Занимательная геохимия

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      В книге «Занимательная геохимия» академик Александр Евгеньевич Ферсман рассказал о своей многолетней работе над созданием новой ветви геологической науки — геохимии, стремясь показать химическую жизнь нашей планеты так, как она рисовалась его обогащенному научным опытом воображению.
      Эта новая ветвь науки о земле возникла в начале нашего века и изложена в трудах выдающихся советских ученых — академиков В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана.
      Потребовалось много работы и времени для того, чтобы из разрозненных наблюдений могли появиться общие представления о химическом составе земной коры. Успехи атомной физики и химии — наук о строении вещества — помогли геологу и минералогу составить ясное представление о распределении и круговороте вещества в земной коре. Человек понял единство процессов, протекающих в мельчайших частицах вещества — атомах и молекулах — ив громадных мировых сгущениях его — солнцах и отдаленнейших звездах.
      Создавалась геохимия — наука, которая уводит нас в область завоеваний химической физики, космической химии, астрофизики и в то же время смыкает данные этих наук с проблемами изучения полезпых ископаемых.
      Александр Евгеньевич Ферсман был энтузиаст геохимии, глубоко понимавший ее значение в хозяйственной и культурной жизни нашей Родины.
      Широкой популярности Александра Евгеньевича Ферсмана среди советской молодежи способствовала его горячая любовь к науке и жизни, вдохновлявшая его, видного ученого, занятого большой научной и государственной работой, на создание замечательных научно-популярных книг для молодежи; к лучшим из них относятся его «Занимательная минералогия» и «Занимательная геохимия».
      К сожалению, книгу «Занимательная геохимия» автор не успел закончить. Некоторые главы были дописаны друзьями и учениками Александра Евгеньевича Ферсмана: «Мир невидимого», «Атом разрушается» — академиком В. Г. Хлопиным, «Углерод», «Атомы в воде» и «Атомы в живой клетке» — академиком А. П. Виноградовым, «Редкие рассеянные элементы» — профессором В. В. Щербиной, «Метеориты — вестники вселенной» — Е. Л. Криновым. По материалам Александра Евгеньевича составлены главы «Из истории геохимических идей» и «Атомы в истории человечества».
      Первое издание книги вышло в 1948 г. под общей научной редакцией профессора Н. К. Разумовского, при консультации академика В. Г. Хлопина. Они сделали все, чтобы книга вышла такой, какой она была задумана А. Е. Ферсманом.
      «Занимательная геохимия» не утратила своего значения и до настоящего времени. Наоборот, интерес к ней со стороны широких кругов советских и зарубежных читателей за прошедшие годы еще более увеличился, в связи с возросшим значением геохимии и тех проблем, которые так мастерски освещает на страницах своей книги А. Е. Ферсман. В книгу по сравнению с предыдущим, третьим, изданием, вышедшим в 1954 г., редакция сочла необходимым внести некоторые дополнения и примечания, связанные с достижениями последних лет в области геохимии и сопредельных с ней наук, особенно физики.
      Академик Александр Евгеньевич Ферсман широко известен в нашей стране как выдающийся минералог, геохимик и географ, как настойчивый исследователь минеральных богатств нашей Родины, неутомимый путешественник, блестящий писатель и популяризатор геологических знаний.
      Александр Евгеньевич Ферсман родился 27 октября (8 ноября н. ст.) 1883 г. в С.-Петербурге. Все детство будущего ученого прошло в Крыму, где он научился любить камни. «Крым был моим первым университетом», — говорил Александр Евгеньевич.
      Юношу, увлекавшегося на первых порах внешней красотой камней, начинали постепенно интересовать вопросы их состава и происхождения.
      По окончании гимназии Александр Евгеньевич Ферсман учился в Московском университете, где слушал лекции по минералогии и вел работу под руководством выдающегося русского естествоиспытателя — Владимира Ивановича Вернадского.
      До В. И. Вернадского минералогия преподавалась в университете скучно и сухо. Минералоги конца XIX в. занимались преимущественно описанием минералов, изучением их кристалла-графических форм и их систематикой.
      В. И. Вернадский внес в эту описательную минералогию живую струю. Он стал рассматривать минералы как продукты естественных (земных) химических реакций и интересоваться условиями образования минералов: их рождением, жизнью и превращением в другие минералы.
      Это была уже не старая минералогия, равнодушно описывающая диковины земных недр. Молодые исследователи жили новыми увлечениями и новыми идеями. Они были не просто минералогами, но химиками-минералогами. «Так нас учил учитель, — вспоминал потом А. Е. Ферсман, — который сочетал химию с природой, химическую мысль с методами натуралиста. Это была школа нового естествознания, основанного на точных данных науки о химической жизни земли». Научная работа в университете велась не только в тиши кабинетов и лабораторий, но прежде всего на лоне природы. Экскурсии и экспедиции дополняли теоретический курс. Не раз их вспоминал потом А. Е. Ферсман.
      Годы шли за годами. Знание давалось в упорном труде. Молодые исследователи дни и ночи просиживали за своими исследованиями; иногда по нескольку дней не выходили они из университетского здания.
      В 1907 г. А. Е. Ферсман блестяще заканчивает Московский университет. Еще на студенческой скамье им были выполнены под руководством В. И. Вернадского и опубликованы пять научных работ но вопросам кристаллографии, химии и минералогии.
      За эти работы А. Е. Ферсман получил золотую медаль имени А. И. Антипова, присуждавшуюся Минералогическим обществом молодым ученым.
      В возрасте двадцати семи лет Александр Евгеньевич был избран профессором минералогии и в 1912 г., впервые в истории науки, начал читать лекции по новой дисциплине — геохимии.
      В своих лекциях Александр Евгеньевич особенно подчеркивал, что «...мы должны быть химиками земной коры. Мы должны изучать не только распространение и образование минералов, этих временно устойчивых комбинаций элементов, мы должны изучать и самые элементы, их распределение, их переходы, их жизнь».
      С этого же года началась не прерывавшаяся до конца жизни деятельность Александра Евгеньевича в Академии наук, сначала в Петербурге, а затем в Москве.
      Великая Октябрьская социалистическая революция создала совершенно новые, небывало благоприятные условия для научно-исследовательской работы ученых. Перед Александром Евгеньевичем раскрылись безграничные возможности проявления всех творческих дарований, и он целиком отдался разрешению вопросов, связанных с заданиями Коммунистической партии и правительства и историческими указаниями В. И. Ленина в статьях «Очередные задачи Советской власти»1 и «Набросок плана научно-технических работ» 2 — о систематическом изучении и обследовании естественных производительных сил страны.
      Глубокий и проникновенный исследователь, А. Е. Ферсман был в то же время одним из самых убежденных и страстных сторонников прикладной деятельности, неустанно призывая ученых не отрываться от практических, народнохозяйственных задач.
      В 1919 г., в возрасте тридцати пяти лет, А. Е. Ферсман был избран действительным членом Академии наук СССР и одновременно занял должность директора Минералогического музея Академии наук.
      Оценивая творческий путь Александра Евгеньевича, приходится изумляться разнообразию его научных и практических интересов и совершенно исключительной работоспособности. Развивая научные основы геохимии и минералогии, Александр Евгеньевич на первое место ставил полевые исследования. Он вел большую экспедиционную деятельность. Александр Евгеньевич посетил самые разнообразные районы нашей страны: Хибинские тундры на Кольском полуострове, цветущую Ферганскую долину, знойные пески Кара-Кумов и Кызыл-чКумов в Средней Азии, таежные пространства Прибайкалья и Забайкалья, лесистые восточные склоны Урала, Алтай, Украину, Крым, Северный Кавказ, Закавказье и др.
      Исключительный интерес представляет поистине героическая эпопея исследований Кольского полуострова, начатая Александром Евгеньевичем в 1920 г. в Хибинах и в 1930 г. в Монче тундре и продолжавшаяся до последних лет его жизни.
      Величайшим его достижением было открытие месторождений апатита и никелевых руд, имеющих мировое значение.
      В 1929 г. по решению партии и правительства началось промышленное освоение богатств Кольского полуострова. Когда-то глухой, дикий, почти не изученный утолок далекого Севера превратился в важнейший горно-промышленный район. В пустынном краю, как по волшебству, выросли новые города: сначала — Хибиногорск, ныне Кировск, вскоре — Мончегорск и др.
      Вот что пишет сам А. Е. Ферсман о работах на Кольском полуострове:
      1 В. И. Ленин. Сочинения, т. 27 стр. 228.
      2 Там же.
      «Среди всех переживаний прошлого, среди разнообразных картин природы, человека, хозяйства, самыми яркими в моей жизни явились впечатления Хибин — целого научного эпоса, который почти двадцать лет заполнял все мои думы, силы, энергию, овладел всем моим существом, заострил волю, научную мысль, желание, надежды... Только упорством и упрямством, только огромной работой над Хибинами мы смогли добиться результатов в этой стране чудес, стране, которая, как в сказке, раскрывала перед нами свои богатства». Блистательная эпопея Хибин не заслоняет других научных исследований Александра Евгеньевича. Его неиссякаемой энергии хватало на все.
      В 1924 г. Александр Евгеньевич начинает свои работы в Средней Азии, и интерес его к ним не ослабевает до конца жизни. В 1925 г. он предпринимает смелое путешествие в тогда почти неизведанные центральные Кара-Кумы и изучает богатое месторождение самородной серы, которое становится достоянием советской промышленности. Построенный при его участии серный завод работает и в настоящее время.
      За время с 1934 по 1939 г. Александр Евгеньевич завершил свой основной четырехтомный труд «Геохимия», посвященный химии элементов земной коры, — замечательное по своей силе и творческому предвидению произведение, где на основе законов физической химии дан широкий анализ закономерностей перемещения атомов в земной коре. Этот труд принес А. Е. Ферсману, и в лице его — русской геохимии, мировую славу.
      В 1940 г. Александр Евгеньевич заканчивает труд «Полезные ископаемые Кольского полуострова». В этой работе он дает блестящий пример геохимического подхода к изучению ископаемых богатств и намечает открытие ряда новых месторождений полезных ископаемых. За эту работу в 1942 г. А. Е. Ферсман получает Сталинскую цремию первой степени.
      Литературное наследие А. Е. Ферсмана огромно. Он опубликовал около 1500 статей, книг, больших монографий. Кроме работ по кристаллографии, минералогии, геологии, химии, геохимии, географии, аэрофотосъемке, он оставил работы по астрономии, философии, искусству, археологии, почвоведению, биологии и другим наукам.
      Александр Евгеньевич Ферсман был не только ученым, но и государственным и общественным деятелем.
      Необходимо особо отметить деятельность Александра Евгеньевича как блестящего, талантливого писателя — популяризатора геологических знаний, — «поэтом камня» назвал его А. Н. Толстой.
      Его доклады, лекции, личные беседы вдохновляли, захватывали слушателей, а многочисленные научно-популярные статьи увлекали читателей самых различных возрастов и профессий.
      В 1928 г. появилось первое издание «Занимательной минералогии», ныне переведенное на многие иностранные языки и выдержавшее 25 изданий. В 1940 г. вышли «Воспоминания о камне». Уже после смерти А. Е. Ферсмана были напечатаны «Путешествия за камнем», «Рассказы о самоцветах» и «Занимательная геохимия». Все эти книги доставили Александру Евгеньевичу широкую популярность.
      Такие книги не рождаются внезапно. Это результат долгих лет творческого труда и опыта; в них отражена вся жизнь ученого и его научные интересы. В то же время это книги опытного, талантливого педагога, которому дороги задачи воспитания научной молодежи, нашей молодой смены. Своим горячим словом вдохновенного писателя и блестящего оратора А. Е. Ферсман привил любовь к минералогии и геохимии огромной архмии молодежи и увлек большое число научных работников к новым исследованиям и исканиям.
      Хочется особо подчеркнуть его великую любовь к Родине. Она чувствуется в каждом его очерке и во всех его высказываниях. Все его очерки являются гимном трудового подвига, призывающим к овладению природой нашей страны и ее творческому преобразованию на основе точного научного знания.
      «Мы не хотим, — говорил Александр Евгеньевич, — быть фотографами природы, земли и ее богатств. Мы хотим быть исследователями, творцами новых идей, хотим быть завоевателями природы, борцами за ее подчинение человеку, его культуре, его хозяйству.
      Мы не хотим быть простыми точными наблюдателями, бесстрастными туристами, записывающими свои впечатления в записную книжку. Мы хотим глубоко переживать картины природы, хотим, чтобы из глубокого вдумчивого исследования природы рождалась не только мысль, но и дело. Мы не можем просто гулять по раздолью нашей Родины, мы должны быть участниками ее переустройства и творцами новой жизни».
      Без работы и без науки для Александра Евгеньевича не было жизни. Чем труднее была задача, тем с большим жаром брался он за ее разрешение.
      20 мая 1945 г. после тяжкой болезни оборвалась его жизнь.
      «Безмерны и бессмертны, — сказал академик Д. С. Белянкин, — заслуги Александра Евгеньевича перед наукой и Родиной. По широте научных своих интересов и по сочетанию с неустанными заботами о пользе и славе нашего Отечества он вполне напоминает наших бессмертных Ломоносова и Менделеева.. Недаром так священны были для него эти имена».
      Академик Д. И. Щербаков.
     
      ВВЕДЕНИЕ
     
      Несколько лет назад я написал «Занимательную мине-ралогпю». Ко мне приходили десятки, сотни писем от учащихся, рабочих и различных специалистов. В этих письмах я видел столько неподдельного, живого увлечения камнем, его исследованием и историей его использования! В некоторых обращениях детей было вместе с тем так много молодого задора, смелости, бодрости, энергии... Меня увлекли эти письма, и я решил написать вторую книгу для юношества, для нашей будущей смены.
      Последние годы я работал в другой области, гораздо более трудной, гораздо более отвлеченной, — моя мысль увлекла меня в замечательный мир — мир бесконечно малых, ничтожных крупинок, из которых сложена вся природа и сам человек.
      По окончании университета мне пришлось принимать участие в создании новой науки, которую мы называем геохимией. Мы создавали ее не сидя за листом бумаги в удобном кабинете, — эта наука рождалась из множества точных наблюдений, опытов, измерений; она рождалась в борьбе за новое, марксистское понимание нашей жизни и природы; и прекрасны были те минуты, когда завершались отдельные новые главы этой науки будущего.
      Что же занимательного я буду рассказывать о геохимии, да и что это за наука? Почему не просто химия, а геохимия? И почехму о ней пишет не химик, а геолог, минералог, кристаллограф?
      Ответ на этот вопрос читатель получит, в сущности, не в первом очерке; нет, тахМ будет сказано о многом, но кратко..
      Поймет глубину и занимательность геохимии только тот, кто дочитает книгу до конца.
      Тогда он скажет: «Вот что такое геохимия, какая интересная, но трудная наука! Как мало я еще знаю и химию, и геологию, да и минералогию, чтобы полностью понять ее!».
      Но понять ее стоит, так как будущее геохимии значительнее, чем это предполагают: именно она вместе с физикой и химией подчинит воле человека величайшие запасы энергии и вещества.
      Прежде чем закончить введение, я хочу обратиться к читателям с несколькими советами, как читать эту книгу. Ведь мало сказать, что надо читать, — часто еще гораздо важнее сказать, как надо читать, каким образом надо изучать книги и научиться извлекать из них больше пользы. Одни книги читаются запоем, когда интересный рассказ увлекает вас и вы не можете оторваться от него, пока не прочтете последнюю страницу. Так читают, например, занимательные приключенческие романы. Другие книги надо изучать: в них читатель найдет изложение отдельных наук, научных проблем или научных данных, описание явлений природы, сообщение о научных выводах. Такие книги нужно читать, вникая в каждое слово, не пропуская ни отдельных страниц, ни даже строк или слов.
      Наша же книга не увлекательный роман и не научный трактат. Она построена по особому плану. Ее четыре части одна за другой переходят от общих вопросов физики и химии к вопросам геохимии и ее будущего. Читатель, который мало знаком с основами этих наук, должен читать книгу неторопливо и внимательно, быть может, даже перечитывать заинтересовавшие его или трудные страницы. Но если читатель знает физику и химию, он может перескакивать через отдельные очерки, которые ему знакомы: автор старался каждый очерк сделать самостоятельным целым, по возможности не зависимым от других. Книга пригодна и для углубления знаний по химии или геологии.
      Учащимся очень полезно читать отдельные главы во время прохождения общего курса химии, так как каждая из этих глав может в значительной части иллюстрировать те или иные сухие страницы учебника химии.
      Изучая металлоиды, можно попутно прочесть главу о фосфоре и сере; изучая черные металлы, — познакомиться с главами о железе и о ванадии.
      При изучении геологии точно так же надо было бы пользоваться соответственными главами, освещающими большие химические проблемы распространения элементов в земной коре. Особый интерес в этом отношении представляют главы, посвященные описанию земной коры, и главным образом часть ‘третья — «История атома в природе».
      Те, кто изучают химию, увидят, что в своем изложении я коснулся лишь немногих химических элементов: только пятнадцать элементов описаны сколько-нибудь детально, но я и не стремился дать полную химическую характеристику и историю всех элементов в мироздании, в глубинах земной коры, на земной поверхности и в руках человека.
      И хотел осветить только отдельные наиболее существенные черты «поведения» самых обычных и полезных элементов, живущих вокруг нас своей сложной химической жизнью среди незаметных и постоянных химических процессов земли. Я уверен, что можно написать много страниц о каждом химическом элементе. Может быть, читателю придет желание самому попытаться написать историю какого-либо элемента, о котором я ничего не сказал. Мне кажется, что это была бы полезная практическая задача, и если кто-либо, заинтересовавшись, например, куском металлического хрома, его судьбой, его месторождениями и ролью в промышленности, попытался бы пойти по этому пути, то он мог бы написать ряд интересных страниц из истории этого элемента и осветить поведение этого атома из семьи железа.
      Я могу только посоветовать внимательным читателям, изучившим нашу книгу и интересующимся проблемами широкого анализа природы, попытаться выполнить такую задачу и продолжить те страницы, которые написаны мной о самых важных злементах земли.
     
