книги / Ниже 120 по Кельвину

го 1—2 мм — пока удается обнаружить только теплови­ зором. Отрадно, что выявленные таким образом онко­ логические больные, как правило, вылечиваются даже без вмешательства хирургов. В помощь врачам-практи- кам ученые-онкологи разработали термограммы различ­ ных органов человека. Посредством тепловизора удает­ ся проконтролировать развитие беременности, опреде­ лить границы обморожения, найти закупоренный крове­ носный сосуд, распознать аппендицит, медиастинит, пан­ креатит, артрит, холецистит, абсцесс печени, радикулит, осложнения после гриппа и пресловутого ОРЗ, диаг­ ностировать множество других заболеваний.

Если при рентгеновском просвечивании пациент не­ минуемо получает дозу облучения, то обследование теп­ ловизором совершенно безвредно и безболезненно: при­ бор фиксирует только собственное тепловое поле чело­ века. Медицинские тепловизоры используются более чем в 150 городах страны. Только в больницах и поликлини­ ках Ленинграда в 1985 г. работало 40 тепловизионных кабинетов. Медицинская промышленность выпускает не­ сколько типов тепловизоров: «Кольцо» (ТВ-3), «Ру­ бин-3», «Факел», «Радуга МТ» и др.

Ученые Онкологического научного центра Министер­ ства здравоохранения Грузии создали подвижную уста­ новку «Рубин», на которой смонтирован тепловизор с ЭВМ. Регистрируется 16 тыс. точек в организме пациен­ та, ЭВМ немедленно отмечает все отклонения от нормы. С помощью установки можно обследовать 200 больных в день. Создано превосходное устройство для массовой диспансеризации населения в отдельных районах. Ус­ пешно опробовано динамическое тепловидение. При этом методе с помощью ЭВМ обрабатываются несколько сот снятых подряд термоизображений, стираются случай­ ные черты, выявляются важные и существенные, созда­ ется «функциональный портрет» того или иного участ­ ка тела человека.

Любопытно, что «тепловой портрет» человека зави­ сит и от его психического состояния. Эта загадочная об­ ласть ждет своих исследователей.

Еще расскажем об охлаждаемой инфракрасной аппа­ ратуре на космических кораблях.

...После блистательного запуска первого искусствен­ ного спутника Земли перед конструкторами советской космической техники встала более сложная задача —

создать возвращаемый на Землю аппарат. Было реше­ но оснастить этот аппарат датчиком, чувствующим ин­ фракрасное излучение планеты. Для отработки системы в 1958 г. была впервые запущена на высоту 500 км гео­ физическая ракета с инфракрасной аппаратурой. На снимках обнаружилось неожиданное: очень интенсивное инфракрасное излучение идет не только от Земли, но и от верхних слоев атмосферы. Теоретик космонавтики, тогдашний президент АН СССР М. В. Келдыш рекомен­ довал изучить природу этого излучения.

...На космическом корабле «Салют-4» был установ­ лен инфракрасный зеркальный криогенный телескопспектрометр ИТС-К. Для охлаждения чувствительных элементов ИТС-К на борту станции имелся криостат с твердым азотом объемом 19 л. Во время работы теле- скопа-спектрометра периодически открывался клапан, вакуум космоса вытягивал пары азота, температура по­ нижалась до 50 К. Запаса криоагента хватило на три месяца работы. Космонавты А. А. Губарев и Г. М. Греч­ ко зафиксировали несколько тысяч спектров атмосферы Земли и звездного неба. Эти и подобные исследования изменили представление ученых о верхних слоях атмо­ сферы, была открыта «тепловая корона» Земли, выявле­ ны в инфракрасном диапазоне потоки излучения, в де­ сятки тысяч раз более мощные, чем в диапазоне види­ мого света. Изучается связь между инфракрасным излу­ чением и погодой, степень загрязнения верхних слоев ат­ мосферы в результате хозяйственной деятельности чело­ века. Установлен любопытный факт: вне Галактики име­ ется источник инфракрасного излучения гигантской мощ­ ности, происхождение которого пока неясно.

