Ирина Радунская - Превращения гиперболоида инженера Гарина

Только физик Кирхгоф и химик Бунзен поняли, что это не простое совпадение. Они увидели, что скрывается за яркими спектральными линиями.

Кирхгоф и Бунзен после длительных опытов и раздумий пришли к твердому выводу: каждый химический элемент характеризуется вполне определенным набором спектральных линий. Эти линии являются своеобразным паспортом химического элемента. Наблюдая их в спектроскоп, можно судить о наличии в веществе данного элемента.

Так родился спектральный анализ.

Теперь изучение спектров светящихся газов составляет лишь часть обширной области, известной под названием «спектральный анализ». Уже Кирхгоф расширил ее, использовав для анализа темные фраунгоферовы линии. Кирхгоф понял, что непрерывный спектр, излучаемый раскаленной поверхностью Солнца, частично поглощается более холодными газами солнечной атмосферы. Он сумел воспроизвести этот процесс в лаборатории. Этот поразительный по остроумию опыт заманчив своей простотой и доступностью. Его может повторить каждый при помощи обычной стеклянной призмы. Кирхгоф направил спектроскоп на пламя газовой горелки и ввел в это пламя крупинку поваренной соли. В спектроскопе сразу появились яркие желтые линии, характерные для атомов натрия. Достаточно убрать из пламени поваренную соль, и эти линии исчезают.

Затем Кирхгоф направил спектроскоп на ослепительный кратер вольтовой дуги. В спектроскопе возник яркий непрерывный спектр, чрезвычайно похожий на спектр Солнца, но без характерных фраунгоферовых линий. После этого Кирхгоф поместил между вольтовой дугой и спектроскопом газовую горелку — так, чтобы свет дуги перед тем, как попасть в спектроскоп, проходил через пламя. Вид спектра не изменился.

Теперь наступил решающий этап опыта. Кирхгоф вновь ввел в пламя горелки крупинку поваренной соли. Пламя окрасилось в ярко-желтый цвет. Что же при этом показал спектроскоп?

Не спешите сказать, что там появились яркие линии натрия. Ничего подобного. В тех местах, где они должны были появиться, яркий спектр вольтовой дуги пересекали темные линии. Это были впервые полученные в лаборатории спектральные линии поглощения — искусственные фраунгоферовы линии. Пары натрия, испаренного пламенем горелки, более холодным, чем кратер вольтовой дуги, поглощали часть света вольтовой дуги. Стоило погасить дугу, и эти темные линии превратились в яркие линии натрия. Как только Кирхгоф вновь зажег дугу, яркие натриевые линии снова стали темными провалами на фоне яркого спектра дуги.

Что же здесь происходит?

Голубое пламя газовой горелки имеет температуру около двух тысяч градусов, но входящие в него атомы водорода, углерода, азота и кислорода при этой температуре светятся очень слабо. Поэтому пламя горелки плохо видно и невооруженным глазом и в спектроскоп.

Поваренная соль в пламени частично распадается на атомы хлора и натрия. Атомы натрия при этой температуре светятся довольно ярко, испуская характерный желтый свет.

Однако если пары натрия, нагретые до двух тысяч градусов, оказываются на пути света, исходящего из кратера вольтовой дуги, температура которого превосходит четыре тысячи градусов, они поглощают больше желтого света, чем испускают, и желтые линии натрия, казавшиеся яркими на темном фоне, выглядят темными на ярком фоне спектра вольтовой дуги.

Так Кирхгоф не только бесспорно объяснил происхождение фраунгоферовых линий, но и показал, что при их помощи можно определить состав солнечной атмосферы. Он сам обнаружил на Солнце многие химические элементы, спектры которых уже были изучены им на Земле. А впоследствии изучение фраунгоферовых линий привело к открытию неизвестного химического элемента — гелия. Гелий был таким образом сначала обнаружен на Солнце и лишь впоследствии найден на Земле. С тех пор спектры поглощения изучают главным образом астрономы, наблюдая фраунгоферовы линии в спектрах Солнца, звезд и туманностей. Но они популярны и в лабораториях. Особенно при исследовании жидкостей. Ведь жидкости нельзя нагреть так сильно, чтобы они начали испускать свет. При этом они испарятся и перестанут быть жидкостями.

Прежде чем вернуться в лабораторию Басова и Прохорова, несколько слов о том, как ученые наблюдают спектры.

Со времен Ньютона спектры исследовались, как говорят, визуально, то есть попросту рассматривались глазами. Но хотя глаз обладает превосходной чувствительностью, этот способ очень неточен. Многое зависит от искусства и опыта наблюдателя. Кроме того, на исследование уходит много времени.

С развитием фотографии ученые предпочли фотографировать спектры. Это сразу дает точный научный документ, который затем можно многократно подвергать различной обработке.

Но, конечно, самым удобным оказался фотоэлемент, преобразующий освещенность различных участков спектра в электрический ток.

Если мы теперь заглянем в лабораторию Басова и Прохорова и подойдем к их радиоспектроскопу, мы увидим много похожего и много не похожего на то, с чем работают оптики. Здесь нет никаких призм, фотоэлементов, ничего от оптики. И это понятно. Усвоив всю культуру оптической спектроскопии, радиоспектроскописты должны были перевести ее на язык радио. Хотя радиоспектры и оптические спектры отличаются только диапазоном волн, или, что то же самое, частот, методы их наблюдения требовали совсем иных технических воплощений. Во-первых, в радиодиапазоне нет источников, которые, как Солнце или электрическая лампочка, интенсивно излучают энергию в широком непрерывном диапазоне волн. Каждый генератор радиоволн порождает электромагнитные колебания, очень близкие к тем, которые оптики называют монохроматическими, то есть одноцветными.

Во-вторых, сам радиоспектроскоп — это не стеклянная призма, а металлическая труба — волновод. Концы волновода герметически закрыты тонкими слюдяными пластинками, пропускающими радиоволны. К концу волновода присоединен генератор радиоволн, к другому — детектор-приемник. Сигнал от детектора после усиления подается на экран осциллографа. Физики заставили электронный луч рисовать радиоспектр на экране осциллографа и наблюдают его так же, как мы смотрим передачи по телевизору.

Работая с радиоволнами, Басов и Прохоров измеряли их частоту гораздо точнее, чем это делали ученые, исследующие оптические спектры. Поэтому они могли более точно определять интересующие их характеристики молекул и даже ядер атомов, входящих в эти молекулы.

Звучит это сухо и буднично — не правда ли? Да, точно определяли, да, изучали атомы и даже их ядра. Но ведь это чудо! Чудо из чудес!

Однажды я сидела в лаборатории рядом с одним из физиков и смотрела на экран осциллографа. В волноводе радиоспектроскопа был аммиак. Аммиак облучался радиоволнами каких-то там частот, какие-то из них он «пожирал», и это тотчас регистрировал электронный зайчик. Он рисовал на экране осциллографа петельку. Физик смотрел на нее, ухмылялся, иногда вздыхал, раз сокрушенно покачал головой и все время что-то писал, вычерчивал.