      ЧТО ТАКОЕ ГЕОХИМИЯ
      Что такое геохимия? — это первый вопрос, на который f нужно ответить, чтобы понять все то, о чем мы будем говорить в нашей книге.
      Мы знаем, что геология — наука, которая учит, что представляет собой земля, земная кора, какова ее история, как земля изменяется, как образуются горы, реки, моря, как возникают вулканы и как на дне океана медленно растут осадки илов и песков.
      Нам понятна и минералогия, которая изучает отдельные минералы.
      В своей книге «Занимательная минералогия» я писал: «...Минерал есть природное соединение химических элементов, образовавшееся естественным путем, без вмешательства человека. Это своего рода здание, построенное из определенных кирпичиков в различных количествах, но не беспорядочная куча этих кирпичей, а именно постройка по определенным законам природы. Мы хорошо можем понять, что из одних и тех же кирпичей, даже взятых в одном и том же количестве, можяо построить разные здания. Так один и тот же минерал может встречаться в природе в самых различных видах, хотя по существу он остается всё тем же химическим соединением.
      Мы насчитываем около ста сортов этих кирпичей, из которых построена вся окружающая нас природа.
      К этим хихмическим элементам, например, относятся: газы — кислород, азот, водород; металлы — натрий, магний, железо, ртуть, золото или такие вещества, как кремний, хлор, бром и другие.
      Различные сочетания элементов в различных количествах и дают наАм то, что мы называем минералом: например, хлор
      и натрий дают поваренную соль, кислород в двойном ко-личестве с кремнием дают кремнезем или кварц и так далее.
      ...Итак, из сочетаний различных химических элементов построено в земле три тысячи разных минералов (кварц, соль, полевой шпат и др.)» а эти минералы, накапливаясь вместе, образуют то, что мы называем горной породой (например, гранит, известняк, базальт, песок и т. д.).
      Та наука, которая изучаем минералы, называется минералогией, описывающая горные породы — петрографией а изучающая самые кирпичики и их странствование в природе — геохимией...».
      Геохимия — еще молодая наука, которая выдвинулась только за последние десятки лет и главным образом благодаря работам советских ученых.
      Ее задачи заключаются в том, чтобы проследить и выяснить судьбу и поведение в земле химических элементов, лежащих в основе окружающей нас природы, которые, будучи расположены в определенном порядке, составляют замечательную таблицу Д. И. Менделеева.
      Основной единицей исследований геохимии является химический элемент и его aTQM.
      В каждой клетке таблицы Д. И. Менделеева, как правило помещается один химический элемент — атом, и каждая клетка имеет очередной порядковый номер. Первый номер имеет самый легкий 3J емент — водород, а один из самых тяжелых химических элементов в земной коре, 92-й, называется ураном, и он тяжелее водорода в 238 раз.
      Атомы чрезвычайно малы, и если представить их в виде шариков, то диаметр атома составит одну десятимиллионную долю миллиметра. Но атомы совершенно не похожи на сплошные шарики и образуют более сложную систему, состоящую из ядра атома, вокруг которого движется то или иное, разное у различных сортов атомов, число электронов.
      Таким образом, по своему строению атомы скорее напоминают солнечные системы сверхмикроскопичееких размеров с центральным солнцем — ядром и движущимися вокруг него планетами — электронами.
      У разных сортов атомов — химических элементов — число электронов различно. Благодаря этому они отличаются друг от друга по своим химическим свойствам. Атомы, обмениваясь между собой своими электронами, входят в соединения — образуют молекулы.
      На Менделеевской таблице намечается ряд естественных семейств элементов, которые встречаются вместе не только на таблице, но и в самой природе.
      Величие системы Менделеева и заключается именно в том, что это — не теоретическая схема, а выражение тех природных взаимоотношений, которые существуют между отдельными элементами и которые определяют их сходство, их различие, их перемещения в земле.
      Словом, таблица Менделеева есть вместе с тем и таблица геохимическая, которая как надежный компас помогает геохимикам в их поисковых работах.
      Новые идеи зарождаются всюду, где вдумчивая мысль ученого пытается применить закон Менделеева к анализу природных явлений.
      Но что же такое геохимия? Что представляет собой эта новая наука, привлекшая за последние годы так много исследователей?
      Как показывает ее название, геохимия изучает химические процессы, происходящие в самой земле.
      Химические элементы как самостоятельные единицы природы перемещаются, странствуют, соединяются, — словом, как мы говорим, мигрируют в земной коре; законы сочетаний элементов и минералов при различных давлениях и температурах в-разных участках земной коры, законы участия элементов в построении почвы, горных пород и живого вещества и законы использования вещества самим человеком и представляют те проблемы, которыми занимается современная геохимия.
      Некоторые химические элементы (например, скандий, гафний) не обладают способностью образовывать скопления и иногда настолько рассеяны, что в породе находится лишь стомиллионная доля процента определенного химического элемента.
      Такие элементы можно было бы назвать сверхрассеянными,. и их мы добываем только в том случае, если они представляют какую-либо особую ценность для практики.
      Сейчас мы предполагаем, что в каждом кубическом метре любой горной породы можно найти все элементы Менделеевской таблицы, если только наши методы анализа будут достаточно совершенны. Не надо забывать, что новые методы в истории науки имеют еще большее значение, чем новые теории.
      Другие элементы (например, свинец, железо), наоборот, в своих постоянных перемещениях имеют как бы ряд остановок, образуя такие соединения, в которых они легко накапливаются, долго сохраняются и, независимо от сложных иЗхМенений земной коры в ее геологической истории, сохраняют формы скоплений, образуют крупные концентрации и оказываются доступными для промышленного использованпя.
      Геохимия изучает законы распределения и миграции химических элементов не только в мироздании в целом, но и в определенных геологических условиях, в определенных районах нашей страны, намечая пути для поисков и разведок полезных ископаемых.
      Таким образом, глубокие теоретические установки современной геохимии все ближе и ближе смыкаются с проблемами практики, и геохимия стремится на основании ряда общих положений показать, где может встречаться какой-либо химический элемент, где и при каких условиях можно встретить скопления, например, ванадия или вольфрама, какие металлы «охотнее» находятся вместе, как, например, барий и калий, какие будут «избегать» друг друга, как, например, теллур и тантал.
      Геохимия изучает поведение каждого элемента, но, чтобы -судить об этом поведении, она должна хорошо знать свойства элемента, его своеобразие, склонность соединяться с другими элементами или, наоборот, отделяться от них.
      Геохимик, таким образом, превращается в поисковика-раз-ведчика, он подсказывает те места земной коры, где можно найти железные и марганцевые руды, сообщает, где среди змеевиков можно найти месторождения платины, и объясняет — почему; он направляет геологов на поиски мышьяка и сурьмы в молодых геологических породах и горных хребтах и предскажет неудачу, если будут искать эти металлы там, где условия для их концентрации отсутствуют.
      Но все это возможно, когда хорошо изучено «поведение» химического элемента, точно так же, как, изучив поведение человека в жизни, можно не только учесть все его поступки, но можно предсказать, как он будет себя вести при различных обстоятельствах.
      Вот в чем заключается огромное практическое значение этой новой науки!
      Таким образом, геохимия идет рука об руку с геологическими и химическими науками.
     
     
     
      Я не хочу затруднять вас массой фактов, примеров, расчетов и не берусь научить вас всем премудростям геохимии. Нет, я хочу только, чтобы вы увлеклись этой новой наукой, родившейся совсем недавно, чтобы вы сами убедились из отдельных очерков странствований элементов по всему миру, что геохимия — еще молодая наука, что перед ней открываются широчайшие перспективы в будущем, но что это будущее она должна завоевать.
      В мире научных идей, как и всюду в жизни, не сразу побеждают прогресс и истина: нужна борьба за них, мобилизация всех сил, нужна большая целеустремленность и энергия, большая уверенность в своей правоте и вера в победу.
      Побеждает не отвлеченная, бесплодная, неактивная мысль, а только мысль боевая, горящая огнем новых исканий, мысль, тесно спаянная с самой жизнью и ее задачами.
      Необъятное поле для исследований лежит перед химиками земли в нашей стране.
      Нам нужно еще огромное количество фактов, и они нам нужны, по словам великого русского ученого Ивана Петровича Павлова, так же, как нужен воздух, чтобы поддерживать крылья птицы.
      Но птица и самолет держатся в воздухе не только воздушной стихией, а прежде всего своим собственным движением вперед и выше.
      Этим же движением вперед и выше держится всякая наука, она держится упорной творческой работой, огнем смелых исканий, соединенных одновременно с холодным и трезвым анализом своих достижений.
      Мы неминуемо идем к полному вовлечению в промышленность всех химических элементов, и даже искусственно получаемых.
      Поэтому современное значение геохимических исследований по распределению химических элементов в земной коре еще более возрастает.
      Оно обязывает нас искать законы этого распределения, и у нас имеются к тому все возможности.
      К молодым кадрам призыв — вперед, за освоение недр нашей Родины!
     
      МИР НЕВИДИМОГО. АТОМ И ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
      Дайте руку читатель. Я поведу вас в мир малых величин, которых в обыденной жизни мы не замечаем.
      Вот лаборатория уменьшений и увеличений. Зайдем в нее. Нас уже ждут: этот еще не старый человек в рабочем костюме, такой обыкновенный на вид, — знаменитый изобретатель. Послушаем его.
      «Зайдемте в кабину, — она сделана из материала, проницаемого для лучей любой длины волны. Я поверну рычаг вправо, и мы начнем уменьшаться. Процесс уменьшения, не очень приятный, идет точно по секундомеру, за каждые четыре минуты мы уменьшаемся в тысячу раз. Мы остановимся через четыре минуты, выйдем из кабины и увидим окружающий мир таким, каким он виден в лучшие микроскопы. Затем вернемся в кабину и испытаем уменьшение еще в тысячу раз».
      Итак, мы повернули рычаг...
      Наш рост уменьшился, мы стали величиной с муравья... Мы иначе стали слышать, так как наше ухо перестало реагировать на воздушные волны... Лишь какие-то шумы, гудение, треск и шелесты доходят до нашего сознания. Но способность видеть осталась, так как в природе существуют рентгеновские лучи с длиной волны в тысячу раз меньшей, чем световые. Мы вышли из кабины уменьшенными в тысячу раз... Вид предметов изменился неожиданным образом: большинство тел стали очень прозрачными, и даже металлы превратились в ярко окрашенные, похожие на цветные стекла тела... Но зато стекло, смола, янтарь потемнели и стали походить на металлы.
      Мы видим клетки растений, заполненные пульсирующим соком и зернами крахмала, и, при желании, можем просунуть
      руку в устьице листа; в капле крови плавают кровяные тельца величиной с копейку, бактерии туберкулеза имеют вид изогнутого гвоздя без шляпки... Бактерии холеры походят на мелкий боб с быстро двигающимся хвостиком... Но молекул не видно, и только беспрерывное дрожание стенок кабины, да легкое покалывание лица воздухом, как будто навстречу нам дует ветер с пылью, напоминают нам о том, что близок предел делимости материи...
      Мы снова вернулись в кабину и перевели рычаг еще на одно деление. Все потемнело, наша кабина задрожала, как при землетрясении.
      Когда мы пришли в себя, кабина продолжала дрожать, и, казалось, кругом нас бушует буря с градом: что-то непрерывно, как горох, сыпалось на нас; можно было подумать, что нас обстреливают из тысячи пулеметов...
      Наш проводник неожиданно заговорил:
      «Выйти нельзя. Мы уменьшились в миллион раз, и рост наш теперь измеряется тысячными долями миллиметра: он равен всего полутора микронам.
      Толщина наших волос сейчас равна одной стомиллионной сантиметра; такая величина называется ангстрем и служит для измерения молекул и атомов. Поперечник молекул газов воздуха равен примерно ангстрему. Эти молекулы носятся с огромной скоростью и бомбардируют нашу кабину.
      Еще при первом уменьшении мы заметили, что ветер бил нам в лицо как бы пылью: это было влияние отдельных молекул. Сейчас мы стали меньше, и их движение нам столь же опасно, как человеку, когда в него выстрелят песком.
      Посмотрите сквозь окно, — вы видите пылинку в микрон в поперечнике, то есть почти такую, как и мы сами. Как она пляшет во все стороны от неравномерных ударов вихря молекул! К сожалению, мы рассмотреть их не можем: они слишком быстро двигаются... Но пора возвращаться: ультракороткие волны, в лучах которых мы рассматривали молекулы, вредны для наших глаз».
      С этими словами наш проводник повернул рычаг.
      Наше путешествие закончилось, конечно, оно было только воображаемое. Но картина, которую мы нарисовали, близка к действительности.
      Опыт показывает нам, что, как бы ни совершенствовались методы анализа, в результате анализа сложных тел мы приходим к ряду простых веществ, которые не могут быть химически разложены на еще более простые составные части.
      Вот эти, далее не поддающиеся разделению, простые тела, из которых состоят все окружающие нас тела природы, мы называем химическими элементами.
      Постоянно соприкасаясь с окружающими нас телами природы, живыми и мертвыми, твердыми, жидкими и газообразными, человек пришел к одному из важнейших своих обобщений: к понятию о веществе, о материи. Каковы свойства этой материи, каково ее строение? Этот вопрос, который должен поставить перед собой всякий, изучающий природу.
      И первый ответ, который дает нам непосредственное ощущение, это видимая непрерывность вещества. Но это впечатление — обман наших чувств. Пользуясь микроскопом, мы часто открываем в веществе пористость, то есть наличие мелких пустот, не видимых невооруженным глазом.
      Но и для таких веществ, в которых, казалось бы, принципиально не может быть пор, как вода, спирт и другие жидкости, а также для газов мы должны признать наличие промежутков между частицами вещества, иначе нам нельзя было бы понять, почему вещества могут сжиматься при давлении, почему они могут расширяться при нагревании.
      Всякая материя зерниста. Самые малые зернышки вещества получили название атомов или молекул. Удалось измерить, например, что у воды сами молекулы занимают всего лишь около трети или четверти пространства. Остальное приходится на поры.
      Сейчас мы знаем, что при сближении атомов возникают силы отталкивания и атомы не могут слиться друг с другом. Около каждого атома можно описать «сферу непроницаемости», за которую при обычных химических реакциях не может проникнуть другая материя. Поэтому атомы вместе с этой сферой можно рассматривать как упругие шарики, непроницаемые друг для друга. Каждый элемент имеет сферу непроницаемости, радиус которой выражается в ангстремах. Меньше всего этот радиус у углерода — 0,18 ангстрема и у кремния — 0,41 ангстрема, радиус у железа — 0,67 и 0,79, у кальция — 1,01, у кислорода радиус сферы непроницаемости большой — 1,32 ангстрема (см. рисунок на странице 23, где элементы изображены в виде кружков, пропорциональных размерам радиусов их сфер).
      Но если мы будем укладывать шары в какой-либо ящик, то беспорядочно расположенные шары займут больше места, чем при правильной укладке. Та из укладок, которая займет наименьший объем, называется плотнейшей упаковкой. Ее легко получить, например, при таком опыте: взяв несколько десятков стальных шариков (от шарикоподшипника), положить их на блюдечко и легко постукивать. Благодаря тому, что все шарики будут стремиться к центру блюдечка, они будут теснить друг друга и скоро расположатся рядами, образующими между собой угол в 60°. Снаружи они расположатся по сторонам правильного шестиугольника. Это и будет плотнейшая упаковка шаров одного размера на плоскости.
      Так уложены, например, атомы многих металлов — меди, золота и других.
      Если шары неодинаковые, например двух резко различающихся размеров, то часто случается, что шары большего размера (например, хлор — у кристаллов поваренной соли) дают плотнейшую упаковку, а меньший атом располагается в промежутках между крупными шарами.
      Таким образом, у поваренной соли или минерала галита — NaCl — один атом натрия окружен с шести сторон атомами хлора, а каждый атом хлора окружен с шести сторон атомами натрия. При этих условиях силы притяжения между ионами натрия и хлора оказываются наибольшими.
      Итак, окружающие нас тела, независимо от степени их сложности, состоят из сочетания отдельных мельчайших, невидимых простым глазом частиц, или атомов, наподобие того, как большое красивое здание бывает построено из отдельных небольших кирпичей.
      Мысль об этом зародилась в глубокой древности, и понятие «атом» (по-гречески — «неделимый») мы встречаем еще у греческих философов-материалистов Левкиппа и Демокрита за шестьсот — четыреста лет до нашей эры. По современным представлениям, начало которым было положено еще в девятнадцатом столетии, химический элемент в свободном состоянии в форме простого тела состоит из совокупности однородных атомов, далее не делимых без потери химических качеств и особенностей, присущих данному элементу.
      В настоящее время ученым известно 102 различных элемента, а значит, и 102 вида различных атомов.
      Из сочетаний этих 102 видов атомов построены все известные нам тела природы (в том числе и искусственно созданные
      соединения двенадцати элементов, не существующих в природе).
      Атомы одного и того же элемента, так же как и атомы различных элементов, сочетаясь друг с другом по два и более, могут образовывать молекулы различных веществ. Атомы и молекулы, соединяясь друг с другом, строят все многообразие природных тел. Разнообразие комбинаций атомов не так уж значительно, так как только некоторые обладают устойчивостью, но размеры их незначительны, поэтому число атомов и молекул очень велико. Например, если взять 18 граммов воды, так называемую грамм-молекулу, то в этом количестве воды будет содержаться 6,02 1023 молекул воды.
      Число это колоссально, оно во много тысяч раз больше, чем число зерен ржи и пшеницы, выросших на земном шаре за все время существования растительной жизни.
      Для того чтобы составить себе представление о размере молекулы, сравним ее с самым мельчайшим из живых организмов — бактерией, видимой лишь в микроскоп при увеличении около тысячи раз. Размер самых маленьких бактерий равен двум десятитысячным долям миллиметра. Это в тысячу раз больше размера молекулы воды, а в самой маленькой бактерии содержится более двух миллиардов атомов, то есть больше, чем живет людей на земном шаре.
      Цепочка из молекул воды, содержащихся в 1 см3, могла бы более тридцати раз протянуться от Земли до Солнца и обратно, так как ее длина равна 9 400 000 000 км.
      Первоначально атом представляли себе в форме мельчайшей, далее не делимой частицы, однако при более близком изучении, по мере усовершенствования и уточнения наших методов исследования сам атом оказался весьма сложным образованием. Природа атома впервые проявилась наглядно, когда люди познакомились с явлениями радиоактивности и стали их изучать.
      Оказалось, что атом каждого химического элемента, несмотря на свои ничтожные размеры (поперечник его равен одной стомиллионной части сантиметра), представляет собою весьма сложное образование, построенное наподобие нашей солнечной системы.
      Атом состоит из ядра (поперечник его в сто тысяч раз меньше, чем поперечник атома, и меньше одной триллионной части сантиметра), в котором сосредоточена практически вся масса атома.
      Ядро атома несет положительный электрический заряд. Количество положительных частиц в ядре возрастает по мере перехода от атомов легких химических элементов к тяжелым и численно равно порядковому номеру клетки периодической таблицы, которую занимает элемент.
      Вокруг ядра на различных расстояниях вращаются электроны. Число электронов равно числу положительных зарядов ядра, так что атом в целом есть образование электрически нейтральное.
      Ядра атомов всех химических элементов построены из двух простейших частиц — протона, или ядра атома водорода, и нейтрона. Протон имеет массу, почти равную массе атома водорода, и несет один положительный заряд. Нейтрон — материальная частица, имеющая такую же массу, как протон, но лишенная какого-либо электрического заряда.
      Протоны и нейтроны в ядрах атомов сцеплены настолько прочно, что при всех химических реакциях ядра атомов совершенно устойчивы и остаются неизменными.
      Химические свойства элементов зависят от строения и свойств наружной электронной оболочки атомов, от способности их отдавать или присоединять электроны. Строение же ядра атома на химических свойствах атома почти не сказывается. Поэтому атомы, обладающие одним и тем же числом наружных электронов, даже если структура ядер, масса их или атомный вес различны, обладают близкими химическими свойствами и образуют родственные группы атомов, как, например, хлор, бром, иод и тому подобные группы.
      На рисунках схематически показаны различные модели строения атомов, из которых видно, как усложняются орбиты электронов по мере увеличения атомного веса.
     
      АТОМЫ ВОКРУГ НАС
      Посмотрите на три прекрасных снимка, которые мы помещаем в этой главе.
      Дивный вид горного озера, синяя гладь воды, вокруг скалы известняков, темно-зеленые пятна одиноких деревьев, а над всем яркое южное солнце.
      Шумный, окутанный дымом и паром, пылающий огнями металлургический завод — чудо советской техники, гордость целого поколения строителей; длинными змеями тянутся к нему поезда с рудой, углем, флюсами, кирпичом, а от него они увозят сотни тонн рельсов, болванок, отливок, проката в новые центры промышленности.
      Современные нарядные автомобили — сверкают покрытые лаком крылья, рокочут мощные моторы, тихо раздается пение радиоприемника. Из трех тысяч деталей собрана эта дивная машина на длинном конвейере завода, и преодолеть сотни тысяч километров ей нипочем!
      Посмотрите на эти три картинки и откровенно скажите мне, о чем вы подумали, посмотрев на них, что вас в них заинтересовало, о чем захотелось спросить.
      Я угадываю ваши мысли и ваши вопросы: ведь вы живете в век техники и промышленности, ваши интересы там, где машина рождает силу, а сила рождает машину.
      Но я хочу рассказать вам совсем о другом, чтобы вы иными глазами посмотрели на наши картинки. Слушайте же!
     