Инфракрасные приборы спутников направляют не только на звездное небо, но и на Землю. Если обычные фотоснимки не содержат информации о тепловом за­ грязнении водоемов, то на снимках, сделанных в ин­ фракрасных лучах, хорошо выделяются струи более теп­ лой воды. Можно даже различить химическое, биологи­ ческое, механическое загрязнение водоемов. Экологиче­ скому контролю из космоса подвергалась, например, дельта Амударьи. К сожалению, из-за все более интен­ сивного забора воды на хлопковые поля река пересы­ хает. Прогнозы неутешительны, если так будет продол­ жаться, через 30 лет дельта пересохнет, через 45 лет превратится в пустыню.

82

Наблюдения из космоса за ледовой обстановкой в наших северных морях с помощью ИК-приборов при­ несли интересные сведения. Так, в районе Охотского мо­ ря выявлены обширные участки, где лед постоянно раз­ ломан. Авиаразведка эти области обнаружить не смог­ ла. Это не удивительно. Ведь съемки в инфракрасных лучах ведутся независимо от погоды, туман или ночная тьма им не помеха.

Весьма вероятно, что в будущем спутники, вооружен­ ные телевизионной техникой и аппаратурой для съемки в инфракрасных лучах, смогут обеспечивать мореплава­ ние в полярных морях.

Для охлаждения инфракрасных приборов на борту танков, самолетов, космических кораблей устанавлива­ ются малогабаритные холодильные машины, например миниатюрные рефрижераторы с поршневыми компрес­ сорами и детандерами. Особо чувствительные приемни­ ки инфракрасного излучения выполняются сверхпрово­ дящими.

...С самолетов составлены «тепловые портреты» Мо­ сквы, Алма-Аты, Баку, Магадана и других городов. Есть смысл периодически повторять такие исследования: оп­ ределять тепловые потери сезонные, суточные; выявлять новые источники утечек тепла; давать указания ремонт­ ным службам. Намечается организация специальных ре­ гиональных центров по систематическому тепловому зондированию городов.

Производство азота в стране увеличивается: с 1980 по 1990 г. оно вырастет не менее чем на четверть.

Рассказать о всех возможных применениях жидкого азота — занятие безнадежное.

Лишь перечислим некоторые интересные области его использования. Жидкий азот:

...охлаждает «теплые сверхпроводники» и устройст­ ва из них (см. главу 5);

...работает в крионасосах, вымораживая почти все га­ зы воздуха, и создавая тем самым глубокий вакуум;

...создает криоледяные платформы в открытом море или на слабых грунтах, с которых ведут бурение для добычи нефти или природного газа;

...охлаждает «саркофаг» над разрушенным атомным реактором в Чернобыле;

...преграждает путь теплу в теплоизоляции сверхпро­ водящих устройств с жидким гелием;

Глава 4

Т=20,8 К

ГЕНРИ КАВЕНДИШ. ДЖЕЙМС ДЬЮАР. В ОСАЖДЕННОМ ГОРОДЕ. АВТОМОБИЛИ НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ. «КОСМИЧЕСКИЙ ЧЕЛНОК» И САМОЛЕТЫ НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ. ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

ГЕНРИ КАВЕНДИШ

Водород, судя по китайским хроникам, был известен в Китае очень давно. Название газа складывалось из иероглифов, означающих «огонь» и «газ».

В Европе первооткрывателем водорода стал осново­ положник «пневматической химии» англичанин Генри Кавендиш (1731 — 1810). Он родился в семье лорда, поз­ же получил большое наследство, мог сделать блестящую карьеру на государственной службе. Ученый предпочел всем радостям жизни науку. К сожалению, до нас не дошло ни одного его портрета, если не считать посред­ ственную карикатуру, на которой изображен маленький желчный человек в широкополой шляпе. Он был от­ шельником, женоненавистником, человеком исключи­ тельной скромности.

