Фраунгофер. Возникновение спектрального анализа

28 апреля в 13:43
34 просмотра
Йозеф Фраунгофер
Йозеф Фраунгофер

В первой половине XIX века исследованиями солнечного спектра занимался и знаменитый немецкий оптик Йозеф Фраунгофер, который делал объективы для телескопов и зрительных труб. Объективы состояли, как правило, из двух линз разной формы и сделанных из разных сортов стекла, которые по-разному преломляли свет. Это было необходимо для того, чтобы скомпенсировать цветовые искажения – радужные ореолы изображения, возникавшие при прохождении света сквозь линзы. Эти ореолы появлялись по той же причине, что и спектр при прохождении света через призмы. Но несмотря на все старания оптиков, избавиться от ореолов до конца не удавалось. Оптическое стекло от варки к варке получалось разным, с различной способностью к преломлению, и подобрать идеально две соответствующих друг другу стеклянных линзы было чрезвычайно трудно.

Чтобы производить высококачественные телескопы, надо было понять, как определять способность разных сортов стекла преломлять лучи разного цвета. Способ нашёл Фраунгофер. Ещё в 1802 г. было обнаружено, что в непрерывном спектре Солнца есть тёмные линии, природа которых в то время была неизвестна, но им просто не придавали значения. Фраунгофер подверг солнечный спектр тщательному исследованию, различил и описал до 600 тёмных линий! Чтобы легче распознавать их, он выбрал 8 наиболее заметных и обозначил их первыми буквами латинской азбуки. С тех пор в солнечном спектре открыты тысячи линий, но в память о человеке, который впервые оценил их значение, линии солнечного спектра называют «фраунгоферовыми».

Фраунгофер изготовил несколько призм из различных сортов стекла с разными величинами преломляющего угла, пропустил через каждую из них солнечный луч и сравнил полученные спектры. Число и расположение линий оставалось одним и тем же, однако расстояния между линиями менялись в зависимости от сорта стекла. Так появилась возможность, измеряя промежутки между линиями, легко и точно определять степень преломления для любого стекла и для любой области спектра. Кроме того, работа Фраунгофера подготовила одно из величайших открытий – открытие спектрального анализа.

Густав Кирхгоф
Густав Кирхгоф

Следующий шаг в исследовании спектров сделали Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен*. Они впервые применили спектроскопический прибор – спектроскоп, который позволил наблюдать при сжигании и испарении различных химических реактивов их спектры. После многочисленных опытов Г. Кирхгоф сформулировал в 1859 году свой знаменитый закон, связывающий поглощение и испускание света. Суть его заключается в том, что любое вещество хорошо поглощает излучение именно тех длин волн, которое само интенсивно испускает в сильно разогретом состоянии. На основании этого закона Кирхгоф следующим образом объяснил появление тёмных фраунгоферовых линий в солнечном спектре. Газ, находящийся во внешних, наиболее холодных слоях солнечной атмосферы, избирательно поглощает из сплошного спектра ярко светящейся фотосферы Солнца излучение на тех длинах волн, которые соответствуют линиям испускания излучения раскалённого газа в более глубоких её слоях. Поэтому и возникают тёмные линии поглощения.

Как оказалось, каждый атом и каждая молекула испускают или поглощают характерный только для них линейчатый спектр. Поэтому появилась возможность определять химический состав объектов, излучающих свет, даже на очень больших расстояниях, например химический состав звёздных атмосфер. Многие исследователи, работавшие в то же время, что и Фраунгофер, были близки к этому открытию, но лишь Кирхгоф смог его четко сформулировать, как и применить его на практике. Он понял, что линейчатые спектры и закон, связывающий поглощение и испускание, позволяют определить химический состав солнечной атмосферы. Более того, этот закон является универсальным инструментом, дающим возможность в лабораторных условиях обнаруживать и анализировать различные химические элементы. Так, к примеру, были открыты рубидий и цезий. Работы Р. Кирхгофа, выполненные совместно с Р. Бунзеном, заложили основы современной спектроскопии, в том числе астрономической. До спектрального анализа излучения небесных объектов и начала эпохи астрофизики оставался всего один шаг. Но для того, чтобы этот шаг был успешным, нужно было получить точные эталонные спектры всех известных химических элементов. Только тогда можно было сравнивать линии этих спектров со спектрами небесных светил. Эта работа велась во многих химических лабораториях и заняла не одно десятилетие труда естествоиспытателей.

__________________________________________________________________________________

* Кирхгоф Густав Роберт (1824-1887) – один из великих физиков XIX века. Известен работами в исследованиях электричества, физической оптики и теории деформаций. Состоял членом Берлинской академии, членом-корреспондентом. Бунзен Роберт Вильгельм (1811-1899) – немецкий химик, иностранный член-корреспондент Петербургской АН, совместно с Г. Р. Кирхгофом положил начало спектральному анализу (1854-59), открыл цезий (1860), рубидий (1861).

В. П. РОМАНЕНКО
кандидат технических наук, заслуженный работник культуры РФ, член Союза писателей России
Поделиться
в соцсетях
Густав Кирхгоф исследования Йозеф Фраунгофер световой спектр спектральный анализ спектроскоп ученые-физики экскурсии по обсерватории