются расщеплению.
Эта статья вызвала большой переполох, так как ученые сразу поняли, к каким ужасным последствиям может привести это явление. Если атом урана после поглощения нейтрона распадается на два меньших атома, в ядрах которых меньше нейтронов, чем в ядре атома урана [133], то избыточные нейтроны должны излучаться, и если их поглотят другие атомы урана, то они в свою очередь также разделятся, что приведет к излучению еще большего числа нейтронов.
Расщепление одного атома урана приведет к расщеплению нескольких атомов. Результат цепной ядерной реакции окажется подобен результату обычной химической цепной реакции, например реакции водорода и хлора (см. гл. 9). Однако поскольку ядерные реакции связаны с обменом гораздо большими энергиями, чем химические реакции, то результаты ядерной цепной реакции окажутся несравнимо более мощными.
Мир стоял на пороге второй мировой войны. Правительство США, понимая, что смертоносная энергия атомных ядер может быть использована нацистами, приступило к реализации исследовательской программы создания цепной ядерной реакции и получения ядерного оружия.
Трудностей оказалось очень много. Прежде всего выяснилось, что цепная ядерная реакция возможна лишь при наличии некоторой довольно большой массы урана — так называемой критической массы. К моменту же начала работ ученые располагали незначительным количеством урана, так как до 1940 г. уран как таковой почти не применялся. Кроме того, нейтроны необходимо было замедлять с тем, чтобы вероятность их поглощения ураном увеличилась. В качестве таких замедлителей, как выяснилось, можно использовать блоки графита или тяжелую воду (воду, в которой водород заменен на дейтерий).
Другая трудность заключалась в том, что не каждый атом урана, поглотивший нейтрон, претерпевает ядерное расщепление. Ядерному расщеплению подвергается довольно редкий изотоп — уран-235. Поэтому необходимо было разработать способы отделения и накопления данного изотопа. Это была беспрецедентная задача: разделение изотопов в таких больших масштабах никогда ранее не проводилось. Исследования показали, что в этих целях можно использовать гексафторид урана, поэтому одновременно требовалось отрабатывать методику работы с соединениями фтора. После открытия плутония, который, как выяснилось, также подвергается ядерному расщеплению, было налажено производство его в больших количествах.
Возглавлял всю эту работу Ферми, который в 1938 г. покинул Италию и поселился в США. Второго декабря 1942 г. атомный реактор, работавший на уране, оксиде урана и графите, был приведен в «критическое состояние». В нем поддерживалась цепная реакция, и в результате деления атомного ядра урана была получена энергия.
К 1945 г. были изготовлены устройства, в которых при подрыве небольшого заряда взрывчатого вещества, происходило сближение двух порций урана. Суммарная масса этих двух порций урана превышала критическую. Благодаря воздействию космических лучей в атмосфере всегда имеются случайные нейтроны, так что в критической массе урана сразу же начиналась цепная ядерная реакция, которая сопровождалась взрывом неведомой до тех пор силы.
Первая такая «А-бомба», или «атомная бомба» (или правильнее бомба расщепления) была взорвана в июле 1945 г. в Аламогордо, шт. Нью-Мехико. К следующему месяцу были изготовлены еще две бомбы, которые в конце второй мировой войны были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки.
Однако деление ядра атома урана применяется не только о целью разрушения. Когда процесс получения энергии поддерживается на постоянном безопасном уровне, расщепление ядра можно использовать и в целях созидания. В пятидесятых — шестидесятых годах было построено большое число ядерных реакторов, предназначенных для получения электрической энергии [134].
Выделением большого количества энергии сопровождается не только деление тяжелых атомов, но и объединение двух легких ядер в одно более тяжелое (термоядерный синтез). Колоссальное количество энергии выделяется, например, при соединении ядер водорода, приводящем к образованию гелия.
Для того чтобы заставить объединиться атомы водорода, необходимо преодолеть заслон из электронного облака, что требует огромной энергии. Такие реакции происходят в глубинах Солнца и других звезд. Солнечная энергия (количество которой не уменьшается в течение миллиардов лет) является энергией ядерного синтеза.
В 50-х годах XX в. был разработан способ получения энергии, необходимой для ядерного синтеза. В качестве источника энергии была использована бомба расщепления, и в результате была получена ядерная бомба еще большей разрушительной силы, которую называют по-разному: «водородная бомба», «Н-бомба», «термоядерная бомба», но более правильное название — бомба термоядерного синтеза.
Разработаны и испытаны бомбы термоядерного синтеза с потенциалом разрушения в тысячи раз большим, чем у первых бомб расщепления. Одна большая бомба термоядерного синтеза может полностью разрушить самый крупный город мира, а если взорвать все имеющиеся сейчас бомбы термоядерного синтеза, то взрывная волна, пожары и радиоактивные осадки уничтожат все живое на земле.
Однако термоядерный синтез можно (и должно!) использовать не для разрушения. Одной из наиболее важных экспериментальных работ, проводимых в настоящее время, является попытка получить чрезвычайно высокие температуры, в сотни миллионов градусов, управляемым способом (а не в центре взрывающейся бомбы расщепления) и поддерживать эти температуры достаточно долго, с тем чтобы началась реакция термоядерного синтеза [135].
Управляя скоростью такой реакции, можно создать фантастические запасы энергии. В качестве топлива пригоден дейтерий, или тяжелый водород, который в огромных количествах (вполне достаточных на миллионы лет) имеется в воде океанов.
Никогда раньше человечеству не грозило так реально полное уничтожение, но и никогда раньше человечество не могло рассчитывать на то процветание, которое возможно в случае отказа от применения термоядерного оружия. Но судьба человечества не может зависеть от прогресса только одной из областей науки.
Мы приобретаем знания. Эти знания дает нам наука.
