Спектральний аналіз. Історія та суть наукового відкриття

ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Спектральний аналіз. Історія та суть наукового відкриття

Найважливіші наукові відкриття

Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Коли промінь сонця проходить через призму, то екрані позаду неї виникає спектр. За двісті років до цього явища звикли. Якщо не вдивлятися уважно, то здається, що між окремими частинами спектру немає різких меж: червоний безперервно переходить у помаранчевий, помаранчевий у жовтий тощо.

Ретельніше за інших у 1802 році розглянув спектр англійський лікар і хімік Вільям Хайд Волластон (1766–1828). Волластон виявив у своїй кілька різких темних ліній, які без видимого порядку перетинали спектр Сонця у різних місцях. Вчений цим лініям особливого значення не надав. Він вважав, що їхня поява викликана або особливостями призми, або особливостями джерела світла, або іншими побічними причинами. Самі лінії становили для нього інтерес лише тому, що вони відокремлювали один від одного кольорові смуги спектру. Пізніше ці темні лінії назвали фраунгоферовими, увічнивши ім'я їхнього справжнього дослідника.

Йосип Фраунгофер (1787-1826) в 11 років, після смерті батьків, пішов у навчання до шліфувальних справ майстру. Через роботу на школу часу залишалося мало. До 14 років Йосип не вмів ні читати, ні писати. Але не було щастя, та нещастя допомогло. Якось будинок хазяїна звалився. Коли ж Йосипа витягали з-під уламків, мимо проїжджав наслідний принц. Він пошкодував юнака та вручив йому значну суму грошей. Грошей вистачило юнакові, щоб купити собі шліфувальний верстат та почати вчитися.

Фраунгофер у заштатному містечку Бенедиктбейрені вчився шліфувати оптичні стекла.

У своїй передмові до зібрання творів Фраунгофера Е. Ломмель так підсумовував його внесок у практичну оптику. "Завдяки введенню своїх нових та вдосконалених методів, механізмів та вимірювальних інструментів для обертання та полірування лінз... йому вдалося отримати досить великі зразки флінтгласу та кронгласу без будь-яких прожилок. Особливо велике значення мав знайдений ним метод точного визначення форми лінз, який абсолютно змінив напрямок розвитку практичної оптики і довів ахроматичний телескоп до такої досконалості, про яку раніше не можна було й мріяти.

Щоб зробити точні вимірювання дисперсії світла у призмах, Фраунгофер як джерело світла використовував свічку чи лампу. При цьому він виявив у спектрі яскраву жовту лінію, відому тепер як жовта лінія натрію. Незабаром встановили, що ця лінія знаходиться завжди в тому самому місці спектру, так що її дуже зручно використовувати для точного вимірювання показників заломлення. Після цього, каже Фраунгофер у своїй першій роботі 1815 року: "...я вирішив з'ясувати, чи можна бачити подібну лінію, що світиться в сонячному спектрі. І я за допомогою телескопа виявив не одну лінію, а надзвичайно велику кількість вертикальних ліній, різких і слабких , які, проте, виявилися темнішими за решту спектра, а деякі з них здавалися майже зовсім чорними".

Усього він нарахував їх там 574. Фраунгофер дав назви та вказав їх точне місце розташування у спектрі. Виявилося, що положення темних ліній було строго незмінним, зокрема, завжди в одному місці жовтої частини спектру з'являлася різка подвійна лінія. Її Фраунгофер назвав лінією О. Вчений також виявив, що в спектрі полум'я спиртування на тому самому місці, де і темна лінія О в спектрі Сонця, завжди є яскрава подвійна жовта лінія. Лише через багато років стало зрозуміло значення цього відкриття.

Продовжуючи дослідження темних ліній у спектрі Сонця, Фраунгофер зрозумів головне: їх причина над оптичному обмані, а самій природі сонячного світла. В результаті подальших спостережень він виявив подібні лінії у спектрі Венери та Сіріуса.