     
     
      «Сколько замечательных геологических проблем таится в этом озерз! — скажет мне геолог. — Как образовался этот
      Горное озеро в Таджикской ССР
      огромный и глубокий провал, что заперло эти синие воды в отвесных скалах таджикских хребтов? Ведь от вершин гор до дна озера две-три тысячи метров: какие могучие силы смогли поднять и смять пласты горных пород?»
      «Какие чудесные известняки образуют скалы и горы! — скажет минералог. — Как много десятков и сотен тысячелетий должно было пройти, чтобы накопился на дне океанов такой мощный осадок из ила, раковин, скорлупок, панцирей и сжался бы в плотную известковую породу, почти в мрамор! Возьмите обычную минералогическую лупу, которая увеличивает в десять раз; вы с трудом различите при ее помощи отдельныё блестящие кристаллики известкового шпата, из которых сложена порода».
      «Какая белизна и чистота у этого известняка! — перебьет его химик-технолог. — Ведь это великолепное сырье для цементной промышленности и для обжига на известь, — это почти чистый углекислый кальций, соединение атомов кальция, кислорода и угольной кислоты. Посмотрите, я растворю его в слабой кислоте, кальций растворится, а угольная кислота с шипением улетит в воздух».
      «Но можно проделать и более точные опыты, — скажет геохимик. — С помощью спектроскопа можно доказать, что в этом известняке есть и другие атомы: стронция и бария, алюминия и кремния. А если сделать сверхточный анализ и попытаться
      определить самые редкие атомы, которых содержится меньше одной миллионной доли процента, то можно будет открыть в нем даже цинк и свинец.
      И не думайте, нто это особое свойство нашего известняка: даже в самом чистом мраморе, какой есть на свете, опытные химики насчитывают 35 видов разных атомов.
      Ведь в каждом кубическом метре камня — гранита или базальта, известняка или глины — можно будет найти все элементы Менделеевской таблицы, только некоторых из них будет в триллион раз меньше, чем кальция или углерода».
      Геолог минералог, химик и геохимик так увлекут нас своими рассказами, что вместо простого сероватого известняка перед нами встанут скалы какого-то загадочного камня; и захочется глубже проникнуть в его природу и раскрыть тайну его бытия и происхождения.
     
      Теперь обратимся к заводу. Какие странные, необычные по масштабу и по форме здания! Гигантские башни-колодцы, наполненные рудой, углем, камнем; к этим башням подведены огромные трубы, подающие сжатый и нагретый воздух. Для чего это? Зачем плавится там внутри металл, горит уголь, вспыхивают при выходе тучи раскаленных газов?
      И вы, наверное, удивитесь, если я скажу вам, что это лаборатория атомов: в руде атомы железа крепко-крепко связаны более крупными шарами — атомами кислорода, которые мешают железным атомам сблизиться и дать нам ковкий тяжелый металл — железо... А руда железа совсем не имеет свойств этого металла, хотя и содержит 70% его. Поэтому надо выгнать кислород. Но это не так просто сделать!
      Помните, читатель, сказку, как одна девочка должна была выбрать из груды зерен все песчинки и как она позвала для этой работы своих друзей муравьев и они выполнили успешно трудный урок? Так ведь то были песчинки, которые в миллион раз больше, чем атомы кислорода! «Трудная задача, да и вряд ли выполнимая», — скажете вы. Да, много труда и человеческой энергии потребовалось, чтобы решить эту головоломку.
      И все же она решена!
      Человеческий гений призвал здесь на помощь не муравьев, а атомы других веществ. И в союзе со стихиями — огнем и ветром — он заставил эти атомы отнимать кислород от железа и выносить его с горячим воздухом на поверхность кипящего в печи расплава.
      Что же это за атомы-друзья, которые победили кислород? Их два — кремний и углерод. Оба они очень крепко, крепче
      Магнитогорский .металлургический завод
      железа, схватывают кислород и образуют с ним прочные постройки. И оба помогают друг другу. Углерод, сгорая, отнимает кислород и при этом развивает огромную температуру; но один он не справился бы, так как твердая железная руда тугоплавка, малоподвижна и атомам углерода не проникнуть внутрь плотных кусков руды.
      Но тут приходит на помощь кремний: маленький, цепкий, он дает легкоплавкие шлаки, растворяет руду, отнимает кислород и передает его углероду. Часть углерода растворяется в железе и сообщает ему подвижность, легкоплавкость.
      И тогда приходят на помощь стихии: огонь увеличивает подвижность, все легкое вместе с газами всплывает вверх, все тяжелое опускается вниз, и вот перед нами чудо: атомы разделились — железо с растворенным углеродом располагается внизу печи, легкие шлаки, унесшие весь кислород руды, плавают на поверхности расплавленного металла; их можно выбросить туда, куда укажет рука мастера...
      Как много знаний надо было накопить, как детально надо было изучить повадки и прихоти каждого атома, чтобы суметь в колоссальных масштабах безошибочно сортировать атомы по своему желанию!
     
     
     
      Посмотрим теперь на третий снимок — наш советский автомобиль. Он тоже — сочетание атомов, подобранных друг к другу для единой цели — дать неутомимую, сильную, бесшумную и быструю машину.
      Три тысячи деталей из 65 сортов атомов и не менее 100 сортов металла — вот что такое эта машина! В ней много железа, но железа, свойства которого изменены на сотни ладов: вот сплав железа с 4% углерода — чугун, из него отлито тело мотора. Но вот в нем оставили меньше углерода — и получилась твердая и упругая сталь. Вот к железу прибавили похожие на него атомы марганца, никеля, кобальта, молибдена, — сталь стала упругой, выносливой, не боящейся ударов. Прибавили ванадия, — сталь приобрела гибкость хлыста, и создалась неутомимая рессора...
      На втором месте в машине теперь стоит не медь, как раньше, а алюминий, — поршни и ручки, изящные корпуса, покрытия и полосы — все, что можно сделать легким, все из алюминия или его сплавов с медыо, кремнием, цинком, магнием...
      А лучший фарфор — в автомобильных свечах, а лаки, не боящиеся дождя и холода, сукна, медь — в проводах, свинец и сера — в аккумуляторах... Довольно, а то не останется ни одного
      элемента, который бы не ездил в автомобиле... Они, сочетаясь между собой, образуют более 250 различных веществ и материалов, которые прямо или косвенно используются автомобильной промышленностью.
      И надо подчеркнуть, что человек идет здесь наперекор природным процессам, ломает их, заставляет их подчиниться своей воле. Разве естественно быть алюминию свободным? Нет и нет; и если бы не гений человека, — этого никогда не случилось бы, хотя бы земля существовала еще миллиарды лет.
      Человек, поняв и узнав свойства атомов, использовал эти знания для того, чтобы переместить элементы так, как ему нужно. В земле распространены больше всего легкие элементы; пять из них — кислород, кремний, алюминий, железо и кальций — составляют 90,03 % земной коры. Если прибавить еще семь — натрий, калий, магний, водород, титан, углерод и хлор, — то эти двенадцать элементов составят 99,29%. На долю остальных восьмидесяти элементов приходится едва 0,7% по весу. Но человека не устраивает такое распределение: он упорно ищет редко встречаемые элементы, извлекает их из земли подчас с невероятными трудностями, изучает их свойства на все лады и использует там, где это необходимо и целесообразно. Вот почему в автомобиле оказались никель, которого в земле две сотых процента, и кобальт, которого одна тысячная процента, молибден, которого менее одной тысячной процента, и даже платина, которой двенадцать миллиардных процента!
      Всюду атомы — и человек их хозяин! Властной рукой он берет их, смешивает их, ненужные отбрасывает, нужные соединяет, хотя без него эти элементы никогда не встретились бы вместе. И если горное озеро в Таджикистане славит могучие стихии, воздвигнувшие скалы и создавшие провалы, то завод и автомобиль — это индустриальная симфония могущества человеческого гения, его труда и знаний.
     
      РОЖДЕНИЕ И ПОВЕДЕНИЕ АТОМА В МИРОЗДАНИИ
      в Крыму. Вся природа как будто бы уснула, и ничто не тревожило гладь спокойного моря. Даже звезды на черном южном небе не мерцали, а сияли яркими лучами. Замолкла жизнь вокруг, и, казалось, весь мир остановил свое движение и замер в бесконечной тишине южной ночи.
      Но как далека эта картина от истины и как обманчивы тишина и спокойствие окружающей нас природы!
      Достаточно подойти и начать медленно вращать рукоятку радиоприемника, чтобы узнать, что весь мир пронизан мириадами несущихся электромагнитных волн. Измеряемые то несколькими метрами, то тысячами километров, бурные волны мирового эфира поднимаются на высоту озоновых слоев и обрушиваются вновь на землю. Налагаясь одни на другие, они наполняют весь мир не слышными невооруженному уху колебаниями.
      А звезды, которые кажутся столь незыблемыми на небосводе, несутся в мировом пространстве с головокружительной скоростью в сотни и тысячи километров в секунду. Одно солнце-звезда устремляется в одну сторону галактики, увлекая за собой целые потоки тел, не доступных глазу; другие закручиваются в еще более быстром темпе, создавая грандиозные туманности; третьи уходят в неведомые области мироздания.
      Со скоростями в тысячи километров в секунду несутся пары раскаленного вещества в атмосфере звезд, и в несколько минут вырастают громадные клубы газов в тысячи километров, образуя сверкающие в короне Солнца протуберанцы.
      Кипит расплавленное вещество и в непомерных глубинах далеких звезд. Температура там достигает десятков миллионов
      градусов; отдельные частицы отрываются друг от друга, разрываются ядра атомов, потоки электронов устремляются в верхние слои звездных атмосфер, а мощные электромагнитные бури, пронизывая миллионы и миллиарды километров, достигают нашей земли, возмущая спокойствие ее атмосферы.
      Весь космос насыщен колебаниями, и прекрасно сказал один из величайших ученых прошлого — Лукреций — почти за сто лет до нашей эры:
      ...То телам изначальным, конечно,
      Вовсе покоя нигде не дано в пустоте необъятной.
      Наоборот: непрерывно гонимые разным движеньем,
      Частью далёко они отлетают, столкнувшись друг с другом,
      Частью ж расходятся врозь на короткие лишь расстоянья.
      Живет своей жизнью и наша Земля. Тихая, как будто безмолвная, ее поверхность на самом деле вся насыщена жизнедеятельностью. Миллионы мельчайших бактерий населяют каждый кубический сантиметр почвы. Электронный микроскоп, расширяя рамки исследования, открывает новые миры еще более мелких живых существ, постоянно движущихся вирусов; и спор идет о том, считать ли их живыми существами или диковинными молекулами неживой природы.
      Вечно перемещаются молекулы в тепловых движениях моря, а научный анализ показывает, что в морской воде колебания совершают сложные и длительные пути со скоростями, измеряемыми километрами в минуту.
      Вечно идет обмен атомами между воздухом и землей. Из глубин земной поверхности испаряются в воздух атомы гелия; скорость их движения настолько велика, что они преодолевают земное тяготение и улетают в межпланетное пространство. Подвижные атомы кислорода внедряются из воздуха в организмы; молекулы угольной кислоты разлагаются растениями, создавая постоянный круговорот углерода, а в глубинах Земли, стремясь вырваться к поверхности, кипят еще огненные расплавы тяжелых пород.
      Твердый, спокойный, лежит перед нами чистый и прозрачный кристалл. Казалось бы, что отдельные атомы вещества распределены в строго определенных узлах какой-то неизменно прочной решетки. Но это только кажется: они постоянно находятся в движении, вращаясь вокруг своих точек равновесия, постоянно обмениваясь своими электронами, то свободными, как у атомов металла, то связанными, и совершают свое движение по сложно повторяющимся орбитам.
      Все живет вокруг нас. Картина тихого вечера в Крыму обманчива; и чем больше наша наука овладевает природой, тем
      Вечер в Крыму. Вид с моря на Ллупку
      шире раскрывается перед ней действительная картина всех движений окружающего нас мирового вещества. И когда науке стало доступно измерение движения за время миллионных долей секунды, когда она своими новыми рентгеновскими «руками» измеряет миллионные доли сантиметра с такой точностью, с какой мы не можем мерить нашим метром, когда она научилась увеличивать картины природы более чем в 500 тысяч раз и сделала доступными глазу человека не только мельчайшие вирусы, но и отдельные молекулы вещества, стало понятно, что нет больше в мире спокойствия, а есть лишь хаос постоянных движений, ищущих своего временного равновесия.
      Когда-то, давным-давно, еще до расцвета древней Греции, на Малоазиатских островах жил замечательный философ Гераклит. Он сумел проникнуть в глубины мироздания своим прозорливым умом, и им были сказаны слова, которые Герцен назвал самыми гениальными словами в истории человечества.
      Гераклит сказал: «Панта реи» — «Все течет» — и положил в основу своей системы мира идею о вечном движении. С этой идеей прошло человечество все эпохи своей истории. На ней строил свою философию Лукреций в замечательном стихотворении о природе вещей и истории мира. На ней строил
      с редкой прозорливостью свою физику гениальный русский ученый М. В. Ломоносов, говоря, что каждая точка в природе имеет три движения: поступательное, коловратное и зыблю-щееся. И сейчас, когда новые успехи науки подтвердили это старое философское представление, мы должны по-новому смотреть на окружающий нас мир и законы вещества.
      Законы распределения атомов явятся для нас законами тех бесконечно сложных движений разных скоростей, разных направлений и разных масштабов, которые определяют все разнообразие окружающего нас мира, все разнообразие мятущихся в нем отдельных атомов. Мы начинаем сейчас понимать по-новому мировое пространство, окружающее нас.
      Размеры доступной нашему наблюдению вселенной колоссальны. Их нельзя измерять километрами, — это слишком малая единица. Даже расстояние между Солнцем и Землей, которое равно 150 миллионам километров и которое свет проходит в восемь с третью минут, хотя за каждую секунду он может обежать Землю семь с половиной раз, и то слишком малая единица. Ученые придумали особую единицу — «световой год», то есть то расстояние, которое свет пробегает за год. Лучшие телескопы могут различать звезды, свет которых идет до нас миллионы лет... Поистине нет границ космосу! Только для нас пределы его определяются степенью совершенства наших телескопов...
      Клубок звездной материи в мировом пространстве в отдельных местах образует сгущения, — возникает то, что мы называем видимым миром. Таких миров примерно сто миллиардов. В каждом из этих миров также около ста миллиардов звезд, а в каждой звезде 1 и 57 нолей протонов и нейтронов — тех мельчайших частиц, из которых составлен весь мир, не считая более мелких частиц электричества — отрицательно заряженных электронов.
      В мировом пространстве больше всего водорода. Мы знаем большое число космических туманностей, в состав которых входит почти только один водород. Атомы водорода собираются, влекомые силой мирового тяготения, подталкиваемые особыми межатомными силами, изучение которых еще только началось. Возникают мощные клубки, состоящие из количества атомов, выражаемого цифрой из 56 знаков, — появляется звезда. Но размеры мироздания бесконечно велики по сравнению с объемом возникших атомов. Мы знаем, что большая часть мирового пространства фактически как бы пуста, только от 10 до 100 частиц — атомов вещества приходится на один кубометр, а это отвечает такому разрежению, которое в единицу с 27 нолями раз меньше, чем нормальное давление атмосферы на Земле. От этих разреженных мировых пространств мы можем дойти до
      совершенно невиданных уплотнений, вызванных давлением в глубинах звезд, где миллионы атмосфер сочетаются с десятками или сотнями миллионов градусов: тут-то и находится природная лаборатория, где возникают из водорода новые, более тяжелые атомы, и в первую очередь — гелий.
      В звездах, светящихся ослепительно белым светом, как, например, знаменитый спутник Сириуса, вещество такое плотное, что оно в тысячу раз тяжелее золота и платины. Нам трудно себе даже представить, что это за вещество и каковы его свойства.
      С одной стороны — бесконечные межпланетные пространства, рассекаемые свободным полетом одиноких атомов. Здесь диалектически сплетается мировой покой со стремительным движением, здесь господствует температура почти абсолютного нуля.
      С другой стороны — центральные области звезд, в которых миллионы градусов сочетаются с давлениями в миллионы атмосфер, где атомы, преодолев отталкивание электронов, сбиты в одну плотную массу невиданных на земле веществ. В этих условиях совершается эволюция химических элементов, тем более тяжелых и плотных, чем больше масса звезды и выше давление и температура в ее внутренних частях.
      Рождающийся химический элемент является первым звеном в борьбе против хаоса. Из свободных протонов и электро-
      нов в условиях грандиозных температур и давлений могут образовываться более тяжелые ядра.
      Так постепенно в разных местах вселенной возникают разные постройки, которые мы называем химическими элементами. Одни из них более тяжелые, более насыщенные энергией, другие легкие и состоят всего лишь из нескольких протонов и нейтронов. Эти более легкие элементы увлекаются потоками на периферию звезд, в их атмосферу, или сплетаются в громадные мировые туманности. Другие, менее подвижные, остаются на поверхности раскаленных или расплавленных тел.
      Сильнейшие излучения разрушают одни постройки, возводят другие; одни элементы распадаются, другие вновь создаются до тех пор, пока готовые атомы не попадут туда, где нет могучих сил, которые могли бы разрушить их прочные ядра. И тогда начинается история странствования в мироздании отдельных атомов. Одни наполняют межпланетные пространства, как, например, атомы кальция и натрия. Другие, более тяжелые, более устойчивые, накапливаются в отдельных частях туманностей. Температуры падают, электрические поля атомов сочетаются друг с другом, образуются молекулы простых химических соединений: карбиды, углеводороды, частицы ацетилена, какие-то формы неизвестных нам на Земле тел, которые находят астрофизики при наблюдениях раскаленных поверхностей далеких звезд как первый продукт сочетаний атомов. Из них, из этих свободных простых молекул, постепенно рождаются все более и более стройные системы. В условиях низких температур, вне разрушительных полей и космических глубин, наконец рождается второе звено мирового порядка — кристалл. Кристалл — это замечательная постройка, где атомы расположены в определенном порядке один по отношению к другому, словно кубики в коробке. Рождение кристалла есть следующий этап в процессе выхода вещества из хаоса. Для образования кубического сантиметра кристаллического вещества сочетается друг с другом огромное количество отдельных атомов, выражающееся единицей с 22 нолями. Появляются новые свойства, свойства кристалла. Господствуют уже не законы тех электромагнитных клубков, из которых они сложены, не таинственные еще законы энергии ядер, а новые законы вещества — законы химии.
      Я не буду продолжать дальше описание этой картины. Я хотел только показать, что мир, окружающий нас, нам мало известен и необычайно сложен, что его спокойствие только кажущееся, что весь он наполнен движением; в вихре движений рождается в мире вещество в том виде, в каком мы его знаем у нас, на Земле, каким видим его в твердом камне в окружающей нас природе. Многое из того, что я вам рассказал, уже доказано современной наукой, но еще много загадочного осталось в нашем представлении о том, как из мирового хаоса рождается сначала атом, а потом кристалл.
      И все же как замечательно нарисована эта картина Лукрецием, римским философом, две тысячи лет тому назад! Припомним несколько строк из его поэмы:
      Был только хаос один и какая-то дикая буря Всякого рода начал, беспорядок нестройный которых Все промежутки, пути, сочетания, тяжесть, удары,
      Встречи, движения их возмущал, затевая сраженья,
      Так как, при разнице форм и в силу несходства в фигурах,
      Ни съединенными так им нельзя было всем оставаться,
      Ни произвесть меж собой каких-либо стройных движений.
      Врозь разбегаться затем стали разные части, со сходным Сходное в связи входить и мир разграничивать стало,
      Члены его разделять и дробить на великие части.
      Итак, в природе нет покоя: все изменяется, хотя и с разной скоростью. Изменяется и камень, символ прочности, ибо атомы, его составляющие, находятся в вечном движении. А нам он кажется прочным и неподвижным лишь потому, что мы не видим этого движения, результаты которого становятся ощутимыми через долгие сроки, тогда как сами мы изменяемся неизмеримо быстрее.
      Долгое время считали, что только атом неделим, неизменен и равнодушен к вечной перемене. Но нет — и атомы послушны времени. Одни из них — мы называем их радиоактивными — меняются быстро, другие — медленно... Мало того, мы знаем теперь, что и атомы эволюционируют, создаются в пеклах звезд, развиваются, умирают...
      И в человеческом представлении — отражение того же вечного движения и развития: сначала непонимание, хаос, отсутствие порядка. Но вот начинают проясняться типы связей всех частей мира, движения оказываются закономерными, возникает стройная картина единой вселенной... Таков мир, как его раскрывает нам современная наука.
     