Теперь мы должны быть еще и мудрыми!
[1] А. Азимов связывает накопление химических знаний прежде всего с появлением и развитием металлургии. Однако ремесленная химия древности была гораздо шире. Параллельно с металлургией развивалась техника изготовления красок (минеральных и растительных) и крашения, изготовления стекла и керамики. Наряду с металлургией важной основой дальнейшего развития экспериментальной химии была фармация.
[2] Самые древние изделия из меди насчитывают 9200—8750 лет до н. э. Они найдены в неолитических поселениях в верховьях р. Тигр. Изделия из меди, найденные на территории нынешней Турции, датируются 6400—5700 гг. до н. э.
[3] Железо земного (не метеоритного) происхождения было известно народам Южного Кавказа уже в 2100 г. до н. э.
[4] О процессе формирования представлений об «элементах-стихиях» см.: Ахутин А. В. Мифологические истоки учения об элементах. В кн.: Всеобщая история химии. Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII в.— М.: Наука, 1980, с. 74—91.
[5] «Элемент» — латинское слово неизвестного происхождения. Греки не употребляли его, но, поскольку это одно из важнейших понятий современной химии, обойтись без него невозможно, даже в тех случаях, когда речь идет о греках.
[6]
[7] На первый (и не очень внимательный) взгляд эти рассуждения представляются очень наивными. Но подумав немного, мы оценим, насколько глубоки были в действительности догадки древних греков. Заменим воздух, воду, землю и огонь на газ, жидкость, твердое вещество и энергию. Как известно, при охлаждении и сжатии газы сжижаются — образуют жидкости, которые при охлаждении и сжатии в свою очередь образуют твердые вещества. Разве представления Анаксимена противоречат такой схеме? А разве представления Гераклита об огне не похожи на современные представления об энергии, инициирующей химические реакции и выделяющейся при протекании химических реакций?
[8] Интересно, что Лукреций ни разу не употребил в своей поэме слова «атом», но использовал более десятка синонимов. Некоторые из них («корпускула», «элемент») позднее получили распространение в языке науки, но в ином смысле.
[9] По материалам этой главы см.: Всеобщая история химии. Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII в.— М.: Наука, 1980, 399 с. (Часть первая. Истоки химических знаний); Колчин В. А. Черная металлургия и металлообработка в Древней Руси.— М.: Изд-во АН СССР, 1953; Лукас А. Материалы и ремесленные производства Древнего Египта.— М.: ИЛ, 1958, 747 с.
[10] И в Древнем Риме, и позднее в Византийском государстве накопление химических знаний продолжалось благодаря развитию фармации. Так, «Геопоника», компиляция из 20 книг, приписываемая Кассину Бассу (VII в.), содержала массу практических рецептов и мистические толкования химических процессов.
[11] Несторианин Иов Эдесский много сделал для распространения эллинистических химических воззрений в арабской науке и остался в ее истории под именем Айюба аль-Рухави (ок. 769—835).
[12] Проникновение алхимических учений в Европу шло тремя путями: через Византию (самый ранний путь, но быстро утративший значение), через Сирию, Египет и Сицилию (оказавший влияние на развитие науки в Южной Италии) и через Пиренейский полуостров благодаря арабской культуре Магриба (см.: Мец А. Мусульманский Ренессанс.— М.: Наука, 1966, 437 с). Однако химические знания накапливались и в других регионах: Китае, Средней Азии и на Кавказе. Не последнюю роль при этом играла фармация. Примером могут служить труды армянского врача XII в. Мхитара Гераци (см.: Мхитар Гераци. Утешение при лихорадках.— Ереван, Айастан, 1968, 244 с).
[13] Приписывая Р. Бэкону убеждение, что «залогом прогресса является экспериментальная работа», А. Азимов не указывает, что «опыт» по Бэкону не только эксперимент в современном смысле, но и мистическое «озарение».
[14] Это очень упрощенное объяснение сложного исторического процесса, начавшегося в X в. и продолжавшегося до XVI в. и получившего название второй промышленной революции. Он начался с усовершенствования землепашества, создания новых типов упряжи и плугов. Затем последовало создание водяных и ветряных мельниц, мощность которых уже достигала в XI-XII вв. 40—60 лошадиных сил. Этот прирост мощности дал толчок развитию металлурги». В XIII в. мехи для печей стали приводить в действие водой, в результате температура в плавильной печи превысила 1500°С, что позволило получать чугун. Развились ткачество и сукноделие. В середине XV в. был изобретен печатный станок. Было создано множество гидротехнических сооружений. В строительстве вместо монолитных римских конструкций начали применять новые более легкие конструкции. Весь комплекс этих факторов привел к грандиозным социальным переменам и гибели феодализма.
[15] Шухардин С. В. Георгий Агрикола.— М.: Изд-во АН СССР, 1955.
[16] Агрикола Г. О горном деле и металлургии. Под ред. С. В. Шухардина.— М.: Изд-во АН СССР, 1962.
[17] Интересно, что единственный перевод на английский язык работы Агриколы, опубликованный в 1912 г., с иллюстрациями из оригинала был сделан Гербертом Гувером — бывшим президентом США (по профессии горным инженером) и его женой.
[18] ами средневековой схоластической медицины. В развитие химических представлений иатрохимики также вносили далеко не только одну мистику. Иатрохимия не только пыталась подвести химическое основание под теорию гуморальной патологии, но и содействовала эмпирическому прогрессу химии. Иатрохимики ввели представления о кислотности и щелочности, открыли много новых соединений, начали ставить первые воспроизводимые (хотя далеко не всегда методологически правильные) эксперименты. К числу иатрохимиков принадлежали Я. Б. Ван Гельмонт, Франциск Сильвия, Анджело Сала и Андрей Либавий, которого А. Азимов ошибочно причисляет к алхимикам. Иатрохимия в определенной мере облегчила развитие технической химии Возрождения, приняв на себя тормозящие химическую мысль традиции мистического теоретизирования, использования не доступного непосвященным языка и т. п. Техническая химия начала беспрепятственно накапливать и описывать эмпирический материал.
