Очерки о Вселенной
Шрифт:
Атом похож на рояль, могущий издавать только определенные звуки, только определенные ноты, тоже, кстати сказать, соответствующие определенным длинам звуковых волн. У каждого типа атомов свой набор «нот» - испускаемых им спектральных линий. Исследователь спектров не может, как настройщик, менять звучание «нот» атомов, но он может лучше, чем настройщик, замечать различие в двух почти сходных нотах и определять по ним тип своего атома - рояля. Спектры ионизованных атомов иные, чем спектры нейтральных атомов. Если же от ядра оторваны все его электроны, то атом вообще теряет способность излучать, так как у него не осталось больше электронов, которые перескакивали бы с
Рис. 18. Наиболее характерные линии поглощения в спектре Солнца. По традиции их обозначают большими и малыми латинскими буквами. Линии с и F принадлежат водороду, линия D - натрию, Е - железу, группа линий b - магнию, G - железу, титану и кальцию, Н и К - кальцию. Линии А, а и В образуются не на Солнце; они носят название теллурических и возникают в земной атмосфере. Линии А и В принадлежат земному кислороду, линия а - парам воды
Так по длинам волн линий в спектрах производится качественный спектральный анализ. Он применяется с одинаковым успехом как для небесных светил, так и в многочисленных областях земной практики: в физике, химии, геологии, биологии, медицине и металлургии.
Разреженный газ испускает свойственные ему яркие линии спектра, издает свой набор световых нот, своего рода мелодию, вследствие возбуждения его атомов столкновениями с другими частичками вещества или с фотонами. Как в мелодию могут входить аккорды, так и в линейчатый спектр атома входят так называемые мультиплеты, или серии линий, появляющихся обычно вместе. Например, такими аккордами являются пара желтых линий в спектре натрия и вся серия линий в спектре водорода. Они появляются всегда вместе, когда, по разным причинам, другие группы линий в спектре того же атома могут и отсутствовать. Однако тот же газ ведет себя иначе, если поместить за ним более горячий источник непрерывного спектра.
Будучи холоднее, он поглощает падающую на него извне энергию из области непрерывного спектра. Его атомы способны поглощать только определенные длины волн спектра, а не все. Поэтому из состава непрерывного спектра ослабляются поглощением только волны тех длин, которые атом при иных условиях сам бы стал испускать. Газ вызывает в непрерывном спектре при поглощении темные линии, в точности соответствующие по длине волны линиям, которые для него характерны при излучении. Спектр поглощения и спектр излучения атома - это как бы негатив и позитив одного и того же изображения в фотографии.
Конечно, поглотив энергию и возбудясь до состояния с большей энергией, атом, как мы уже знаем, почти мгновенно должен вернуть обратно свое приобретение. Однако квант света излучается атомом куда попало. Многочисленные атомы, получив энергию из одного определенного направления (оттуда, где находится источник непрерывного спектра), разбрасывают ее по разным направлениям. В результате, в направлении к наблюдателю, смотрящему на источник непрерывного спектра сквозь разреженный газ, дойдет не вся энергия, заключенная в этом непрерывном спектре, а лишь ее часть. В соответствующей длине волны энергия придет ослабленной, т. е. мы увидим темную линию в спектре. Описанная картина называется рассеянием света атомами.
Можно себе это представить так, что кванты, излучаемые в непрерывном спектре, представляют собой град всевозможных монет, кидаемых вам в игре стоящей вдалеке толпой. Но представьте, что между вами
Чем больше поглощающих атомов на пути луча непрерывного спектра, тем больше энергии поглощается и тем темнее, или, как говорят, интенсивнее, темная линия спектра.
Действительно, чем больше мальчишек «не по правилам» ввяжется в игру с монетами, тем больший убыток в пятачках и двугривенных вы потерпите. Зная поглощательную способность атомов (зная ловкость мальчишек в поимке монет), вы можете подсчитать число поглощающих атомов (число мальчишек) на пути луча света (в летящем потоке монет). Так становится возможным уже количественный химический анализ на основании интенсивности линий в спектре поглощения.
В астрономии источниками непрерывного спектра являются раскаленные поверхности звезд и Солнца, состоящие из огромных масс ионизованного газа. Их окружают тоже раскаленные, но все же более холодные газовые атмосферы. Рассеяние света в этих атмосферах производит темные линии в спектрах звезд и Солнца. По этим линиям можно произвести качественный, а по их интенсивнсстям и количественный химический анализ атмосфер звезд и нашего Солнца.
Если вспомнить, что атмосферы звезд состоят из многих химических элементов, из многих сортов атомов, из которых каждый сорт дает свою серию линий, как бы исполняет свою мелодию, состоящую из разных аккордов, то станет ясно, насколько хорошим музыкальным критиком должен быть исследователь спектров, чтобы разобраться в какофонии спектральных линий, в основательной мешанине нот, принадлежащих разным ариям и аккордам. Бывает, что при отождествлении линий спектров звезд какая-нибудь нота и фальшивит. Тогда приходится биться, чтобы установить, какой мелодии и какому роялю (атому) она на самом деле принадлежит...
Остается рассказать, как спектры разоблачают движение небесных светил. Вспомним принцип Доплера, знакомый нам из школьной физики: если источник колебаний движется относительно нас, то длина волны этих колебаний, как они воспринимаются нами, меняется. При сближении длина волны укорачивается, а при удалении увеличивается. В случае звуковых колебаний постоянно встречающийся пример этого дает свисток мчащегося локомотива. Пока он несется к нам, звук его свистка выше и резко понижается, когда локомотив, обдав нас паром, начнет быстро удаляться.
Рис. 19. Смещение линий в спектре (поглощения) звезды 8 Андромеды (средний спектр), свидетельствующее о приближении звезды к нам со скоростью 100 км/сек. Сверху и снизу - так называемые спектры сравнения, полученные от лабораторного источника света
В случае световых Колебаний меняются длины волн в спектре. Однако даже при скоростях в сотни километров в секунду изменений цвета в спектре заметить нельзя, - так мало изменение длин волн. Лишь в «научном» анекдоте водитель автомашины может уверять, что красный свет светофора показался ему зеленым оттого, что он несся очень быстро навстречу светофору. Для этого ему пришлось бы нестись со скоростью более 60 000 км в секунду! Можно заметить лишь сдвиг линий в спектре - изменение их длины волны . Согласно принципу Доплера скорость движения источника относительно нас