Чтение онлайн

Фраунгофер был сыном бедного стекольщика. Сперва он работал подмастерьем в гранильной мастерской, а затем рабочим на фабрике зеркал. Случилось так, что здание фабрики рухнуло, и 15-летний мальчишка оказался под обломками. Он чудом выжил, и в честь его чудесного спасения и король дал ему 18 дукатов. Для мальчика это было настоящим сокровищем, на эти деньги он купил инструменты и книги. Позднее Фраунгофер станет знаменитым оптиком.

Он хотел улучшить ахроматические линзы (линзы, свободные от эффектов дисперсии), которые изучал английский оптик Джон Доллонд (17061761). В 1756 г. Доллонд сложил вместе два стекла с почти противоположными силами дисперсии, с целью исключить хроматическую аберрацию. Большой трудностью было измерить силу дисперсии разных стекол, используемых для изготовления линз. Фраунгофер, занимаясь измерениями с призмами из различных стекол, и открыл темные линии в солнечном спектре.

Его открытие явилось предшественником того, что позднее было названо спектральным химическим анализом. Началом можно считать 1826 г., когда Вильям Тальбот (18001877) обнаружил точную связь между спектром свечения пламени и вещества, содержащегося в нем. Он предположил, что цвет пламени можно использовать вместо продолжительного химического анализа для установления природы горящего вещества.

Рљ началу XIX РІ. века были успешно разработаны инструменты (спектроскопы), нужные для измерения структуры спектров СЃ необходимой точностью Рё методы измерения длин волн. Рто произошло РІ значительной мере благодаря работам Фраунгофера Рё Френеля. Таким образом, предположение Тальбота могло быть практически реализовано.

Р РёСЃ. 9 показывает простейший спектроскоп, подобный тем, что РІСЃРµ еще используются РІ школах. РћСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ частью РїСЂРёР±РѕСЂР° является стеклянная РїСЂРёР·РјР°, помещенная между РґРІСѓРјСЏ небольшими телескопами. РћРґРёРЅ РёР· РЅРёС… снабжен СѓР·РєРѕР№ (регулируемой) щелью, через которую исследуемый свет (пламя РЅР° СЂРёСЃСѓРЅРєРµ) попадает РЅР° РїСЂРёР·РјСѓ. Второй телескоп собирает разложенный свет. Рспользуется еще Рё третий телескоп, который является просто трубкой, РЅР° конце которой располагается штрихи шкалы, подсвечиваемой РёР·РІРЅРµ. Штрихи шкалы проектируются РЅР° спектр, что позволяет определять положение линий.

Рис. 9. Старинная модель спектроскопа с бунзеновской горелкой

Решающий, заключительный шаг, РІ отношении спектрального химического анализа приписывается ученым РёР· Гейдельбергского университета С…РёРјРёРєСѓ Роберту Бунзену (18111899) Рё физику Густаву Кирхгофу (18241887), которые вместе работали над этой проблемой РІ 18601861 РіРі. РћРЅРё построили стандартный РїСЂРёР±РѕСЂ для анализа спектров элементов, входящих РІ состав солей, которые вносились РІ пламя (использовалась горелка Бунзена газовая горелка, РІ которой сжигалось исследуемое вещество). РћРЅРё открыли, что СЏСЂРєРёРµ линии спектра раскаленных солей металлов являются характерными для определенного металла. Первым практическим доказательством огромных возможностей спектрального анализа для изучения химического состава веществ было открытие новых элементов: цезия Рё СЂСѓР±РёРґРёСЏ. Рспользуя эту экспериментальную методику, РљРёСЂС…РіРѕС„ идентифицировал РјРЅРѕРіРёРµ темные линии Фраунгофера. Например, D-линия принадлежит натрию (СЂРёСЃ. 10). Давид Брюстер (17811868) РІ 1832 Рі. уже РѕР±СЉСЏСЃРЅСЏР» происхождение темных линий солнечного спектра тем, что свет, испускаемый горячей поверхностью Солнца, прежде, чем достигнуть Земли, РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ через внешнюю более холодную атмосферу Солнца, компоненты которой поглощают практически РЅР° тех же длинах волн, которые испускаются РїСЂРё более высокой температуре. Таким образом, темная линия появляется там, РіРґРµ должна была Р±С‹ быть яркая линия, если Р±С‹ РЅРµ было атмосферы. Например, пары натрия (легко получаемые добавлением РІ пламя горелки обычной поваренной соли) испускают характерный желтый свет, образуемый РґРІСѓРјСЏ СѓР·РєРёРјРё Рё близкими РґСЂСѓРі Рє РґСЂСѓРіСѓ линиями (D -линия). Где Р±С‹ РЅРё появлялись РІ спектре эти линии, РјС‹ можем СЃ уверенностью утверждать, что РІ источнике спектра содержится натрий. Ртот мощнейший метод химического анализа позволяет обнаруживать минимальные следы вещества Рё РЅРµ зависит РѕС‚ расстояния РґРѕ исследуемого объекта, позволяя, например, исследовать звезды.