[19] Наиболее всеобъемлющими трудами по истории алхимии являются следующие: LippmannE. О. Entstehung und Ausbreitung der Alchemie. Berlin, Springer, 1919; RuskaJ. Arabische Alchemisten. 2 Bd. Heidelberg, Winter, 1924. Подробные сведения о Парацельсе и других иатрохимиках можно найти в наиболее документированной истории химии: PartingtonJ. R. A History of Chemistry. Vol. II, London, Macmillan, 1959, а также в кн.: Sudhoff К. Paracelsus, ein deutsches Lebensbild aus der Renaissancezeit. Leipzig, Bibliogr. Inst., 1936; Pagel W. Paracelsus. An Introduction to Philosophical Medicine in the Era of the Renaissance. Basel. Karger, 1958. О технической химии см.: Фестер Г. История химической техники. Пер. с нем. / Под ред. М. А. Блоха с вводной статьей А. Е. Луцкого.— Харьков, Научно-техническое изд-во Украины, 1938, 304 с.
[20] Тот «переходный период», о котором говорит А. Азимов в этой главе, фактически описывается и в следующей главе. В этот период сформировались основы экспериментальной химии, основанной на измерении физических величин, и была создана первая всеобъемлющая химическая теория — теория флогистона.
[21] Профессор Падуанского университета Санторио Санторио (1561—1636) на несколько лет раньше Ван Гельмонта использовал взвешивание как метод измерения при изучении обмена веществ. Санторио проводил взвешивание в специальной сконструированной им камере-весах.
[22] Происхождение названия «газ» иногда связывают с голландским словом gisten — бродить или gist — дрожжи, закваска.— Прим. перев.
[23] Р. Бойль ставил и подлинно химические опыты и даже такие опыты, которые можно назвать биохимическими. Дело в том, что он интересовался не только физическими измерениями сжимаемого воздуха, его занимала также сущность горения и дыхания. И соответствующие опыты, проведенные им и его сотрудниками и последователями, привели к важным химическим выводам. Современник Бойля Джон Мейоу заметил, что в воздухе содержится вещество, необходимое для горения и дыхания. См.: Кривобокова С. С. Биологическое окисление (исторический очерк).— М.: Наука, 1971, 168 с.
[24] Необходимо отметить, что исследования Бойля как таковые не относятся к химии. Воздух, как бы его ни сжимали или разрежали, остается воздухом. Подобные изменения в объеме являются физическими изменениями, и, таким образом, относятся к области физической химии, изучающей физические изменения веществ, Бойль заложил основы физической химии, однако эта область науки еще не получила признания и два столетия спустя (см. гл. 9).
[25] Р. Бойль испытывал также влияние воззрений Рене Декарта (1596—1650), Атомизм, лежащий в основе его системы взглядов (картезианства — от латинизированного имени Декарта — Картезий), был ближе Бойлю.— Прим. ред.
[26] Представление Бойля об «основном металле» отличалось от представлений алхимиков, которые считали, что золото можно получить, в частности, из ртути. «Основной металл» Бойля — это корпускулярная основа металлов, которую, по Бойлю, еще предстояло найти.— Прим. ред.
[27] Partington J. R. A History of Chemistry. Vol. II, London, Macmillan, 1959.
[28] См.: Дорфман Я. Г. Лавуазье.— М.: Наука, 1962, 328 с.
[29] 5 июля 1748 г. М. В. Ломоносов впервые сформулировал закон сохранения материи и движения. В письме к Л. Эйлеру он писал: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого… Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому» (Ломоносов М. В. Поли. собр. соч.— М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950—1959, т. 2, с. 183).
В 1756 г. М. В. Ломоносов, повторив опыт Р. Бойля, раньше А. Лавуазье высказал мысль, что увеличение массы металлов при обжигании следует приписать присоединению частиц воздуха. И в отличие от своих современников он исключил «огненную материю» из числа химических агентов (Ломоносов М. В. Поли. собр. соч., т. 10, с. 392).— Прим. ред.
[30] В начале XX столетия этот закон был уточнен, но введенная поправка настолько мала, что если рассматриваются обычные реакции, проводимые в обычных лабораторных условиях, то ею можно пренебречь.
[31] Труды М. В. Ломоносова подробно освещены в отечественной историко-научной литературе. Б. Н. Меншуткин в серии монографий (Меншуткин Б. Н. М. В. Ломоносов как физико-химик. К истории химии в России.— СПб., 1904; Меншуткин Б. Н. Труды М. В. Ломоносова по физике и химии.— М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1936; Меншуткин Б. Н. Михайло Васильевич Ломоносов. Жизнеописание. Изд. 3-е. Под ред. С. И. Вавилова и Л. Б. Модзалевского.— М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947) провел глубокий анализ опубликованных трудов Ломоносова и архивных материалов и показал, что Ломоносов ввел многие представления, получившие распространение лишь много десятилетий спустя. Как показала Люс Ланжевен (см.: Ланжевен Л. Ломоносов и французская культура XVIII в. В сб.: Ломоносов, VI, — М.-Л.: Наука, 1965, с. 27—62; LangevinLuce. Lomonosov. Sa vie, son oeuvre. Paris, Edition sociales. 1967, 320 pp.), труды Ломоносова были известны во Франции. См. также: Павлова Г. Е., Федоров А. С. Михаил Васильевич Ломоносов. Жизнь и творчество.— М.: Наука, 1980, 279 с.
