О чем рассказывает свет

Суворов Сергей Викторович

Это было смелое утверждение ученого, уверенного в своей научной теории, в великой познавательной силе человеческого разума. Менделеев предсказал не только существование новых элементов. Он заранее описал их атомные веса и химические свойства — свойства элементов, которых еще никто никогда не видел! Фридрих Энгельс назвал это предсказание Менделеева великим научным подвигом.

Уже по одной возможности предсказывать еще не открытые элементы и их свойства видно, что периодический закон Менделеева — величайший закон природы. В нем были обобщены в единой системе химические свойства дотоле разрозненных элементов. Впервые благодаря открытию этого закона химики ощутили необходимость изучить причины периодичности химических свойств элементов, «заглянуть»

в глубь атомов и там найти объяснение стройной периодической системе. Менделеев писал об атоме: «В частичке вещества химик видит, как бы ощущает отдельные части, независимые органы и общую связь частей; словом, для него это есть целый организм, живущий, движущийся и вступающий во взаимодействие». А до Менделеева атом считался простым неделимым комочком материи, а «не целым организмом». С открытием периодического закона начинается новый этап развития химии.

Свои предсказания новых элементов Менделеев сделал в 1871 году. И уже в 1875 году в спектре минерала цинковой обманки с Пиренейских гор были обнаружены две новые фиолетовые линии — 4171A и 4031A, и вскоре было выделено несколько сотых долей грамма мягкого синевато-белого металла. Химические свойства этого металла и его атомный вес в точности совпали со свойствами и атомным весом предсказанного Менделеевым металла, который он в свое время назвал экаалюминием. Новый металл, открытый французским ученым Буабодраном и названный им в честь Франции галлием (Галлия — старинное наименование Франции), заполнил заранее приготовленную для него Менделеевым табличную клетку. Позднее были найдены и другие элементы.

Так спектроскоп помог подтвердить справедливость и глубочайшее значение закона, открытого нашим гениальным соотечественником.

Спектральный анализ веществ в современной промышленности

Открытия, о которых здесь рассказывается, происходили почти сто лет назад. Но плоды их в больших масштабах пожинаются только в последние десятилетия. В то время о спектральных свойствах вещества знали только ученые. В наше время спектральный анализ веществ широко применяется в промышленности.

Современная промышленность немыслима без точного и быстрого контроля за качеством обрабатываемых материалов и выпускаемой продукции. А в этом деле спектральный анализ вещества незаменим.

Так, промышленность в наше время предъявляет исключительно высокие требования к качеству металлов. Современные машины и инструменты работают в самых разнообразных режимах температур, давлений, скоростей, электрических и магнитных полей. Возьмем, к примеру, режущий инструмент. При огромных скоростях резания металлов возникают высокие температуры, при которых обычная сталь может потерять свою закалку. Нужна специальная инструментальная сталь. Она не должна снижать своих режущих свойств даже при температуре в 600 градусов. В других случаях нужна сталь, устойчивая к действию кислорода, неокисляющаяся. В двигателях внутреннего сгорания выпускные клапаны работают при очень высокой температуре. Сталь, из которой вырабатываются клапаны, должна быть жароупорной. В динамомашинах и трансформаторах необходима сталь, которая может быстро и почти полностью терять намагниченность. Орудийная сталь должна быть особенно прочной на разрыв. Автомобильная и особенно авиационная промышленность предъявляет к металлам свои требования. Применяемые ими металлы, кроме свойств, необходимых в любом машиностроении, должны обладать еще одним свойством — легкостью. Особо высокие требования к качеству материала выдвигает современная ракетная техника, и особенно в отношении свойств жароупорности. Существуют тысячи различных марок металлов, используемых в современной промышленности.

Но в природе нет металлов, удовлетворяющих всем требованиям, которые предъявляет к ним человек. Сталь подходит для авиамотора по прочности, но тяжела. Алюминий легок, но не прочен. Так бывает во многих случаях: подходят одни свойства металла, но не годятся другие.

Человек сам

создает металлы, отвечающие его многообразным требованиям. Он упрочняет легкий алюминий, добавляя к нему небольшие дели «присадок» — кремния, марганца, магния, меди. Соединяя железо с углеродом, хромом и кремнием, он выплавляет жароупорную сталь для электропечей, для выпускных клапанов моторов. Добавляя к обычной стали вольфрам, хром и ванадий, он превращает ее в быстрорежущую, инструментальную.

Тысячи различных сортов сплавов применяются в современной промышленности. Из природных, не всегда подходящих материалов человек создает новые материалы с теми свойствами, которые ему нужны.

Экспресс-контроль металлических сплавов

Свойства сплавов зависят от того, в каком соотношении взяты исходные материалы. Достаточно незначительного изменения доли одного из составляющих металлов, как свойства сплавов резко меняются.

Поэтому в промышленности сильно возросли требования к контролю за составом металлических сплавов. Этот контроль нужен во всех стадиях производства: при плавке металла, при пуске металлических заготовок в обработку, при приемке собранных машин.

Современная промышленность отличается высокими темпами работы, большими требованиями к точности и качеству изделий, массовостью производства. К контролю она предъявляет особые требования: он должен быть дешевым, чувствительным и, что особенно важно, быстрым.

Рис. 18. Образование электрической дуги между испытуемым образцом и стандартным электродом

Если бы контрольная лаборатория установила, что плавка непригодна только через неделю после ее окончания, такой контроль принес бы мало пользы. Анализ плавки нужно дать через несколько минут после получения пробы, чтобы в случае необходимости можно было исправить состав сплава в самом ходе плавки. Анализ состава заготовок ценен, когда он производится на ходу, до их обработки, чтобы избежать непроизводительного труда и брака в готовых изделиях. Контроль должен итти параллельно с производством, не задерживая его. Это должен быть экспресс-контроль.

Таким незаменимым экспресс-контролем за качеством металлов и стал спектральный анализ сплавов.

Производится он так. Между образцом взятого для анализа сплава и стандартным электродом создается электрическая дуга (рис. 18). Стандартный электрод делается из того металла, который составляет основу сплава. Так, при контроле сталей он берется из железа, при контроле латуни — из меди. Это делается для того, чтобы спектр стандартного электрода не вносил в спектр испытуемого образца никаких новых линий и не искажал его.

В электрической дуге образуются раскаленные пары сплава и стандартного электрода. Пары излучают спектр. Этот спектр испускания рассматривается в спектроскоп, специально приспособленный для исследования нужных участков спектра. Его называют стилоскопом, что значит — прибор для исследования сталей.

Если исследуется сталь, в стилоскопе видны линии излучений железа и других составных частей сплава.

Процентное содержание этих частей определяется по яркости линий. Чем выше в сплаве доля атомов данного элемента, тем ярче будут спектральные линии этого элемента.

Рис. 19. Определение процентного содержания хрома в стали по яркости линии хрома

Приемы определения яркости линий присадочных металлов различны. Наиболее ходовой прием — сравнение этих линий по яркости со специально избранными линиями железа в той же картине, видимой в стилоскопе. Если линия хрома 4254,3A столь же ярка, как и линия железа 4247,4A, то хром составляет в сплаве 0,12 процента. Если та же линия хрома несколько ярче, чем линия железа 4260,5A, то хрома в сплаве около 6 процентов (рис. 19).