      КАК МЕНДЕЛЕЕВ ОТКРЫЛ СВОЙ ЗАКОН
      В старом здании химической лаборатории Петербургского университета сидел молодой, но уже известный профессор. Это был Дмитрий Иванович Менделеев. Он только что получил кафедру общей химии в университете и был занят составлением курса для студентов. Он искал при этом наиболее удобных форм для изложения законов химии, описания истории отдельных элементов и упорно думал над тем, как построить свои лекции. Как связать между собой рассказы о калии, натрии или литии, о железе, марганце и никеле? Он уже чувствовал, что есть какие-то, не совсем еще понятные связи между отдельными химическими элементами.
      Для того чтобы найти лучший порядок, он взял отдельные карточки и на них написал крупными буквами название элемента, его атомный вес и некоторые главные свойства. Затем он стал раскладывать эти карточки, группируя элементы по их свойствам, примерно так, как наши бабушки раскладывали вечерами свои пасьянсы.
      И вот профессор увидел замечательную закономерность. Он разложил все химические элементы подряд, в порядке увеличения атомного веса, и оказалось, что, за немногими исключениями, через определенные промежутки свойства элементов начали повторяться. Тогда он стал подкладывать следующие карточки под первым рядом и сделал второй, а отложив семь элементов, начал раскладывать третий ряд.
      В этом ряду пришлось разложить уже семнадцать элементов, так, чтобы похожие атомы лежали один под другим; да и не очень хорошо все сходилось, пришлось оставлять свободные места. Затем снова таких же семнадцать карточек — получился следующий ряд. Дальше дело пошло сложнее, — ряд атомов совсем не хотел укладываться, но все же повторение свойств намечалось ясно.
      Таким образом, все известные Д. И. Менделееву элементы расположились в виде особой таблицы, цри этом, за немногими исключениями, все они следовали один за другим горизонтальными рядами в порядке повышения их атомного веса, а сходные элементы оказались расположенными по вертикали в ряды колонок.
      В марте 1869 г. Д. И. Менделеев прислал в Физико-химическое общество в Петербурге первое краткое сообщение о своем законе. Потом, предвидя огромное значение сделанного им открытия, он стал упорно над ним работать, уточнять, исправлять свою таблицу. Он скоро убедился, что в таблице есть пустые места.
      «В этих пустых местах за кремнием, бором и алюминием будут найдены новые вещества», — говорил он. Это предсказание вскоре сбылось, и лустые клетки таблицы были заполнены вновь открытыми элементами, получившими названия галлия, германия и скандия.
      Так русским химиком Д. И. Менделеевым было сделано величайшее в истории химии открытие. Но не думайте, друзья, что это так просто — взять карточки, написать на них названия, разложить по порядку — и все готово! Эта простота, эта как бы некоторая случайность в открытии — только кажущаяся. Ведь в те времена было известно лишь 62 элемента. Атомные веса были определены неточно, отчасти неверно, свойства атомов были изучены еще плохо.
      Надо было суметь вникнуть в природу каждого химического вещества, понять сходство одних элементов с другими, разгадать пути странствования каждого из них, их «дружбу» или «вражду» в самой земле.
      Д. И. Менделееву удалось связать воедино все то, что до него было сделано по изучению химии Земли.
      Связи между элементами, правда еще в неясном и несовершенном виде, подмечали и другие ученые.
      ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
      Но большинство ученых того времени считало идею о родстве элементов абсурдной. Так, когда английский химик Д. А. Ньюлендс, один из борцов за свободу Италии в войсках Гарибальди, представил для печати работу о повторяемости свойств некоторых элементов при возрастании атомного веса, его работа была отвергнута Химическим обществом, а один из химиков сказал в насмешку, что Ньюлендс добился бы еще более интересного вывода, если бы расположил все элементы в алфавитном порядке по их названиям.
      Но это все были частности. Надо было сделать неизмеримо большее: надо было подметить единый план, основной закон вселенной и показать на фактах, что он действует везде, что каждый элемент всеми своими свойствами зависит от этого закона, подчиняется ему, вытекает из него.
      Для этого надо было иметь гениальную интуицию, умение подмечать общее в противоречивом, иметь настойчивость в исследовании конкретных фактов. Это мог сделать только такой гигант мысли, каким был Д. И. Менделеев.
      Д. И. Менделеев сумел так ясно, четко и просто представить взаимную связь всех атомов природы, что никто не мог опровергнуть его систему. Порядок был найден. Правда, еще загадочны были те связи, которые соединяли элементы между собой, но порядок был столь очевиден, что позволил Менделееву говорить о новом законе природы — периодическом законе химических элементов.
      С тех пор прошло более семидесяти пяти лет. Почти сорок лет работал над этим законом Д. И. Менделеев, проникая в самые глубокие тайны химии.
      В Палате мер и весов, которой он заведовал, он изучал и измерял самыми точными методами разные свойства металлов, находя все больше и больше подтверждений своему открытию.
      Он ездил по Уралу, изучая его богатства, посвятил много лет проблеме нефти и ее происхождения, и всюду — в лаборатории и в природе — он видел подтверждение своего периодического закона. В глубочайших теориях и на практике этот закон превращался в руководящий компас, который, как мореплавателей в море, направлял искания ученых и практиков.
      И до самой своей смерти Д. И. Менделеев совершенствовал, исправлял, углублял свою маленькую табличку 1869 года; и сотни химиков, следуя по его гениальному пути, открывали то новые элементы, то новые соединения, постепенно разгадывая глубокий внутренний смысл таблицы Менделеева.
      Сейчас она встала перед нами в совершенно новом виде.
      Оказалось, что таблица Д. И. Менделеева явилась превосходным руководством для изучения закономерности строения спектров атомов. Изучая спектры элементов и расположив их в
      порядке таблицы Менделеева, молодой английский физик Генри Мозли совершенно неожиданно в 1913 г. раскрыл еще одну закономерность таблицы Менделеева и установил важную роль порядкового номера элемента в таблице.
      Он доказал, что самое важное в элементе — это заряд центрального ядра, который точно равен порядковому номеру
      ОПЫТЪ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВЪ
      Первый опубликованный вариант периодической системы элементов Д. И. Менделеева
      элемента. У водорода он равен единице, у гелия — двум, а, например, у цинка — тридцати, у урана — девяноста двум.
      И столько же электронов привязано этими зарядами к ядру и носится вокруг него но орбитам.
      Во всех атомах число электронов, окружающих ядро атома, равно порядковому номеру элемента. Все электроны определенным образом распределяются по отдельным слоям. Первый, ближайший к ядру слой К содержит у водорода 1 электрон, а у всех других элементов — 2 электрона. Второй слой L у большинства атомов содержит 8 электронов. Слой М может иметь до 18 электронов, слой N — до 32.
      Химические свойства атомов определяются главным образом строением внешнего электронного слоя, который отличается особой устойчивостью, когда число электронов в нем достигает восьми. Атомы, имеющие во внешнем слое один или два электрона, легко их отдают, превращаясь при этом в ионы. Например, натрий, калий, рубидий имеют во внешней оболочке по одному электрону. Они легко их теряют и превращаются в одновалентные положительно заряженные ионы. При этом следующий электронный слой становится, таким образом, внешним слоем. Он содержит восемь электронов, что обеспечивает устойчивость иона-атома.
      Атомы кальция, бария и других щелочноземельных металлов имеют по два внешних электрона, потеряв которые они превращаются в устойчивые двухвалентные положительные ионы. Атомы брома, хлора и других галоидов имеют во внешней оболочке по семи электронов. Они жадно захватывают электроны из внешних оболочек других атомов и, дополнив ими свою оболочку до восьми электронов, становятся устойчивыми отрицательными ионами.
      У элементов, имеющих во внешней оболочке три, четыре и пять электронов, склонность к образованию ионов при химических реакциях выражена менее ярко.
      Вес атома и частота его распространения в природе зависят от строения ядра. Химические же свойства элемента и его спектр зависят от числа электронов и оказываются чрезвычайно близкими у элементов, у которых сходно строение внешней электронной оболочки.
      Такова тайна атома. Со времени ее открытия химики и физики, геохимики и астрономы, техники и технологи — все поняли, что один из глубочайших законов природы — это периодический закон Менделеева.
     
      ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА В НАШИ ДНИ
      Много различных способов предлагалось исследователями, чтобы как-нибудь яснее и резче выявить характерные черты Менделеевской таблицы.
      Великий закон Менделеева в разное время изображали по-разному: то в виде полос и колонок, то закрученной спиралью на плоскости, то в сложном переплете каких-то дуг и линий.
      Мы еще вернемся к попытке изложить таблицу в форме грандиозной спирали, а сейчас мы дадим ее так, как дает современная наука.
      Давайте разберемся несколько в этой таблице и попытаемся понять ее глубокий смысл.
      Прежде всего мы видим большое количество клеток. Они расположены семью горизонтальными рядами и разбиты вертикальными линиями на восемнадцать полос, или, как их называют химики, групп. Впрочем, сейчас же отметим, что в большинстве учебников таблица дается в несколько ином виде (ряды как бы сдвоены), но нам удобнее ее рассматривать именно так.
      В первом ряду находится всего 2 элемента: водород (Н) и гелий (Не); во втором и третьем — по 8 химических элементов; в четвертом, пятом и шестом рядах — по 18 химических элементов. Клетки этих шести рядов должны были бы занимать 72 химических элемента, однако оказывается, что между клеткой № 57 и клеткой № 72 вставлено 14 элементов, сходных с лантаном, так называемых лантаноидов. Наконец, последний ряд содержит, видимо, как и предыдущий, 32 клетки, но из них пока заполнена лишь часть.
      ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА, С УКАЗАНИЕМ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ РОЛИ ЭЛЕМЕНТОВ
      Трудно себе представить возможность существования каких-либо химических элементов, расположенных перед первой клеткой, занятой водородом, так как ядро водорода — протон и нейтрон являются теми основными кирпичиками, из которых составлены ядра всех других атомов; нет сомнения, что водород правильно стоит в начале всей Менделеевской таблицы. Гораздо сложнее вопрос об ее конце. Последнее место долго занимал металл уран.
      Однако при некоторых опытах получены были заурановые элементы. Следовательно, уран не кончает Менделеевскую таблицу. За ним оказались занятыми еще и следующие клеточки 1.
      Как мы видим по цифрам вверху каждой клеточки, все клетки пронумерованы. Номера идут подряд от первого. Они называются порядковыми номерами химических элементов, связаны с количеством электрических частиц, которые содержатся в элементах, и потому являются очень важным и неотъемлемым свойством каждой клеточки, каждого элемента.
      Например, число 30 в клетке, в которой стоит металл цинк с атомным весом 65,38, обозначает, с одной стороны, порядковый номер клетки, с другой — говорит, что атом цинка состоит из ядра с вращающимися вокруг него тридцатью электрическими частицами, называемыми электронами.
      Тщетно пытались химики отыскать в природе элементы № 43, № 61, № 85 и № 87, анализировали различные минералы и соли, пытались найти в спектроскопе какие-либо еще не разгаданные линии. Много раз ошибались, печатали в журналак громкие статьи об открытии элементов, но все же эти четыре элемента ни на Земле, ни на небесных светилах не найдены. Их удалось теперь, однако, приготовить искусственно.
      Один из них, № 43, по своим свойствам должен походить на марганец. Он и был назван Д. И. Менделеевым экамарганцем.
      В настоящее время этот элемент искусственно получен и назван — технеций.
      Второй расположен под иодом и обозначен № 85. Он должен обладать какими-то сказочными свойствами, должен быть еще более летучим, чем иод. Д. И. Менделеев назвал его эка-иод. Он тоже искусственно получен и назван — астатин или астат.
      Третий такой же, долгое время бывший загадочным, элемент обозначен в нашей таблице № 87, его предсказывал еще сам Д. И. Менделеев, называя — экацезий. Он синтезирован и получил имя — франций.
      Наконец, четвертый элемент, которого не нашли ни на Земле, ни на звездах, — это № 61. Он является одним из металлов
      1 См. стр. 64.
      редких земель. Он искусственно получен и обозначается именем — прометий.
      Сейчас таблица элементов много полнее, чем в те времена, когда Д. И. Менделееву надо было разобраться в сложной картине природы и написать первый проект таблицы.
      Как мы уже говорили, каждая клетка под определенным номером занята одним химическим элементом. Однако физики показали, что в действительности дело обстоит сложнее. Так, в клетке № 17, судя по химическим свойствам, имеется один только атом газа хлора с маленьким ядром и семнадцатью электронами, которые, подобно планетам, окружают его со всех сторон. А между тем физики указывают, что хлора два: один потяжелее, другой полегче. Но так как пропорция их везде одинакова, то и средний вес всегда равен 35, 46.
      А вот другой пример. Хорошо знакомая нам клетка № 30 занята цинком. Но и здесь физики показывают, что цинки есть разные, одни более тяжелые, другие более легкие, всего шесть разных сортов. Таким образом, оказывается, что хотя каждая клетка содержит один химический элемент с определенными природными свойствами, но сортов, или «изотопов», этого элемента бывает несколько. В иных случаях один, а в других — даже десять.
      Конечно, это страшно заинтересовало геохимиков. Почему же все изотопы встречаются в строго определенных количествах, почему не бывает в одном месте больше тяжелого, а в другом легкого элемента? Химики принялись за энергичную работу по проверке этого факта. Они взяли для анализов соли разного происхождения: простую поваренную из моря, из разных озер, каменную соль, соль из Центральной Африки; выделили из каждого сорта соли газ хлор и неожиданно получили для атомного веса одинаковые числа. Взяли даже хлор из камней, падающих с неба, — и здесь состав хлора оказался совершенно таким же. И то, что мы называем атомным весом, не изменялось, откуда бы мы ни брали элемент.
      Но недолго продолжалось торжество химиков. Другие исследователи попытались в лаборатории разделить эти тяжелые и легкие изотопы атома. После сложной и долгой перегонки газа хлора удалось получить один газ, состоящий из более легких атомов хлора, а другой — из более тяжелых. Химически оба эти хлора совершенно одинаковы, а вот веса у них различные.
      Это открытие изотопов каждого элемента усложнило всю Менделеевскую таблицу. Так это казалось раньше просто — 92 клетки, в каждой клетке по одному химическому элементу. Номер говорит о числе электронов вокруг ядра, все так просто, ясно и определенно! И вдруг оказывается, что это не так!
      Вместо одного кислорода — их целых три, и веса их равны точно 15, 16 и 18. Но самое замечательное, что и у водорода три сорта атомов: один с весом 1, второй (дейтерий) — 2, а третий (тритий) — 3. Последнего в природе очень мало, а вот дейтерий оказался необычайно интересным.
      Химически это как будто простой водород, но по весу он вдвое тяжелее обычного. На больших заводах, которые разлагают воду при помощи электрического тока, удалось получить чистый дейтерий, а из него — особую воду, в которой вместо легкого водорода — тяжелый. Оказалось, что тяжелая вода обладает особым свойством: она убивает жизнь (очень сильно действует на живые клетки). Словом, «ведет себя» совсем по-особому 1.
      После такой удачи химиков этой же проблемой занялись геохимики по отношению к природным телам. Ведь если в ретортах удалось разделить атомы водорода на разные сорта, то, наверное, это же делает и природа. Только в природе все химические процессы идут так неспокойно, так часто изменяется обстановка природных условий, расплавленных магм в глубинах или на земной поверхности, что вряд ли можно ожидать накопления чистых изотопов, которые удалось получить на фабриках и в институтах. И действительно, оказалось, что в воде морей и океанов немножко больше тяжелой воды, чем в реках и в дожде. Еще больше тяжелой воды содержится в некоторых минералах. Открылся целый новый мир, который раньше не был доступен минералогу и геохимику.
      Различие в природе между этими соединениями настолько ничтожно, что нужны самые тонкие методы химического и физического анализа, чтобы суметь его найти.
      Миллионные и даже тысячные доли грамма и сантиметра неуловимы для минералога и геохимика, когда он изучает камни, воды и земли окружающей нас природы. Мы можем даже забыть, что кислородов три, что цинков шесть, что калиев два, так ничтожны различия между ними, и скажем откровенно, так еще грубы наши методы исследования.
      Только химики и физики при своих точных исследованиях научились разделять элементы на разные изотопы, и нет сомнения, что когда им удастся точнейшими методами изучить всю нашу природу, то они откроют величайшие законы геохимии, о которых мы еще не догадываемся.
      Мы с вами пока можем забыть об изотопах. Для нас в каждой клетке Менделеевской таблицы стоит один определенный неизменный химический элемент. В клетке № 50 находится для нас
      1 В последнее время дейтерий и тритий особенно интересуют науку и технику как исходное сырье для синтеза гелия. Эта реакция лежит в основе получения термоядерной энергии. — Ред.
      дно олово, всегда и всюду одинаковое, дающее всюду одинаковые химт кие реакции, встречающееся в природе в одинаковы галлах, и всюду его атомный вес будет 118,7,
      Менделиевск таблица не пострадала, когда были открыты изотопы, она только усложнилась в своих мельчайших деталях, а по существу осталась все такой же ясной, простой и четкой картиной природы, как ее рисовал нам Менделеев, предвидя своим гениальным умом ее огромное значение.
      Вникнем поглубже в эту таблицу и рассмотрим, какое же значение имеет она для исследователей природы — для минералогов и геохимиков.
      Сначала посмотрим на каждый столбец клеток сверху вниз.
      Вот первый — литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Это все металлы, мы их называем щелочными. За исключением искусственно полученного франция, в природе они встречаются вместе. Мы хорошо знаем их соединения: для натрия — простую соль, которую вы употребляете за столом, для калия — - селитру, из которой делают фейерверки.
      Дальше идут очень редкие щелочные металлы, которые сейчас применяются в сложных электрических приборах. Но как ни различны все эти элементы, все они в химическом отношении похожи друг на друга.
      Вот второй вертикальный столбец — здесь идут щелочноземельные металлы, начиная с самого легкого, бериллия, и кончая знаменитым радием. И они походят друг на друга, образуя как бы одну семью.
      Затем идет третий столбец — бор, алюминий, скандий, иттрий, потом клетка с пятнадцатью редкоземельными элементами и, наконец, актиний. В жизни нам хорошо известны только первые два элемента, которые играют в природе большую роль, — бор и алюминий. Первый входит составной частью в борную кислоту и в буру — ею пользуются при паянии. Второй — в нефелин, полевой шпат, корунд, боксит, а в чистом виде его можно видеть в металлических изделиях, кастрюлях и ложках. Эта группа довольно сложная. Алюминий еще, пожалуй, настоящий металл, а бор скорее металлоид, так как образует с типичными металлами соли (например, бура).
      Переходим к четвертому столбцу — углерод, кремний, титан, цирконий, гафний и, наконец, торий. Первые два важнейших химических элемента природы: углерод, образующий все многообразие живой природы и входящий в состав всех известняков, и кремний, о котором вы прочтете особую главу.
      Затем идут пятый, шестой и седьмой столбцы. Это все особые металлы, которые очень высоко ценятся в металлургии железа и прибавляются к стали для улучшения ее свойств.
      Дальше идет замечательная середина Менделеевской таблицы — ее восьмой, девятый и десятый столбцы. Самая любопытная особенность этой части таблицы заключается в том, что соседние металлы очень близки друг к друху. Железо, кобальт и никель очень похожи друг на друга и в природе постоянно встречаются вместе; очень трудно их разделить и при химическом анализе. Не менее похожи друг на друга легкие платиновые металлы — рутений, родий и палладий — и тяжелые платиновые металлы — осмий, иридий и платина.
      За центром таблицы следуют четыре вертикальных столбца, занятые так называемыми тяжелыми металлами. Сюда относятся медь, цинк, олово, свинец — все хорошо нам знакомые в жизни вещества.
      Потом идет пятнадцатый столбец. Он начинается с газа азота, затем следуют летучий фосфор и мышьяк, полуметалличе-ская сурьма и, наконец, довольно типичный металл висмут. Этот столбец как бы намечает собой резкий переход к следующей части Менделеевской таблицы, ибо там мы уже не встречаем металлов с металлическим блеском и другими хорошо знакомыми нам свойствами. Там идут вещества, которые химики назвали металлоидами: газы, жидкости или просто твердые неметаллы.
      Очень характерен столбец шестнадцатый — кислород, сера, селен, теллур и еще загадочный полоний, дальше — семнадцатый столбец, летучих веществ, сначала газов — водорода, фтора и хлора, затем жидкости — брома и, наконец, твердых, но тоже летучих кристаллов иода. Эту группу элементов (кроме водорода) химики назвали галогенами, ибо они образуют соли с щелочами. Об этом говорит и смысл греческого названия: «галогены» — значит — «солероды». Но вот и последний столбец, восемнадцатый. Это редкие, или благородные, газы. Они ни с чем не соединяются и пропитывают всю землю, все минералы, все окружающее нас в природе. Они начинаются с газа Солнца — легкого гелия — и кончаются замечательным газом радоном, атомы которого живут всего лишь несколько дней.
     
      ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ МЕНДЕЛЕЕВА В ГЕОХИМИИ
      Как распределены химические элементы в земле и во всей окружающей нас природе? Вот вопрос, который был очень важен для человека с самых давних пор.
      Он возникал стихийно, на каждом шагу, из потребностей повседневной жизни: первобытный человек нуждался в материале для орудий труда и охоты и стал изготовлять свои примитивные орудия из твердого кремня или такого же твердого, но более прочного нефрита.
      И понятно, что поиски полезных ископаемых начались еще за много тысячелетий до нашего времени, когда первобытный человек стал обращать внимание на блестки золота в речных песках, на красоту или вес разных камней, привлекавших его внимание.
      Так человек сначала узнал, а потом научился добывать и обрабатывать медь, олово, золото и, наконец, железо. Постепенно накапливались наблюдения и опыт. В древнем Египте уже были известны те районы, в которых надо искать медь и кобальтовые минералы для синей краски, а позднее и железо для бурой охры, глину для статуэток и бирюзу для священных жуков-скарабеев.
      Мало-помалу начинали выясняться простые природные законы. Оказалось, что некоторые металлы встречаются часто друг с другом, как, например, олово, медь и цинк; и это натолкнуло человека в свое время на открытие их сплава — бронзы. В других местах встречались вместе золото и драгоценные камни, в третьих — глина и полевые шпаты, из которых можно делать фарфор и фаянс.
      Так постепенно открывались основные законы геохимии. И средневековые алхимики, пытаясь в таинственной тиши своих лабораторий получить золото и философский камень, проделали огромную работу по накоплению природных фактов.
      Алхимики уже хорошо знали, что некоторые металлы любят друг друга и встречаются вместе; так, сверкающие кристаллы свинцового блеска в жилах земли сопровождаются блестящей цинковой обманкой, серебро следует за золотом, а медь часто встречается вместе с мышьяком.
      Когда в Европе развилось горное дело, геохимические закономерности стали более ясными и четкими. В глубоких рудниках Саксонии, Швеции, в Карпатских горах зарождались основные начала новой науки — геохимии, выяснилось, какие вещества встречаются в природе вместе, в каких условиях, каковы те законы, которые заставляют накапливаться те или иные элементы в одних местах земли и рассеиваться в других.
      Ведь это были самые острые вопросы горного дела. Нужно было уметь находить места, где в большом количестве скопились промышленно-важные металлы — железо, золото и т. п.
      Сейчас мы знаем, что законы совместного нахождения элементов и их поведения очень определенны и могут быть использованы для поисков полезных ископаемых.
      Мы хорошо знаем даже в нашей повседневной жизпи, что такие элементы природы, как азот, кислород и редкие, благородные газы, встречаются преимущественно в атмосфере. Мы знаем также, что в соляных озерах или в соляных копях находятся вместе соли хлора, брома и иода, соединенные с металлами — калием, натрием, магнием и кальцием.
      В гранитах, этих светлых кристаллических породах, образовавшихся из остывших расплавленных маг, встречаются свои определенные химические элементы. С ними связаны драгоценные камни, содержащие атомы бора, бериллия, лития и фтора. В них находятся также скопления важных и редких металлов: вольфрама, ниобия, тантала.
      В противоположность гранитам, в тяжелых базальтовых породах, излившихся из земпых глубин, встречаются вместе минералы хрома, никеля, меди, железа, платины. В сложно ветвящихся системах рудных жил, расходящихся из мощных очагов расплавленной магмы, которая поднимается к земной поверхности, рудоискатель находит цинк и свинец, золото и серебро, мышьяк и ртуть.
      И чем дальше развивается наша наука, тем резче и определеннее вырисовываются законы, смысл которых долго оставался непонятным.
      А между тем посмотрим на Менделеевскую таблицу. Разве она не является для нас, искателей металлов и камней, таким же компасом, каким она служит для химиков!
      Середину Менделеевской таблицы занимают девять металлов: железо, кобальт, никель и шесть металлов платиновой группы. Мы знаем, что их месторождения — в далеких глубинах земных недр. Когда высоко вздымавшиеся горные хребты в течение миллионов лет размыты почти до равнины, как у нас на Урале, — только тогда эрозия обнажает эти глубинные зеленые породы, носители железа и платины. Вы видите, что эти элементы не только основа наших горных хребтов, но они занимают и центральное место в Менделеевской таблице.
      Обратимся к тем металлам, которые мы называем тяжелыми и которые заполняют целое большое поле вправо от никеля и платины. Это медь и цинк, серебро и золото, свинец и висмут, ртуть и мышьяк. Разве только что мы не говорили о том, что эти металлы встречаются всегда вместе? Рудокоп их ищет в рудных жилах, прорезающих земную кору.
      Теперь пойдемте налево от центра таблицы, — такое же поле намечается и в левой ее части. Это те хорошо нам знакомые металлы, которые образуют самоцветы, — соединения металлов бериллия и лития; это те редкие и сверхредкие элементы, которые собираются в последних выжимках гранитных массивов в мощных пегматитах гранитных тел.
      Пойдемте еще дальше влево и вправо по нашей таблице. Не забудем при этом, что длинные ее ряды смыкаются вместе в общую спираль и что крайние левые и правые группы соприкасаются. Мы видим здесь хорошо нам знакомые элементы соляных месторождений: соляных озер, морей и океанов, мощных скоплений каменной соли. Это те элементы, которые образуют соли хлора, брома, иода, натрия, калия и кальция.
      А вот посмотрите внимательнее на крайнюю правую верхнюю часть таблицы, — вы здесь найдете основные элементы воздуха атмосферы — азот, кислород, водород, гелий и другие благородные газы. В крайнем левом верхнем углу — литий, бериллий и бор. Разве нам не напоминают они летучие части гранитных массивов, где образуются красивые самоцветные камни, розовые и зеленые турмалины, ярко-зеленые изумруды и фиолетовые кунциты? Как видите, Менделеевская таблица сама подсказывает те группы элементов, которые встречаются в природе, — она поистине служит компасом для поисков полезных металлов. И, чтобы подтвердить на примере приведенные закономерности, вспомним главные полезные ископаемые Уральского хребта.
      Уральский хребет рисуется перед нами как громадная Менделеевская таблица, положенная поперек простираний пород.
      Ось хребта и таблицы приходится на тяжелые зеленые породы платиновых месторождений. В соляном поясе знаменитого Соликамска и в районах Эмбы — ее крайние группы.
      Разве это не чудесное подтверждение глубочайших и самых отвлеченных идей? Я думаю, вы сами уже догадались, что в Менделеевской таблице элементы расположены не случайно, они расположены по сходству своих свойств. И чем ближе элементы друг к другу, тем ближе они стоят и в Менделеевской таблице.
      То же самое и в природе. Не случайно разбросаны значки различных полезных ископаемых на наших геологических картах. Не случайно встречаются вместе в природе осмий, иридий и платина или сурьма и мышьяк.
      Те же законы сходства, химической близости атомов определяют поведение элементов в земных недрах. И великая Менделеевская таблица действительно является самым важным орудием, при помощи которого человек открывает богатства недр, отыскивает полезные металлы и создает с их помощью свое хозяйство и промышленность!
      Перенесемся в далекое прошлое Урала. Из глубин поднимаются расплавленные тяжелые магмы; они состоят из темных пород, богатых магнием и железом. К ним примешиваются руды хрома, титана, кобальта, никеля; к ним присоединяются металлы платиновой группы: рутений, радий, палладий, осмий, иридий и платина.
      Так начался первый этап истории Урала, та глубинная цепь дунитовых и змеевиковых пород, которые составляют центральный остов Уральского хребта, протягивающийся на север до островов Арктики и погребенный на юге под ковыльными степями Казахстана. На таблице Менделеева — это центральная часть.
      В процессе разделения расплавов отделяются более легкие летучие вещества, и в сложной смене горных пород, из которых слагается современный Урал, в конце его вулканической деятельности кристаллизуются в глубинах светлые граниты. Это тот серый гранит, который так хорошо известен всем уральцам, особенно но восточному склону Урала. Белыми жилами пронизывают гранит скопления чистого кварца, мощные пегматитовые жилы врезаются своими ветвями в его наружные участки, проникая и в боковые породы. В этих процессах накапливаются летучие элементы — бор, фтор, литий, бериллий, редкие земли — и образуются уральские самоцветы и руды редких металлов. В периодической системе Менделеева — это левое поле таблицы.
      Но как в это время, так и позднее поднимались кверху горячие растворы. Они выносят с собой тугоплавкие, подвижные,
      легкорастворимые соединения цинка, свинца, меди, сурьмы, мышьяка, с ними увлекаются также золото и серебро.
      Длинной цепью по восточному склону Урала тянутся эти рудные месторождения, то образуя большие скопления — линзы, то ветвящиеся жилы и кусты жил.
      На таблице Менделеева — это правое поле рудных элементов.
      Но вот окончилась вулканическая деятельность, прекратились те сжатия, которые подняли Уральские хребты, перемещая их гребни с востока на запад, открывая то тут, то там выход вулканическим породам и горячим водам жил.
      Начался длительный период разрушения. В течение сотен миллионов лет разрушались Уральские горы, размывались горные породы. Все, что труднорастворимо, оставалось на месте, остальное переходило в раствор, уносилось водами, переносилось в моря и озера. Омывавшее с запада Урал великое пермское море накапливало в себе эти вещества. Море стало высыхать, от него отделялись заливы, озера, лиманы, а соли садились на дно.
      Так скопились соли натрия, калия, магния, хлора, брома, бора и рубидия.
      На таблице Менделеева — это верхние и левые клетки.
      А там, где были горные вершины Урала, осталось лишь то, что не подчинилось химическому воздействию воды.
      В тропическом климате мезозоя десятки миллионов лет росла кора из разрушенных горных пород. Железо, никель, хром и кобальт, собираясь в этой коре, образовали те богатые месторождения бурых железняков, которые положили начало промышленности никеля на Южном Урале.
      В районах разрушения гранитов собирались кварцевые россыпи, в них накапливались золото, вольфрам, самоцветы, сохраняясь и собираясь в шлихах и песках.
      Так постепенно умирал Урал, одеваясь почвенным покровом, и лишь по временам к нему подходили нахлынувшие с востока воды, размывая его уже заросшие холмы и снова отлагая по берегам марганцевые и железные руды.
      Менделеевская таблица оказалась скрытой под тайгой полярного Урала, под ковыльными степями Казахстана. Нужен был приход нового, советского человека, новой, передовой техники, для того чтобы снять древнюю кору с великого Уральского хребта, чтобы, шаг за шагом открывая здесь отдельные элементы Менделеевской таблицы, сделать все богатства недр этих грандиозных горных цепей доступными для нашей промышленности, для победы коммунизма!
     
