Текст книги "О чем рассказывает свет"

Автор книги: Сергей Суворов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 9 страниц)

А когда мы будем знать величину угла φ₁, тригонометрия нам поможет найти связь между тремя величинами: длиной волны λ, расстоянием между центрами двух щелей A₁A₂ = d и углом φ₁ под которым образуется максимум первого порядка. На рисунке 14 длина волны λ представлена отрезком («разностью хода») А₁Б₁ расстояние между центрами щелей – отрезком А₁А₂, угол φ₁ образуется перпендикуляром А₁М₀ и лучом A₁M₁; но угол, образуемый отрезками А₂А₁ и А₂Б₁ также равен углу φ₁, так как эти отрезки перпендикулярны отрезкам А₁М₀ и А₁М₁. Из рисунка видно, что согласно правилам тригонометрии А₁Б₁ / А₁А₂ = sin φ₁. Если мы заменим отрезки их физическими значениями, то получим после умножения обеих частей равенства на d:

λ = d sin φ₁

Итак, мы получили длину волны интерферирующего света и можем подвести итог: чтобы измерить длину волны света, надо в опыте с интерференцией измерить три величины: 1) расстояние между максимумами нулевого и первого порядка, 2) расстояние от пластинки со щелями до экрана (из этих двух измерений мы находим угол φ₁, под которым идут лучи, дающие максимум первого порядка), 3) расстояние между центрами щелей. Все эти величины доступны непосредственному измерению.

Заметим, какой сложный процесс мы совершили. Когда мы измеряем, например, длину стола, мы его видим глазами и прикладываем вдоль его длины последовательно какую-либо единицу измерения, например, сантиметр или метр, в результате получаем некоторое число единиц измерения, укладывающихся вдоль длины стола. Это и есть процесс измерения. В луче света мы никаких волн глазами не воспринимаем, а измеряя длину волны света, никаких единиц измерения последовательно ни к чему не прикладываем.

И все же мы достигли положительного результата. Каким образом? Мы построили теорию механизма интерференции. Это обстоятельство, вместе со знанием общих пространственных законов (тригонометрия), позволило нам установить связи искомой длины волны с величинами, которые измеряются уже непосредственно.

Этот путь познания в науке применяется часто.

Как физики различают цветные лучи

Открытие волновых свойств света дало возможность точно характеризовать отдельные цветные лучи света. Два различных цветных луча, как бы ни казались они нам близкими по цвету, отличаются друг от друга длиной волны или частотой.

Из опытов по интерференции света физики научились очень точно измерять длину световых волн различных цветных лучей. Она оказалась чрезвычайно малой. В одном сантиметре укладываются сотни тысяч волн. Поэтому длина их измеряется не сантиметрами, а ангстремами, по имени шведского физика Ангстрема, изучавшего длины световых волн. Ангстрем – это одна стомиллионная доля сантиметра. Обозначается он знаком Å. Длина световой волны крайних красных лучей равна примерно 7500Å, а фиолетовых – около 4000Å. Четыре тысячи ангстрем – это одна двадцатипятитысячная доля сантиметра. Так мала длина волны фиолетового света. Ощущение того или иного цвета в глазу вызывает свет не одной определенной длины волны, а целого диапазона близких волн. Так, ощущение красного цвета вызывает довольно широкий диапазон волн в пределах от 7800Å до 6500Å; ощущение оранжевого цвета вызывают волны в диапазоне от 6500Å до 5900Å и т. д.

Глаза не отличают по цвету двух световых излучений, если их длины волн мало отличаются друг от друга, а прибор дает очень тонкие отличия в длине волн, до десятых и даже сотых долей ангстрема.

Вторая характеристика света – его частота

Длина волны – не единственная характеристика света. Другой его характеристикой является частота света. От длины волны света нетрудно перейти к его частоте. Для этого надо знать его скорость в пустоте, т. е. в пространстве, в котором отсутствует вещественная среда.

Распространяется свет очень быстро. Когда-то даже думали, что он проходит любое расстояние мгновенно. Итальянский ученый Галилей (1564—1642) сомневался в этом и пытался измерить скорость света на опыте. Однако техника опыта в то время была примитивной, при этой технике невозможно было измерить такую огромную скорость, какой оказалась впоследствии скорость света, и опыт Галилея не дал результатов.

Но уже в XVII веке был получен первый положительный результат на основе астрономических наблюдений. Датский астроном Олаф Ремер обнаружил, что систематическое затмение спутника Юпитера запаздывает во времени, если Земля по отношению к Юпитеру находится не в ближайшей точке земной орбиты, а на другом конце диаметра орбиты. Запоздание можно объяснить тем, что свету от Юпитера надо пройти дополнительное расстояние, равное диаметру земной орбиты. Зная диаметр орбиты и время запаздывания, Ремер определил (1675) скорость света в 215 тыс. км в секунду. Теперь мы сказали бы, что ошибка Ремера достигает примерно 28%; но важно было другое: после Ремера уже нельзя было говорить о мгновенном распространении света, и кроме того, Ремеру все же удалось определить порядок величины столь большой скорости, какой является скорость света.

Примерно в то же время, когда шли исследования спектров различных веществ, французский физик Леон Фуко (1819—1868) нашел способ измерить скорость света в земных условиях, в опытах с вращающимися зеркалами. Мы не будем рассказывать об этих опытах. В результате их Фуко нашел, что скорость света равна 298 тысячам километров в секунду. Эта величина отличается от той, какую мы знаем теперь, только на 0,6%! В 1927 году американский физик Майкельсон измерил скорость света и нашел, что она равна 299 796 км в сек. Округляя, говорят, что скорость света равна 300 тыс. км в секунду.

Как ни велика скорость света, но есть такие расстояния, которые свет проходит длительное время. Свет от Солнца до Земли идет около 8 1/2 минут, от ближайшей к нам звезды он идет 4 года, а есть такие удаленные от нас галактики, от которых свет идет миллионы лет.

Очень важно, что скорость света в безвоздушном пространстве не зависит от длины волны: она одинакова для световых излучений любого цвета.

Частота света и длина световой волны связаны со скоростью света так же, как и в случае незатухающих волн на воде. Чтобы узнать частоту красного излучения с длиной волны 7500Å, надо скорость света, выраженную в ангстремах в секунду, разделить на 7500Å ; таким образом находим, что она равна 400 тысячам миллиардов в секунду. Это число – 400 000 000 000 000 – для краткости записывается так: 4·10¹⁴, т. е. четыре, умноженное на число, у которого первая цифра единица, а за ней стоит 14 нулей, или 4, умноженное на десять в четырнадцатой степени. Частота в одно колебание в секунду носит название цикла, или герца (мегагерц равен миллиону герц). Таким образом, частота красного света равна 4·10¹⁴ циклам.

Частота фиолетового излучения равна 750 тысячам миллиардов, или 7,5·10¹⁴ циклам. Она, как видим, больше, чем у красного излучения, почти в два раза.

Итак, физики получили две характеристики одного и того же цветного луча: длину волны и частоту.

В этой книжке мы будем применять иногда одну характеристику, а иногда другую. Переход же от одной характеристики к другой очень прост.

От призмы к спектрографу

Опыты с призмой показали, что как бы мало ни отличался один луч света от другого по частоте световой волны, он по-своему преломляется в призме и потому занимает в спектре свое, определенное место.

Этот факт и использовал немецкий физик Густав Кирхгоф (1824—1887) в конце 50-х годов прошлого века, когда потребовалось выяснить, отличается ли по цвету пламя, окрашенное парами стронция, от пламени, окрашенного парами лития.

Установка Ньютона была усовершенствована. У Ньютона она была громоздкой, начиналась со щели в ставне, а кончалась цветной полосой на противоположной стене. Теперь вся установка была смонтирована в виде небольшого переносного прибора, состоящего из призмы и трех оптических трубок (рис. 15). Этот прибор и получил название спектроскопа.

Рис. 15. Общая схема спектроскопа (рисунок взят из книга Д. И. Менделеева «Основы химии»). Призма А находится в центре столика. Перед трубкой Б ставят горелку с окрашенным пламенем. В трубку В наблюдают. В трубке Г находится освещенная шкала, которая отражается от боковой грани призмы, как от зеркала, и также видна через трубку В

Посмотрим, как он работает. Пусть в окрашенном пламени имеется два цвета, например, красный и фиолетовый. Лучи от этого пламени попадают в щель М, прорезанную в заслонке А на одной из трубок спектроскопа (рис. 16). Пройдя щель, лучи падают расходящимся пучком на линзу (двояковыпуклое очковое стекло) Б. Эта линза поставлена так, что лучи, пройдя ее, дальше идут параллельно и попадают на призму В. До призмы все лучи, независимо от цвета, идут по одному направлению. На гранях призмы красные и фиолетовые лучи преломляются по-разному. После призмы они идут разделенными. На рис. 16 показано, как из призмы В вышли два цветных пучка и упали на линзу Г. Линза Г собирает каждый цветной пучок лучей: красный – в точке К, фиолетовый – в точке Ф.

Надо помнить, что на рисунке все показано в разрезе: щель в заслонке А нарисована в виде точки М, а на самом деле она идет под прямым углом к плоскости бумаги; точки К и Ф также на самом деле не точки, а цветные линии, – это изображения щели А, которые образуются разными по цвету лучами. Такие линии рассматриваются сквозь увеличительную линзу Д.

На изображения щелей, т. е. на линии К и Ф, накладывается еще изображение особой шкалы, помещенной в третьей трубке Г (рис. 15).

Рис. 16. Ход лучей в спектроскопе

Шкала заранее проградуирована, т. е. заранее промерено, какой частоты излучение падает на изображение любого ее деления. Такой прибор называют спектрографом. Работа с прибором упростилась: достаточно взглянуть в трубку спектрографа – и отсчет по шкале показывает, каковы частоты излучений (или длины волн), испускаемых источником света.

Вскоре физики еще более усовершенствовали спектрограф: в зрительной трубке был поставлен фотоаппарат. Спектры уже не наблюдают непосредственно глазом, их фотографируют, а фотографии тщательно изучают.

Так в XIX веке родился замечательный прибор – спектрограф.

Свет рассказывает о составе веществ

Химики заводят спектральную книгу

Теперь ученые получили в свои руки мощное орудие исследования света – спектрограф. Они стали рассматривать через этот прибор пламя горелки, окрашенное парами различных металлов—натрия, калия, лития и других.

Спектры окрашенного пламени представляли собой любопытную картину. В разных частях шкалы на черном фоне загорались цветные линии. У натрия загорелась всего только одна линия – желтая; позднее в более мощный спектроскоп физики рассмотрели, что на самом деле это две, очень близко расположенные линии 5890Å и 5896Å. У калия были три линии: две красные рядом друг с другом и фиолетовая вдалеке от них.

Такие спектры из отдельных линий были названы линейчатыми (см. приложение II; две желтые линии натрия и две красные линии калия на рисунке сливаются в одну).

С помощью нового прибора легко был решен вопрос: чем отличается малиново-красное пламя раскаленных паров лития от малиново-красного пламени паров стронция. В спектроскоп было видно, что спектр лития состоит из двух линий: красной – 6708Å^[1] и оранжевой – 6108Å, а спектр стронция состоит из многих линий, среди которых есть фиолетовая – 4077Å, несколько голубых – 4872Å и другие, несколько зеленых – 5257Å и другие, несколько желтых – 5504Å и другие и красная – 6410Å. В обоих спектрах самые яркие линии – красные; потому-то для глаз пламя кажется окрашенным одинаково и парами лития, и парами стронция.

Химики испытали не только раскаленные пары металлов, но и пары других веществ и нашли, что каждое вещество, если только его можно превратить в раскаленный газ, испускает свой особенный спектр. Вскоре был выведен общий закон: раскаленные пары каждого вещества испускают спектр излучений, свойственных только этому веществу.

Ученые решили определить спектры, испускаемые каждым химическим элементом, и занести эти спектры в особую спектральную книгу. Если кому-нибудь понадобится узнать состав какого-либо сложного вещества, достаточно рассмотреть спектр этого вещества через спектроскоп или, еще лучше, заснять его с помощью спектрографа и сравнить со спектрами в справочной спектральной книге.

Началась упорная работа. Справочная спектральная книга быстро заполнялась. Скоро ученые установили и внесли в спектральную книгу спектры всех известных химических элементов. С помощью спектрографов физики и химики исследовали спектры и установили состав минералов, золы, клеток растений, крови человека; определили, какие вещества уходят с заводов вместе с дымом и отбросами производства. Они узнали также состав многих не исследованных до того химических соединений и смесей.

Начало всей этой работе по исследованию спектров излучений различных веществ положил упомянутый выше немецкий физик Кирхгоф.

Почему каждый элемент испускает излучение не одной частоты (длины волны), а целый спектр, т. е. набор излучений многих частот (длин волн), никто пока еще не знал. Это было принято как факт, смысл которого был раскрыт много позднее. Об этом мы расскажем в других главах книжки.

Спектрограф обнаруживает неизвестные элементы

Спектрограф стал незаменимым помощником химика.

До появления спектрографа существовали элементы, которые скрывались от глаз химика, от его приборов, от его средств исследования. Чувствительность тех средств исследования, которыми владели химики, была недостаточной, чтобы обнаружить мельчайшие количества этих элементов. К тому же они часто оказывались химически очень схожими с другими, известными элементами, которых они обычно сопровождали в природе. Таких неразлучных спутников химически трудно различить. Химик мог держать незнакомые ему элементы в руках в различных смесях, процеживать и выпаривать их, но ничего не знать об их существовании. Они оставались элементами-невидимками.

Теперь спектрограф позволил обнаруживать даже очень малые количества этих элементов – десяти– и стомиллионные доли грамма, а в некоторых благоприятных случаях даже и сотые доли стамиллионных долей грамма. Собственный свет выдавал их. Элементы-невидимки перестали быть невидимыми.

Однажды, исследуя саксонский минерал лепидолит, химики обнаружили в его спектре пять новых, еще неизвестных линий: темно-красные линии – 7950Å и 7811Å, фиолетовую – 4201Å и небесно-голубые – 4593Å и 4555Å. Потом те же линии были найдены в спектрах золы некоторых растений, в спектрах некоторых минералов и минеральных вод. Пять указанных линий всегда сопутствовали друг другу, и лишь в спектре гранита, привезенного с острова Эльбы, были найдены только две небесно-голубые линии 4593Å и 4555Å. Эти линии еще не значились в справочной книге спектров. Химики поняли, что новые линии сигнализируют о каких-то, по меньшей мере двух, еще неизвестных элементах. Предстояла задача выделения их из минералов в чистом виде. Но как это сделать?

Химик не затруднится, например, отделить воду от спирта, ибо он знает, что спирт испаряется быстрее, кипит при более низкой температуре. Если кипятить смесь воды и спирта, то в первых порциях пара будет почти чистый спирт. Химик собирает эти первые порции пара, охлаждает их, затем снова кипятит полученную жидкость, опять собирает только первые пары и, наконец, получает чистый спирт. Это называется перегонкой.

В других случаях для выделения какого-нибудь вещества из смеси приходится проделывать другие, часто сложные операции. Но во всех этих операциях всегда используются какие-либо известные различия в свойствах смешанных веществ.

Теперь задача была значительно труднее: выделить из смеси элементы, присутствие которых спектрограф обнаружил, но химические свойства которых еще никто не знал. Тем не менее вскоре химикам удалось получить чистый элемент, у которого в спектре были две красные линии и одна фиолетовая. Этот элемент оказался металлом. За рубиновый цвет испускаемых им лучей он был назван рубидием. Вслед за ним был выделен и другой элемент, с небесно-голубым цветом испускаемых лучей; он был назван цезием. Это тоже металл. И рубидий и цезий по химическим свойствам похожи на металлы натрий и калий и в природе часто их сопровождают, но встречаются эти металлы всегда в крайне малых количествах. Так, в минерале карналитте оба металла вместе составляют всего 25 тысячных долей процента. Поэтому-то их и не могли открыть обычными химическими средствами.

Как ни схожи химически рубидий и цезий друг с другом, все же это различные металлы. И различаются они не только своими спектрами, но и другими физическими свойствами. Так, рубидий в полтора раза тяжелее воды, а цезий почти в два с половиной раза; рубидий плавится при 39°, а цезий – при 27°.

Открытие рубидия и цезия было торжеством нового метода исследования – спектрального анализа вещества. Это было в 1860 году.

Вскоре последовали новые открытия. В 1861 году при исследовании спектров отбросов производства с сернокислых заводов была обнаружена неизвестная дотоле зеленая линия 5851Å. Новый элемент был выделен. Он оказался мягким белым металлом. За зеленую линию в его спектре он был назван таллием (по-гречески – зеленая ветка). Этот элемент встречается в небольших количествах в осадках, скопляющихся в трубах заводов, в которых сжигается сера.

В 1863 году с помощью спектрографа был открыт новый элемент с густой синей (индиговой) линией 4511Å в спектре. Это был тоже металл. За индиговый цвет линии он был назван индием.

На протяжении немногих лет одно открытие новых элементов следовало за другим. Так бывает всегда, когда находят мощный метод исследования, основанный на принципиально новых только что открытых закономерностях природы. Тогда человек становится сильнее и зорче, и перед его взором быстро раскрываются новые обширные картины природы.

Спектрограф подтверждает предсказания Менделеева

В эти же годы великий русский ученый Д. И. Менделеев (1834—1907) изучал связь химических свойств элементов с их атомными весами. Он нашел, что если расположить все элементы в один ряд по возрастающим весам их атомов, начиная с самого легкого и кончая самым тяжелым, то химические свойства элементов в этом ряду будут периодически повторяться. Через определенные промежутки в ряду встречаются элементы, близкие по своим свойствам.

Открыв эту замечательную закономерность, Менделеев решил выразить ее в более наглядной форме. Он начертил таблицу, в клетки которой вписал все известные тогда элементы. В первую клетку он поставил самый легкий элемент – водород; второй известный тогда элемент – литий – он поставил под водородом, так как литий был похож на водород по химическим свойствам (рис. 17). Далее в одной строке с литием шли бериллий, бор, углерод, азот, кислород и фтор, различные по их свойствам. Следующий по атомному весу был натрий. По химическим свойствам он был «родственником» лития, и Менделеев поставил его в следующей строке, в столбце под литием. По атомному весу за натрием шел магний. И замечательно: магний был похож по химическим свойствам на бериллий – своего предшественника по столбцу, соседа лития. Наконец все элементы были размещены. В каждом столбце таблицы оказались химически схожие друг с другом элементы: в одном – водород, литий, натрий, калий, медь, рубидий и другие; в другом – бериллий, магний, кальций, цинк и другие; в третьем – бор, алюминий, скандий, галлий и другие. Всего столбцов оказалось восемь. Эта таблица обычно называется периодической таблицей Менделеева. Часть периодической таблицы Менделеева, как она выглядит в наше время, приведена на рис. 17.

Рис. 17. Верхняя часть периодической  таблицы Менделеева. Гелий, занимающий второе место в таблице, и все инертные газы (неон, аргон и другие) находятся справа в столбце, который здесь не показан. Цифры в клетках означают: верхняя – порядковый номер элемента, нижняя – его атомный вес

Менделеев сделал вывод о существовании естественной последовательности элементов. «Свойства простых тел (элементов. – С. С.) ... находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов» – писал он в 1869 году. Этими словами Менделеев выразил открытый им великий закон природы.

Заполняя свою таблицу, Менделеев некоторые клетки оставлял пустыми. Мы помним, что все известные элементы он располагал по возрастающему атомному весу. И вот в некоторых случаях очередной элемент оказывался не похожим по своим химическим свойствам на элементы очередного столбца. Клетку приходилось пропускать. Это было оправдано: очередной элемент по своим свойствам оказывался похожим на элементы в следующем столбце. Туда его и помещал Менделеев. Но как же быть с пустыми клетками? Глубоко убежденный в справедливости открытого закона, Менделеев заявил, что пустые клетки рано или поздно должны быть заполнены: в природе есть еще неизвестные нам элементы, которые по своим свойствам должны занять место как раз в пустых клетках.

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 – 4171Å и 4031Å, 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 4254,3Å столь же ярка, как и линия железа 4247,4Å, то хром составляет в сплаве 0,12 процента. Если та же линия хрома несколько ярче, чем линия железа 4260,5Å, то хрома в сплаве около 6 процентов (рис. 19).

Точно так же определяют количества других металлов-присадок. Полный спектральный анализ сплава из 6—7 металлов занимает 2—3 минуты.

В настоящее время разработаны и широко применяются и другие приемы экспресс-анализа. Очень быстро и точно можно определить состав сплава путем сравнения его спектра со спектрами стандартных образцов сплавов, состав которых известен заранее.

Экспресс-контроль сплавов в ходе производства – наиболее показательный пример практического применения спектроскопа. Так наука о свете помогает решать важную народнохозяйственную проблему.

Рассказы света о далеких звездах

Сплошной спектр твердых веществ

Читатель, вероятно, обратил внимание на то, что линейчатые спектры ученые получали от раскаленных паров металлов. Физики рассмотрели также спектры и от твердых раскаленных металлов. Всякий по опыту знает, что металлы при нагревании краснеют, а затем, раскалившись, испускают белый свет. Таков, например, свет от раскаленного металлического волоска электрической лампочки. Каков же вид спектров у раскаленных твердых веществ?

Если их свет пропустить сквозь призму, то на экране засветятся не отдельные цветные линии, а широкая разноцветная полоса. В этой полосе лежат лучи всевозможных длин волн, от 4000 до 8000 ангстрем.

Такой спектр, в отличие от линейчатого, испускаемого парами металлов, называют сплошным. Итак, спектр твердых раскаленных веществ – сплошной спектр.

Темные линии в солнечном спектре

Долгое время солнечный спектр тоже считали сплошным. Но уже в начале прошлого столетия (1817) физики разглядели в солнечном спектре разрывы—темные линии. Эти темные линии по имени немецкого ученого Фраунгофера (1787—1826), впервые изучавшего их, были названы фраунгоферовыми (см. приложение III). Вскоре их насчитали в солнечном спектре несколько тысяч. Наиболее четко выраженные линии были названы латинскими буквами: А, В, С, D и т. д. Эти линии всегда обнаруживались в солнечном спектре при подходящих условиях опыта. Они соответствуют излучениям с вполне определенной длиной волны. Линия А, например, на самом краю красной части спектра соответствует длине волны в 7608Å, линия В в красной части спектра – длине волны в 6870Å, линия С в оранжевой части спектра – длине волны в 6568Å, линия D₁ в желтой части спектра – длине волны 5896Å. Есть еще линия D₂ – тоже в желтой части спектра, очень близкая к предыдущей, которая почти сливается с ней; она соответствует длине волны 5890Å.