[32] Это название получило распространение во французском (nitrog'ene) и английском (nitrogen) языках.— Прим. ред.
[33] Русский химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765) еще в 1756 г., т. е. почти за двадцать лет до работ Лавуазье по горению, отказался от теории флогистона и предположил, что при горении вещества соединяются с частью воздуха. К сожалению, труды Ломоносова были опубликованы на русском языке, и западноевропейские химики, включая Лавуазье, не смогли с ними ознакомиться. Примечательно также, что Ломоносов имел почти современные взгляды на теорию атомов и теорию теплоты, опередив, таким образом, свое время почти на сто пятьдесят лет.
[34] По материалам этой главы см.: Соловьев Ю. И. История химии. Развитие химии с древнейших времен до конца XIX в.— М.: Просвещение, 1976, 367 с; Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в.— М.: Наука, 1969, 456 с.
[35] История формирования представлений о химическом соединении рассмотрена в кн.: Шептунова З. И. Химическое соединение и химический индивид (очерк развития представлений).— М.: Наука, 1972, 212 с.
[36] овании солей.— Прим. перев.
[37] В действительности состав некоторых соединений может колебаться в определенных пределах, но это особые случаи. Состав тех простых соединений, которыми занимались химики до 1800 г., строго соответствует требованиям закона постоянства состава.
[38] См.: Дальтон Дж. Сборник избранных работ по атомистике. Под ред. и с примечаниями Б. М. Кедрова.— М.: Госхимиздат, 1940, 244 с; Кедров Б. М. Атомистика Дальтона.— М.-Л.: Госхимиздат, 1949, 312 с.
[39] Столетие спустя это представление претерпело изменение. В конце концов один атом можно превратить в другой (см. гл. 14). Однако достичь этого можно, лишь пользуясь такими методами, которых не мог бы себе ни представить, ни осуществить ни один алхимик.
[40] Атомный вес — это не вес как сила и вовсе не масса, а число, выражающее отношение главным образом масс атомных ядер. Процесс взвешивания, имевший место при определении атомных весов, был процессом сравнения масс.— Прим. ред.
[41] См.: Быков Г. В. Амедео Авогадро, Очерк жизни и деятельности.— М.: Наука, 1970, 184 с.
[42] Работа Дюлонга и Пти была опубликована в 1819 г.— Прим. перев.
[43] См.: Соловьев Ю. И., Куринной В. И. Якоб Берцелиус. Жизнь и деятельность.— М.: Наука, 1980, 2-е изд., 320 с.
[44] См.: Кудрявцев П. С. Фарадей.— М.: Просвещение, 1969, 168 с.
[45] См.: Крицман В. А. Роберт Бойль. Джон Дальтон. Амедео Авогадро. Создатели атомно-молекулярного учения в химии.— М.: Просвещение, 1978, 144 с.
[46] См.: Шамин А. Я. Биокатализ и биокатализаторы (исторический очерк).— М.: Наука, 1971, 196 с.
[47] См.: Мусабеков Ю. С. Историческая оценка синтеза Вёлера.— Вопросы истории естествознания и техники, 1957, вып. 5, с. 66—73.
[48] Впрочем, это было только первое поражение витализма, который продолжал удерживать свои позиции в других областях химии. Несмотря на медленное ослабление его позиций на протяжении XIX в., окончательно витализм не исчез и сегодня. Полное описание различных этапов крушения витализма можно найти в кн. «Краткая история биологии» (Азимов А. Краткая история биологии. Пер. с англ, — М.: Мир, 1967).
[49] См.: Мусабеков Ю. С. Марселен Бертло. 1827—1907.— М.: Наука, 1965, 231 с.
[50] См.: Шамин А. Н., Джабраилова Н. А. Развитие химии аминокислот.— М.: Наука, 1974, 152 с.
[51] Это утверждение уже устарело. В 1963 г. впервые был синтезирован природный белок — инсулин. Сейчас методы синтеза белков значительно усовершенствованы, и их синтез уже не является проблемой. Химики могут синтезировать и другие сложнейшие природные биополимеры — нуклеиновые кислоты. См.: Шамин А. Н. Химический синтез белка (исторический очерк).— М.: Наука, 1969, 115 с.
[52] См.: Быков Г. В. Август Кекуле. 1828—1896. Очерк жизни и деятельности.— М.: Наука, 1964, 236 с.
[53] См.: Мусабеков Ю. С. Юстус Либих.— М.: Изд-во АН СССР, 1962, 215 с.
[54] Либих был одним из талантливейших преподавателей химии за всю историю ее существования. Он преподавал в Гиссенском университете, где организовал первый настоящий лабораторный курс химии. Очень многие химики работали с Либихом и учились у него методике лабораторных работ. Либих сумел создать научную школу, в которой сформировались многие прославленные химики. Благодаря трудам Либиха к концу XIX в. Германия стала «химической державой» Европы, опередив даже Францию.
[55] Некоторые, но не все. Хлорид натрия необходим для жизни, бромид натрия оказывает небольшое токсическое действие, а цианид натрия — быстродействующий яд.
[56] См.: Шорлеммер К. Возникновение и развитие органической химии.— М.: 1937; Быков Г. В. История органической химии. Открытие важнейших органических соединений.— М.: Наука, 1978, 379 с.
[57] О доструктурных теориях органической химии (теории радикалов, теории этерина, теории замещения Дюма, «старой» теории типов Дюма и «новой» теории типов Ш. Ф. Жерара см.: Быков Г. В. История классической теории химического строения.— М.: Изд-во АН СССР, 1960, 311 с. О вкладе Шарля Фредерика Жерара (1816—1856) в развитие теоретической органической химии см.: Фаерштейн М. Г. Шарль Жерар.— М.: Наука, 1968, 163 с.