      АТОМ РАЗРУШАЕТСЯ. УРАН И РАДИЙ
      Как мы видели из предыдущих глав, в основе учения о геохимии лежит атом, что значит по-гречески «неделимый». Из сочетания девяноста двух видов
      атомов, отвечающих девяноста двум различным элементам, и построена вся окружающая нас природа 1.
      Что же представляет собой эта мельчайшая «неделимая» частица вещества, действительно ли она «неделима», действительно ли все известные виды атомов существуют независимо друг от друга и не проявляют единства строения?
      Понятие атома как материально неделимого шарика лежало в основе химии и физики. «Неделимый» атом вполне объяснял физические и химические свойства вещества, и поэтому физики и химики, хотя и подозревали о сложном строении атома, не особенно стремились раскрыть его.
      И только когда знаменитый французский физик Анри Бек-керель в 1896 г. обнаружил неизвестное до того явление испускания ураном каких-то невидимых лучей, а супруги Кюри нашли новый элемент — радий, у которого это явление было выражено неизмеримо ярче, стало ясно, что атом имеет весьма сложную структуру. Сейчас, после блестящих работ Марии Кюри-Склодовской, Резерфорда, Бора и др., картина строения атома выяснилась достаточно детально. Мы знаем не только из каких
      1 Мы уже говорили, что четыре элемента, а именно, технеций (№ 43), прометий (№ 61), астатин (№ 85) и франций (№ 87) в природе не обнаружены, они синтезированы искусственно. В то же время следует отметить, что допустимо существование в ничтожном количестве в природе двух трансурановых элементов: нептуна (Np) и плутония (Ри).
      простейших частиц состоит атом, но знаем и их размеры, вес, взаимное расположение и силы, которые их связывают.
      Как мы уже говорили, в центре атомов находятся состоящие из протонов и нейтронов атомные ядра.
      Если мы будем в периодической системе Д. И. Менделеева постепенно переходить от более легких химических элементов к тяжелым, то увидим, что ядра атомов легких элементов состоят из приблизительно равного числа протонов и нейтронов (это нетрудно видеть из того, что атомный вес элементов в начале периодической таблицы численно равен или близок к удвоенному порядковому номеру элемента).
      При переходе к более тяжелым химическим элементам число нейтронов в ядрах атомов начинает преобладать над числом протонов в них. Наконец, избыток нейтронов над протонами делается значительным, и ядра атомов становятся неустойчивыми. Начиная с порядкового номера 84, все ядра атомов химических элементов являются образованиями неустойчивыми и соответствующие элементы — радиоактивными.
      Радиоактивность — это свойство атомов самопроизвольно распадаться, превращаясь в атомы других элементов, с выделением больших количеств энергии в форме трех различных типов излучений.
      Первый — альфа-лучи (а-лучи), или поток быстро несущихся материальных частиц, обладающих двойным положительным электрическим зарядом; каждая альфа-частица обладает массой, в четыре раза большей массы атома водорода и представляет собой ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Это ядро настолько устойчиво, что в атомах тяжелых элементов оно как бы содержится в готовом виде и вылетает в форме альфа-частицы при радиоактивном распаде ядер. Испустив альфа-частицу, исходное ядро теряет два протона. Но число протонов в ядре равняется положительному заряду атомного ядра, т. е. номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Поэтому при испускании альфа-частицы вместо исходного ядра возникает ядро другого элемента, расположенного к периодической системе на две клетки левее.
      Второй — бета-лучи (|3-лучи), или бета-частицы, — поток электронов, несущихся с огромными скоростями. Каждый электрон несет один отрицательный, элементарный, т. е. наименьший из существующих, электрический заряд и обладает массой в 1840 раз меньшей, чем атом водорода.
      В ядрах атомов не существует свободных электронов, и поэтому появление отрицательных бета-частиц вызвано превращением одного сорта ядерных «кирпичей» — нейтронов в другой сорт — протоны. Поскольку нейтрон электронейтрален, а протон положителен, каждое такое превращение сопровождается испусканием электрона, вылетающего из ядра. Стало быть, при бета-распаде число протонов в ядре увеличивается на единицу, и получается другой химический элемент, расположенный в периодической системе на одну клетку правее исходного.
      Третий тип лучей образуют гамма-лучи (у-лучи), представляющие собою излучение, подобное рентгеновским лучам, но с еще более короткой длиной волны.
      Разрушение ядер атомов под влиянием альфа-частиц: водорода и гелия (вверху), кислорода и азота (внизу). Выделяются протоны с длинным пробегом
      Если мы поместим в небольшую стеклянную трубочку около грамма соли радия, запаяем эту трубочку и будем за ней наблюдать, то мы сможем обнаружить все основные явления, сопровождающие радиоактивный распад.
      Прежде всего, если использовать прибор, при помощи которого можно измерять небольшие разности температуры, мы без труда обнаружим, что температура трубочки с солью радия немного выше температуры окружающей среды.
      Получается такое впечатление, как будто внутри соли радия спрятан непрерывно действующий нагревательный прибор. На основании этого наблюдения можно сделать важное заключение, что при радиоактивном распаде или разрушении атомных ядер происходит непрерывное выделение больших количеств энергии. Опыт показывает, что 1 г радия, распадаясь, выделяет в один час 140 малых калорий тепла или, при полном своем превращении до свинца (на что потребуется около двадцати тысяч лет), выделит 2,9 миллиона больших калорий тепла, то есть столько, сколько получается при сжигании полутонны каменного угля.
      Оставим трубку с радием лежать и будем при помощи маленького насоса откачивать заключающийся в ней воздух, переводя его осторожно в другую трубку, из которой предварительно был выкачан воздух. Трубку запаяем. Окажется, что в темноте она светится зеленовато-голубоватым светом точно так же, как светится трубка с солью радия.
      Это явление обусловлено возникновением нового радиоактивного вещества, родившегося из радия. Вещество это — газ. Он получил название — радон (Rn).
      Количество радона в трубке возрастает сперва быстро, затем все медленнее и наконец становится почти постоянным, так как скорость распада радона становится равной скорости его появления.
      Радиоактивность можно обнаружить, поднося трубки к заряженному электроскопу. Радиоактивные излучения ионизируют воздух, делают его проводником электричества, и электроскоп разряжается.
      Если мы будем день за днем следить за тем, каково действие трубки с радоном на заряженный электроскоп, то без труда обнаружим, что с течением времени действие это ослабевает. Через 3,8 суток сила действия упадет наполовину, а по прошествии нескольких десятков дней трубка при приближении ее к заряженному электроскопу никакого действия на него оказывать не будет. Зато если мы пропустим через такую трубку электрический разряд и будем наблюдать вызванное этим разрядом свечение газа в спектроскоп, то обнаружим появление спектра нового газа, которого ранее в трубке не было. Новый
      появившийся в трубке газ — гелий. Наконец, если мы после многих лет хранения в стеклянной трубке соли радия тщательно удалим ее из трубки и затем при помощи чувствительных приемов анализа испытаем поверхность внутренних стенок трубки на присутствие посторонних химических элементов, мы сможем обнаружить, что в пустой трубке присутствует в ничтожных количествах металл свинец.
      Из одного грамма металлического радия путем распада его атомов образуется в год 4,00 10-4 г свинца с массой атома, равной 206, и 172 мм3 газообразного гелия.
      Итак, в результате радиоактивного распада радия получаются один за другим новые радиоактивные элементы, пока, наконец, не образуется нерадиоактивный свинец. На этом дальнейшее превращение прекращается. Сам же радий, в свою очередь, является лишь промежуточным звеном в длинной цепи продуктов превращения урана.
      Ряд элементов, получающихся в результате распада радиоактивных элементов, носит название радиоактивного ряда.
      Все ядра каждого радиоактивного элемента являются неустойчивыми и вероятность того, что они распадутся в заданный промежуток времени, одинакова. Таким образом, достаточно большой образец радиоактивного вещества, содержащий многие миллионы атомов, всегда распадается с одной и той же постоянной скоростью, независимо от каких бы то ни было химических и физических воздействий.
      Было доказано, что различные внешние физические воздействия на радиоактивное вещество, начиная от температуры жидкого гелия, близкой к абсолютному нулю, до температур в несколько тысяч градусов, давления в несколько тысяч атмосфер и электрические разряды высокого напряжения, никакого влияния на распад его не оказывают.
      Скорость, с какой радиоактивное вещество распадается или превращается, обыкновенно выражается через период полураспада Т, или время, необходимое для того, чтобы половина всех первоначально присутствующих атомов вещества успела распасться. Эта величина, очевидно, характерна и постоянна для каждой разновидности неустойчивых атомов, т. е. для каждого данного радиоактивного элемента.
      Периоды полураспада радиоактивных элементов лежат в очень широком интервале — от долей секунды для наиболее неустойчивых атомных ядер до миллиардов лет для слегка неустойчивых, к которым относятся, например, уран и торий. Часто дочернее ядро, подобно своему радиоактивному «родителю», само является неустойчивым радиоактивным и распадается, пока, наконец, через несколько последовательных поколений ядер не образуется устойчивое ядро.
      В настоящее время известны три таких естественных радиоактивных ряда, или семейства: ряд урана-радия, начинающийся с изотопа урана с массой атома 238, ряд урана-актиния, начинающийся с другого изотопа урана с массой 235, и ряд тория. Конечными устойчивыми и далее не разрушающимися продуктами каждого из этих рядов, образующимися после десятидвенадцати последовательных превращений, являются ядра атомов изотопов свинца, соответственно с массами 206, 207, 208. Кроме свинца, устойчивыми продуктами превращений в каждом из указанных выше радиоактивных рядов являются лишившиеся своей кинетической энергии и заряда альфа-частицы,, ставшие атомами гелия.
      При непрерывно протекающем на земле радиоактивном распаде атомов урана, тория и радия происходит постоянное выделение тепла.
      Если подсчитать количество тепла всех указанных элементов, выделяемое при распаде, то окажется, что, сами того не подозревая, мы давно уже пользуемся этим теплом, так как за его счет наш земной шар заметно подогревается.
      Точно так же оказывается, что добываемый для наполнения дирижаблей и аэростатов заграждения газ гелий образуется за счет радиоактивного распада содержащихся в земле атомов урана, тория и радия. Подсчитано, что таким путем в земле за время ее существования образовались огромные количества газа гелия, исчисляемые многими сотнями миллионов кубических метров.
      Непрерывно протекающий распад содержащихся в земле атомов урана, тория и радия интересен для нас не только как источник постоянного тепла и как источник образования промышленных запасов химических элементов, но и как естественный часовой механизм, хронометр, по которому мы можем отсчитывать время, протекшее с момента образования на Земле тех или других горных пород и, наконец, самой Земли как твердого тела.
      Каким же образом атомы урана, тория и радия и их распад могут быть использованы как часы для определения геологического времени? А вот каким. Мы с вами видим, что скорость, с какой происходит распад радиоактивных атомов, не зависит от химических и физических воздействий и остается все время строго постоянной. С другой стороны, при радиоактивном распаде образуются устойчивые и далее не изменяющиеся атомы элементов гелия и свинца, количество которых с течением времени будет все более и более накапливаться.
      Зная, какое количество гелия и свинца образуется за счет радиоактивного распада атомов из одного грамма урана или тория в течение одного года, и определив, сколько урана и тория содержится в каком-нибудь минерале и сколько в том же минерале содержится гелия и свинца, из отношения гелия к урану и торию, с одной стороны, и из отношения свинца к урану и торию — с другой, мы получим время в годах, которое прошло с момента образования этого минерала.
      Действительно, в момент своего образования минерал содержал в своем составе только атомы урана и тория, никаких атомов гелия и свинца в нем не было; затем за счет распада атомов урана и тория в минерале стали появляться и постепенно накапливаться атомы гелия и свинца.
      Такой содержащий атомы урана и тория минерал можно уподобить песочным часам, действие которых вы все, наверное, видели. Напомню вам, как устроены такие часы. Они состоят из двух сообщающихся друг с другом сосудов; в одном из них насыпано определенное количество песка. В момент, когда часы пускают, их закрепляют и дают песку под действием силы тяжести медленно высыпаться из верхнего сосуда в нижний.
      Обыкновенно насыпается такое количество песка, чтобы оно полностью пересыпалось в нижний сосуд в заданный промежуток времени — 10 минут, 15 минут. Песочными часами пользуются для отсчетов постоянных промежутков времени. Однако ими можно было бы пользоваться и для отсчетов любых промежутков времени. Для этого пришлось бы или взвесить количество песка, или разметить сосуды на равные по объему части и измерять объемы насыпавшегося песка. Так как песок под действием тяжести высыпается с определенной скоростью, то можно определить, сколько песка по объему или по весу высыпается из верхнего сосуда в нижний в течение одной минуты, и по объему высыпавшегося песка судить, сколько минут прошло с момента, когда мы пустили часы.
      Нечто подобное происходит с минералом, содержащим атомы урана и тория. Он уподобляется верхнему сосуду, содержащему определенное количество песка, только роли отдельных песчинок выполняют атомы урана и тория. Они тоже с определенной скоростью превращаются в атомы гелия и свинца, и, как в случае с песочными часами, атомы распада накапливаются в прямой зависимости от протекшего до настоящих дней времени существования радиоактивного минерала.
      Количество оставшегося урана определяем прямым анализом; количество распавшихся атомов урана и тория мы вычисляем по количеству образовавшихся из них гелия и свинца. Эти данные позволяют найти отношение урана к количеству образовавшихся свинца и гелия, а следовательно, вычислить время, в течение которого продолжался распад. Таким путем ученым удалось определить, что на Земле встречаются минералы, с момента образования которых прошло почти два миллиарда лет. Таким образом, теперь мы знаем, что Земля наша очень древняя старушка, и ей, во всяком случае, больше двух миллиардов лет от роду.
      В заключение этой главы мне хотелось бы рассказать вам еще об одном явлении, которое открыто недавно и которому суждено сыграть большую роль в жизни людей. Мы с вами видели, что все ядра атомов тяжелых химических элементов, начиная с 84-го порядкового номера в периодической системе Д. И. Менделеева, — это ядра неустойчивые, или обладающие свойством радиоактивности. Оказывается, что ядро атома делается неустойчивым, если в нем сильно нарушается некоторое определенное соотношение между протонами и нейтронами. При большом избытке нейтронов в ядре оно делается неустойчивым.
      Как только ученые подметили это свойство ядер химических элементов, они вскоре нашли средство искусственно менять соотношение между протонами и нейтронами в ядрах химических элементов и, таким образом, по своему желанию превращать устойчивые разновидности ядер атомов в неустойчивые,, делать химические элементы искусственно-радиоактивными. Как это можно сделать?
      Для этого нужно найти какой-нибудь снаряд, размер которого не превосходил бы размер ядра атома, сообщить ему очень большую энергию и попасть им в ядро атома.
      Такими снарядами атомных размеров с очень большой энергией являются альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами. Ими прежде всего и воспользовались ученые,, чтобы искусственно разрушать ядро атома. Впервые это удалось сделать известному английскому физику Эрнесту Резерфорду, который, действуя в 1919 г. альфа-лучами на ядра атомов азота, обнаружил, что при этом из них вылетают протоны.
      Пятнадцать лет спустя, в 1934 г., молодая чета французских ученых Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри, действуя альфа-частицами элемента полония на алюминий, обнаружили, что алюминий под действием альфа-лучей не только испускает лучи, в состав которых входят нейтроны, но и по окончании облучения альфа-частицами сохраняет в течение некоторого времени радиоактивные свойства, испуская бета-лучи.
      Путем химического анализа супруги Жолио-Кюри установили, что искусственно-радиоактивным при этом является на сам алюминий, а атомы фосфора, образовавшиеся из атомов алюминия под действием альфа-частиц.
      Таким образом были получены первые искусственно-радиоактивные элементы и была открыта искусственная радиоактивность. А вскоре, испробовав разные приемы для получения искусственно-радиоактивных элементов, стали действовать на ядра химических элементов вместо альфа-частиц нейтронами, гораздо легче проникающими в ядра атомов, чем альфа-частицы, которые заряжены положительно и потому при приближении к атому отталкиваются ядром.
      Эти силы отталкивания у ядер атомов тяжелых химических элементов настолько велики, что энергии альфа-частиц не хватает для того, чтобы их преодолеть, и альфа-частица до ядра атома добраться не может. Нейтроны же как частицы, не несущие никакого электрического заряда, ядрами не отталкиваются и легко в них проникают. Действительно, путем воздействия нейтронов великому итальянскому физику Э. Ферми, а вслед за ним и другим ученым удалось получить искусственнорадиоактивные неустойчивые разновидности ядер атомов для всех химических элементов.
      В ходе этих исследований немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом в 1939 г. было обнаружено, что при воздействии нейтронами малой энергии на самый тяжелый химический элемент — уран — ядра атомов урана претерпевают новый, ранее неизвестный тип распада, при котором ядро атома делится на две приблизительно равные половинки. Эти половинки сами являются неустойчивыми разновидностями ядер атомов известных нам химических элементов, находящихся в середине таблицы Д. И. Менделеева.
      Год спустя, в 1940 г., молодые советские физики К. А. Петржак и Г. Н. Флеров открыли, что деление урана происходит и самопроизвольно, т. е. что в природе существует еще один вид радиоактивного распада — спонтанное (самопроизвольное) деление, которое, однако, случается еще реже, чем обычный радиоактивный распад урана.
      Если путем обыкновенного радиоактивного распада половина всех наличных атомов урана распадается через четыре с половиной миллиарда лет, то путем деления атомов урана период полураспада равен 8 тысячам триллионов лет, и, следовательно, этот второй тип распада случается в два миллиона раз реже, но зато он сопровождается гораздо большим выделением энергии, чем обычный радиоактивный распад.
      Пульт управления первой промышленной атомной электростанции. Мощность ее 5 тыс. кет. В сутки АЭС расходует всего 30 г урана-235 (вместо 100 т угля). Управление атомным котлом и всеми другими агрегатами станции производится с общего пульта управления. Вырабатываемый атомной станцией электрический ток поступает для промышленности и сельского хозяйства прилегающих районов
      При спонтанном делении урана тоже происходит образование некоторых устойчивых ядер элементов, постоянно накапливающихся в природе, наряду с образованием неустойчивых и далее распадающихся ядер.
      Так, если при обычном радиоактивном распаде происходит образование и постепенное накопление атомов гелия, то при новом типе радиоактивности урана происходит образование и постепенное накопление атомов ксенона или криптона.
      Путем бомбардировки изотопов урана нейтронами и заряженными частицами в 1950 — 1957 гг. удалось получить ряд новых заурановых элементов — нептуний с атомным номером 93, плутоний — 94, америций — 95, кюрий — 96, берклий — 97, калифорний — 98, эйнштейний — 99, фермий — 100, менделевий — 101 и нобелий — 102, которые нашли свое место в таблице Менделеева.
      Огромная роль таблицы Менделеева в установлении природы и предсказании свойств этих элементов была подчеркнута одним из ученых, синтезировавшим элементы № 94 — 101, американцем Г. Сиборгом тем, что он дал элементу № 101 имя гениального русского ученого.
      Но самым интересным и важным свойством деления тяжелых ядер явилось то, что этим новым типом распада атомов можно управлять по нашему желанию.
      Замечательно в этом открытии то, что человеческая техника не только вызывает эти бурные реакции, освобождающие чудовищную энергию, но и может на них воздействовать, задерживать или ускорять, заменять бурные взрывы более медленным и более спокойным выделением могучей энергии. И та блестящая мысль о внутриатомной энергии, которая еще только зарождалась в конце девяностых годов в уме Пьера Кюри, открывшего вместе со своей женой радий, мысль, которую решались высказывать на пороге нового столетия лишь немногие ученые, сейчас стала реальностью наших дней.
      Когда ученые в 1903 г. рисовали картину счастливого будущего человечества, обладающего бесконечными запасами нужной для его жизни энергии, тогда эта идея казалась только красивой фантазией и не находила своего подтверждения ни в реальных фактах природы, ни в завоеваниях тогдашней техники. А вот сейчас эта мечта превращается в реальность.
      Не удивительно, что металл уран сделался за последние годы объектом исключительного внимания во всех странах. Раньше это был просто отброс радиевого производства. Радиевые фирмы в Бельгии, Канаде, Америке и в других странах искали применения для этого металла после его выделения на больших радиевых заводах. Но настоящего применения не находилось, цены на него были низкие, и он шел за бесценок на окраску фарфора, кафелей и для получения дешевых зеленых стекол.
      Теперь же не радий, а сам металл уран сделался объектом поисков и разведок.
      Пусть требуется еще много трудов и усилий для овладения этой проблемой, пусть даже эта энергия будет вначале дороже, чем энергия, получаемая в паровых котлах, но зато какие грандиозные возможности использования этих практически вечных двигателей открываются перед человечеством!
      В руках человечества оказывается новый вид энергии, более могучий, чем все, что люди знали до сих пор.
      Сейчас ученые всего мира напряженно работают, чтобы возможно полнее овладеть могучей силой, скрытой в ядрах урана.
      Но эта сила уже далеко не является пределом человеческих дерзаний. Наука шагает в наши дни семимильными шагами. И всего через несколько лет после высвобождения атомной энергии в процессах деления тяжелых ядер стала реальной новая — подлинно ни с чем не соизмеримая — возможность использования атомной энергии «сплавления» легких ядер в ядра гелия. Ближайшие годы должны дать возможность использовать новое атомное горючее, а именно... воду. В стакане обыкновенной воды скрыта энергия в 5000 киловатт-часов, энергия же превращения в гелий всех содержащихся в гидросфере нашей планеты ядер тяжелого изотопа водорода — дейтерия — выражается астрономической цифрой в 7 1024 (т. е. семеркой с двадцатью четырьмя нулями) киловатт-часов.
      К сожалению, уродливый строй капиталистического мира стремится употребить атомную энергию в первую очередь для разрушения. Но уже выросли силы, которые способны помешать планам кучки империалистов и направить эту новую силу на благо всего трудового человечества. В Советском Союзе атомная энергия уже используется для получения электроэнергии. Эта энергия движет ледокол, названный именем великого Ленина. Мы можем гордиться тем, что наша Родина возглавляет дело завоевания нового вида энергии для блага и счастья всего человечества.
      Настанет время, и атомная энергия сделается обыденной. Мы будем иметь электростанции, помещающиеся в чемодане, моторы мощностью в несколько лошадиных сил и размером не больше карманных часов, ракетные двигатели с запасом энергии на несколько лет, самолеты, которые смогут летать месяцами без посадки.
      Наступает век подчинения атомной энергии, век невиданного могущества человека.
      И в свете новых идей о строении атома периодический закон Д. И. Менделеева не потерял своего значения.
      Более того, для познания внутриатомных явлений он послужит такой же путеводной звездой, как и для познания химических связей между атомами. Изучение строения атома показало что Менделеевский закон является не только одним из законов химии, но и одним из величайших законов природы.
     
      АТОМ И ВРЕМЯ
      Трудно себе представить более простое и вместе с тем более сложное понятие, чем время. Старая финская пословица говорит, что «ничего нет в мире замечательнее, сложнее и непобедимее времени». А один из величайших философов древнего мира, Аристотель, писал за четыре столетия до нашей эры, что среди неизвестного в окружающей нас природе самым неизвестным является время, так как никто не знает, что такое время и как им управлять.
      Уже на ранних ступенях культуры человека занимала мысль о начале времени, о конце мира, о том, когда создалась окружающая нас природа, каков возраст Земли, планет и звезд и как долго будет светить на небе солнце.
      По древним персидским сказаниям, мир существует всего лишь двенадцать тысяч лет.
      Астрологи Вавилона, гадавшие по небесным светилам, находили, что мир очень стар, что ему больше двух миллионов лет. А библия говорила, что прошло всего шесть тысяч лет с того момента, когда в шесть дней и шесть ночей, по воле бога, был создан мир.
      Проблемой времени в течение многих тысячелетий продолжали заниматься величайшие умы, и на смену древним сказаниям и фантазиям астрологов постепенно стали приходить точные методы определения возраста нашей Земли.
      Первым сделал попытку вычислить возраст Земли астроном Галилей в 1715 г., а затем лорд Кельвин, который в 1862 г. вычислил возраст Земли, исходя из теории ее охлаждения, и получил казавшуюся тогда грандиозной цифру в сорок миллионов лет.
      Потом на смену пришли геологические методы. В Швейцарии, Англии, Швеции, России и Америке геологи стали подсчитывать, сколько же времени потребовалось нашей Земле, чтобы образовать грандиозные толщи осадочных пород, мощность которых свыше ста километров.
      Оказалось, что реки каждый год выносят не менее десяти миллионов тонн вещества, смывая его с континентов, так что наши материки теряют каждые 25 тысяч лет слой земли толщиной в среднем один метр. Так постепенно, изучая деятельность воды и ледников, осадки на земле и в океанах и полосатые ледниковые глины, геологи пришли к выводу, что история земной коры не может уложиться в сорок миллионов лет. В 1899 г. английский геофизик Джоли определил возраст нашей Земли в триста миллионов лет.
      Но эти вычисления не нравились ни физикам, ни химикам, пи самим геологам.
      Разрушение материков шло далеко не так правильно, как думал Джоли. Периоды осадков сменялись бурными взрывами вулканов, землетрясениями, поднятиями горных хребтов. Уже накопившиеся осадки расплавлялись и размывались.
      Подсчет Джоли не удовлетворял точных исследователей, которые хотели найти настоящие часы для определения времени прошлого и для определения возраста земной коры.
      И вот на смену геологам пришли химики и физики. Ими, наконец, были найдены часы — часы постоянные, вечные; они не созданы мастером, не имеют пружин, которые приводили бы их в движение; их не нужно заводить. Такими часами оказался разрушающийся атом радиоактивных элементов.
      Мы уже видели в предыдущем очерке, что весь мир наполнен разрушающимися атомами, что в незаметном, но великом процессе распадаются атомы урана и тория, радия и полония, актиния и многих десятков других элементов. Это разрушение идет с постоянной скоростью и, как было показано выше не может быть ускорено или замедлено ни высокими температурами в тысячи градусов, ни самыми низкими температурами, предельно близкими к абсолютному нулю, ни огромными давлениями. Никакие обычные средства не могут изменить этот строгий, неизменный процесс распада некоторых атомов, совершающийся в природе.
      Правда, современная техника сумела найти могучие средства, при помощи которых удается разрушать и созидать атомы. Но на Земле этих условий нет и неизменная скорость распада тяжелых элементов сохраняется миллионы и миллиарды лет.
      Всегда и всюду во всем окружающим нас мироздании распадаются атомы урана, радия, тория и одновременно образуются определенные количества атомов газа гелия и устойчивых, безжизненных атомов свинца. Эти два элемента природы — гелий и свинец — создали новые часы. И вот впервые в истории человечества время удалось измерить настоящим мировым стандартом вечного характера!
      Какая поразительная и вместе с тем трудная для понимания картина! Несколько сотен различных атомов наполняют мироздание своими сложными электромагнитными системами. Излучая энергию, они скачками видоизменяются, переходя из одного вида в другой: одни из создающихся вновь систем жизненны и упорно сохраняются, — очевидно, для нас не доступна огромная длина периодов их превращения; другие существуют тысячи миллионов лет, медленно излучая энергию, проходя через сложные ряды распада; третьи живут годами, днями, часами; жизнь четвертых измеряется секундами и долями секунды...
      Подчиняясь закону преобразования атомных систем, элементы наполняют природу, но время регулирует законы их количественного распространения, время распределяет их по мирозданию, создавая сложность миров нашей земли и космическую жизнь вселенной.
      Медленно, вековечно текут процессы мироздания; умирают быстро разлагающиеся тяжелые атомы, под действием альфа-лучей распадаются другие, создаются третьи, более устойчивые кирпичи мироздания, накапливаются постепенно конечные продукты распада — нерадиоактивные элементы.
      Уже установлено преобладание на Солнце элементов, устойчивых против альфа-лучей; земная поверхность на 90% состоит из элементов с числом электронов, кратным двум или четырем, то есть именно тех, которые наиболее устойчивы против разрушительной деятельности гамма-лучей и космических лучей. Самые устойчивые из них, просто и плотно построенные, составляют наш неорганический мир; менее устойчивые (как калий и рубидий) участвуют в жизненных процессах, своим распадом помогая организмам бороться за жизнь. Быстро распадающиеся (радон, радий) губят эту жизнь, разрушая себя. В одних звездных системах только развивается процесс распада — это довольно зрелая система нашего Солнца, в других — в звездных туманностях — он только начинается, в третьих — в темных угасших телах — уже бесконечно медленно идут затухающие процессы распада. Время определяет состав, природу и сочетания элементов в течение космической истории.
      Физики и химики подсчитали, что 1000 г металла урана через 100 миллионов лет дадут 13 г свинца и 2 г гелия.
      Через 2000 миллионов, или 2 миллиарда лет, количество свинца уже будет 225 г, т. е. четверть всего урана перейдет в свинец. А атомов летучего гелия накопится уже 35 г. Но процесс продолжается, и через 4000 миллионов, или 4 миллиарда,
      лет свинца накопится почти 400 г, количество гелия достигнет 60 г, а первичного урана останется только половина — 500 г.
      Продолжим эти рассуждения: возьмем не 4 миллиарда лет, а сотню миллиардов лет, — тогда почти весь уран распадется
      «Часы», измеряющие возраст Земли. Если мы условно примем продолжительность истории Земли от начала древнейшей архейской эры до наших дней за 24 часа и соответственно уменьшим продолжительность всех эр, вычисленную по радиоактивному процессу, то на наших часах докембрий будет продолжаться 17 часов, палеозой — 4 часа, мезозой — 2 часа, кайнозой — 1 час.
      Человек появляется на арену жизни за пять минут до полуночи и превратится в свинец и гелий. Урана на Земле почти совсем не останется, а вместо него в природе будут рассеяны всюду тяжелые атомы свинца, и атмосфера обогатится запасом газа солнца — гелия.
      И вот, на основе этих данных, геохимики и геофизики за последние годы построили шкалу абсолютного летоисчисления времени геологической эволюции земного шара.
      Эти новые часы установили, что возраст нашей планеты, вероятно, превышает 5 тысяч миллионов лет, то есть примерно 5 миллиардов лет должны отделять нас от того момента космической истории, когда образовались планеты нашей солнечной системы и среди них Земля.
      Более двух миллиардов лет отделяют нас от появления твердой земной коры — этого второго важнейшего момента в истории Земли, начала ее геологической истории. От зарождения жизни прошло не менее одного миллиарда лет. Примерно за 500 миллионов лет до наших дней положено было начало отложениям знаменитой синей кембрийской глины, встречающейся в окрестностях Ленинграда.
      В течение первой эпохи — трех четвертей всей геологической истории Земли — много раз расплавленные массы прорывались из глубин на поверхность и нарушали спокойствие первой, еще тонкой, но твердой пленки Земли. Расплавленные массы выливались на ее поверхность, пропитывали ее своим горячим дыханием и растворами, сгибали и поднимали ее в виде хребтов. Наши геохимики и геологи сейчас уже наметили самые древние горные хребты Земли (в Карелии — Беломориды, в Канаде — древнейшие граниты штата Манитоба).
      Потом началась длинная история развития органического мира. Примерно за полмиллиарда лет до нашего времени мощные хребты Каледонии поднялись на севере Европы, за 200 — 300 миллионов лет образовались хребты Урала и Тянь-Шаня; примерно в течение 25 — 50 миллионов лет шло образование Альпийских гор, затухали последние пароксизмы вулканов Кавказа, поднимались горные вершины Гималаев.
      Затем следует доисторическое время: миллион лет определяет начало ледниковых эпох; 800 тысяч лет — первое появление человека; 25 тысяч лет — конец последней ледниковой эпохи; 10 000 — 8000 лет — начало египетской и вавилонской культур; 1959 лет — начало нашего летоисчисления.
      Много лет пройдет еще, пока ученые сумеют точно выверить свои замечательные часы. Но метод найден. Одна из загадок времени разгадана, и нет никакого сомнения, что очень скоро в каждом отдельном образце камня химик сумеет прочесть его возраст, определить точное число лет, прошедших с момента его зарождения.
      Химик! Мы перестали верить в неизменяемость твоих атомов, все течет, все изменяется, все разрушается и вновь создается, одно отмирает, другое рождается, — так течет история химических процессов мира во времени. Но даже и смерть атома человек сумел превратить в орудие познания мира и сделал из нее эталон времени.
      1 Некоторые американские авторы оценивают возраст гранитов Манитобы в 3,1 миллиарда лет, но советские ученые считают эти данные преувеличенными. — Ред.
     