Вот факт из жизни Генри Кавендиша. Некий авст­ рийский дворянин приехал в Лондон, чтобы «познако­ миться с одним из величайших украшений его века», «величайшим современным естествоиспытателем». Уче­ ный слушал такую восторженную речь молча, опустив глаза, смущенный, растерянный. И как только образо­ вался просвет в толпе людей, окружавших вельможу, бросился бежать, вскочил в свою карету и отправился домой. Смех, сожаление, недоумение окружали ученого. А в лаборатории этот «чудак» преображался: проявлял замечательное остроумие, целеустремленность, терпе­ ние. С помощью крутильных весов он подтвердил закон всемирного тяготения, определил гравитационную пос­ тоянную, «взвесил» Землю, рассчитал ее среднюю плот­ ность. Ученый выяснил состав воздуха, открыл углекис­

85

лый газ, вел исследования теплоты и электричества. В химии он не был профессионалом и тем не менее сде­ лал важные открытия.

В 1766 г. Г. Кавендиш опубликовал статью о «горю­ чем, воспламеняемом воздухе», как он называл водород. Было показано, что этот газ можно получить при реак­ ции металлов с кислотами, например при взаимодейст­ вии цинка с серной кислотой. «Горючий воздух» не под­ держивает горения, им .нельзя дышать, но если его пред­ варительно смешать с воздухом, он может взорваться.

Ученый был убежден: «Все определяется мерой, чис­ лом и весом». Так, Г. Кавендиш нашел пропорцию, при которой смесь воздуха и водорода взрывается с наи­ большей силой, показал, что газ очень легок — плотность газа по его измерениям в 11 раз меньше плотности воз­ духа. (На самом деле плотность водорода в 14, 28 раз меньше.).

24 июня 1783 г. Лавуазье в присутствии нескольких ученых проделал свой знаменитый опыт. В одном сосуде был запасен кислород, в другом — «горючий воздух». Оба газа по трубкам подводились под стеклянный коло­ кол. На глазах изумленных ученых Лавуазье поджег во­ дород, «горючий воздух» горел в кислороде без дыма и копоти, на стекле появились прозрачные капли. «Полу­ ченная вода, — писал французский химик. — послуш­ ная всем проверочным испытаниям... оказалась чистой, подобно дистиллированной... нельзя было обнаружить даже следов какой-либо примеси»...

В эксперименте Лавуазье тщательно взвесил массу реагирующих газов и массу воды. Затем разложил воду и вновь получил водород и кислород.

Секретарь Лондонского королевского общества, при­ сутствовавший во время опыта, заметил, что подобное сжигание «горючего воздуха» было уже сделано в Анг­ лии. Правда, Г. Кавендиш получал воду несколько поиному: кислород и водород взрывались посредством электрической искры.

Медлительный, скромный ученый обнародовал свои результаты годом позже, чем Лавуазье.

Соотечественник и последователь великого француз­ ского химика Гитон де Морво дал «горючему воздуху» современное название — водород.

Именем Кавендиша названа физическая лаборатория Кембриджского университета. В ней работали такие

«6

большие ученые, как Джеймс Клерк Максвелл, Рэлей, Джозеф Джон Томсон, Эрнест Резерфорд, Джон Бер­ нал, Поль Ланжевен, П. Л. Капица, Ф. Крик и другие.

В Кавендишской лаборатории были открыты электрон

инейтрон, расщеплено атомное ядро, определена струк­ тура ДНК, созданы камера Вильсона, масс-спектрограф, линейный ускоритель.

ДЖЕЙМС ДЬЮАР

В 1888 г. при попытке сжижить водород Зыгмунт Вроблевский трагически погиб. Поздно ночью в лабора­ тории плохо видящий ученый опрокинул керосиновую лампу... До сих пор в античном зале Ягеллонского уни­ верситета хранятся опаленные огнем рабочие дневники ученого. А рядом прошение, написанное студентом уни­ верситета Николаем Коперником.

