Чтение онлайн

Спектрограф и спектры

Лучи света - посланцы своего хозяина, источника света. Разложенные в спектр, они осведомляют нас о физическом состоянии светила, пославшего эти лучи. Оно может находиться сколь угодно далеко от нас, лишь бы от него мы получали достаточно света, чтобы его краен, спектр можно было сфотографировать. Такая фотография спектра, называемая спектрограммой, получается с помощью спектрографа.

Устройство спектрографа изображено на рис. 15. Главной его частью является трехгранная призма из прозрачного вещества, обычно из стекла, преломляющая лучи света различной длины волны (различного цвета) в различной степени - тем сильнее, чем длина волны короче. Так, зеленые лучи преломляются и отклоняются к основанию призмы сильнее, чем красные, а фиолетовые лучи сильнее, чем зеленые. Свет распространяется волнами, и в зависимости от того, какова его длина волны, мы получим впечатление того или иного цвета. Длину волны выражают в десятимиллионных долях миллиметра, называемых ангстремами. Длина волны зеленого цвета составляет около 5000 ангстрем (или около пяти десятитысячных миллиметра). Всякое хотя бы ничтожно малое изменение длины волны соответствует изменению цвета (хотя бы ничтожно малому и незаметному для глаза). Некоторые источники света посылают свет только одной определенной длины волны, другие посылают свет, состоящий из лучей нескольких определенных длин волн, из которых одни лучи могут быть яркими, другие слабыми, третьи могут быть интенсивными, но невидимыми глазу. Например, инфракрасные или тепловые лучи, имеющие очень большую длину волны, невидимы глазом. Невидимы глазом также ультрафиолетовые лучи, обладающие длиной волны короче примерно 4000 ангстрем, и рентгеновские лучи - несравненно более коротковолновые, но так же как и ультрафиолетовые, действующие на фотографическую пластинку.

Рис. 15. Схема устройства спектрографа

Рентгеновские и «далекие» ультрафиолетовые лучи небесных светил до нас не доходят - их поглощает и задерживает в нашей атмосфере слой озона (газа, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода).

За инфракрасными лучами лежат в спектре еще более длинноволновые лучи, с помощью которых осуществляется радиосвязь. Все лучи спектра от радиоволн и до рентгеновских лучей представляют собой электромагнитные волны.

В обычном спектральном анализе изучаются лучи спектра от инфракрасных до ультрафиолетовых. Из этой области только средняя часть видна глазом. Сильнее всего действуют на глаз желтые и зеленые лучи, поэтому яркость того или другого участка спектра, как она видна глазом, еще не характеризует энергию излучения света в данной длине волны, - яркость для глаза зависит и от энергии, заключенной в данном месте спектра, и от чувствительности глаза к ней. То же касается и фотопластинки.

Рис. 16. Отклонение призмой лучей с разной длиной волны и полный спектр электромагнитных волн

Если вдоль спектра двигать узкую полоску покрытого сажей металла, то она будет поглощать всю падающую на нее энергию и превращать ее в тепло. В зависимости от степени нагревания меняется электропроводность металла, и потому, измеряя ток, пропускаемый через это мешающееся электрическое сопротивление, можно выяснить истинное распределение энергии вдоль всего спектра. Прибор такого рода называется болометром.

Цвет источника света зависит от того, лучи каких длин волн и с какой интенсивностью он испускает. Например, раскаленные пары натрия почти всю свою энергию испускают в длине волны, соответствующей желтому цвету. Поэтому цвет паров натрия желтый. Пары ртути большую часть своей энергии испускают в длинах волн, соответствующих зеленому и густофиолетовому цвету. Поэтому цвет паров ртути представляет собой весьма своеобразную смесь зеленого и фиолетового.

Некоторые источники света, например, нить электрической лампы, излучают свет всевозможных длин волн (всех без исключения, без перерыва), поэтому спектр их лучей называется непрерывным. Цвет таких источников света зависит от распределения энергии по разным длинам волн, т. е. от ее распределения вдоль спектра. Если, например, больше всего энергии испускается в красных лучах, то цвет источника света красный. Если больше всего энергии испускается в ультрафиолетовых лучах, невидимых глазу, то цвет источника определяется самым ярким местом в видимой части непрерывного спектра или сочетанием цветов самых ярких мест. Известно, например, что белый цвет создается как смесью всех цветов, взятых в определенной пропорции, так и определенной смесью двух цветов, например, желтого и синего, красного и голубого (это смешение света разных цветов надо отличать от смешения красок в живописи).

Но вернемся к рис. 15. Чтобы разложить свет на его составные части, на призму надо направить под определенным углом (в зависимости от свойств данной призмы) пучок параллельных друг другу лучей. Это достигается коллиматором, который представляет собой трубку с объективом, обращенным к призме, и с короткой щелью на другом ее конце. Щель параллельна ребру призмы и находится в том месте, где лучи, упавшие на объектив со стороны призмы параллельным пучком, собрались бы в одну точку. Эта точка - главный фокус объектива. По известному в оптике «свойству обратимости» лучи, посланные такой освещенной щелью, выйдут из объектива и попадут на призму почти параллельным пучком.

