Спектрален анализ

Когато слънчев лъч премине през призма, на екрана зад него се появява спектър. В продължение на двеста години сме свикнали с това явление. Ако не се вгледате внимателно, изглежда, че няма резки граници между отделните части на спектъра: червеното непрекъснато се превръща в оранжево, оранжевото в жълто и т.н.

По-внимателно от другите през 1802 г. английският лекар и химик Уилям Хайд Уоластън (1766-1828) изследва спектъра. Уоластън открива няколко остри тъмни линии, които без видим ред пресичат спектъра на Слънцето на различни места. Ученият не придаде голямо значение на тези редове. Той смята, че появата им е причинена или от характеристиките на призмата, или от характеристиките на източника на светлина, или от някакви други вторични причини. Самите линии представляваха интерес за него само защото разделяха цветните ленти на спектъра една от друга. По-късно тези тъмни линии бяха наречени линии на Фраунхофер, увековечавайки името на техния истински изследовател.

Фраунхофер в провинциалния град Бенедиктбайрен се научи да шлифова оптични стъкла.

В предговора си към събраните съчинения на Фраунхофер Е. Ломел обобщава приноса си към практическата оптика по следния начин. „Чрез въвеждането на своите нови и подобрени методи, механизми и измервателни инструменти за въртене и полиране на лещи. той успя да получи достатъчно големи проби от кремъчно стъкло и коронно стъкло без никакви жилки. От особено значение беше откритият от него метод за точно определяне на формата на лещите, който напълно промени посоката на развитие на практическата оптика и доведе ахроматичния телескоп до такова съвършенство, за което беше невъзможно дори да мечтае преди.

За да направи точни измервания на дисперсията на светлината в призмите, Фраунхофер използва свещ или лампа като източник на светлина. ПриПо този начин той открива ярко жълта линия в спектъра, известна сега като натриева жълта линия. Скоро се установи, че тази линия винаги е на едно и също място в спектъра, така че е много удобно да се използва за точни измервания на показателите на пречупване. След това Фраунхофер казва в първата си работа от 1815 г.: „. Реших да разбера дали е възможно да се види такава светеща линия в слънчевия спектър. И с помощта на телескопа открих не една линия, а изключително голям брой вертикални линии, остри и слаби, които обаче се оказаха по-тъмни от останалия спектър, а някои от тях изглеждаха почти напълно черни.

Общо той ги преброи там 574. Фраунхофер даде имена и посочи точното им местоположение в спектъра. Установено е, че позицията на тъмните линии е абсолютно непроменена; по-специално, остра двойна линия винаги се появява на едно и също място в жълтата част на спектъра. Фраунхофер го нарече линия О. Ученият установи още, че в спектъра на пламъка на спиртна лампа на същото място, където е тъмната линия О в спектъра на Слънцето, винаги има ярка двойна жълта линия. Едва много години по-късно значението на това откритие става ясно.

Продължавайки изучаването на тъмните линии в спектъра на Слънцето, Фраунхофер осъзнава главното: причината им не е в оптическата илюзия, а в самата природа на слънчевата светлина. В резултат на по-нататъшни наблюдения той открива подобни линии в спектъра на Венера и Сириус.

През 1859 г. двама учени излязоха с тази проста и важна идея: Густав Роберт Кирхоф (1824-1887) и Роберт Вилхелм Бунзен (1811-1899). В лабораторията на Хайделбергския университет те поставиха следния експеримент. Преди тях или само слънчев лъч е пропускан през призма, или само светлина от спиртна лампа. Учените решиха да ги пропуснат едновременно. В резултат на това открихаявление, което Л.И. Пономарев: „Ако само слънчев лъч падне върху призмата, тогава в мащаба на спектроскопа те виждат спектъра на Слънцето с тъмна линия О на обичайното си място. Тъмната линия все още остава на мястото си, дори когато изследователите поставят горяща спиртна лампа на пътя на лъча. Но когато поставиха екран на пътя на слънчевия лъч и осветиха призмата само със светлината на спиртна лампа, тогава на мястото на тъмната линия О ясно се появи яркожълта линия О на натрий. Кирхоф и Бунзен премахнаха екрана - линия О отново стана тъмна.

След това замениха слънчевия лъч със светлина от горещо тяло - резултатът винаги беше един и същ: на мястото на ярко жълта линия се появи тъмен. Тоест пламъкът на спиртната лампа винаги поглъщаше лъчите, които самата тя излъчваше.

