Линии фраунгофера и законы спектроскопии
Как только люди научились изготавливать качественные линзы, ученые получили возможность собирать и наблюдать свет, а также с высокой точностью его направлять. Там, где Ньютон видел радугу со всеми цветами, новые оптические инструменты показали странные черные полосы. Что же это значило?
Еще на слуху было изучение затмений спутника Юпитера Ио и измерение Олафом Рёмером скорости света, а Исаак Ньютон только начал давать ответы на вопрос о природе восприятия цвета. Когда мы узнали, что на распространение света тоже нужно время, то молчаливо приняли для себя, что весь свет распространяется с одной скоростью вне зависимости от длины волны (и цвета). Но свет, идущий со звезд, а также от любого раскаленного тела, способен рассказать нам о многом, и именно так в те годы физикам удалось заглянуть внутрь атома.
Свет и тьма
В 1814 году изготовитель линз из Баварии Йозеф Фраунгофер сумел найти такую форму линз, которые не страдали от хроматической аберрации — цветного размытия по краям, часто искажающих формы объектов. Он сконструировал спектрометр (см. вставку ниже), способный показывать в высоком разрешении составные цвета источника света. Фраунгофер изучал свет Солнца и неожиданно для себя открыл на обычной радуге цветов странные темные полоски.
Четыре десятилетия остававшаяся необъяснимой аномалия была названа «линиями Фраунгофера» (а сами линии «фраунгоферовыми») в честь этого немецкого физика. Объяснение пришло только в 1859 году, когда пара химиков из Гейдельберга решила использовать спектрометр для исследования цвета пламени. Этими учеными были Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф, а свет пламени разделился на ряд дискретных цветных полосок, представлявших собой полную противоположность картине, которую увидел когда-то Фраунгофер.
Однако и то, и другое были спектры, только Фраунгофер наблюдал линейчатый оптический спектр поглощения, а Бунзен и Кирхгоф — эмиссионный спектр, или спектр испускания. Для каждого элемента характерен свой спектр.
Линии спектра поглощения, которые увидел на спектрограмме солнечного света Фраунгофер, соответствуют определенным элементам солнечной короны. Будучи на фоне Солнца «холодными», они уже поглощают — но все на тех же «сигнальных» частотах, что и излучали бы при сгорании.
Законы спектроскопии
Кирхгоф лаконично оформил свое открытие в виде трех законов.
Во-первых, горячие твердые тела дают сплошной спектр цветов (белый цвет).
Во-вторых, горячие газы дают характерный линейчатый спектр испускания.
В-третьих, холодный газ поглощает характерные цвета из спектра света, проходящего через него, давая те самые линии, которые увидел Фраунгофер на фоне сплошного спектра.
Оказалось, что каждый элемент способен брать и отдавать энергию лишь определенных уровней, что соответствует определенным длинам волн и конкретному набору цветов. Но почему атомы могут давать и поглощать излучение лишь определенных длин волн? Чтобы ответить на этот вопрос, потребовалась уже квантовая физика.
Спектрометр
Спектрометр Йозефа Фраунгофера представлял собой призму, соединенную с телескопом. Стеклянная призма разделяет белый свет на непрерывный спектр цветов, который затем увеличивается линзами телескопа. Второй телескоп используется для фокусировки луча от источника света на призму.