Длины волн излучения, которое испускается веществом, может также Рё поглощаться РёРј РЅР° тех длинах волн. Если, например, РјС‹ посылаем интенсивный свет, содержащий РІСЃРµ видимые длины волн (непрерывный спектр излучения), через пламя РІ котором сгорает натрий, то РІ пропущенном свете обнаружится отсутствие длин волн, соответствующих РґРІСѓРј желтым линиям D-линии натрия. Р’ спектре РґРІРµ темные линии появляются РІ тех местах, РІ которых наблюдаются РґРІРµ СЏСЂРєРёРµ линии РІ спектре излучения. Рто объяснение применимо РЅРµ только для нашего Солнца, РЅРѕ Рё для любой звезды. Действительно, темные линии, подобные тем, что Фраунгофер наблюдал РІ солнечном спектре, наблюдаются Рё РІ спектрах звезд, Рё положение этих линий указывает, какие длины волн поглощаются веществами РІ звездных атмосферах, что позволяет определить эти вещества.

Рис. 10. Обращенные линии. На верхней части показаны D-линии натрия (дублет), которые проявляются как черные линии в солнечном спектре. На нижней части показаны яркие D-линии натрия, которые получаются в лаборатории в парах пламени

Фундаментальные открытия новой науки спектроскопии были сделаны Кирхгофом, Брюстером, Дж. Гершелем (17921871), Тальботом, Чарльзом Уитстоном (18021875), А. Ангстремом (18141874) и Вильямом Сваном.

Тот факт, что спектры веществ иногда состоят из набора дискретных линий, а иногда представляют полосы, был, наконец, после многих дискуссий, объяснен Джорджем Сале (1875) путем сопоставления линейчатых спектров с атомами, а спектров полос с молекулами.

Атомы

Уже Демокрит и Лесипс в V в. до н.э. говорили об атомах. Римский поэт Лукреций (9855 до н.э.) в De rerum natura, объясняя теорию Демокрита, говорил, что воздух, земля и все другие вещи мира сделаны из набора частиц или корпускул атомов, находящихся в безостановочном и очень быстром движении, которые столь малы, что не видимы человеческим глазом. Атомы предполагались быть крайним результатом последовательного разделения вещества на все меньшие части. Слово атом по-гречески означает неделимый.

Однако идеи Демокрита и Лукреция далеки от нашего понимания атомов, поскольку они не рассматривали существования многих сортов атомов и того, что атомы определенного вещества одинаковы.

Выраженная смутным и неконкретным образом атомистическая теория Демокрита теряла свое значение, и слово атом стало употребляться для обозначения объекта крайне малого размера. Лукреций имел успех совсем в другой области, высказав гипотезу, что заразные болезни распространяются очень малыми частицами. В эпоху Возрождения итальянский философ и врач Джироламо Фракасторо (14831553) возродил эту теорию. Однако эта идея бактериологии оставалась секретом, пока Луи Пастер (18221895) вновь не обратился к ней.