За да разберем защо това събитие развълнува двамата професори, нека проследим техните разсъждения. Ярко жълтата O линия в спектъра на пламъка на спиртната лампа се появява в присъствието на натрий. В спектъра на Слънцето на същото място се намира тъмна линия с неизвестна природа.

Спектърът на лъч от всяко горещо тяло е непрекъснат и в него няма тъмни линии. Но ако такъв лъч се прекара през пламъка на спиртна лампа, то спектърът му не се различава от спектъра на Слънцето – той също има тъмна линия на същото място. Но вече почти знаем природата на тази тъмна линия, във всеки случай можем да предположим, че тя принадлежи на натрия.

Следователно, в зависимост от условията на наблюдение, натриевата O линия може да бъде ярко жълта или тъмна на жълт фон. Но и в двата случая наличието на тази линия (независимо дали е жълта или тъмна!) означава, че в пламъка на спиртната лампа има натрий.

И тъй като такава линия в спектъра на пламъка на спиртната лампа в пропусната светлина съвпада с тъмната линия О в спектъра на Слънцето,това означава, че Слънцето също има натрий. Освен това той се намира в газовия външен облак, който е осветен отвътре от горещото ядро ​​на Слънцето.

Кратка бележка от две страници, написана от Кирхоф през 1859 г., съдържа четири открития наведнъж:

- всеки елемент има свой линеен спектър, което означава строго определен набор от линии;

- такива линии могат да се използват за анализ на състава на веществата не само на Земята, но и на звездите;

- Слънцето се състои от горещо ядро ​​и относително студена атмосфера от горещи газове;

Слънцето съдържа елемента натрий.

Първите три твърдения скоро бяха потвърдени, по-специално хипотезата за структурата на Слънцето. Експедицията на Френската академия на науките през 1868 г., ръководена от астронома Янсен, посети Индия. Тя откри, че по време на пълно слънчево затъмнение, в момента, когато горещото му ядро ​​е покрито от сянката на Луната и свети само короната, всички тъмни линии в спектъра на Слънцето проблясват с ярка светлина.

Киргхоф и Бунзен не само брилянтно потвърдиха втората позиция, но и я използваха, за да открият два нови елемента: рубидий и цезий.

Така се ражда спектралният анализ, с помощта на който сега е възможно да се установи химическият състав на далечни галактики, да се измери температурата и скоростта на въртене на звездите и много други.

По-късно електрическото напрежение най-често се използва за привеждане на елементите във възбудено състояние. Под въздействието на напрежението елементите излъчват светлина, характеризираща се с определени дължини на вълната, тоест с определен цвят. Тази светлина се разделя в спектрален апарат (спектроскоп), основната част на който е стъклена или кварцова призма. В този случай се образува лента, състояща се от отделни линии, всяка от които е характерна за определенаелемент.

Например, по-рано беше известно, че минералът клевейт при нагряване отделя газ, подобен на азота. Този газ, когато се изследва със спектроскоп, се оказа нов, все още неизвестен благороден газ. Когато е електрически възбуден, той излъчва линии, които преди това са били открити при анализиране на слънчевите лъчи със спектроскоп. Беше особен случай, когато елемент, открит преди това на Слънцето, беше открит от Рамзи и на Земята. Дадено му е името хелий, от гръцката дума "helios" - слънцето.

Днес са известни два вида спектри: непрекъснати (или термични) и линейни.

Както пише Пономарев, „топлинният спектър съдържа всички дължини на вълните, той се излъчва при нагряване на твърди вещества и не зависи от тяхната природа.

Линейният спектър се състои от набор от отделни резки линии, появява се при нагряване на газове и пари (когато взаимодействията между атомите са малки) и - което е особено важно - този набор от линии е уникален за всеки елемент. Освен това линейните спектри на елементите не зависят от вида на химичните съединения, съставени от тези елементи. Следователно тяхната причина трябва да се търси в свойствата на атомите.

Фактът, че елементите са уникално и напълно определени от вида на линейния спектър, скоро беше признат от всички, но фактът, че същият спектър характеризира отделен атом, не беше осъзнат веднага, а едва през 1874 г., благодарение на трудовете на известния английски астрофизик Норман Локиър (1836-1920). И когато разбраха, веднага стигнаха до неизбежното заключение: тъй като линейният спектър възниква вътре в един атом, значи атомът трябва да има структура, тоест да има съставни части!