Очерки о Вселенной

Воронцов-Вельяминов Борис Александрович

Рис. 16. Отклонение призмой лучей с разной длиной волны и полный спектр электромагнитных волн

Если вдоль спектра двигать узкую полоску покрытого сажей металла, то она будет поглощать всю падающую на нее энергию и превращать ее в тепло. В зависимости от степени нагревания меняется электропроводность металла, и потому, измеряя ток, пропускаемый через это мешающееся электрическое сопротивление, можно выяснить истинное распределение энергии вдоль всего спектра. Прибор такого рода называется болометром.

Цвет источника света зависит от того, лучи каких длин волн и с какой интенсивностью он испускает. Например, раскаленные пары натрия почти всю свою энергию испускают в длине волны, соответствующей желтому цвету. Поэтому цвет паров натрия желтый. Пары ртути большую часть своей энергии испускают в длинах волн, соответствующих зеленому и густофиолетовому цвету. Поэтому цвет паров ртути представляет собой весьма своеобразную смесь зеленого и фиолетового.

Некоторые источники света, например, нить электрической лампы, излучают свет всевозможных длин волн (всех без исключения, без перерыва),

поэтому спектр их лучей называется непрерывным. Цвет таких источников света зависит от распределения энергии по разным длинам волн, т. е. от ее распределения вдоль спектра. Если, например, больше всего энергии испускается в красных лучах, то цвет источника света красный. Если больше всего энергии испускается в ультрафиолетовых лучах, невидимых глазу, то цвет источника определяется самым ярким местом в видимой части непрерывного спектра или сочетанием цветов самых ярких мест. Известно, например, что белый цвет создается как смесью всех цветов, взятых в определенной пропорции, так и определенной смесью двух цветов, например, желтого и синего, красного и голубого (это смешение света разных цветов надо отличать от смешения красок в живописи).

Но вернемся к рис. 15. Чтобы разложить свет на его составные части, на призму надо направить под определенным углом (в зависимости от свойств данной призмы) пучок параллельных друг другу лучей. Это достигается коллиматором, который представляет собой трубку с объективом, обращенным к призме, и с короткой щелью на другом ее конце. Щель параллельна ребру призмы и находится в том месте, где лучи, упавшие на объектив со стороны призмы параллельным пучком, собрались бы в одну точку. Эта точка - главный фокус объектива. По известному в оптике «свойству обратимости» лучи, посланные такой освещенной щелью, выйдут из объектива и попадут на призму почти параллельным пучком.

На щели спектрографа объектив телескопа дает почти точечное изображение звезды или протяженное изображение другого небесного светила, например, планеты. В самом же спектрографе призма отклоняет к своему основанию лучи тем сильнее, чем короче их длина волны. Эти лучи падают на объектив фотографической камеры под разными углами. Объектив камеры дает на фотопластинке изображение освещенной щели в том или другом ее месте, в зависимости от угла падения на него лучей. Последний зависит, как мы видели, от длины волны. Поэтому на фотопластинке получается спектр источника света в виде полоски, состоящей из ряда параллельных друг другу линий - изображений щели, из которых каждое образовано лучами определенной длины волны (из тех, какие испускает источник). Эта полоска, состоящая из ряда линий, и есть спектр. По месту, занимаемому линией в спектре, мы можем определить длину волны лучей, которые ее образовали. Для краткости говорят об определении длины волны самих линий в спектре. Если спектр содержит все длины волн - сплошь без перерыва, то сливающиеся друг с другом бесчисленные изображения щели образуют непрерывный спектр в виде цветной полоски. Он содержит все цвета радуги (вернее было бы сказать наоборот, т. е., что радуга содержит все цвета спектра). Источники света, испускающие только отдельные длины волн, дают, следовательно, спектр в виде ряда отдельных линий. Это - линейчатый спектр. Когда линии спектра светлые, то это спектр излучения. Но бывает, что перед источником непрерывного спектра находится вещество, поглощающее свет в отдельных, определенных длинах волн. Тогда изъятие энергии определенных длин волн из непрерывного спектра вызовет появление в нем мест, лишенных света, т. е. тёмных линий. Это будет спектр поглощения, тоже линейчатый.

Спектральная грамота

Узнаем же, как читают паспорта светил, как читают их спектры, изучим спектральную грамоту.

Существуют, как мы видели, три вида спектров - три вида паспортов источников света: непрерывный спектр, линейчатый спектр излучения (короче, спектр излучения) и линейчатый спектр поглощения (непременно на фоне непрерывного спектра и называемый коротко спектром поглощения). Уже общий вид спектра говорит нам о природе свечения источника. Из опыта известно, что непрерывный спектр дают или твердые и жидкие раскаленные вещества или массы газа, в которых очень много свободных электронов - мельчайших частиц электричества. Такой спектр может дать и небольшой слой чрезвычайно горячего и плотного газа и чрезвычайно толстый слой более разреженного газа.

Таким образом, непрерывные спектры дают, с одной стороны, нить электрической лампы и расплавленная сталь, с другой стороны, - газы, составляющие поверхностный слой Солнца и звезд. В лаборатории удавалось маленькие проволочки (пережигая их сильным электрическим током) превратить в газ, содержащий множество электронов, и он давал в момент испарения непрерывный спектр.