[58] В истинных металлорганических соединениях атом металла прочно связан с атомом углерода. Соединения, подобные ацетату цинка (вещества такого типа были известны и до Франкланда), являются солями органических кислот. В таких солях атом металла присоединяется к атому кислорода, и они не считаются истинными металлорганическими соединениями.
[59] О возникновении учения о валентности и появлении понятия «химическая связь» см.: Быков Г. В. История органической химии. Структурная теория. Физическая органическая химия. Расчетные методы.— М.: Химия, 1976, 360 с.
[60] Главные положения теории строения высказал А. М. Бутлеров в докладе «О химическом строении вещества», сделанном 9 сентября 1861 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей. Бутлеровым были сформулированы правила, которыми можно было руководствоваться при определении строения органических соединений, а также было объяснено явление изомерии. А. Кекуле в 1865 г. распространил положения теории строения на ароматические соединения. Экспериментальное подтверждение теории химического строения Бутлеровым и его учениками имело огромное значение для ее утверждения.— Прим. ред.
[61] Впервые А. М. Бутлеров изложил свои взгляды на теорию строения в лекциях, прочитанных им в Казанском университете в 1860 г., а в 1861 г. на Съезде немецких естествоиспытателей выступил с подробным докладом на эту тему. Самым главным вкладом Бутлерова, отличающим его труды от работ А. Кекуле и А. С. Купера, было последовательно проводимое положение о взаимосвязи между химическим строением и свойствами молекул. Это сделало понятие о химическом строении важнейшим теоретическим элементом химии. Подробнее см. упомянутые выше книги Г. В. Быкова (примечания 62 и 64).
[62] См.: Быков Г. В. Александр Михайлович Бутлеров. Очерк жизни и деятельности.— М.: Изд-во АН СССР, 1961, 218 с; Быков Г. В. О приоритете А. М. Бутлерова в создании теории химического строения. В кн.: Материалы по истории отечественной химии.— М.: Изд-во АН СССР, 1953, с. 20—32.
[63] Однако объяснить загадку двойных связей бензола, которые ведут себя не так, как двойные связи в других соединениях, удалось лишь спустя примерно три четверти века (см. гл. 12).
[64] См.: Быков Г, В. История стереохимии органических соединений.— М.: Наука, 1966, 372 с.
[65] См.: Добротин Р. Б., Соловьев Ю. И. Вант-Гофф.— М.: Наука, 1977, 272 с.
[66] Теория напряжения Байера в свое время удовлетворительно объясняла нестойкость циклов малого размера (трех- и четырехчленных). Однако впоследствии было установлено, что тетраэдрические атомы углерода в циклических системах не находятся в одной плоскости, поэтому возможно построение шестичленных циклов и любых циклов большего размера, свободных от углового напряжения.
[67] По материалам этой главы см. также: Фаерштейн М. Г. История учения о молекуле в химии (до 1860 г.).— М.: Изд-во АН СССР, 1961, 368 с.
[68] См.: Фигуровский Н. А. Открытие элементов и происхождение их названий.— М.: Наука, 1970, 207 с.
[69] На конгрессе присутствовали русские ученые А. П. Бородин, Н. Н. Зинин, Т. Лесинский, Д. И. Менделеев, Я. Натансон, Л. Н. Шишков. О С. Канниццаро см.: Быков Г. В., Крицман В. А. Станислао Канниццаро. Очерк жизни и деятельности.— М.: Наука, 1972, 215 с.
[70] Указанное соотношение выполняется лишь приблизительно, поскольку атомы различных элементов не всегда заполняют одинаковые части занимаемого веществом пространства.— Прим. ред.
[71] См.: Кедров Б. М. День одного великого открытия.— М.: Соцэкгиз, 1958,560 с.; Кедров Б. М. Философский анализ первых трудов Д. И. Менделеева о периодическом законе (1869—1871).— М.: Изд-во АН СССР, 1959, 294 с; Фигуровский Н. А. Дмитрий Иванович Менделеев.— М.: Изд-во АН СССР, 1961, 315 с.
[72] В данном случае Менделеев интуитивно принял правильное решение, однако объяснить, почему элементы следует располагать именно таким образом, удалось лишь спустя около полувека (см. гл. 13).
[73] Открытие Д. И. Менделеевым периодического закона датируется 17 февраля (1 марта) 1869 г., когда им была составлена таблица, озаглавленная «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». В 1864 г. Л. Мейер предложил таблицу для нескольких групп элементов, в которой он показывал соотношение их атомных масс, но никаких теоретических выводов не сделал. Менделеев же развил свои представления, придав уже к 1871 г. своей периодической системе современный вид.— Прим. ред.
[74] По материалам этой главы см. также: Макареня А. А. Д. И. Менделеев и физико-химические науки. Опыт научной биографии Д. И. Менделеева.— М.: Атомиздат, 1972; Трифонов Д. Н. Структура и границы периодической системы.— М.: Атомиздат, 1969. Б. М. Кедров, Д. Н. Трифонов. Закон периодичности и химические элементы. Открытия и хронология.— М.: Наука, 1969, 194 с; Соловьев Ю. И., Петров Л. П. Вильям Рамзай. 1852—1916.— М.: Наука, 1971, 239 с.
[75] См.: Соловьев Ю. И. Герман Иванович Гесс.— М.: Изд-во АН СССР, 1962, 104 с.
[76] В 1892 г. эта работа была переведена на русский язык.— Прим. перев.
[77] Д. У. Гиббс — одна из величайших фигур в истории естествознания. Он внес в химию новый стиль мышления. Гиббс фактически заложил основы новой области науки — химической термодинамики. Это тем более удивительно, что он никогда серьезно не изучал химию. О значении вклада Гиббса в науку говорит такой факт: после его смерти в течение пятидесяти лет работам, основанным на его трудах, присуждались Нобелевские премии. См.: Франкфурт У. И., Френк А. М. Джозайя Уиллард Гиббс.— М.: Наука, 1964, 279 с.