Одне відкриття Фраунгофера, як з'ясувалося пізніше, виявилося особливо важливим. Йдеться спостереження над подвійний Д-лінією. 1814 року, коли вчений опублікував свої дослідження, на це спостереження особливої уваги не звернули. Однак через 43 роки Вільям Сван (1828-1914) встановив, що подвійна жовта лінія О в спектрі полум'я спиртування виникає у присутності металу натрію. На жаль, як і багато хто до нього, Сван не усвідомив значення цього факту. Він так і не сказав вирішальних слів: "Ця лінія належить металу натрію".

У 1859 році до цієї простої і важливої думки прийшли два вчені: Густав Роберт Кірхгоф (1824–1887) та Роберт Вільгельм Бунзен (1811–1899). В університетській лабораторії Гейдельберга вони поставили такий досвід. До них через призму пропускали або лише промінь Сонця, або лише світло від спиртування. Науковці вирішили пропустити їх одночасно. В результаті вони виявили явище, про яке розповідає докладно у своїй книзі Л.І. Пономарьов: "Якщо на призму падав тільки промінь Сонця, то на шкалі спектроскопа вони бачили спектр Сонця з темною лінією О на своєму звичайному місці. Темна лінія, як і раніше, залишалася на місці і в тому випадку, коли дослідники ставили на шляху променя гарячу спиртовку. Але коли на шляху сонячного променя вони ставили екран і освітлювали призму тільки світлом спиртування, то на місці темної лінії О чітко виявлялася яскрава жовта лінія Про натрію.

Потім вони промінь Сонця замінювали світлом від розпеченого тіла – результат був завжди той самий: на місці яскраво-жовтої лінії виникала темна. Тобто завжди полум'я спиртування поглинало ті промені, які воно саме випромінювало.

Щоб зрозуміти, чому ця подія схвилювала двох професорів, простежимо за їхніми міркуваннями. Яскраво-жовта лінія Про спектрі полум'я спиртування виникає у присутності натрію. У спектрі Сонця цьому ж місці знаходиться темна лінія невідомої природи.

Спектр променя від будь-якого розпеченого тіла суцільний, і в ньому немає темних ліній. Однак якщо пропустити такий промінь через полум'я спиртування, то його спектр нічим не відрізняється від спектру Сонця - в ньому також є темна лінія і на тому ж самому місці. Але природу цієї темної лінії ми вже майже знаємо, принаймні ми можемо здогадуватися, що вона належить натрію.

Отже, залежно від умов спостереження лінія Натрію може бути або яскраво-жовтої, або темної на жовтому тлі. Але в обох випадках присутність цієї лінії (все одно якої - жовтої або темної!) означає, що в полум'ї спиртування є натрій.

А оскільки така лінія спектру полум'я спиртування в світлі, що проходить, збігається з темною лінією О в спектрі Сонця, то, значить, і на Сонці є натрій. Причому він знаходиться в газовій зовнішній хмарі, яка освітлена зсередини розпеченим ядром Сонця».

Коротка нотатка у дві сторінки, написана Кірхгофом у 1859 році, містила відразу чотири відкриття:

- кожен елемент має свій лінійний спектр, а значить строго певний набір ліній;

- подібні лінії можна використовуватиме аналізу складу речовин як Землі, а й у зірках;

- Сонце складається з гарячого ядра та порівняно холодної атмосфери розпечених газів;

– на Сонці є елемент натрій.

Перші три положення незабаром підтвердилися, зокрема, гіпотеза про будову Сонця. Експедиція Французької академії наук 1868 року на чолі з астрономом Жансеном побувала в Індії. Вона виявила, що при повному сонячному затемненні, у момент, коли його розпечене ядро закрите тінню Місяця і світить тільки корона, всі темні лінії в спектрі Сонця спалахують яскравим світлом.

Друге становище Кіргхоф і Бунзен не лише блискуче підтвердили, а й скористалися ним для відкриття двох нових елементів: рубідія та цезію.

Так народився спектральний аналіз, за допомогою якого тепер можна дізнаватися хімічний склад далеких галактик, вимірювати температуру та швидкість обертання зірок та багато іншого.

Пізніше для приведення елементів у збуджений стан стали використовувати найчастіше електричну напругу. Під впливом напруги елементи випромінюють світло, що характеризується певними довжинами хвиль, тобто має певне забарвлення. Це світло розщеплюється у спектральному апараті (спектроскопі), головною частиною якого є скляна чи кварцова призма. При цьому утворюється смуга, що складається з окремих ліній, кожна з яких характерна для певного елемента.

