Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Развитие ахроматических линз имело особенно большое значение для микроскопии. Здесь невыгодно было заменять зеркалами линзы и отражением преломление. По этой причине приходилось бороться со смертельной для подробностей хроматической аберрацией еще долгое время после того, как пользователи телескопами от нее избавились.

Усилиями английского оптика Джозефа Джексона Листера (1786–1869) и итальянского астронома Джованни Баттисты Амичи (1786–1863) в начале XIX века в конце концов были разработаны микроскопы с ахроматическими линзами. И только после этого появилась возможность ясно видеть маленькие микроорганизмы, что дало начало процветанию бактериологии.

Фактически мы не должны думать о солнечном свете как о составленном из нескольких разных цветов, как о смеси из семи пигментов. Солнечный свет — это смесь большого количества составляющих, разделенных очень незначительной разницей в преломляемости. К примеру, красная часть спектра не является однородно красной, а постепенно переходящей в оранжевую.

В радуге и в простом спектре вроде того, что получился у Ньютона, свет кажется непрерывным, как будто в солнечном свете присутствует все возможное бесконечное множество преломляемости.

В пучке света, проходящем в маленькое отверстие в шторе и затем пропущенном сквозь призму, формируется большое количество круглых изображений, каждое из которых дано в виде света определенной преломляемости. Они накладываются друг на друга и сливаются в спектр. Если свет определенной преломляемости отсутствует, соседствующие по всем направлениям изображения перекроют пятно, где должна бы быть недостающая преломляемость, и пустоты не будет видно.

Ситуация может быть исправлена, если пучок лучей света пропустят в узкую щель. Тогда спектр будет состоять из миллиарда изображений щели, каждое из которых лишь слегка будет перекрывать соседнее. В 1802 году английский химик Уильям Хайд Уолластон (1766–1828) увидел в спектре несколько темных линий, представляющих недостающие изображения щели. Но он решил, что они представляют собой линии границ между цветами, и не пошел дальше.

Однако между 1814-м и 1824 годами немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер (1787 — 1826), работая с призмами очень высокого качества, заметил в спектре сотни таких темных линий. Он присвоил наиболее видным из них буквы от А до G и тщательно разметил относительные позиции всех пустот, которые только смог обнаружить. В его честь эти спектральные линии иногда называют линиями Фраунгофера.

Фраунгофер заметил, что набор линий в солнечном свете и свете отраженных лучей Солнца (от Луны или, скажем, от Венеры) всегда один и тот же. Однако свет звезд дает совсем другие наборы. Тусклый свет небесных тел, отличных от Солнца, он изучал, помещая призму к окуляру телескопа, — это был первый случай применения спектроскопа.

Работа Фраунгофера при его жизни была сильно недооценена, но спустя поколение немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф стал использовать спектроскоп как химический инструмент и основал науку спектроскопию.

Химикам было известно, что пары различных элементов в раскаленном виде производят свет различных цветов. Пары натрия дают сильный желтый цвет; пары калия — тусклый фиолетовый свет; ртути — болезненно зеленоватый цвет и т. д. Кирхгоф пропустил такой свет через спектроскоп и обнаружил, что различные элементы производили свет, в очень малой степени изменяющий преломление. В щели появлялось очень мало изображений, они широко распространялись, и это назвали спектром испускания. Точное положение каждой линии измерили по тщательно размеченному фону, и тогда стало видно, что каждый элемент дает линии одного и того же цвета на одном и том же месте, даже в химической комбинации с другими элементами. Более того, не нашлось двух элементов, которые давали бы линии на одном и том же месте.

Следовательно, линии спектра испускания можно использовать как «отпечатки пальцев» элементов. Так, в 1859 году Кирхгоф и его старший сотрудник, немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899), раскалив определенный минерал и изучая спектр испускания полученных паров, обнаружили линии, не похожие на производимые ни одним из известных элементов. Кирхгоф и Бунзен, следовательно, предположили наличие нового элемента, который назвали цезием (от латинского слова, означающего «голубое небо») из-за небесно-голубого цвета самых ярких из новых обнаруженных ими линий. На следующий год они сделали подобное открытие и объявили о находке рубидия (от латинского «темно-красный»). Существование обоих металлов было быстро подтверждено более древними химическими методами.

Кирхгоф наблюдал и явление, обратное спектру испускания. Раскаленные твердые тела испускают свет всех цветов, создавая непрерывный спектр. Если свет угольной дуги, например, представляя такой непрерывный спектр, пропускают через натриевый пар, температура которого ниже температуры дуги, то натриевый пар поглотит некоторое количество света. Однако он поглотит свет только определенных видов, а именно тех видов, которые испускал бы сам натриевый пар, будучи раскаленным. Так, натриевый пар, будучи раскаленным и испускающим свет, производит две близкие друг к другу желтые линии, которые создают практически весь его спектр. Когда холодный натриевый пар поглощает свет такого непрерывного спектра, обнаруживается, что спектр пересекают две темные линии как раз на месте двух ярких линий спектра испускания натрия. Темные линии представляют спектр поглощения натрия.

Темные линии в солнечном спектре, кажется, являются спектром поглощения. Пылающее тело Солнца достаточно сложно по химической структуре, чтобы создавать непрерывный спектр. Проходя через несколько более холодную его атмосферу, свет частично поглощается. Те части, которые поглощаются сильнее и которые на спектре будут выглядеть как темные линии, соответствуют спектру испускания элементов, которых больше всего в солнечной атмосфере. Так, в солнечном спектре есть явные линии поглощения натрия (Фраунгофер обозначил их как «линию D»), и это — убедительное свидетельство присутствия натрия в солнечной атмосфере.

Таким образом в Солнце были найдены различные элементы. Один из них, гелий, был даже обнаружен за поколение до того, как его присутствие было обнаружено на Земле. Теперь можно определить даже состав далеких звезд. Поскольку детали спектроскопических исследований небес лучше описаны в учебнике астрономии, достаточно будет в завершение просто подчеркнуть: они ясно показали, что небесные тела состоят из тех же элементов, что и Земля, хотя и не обязательно в тех же пропорциях.