[78] По решению Международного союза чистой и прикладной химии теперь называется анергией Гиббса (G). Она является термодинамическим потенциалом и описывается равенством G = H – TS, где H — энтальпия, S — энтропия, T — температура.— Прим. ред.
[79] Приведем пример одного из важных дополнений. В 1923 г. американский химик Джильберт Ньютон Льюис (1875—1946) в классической книге по термодинамике ввел понятие активность. Активность вещества не то же самое, что его концентрация, но связана с ней. Уравнения химической термодинамики можно сделать более точными в более широких пределах, если заменить концентрацию на активность.
[80] В. Оствальд очень много сделал для развития физической химии. Он разрабатывал теорию электролитической диссоциации, открыл закон разбавления, носящий его имя, заслуги Оствальда отмечены в 1909 г. Нобелевской премией. Однако он был также автором «энергетической» теории — одной из разновидностей «физического» идеализма, в которой материя рассматривалась как форма проявления энергии. В. И. Ленин назвал Оствальда «очень крупным химиком, но очень путаным философом» (Полн. собр. соч., 5-е изд., т. 18, с. 173). Об Оствальде см. прекрасную биографию: Родный Н. И., Соловьев Ю. И. Вильгельм Оствальд. 1853—1932.— М.: Наука, 1969, 375 с.
[81] Накопление знаний в области биохимии (т. е. химических реакций, обычно регулируемых ферментами и происходящих в живых тканях) в настоящей книге затрагивается лишь вскользь. Этот вопрос более подробно рассматривается в кн. «Краткая история биологии» (Азимов А. Краткая история биологии. Пер. с англ.— М.: Мир, 1967).
[82] О творчестве В. Оствальда, которого В. И. Ленин назвал «очень крупным химиком, но очень путаным философом», см.: Родный Н. И., Соловьев Ю. И. Вильгельм Оствальд. 1853—1932.— М.: Наука, 1969.— Прим. ред.
[83] Говоря об открытии и изучении электролитической диссоциации, нельзя забывать о работах прибалтийского ученого Теодора Гротгуса (1785—1822). В 1805 г. он развил теорию электропроводности растворов, в 1818 г. предложил теорию состояния молекул (ионов) в растворе. В этой теории он развил представление о том, что атомы вещества могут приобретать электрические заряды и что свойства таких атомов отличны от свойств атомов нейтральных. Биографию Т. Гротгуса см.: Страдынь Я. П. Теодор Гротгус 1785—1822.— М.: Наука, 1966, 184 с.
[84] См.: Соловьев Ю. И., Фигуровский Н. А. Сванте Аррениус.— М.: Изд-во АН СССР, 1959, 179 с.
[85] Понятие абсолютный нуль — самая низкая из возможных температур — впервые было введено Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 г. В признание его приоритета шкала абсолютных температур получила название шкалы Кельвина. В 1906 г. Нернст показал, что при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии (третье начало термодинамики),или, другими словами, при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.
[86] Физическая химия является одной из наиболее сложных областей химии, и изложить ее историю, проследить формирование основных понятий на полутора десятках страниц очень трудно. Подробнее о развитии этой области науки можно прочитать в кн.: Соловьев Ю. И. Очерки по истории физической химии.— М.: Наука, 1964, 342 с.
[87] Это сомнительное утверждение. Прежде всего, с помощью химического синтеза можно получить соединения, отсутствующие в природе. Это и есть главная область, где синтез может конкурировать с биосинтезом. Кроме того, развитие химии продолжается и сейчас, появление биотехнологии во всех ее ответвлениях сулит необычайный прогресс в области искусственного получения сложнейших природных соединений.
[88] Р. Вудворд был не только блестящим химиком-синтетиком, ему принадлежат также важные обобщающие исследования по механизму органических реакций.
[89] Тетрациклин был впервые синтезирован М. М. Шемякиным. См.: Шемякин М. М., Гуревич А. И., Карапетян М. Г., Голосов М. Н., Коробко В. Г., Поправка С. А., Докл. АН СССР, 1967, т. 174, № 2, ее. 358—361. Прим. ред.
[90] Работ по истории аналитической химии очень мало. Самая последняя монография: Comprehensive Analytical Chemistry. Ed. G. Svehla. Szabadvary F., Robinson A. The History of Analytical Chemistry. Amsterdam, Elsevier, 1980, 303 p.
[91] См.: Шамин А. И. История химии белка.— М.: Наука, 1977, 349 с.
[92] В 1833 г. Грэхем изучал различные формы фосфорной кислоты и показал, что в некоторых из них на металл можно заместить более одного атома водорода. В результате химики узнали о существовании многоосновных кислот.
[93] Основные труды Э. Фишера и его биографический очерк можно прочитать в кн.: Э. Фишер. Избранные труды.— М.: Наука, 1979, 639 с. Характерно, что Э. Фишер не только создал представление о типе строения белковых молекул, но и высказал важное положение о том, что белковые молекулы могут обладать одновременно и химической и биологической индивидуальностью благодаря способности образовывать бесчисленное множество изомеров. Это положение — одно из фундаментальных представлений молекулярной биологии. Удивительно, что химик оценил его значение по меньшей мере на два десятилетия раньше, чем это сделали биологи.
[94] О М. С. Цвете и его роли в создании хроматографии имеется обширная литература. Наиболее полно она представлена в библиографии к кн.: Сенченкова Е. М. Михаил Семенович Цвет. 1872—1919.— М.: Наука, 307 с.