      Химические элементы в природе
     
      КРЕМНИЙ — ОСНОВА ЗЕМНОЙ КОРЫ
      Элемент кремний и минерал кремень
      одной из баллад Жуковского рассказывается, как некий иностранец, приехав в Амстердам, расспрашивал прохожих о том, кому принадлежат магазины,
      дома, суда и поместья, и на все получал один и тот же ответ: «Каннит-ферштан». «Как он богат!» — думал иностранец, завидуя этому человеку и не догадываясь о том, что эти слова означают по-голландски: «не понимаю».
      Эта история всегда приходит мне на память, когда рассказывают о кварце. Показывают мне самые разнообразные предметы: прозрачный шар, сверкающий на солнце чистотой холодной ключевой воды, красивый пестрого рисунка агат, яркой игры многоцветный опал, чистый песок на берегу моря, тонкую, как шелковинка, нитку из плавленного кварца или жароупорную посуду из него, красиво ограненные груды кристаллов горного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, окаменелое дерево, превращенное в кремень, грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека, и о чем бы я ни спросил, мне ответят: все это состоит из кварца и близких к нему по составу минералов. Все это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода.
      Кремний имеет условный химический знак Si — силиций. После кислорода он является самым распространенным элементом в природе. В свободном виде он никогда не встречается, а всегда образует соединение с кислородом — Si02, которое носит название: кремнезем, или окись кремния.
      При слове «кремний» обычно чаще всего вспоминаешь кремень — минерал, который многие хорошо знают еще с детства; кремень твердый, дающий горячую искру при ударе о
      Друза горного хрусталя — самойчистой и прозрачной разновидности кварца
      сталь и применявшийся древним человеком для получения огня, а позднее для зажигания пороха в кремневом ружье.
      Однако минерал кремень — это не кремний химиков, а лишь одно, и притом не самое важное, его соединение. Сам же кремний — это замечательный химический элемент, атомы которого широко распространены вокруг нас в природе и в технике.
      Кремний и кремнезем
      В граните около 80 % кремнезема, или 40 % элемента кремния. Из его соединений состоит большинство твердых горных пород. Порфир мавзолея Ленина и Сталина на Красной площади, красивые граниты облицовки гостиницы «Москва», темно-синие сверкающие пятна лабрадора в фундаментах домов на улице Дзержинского в Москве и др., — словом, все твердые и прочные породы земли состоят больше чем на треть из кремния.
      Кремний — главная составная часть простой глины. Из него же состоят в основном простой песок речных берегов, толщи песчаников и сланцев.
      Не удивительно поэтому, что около 30% по весу всей нашей земной коры состоит из этого элемента, что до глубины в 16 километров около 65% приходится на его главное соединение с кислородом Si02, которое химики называют кремнеземом
      и которое мы называем чаще всего кварцем. Мы знаем свыше двухсот различных разновидностей природного кремнезема, и больше ста различных названий употребляют минералоги и геологи, перечисляя разные виды этого важнейшего минерала.
      Мы говорим об окиси кремния, когда называем кремень, кварц, горный хрусталь, говорим о ней, когда восторгаемся красотой фиолетового аметиста, пестрого опала или красного сердолика, черного оникса или серого халцедона, к нему относятся и красивые разновидности яшмы, и точильный камень, и простой песок. Самые разнообразные названия даются отдельным ее разновидностям, и, может быть, нужна целая наука, чтобы разобраться в соединениях этого замечательного элемента.
      Но в природе встречается еще гораздо больше соединений, где наш кремнезем, или кремневая, кислота сочетается с окислами других металлов. При этом получаются тысячи новых видов минералов, называемых силикатами.
      Человек применяет их в своей строительной технике и хозяйстве; важнейшие из них — глины и полевые шпаты — он использует для получения различных сортов стекла, фарфора и фаянса, для отливки оконных стекол, хрусталя для стаканов, для создания величайшей силы строительной техники — прочного, как броня, бетона, одного из основных материалов для полотна новых автострад, мостов и железобетонных перекрытий заводов и фабрик, театров, домов и т. д.
      Что может сравниться в руках человека по прочности и разнообразию своих свойств с кремнием и его соединениями?
      Кремний в шивотпых и растениях
      Но еще раньше, чем хитроумный человек научился пользоваться окисью кремния в своей технике, природа уже широко использовала ее в жизни растений и животных. Там, где надо было построить прочный стебель, прочную соломинку колоса, накапливалось большое количество кремнезема; и мы знаем, как много его содержится в золе простой соломы и в особенности в прочных стеблях таких растений, как хвощи, которые росли в далекие геологические эпохи образования каменного угля, вытягиваясь из болотистых низин на высоту в десятки метров, так же, как сейчас вытягиваются к небу богатые кремнеземом трубки бамбука в садах Сухуми или Батуми. В этих растениях природа сумела сочетать механическую прочность с прочностью самого материала.
      Прочность стебля имеет огромное практическое значение для колосьев злаков, не позволяя ниве ложиться под ударами ветра или дождя.
      Каждый день на самолетах перевозят цветы и декоративные растения; и, чтобы эти цветы не мялись, а стебли их оставались прочными, необходимо почву, в которой они растут, насыщать легкорастворимыми солями кремния. Растения поглощают с водой кремнезем — и их стебли приобретают твердость и прочность.
      Но не только для стеблей нужна растениям прочность кремния и его соединений. Мельчайшие растения, диатомовые водоросли, строят свои скелеты из кремнезема; и мы знаем сейчас, что на 1 см3 породы, образующейся из скорлупок этих водорослей, требуется около 5 000 000 этих маленьких организмов.
      Но особенно замечательны те постройки, в которых кремнезем используется животными для создания своего скелета. В разные эпохи развития жизни животные по-разному решали эту задачу прочности. В одних случаях они защищали снаружи свое тело известковой раковиной, в других — они строили эту раковину из фосфата кальция; в третьих — вместо раковины основу животного составлял твердый скелет, и он образовывался из самых разнообразных, но прочных материалов. То это были фосфаты кальция вроде того вещества, из которого образуются наши кости; то это были тонкие ажурные иглы сернокислых солей бария и стронция; наконец, некоторые группы животных использовали прочный кремнезем и строили из него свои здания. Так строили семейства радиолярий своеобразные нежные скелеты из тонких иголочек кремнезема.
      Некоторые губки также образуют свои твердые части из кремневых иголок — спикул.
      Сотнями различных способов ухитряется природа использовать кремнезем, чтобы из него создать прочную опору для мягких, изменчивых клеток.
      Радиолярии Из отверстий в изящном кремневом скелете выступают ложноножки живой клетки
      Все из кварца и его разновидностей Врошъ из яшмы и брошь из агата в виде бабочки; халцедон натечной формы; тигровый глаз; кошачий глаз; кремневый наконечник стрелы древнего человека; многоцветный «благородный» опал; кусок окаменелого дерева; печатка в виде вазочки из горного хрусталя; ограненный аметист и дымчатый кварц; письменный гранит; камея, вырезанная из оникса; ступка с пестиком из яшмы
      Почему соединения кремния так прочны ?
      Наши ученые пытались в последние годы понять, — в чем же разгадка замечательной прочности, которую придает кремний скелетам животных и растений, тысячам минералов и горных пород, самым тонким изделиям техники и промышленности?
      И когда глаза наших рентгенологов проникли в глубины этих кремневых соединений, открылись замечательные картины, которые помогли найти причину их прочности и загадку их строения.
      Оказалось, что кремний находится в них в виде мельчайших заряженных атомов — ионов ничтожных размеров, в два с половиной раза меньше, чем одна стомиллионная часть сантиметра.
      Эти маленькие заряженные шарики соединяются с такими же заряженными шариками кислорода, но больших размеров. В результате вокруг каждого из них теснейшим образом располагаются четыре шарика кислорода, соприкасаясь друг с другом, и получается особая геометрическая фигура, которую мы называем тетраэдром.
      Тетраэдры сочетаются друг с другом по различным законам, и из них вырастают сложные большие постройки, которые очень трудно сжимать или сгибать и в которых необычайно трудно оторвать атом кислорода от центрального атома кремния.
      Современная наука выяснила, что возможны тысячи таких сочетаний тетраэдров между собой.
      Иногда между ними располагаются другие заряженные частицы; в некоторых случаях наши тетраэдры сочетаются в отдельные полоски и пленки, создавая глины и тальки, но всегда и всюду в основе их строения лежит сочетание тетраэдров.
      И подобно тому, как углерод с водородом образуют сотни тысяч разнообразных соединений в органической химии, так в неорганической химии кремний с кислородом образуют тысячи построек, сложность которых раскрыта рентгеновским лучом.
      Расположение атомов кремния (белые шарики) и кислорода (черные) в кристалле кварца. Атомы кислорода связывают всегда два атома кремния
      Кремнезем не только трудно разрушается механически, он не только так тверд, что острый стальной нож не может взять его, но он прочен и химически, так как ни одна кислота, за исключением плавиковой, не может разрушить или растворить его, и лишь сильная щелочь несколько растворяет его превращая в новые соединения. Он очень трудно плавится и только при 1600 — 1700° начинает переходить в жидкое состояние.
      Таким образом, не удивительно, что кремнезем и его разнообразные соединения являются основой неорганической природы. В наше время возникла целая наука о химии кремния, и на каждом шагу все пути геологии, минералогии, техники и строительства переплетаются с историей этого элемента.
     
      Исторйя кремния в земной коре
      Проследим же теперь на отдельных примерах судьбу кремния в земной коре. Он образует с металлами основу расплавленной магмы в глубинах земной коры. И когда эта расплавленная магма застывает в глубинах, образуя кристаллические горные породы — граниты, габбро, или выливается на поверхность в виде лавовых потоков, базальта и других пород, возникают сложные соединения кремнезема, или силикаты. Если же кремния избыток, то появляется и чистый кварц.
      Вот они — коротенькие кристаллы кварца в гранитных порфирах или густые дымчатые хрустали в пегматитовых жилах,, последних остатках глубинных расплавов Земли. Надо осторожно запечь в хлебе кусочек такого «дымчатого топаза» 2 или нагреть его до 300 — 400°, чтобы получить «золотистый топаз», который и пойдет в огранку на бусинку или брошку.
      Вот кварцевые жилы со сплошным белым кварцем. Мы знаем, что некоторые из них тянутся на сотни километров. Грандиозные кварцевые жилы стоят, как маяки, на склонах гор Урала. Здесь на много сотен километров протягиваются жилы с пустотами, заполненными прозрачным горным хрусталем. Это и есть те чистые прозрачные разновидности кварца, о которых писал греческий философ Аристотель, давший им название «кристалл» и связывавший происхождение горного хрусталя с
      1 Кремнезем легко сплавляется с содой, причем угольная кислота из соды выделяется очень бурно, и образуется прозрачный шарик силиката натрия, растворяющийся в воде. Поэтому мы называем его растворимым стеклом.
      2 Название не совсем точное, так как «дымчатый топаз» — это по составу просто кварц Si02, а не настоящий топаз, состав которого более сложен; в него входят кремний, алюминий и фтор с кислородом — Al2F2(Si04).
      окаменелым льдом. Это тот горный хрусталь, который уже в XVII веке добывался из природных «погребов» Швейцарских Альп, причем из отдельных пустот добывалось до 500 тонн горного хрусталя, то есть до 30 вагонов.
      Отдельные кристаллы иногда достигают грандиозных размеров. На Мадагаскаре был найден кристалл горного хрусталя, который имел в окружности 8 метров. Японцы выточили из прозрачного горного хрусталя Бирмы огромный шар — больше одного метра в диаметре, который весил почти полторы тонны.
      Другой вид кремнезема, совсем не похожий по внешнему виду на тот, о котором мы только что говорили, отлагается из расплавленной лавы, когда горячие пары, насыщенные кремнеземом, осаждают в отдельных жилах или газовых пустотах громадные массы кремнистых желваков и жеод. И когда начинается разрушение породы в глинистую дресву, из нее как бы выкатываются грандиозные шары до одного метра в диаметре.
      В штате Орегон в США их называют «гигантскими яйцами» или «яйцами-великанами». Их разбивают на куски п потом распиливают на тонкие пластины для получения прекрасных слоистых агатов — сырья для «камней» к часам и другим точным приборам, для призм весов, для ступочек химических
      «Богатырю) Северного Урала. Останцы кварцевых жил, сохраняющиеся как более прочные участки земной коры при выветривании. Высота до 50 м
      Осадки гейзерита — «;неблагородного опала» — образуют террасы кремнистого туфа. Гейзер «Мамонт» в Йеллоустонском парке. США
      лабораторий. Иногда и после прекращения вулканической деятельности, в связи с наличием остывающих изверженных масс, кремнезем выносится горячими ключами на поверхность земли. Таково, например, происхождение отложений «неблагородного опала» гейзерами в Исландии и в Йеллоустонском национальном парке США.
      Посмотрим на белоснежные пески дюн побережья Балтики и северных морей, на миллионы квадратных километров песчаных пустынь Средней Азии и Казахстана; песок — вот что определяет природу берегов морей и пустынь; кварцевый песок то с красной пленкой железных окислов, то с преобладанием черного кремня, то чисто белый, очищенный морской волной.
      А вот нарядные изделия из горного хрусталя. Искусный мастер китаец при помощи разнообразных скребков и наждачного порошка создал фантастические изделия из кристаллов кварца.
      Сколько десятков лет затратил он, чтобы выточить вазочку из горного хрусталя, сделать чудовищного дракона или выдолбить маленький флакончик для розового масла?
      А вот агатовая пластинка; она окрашена разными красками. Изобретательный человек научился пропитывать ее различными растворами и из серого, невзрачного агата получать гладкие, ярко окрашенные пластинки для изделий.
      Но вот перед нами еще более удивительные картины: целые древние леса окаменелого дерева в Аризоне, каменные древесные стволы из чистого кремнезема — агата в западных областях Украины, а также среди пермских отложений западного склона Южного Урала.
      Вот искристый, переливающийся камень, напоминающий «огонь» кошачьего или тигрового глаза. Вот таинственные кристаллы, внутри которых, «как привидение», просвечивают как бы другие кристаллы того же кварца. Вот острые красно-желтые иголки минерала рутила прорезают в разных направлениях кристаллы горного хрусталя — «стрелы Амура». Вот тонкий золотистый войлок — «волосы Венеры». Вот замечательный камень с пустотой внутри, почти сплошь заполненной водой. Вода переливается и играет внутри кремневой скорлупы.
      Вот невероятно извилистая трубка — это результат действия молнии на кварцевый песок, сплавленные фульгуриты, «стрелы неба», или «громовые стрелы», как они называются часто народом. А вот камни с неба. Своеобразные богатые кремнеземом метеориты из зеленого или бурого стекла находят на отдельных участках того громадного пояса, который тянется через Австралию, Индокитай и Филиппины.
      Сколько споров возникало вокруг этих таинственных образований! Одни считали, что это остатки стекла, плавленного древним человеком, другие думали, что это расплавленные частицы земной пыли; третьи — что это продукт расплавления песков, когда в них падали массы метеорного железа, но большинство ученых склонно думать, что это настоящие частицы других миров...
     
