Илья Леенсон - Удивительная химия
Отчеты всех лабораторий были собраны в одном месте — Британском музее и проанализированы, а результаты анализа опубликованы в одном из самых уважаемых научных журналов мира — Nature («Природа»); поскольку в работе приняло участие множество исследователей, не удивительно, что у статьи 21 автор! Хотя результаты разных лабораторий несколько отличались, они все же были достаточно близки и указывали на то, что возраст плащаницы составляет примерно 690 лет с ошибкой около 30 лет (возраст по радиоуглеродному методу принято отсчитывать назад от 1950 г.). Хорошо согласовывались данные и контрольных образцов — для их возраста были получены значения 937 лет, 1964 года и 724 года. После введения поправок на изменение содержания 14С в атмосфере в прошлые столетия ученые вынесли решение: с вероятностью не менее 95 % ткань плащаницы изготовлена между 1260 и 1390 годами. Таким образом, папа Климент VII как будто оказался прав: плащаница изготовлена именно тогда, когда о ней появилось первое документированное упоминание. Так радиоуглеродный метод датировки, казалось бы, положил конец спорам, которые длились шесть веков.
Однако в науке редко случается так, чтобы то или иное серьезное заявление не встретило бы возражений. Не стал исключением и анализ возраста плащаницы. Вы помните, как сильно можно было ошибиться с определением возраста травы радиоуглеродным методом, если не учитывать особенности ее роста и «питания» выхлопными газами. Там реальный возраст объекта исследования оказался значительно меньше, чем поданным анализа. Не исключены ошибки и «в другую сторону». Когда результаты исследований ткани плащаницы были опубликованы, российские ученые Д. А. Кузнецов, А. А. Иванов и П. Р. Белецкий в 1996 году выдвинули против них такой довод. Как известно, плащаница в 1552 году побывала в пожаре. При этом естественно предположить, что ее ткань могла сильно пропитаться дымом. Дым содержит очень мелкие частицы, от которых ткань не всегда можно отмыть, тем более если эти частицы были в ткани сотни лет. Углерод же, содержащийся в частицах дыма, имеет тот же возраст, что и горевшее дерево. Ученые провели модельный эксперимент, воспроизводивший условия средневекового пожара. Конечно, они взяли не плащаницу, а кусок ткани. Оказалось, что в условиях пожара соотношение атомов стабильного и нестабильного углерода в ткани заметно меняется, а это вносит ошибку в радиоуглеродный метод анализа. Такое загрязнение «старого» (времен Христа) углерода ткани плащаницы более «молодым» (средневековым) вполне могло привести к «омоложению» и самой плащаницы, если судить о ее возрасте по количеству нераспавшегося радиоуглерода.
Совсем недавно подлил масла в огонь американский исследователь из Калифорнийского университета Раймонд Роджерс. В 2005 году он опубликовал о Туринской плащанице сенсационную статью. Ее содержание вкратце сводится к следующему. По его данным, в 1988 году для исследования радиоуглеродным методом взяли исключительно неудачный образец: заплатку, которая была сотни лет назад пришита к обгоревшей ткани и затем подкрашена настолько искусно, что стала неотличима от остальной части плащаницы. Поэтому такое трудоемкое исследование было проведено фактически впустую! А изучение Роджерсом некоторых очень медленных химических изменений, которые в течение веков происходят в любых тканях, привело его к выводу о том, что ткань плащаницы имеет возраст (с учетом возможных ошибок) от 1300 до 3000 лет. То есть плащаница вполне могла быть изготовлена в 1 веке, когда жил Иисус.
Однако не исключено, что споры вокруг плащаницы будут продолжаться. и это нормально для научного исследования.
Как радиация помогла измерить число АвогадроВы уже знаете, что 1 моль вещества содержит огромное число частиц — примерно 6 х 1023 атомов, ионов или молекул. Как же удалось их подсчитать? Методов определения числа Авогадро было придумано много, но только один из первых методов был основан на прямом подсчете атомов. Конечно, полное число атомов в моле вещества не сосчитать лаже за все то время, что существует человечество. Но, во-первых, можно считать атомы не в моле, а в небольшой его части, а во-вторых, считать не все атомы, а только небольшую, но заранее известную их часть. Однако начнем по порядку.
