<<
>>

«ОТПЕЧАТКИ ПАЛЬЦЕВ» АТОМОВ

Хотя открытие Ньютоном разложения света от источника, подобного Солнцу, в блестящий спектр цветов было по достоинству оценено художниками, оно, пожалуй, было все же менее важным, чем открытие того факта, что различные источники света характеризуются разными видами спектра.

Особое значение для нашей проблемы имеют законы спектрального анализа, известные под названием законов Кирхгофа. Предположим, что, воспроизводя опыты Кирхгофа и Бунзена, мы поместим раскаленную добела вольфрамовую нить лампочки накаливания перед щелью спектрографа. Мы увидим, что спектр состоит из яркой непрерывной цветной полосы, действительно очень похожей на радугу. Кусок железа или другого твердого вещества, нагретый до красного или белого каления, но не испаряющийся, в аналогичной схеме дает непрерывный спектр. Но если мы возьмем в качестве источника света стеклянную трубку, наполненную разреженным водородом, который светится под влиянием проходящего электрического тока, то увидим спектр, совершенно отличный от спектра светящегося твердого тела. Вместо сверкающего непрерывного спектра будут три яркие цветные линии (или изображения щели) —красная, синяя и сине-фиолетовая, последняя как раз на пределе видимости у 4102 А. Мы заметим, что промежутки между линиями кажутся черными, а также что существует замечательная закономерность в расположении линий: промежутки между следующими друг за другом яркими изображениями от красного цвета к фиолетовому постепенно уменьшаются. На фотографической пластинке эта серия линий продолжается в ультрафиолет, причем линии располагаются все теснее друг к другу, пока не сойдутся к некоему пределу у 3650 А (рис. 12, на котором видны линии водорода и других химических элементов, испускаемые туманностью Ориона). Аналогично в спектре нагретых паров натрия видны отдельные яркие линии, особенно выделяется пара близких друг к другу линий в желтой части спектра и серия в ультрафиолете.

Другие раскаленные газы и пары также излучают спектры из ярких линий, но каждый химический элемент, будь это водород, гелий, натрий, кальций, железо, свинец или радий, характеризуется своим отличным от других набором ярких линий, видимых в спектроскоп. Поскольку нет даже двух элементов, даю-

Рис. 12. Эмиссионный спектр туманности Ориона, в котором видна баль- меровская серия водорода.

На примере этого спектра газовой туманности видно, как линии водорода серии Бальмера сходятся к некоторому пределу, за которым следует непрерывный спектр (континуум). Отметим, что в спектре также присутствуют линии гелия, обозначенные символом Не), так называемые запрещенные линии кислорода [011] и запрещенные линии неона [NelllJ. (Лик- ская обсерватория Калифорнийского университета, 120-дюймозын телескоп со спектрографом куде.)

щих идентичные спектры, то мы видим, что сама природа обеспечила нас «отпечатками пальцев» любого химического элемента. Раз спектры известных химических элементов были зарегистрированы в лаборатории, можно определить состав любой смеси, невзирая на то, находится ли анализируемый образец на Земле, на далекой звезде или в туманности.

Если мы теперь поместим холодные пары натрия между раскаленной вольфрамовой нитью и щелью спектроскопа, то получим спектр еще одного вида. В видимой части спектра сверкающий цветной непрерывный спектр (континуум) лампочки накаливания будет почти неизменным, но на тех же длинах волн, где раньше были видны яркие линии натрия, появляются две темные линии. На рис. 13 мы видим спектр с яркими линиями, или эмиссионный спектр, натрия в невидимой ультрафиолетовой области, а также спектр поглощения с темными линиями, полученный от угольной дуги в качестве источника непрерывного спектра. Более холодные пары натрия поглощают свет яркого фона, но лишь в тех длинах волн, в которых возможно излучение атомов натрия.

Аналогичные результаты получаются и

Рис. 13. Ультрафиолетовый спектр паров натрия, иллюстрирующий второй I и третий законы Кирхгофа спектрального анализа.

В полосе а свет угольной дуги проходит сквозь нагретую трубку, содержащую пары 1 натрия, спектральные линии которого кажутся темными на почти непрерывном фоне; в полосе б полюсы угольной дуги высверлены и заполнены углекислым натрием, который теперь дает спектр в виде ярких линий. На обеих фотографиях видно несколько ярких линий угольной дуги.

2 Зак, 770

Рис. 14. Карта из атласа солнечного спектра Фраунгофера.

С парами других веществ; характерные для них спектры появляются в виде темных, а не светлых линий.

Эксперименты такого рода привели к открытию трех законов спектрального анализа, сформулированных Кирхгофом: 1) раскаленные твердые или жидкие тела (или очень плотный газ) излучают непрерывный спектр, 2) разреженный светящийся газ испускает характерный для него яркий линейчатый спектр, 3) спектр газа, помещенного перед более горячим источником непрерывного излучения, состоит из темных линий поглощения, которые находятся в точности на тех же длинах волн, на которых у этого нагретого газа имеются линии излучения.

