Город Гейдельберг находился на севере великого герцогства Баденского, к которому он отошел в 1803 году. История его начинается примерно с XII века, хотя в прошлом столетии при раскопках в одном из кварталов обнаружили остатки римского поселения, относящегося еще к III столетию до нашей эры.
В описываемое нами время город располагался на левом берегу Неккара как раз в том самом месте, где эта река выбирается из тесных гор в Рейнскую долину и образует необыкновенно живописную панораму. Но не красоты природы, не старинные церкви и не замок, стоящий на вершине холма Иеттебюль, привлекали к Гейдельбергу внимание ученых всего мира. Причиной был Гейдельбергский университет — один из старейших в Германии, основанный еще в 1386 году. Здесь в отличие от многочисленных европейских университетов с самого начала преподавание преследовало практическую пользу. Большую часть времени студенты занимались изучением естественных и математических наук, часто даже за счет светского образования и богословия. Тому было много причин: тут и реформация, и близость к областям кальвинизма, и богатые средневековые традиции в астрологии и алхимии…
В середине XIX столетия в Гейдельбергском университете на 732 студента было 80 преподавателей, из которых 34 были штатными — ординарными профессорами. Это характеризует высокий научный уровень учебного заведения. 50—60-е годы прошлого столетия были особенно блестящим периодом для университета. В нем работало много прославленных ученых с мировым именем. Их лекции, прекрасно оснащенные лаборатории привлекали к себе слушателей со всего мира. Одних только русских студентов и стажеров было тогда в Гейдельберге до сотни человек.
Г. Кирхгоф
В 1859 году в Гейдельберге собралась большая группа русских ученых и студентов. Во главе приехавших химиков стоял Дмитрий Иванович Менделеев. Он уже успел побывать в Париже у несравненного механика Соллерона, которому сделал несколько заказов на приборы. Сам проследил за их выполнением, сам получил. И только после этого приехал в Гейдельберг, рассчитывая поработать в лаборатории знаменитого профессора Бунзена — изобретателя газовой горелки и соратника Кирхгофа в разработке спектрального анализа.
Некогда у Бунзена все началось с изобретения горелки — простой металлической трубки с тремя дырками. Через одну по резиновому шлангу поступал светильный газ, другая — для воздуха. К третьей — верхней — достаточно было поднести зажженную спичку, чтобы вспыхнуло пламя. Пламя бунзеновской горелки было очень жарким: до двух тысяч градусов. В том-то и заключалось ее достоинство и незаменимость для химических опытов.
Бунзен заметил, что многие вещества, сгорающие в почти бесцветном газовом пламени, ярко его окрашивают. Например, крупинка поваренной соли — натрий хлор — делала пламя желтым. А вот минерал сильвин — хлористый калий — окрашивал пламя горелки в фиолетовый цвет. В обоих опытах участвовал хлор. Но в первом случае — в соединении с металлом натрием, который окрашивал пламя в желтый цвет. Во втором случае — с металлом калием, окрашивавшим пламя горелки в фиолетовый цвет. А как поведут себя другие металлы?
Р. Бунзен
Бунзен стал калить и жечь на своей горелке металл за металлом. И каждый из них окрашивал пламя в свой цвет! Похоже, что он открыл новый способ химического анализа! Да притом такой простой, что каждый химик в состоянии его произвести без всяких реактивов, растворов и громоздкой посуды. Надо только составить подробный список, какому элементу какой цвет пламени соответствует…
Но как раз при составлении этого-то списка и постигла Роберта Бунзена неудача. Оказалось, что некоторые элементы окрашивают пламя горелки одинаково. Да и примеси не настолько влияли на основной цвет, чтобы это удавалось заметить невооруженным глазом. На первых порах помогали фильтры — цветные стекла и стаканчики с разноцветными жидкостями. Удалось разобрать некоторые цвета по оттенкам. Но только некоторые! А какой же это новый метод анализа, если он позволяет определять не все элементы?..
Чтобы понять дальше ход истории открытия спектрального анализа, нам придется перелистать страницы книги исторической физики на два столетия назад. И перенестись мысленно с Европейского континента в Англию…
В сентябре 1665 года молодой бакалавр Тринити-колледжа Исаак Ньютон купил на ярмарке в местечке Стоунбридж стеклянную призму. Об этом событии сохранилась аккуратная запись в его расходной книжке. Некоторое время спустя в Лондоне разразилась чума. И все более или менее состоятельные жители хлынули из города прочь. Уехал и Ньютон в родной Вулсторп — крошечную деревушку, где прошло его детство. За последние годы у него накопилось немало вопросов, нуждающихся в обдумывании. И деревенская тишина для этого была очень полезна.
Одной из загадок, занимавших мысли Ньютона, была природа света. Что это: поток частиц или волны вездесущего эфира? Почему одни световые лучи бывают красными, другие синими, третьи зелеными? Как и почему эти лучи преломляются, проходя через стеклянную призму?..
Однажды ярким солнечным днем он приступил к задуманному опыту. Прикрыл ставнями окна и пропустил в затемненную комнату узенький лучик света из щели. На его пути у окна поставил призму, ту самую, что купил на ярмарке, а на стене за призмой прикрепил четвертушку белой бумаги. И вот, пройдя через призму, белый солнечный свет распался, раскинул на бумажном экране полосатую радужную дорожку — спектр.
Спектром называют всю совокупность различных значений, которые может принимать данная физическая величина. Солнечный спектр — совокупность цветных полосок, которые получаются при прохождении солнечного света через стеклянную призму.