[95] За исследования строения индивидуальных белков Ф. Сенгеру в 1958 г. была присуждена Нобелевская премия. Однако после этого он переключился на разработку методов определения строения индивидуальных нуклеиновых кислот. Фактически это были поиски путей к определению строения генов-носителей наследственной информации в организмах живых существ. В конце 70-х годов эти работы увенчались успехом, в 1980 г. Ф. Сенгеру была вновь присуждена Нобелевская премия по химии — беспрецедентный случай в истории химии. До него Нобелевскую премию дважды получала М. Кюри, но один раз по химии, а второй раз по физике. Двумя Нобелевскими премиями по физике был отмечен Д. Бардин, и две Нобелевские премии получил Л. Полинг, но одну по химии, а другую за деятельность в защиту мира.
[96] Увлекательную историю создания модели дезоксирибонуклеиновой кислоты описал Д. Уотсон в ставшей знаменитой книге «Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК» (М.: Мир, 1969, 152 с). Но изложение истории этих направлений будет неполным, если не упомянуть о том, что изучение биополимеров — белков и нуклеиновых кислот, а также низкомолекулярных физиологически активных соединений — привело к формированию нескольких направлений в области взаимодействия химии и биологии. Классическая биохимия дополнилась молекулярной биологией, молекулярной генетикой, возникла биоорганическая химия. Сейчас этот процесс привел к формированию нового направления в науке — физико-химической биологии. Эти события вызвали революционные преобразования современной биологии. А. Азимов включает эти направления в сферу истории биологии, но сейчас уже невозможно отрывать их от химии. К сожалению, изложение их истории в данном издании достаточно полно сделать невозможно, да и история их только начинает разрабатываться. См.: Olby R. The Path to the Double Helix. Seattle, Univ. Washington Press, 1975. 510 p.
[97] Читатель, интересующийся более подробно этим предметом, может обратиться к моей книге «Генетический код» (Orion Press, 1963).
[98] Впервые нитроцеллюлозу получил французский химик Т. Пелуз в 1838 г., однако это открытие осталось незамеченным.— Прим. перев.
[99] Точности ради надо заметить, что эту работу Дж. У. Хайятт проводил вместе со своим братом И. С. Хайяттом.— Прим. перев.
[100] Первая целлулоидная фабрика была основана в Нью-Йорке в 1872 г., а в 1878 г. аналогичная фабрика появилась на европейском континенте — во Франции. С 20-х годов нашего века целлулоид стал производиться повсеместно.— Прим. перев.
[101] Перед первой мировой войной русский химик Григорий Семенович Петров (1886—1957) разработал метод получения сульфокислот при очистке нефти. Нефтяные сульфокислоты, получившие название «контакт Петрова», использовались в качестве быстродействующего расщепителя жиров при контактном методе переработки последних. В 1910—1914 гг. Г. С. Петров, используя «контакт» для конденсации фенолов с альдегидами, получил первую пластмассу «карболит», не уступавшую бакелиту.
[102] Каучук — природный полимер, получаемый из сока тропических растений (каучуконосов). При нагревании каучук становится мягким и липким, а при охлаждении — твердым и ломким, поэтому применять его непосредственно нельзя. Американский изобретатель Чарльз Гудьир (1800—1860) открыл (отчасти случайно), что нагретый в присутствии серы каучук не размягчается и остается эластичным в широком диапазоне температур. В 1844 г. Гудьир запатентовал полученный им вулканизованный каучук. По-настоящему широко каучук стал применяться лишь в XX в., когда из него начали изготавливать шины.
[103] Основополагающие исследования в области методов синтеза синтетических каучуков выполнили русские ученые С. В. Лебедев, И. Л. Кондаков, А. Е. Фаворский и др. С. В. Лебедев в 1910 г. впервые получил образец синтетического бутадиенового каучука. В 1926—1928 гг. он с группой сотрудников разработал метод получения натрий-бутадиенового каучука. См.: Сергиенко С. Р. Академик Сергей Васильевич Лебедев. Жизнь и научная деятельность.— М.: Изд-во АН СССР, 1959, 127 с. Создание СК было выдающимся достижением и в катализе. В СССР независимо от работ Д. А. Ньюленда был разработан метод получения хлоропрена — синтетического каучука — аналога неопрена.
[104] Создание алюминий-органических катализаторов К. Циглером и смешанных металлорганических катализаторов Д. Натта позволило сначала Циглеру в лабораторных условиях, а затем Натта в промышленных масштабах осуществить процесс стереоспецифической полимеризации. В результате был синтезирован цисполиизопрен, аналогичный по структуре и свойствам натуральному каучуку. В Советском Союзе исследования стереоспецифического катализа и стереорегулярных полимеров вели Б. А. Долгоплоск, В. А. Каргин и др.
[105] По материалам этой главы см.: Соловьев Ю. И., Трифонов Д. Н., Шамин А. Н. История химии. Развитие основных направлений современной химии.— М.: Просвещение, 1978, 352 с.
[106] Биографии великих химиков. Пер. с нем./Под ред. Г В. Быкова, С. А. Погодина.— М.: Мир, 1981.
[107] При снятии давления такие вещества, как правило, возвращаются в обычное состояние. Алмаз составляет исключение.
[108] А. Азимов лишь очень кратко касается развития одной из важнейших и в познавательном, и практическом смысле областей химии — химии элементоорганических соединений. Не упоминает он и о работах Виктора Гриньяра (1871 — 1935), получившего в 1900 г. магний-галогенорганические соединения (реактивы Гриньяра). Вклад советских ученых П. П. Шорыгина, А. Е. Арбузова, А. Н. Несмеянова, К. А. Кочешкова, К. А. Андрианова в развитие элементоорганической химии особенно велик. Достаточно упомянуть о синтезе кремнийорганических соединений, проведенном К. А. Андриановым, уже в 30-х годах запатентовавшим свои открытия. Не упоминает А. Азимов и об открытии органических соединений переходных металлов. Вместе с тем синтез ферроцена, дибензилхрома был своеобразной химической сенсацией и стимулировал многочисленные теоретические и экспериментальные исследования. См.: Соловьев Ю. И., Трифонов Д. Н., Шамин А. Н. История химии (примечание 13 к гл. 10).
