По ту сторону кванта

Иосиф Фраунгофер (1787–1826) прожил недолго, но у него была удивительная судьба. В 11 лет, после смерти родителей, он пошёл в ученье к шлифовальных дел мастеру. Работать приходилось так много, что на школу уже не оставалось времени, и потому до 14 лет он не умел ни читать, ни писать. Но однажды дом хозяина рухнул; и случилось так, что пока Фраунгофера извлекали из-под обломков, мимо проезжал наследный принц. Он пожалел юношу и вручил ему значительную сумму денег. Их оказалось достаточно, чтобы Иосиф смог купить себе шлифовальный станок и даже начать учиться.

То было время наполеоновских войн и больших перемен в Европе. А Фраунгофер между тем в заштатном городке Бенедиктбейрене учился, шлифовал оптические стёкла и тщательно исследовал тёмные линии в спектре Солнца. Он насчитал их там 574, дал главным названия и указал их точное местоположение в спектре. Положение это было строго неизменным, в частности, всегда в одном и том же месте жёлтой части спектра появлялась резкая двойная линия, которую Фраунгофер назвал линией D.

И ещё один важный факт установил Фраунгофер: в спектре пламени спиртовки на том же самом месте, где и тёмная линия D в спектре Солнца, всегда присутствует яркая двойная жёлтая линия. Значение этого факта оценили только много лет спустя.

В 1819 году Фраунгофер переехал в Мюнхен и стал там профессором, членом Академии наук и хранителем физического кабинета. Продолжая свои исследования тёмных линий в спектре Солнца, он убедился, что их причина не оптический обман, а сама природа солнечного света. Побуждаемый странной природой этих линий к дальнейшим наблюдениям, он открыл их затем в спектре Венеры и Сириуса.

Иосиф Фраунгофер умер и похоронен в Мюнхене в 1826 году. На его могиле надпись: «Approximavit sidera — Приблизил звёзды». Но лучший памятник ему — его открытия.

Среди открытий Фраунгофера для нас особенно важно сейчас его наблюдение над двойной D-линией. Тогда, в 1814 году, когда он опубликовал свои исследования, на это наблюдение особого внимания не обратили. Однако труды его не пропали: прошло 43 года, и Вильям Сван (1828–1914) установил, что двойная жёлтая линия D в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии металла натрия. (Его следы в составе поваренной соли почти всегда можно найти в различных веществах, и в спиртовке — тоже.) Как и многие до него, Сван не понял значения своего открытия и потому не сказал решающих слов: «Эта линия принадлежит металлу натрию».

К этой простой и важной мысли пришли только два года спустя (в 1859 году) два профессора: Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) и Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899). В Гейдельберге, в старой университетской лаборатории, они поставили несложный опыт. До них через призму пропускали либо только луч Солнца, либо только свет от спиртовки. Кирхгоф и Бунзен пропустили и то и другое сразу и обнаружили явление, о котором стоит рассказать подробно.

Если на призму падал только луч Солнца, то на шкале спектроскопа они видели спектр Солнца с тёмной линией D на своём обычном месте. Тёмная линия по-прежнему оставалась на месте и в том случае, когда исследователи ставили на пути луча горящую спиртовку. Но когда на пути солнечного луча они ставили экран и освещали призму только светом спиртовки, то на месте тёмной линии D чётко проявлялась яркая жёлтая линия D натрия. Кирхгоф и Бунзен убирали экран — линия D вновь становилась тёмной.

^Опыт

Потом они луч Солнца заменяли светом от раскалённого тела — результат был всегда тот же: на месте ярко-жёлтой линии возникала тёмная. То есть всегда пламя спиртовки поглощало те лучи, которые оно само испускало.

Чтобы понять, почему это событие взволновало двух профессоров, проследим за их рассуждениями.

Ярко-жёлтая линия D в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии натрия.

В спектре Солнца на этом же месте находится тёмная линия неизвестной природы.

Спектр луча от любого раскалённого тела — сплошной, и в нём нет тёмных линий. Однако если пропустите такой луч через пламя спиртовки, то его спектр ничем не отличается от спектра Солнца — в нём также присутствует тёмная линия и на том же самом месте. Но природу этой тёмной линии мы уже почти знаем во всяком случае, мы можем догадываться, что она принадлежит натрию.

Следовательно, в зависимости от условий наблюдения линия D натрия может быть либо ярко-жёлтой, либо тёмной на жёлтом фоне. Но в обоих случаях присутствие этой линии (всё равно какой — жёлтой или тёмной!) означает, что в пламени спиртовки есть натрий.

А поскольку такая линия спектра пламени спиртовки в проходящем свете совпадает с тёмной линией D в спектре Солнца, то, значит, и на Солнце есть натрий. Причём он находится в газовом внешнем облаке, которое освещено изнутри раскалённым ядром Солнца.

Короткая заметка (всего две страницы), которую написал Кирхгоф в 1859 году, содержала сразу четыре открытия:

1) у каждого элемента есть свой линейчатый спектр, то есть строго определённый набор линий;

2) эти линии можно использовать для анализа состава веществ не только на Земле, но и на звёздах;

3) Солнце состоит из горячего ядра и сравнительно холодной атмосферы раскалённых газов;

4) на Солнце есть натрий.

Первые три открытия были вскоре подтверждены, в том числе и гипотеза о строении Солнца: экспедиция, которую Французская академия наук в 1868 году во главе с астрономом Жансеном послала в Индию, обнаружила, что при полном солнечном затмении — в тот момент, когда его раскалённое ядро закрыто тенью Луны и светит только корона, — все тёмные линии в спектре Солнца вспыхивают ярким светом.

Вторую гипотезу сами Киргхоф и Бунзен уже в следующем году не только подтвердили, но и воспользовались ею для открытия двух новых элементов: рубидия и цезия.

В дальнейшем из этого скромного наблюдения над жёлтой двойной D-линией натрия родился спектральный анализ, с помощью которого мы теперь можем узнавать химический состав далёких галактик, измерять температуру и скорость вращения звёзд и многое другое.

^{Наблюдение}

Всё это действительно интересно, но сейчас нам важно понять главное: что дали открытия Кирхгофа и Бунзена для науки об атоме и какова их связь с нашими прежними знаниями о нём?

Мы знаем теперь два вида спектров: сплошной (или тепловой) и линейчатый.

Тепловой спектр содержит все длины волн, излучается он при нагревании твёрдых тел и не зависит от их природы.

Линейчатый спектр состоит из набора отдельных резких линий, возникает при нагревании газов и паров (когда малы взаимодействия между атомами), и — что особенно важно — этот набор линий неповторим для любого элемента. Более того, линейчатые спектры элементов не зависят от вида химических соединений, составленных из этих элементов. Следовательно, их причину надо искать в свойствах атомов.