Ньютон усложнил условия опыта: следом за первой поставил вторую призму, перевернув ее «вверх ногами». И разделившиеся цвета послушно собирались снова в узкую полоску белого света.
Так Исаак Ньютон доказал, что «белый» солнечный свет на самом деле состоит из смеси всех цветов радуги.
После этого прошло много лет. Время от времени астрономы и физики-оптики возвращались к вопросу о спектрах света, который испускали те или иные самосветящиеся объекты. Ученые добывали новые факты и складывали их в общую копилку до того времени, когда придет пора их объяснения.
В начале XIX века мюнхенский оптик Иосиф Фраунгофер заметил, что в непрерывной спектральной дорожке солнечного света немало узких темных линий, а в спектрах искусственного пламени встречаются какие-то светлые линии. Это сообщение снова подогрело интерес к спектрам. Были поставлены опыты, результаты которых принесли новое количество полезных фактов. Ученые понимали, что наткнулись, образно говоря, на язык, на котором сама природа готова была рассказать людям что-то очень важное. Но время понимания этого языка еще не наступило.
Одновременно с Бунзеном в Гейдельбергском университете, только на кафедре физики, а не химии, работал профессор Кирхгоф. Узнав о затруднениях коллеги с фильтрами, он сказал, что берется помочь. Он обещал изготовить прибор, который сможет различить оттенки, не поддающиеся никаким фильтрам.
Кирхгоф предполагал пропустить окрашенный свет от бунзеновской горелки через призму, как это делал Ньютон. И вот он приступил к изготовлению прибора. В центре деревянной коробки из-под сигар Кирхгоф укрепил призму, а в стенках провертел две дыры. Потом взял старую подзорную трубу с тремя линзами и распилил ее пополам. Обе половинки вставил в дыры в стенках коробки. И ту, в которой было одно стекло, обращенное к призме, закрыл картонным колпачком с узкой щелью.
Принцип действия спектроскопа: а — призма; б — труба; в — горелка
Луч света через щель попадал на призму и распадался на веер цветов, который можно было рассматривать с помощью другой половинки подзорной трубы с двумя линзами. Очень остроумной получалась конструкция.
Самое первое испытание нового прибора дало совершенно неожиданный результат. Спектр окрашенного пламени резко отличался от спектра солнечного света. В спектре нашего светила все семь цветов радуги лежат широкими мазками и постепенно переходят из одного в другой. В спектре пламени горелки оба исследователя увидели лишь отдельные узкие цветные полоски. Но самое главное заключалось в том, что у всех элементов набор этих полосок и их местонахождение были разные!
Новый спектральный анализ оказался таким чувствительным и точным, что позволил заметить примеси, которые нельзя было обнаружить никаким другим способом.
Конечно, после такого успеха Бунзен стал исследовать буквально все, что попадалось под руку. И когда в его лаборатории появился невысокий, но плечистый, высоколобый и бородатый русский стажер по фамилии Менделеев, аккуратному немецкому профессору оказалось не до него.
В том же 1860 году, изучая спектры щелочных металлов лития, натрия и калия, Бунзен пришел к выводу, что должен существовать еще и четвертый металл этой же группы. Он обнаружил в спектрах неизвестные до того голубые спектральные линии и назвал новый элемент цезием. Слово «цезиус» применялось раньше для обозначения цвета ясного неба…
Дмитрий Иванович был страшно разочарован. В лаборатории Бунзена не было никакого порядка. Толчея и неразбериха. Толпа студентов. Чуть недоглядел — и из-под рук исчезают реактивы и химическая посуда…
Правда, в дальнейшем сам Менделеев уверял, что принят был весьма радушно. Но в лаборатории рядом с ним оказался исследователь, работавший с сернистыми соединениями. Нестерпимая вонь не давала сосредоточиться. У Дмитрия Ивановича всегда была слабая грудь, и врачи даже одно время подозревали чахотку. Возобновившиеся боли в груди заставили Менделеева покинуть лабораторию Бунзена.
Он снял частную квартиру, провел в нее за свой счет газ и оборудовал небольшую лабораторию. В ней он и засел за изучение интересовавших его явлений, решив не посещать больше бунзеновской лаборатории вообще.
По вечерам в небольшой квартирке Менделеева часто собирались друзья. В истории не осталось всех имен русских студентов и стажеров, живших тогда в Гейдельберге. Неизвестно во всех подробностях и то, кто конкретно был в кругу друзей Дмитрия Ивановича. В воспоминаниях знаменитого русского физиолога Ивана Михайловича Сеченова, входившего в круг гейдельбергских друзей Менделеева, описаны Александр Порфирьевич Бородин — будущий профессор химии и выдающийся композитор, химик Валериан Савич и другие молодые люди, имена которых он не запомнил. То было чудесное время. Все они были молоды, полны сил и надежд. В квартире Бородина было пианино. Правда, признаться, что серьезно увлечен искусством, он стеснялся и потому играл в основном знакомые арии из итальянских опер или песенки. Он был вообще чрезвычайно одаренным человеком: отлично писал маслом, лепил…
О чем только не переговорили они на таких вечерах! Сеченов вспоминает, как читали только что вышедший из печати роман Гончарова «Обломов», как спорили… Пройдет много лет, и уже заслуженный, умудренный опытом Д. И. Менделеев за свои обширные познания в искусстве — да, да, именно в искусстве! — будет избран действительным членом императорской Академии художеств.