Сергей Язев - Лекции о Солнце

Зато наши глаза научились великолепно различать видимые излучения по длинам волны. Например, свет, длина волны которого составляет 650 нанометров (1 нанометр – миллиардная доля метра), воспринимается нашими глазами как красный цвет. Если длина волны света около 400 нанометров, мы видим фиолетовый цвет. Поэтому, если зрение человека в порядке (человек не дальтоник), он может довольно точно, в буквальном смысле слова «на глаз» определять длину волны электромагнитного излучения в видимом диапазоне.

Здесь нужно сделать оговорку. Если мы смешаем два цвета (например, красный и желтый), то есть будем рассматривать поток излучения, где присутствуют волны сразу двух типов, – наши глаза нас обманут. Мы увидим оранжевый цвет, хотя на самом деле света с длиной волны около 600 нанометров (соответствующей нашему восприятию оранжевого цвета) в потоке нет. Аналогично, свет, в котором присутствуют все волны видимого диапазона – от красного до фиолетового – мы воспринимаем как белый…

К длинноволновому концу видимого диапазона (мы его воспринимаем как насыщенный красный цвет) примыкает излучение, которое наши глаза уже не могут зафиксировать, – инфракрасное. Но зато мы можем почувствовать это излучение не глазами, а кожей как поток тепла. Это излучение тоже почти без потерь проходит сквозь земную атмосферу.

Еще более длинные волны находятся в радиодиапазоне, и чтобы их зарегистрировать, нам понадобятся специальные устройства – радиоприемники. Солнце излучает и в радиодиапазоне! Но не все радиоволны проходят к нам сквозь атмосферу: некоторые длины волн атмосфера не пропускает, некоторые же проходят практически свободно.

В самом начале XIX века физики начали использовать наработки Ньютона для исследования солнечного света, – конечно же, пока только в видимом диапазоне длин волн. О существовании излучений с длиной волны меньше и больше, чем у видимого света, можно было только догадываться.

Новое устройство, которое получило название «спектроскоп», позволило совершить грандиозный прорыв в физике.

Свет Солнца пропускался через узкую прямолинейную щель, за которым стояла линза, формировавшая параллельный пучок света. Этот свет направлялся сквозь главный элемент прибора – стеклянную призму. Проходя сквозь призму, «белый» свет Солнца разлагался на спектр: красные лучи отклонялись под одним углом, желтые – под другим, и так далее. Спектроскоп позволял развести в разные стороны лучи с разной длиной волны! В результате изображение прямолинейной щели размывалось, и вместо яркой белой линии получался солнечный спектр (разложение по цветам, или, что то же самое, по длинам волн). Спектр выглядит как длинный радужный прямоугольник, где красный цвет плавно переходит в оранжевый, оранжевый – в желтый, желтый – в зеленый, зеленый – в голубой, голубой – в синий, синий – в фиолетовый. Эта радужная полоска получила название «непрерывный спектр Солнца».

Какую информацию о Солнце мог дать его спектр? На первый взгляд, несущественную – можно было сказать лишь одно: в солнечном свете присутствуют излучения с самой разной длиной волны. Но уже в 1802 году Уильям Гайд Волластон (1766–1828) впервые использовал в спектральном приборе прямоугольную щель вместо круглого отверстия, которое со времен Ньютона физики использовали для разложения света в спектр с помощью призмы. Волластон обнаружил, что спектр солнечного света перерезан семью темными линиями. На это удивительное открытие тогда не обратили надлежащего внимания. Волластон решил, что это просто естественные границы различных цветов спектра (радуги)…

В 1814 году выдающийся немецкий оптик и физик Йозеф Фраунгофер (1787–1826) опубликовал результаты своего детального и тщательного исследования солнечного спектра. Оказалось, что спектр Солнца буквально испещрен, изрезан, исчерчен множеством темных линий! Фраунгофер насчитал уже не семь, а около 600 таких линий (всего же их оказалось значительно больше – многие десятки тысяч). Ученый определил и записал положение каждой из этих линий. Основные, самые широкие линии он обозначил буквами латинского алфавита, под которыми они известны и сегодня. Этот частокол линий был назван именем открывателя – «линии Фраунгофера» (см. иллюстрацию на вклейке).

Когда Фраунгофер начал наводить свой прибор на звезды, он убедился, что спектры разных звезд существенно различаются! Некоторые линии (например, та, которая была им помечена буквой D ), присутствовала во всех спектрах. Другие же линии были заметно слабее (либо сильнее), некоторые не были видны совсем. Становилось понятно, что набор фраунгоферовых линий и их интенсивность различны для разных источников света (небесных тел), и значит, зависит от условий, царящих на этих источниках. Появлялась возможность по спектру источника света получить информацию об этом источнике!

Эксперименты по получению спектров искусственных источников света пролили свет на сущность линий в спектре. Пионером в этих опытах был шотландец Томас Мелвилл (1726–1753), ушедший из жизни еще в 27-летнем возрасте. Он изучал спектры пламени спирта, в который добавлял поочередно разные вещества: нашатырь, соду, селитру, морскую соль. В отличие от спектра Солнца, спектр пламени представлял собой набор из ярких линий ( линий излучения ). Почти всегда в спектрах возникала яркая желтая линия, которая присутствовала в спектрах на одном и том же месте.

Фраунгофер повторил опыты Мелвилла. Сначала исследователи были озадачены тем, что желтая линия появлялась в спектрах при горении самых разных веществ: серы, спирта, шерсти, бумаги, слоновой кости. Могло возникнуть впечатление, что эта линия отражает какой-то общий закон природы, некое общее свойство всех без исключения спектров! Но многочисленные проверки показали: желтая линия все-таки появляется тогда и только тогда, когда в горящем веществе присутствовал натрий. Именно раскаленные пары натрия порождали новый эффект.

Исследователь Уильям Сван (1818–1894) писал позднее, что эти опыты показали, насколько чувствителен новый метод ( спектральный анализ ): линия появляется, даже если натрий присутствует в ничтожных количествах! С другой стороны, эксперименты продемонстрировали, что натрий действительно чрезвычайно распространен в природе. Сегодня мы считаем это естественным: натрий входит с состав поваренной соли, а уж она-то распространена на Земле чрезвычайно широко, будучи растворенной в гигантских количествах в водах Мирового океана…

Опыты продолжались. Разложение на спектр света электрической дуги показало, что набор линий зависит от химического состава используемых электродов. Становилось все более ясно, что спектр может указывать на химический состав источника света. Так были открыты два новых металла: например, рубидий (названный так благодаря красному цвету своей наиболее яркой линии в спектре) и цезий, дававший голубую линию.