В 1903 году один из наиболее талантливых физиков-экспериментаторов XX века Эрнест Резерфорд (1871–1937) показал, что открытый незадолго до этого новый химический элемент радий испускает положительно заряженные частицы, летящие с большой скоростью. Необходимо было выяснить, много ли таких частиц (их назвали альфа-частицами) испускает радий за 1 секунду. Как это сделать? В 1908 году Резерфорд выяснил это очень остроумным способом; в работе ему помогал молодой немецкий физик Ханс Гейгер (1882–1945), именем которого назван счетчик радиоактивного излучения. Для работы они использовали простой прибор, названный спинтарископом. В нем имеется маленькая стеклянная пластинка, покрытая специальным составом — люминофором. Если в темноте к пластинке с люминофором поднести близко радий или какое-либо его химическое соединение, покрытие начнет ярко светиться. Чем меньше радия в образце и чем дальше он расположен от пластинки, тем слабее свечение. Но самое удивительное открывается взгляду, если смотреть на пластинку через сильное увеличительное стекло, а лучше — в микроскоп: вместо равномерного свечения будут видны то там, то тут отдельные яркие вспышки, которые тут же гаснут. Впечатление такое, как будто на фоне черного неба видно множество вспыхивающих и гаснущих звезд. Зрелище незабываемое!
Это явление объясняется тем, что каждая альфа-частица, достигшая люминофора, вызывает в нем кратковременную вспышку света. Если частиц много, то и вспышек будет много. Если же частиц мало, то вспышки будут редкими, и их вполне можно будет сосчитать. Каждая вспышка сигнализирует о том, что распался один атом радия, на основании чего Резерфорд заключил: «Впервые в истории стало возможным регистрировать отдельные атомы вещества».
Рис. 7.4. Прибор для определения скорости распада радия: 1 — пробка с укрепленным на острие радиоактивным образцом; 2 — вакуумированная стеклянная трубка; 3 — калиброванное отверстие на конце короткой части трубки; 4 — увеличительное стекло; 5 — стеклянная пластинка со слоем люминофора (со стороны отверстия); 6 — листочек слюды, закрывающий отверстие; 7- откачка воздуха насосомВ этом и состояла идея: сосчитать число альфа-частиц, попадающих на пластинку за определенное время на определенном расстоянии от источника излучения, а затем рассчитать общее число частиц, вылетающих из образца. Для этого в лаборатории Резерфорда изготовили прибор, который он назвал «стреляющей трубкой» (рис. 7.4). Крошечное количество радиоактивного вещества (оно содержало всего 0,055 мг радия) поместили на кончик иголки, укрепленной на одном конце трубки. На другом конце трубки на расстоянии 1,5 м было маленькое отверстие диаметром 1,25 мм, через которое альфа-частицы вылетали из трубки и тут же ударялись о пластинку с люминофором, что сопровождалось вспышкой. Для успешного проведения этого опыта требовалась полная темнота, поэтому экспериментатору приходилось заранее провести не меньше часа в темном помещении, чтобы его зрение стало более чувствительным, а следовательно, более восприимчивым к слабым вспышкам света. Физиологи знают, что привыкание (адаптация) глаза к темноте в тысячи раз повышает его чувствительность.
Но это была не единственная и не главная трудность в эксперименте. Оказалось, что альфа-частицы, испускаемые радием, пролетают в воздухе всего несколько сантиметров: им «мешают» лететь по прямой молекулы азота и кислорода в воздухе. Значит, надо было с помощью насоса удалить воздух из трубки, т. е. создать в ней вакуум. А как это сделать, если в трубке на другом ее конце имеется отверстие? Через него воздух будет быстро проникать в трубку, и никакого вакуума создать в ней не удастся. Для таких прекрасных экспериментаторов, как Резерфорд и Гейгер, это не составило особой проблемы. С помощью воска они приклеили снаружи к отверстию листочек слюды. Он был такой тонкий, что практически не задерживал альфа-частицы, которые свободно проходили через него. В то же время воздух уже не мог попасть в трубку и нарушить вакуум.
И вот, наконец, все готово к эксперименту: вакуум достиг нужной глубины, глаза привыкли к темноте. Осталось поудобнее устроиться перед микроскопом и включить секундомер…
Вот одна альфа-частица пролетела сквозь заклеенную слюдой дырочку — вспышка! Проходит несколько секунд — еще одна вспышка, потом третья, четвертая. Опыт длился 10 минут, после чего экспериментатора сменил его помощник: чтобы не было ошибки, опыт надо повторить не один раз, а потом взять среднее значение. Оказалось, что за 10 минут наблюдается в среднем 49 вспышек, значит, столько же альфа-частиц прошло за это время через отверстие. А сколько их всего вылетело за 10 минут из «кончика иголки»?