На щели спектрографа объектив телескопа дает почти точечное изображение звезды или протяженное изображение другого небесного светила, например, планеты. В самом же спектрографе призма отклоняет к своему основанию лучи тем сильнее, чем короче их длина волны. Эти лучи падают на объектив фотографической камеры под разными углами. Объектив камеры дает на фотопластинке изображение освещенной щели в том или другом ее месте, в зависимости от угла падения на него лучей. Последний зависит, как мы видели, от длины волны. Поэтому на фотопластинке получается спектр источника света в виде полоски, состоящей из ряда параллельных друг другу линий - изображений щели, из которых каждое образовано лучами определенной длины волны (из тех, какие испускает источник). Эта полоска, состоящая из ряда линий, и есть спектр. По месту, занимаемому линией в спектре, мы можем определить длину волны лучей, которые ее образовали. Для краткости говорят об определении длины волны самих линий в спектре. Если спектр содержит все длины волн - сплошь без перерыва, то сливающиеся друг с другом бесчисленные изображения щели образуют непрерывный спектр в виде цветной полоски. Он содержит все цвета радуги (вернее было бы сказать наоборот, т. е., что радуга содержит все цвета спектра). Источники света, испускающие только отдельные длины волн, дают, следовательно, спектр в виде ряда отдельных линий. Это - линейчатый спектр. Когда линии спектра светлые, то это спектр излучения. Но бывает, что перед источником непрерывного спектра находится вещество, поглощающее свет в отдельных, определенных длинах волн. Тогда изъятие энергии определенных длин волн из непрерывного спектра вызовет появление в нем мест, лишенных света, т. е. тёмных линий. Это будет спектр поглощения, тоже линейчатый.

Спектральная грамота

Узнаем же, как читают паспорта светил, как читают их спектры, изучим спектральную грамоту.

Существуют, как мы видели, три вида спектров - три вида паспортов источников света: непрерывный спектр, линейчатый спектр излучения (короче, спектр излучения) и линейчатый спектр поглощения (непременно на фоне непрерывного спектра и называемый коротко спектром поглощения). Уже общий вид спектра говорит нам о природе свечения источника. Из опыта известно, что непрерывный спектр дают или твердые и жидкие раскаленные вещества или массы газа, в которых очень много свободных электронов - мельчайших частиц электричества. Такой спектр может дать и небольшой слой чрезвычайно горячего и плотного газа и чрезвычайно толстый слой более разреженного газа.

Таким образом, непрерывные спектры дают, с одной стороны, нить электрической лампы и расплавленная сталь, с другой стороны, - газы, составляющие поверхностный слой Солнца и звезд. В лаборатории удавалось маленькие проволочки (пережигая их сильным электрическим током) превратить в газ, содержащий множество электронов, и он давал в момент испарения непрерывный спектр.

Атом - мельчайший представитель какого-нибудь химического элемента, т. е. вещества, не могущего быть химически разложенным на составные части, тем не менее очень сложен. Он является сложной системой частиц. Атомы разных химических элементов содержат разное число частиц и построены по-разному. Разрушать их или перестраивать методами химии нельзя. Раньше перестраивать их удавалось лишь природе, но теперь удается перестраивать атомы методами физики в лаборатории. Можно представить себе атом состоящим из ядра и вращающихся вокруг него электронов. У ядра определенный вес и определенный положительный электрический заряд, равный сумме отрицательных электрических зарядов электронов атома, а заряд каждого электрона одинаков. Заряд ядра определяет химические свойства атома. Столкнувшись с другим атомом, электроном или с мельчайшей частицей света - квантом, иначе - фотоном, наш атом может потерять один из своих электронов. Он приобретает тогда единичный положительный заряд, не уравновешиваемый противоположным зарядом электрона, который покинул своего хозяина. Он становится тогда ионом, или ионизованным атомом. Если оторвать у атома и второй электрон, то он становится дважды ионизованным атомом с двойным положительным зарядом.

От подобных повреждений и убытка при столкновениях атомы не чувствуют себя хуже, однако непрерывно лелеют надежду восстановить свое нарушенное «хозяйство» и пополнить его захватом свободного электрона. Электроны же, освобожденные от своей «крепостной зависимости», называются свободными, но им постоянно угрожает новый плен, так как их отрицательный заряд притягивается положительным зарядом ионов. Горе медленно летающим свободным электронам! Их легко захватить в плен. Быстрые же электроны между тем безопасно шныряют среди ионов, и ясно, что чем реже атомное население в единице объема (чем разреженнее газ), тем легче им ускользать от плена, сохраняя свободу, и поддерживать этим высокую ионизацию газа. А чем больше частиц толчется на одном месте, тем чаще они могут и столкнуться и снова соединиться.

Рис. 17. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела при разных температурах и в спектре Солнца. Наклонная прерывистая линия указывает смещение максимума интенсивности с повышением температуры в сторону коротких волн

Из физики известно, что чем выше температура газа, тем быстрее носятся его частицы, тем энергичнее и чаще их столкновения и тем большая доля его атомов ионизуется. Быстрота движения частиц определяет, как часто происходят различные столкновения; основываясь на этом, теория может наперед сказать, каково будет распределение энергии вдоль непрерывного спектра при данной температуре. Лучше всего теоретически изучено излучение абсолютно черного тела, которое так называется потому, что оно способно поглощать всю падающую на него энергию. Абсолютно черное тело обладает не только наибольшей поглощающей, но и наибольшей излучательной способностью при данной температуре. Излучение нити электрической лампочки или внутренности раскаленной печи очень походит на излучение черного тела. Можно создать искусственное тело, еще более похожее на абсолютно черное тело, можно его нагреть и убедиться, как это делают физики, в том, что распределение энергии в его спектре в зависимости от температуры соответствует теории. Оказалось, что звезды и Солнце обладают почти такими же свойствами поглощения и излучения, как черное тело, и потому по распределению энергии в их спектре можно определить их температуру, о чем мы расскажем дальше. Итак, н? смущайтесь тем, что Солнце принимают за черное тело, да к тому же абсолютно черное! Черный уголь сохраняет свои свойства абсолютно черного тела и тогда, когда он раскален и ослепительно светит.