В посмертных записках Зыгмунт Вроблевский оценил температуру сжижения водорода в 30 К. Использование аппаратуры для получения жидкого воздуха позволяло достичь температуры только 55 К. По мнению ученого, сжижение водорода уперлось в «мертвую точку»...

Но работу по сжижению водорода на иных принци­ пах вел другой ученый — Джеймс Дьюар (1842—1923). Он родился в Шотландии в многодетной семье владель­ ца небольшой гостиницы. Случилось так, что десятилет­ ний мальчик провалился под лед, долго болел. Его при­ учил к труду деревенский столяр. Позже умение масте­ рить очень пригодилось Дьюару. Вот характерный факт: он сделал скрипку, на которой играли в день его золо­ той свадьбы. На скрипке была надпись: «Джеймс Дью­ ар, 1854 г.».

Дьюар окончил Эдинбургский университет, трудился в Кембридже. В 1877 г. стал профессором химии в Лон­ донском королевском институте, в котором проработал всю последующую жизнь.

Джеймс Дьюар — ученый-одиночка — был весьма ко­ лоритной личностью. Его отличали гибкий и глубокий ум, артистичность, ораторское искусство, блестящее тон­ чайшее мастерство в постановке опытов и... властолюбие, вспыльчивость, язвительность, неуживчивость. Профес­ сор не терпел возражений и умудрился в конце концов поссориться со всеми своими коллегами. Только леди Ро­ за Дьюар до конца своих дней преклонялась перед му­

87

жем. После смерти ученого она опубликовала все его труды.

Д. Дьюар, так же как Г. Дэви и М. Фарадей, читал публичные лекции, на которых очень искусно демонстри­ ровал свои достижения — вечерами по пятницам Коро­ левский институт превращался в театр одного актера. (Жаль, что сейчас крупные ученые не очень балуют нас подобными выступлениями.)

Современники считали, что ученый обладал сверхъ­ естественными способностями в постановке химического и физического эксперимента. Он оставил заметный след

ском институте, когда пришло известие о сжижении кис­ лорода. Д. Дьюар считал себя преемником М. Фарадея и решил продолжить его опыты. Он немедленно выпи­ сал из Парижа аппаратуру Кальете и сумел ее сущест­ венно усовершенствовать. Мировую славу принес Д. Дьюару его сосуд для хранения .низкотемпературных жидкостей. Сегодня с ним знаком каждый: ученые назы­ вают его дыоаром, неученые — термосом. Вот как сам профессор написал о своем изобретении в статье «О хо­ лоде», опубликованной в 1902 г.:

«...Сжижение воздуха в атмосфере обыкновенной ла­ боратории есть такой же подвиг, как получение жидкой воды из пара, нагретого до температуры белого каления, при условии, что служащие для этого приборы и все ок­ ружающие предметы нагреты до той же высокой темпе­ ратуры. Главная трудность не столько в том, чтобы про­ извести сильный холод, сколько в том, чтобы раз полу­ ченный холод сохранить в перегретой среде...» «Сохра­ нить жидкий воздух при окружающей температуре в течение недели... немногим легче, чем попробовать со­ хранить несколько литров воды на раскаленной до красна печи». «Я попробовал сохранить сжиженный газ в сосудах с двойными стенками, воздух между которыми был сильно разрежен; опыт показал, что в таком «пус­ том сосуде» жидкий воздух испаряется в пять раз мед­ леннее, чем в том же сосуде с воздухом между стенка­ ми, — настолько конвекция тепла частицами газа умень­ шается сильным разрежением... Лучеиспускание было тоже почти устранено; именно было найдено, что если внутренние стенки сосуда покрыть блестящим слоем се­

88

ребра, то излучение тепла уменьшается в шесть раз сравнительно с излучением такого же сосуда без метал* лического покрова. Совместное действие сильного раз­ режения и посеребрения выражается уменьшением по­ тери тепла до 3%...»