      Кремень и кварц в истории культуры и техники
      Я попытался на предыдущих страницах нарисовать перед читателем сложную историю кварца, кремнезема и их соединений. Начиная с горячих расплавов и кончая холодной поверхностью Земли, начиная с космических областей и кончая песком, которым посыпают в гололедицу наш тротуар, — всюду мы встречаемся с кремнием и кремнеземом; всюду кварц — один из самых замечательных и самых распространенных минералов мира.
      Я мог бы на этом кончить историю кварца, если бы мне не хотелось рассказать еще о том, какое огромное значение имел кварц в истории культуры и техники. Недаром первобытный человек стал делать свои первые орудия из кремня или яшмы. Недаром самые первые украшения в древнейших постройках Египта, в остатках шумерийской культуры Месопо-
      тамии были сделаны именно из кварца. Недаром еще за двенадцать веков до нашей эры на Востоке научились плавить песок с содой и получать стекло.
      Горный хрусталь находил широчайшее применение у персов, арабов, индусов, египтян; и мы имеем сведения, что обработка кварца существовала еще за пять с половиной тысяч лет до нашего времени.
      В течение многих столетий древние греки считали горный хрусталь окаменевшим льдом, превращенным в камень по воле божественной силы. Много фантастических историй связано с этим камнем. В библейский сказаниях ему придавалось огромное значение. При постройке знаменитого Соломонова храма в Иерусалиме этот минерал играл огромную роль под разными названиями: агат, аметист, халцедон, оникс, сард и другие.
      В середине XV в. была создана первая промышленность по обработке этого камня. Научились его пилить, шлифовать, окрашивать и широко использовать в качестве украшений. Но все это были отдельные попытки кустарей, не имевшие массового характера до тех пор, пока новая техника не предъявила более широких требований. Сейчас горный хрусталь используется широко в промышленности и в радиотехнике, где с помощью ньезокварцевых пластинок стали улавливать ультразвуковые волны и преобразовывать их в электрические колебания. Горный хрусталь превратился в один из важнейших видов сырья нашей промышленности.
      И на смену флейте, выточенной из горного хрусталя (Художественный музей в Вене), и прозрачному самовару (Оружейная палата в Москве) пришли маленькие пластинки из кварца для радио, способствовавшие успеху одного из величайших открытий человечества — передаче электромагнитных волн на далекие расстояния.
      Но скоро кварц — чистый горный хрусталь — будут делать химики. В больших баллонах, наполненных жидким стеклом, при высокой температуре и под большим давлением на тонких серебряных проволочках будут расти кристаллы горного хрусталя — чистые маленькие пластинки для радио, а может быть, и для стекол наших окон, для нашей посуды 1.
      И живительные ультрафиолетовые лучи солнца, задерживаемые простым оконным стеклом, будут пронизывать наши комнаты. Появится посуда из плавленого кварца, и раскаленные на плите кварцевые чашки можно будет опускать без опасений в холодную воду 2.
      1 В последнее время проблема искусственного получения кварца разрешена, и производство его все более расширяется. — Ред.
      2 В химических лабораториях широко применяется посуда из кварцевого стекла. — Ред.
      Агат. Вверху — естественной окраски. Остальная часть — искусственно окрашена (сверху вниз): медом и серной кислотой, сернокислым железом, цианистым железом, соляной кислотой, хромом и никелем, а последняя часть — анилином
      Из тончайших кварцевых нитей, столь тонких, что надо сложить пятьсот нитей, чтобы получить толщину спички, будут плести нежнейшие ткани; и кремнезем будет не только материалом для построения скелета мельчайших радиолярий, но и материалом для одежды человека; он «оденет» человека своими иглами и нитями...
      Горный хрусталь сделался основой новой техники; не только геохимик пользуется им как термометром для определения температуры земных процессов не только физик устанавливает при помощи кварца длину электромагнитных волн, — новые и заманчивые перспективы открывает кварц в различных областях промышленности; и скоро он войдет в обиход всей нашей жизни.
      Чем упорнее будут химики и физики овладевать атомами кремния, тем скорее они впишут в историю науки и техники, а также в историю самой Земли, одну из самых замечательных страниц.
      1 Если горный хрусталь кристаллизуется при температуре выше 575°, он дает кристаллы особой формы, в виде шестиугольных дипирамид. Если же его образование произошло из растворов при температуре ниже 575°, то форма его кристаллов иная, вытянутая в длину, в виде шестиугольной призмы. — Ред.
     
      УГЛЕРОД — ОСНОВА ВСЕГО ЖИВОГО
      Кто из вас не знает сверкающего всеми цветами жш радуги драгоценного алмаза, серого графита или, наконец, черного куска угля? Все это лишь различные формы, в которых встречается в природе один и тот же химический элемент — углерод.
      Относительное количество углерода на Земле невелико: оно составляет один процент веса земной коры. Но роль его в химии Земли огромна: без него невозможна жизнь.
      Всего углерода в земной коре содержится 4 584 200 миллиардов тонн. Вот как распределяется углерод в разных частях земной коры:
      В живом веществе 700 миллиардов тонн
      в почвах 400 » »
      В торфе 1 200 ь »
      В бурых углях 2100 » 5
      В каменных углях . . . 3 200
      В антрацитах 600 » »
      В осадочных породах . . 4 576 000 »
      К этому надо добавить 2 200 миллиардов тонн в атмосфере и 184 000 миллиардов тонн в воде океанов.
      Познакомимся же с историей углерода, того элемента, из которого построена живая материя, изучению которого посвящена целая отрасль химии. Сколько таинственного и неясного в путях его странствования в земной коре!
      На самых первых стадиях его существования, доступных нашему исследованию, мы встречаемся с этим элементом в расплавленных магмах. То в виде листочков или шаровых скоплений графита, то в виде кристаллов драгоценного алмаза входит он в состав различных пород, застывших в глубинах и жилах из расплавленных масс. Но главная часть этого элемента ускользает из застывающих массивов: то в виде летучих углеводородов и карбидов поднимается он вверх по жилам, образуя скопления графита (например, на острове Цейлон), то, соединяясь с кислородом, в виде углекислого газа устрмляется вверх.
      Мы знаем, что в глубинах всемогущая кремнекислота не дает возможности этому газу образовывать солей; и действительно, нам не известно ни одного сколько-нибудь важного минерала изверженных пород, который содержал бы угольную кислоту. Зато те же породы удерживают ее механически в своих пустотах (так же, как они удерживали растворы солей хлора), и в этих газовых включениях накапливается в 5 — 6 раз большее количество угольной кислоты, чем то, которое входит в состав нашей атмосферы.
      В областях вулканов, не только действующих, но уже давно потухших, — еще в третичное время, — вырывается этот газ в атмосферу, то собираясь в отдельные газовые струи вместе с другими летучими соединениями, то смешиваясь с водой и образуя нарзаны. Человек использовал эти воды для лечения и устроил около них санатории и водолечебницы, например на Кавказе. Вода в них так перенасыщена углекислотой,
      Растительность каменноугольного периода, из которой образовался каменный уголь что постоянно поднимающиеся к поверхности пузырьки ее создают впечатление, что вода кипит.
      Но если бы вы побывали на Урале, то подобных теплых углекислых источников вы бы не встретили. Геохимия объясняет это различие в составе вод Кавказа и Урала тем, что Урал возник значительно раньше, чем Кавказские горы, и поэтому здесь в период образования гор подземные породы уже остыли.
      На Кавказе же на значительной глубине под горами еще сохранился очаг тепла. Находящиеся вблизи этого очага породы, содержащие углекислоту (мел, известняки), под влиянием тепла частично разлагаются и освобождают газообразную углекислоту. Эта углекислота вместе с минерализованной водой поднимается вверх по трещинам.
      Известны случаи, когда подземные струи углекислоты настолько мощны и выбрасываются под таким большим давлением, что на поверхности земли вследствие испарения их около выходов образуется туман и «снег» из твердой углекислоты. Подобную твердую углекислоту из природных струй местами используют для технических целей в качестве сухого льда.
      Бывали периоды в истории земной коры, когда усилившаяся вулканическая деятельность выбрасывала в атмосферу колоссальные количества угольной кислоты; бывали и такие моменты, когда пышно развернувшаяся тропическая растительность в грандиозных размерах снова возвращала углерод в его самородное состояние. Перед этими процессами Земли бледнеет роль человека с его заводской и фабричной деятельностью.
      Грандиозное количество углекислоты выбрасывается действующими вулканами, например Везувием, Этной, вулканом Катмаи на Аляске и другими. Главную массу выбрасываемых вулканами газов составляет углекислота.
      Как могучий фактор химических превращений начинает угольная кислота на земной поверхности свое разрушительное действие; в противоположность глубинам, здесь она, а не кремневая, является госпожой положения: она разрушает изверженные породы, извлекает металлы, соединяется с кальцием и магнием, накапливаясь в виде известняков и доломитов; в колоссальных количествах собираются ее соли в водных бассейнах, и из них строят организмы свои раковины, из них строят кораллы свои могучие постройки.
      Мы не можем в достаточной степени оценить значение этих медленных превращений углерода на земной поверхности, так как они не только влияют на климатический режим поверхности, но и обусловливают изменения в развитии всего органического мира.
      Представьте на секунду, как бы выглядела Земля без углерода. Ведь это значит, что не было бы ни одного зеленого
      листа, ни дерева, ни травки. Не было бы и животных. Лишь голые утесы разнообразных пород торчали бы среди безжизненных песков и безмолвных пустынь Земли. Не существовало бы ни мрамора, ни известняков, украшающих своим белым цветом наши ландшафты. Не было бы ни угля, ни нефти. Если бы не было углекислоты, то и климат Земли был бы суровее и холоднее, так как углекислота в атмосфере способствует поглощению световой энергии солнца. Воды также были бы мертвы.
      Алмаз и графит состоят из атомов углерода, но располагаются атомы в этих минералах различно. В алмазе {справа) каждый атом окружен четырьмя атомами углерода на равных расстояниях {тетраэдр). У графита {слева) атомы расположены слоями, связи атомов между слоями ослаблены
      Химические свойства углерода очень своеобразны. Он единственный из элементов, который дает безграничное число соединений с кислородом, водородом, азотом и другими химическими элементами. Многие из этих углеродных или органических соединений составляют, в свою очередь, разнообразнейшие сложные белки, жиры, углеводы, витамины и многие другие соединения, входящие в состав тканей и клеток живых организмов.
      Само название — «органические соединения» — указывает, что впервые с соединениями углерода человек познакомился, выделяя их из тканей растений и животных, как, например, сахар, крахмал, а затем научился делать и многие искусственные соединения. В настоящее время в органической химии, занимающейся химией углерода и его соединений, их синтезом и анализом, насчитывается свыше миллиона органических соединений. Для сравнения можно указать, что неорганических соединений, изготовляемых нашими лабораториями, насчитывается более тридцати тысяч, а природных неорганических соединений, или минералов, — менее трех тысяч.
      Органических соединений так много, что приходится теперь их называть все более и более длинными и сложными назва-
      ниями; например, известное лекарство от малярии акрихин имеет полное название: «метоксихлордиэтиламинометилбутил-аминоакрихин».
      Благодаря свойствам углерода давать многочисленные соединения возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных, число которых составляет по меньшей мере несколько миллионов.
      Но это не значит, что углерод составляет основную массу живых организмов, или, как говорят в геохимии, живого вещества. Углерода в них лишь около 10%; больше всего воды — до 80%, а все остальное — другие химические элементы.
      Благодаря способности организмов питаться, развиваться и размножаться, через живое вещество в процессе жизни проходят огромные массы углерода. Вы видели много раз, как весной пруд начинает зарастать с поверхности зеленой пленкой водорослей и других растений, как летом эти водоросли достигают полного расцвета, а к осени буреют и опускаются на дно пруда, образуя донный ил, богатый органическим веществом. От него, как мы увидим дальше, берут начало угли и растительные илы — «сапропели», из которых можно получать синтетический бензин.
      Много углекислоты выделяют животные при дыхании.
      Так, например, у человека поверхность всех легочных пузырьков составляет около 50 м2, и за сутки человек выдыхает в среднем 1,3 кг углекислого газа.
      Все человечество ежегодно выдыхает в атмосферу Земли около миллиарда тонн углекислого газа.
      Наконец, еще более гигантский запас углекислоты находится под землей в связанном состоянии, в виде известняков, мела, мрамора и других минералов, образующих мощные слои в сотни и даже тысячи метров. Если бы все это количество углекислоты, связанной в них в виде углекислого кальция и магния,, мы могли бы возвратить в атмосферу, то углекислоты в воздухе стало бы в 25 тысяч раз больше.
      Углекислота из атмосферы частично растворяется в воде мирового океана. Из воздуха и воды углекислота поглощается растительными организмами. По мере того как в воде океана ее становится меньше, новые количества ее поступают из воздуха. Океан действует на огромной своей поверхности, как грандиозный насос, поглощая, затягивая углекислоту.
      Первоначальное вовлечение углекислоты в круг живого вещества осуществляют растения. Именно листья зеленых растений на свету улавливают углекислоту и превращают ее в сложные органические соединения. Этот процесс называется фотосинтезом и происходит при участии света и зеленого вещества растения — хлорофилла. Огромное значение фотосинтеза
      в природе впервые выяснил и подробно изучил гениальный русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев. В течение года все растения успевают пропустить таким образом большое количество углекислоты, находящейся в атмосфере. Но этот недостаток непрестанно пополняется выделением углекислоты из водоемов и организмов животных.
      Звездчатые кристаллы графита среди изверженной породы. Ильменские горы на Южном Урале
      В результате фотосинтеза образуются огромные массы органического вещества — ткани растений. Растения служат пищей животным, обеспечивая их существование и развитие. Если к этому мы еще добавим, что нефти и угли создаются за счет погибших организмов, то станет ясным, какое значение для геохимии имеет поглощение углекислоты растениями. Нетг реакции, более важной по своему геохимическому эффекту, чем реакция фотосинтеза у растений.
      Как мы уже говорили, круговорот углерода не заканчивается образованием из углекислоты органических соединений в растениях, а затем и у животных. Организмы гибнут. Их тела, ткани, в виде отложений на дне прудов, озер, морей, отложений торфа, накапливаются в больших количествах. Эти остатки организмов подвергаются действию воды, процессов брожения и гниения. Бактерии резко изменяют состав тканей организмов. Наиболее упорно сохраняется клетчатка, лигнин растений.
      Органические остатки покрываются толстым слоем песка глины.
      Затем из них под влиянием нагревания, давления и сложных химических процессов постепенно начинают образовываться каменный уголь или нефть, в зависимости от природы этих остатков и условий сохранения.
      Твердый органический углерод, возникающий в результате процесса разложения растений, встречается в трех видах: в виде антрацита, каменного и бурого угля.
      Наиболее богат углеродом антрацит. Изучение под микроскопом подтверждает первоначальную растительную природу и растительное происхождение каменного и бурого угля. Эти угли слоисты, и местами в прослойках можно увидеть даже невооруженным глазом отпечатки листьев, спор, семян. Каждый кусочек угля представляет собой часть того углерода, который когда-то в виде угольной кислоты был поглощен живой клеткой растения при участии энергии солнечного луча и хлорофилла.
      «Пойманный солнечный луч», — говорят про каменный уголь. И действительно, в каждом маленьком кусочке угля сохраняется солнечный луч, пойманный растением, превратившийся сначала в сложную растительную ткань, а затем постепенно преобразованный в процессе медленного разложения. Его теплом согреваются котлы фабрик, заводов, морских пароходов, его энергия двигает колоссальные машины, его добыча определяет гигантское развитие современной промышленности.
      Ежегодная добыча угля выражается грандиозной цифрой более миллиарда тонн, что далеко превышает добычу любого другого полезного ископаемого. По разведанным запасам угля СССР стоит на втором месте в мире. Мы должны и дальше разведывать наши недра, чтобы увеличить реальные запасы этого ценного вещества. Но каменный уголь дает не только тепло. Человек извлекает из него множество различных ценных продуктов, которые положили начало химической промышленности угля. Из простого утля научились делать кокс, бензол, красители, пластические массы, аспирин, стрептоцид и т. д.
      Если на образование угля использовались главным образом клетки тканей растений, то такое жидкое органическое вещество, как нефть, образовалось из других простейших организмов и их спор; следовательно, и эта горючая жидкость, еще более ценная, чем уголь, является своеобразным «пойманным солнечным лучом». Как и уголь, нефть пока больше всего используется как источник энергии. Продукты переработки ее — мазут, керосин, бензин — всем хорошо известны. Современные быстроходные корабли и авиация могут пока существовать только на нефти, очищенной и перегнанной в виде чистых сортов бензина. Но помимо этого, нефть и уголь дадут нам ценнейшие синтетические материалы — искусственные волокна, битумы, жиры, глицерин и т. д.
      Из некоторых сортов каменного угля научились получать искусственный бензин, но углей, пригодных для этой цели, не очень много, выход жидких продуктов мал, а по качеству искусственный бензин хуже. В погоне за нефтью люди бурят скважины иногда свыше четырех километров глубиной, извлекая из недр эемли эту драгоценную жидкость, «черную кровь земли».
      Скважина, добывающая нефть, действует по нескольку лет. На поверхности земли ставят сложное сооружение вышку ВЫСОТОЙ В 37 Поезд электрической железной до-43 М. Лес вышек нефтяного роги на нефтепромысле «Лениннефтъ». промысла издали ВЫГЛЯДИТ Азербайджанская ССР очень эффектно. Такие нефтяные промыслы имеются у нас на Кавказе, на западных склонах Урала (Башкирия), в Средней Азии и на Сахалине. Значительны и месторождения нефти в Иране, Месопотамии и в других странах земного шара.
      Так из глубин углерод снова появляется на поверхности Земли; на этот раз его поднимает сам человек; и в постоянной борьбе за свое существование, за завладение природными запасами энергии человечество ежегодно сжигает более 700 миллионов тонн угля.
      С целью получить тепло человек превращает все вновь в углекислоту и воду. Так борются между собой деятели различного порядка и различного значения, то окисляя углерод, то переводя его в самородное состояние.
      Но, как мы уже говорили, вы все хорошо -знаете, помимо угля, еще две интересные разновидности чистого углерода — алмаз и графит. Как не похож сияющий огнями драгоценный алмаз на простой серый графит, которым мы пишем! Различие в свойствах тел мы всегда объясняем различием в составе. Однако в данном случае разные свойства объясняются различным расположением атомов в кристаллах.
      В кристалле алмаза атомы лежат очень плотно друг к другу. С этим связаны его значительный удельный вес и твердость, превосходящая твердость всех остальных минералов, а также исключительно высокий показатель преломления.
      Алмаз может образоваться из расплавленной породы лишь при очень больших давлениях, достигающих 30, а может быть даже и 60 тысяч атмосфер.
      Такие давления существуют лишь на глубине 60 — 100 км от земной поверхности. Очень редко породы с такой глубины выходят на поверхность, и этим можно объяснить, почему алмаз встречается исключительно редко. За твердость, игру цвета он ценится очень высоко, как первоклассный драгоценный камень. Ограненный, шлифованный алмаз называется бриллиантом.
      С давних пор Индия славилась своими алмазами, добываемыми из россыпей. Затем алмазные россыпи были открыты в Бразилии (1727 г.), в Африке (1867 г.) и у нас, в Советском Союзе. Главная масса алмазов в настоящее время добывается из африканских месторождений, открытых в долине реки Ваал, правого притока реки Оранжевой.
      Сначала их добывали из россыпей речной глины, но скоро обнаружили, что они есть и в голубой глине на пологих холмах вдали от речки. Стали разрабатывать голубую глину, началась «алмазная лихорадка»: по цене, взвинченной в миллионы раз, покупали участки голубой глины величиной всего 3X3 метра и копали ямы огромной глубины. В ямах, как муравьи, копошились люди, добывая породу. Чтобы вывозить драгоценную глину, в ямы протянули проволоки подвесных дорог.
      Однако уже на небольшой глубине глина исчезла и показалась твердая зеленая порода — кимберлит. В ней также были алмазы, но добывать их стало труднее, и мелкие собственники принуждены были отказаться от такой трудоемкой и дорогостоящей разработки. После некоторого периода бездействия крупное акционерное общество снова возобновило добычу уже при помощи шахт.
      Алмазоносная порода уходит в землю на недосягаемую глубину. Она заполняет каналы, образовавшиеся во время вулканических взрывов.
      Известны десятки воронок от таких взрывов; наибольшая из них имеет 350 метров в поперечнике, остальные — от 30 да 100 м.
      Алмазы в кимберлите вкраплены очень мелкими зернами, менее 100 миллиграммов (или полкарата) весом. Но иногда попадались и крупные камни. Долгое время самым большим был «Эксцельсиор», весивший 972 карата, или 194 грамма. В 1906 г. нашли еще больший, названный «Кюллинан», — его вес 3 025 каратов, или 605 граммов. Камни более 10 каратов редки и дорого ценятся. Самые знаменитые бриллианты
      1 Месторождения алмазов мирового значения открыты у нас в Якутии в 1954 г. — Ред.
      Кристаллы алмазов среди верен концентрата, полученного в результате обогащения кимберлита. Якутская АССР
      весят от 40 до 200 каратов. Рядовые алмазы — крошки, так же как черная разновидность — «карбонадо» или алмазные капли — «баллас», также высоко ценятся, так как используются в технике для сверления и бурения горных пород. Довольно крупные камни нужны для волочильных станков, приготовляющих вольфрамовую нить для электрических лампочек.
      Графит — тот же углерод; но как отличен он по своим свойствам от алмаза!
      Его атомы легко отделяются друг от друга по плоскостям. Этот мягкий минерал с металлическим блеском непрозрачен, легко распадается на листочки и оставляет след на бумаге. Графит плохо соединяется с кислородом и может переносить очень высокую температуру, являясь своеобразным огнеупором.
      Происхождение его двояко: он образуется или вследствие разложения углекислоты, выделяющейся из магмы при образовании изверженных пород, или при видоизменениях каменного угля. Знаменитое месторождение первого типа находится в Сибири. Среди застывшей изверженной породы — нефелинового сиенита — здесь лежат линзы очень чистого графита. В бассейне же Енисея залегают огромные пласты графита. Он образовался здесь из каменного угля и содержит много золы.