[109] По материалам этой главы см.: Развитие органической химии в СССР. (Серия «Советская наука и техника за 50 лет»).— М.: Наука, 1967, 575 с.
[110] Начиная с Бенджамина Франклина, все физики, исследовавшие электричество в XVIII и XIX вв., полагали, что ток течет от так называемого положительного полюса к отрицательному (см. гл. 5). Крукс показал ошибочность этого предположения, На самом деле ток течет от отрицательного полюса к положительному.
[111]См.: Быков Г. В. К истории открытия электрона.— Вопросы истории естествознания и техники, 1969, вып. 3 (28), с. 71—72.
[112] Или просто фотоэффектом. (Другие названия — внешний фотоэффект, фотоэлектронная эмиссия.) Систематическое исследование фотоэффекта в 1888 г. начал русский физик Александр Григорьевич Столетов (1839—1896).— Прим. перев.
[113] В нашей стране применяется термин «рентгеновские лучи».— Прим. перев.
[114] Еще в 1920 г. Чедвик экспериментально доказал равенство заряда ядра порядковому номеру элемента.— Прим. перев.
[115] По материалам этой главы см.: Льоцци Марио. История физики. Пер. с итал.— М.: Мир, 1970, 464 с.
[116]См.: Трифонов Д. Н., Кривомазов А. Н., Лисневский Ю. И. Учение о периодичности и учение о радиоактивности. Комментированная хронология важнейших событий.— М.: Атомиздат, 1974.
[117] Эти значения основаны на допущении, согласно которому заряд протона произвольно установлен равным +1, а заряд электрона равен -1.
[118] От латинского nucleus — ядро.— Прим. перев.
[119] Положительные ионы образуются в результате потери электронов, а отрицательные ионы — в результате присоединения электронов. Следовательно, у иона натрия меньше электронов, чем у атома натрия, а у иона хлора их больше, чем у атома хлора.
[120] См.: Развитие учения о валентности. Сб. под ред. В. И. Кузнецова.— М.: Химия, 1977, 248 с.
[121] Здесь и далее автор чрезмерно преувеличивает роль концепции резонанса, не упоминая о ее недостатках. Критический анализ теории резонанса см. Реутов О. А. Теоретические основы органической химии, изд. МГУ, 1964, стр. 94—98, а также Хюккель В. Химическая связь. Пер. с англ.— М.: ИЛ, 1959.— Прим. ред.
[122] Об историческом значении теории резонанса см.: Быков Г. В. История органической химии. Структурная теория. Физическая органическая химия. Расчетные методы.— М.: Химия, 1976, 360 с.
[123] См.: Кошкин Л. В., Мусабеков Ю. С. Возникновение и развитие представлений об органических свободных радикалах.— М.: Наука, 1967, 216 с.
[124] См. также кн.: Быков Г. В. История электронных теорий органической химии.— М.: Изд-во АН СССР, 1963, 423 с.
[125] См.: Кривомазов А. Н. Фредерик Содди. 1877—1956.— М.: Наука, 1978, 208 с.
[126] Во времена Содди считали, что в ядре имеются электроны и потеря ядром бета-частицы оставляет неуравновешенным дополнительный протон и, следовательно, увеличивает положительный заряд. В настоящее время принято считать, что ядро содержит только протоны и нейтроны. Электрон же образуется и выталкивается, когда нейтрон преобразуется в протон, так как увеличение положительного заряда эквивалентно потере путем выбрасывания отрицательного заряда.
[127] В действительности масса атома не совсем кратна массе атома водорода. Небольшие отклонения в массе не имеют значения для химии, но имеют отношение к той огромной энергии, заключенной в ядрах, которая позволила создать атомную бомбу и перейти к атомной энергетике (см. гл. 11).
[128] Этими же причинами объясняется также различие в периодах полураспада природного тория (торий-232) и тория, полученного в результате распада урана (торий-234), о котором говорилось в начале главы.
[129] См.: Старосельская-Никитина О. А. Эрнест Резерфорд (1871 -1937).— М.: Наука, 1967, 316 с.
[130] Космические лучи состоят из частиц, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства. Эти частицы, главным образом протоны, разгоняются до почти невообразимых энергий электрическими полями звезд и самой галактики.
[131] См.: Трифонов Д. Н. Структура и границы периодической системы.— М.: Атомиздат, 1969, 271 с.
[132] Имеется в виду курчатовий, названный в честь советского физика Игоря Васильевича Курчатова (1902—1960) — выдающегося ученого и организатора атомной промышленности в нашей стране.— Прим. перев.
[133] Строго говоря, атом с большей массой имеет большее число нейтронов по отношению к его массовому числу. Таким образом, кальций-40 содержит 20 нейтронов, что составляет 0.5 от его массового числа, а уран-238 содержит 146 нейтронов, что составляет 0.65 его массового числа.
[134] СССР был первым государством, начавшим использовать атомную энергию В мирных целях. 27 июня 1954 г. в г. Обнинске была пущена первая в мире атомная электростанция мощностью в 5 МВт. 5 декабря 1957г. в СССР было спущено на воду первое в мире судно гражданского назначения с ядерной силовой установкой — атомный ледокол «Ленин».
[135] В СССР ведутся широкие исследования по созданию установок по управляемому термоядерному синтезу.