В другой статье Д. Дьюар утверждал: «Все трудно­ сти удастся преодолеть, создав вакуумный сосуд специ­ альной формы и улучшив изоляцию. Нет сомнения, что жидкий водород можно собирать в вакуумные сосуды соответствующей конструкции и проводить с ним соот­ ветствующие исследования».

В 1893 г. на публичной лекции Д. Дьюар удивил сво­ их слушателей. В сосуд с двойными стенками был залит жидкий воздух. Как только ученый отломил стеклянный выступ в том месте, где производилась откачка воздуха, исчез вакуум между внешним и внутренним сосудами, жидкий воздух закипел и быстро испарился. Это был шедевр научной мысли и стеклодувного мастерства: внутренний сосуд имел толщину всего 0,3 мм. сосуды соединялись друг с другом тонкой перемычкой. Стекло было так обработано, что не разрушалось при внезап­ ном охлаждении и выдерживало давление атмосферы.

10 мая 1898 г. стало триумфом ученого — он получил первые 20 см3 жидкого водорода. Ученый использовал в своем аппарате знакомый читателю эффект ДжоуляТомсона.

Дьюар не сумел определить температуру жидкого во­ дорода, так как ее нечем было замерить. Но на одной из своих публичных лекций он показал, сколь она низка. Как только профессор опустил в жидкий водород две запаянные пробирки — с кислородом и воздухом, — оба газа мгновенно превратились в твердые тела. Любопыт­ но, что Д. Дьюару не нужно было в этом и подобных опытах откачивать «пространство» между сосудами. В упомянутой выше статье «О холоде» есть такое замеча­ ние: «Если жидкий водород налить в сосуд с двойными стенками, пространство между которыми наполнено

твердый водород. В этом опыте для улучшения теплоизо­ ляции сосуд с жидким водородом был помещен в сосуд с жидким воздухом. Пары водорода откачивались. Ког­

89

да давление понизилось до 667 Па, в жидком водороде появилась пена, затем прозрачная твердая масса. До абсолютного нуля оставалось всего 14 градусов!

Джеймс Дьюар был уверен: сжижение водорода — последняя ступень на пути к абсолютному нулю. Но все его попытки сжижить гелий кончились безрезультатно.

В ОСАЖДЕННОМ ГОРОДЕ

Водород — прекрасное топливо. По теплотворной спо­ собности он в 4 раза превосходит уголь, в 3,3 раза — уг­ леводороды нефти, в 2,5 раза — природный газ.

Еще в 1820 г. в Кембриджском философском общест­ ве был заслушан доклад «Об использовании водорода в качестве топлива для движущихся машин».

Пропагандистом использования «топлива будущего» был и замечательный писатель-фантаст Жюль Верн. Его бессмертный герой инженер Сайрус Смит так гово­ рил колонистам Таинственного острова: «...наступит день, и вода заменит топливо; водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они ока­ жутся таким неисчерпаемым и таким мощным источни­ ком тепла и света, что углю до них далеко! Наступит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паро­ возов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя сжа­ тыми газами, и они будут гореть с огромнейшей тепловой отдачей... Когда каменноугольные залежи иссякнут, че­ ловек превратит в топливо воду, люди будут обогревать­ ся водой. Вода — это уголь грядущих веков».

Заметим, что роман «Таинственный остров» был опубликован в «Журнале воспитания и развлечения» в 1874—1875 гг.

Впервые водород был использован как топливо во время Великой Отечественной войны.

1941 г. На Ленинград наступает группа армий «Се­ вер»— почти четвертая часть немецко-фашистских войск. 2000 боевых самолетов должны разрушить город. В сен­ тябре замкнулось кольцо блокады.

Вот рассказ младшего техника-лейтенанта войск ПВО Бориса Исааковича Шелища: «У нас не было топ­ лива. Чтобы выбрать аэростаты, то есть опустить их из воздуха для перезарядки, надо было включать автомо­ бильные моторы, а бензина не было. Ведь сотни аэроста­ тов висели над городом, они не давали фашистским са­

90