Темные линии свидетельствуют о том, что в солнечном спектре нет излучений определенных частот. Но почему они отсутствуют?
Это долго казалось загадкой.
Спектры из темных линий
После изобретения спектроскопа ученые пытались воспроизвести темные линии в лаборатории. Сначала надо было получить сплошной спектр всех цветов радуги. Это сделать просто. Как мы знаем, такой спектр дают раскаленные добела металлы. Потом надо было установить, что же следует сделать с лучами, чтобы в спектре появились темные линии. Эта задача была решена следующим образом.
На пути лучей, идущих от раскаленного твердого тела, перед входом их в щель спектроскопа был поставлен закрытый стеклянный сосуд с парами металла натрия. В сплошном спектре, как раз на том месте, где должны были быть желтые линии натрия, появились темные линии. Почему? Не потому ли, что пары натрия, стоявшие на пути лучей, «вырвали» из сплошного спектра желтые лучи, поглотили их? И замечательно: поглотили как раз те лучи, которые пары натрия сами испускают!
Эта догадка была проверена многократно. Ученые ставили на пути белого луча прозрачные сосуды с парами самых различных веществ. Эти опыты всегда показывали одно: пары всякого вещества поглощают излучения именно тех частот, какие они сами испускают. Этот закон открыл и обосновал Кирхгоф.
Новые спектры, состоящие из темных линий на фоне сплошного спектра, стали называть спектрами поглощения. До сих пор мы рассматривали спектры испускания — отдельные цветные линии на темном фоне. Спектр поглощения и спектр испускания как бы дополняют друг друга; их часто называют обращенными по отношению друг к другу. Зная один из этих спектров, можно судить о характере другого спектра того же вещества.
Теперь возможности спектрального анализа чрезвычайно расширились. Исследования спектров поглощения привели к открытию новых элементов — празеодима, неодима, самария, гольмия, тербия.
В периодической таблице Менделеева оставалось все меньше пустых клеток.
Менделеев о будущем спектрального анализа
В разгар первых спектроскопических исследований, в конце 60-х годов, Менделеев работал над своим знаменитым трудом «Основы химии». Это было первое изложение наших знаний о химии на основе только что открытого Менделеевым периодического закона. «Основы химии» Менделеева на многие десятилетия определили пути развития химии. И тогда уже великий ученый понял глубже многих своих современников, как много может дать для изучения атомов новое мощное средство исследования— спектроскопия. Менделеев писал в «Основах химии»: «Спектры поглощения, при обыкновенной температуре получаемые и свойственные веществам во всех физических состояниях, представляют обширнейшее, но еще мало обработанное поле как для теории всей спектроскопии, так и для суждения о строении веществ». И в другом месте: «Спектры делают видимыми многое не только на отдельных громадных мирах, таких, как звезды, но и в безгранично мелких мирах, таких, как частицы, и разработка в этой области обещает многое выяснить в области атомов и частиц».
Надежды, которые Менделеев возлагал на спектральный анализ, полностью оправдались. Спектры помогли ученым изучить и отдаленные громадные миры — звезды, и безгранично малые миры — атомы.
Как было открыто вещество сначала на Солнце, а затем на Земле
Свет помог астрономам получить многие сведения о звездах и других небесных телах.
В 60-х годах прошлого века астрономы обратили внимание на одно интересное явление. В моменты полного солнечного затмения, когда диск Солнца закрыт от нас Луной, в телескоп видно, как из-за края темной Луны вырываются огненные языки. Эти огненные языки — огромные взрывы на Солнце, которые поднимают на сотни тысяч километров вверх раскаленные пары различных веществ. Эти огненные языки назвали протуберанцами.
Астрономы заинтересовались: какой спектр у протуберанцев?
Во время очередного солнечного затмения, в 1868 году, удалось рассмотреть спектр протуберанца. Ученые увидели в спектрограф несколько отдельных линий, и среди них одну незнакомую желтую линию. Линия была похожа на натриевую, но все же не была натриевой. Линия натрия — 5890Å, а это была линия 5875Å (см. приложение IV). Такой линии в справочной спектральной книге не было — ее еще никто не встречал.