Наприклад, і раніше було відомо, що мінерал наклеп при його нагріванні виділяє газ, схожий на азот. Цей газ при його дослідженні за допомогою спектроскопа виявився новим ще невідомим благородним газом. При електричному збудженні він випускав лінії, які раніше були виявлені під час аналізу променів Сонця з допомогою спектроскопа. Це був своєрідний випадок, коли елемент, відкритий раніше на Сонці, виявили Рамзаєм і Землі. Йому було надано назву гелій, від грецького слова "геліос" - Сонце.

Сьогодні відомо два види спектрів: суцільний (або тепловий) та лінійний.

Як пише Пономарьов, "тепловий спектр містить усі довжини хвиль, випромінюється він при нагріванні твердих тіл і не залежить від їхньої природи.

Лінійчастий спектр складається з набору окремих різких ліній, що виникає при нагріванні газів і пари (коли малі взаємодії між атомами), і - що особливо важливо - цей набір ліній неповторний для будь-якого елемента. Більш того, лінійчасті спектри елементів не залежать від виду хімічних сполук, які складаються з цих елементів. Отже, їхню причину треба шукати у властивостях атомів.

Те, що елементи однозначно і цілком визначаються видом лінійного спектру, незабаром визнали все, але те, що цей спектр характеризує окремий атом, усвідомили не відразу, а лише 1874 року, завдяки роботам знаменитого англійського астрофізика Нормана Лок'єра (1836–1920). А коли усвідомили, відразу ж дійшли неминучого висновку: оскільки лінійний спектр виникає всередині окремого атома, то атом повинен мати структуру, тобто мати складові!

Автор: Самін Д.К.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Найважливіші наукові відкриття:

▪ Закон Ома

▪ Спеціальна теорія відносності

▪ Концепція Великого вибуху

Дивіться інші статті розділу Найважливіші наукові відкриття.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Гібрид телевізійного ПДУ та портативного динаміка 26.08.2015

Компанія Sony представила дуже незвичайний пристрій із позначенням SRS-LSR100: це гібрид портативного динаміка та телевізійного пульта дистанційного керування.

Новинка виконана у вигляді невеликої переносної акустичної системи: вона має 2-ватні стереофонічні динаміки та акумуляторну батарею. Заряду останньої, як стверджується, вистачить на 16 годину автономної роботи.

На верхній панелі SRS-LSR100 розташовані кнопки, що відповідають за функцію традиційного телевізійного ПДК. Таким чином, новинку можна використовувати замість стандартного пульта, що входить до комплекту постачання ТВ-панелі.

Головна ідея створення SRS-LSR100 полягає в тому, щоб користувачі могли відтворювати звук з телевізора через портативний динамік, що знаходиться поруч. Це може стати в нагоді, наприклад, при перегляді програм у зашумленому приміщенні або, навпаки, коли не хочеться турбувати оточуючих. До речі, на корпусі новинки передбачено гніздо для навушників. При цьому пристрій дозволить регулювати рівень гучності, перемикати канали та ін.

Обмін даними з телевізором здійснюється через спеціальну станцію, яка використовує частотний діапазон 2,4 ГГц. Розміри гаджета становлять 179 х 28 х 71 мм, вага – 440 грамів.

У Японії новинка з'явиться у продажу 12 вересня: ціна становитиме приблизно 170 USD.

Інші цікаві новини:

▪ Новий метод квантового заплутування фотонів

▪ Створено дзеркала з 1000 атомів

▪ Високошвидкісний зв'язок через розетку

▪ Цвіркуни Юрського періоду співали басом

▪ Один фотон розділений на три заплутаних окремих фотона

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Електробезпека, пожежна безпека. Добірка статей

▪ стаття Рамбам. Знамениті афоризми

▪ стаття Що робить захід сонця таким прекрасним? Детальна відповідь

▪ стаття Лісник лісового господарства Посадова інструкція

▪ стаття Реєстратор сонячної енергії Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Пристрій психоемоційної корекції. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт