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.
Замечательным было следующее. Темная линия D (спектроскописты называют темные фраунгоферовы линии в спектрах линиями поглощения) в спектрах Солнца была точно на том же месте, что и желтая линия натрия в ярких линиях излучения искусственных источников света! При тщательном рассмотрении линия поглощения D оказалась двойной – точно такой же, как и яркая желтая линия излучения натрия в спектре пламени. Становилось понятным, что желтая линия в пламени и темная линия D (тоже оказавшаяся на желтом участке спектра Солнца) указывают на присутствие одного и того же вполне определенного химического элемента (натрия) как в пламени горелки, так и на Солнце! Возникла идея, что каждая линия Фраунгофера указывает в спектре Солнца на присутствие там того или иного химического элемента…
Так оно и есть. Сегодня мы знаем, что атомы различных химических элементов имеют свойство как поглощать, так и излучать свет на вполне определенной длине волны, одной и той же как для излучения, так и для поглощения. Во времена Фраунгофера о строении атомов (и даже их существовании) ничего определенного не было известно, но уже было ясно, что речь идет о разных типах вещества (разных химических элементах).
Процесс, который приводит к образованию линий поглощения, можно качественно описать примерно следующим образом. Если раскаленное Солнце излучает свет на всех длинах волн, то присутствующие на Солнце атомы, поглощая часть этого излучения, как бы «выедают» из спектра часть света, причем каждый тип атомов делает это точно на своей, вполне определенной длине волны. На сегодняшний день теория атомных спектров позволяет рассчитывать, на каких именно длинах волн должен поглощать свет (образовывать линии Фраунгофера) каждый элемент.
Оказалось, что каждый тип атомов может поглощать свет не на одной, а сразу на многих длинах волн (образовывать много линий поглощения). Если атом однократно ионизован (в окружающей его ядро электронной оболочке отсутствует один электрон), появляется новая линия. Если нет двух электронов – другая… В результате атомы, например, железа, лишенные одного, двух, трех, восьми электронов, дадут целый набор соответствующих линий на разных (но вполне определенных) длинах волн.
Всего атомы железа, в разной степени ионизованные, порождают 3288 линий! Титан дает 1085 линий в видимой части спектра, хром – 1028, кобальт – 785, и т. д. Разобраться в этом частоколе линий, конечно, чрезвычайно сложно. Тем не менее, у нас появляется принципиальная возможность, построив полный набор возможных вариантов, отождествить все линии Фраунгофера в солнечном спектре и указать, каким химическим элементам они соответствуют. Каждую линию в спектре Солнца можно сравнить с фрагментом «отпечатка пальцев» того или иного типа атомов, находящихся на Солнце…
От зарождения идеи до ее реализации пройден долгий и сложный путь. Изучить и отождествить многие тысячи линий в спектре Солнца оказалось крайне трудно. Спектральный анализ – дело чрезвычайно сложное и тонкое, зависящее от многих факторов.
Например, довольно скоро выяснилось, что некоторые линии меняют свою интенсивность в зависимости от того, высоко или низко находится Солнце над горизонтом. Оказалось, что эти линии возникают не на Солнце, а в атмосфере Земли, когда солнечный свет проходит сквозь земной воздух. Линии, добавляющиеся к спектру Солнца из-за влияния земной атмосферы, спектроскописты называют теллурическими. Их надо научиться выделять, чтобы понять, какой они вносят вклад, чтобы не спутать вклады Солнца и нашей атмосферы в формирование солнечного спектра.
Спектральный анализ как детально разработанная новая научная методика возник в 1859–1862 годах. Именно тогда были получены решающие достоверные доказательства, что линии Фраунгофера порождаются именно Солнцем. Доказать это было непросто, но это было сделано. Огромный вклад в разработку нового могучего метода внесли немецкие исследователи – физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1877) и химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899).