По поводу этой линии среди ученых возникли споры. Одни утверждали, что это все же линия натрия. Другие решили, что линия принадлежит неизвестному элементу, который встречается только на Солнце. Они назвали его гелий, что значит — солнечный. Химики стали искать гелий на Земле. Искали год, другой, десять, двадцать лет — гелия на Земле не находили. Некоторые ученые даже сомневались в том, что гелий вообще существует где-либо в природе. Но гелий все-таки существовал, и существовал как на Солнце, так и на Земле. Его нашли в норвежском минерале клевеите в 1895 году, через 27 лет после открытия на Солнце. Спектральные линии найденного в клевеите газа позволили установить, что это тот самый гелий, который когда-то открыли на Солнце. Это был легкий газ, самый легкий после водорода. Легкость гелия навела химиков на мысль: где бы в Земле ни скрывался гелий, он в конце концов должен проникнуть на поверхность и накопиться в воздухе. Значит, гелий следует искать в воздухе. Начались поиски гелия в воздухе. И снова помог спектроскоп: гелий был найден в воздухе.
Спектроскопические исследования воздуха помогли установить наличие в нем и других газов — криптона и неона. О существовании этих газов химики до тех пор ничего не знали. Их доля в воздухе очень мала; криптон, например, занимает только пять стомиллионных долей общего объема воздуха. Эти газы крайне трудно соединяются с другими элементами. За это свойство их назвали инертными, т. е. бездеятельными газами.
В настоящее время некоторые из этих газов добывают в большом количестве. Их применяют в науке и технике. Гелием наполняют дирижабли. Гелий научились сжижать, а сжижается он при температуре, близкой к абсолютному нулю (около —270° Цельсия). При низкой температуре жидкого гелия исследуют свойства различных других веществ. Это много дает науке в раскрытии закономерных связей молекул и атомов между собой. Неон мы встречаем часто: он светится красным светом в рекламах в наших городах.
Разгадка темных линий в солнечном спектре
Уже давно было замечено, что две желтые линии в спектре испускания натрия совпадают с темными фраунгоферовыми линиями D1 и D2 солнечного спектра. Долгое время это совпадение считали простой случайностью. Но когда физики изучили спектры поглощения натрия, они подумали: нет ли здесь разгадки темных линий в солнечном спектре? Не появляются ли темные линии D1 и D2 потому, что белые солнечные лучи где-то на пути встречают пары натрия, и те поглощают желтые лучи? Словом, физики задумались над тем, не являются ли линии D1 и D2 спектрами поглощения натрия. Если это верно, то и другие фраунгоферовы линии должны являться спектрами поглощения каких-то других элементов. Разгадка этого много сулила науке.
Физики стали напряженно изучать фраунгоферовы линии. Мы помним, что их в солнечном спектре много тысяч. Скоро физики разобрались почти во всех линиях. Они опознали в них спектры поглощения и кислорода, и железа, и кальция, и многих других элементов. Во фраунгоферовых линиях отразилась сразу почти вся спектральная справочная книга, только спектры здесь были «обращенными» — вместо цветных линий темные, на фоне сплошного солнечного спектра.
Стало ясно, что солнечный луч встречает на своем пути пары почти всех элементов. Но где? В земной атмосфере? Состав земной атмосферы был уже достаточно хорошо известен. В ней значительно меньше элементов, а паров металлов нет совсем. Земной воздух может вызвать линии только немногих элементов, например кислорода. К тому же линии земного происхождения легко распознать: четкость их меняется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом, т. е. меняется на протяжении дня. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем большую толщу воздуха должны пронизывать его лучи, тем больше усиливаются темные линии, вызванные поглощением в толще воздуха. Фраунгоферовы же линии остаются неизменными. Они явно не земного происхождения.