В 1802 г. Волластон, повторив опыт Ньютона, обнаружил в спектре Солнца четыре темные линии и интерпретировал их как границы цветов красного, желто-зеленого, голубого и фиолетового. Спектры Солнца, полученные путем пропускания белого света через жидкие призмы, содержащие азотную кислоту, очищенный скипидар, масло сассафраса и канадский бальзам, оказались похожими друг на друга. Это показывает, что спектр не зависит от диспергирующей среды.

Около 1815 г. Фраунгофер нанес на карты 574 линии спектра Солнца; часть его атласа показана на рис. 14. Предположение, что эти линии обязаны своим происхождением поглощению в земной атмосфере, было опровергнуто, когда Фраунгофер обнаружил, что спектры ряда ярких звезд совершенно непохожи на спектр Солнца (см. рис. 19). Он также отметил, что места линий земных химических элементов и темных линий в спектрах Солнца и звезд совпадают, но, к сожалению, не придал никакого значения этому f;2. Звездные радуги

f"

[совпадению. На рис. 15 воспроизведена часть солнечного спектра.

На основе своих исследований Кирхгоф пришел к выводу, (''что Солнце и звезды должны быть раскаленными телами, окруженными относительно холодными тонкими атмосферами (рис. 16). Он предложил простую модель, согласно которой химические элементы, находящиеся в газовой атмосфере или обращающем слое звезды, поглощают непрерывное излучение, испускаемое лежащей ниже поверхностью, или фотосферой, и тем самым как бы впечатывают темные линии в спектр. Модель Кирхгофа позволяет зримо представить процесс образования спектральных линий, поэтому мы будем ею пользоваться в дальнейшем. Однако около 40 лет назад Мензел и другие показали, что эта модель с четким делением на слои является чересчур упрощенной, так как и непрерывное излучение Солнца, и линии поглощения возникают по существу в одной и той же области атмосферы, которую до сих пор называют фотосферой. Верно, конечно, что в среднем непрерывное излучение исходит из более глубоких слоев атмосферы, чем соответствующие линиям поглощения, но четкой границы между фотосферой и обра щающим слоем не существует.

Дальнейшие исследования показали, что любая звезда представляет собой своего рода гигантскую лабораторию, в которой вещество часто можно изучать при предельных недостижимых на Земле физических условиях.

Уильямс Гаггинс, английский астроном-любитель, и независимо Норман Локайр подвергли анализу спектры большого числа звезд, сравнивая положения темных и ярких линий, испускаемых химическими элементами в лабораторных условиях.

Они нашли множество совпадений и пришли к выводу, что материя должна быть одинаковой повсюду во Вселенной. Многие астрономы полагали, что большая туманность Ориона (рис. 17) представляет собой скопление звезд, очень далеких от нас и очень близких друг к другу и поэтому неразрешимых в отдельности при помощи существующих телескопов. Поэтому считали, что туманность Ориона должна давать непрерывный спектр. К своему изумлению, Гаггинс обнаружил, что весь спектр этой туманности (рис. 18) состоит из нескольких ярких линий, часть которых удалось отождествить с водородом и гелием, но некоторые сильные линии оказались не поддающимися интерпретации. Первоначально эти линии были приписаны гипотетическому химическому элементу, названному «небулием», однако позднее они были отождествлены как линии дважды ионизованного кислорода (см. гл. 7). Более поздние исследования также обнаружили наличие слабого непрерывного спектра, но в спектре

Рис. 15. Часть солнечного спектра (полоса в центре) с линиями железной дуги над и под ним в области длин волн 3300—3600 А.

Многочисленные совпадения между линиями этих двух спектров выявляют наличие железа на Солнце.

Рис. 16. Образование непрерывного спектра и линейчатого спектра поглощения звезд согласно модели Кирхгофа.



Ри(- 17 Область большой туманности в Орионе, в которой видны и зве ды, и япкие и темные туманности; их причудливая смесь делает эту область одной из самых чарующих областей неба. (Фотография сделана с телесно Шмидта обсерватории Гарвардского колледжа.)

Рис. 18. Спектр большой туманности в Орионе.

Видно много эмиссионных линий газов, гсоэепно водорода, гечия, кислорода и неона, наряду с двумя линиями серы (длины i о ш указаны в А). Многие из этих линий, в частности линии кислорода, неона н серы, отмеченные квадратными скобками, относятся к так называемым запрещенным линиям (см. гл. 7).

туманности Ориона не было никаких темных линий, подобных линиям в спектрах звезд. Таким образом было установлено, что туманность Ориона представляет собой облако разреженного газа, а не скопление звезд. 

<< | >>
Источник: А. Аллер. АТОМЫ, ЗВЕЗДЫ И ТУМАННОСТИ. 1976

Еще по теме «ОТПЕЧАТКИ ПАЛЬЦЕВ» АТОМОВ:

  1. ГЛАВА XII О ГИПОТЕЗАХ
  2. Идентификация и реконструкция на основании изучения генетически детерминированных систем признаков
  3. Техника выполнения экспертного исследования трупа
  4. Взятие и направление трупного и иного материалана лабораторное исследование
  5. «ОТПЕЧАТКИ ПАЛЬЦЕВ» АТОМОВ
  6. СОРТИРОВКА ЗВЕЗД
  7. МЕЖЗВЕЗДНАЯ СРЕДА
  8. 4.2.2. Гарвардская спектральная классификация звезд
  9. Наноэлектроника
  10. Спектральные методы анализа