Атом - мельчайший представитель какого-нибудь химического элемента, т. е. вещества, не могущего быть химически разложенным на составные части, тем не менее очень сложен. Он является сложной системой частиц. Атомы разных химических элементов содержат разное число частиц и построены по-разному. Разрушать их или перестраивать методами химии нельзя. Раньше перестраивать их удавалось лишь природе, но теперь удается перестраивать атомы методами физики в лаборатории. Можно представить себе атом состоящим из ядра и вращающихся вокруг него электронов. У ядра определенный вес и определенный положительный электрический заряд, равный сумме отрицательных электрических зарядов электронов атома, а заряд каждого электрона одинаков. Заряд ядра определяет химические свойства атома. Столкнувшись с другим атомом, электроном или с мельчайшей частицей света - квантом, иначе - фотоном, наш атом может потерять один из своих электронов. Он приобретает тогда единичный положительный заряд, не уравновешиваемый противоположным зарядом электрона, который покинул своего хозяина. Он становится тогда ионом, или ионизованным атомом. Если оторвать у атома и второй электрон, то он становится дважды ионизованным атомом с двойным положительным зарядом.

От подобных повреждений и убытка при столкновениях атомы не чувствуют себя хуже, однако непрерывно лелеют надежду восстановить свое нарушенное «хозяйство» и пополнить его захватом свободного электрона. Электроны же, освобожденные от своей «крепостной зависимости», называются свободными, но им постоянно угрожает новый плен, так как их отрицательный заряд притягивается положительным зарядом ионов. Горе медленно летающим свободным электронам! Их легко захватить в плен. Быстрые же электроны между тем безопасно шныряют среди ионов, и ясно, что чем реже атомное население в единице объема (чем разреженнее газ), тем легче им ускользать от плена, сохраняя свободу, и поддерживать этим высокую ионизацию газа. А чем больше частиц толчется на одном месте, тем чаще они могут и столкнуться и снова соединиться.

Рис. 17. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела при разных температурах и в спектре Солнца. Наклонная прерывистая линия указывает смещение максимума интенсивности с повышением температуры в сторону коротких волн

Из физики известно, что чем выше температура газа, тем быстрее носятся его частицы, тем энергичнее и чаще их столкновения и тем большая доля его атомов ионизуется. Быстрота движения частиц определяет, как часто происходят различные столкновения; основываясь на этом, теория может наперед сказать, каково будет распределение энергии вдоль непрерывного спектра при данной температуре. Лучше всего теоретически изучено излучение абсолютно черного тела, которое так называется потому, что оно способно поглощать всю падающую на него энергию. Абсолютно черное тело обладает не только наибольшей поглощающей, но и наибольшей излучательной способностью при данной температуре. Излучение нити электрической лампочки или внутренности раскаленной печи очень походит на излучение черного тела. Можно создать искусственное тело, еще более похожее на абсолютно черное тело, можно его нагреть и убедиться, как это делают физики, в том, что распределение энергии в его спектре в зависимости от температуры соответствует теории. Оказалось, что звезды и Солнце обладают почти такими же свойствами поглощения и излучения, как черное тело, и потому по распределению энергии в их спектре можно определить их температуру, о чем мы расскажем дальше. Итак, н? смущайтесь тем, что Солнце принимают за черное тело, да к тому же абсолютно черное! Черный уголь сохраняет свои свойства абсолютно черного тела и тогда, когда он раскален и ослепительно светит.

Но вернемся опять к атомам, которые можно представлять себе для наглядности как копию Солнечной системы в миниатюре. Однако электроны в атоме могут занимать лишь определенные орбиты и, в отличие от планет в Солнечной системе, могут скачками переходить с одной из них на другую. Энергия атома определяется тем, по каким орбитам движутся его электроны, причем внутренние, ближайшие к ядру орбиты соответствуют наименьшему запасу энергии.

Чтобы перевести электрон в атоме на орбиту большего радиуса, надо затратить энергию, а эту энергию ему может сообщить налетевший на него квант света или другая движущаяся частица. Чем больше энергии она ему сообщит столкновением, тем дальше от ядра окажется электрон, и при некоторой достаточно большой энергии оторвется от него совсем, т. е. улетит прочь, и атом будет ионизован.

Однако долго разгуливать по более далекой от ядра орбите попавшему на нее электрону не приходится. Неумолимый закон природы таков, что через какую-нибудь стомиллионную долю секунды электрон снова соскочит на орбиту, более близкую к ядру, и отдаст при этом в форме излучения часть своей энергии. Эта энергия равна разности энергий электрона, соответствующих внешней и внутренней орбите. Для разных атомов и для комбинации разных орбит при перескоке электрона в одном атоме эта энергия различна. Упомянутую разность энергии атом отдает в пространство в виде одной элементарной порции или кванта света, а определенной энергии кванта соответствует определенная длина волны, определенный цвет. Так, атом водорода может излучить квант красного света, квант синего света и т. д. Атом кадмия тоже может излучить квант красного света, но с несколько иной длиной волны, потому что разности энергии между разными орбитами, доступными для его электронов, несколько иные, чем в атоме водорода. Строение электронных оболочек ионизованных атомов, т. е. расположение в них орбит электронов, иное, чем у неионизованных (нейтральных атомов), поэтому и кванты, испускаемые ими, иные, чем у нейтральных атомов. Все же можно для наглядности представить так, как если бы при каждом перескоке электрона на орбиту, более близкую к ядру, издавался бы короткий звук совершенно определенного тона. Совокупность множества атомов в водородном газе (не очень плотном) излучает кванты всех величин, какие для него доступны, т. е. излучаемый водородом спектр состоит из целого ряда характерных для него отдельных длин волн, из определенных спектральных линий. То же касается атомов других химических элементов и комбинаций атомов - молекул. Отсюда получается возможность по спектру определить химический состав газа, излучающего свет, что из опытов было известно уже давно, но лишь не так давно было полностью объяснено в связи с развитием теории строения самих атомов.