На прошлом уроке мы с вами говорили о дисперсии света. Напомним, что дисперсией называется зависимость показателя преломления вещества и скорости света в нём от частоты падающего света.
Как показали опыты Ньютона, белый свет является сложным: пройдя через призму он разлагается на пучки различных цветов, которые образуют на экране разноцветную полоску, называемую спектром. И хотя, перечисляя цвета спектра, обычно называют семь цветов, начиная с красного и заканчивая фиолетовым, на самом деле один цвет переходит в другой постепенно.
Исследования, проведённые при помощи специального чувствительного термометра, показали, что спектр излучения нагретых тел, кроме видимых лучей, содержит ещё и невидимые лучи. Открыты они были в тысяча восьмисотом году английским астрономом Уильямом Гершелем. Одновременно с изучением Солнца, он искал способы уменьшения нагревания инструментов для наблюдения. Для этого Гершель помещал края термометров, у которых резервуар с ртутью был затемнён сажей, в различные участки спектра.
Какого же было его удивление, когда он обнаружил, что максимум тепла находится за насыщенным красным цветом. Из-за повышенной способности лучей нагревать тела, они были названы тепловыми, а затем (уже учитывая их расположение в спектре) — инфракрасными. Сейчас достоверно известно, что в инфракрасном диапазоне светится вся наша планета и все предметы на ней, даже лёд.
В 1801 году немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером был обнаружен ещё один вид невидимого излучения, располагавшийся перед фиолетовой областью видимого спектра. Это — известное вам ультрафиолетовое излучение, обладающее сильным физиологическим воздействием.
Поскольку в спектрах нагретых тел нет пустых промежутков, то такие спектры являются непрерывными или, как их ещё называют, сплошными. Их дают раскалённые твёрдые тела и жидкости, а также пары́ и газы, находящиеся под очень большим давлением.
Например, сплошной спектр можно увидеть, направив спектроскоп на свет раскалённой спирали электрической лампочки или пламя свечи.
В середине девятнадцатого века немецкий физик Роберт Вильгельм Бунзен изобрёл специальную газовую горелку, называемую нами горелкой Бунзена. Вы спросите, а причём тут спектр?
Дело в том, что вещества, внесённые в пламя горелки, превращались в пар и окрашивали пламя в различные цвета. Например, медь окрашивала пламя в зелёный цвет, поваренная соль — в жёлтый, а литий — в малиново-красный.
Так вот, немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф предложил пропускать такой свет пламени через призму. Например, если в пламя горелки внести кусочек поваренной соли, то на бледном фоне сплошного спектра горелки возникнет яркая жёлтая линия, которую дают пары натрия.
Если же в пламя горелки внести литий или стронций, то пламя окрасится в малиново-красный цвет. Однако спектры паров лития и стронция будут существенно различаться. После прохождения через призму свет литиевого пламени даёт две линии — яркую малиновую и слабую оранжевую. А вот стронций — голубую, две красные и оранжевую линии.
Характерный спектр, также состоящий из набора отдельных цветных линий, даёт свечение газового разряда в трубке, содержащей исследуемый газ. Например, спектр испускания атомарного водорода содержит четыре цветные линии различной яркости, которые разделены широкими тёмными промежутками.
Спектр испускания гелия включает уже семь цветных линий.
Таким образом, спектры испускания различных веществ, находящихся в атомарном состоянии, представляют собой набор отдельных цветных линий на чёрном фоне. Такие спектры получили название линейчатых спектров испускания.
Как показали тщательные измерения, атомы каждого химического элемента испускают излучение, спектр которого не похож на спектры других элементов. Как не бывает людей с одинаковыми отпечатками пальцев, окраской радужной оболочки глаз, или китов с одинаковой окраской хвостового плавника, так и не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый набор спектральных линий. Поэтому для каждого химического элемента составлена специальная таблица, в которой указаны характерные для него линии и их яркость.
Все описанные нами спектры получались при разложении излучаемого света самосветящимися телами. Такие спектры получили название спектров испускания. Но кроме них существуют ещё и так называемые спектры поглощения. Чтобы пронаблюдать такой спектр видоизменим предыдущий опыт. Поместим перед ненагретыми парами водорода источник света, дающий непрерывный спектр. При этом на экране, установленным за призмой, будем наблюдать сплошной спектр, перерезанный тёмными линиями. Эти линии получили название линий поглощения, а сам спектр — линейчатого спектра поглощения.
В 1859 году Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф установили, что линии поглощения находятся в тех же участках спектра, где должны быть расположены яркие линии в линейчатом спектре испускания, присущие данному газу. На основе этих наблюдений Кирхгоф сформулировал закон обратимости спектральных линий: атомы менее нагретых тел поглощают из сплошного спектра только те частоты, которые в других условиях они испускают.
Эта закономерность даёт возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.
Кстати впервые линейчатый спектр поглощения наблюдал ещё в 1802 году английский врач и химик Уильям Хайд Волластон. Изучая непрерывный спектр Солнца, он обнаружил в нем несколько резких тёмных линий. Однако учёный не придал им особого значения, считая, что их появление зависит от внешних причин. Только через двенадцать лет немецкий физик Йозеф Фраунгофер, продолжая исследования тёмных линий в спектре Солнца (а их насчитывается около 20 тысяч), убедился, что их причина не оптический обман, а сама природа солнечного света. Впоследствии эти линии были названы фраунгоферовыми линиями солнечного спектра.
Также при изучении спектра Солнца в 1868 году был открыт неизвестный ранее химический элемент, названный гелием (от греческого слова «гелиос» — Солнце). А на Земле этот газ открыли только через 27 лет.
Таким образом, анализ линейчатых спектров излучения и поглощения позволяет расшифровать состав излучающего вещества.
Метод определения химического состава вещества по его спектру называют спектральным анализом. Данный метод был разработан в тысяча восемьсот пятьдесят девятом году уже известными нам Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом, что ознаменовало появление нового раздела физики — спектроскопии, изучающей спектры электромагнитного излучения.
Спектральный анализ при всей своей простоте, обладает рекордной чувствительностью: с его помощью можно обнаружить примесь нужного элемента в составе сложного вещества даже в том случае, когда его масса не превышает и тысячной доли микрограмма. Так, например, основатели спектрального анализа, исследуя спектры паров щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах: рубидий даёт темно-красные, рубиновые линии, а слово «цезий» означает «небесно-голубой».
При выполнении спектрального анализа вещества с неизвестным химическим составом его сначала приводят в атомарное состояние и сообщают атомам большую энергию. Для этого, чаще всего, используются высокотемпературные источники света. В них помещается исследуемое вещество в виде порошка или аэрозоля, а затем при помощи спектрографа получают фотографию спектров. Сравнивая полученный линейчатый спектр с известными спектрами химических элементов, можно определить, какие элементы имеются в составе исследуемого вещества.
Благодаря относительной простоте и достаточной универсальности спектральный анализ является основным методом для контроля состава вещества в машиностроении и металлургии, атомной индустрии. С его помощью определяется химический состав руд и минералов, определяется возраст археологических находок, используется и в криминалистике.
Спектральный анализ в астрофизике даёт возможность определять не только химический состав звёзд и газопылевых облаков, но и некоторые другие физические характеристики, например, температуру, давление, скорость движения небесного тела и индукцию его магнитного поля. Именно благодаря спектральному анализу было открыто смещение спектральных линий в спектрах галактик, что свидетельствовало о расширении нашей Вселенной.