Текст книги "Солнечный луч"

Автор книги: Вилен Барабой

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 18 страниц)

Глава II.
Видимый свет

О природе света

Все, что говорится в этом разделе, имеет прямое отношение не только к видимому свету, но и к его невидимым соседям по спектру электромагнитных волн – законы геометрической и физической оптики одинаковы для всего спектра.

Первые, самые простые представления о свете возникли у людей в результате наблюдения. Любой источник света – пламя костра, свечи или свет фонаря – дает тень. Чем ближе к источнику света непрозрачный предмет, тем больше размер его тени, очертания которой всегда совпадают с контуром предмета. Такого рода наблюдения позволили сформулировать закон прямолинейного распространения света в однородной сфере (в данном случае – в воздухе).

Находя блестящие кристаллы минералов, научившись полировать металлы, люди обратили внимание на отражение света, образование так называемых солнечных «зайчиков». В III в. до н. э. великий геометр Древней Греции Эвклид в своей книге «Оптика» так описал закон отражения света: независимо от характера отражающей поверхности, природы и силы света, угол, под которым луч отражается от зеркала, равен углу падения луча.

Если на пути луча оказывается предмет с плоской гладкой поверхностью, то отраженный луч, изменив направление, останется тем же пучком света. Если поверхность, с которой встретился поток лучей, сферическая вогнутая (т. е. близкая к внутренней поверхности шара), то отраженные от нее лучи соберутся в одной точке, соответствующей центру шара,– фокусе. Наоборот, если поверхность предмета близка к наружной поверхности шара, то отраженные от нее лучи будут двигаться расходящимся пучком (как если бы они исходили опять-таки из центра шара). Во всех этих случаях мы имели дело с отражением. Но если освещенный Солнцем предмет имеет неправильную, шероховатую поверхность (что и бывает чаще всего), то к каждой точке этой поверхности падающие лучи подойдут под разным углом. Соответственно и отразятся эти лучи под такими же углами. Этот вид отражения света носит название рассеяния.

Какая-то часть рассеянных лучей попадет в наш глаз, и это будет означать, что мы увидели предмет, от поверхности которого эти лучи отразились. Правда, каждый из нас неоднократно видел своими глазами даже не отраженный, а падающий мимо луч света. Солнечный луч, прошедший сквозь окно, или луч киноаппарата в темном зале виден потому, что он проходит не через идеальную среду, а сквозь воздух. Мириады пылинок, танцующих в нем, рассеивают часть света, и какая-то доля рассеянных лучей попадает в наш глаз и дает нам право утверждать, что мы видим проходящий мимо луч. Но если пучок света проходит через прозрачную камеру, воздух которой освобожден от пылинок, то мы увидим его только перед вхождением в камеру и после выхода. Внутри же он невидим.

Наблюдая прохождение солнечных лучей из воздуха в спокойную и прозрачную воду, рассматривая предметы в воздухе и под водой, люди познакомились с явлением преломления света на границе двух прозрачных сред. Опустите в стакан с водой чайную ложку. Вам покажется, что ложка сломана, искривлена и что излом совпадает с поверхностью воды. Когда же ложка вынута из воды, вы убедитесь в своей ошибке. Видимость излома на границе двух сред объясняется тем, что лучи, отраженные от подводной части предмета, выходя в воздух, изменяют свое направление, преломляются, а лучи, отраженные от надводной части, не испытывают такого преломления.

Луч Солнца, входящий в комнату через оконное стекло, изменяет свое первоначальное направление дважды. Сначала он преломляется на границе воздух – стекло, в толще стекла идет под углом к своей прежней траектории и, наконец, на границе стекло – воздух подвергается обратному преломлению. В итоге этого двойного поворота луч лишь несколько смещается (разумеется, если стекло не слишком толстое, и обе грани, поверхности его параллельны), не меняя первоначального направления. Поэтому сквозь стекло мы видим предметы там, где они находятся на самом деле.

Зато попытка оценить на глаз глубину реки или озера, расстояние до дна обычно дает ошибочные результаты. Толщина прозрачного слоя здесь несравненно больше, и соответственно больше кажущееся смещение предметов, расположенных на дне. Для глаза, смотрящего прямо вниз, ошибка составляет примерно четверть действительного расстояния: дно кажется нам ближе, чем в действительности.

В силу преломления солнечных лучей в атмосфере мы видим восход светила несколько раньше, а заход – чуть позже, чем это имеет место в действительности. Когда мы видим, что нижний край Солнца коснулся горизонта, на самом деле оно уже зашло.

Первое упоминание о свойстве преломления света на границе двух прозрачных сред содержится в трудах древнегреческого философа Аристотеля (IV век до н. э.). Птолемей (II век н. э.), изучая преломление света небесных светил на границе атмосферы, пришел к неправильному выводу о пропорциональности угла преломления углу падения. Закон преломления света математически был сформулирован в 1630 г. французским физиком и философом Р. Декартом: соотношение углов преломления и падения зависит от состава сред, образующих границу раздела, и определяется формулой sina/sinb = n, где a – угол падения луча; b – угол преломления; n – постоянная величина, характеризующая преломляющие свойства граничащих сред,– показатель преломления.

Законы распространения, отражения и преломления света, составляющие сущность так называемой геометрической оптики, были выведены на основании наблюдений и простых опытов. Но эти законы по существу ничего не говорят о физической природе света, его происхождении, источниках получения.

Зрительные образы характеризуются прежде всего яркостью и цветом. Насыщенность окраски, цвета зависит от примеси белого цвета, который как бы «разбавляет» основной цвет. Но и яркость, и цвет – понятия субъективные. Физический смысл яркости света, если отвлечься от субъективности восприятия, обусловлен интенсивностью излучения энергии светящимся телом, источником – плотностью светового потока, исходящего из единицы поверхности источника. Распространяясь во все стороны, световые лучи попадают на другие поверхности, лишенные собственного излучения, и освещают их. Освещенность поверхности – еще одна объективная физическая характеристика – зависит как от яркости источника света, так и от расстояния до него. Поскольку лучи от источника распространяются по всем направлениям прямолинейно, на поверхность падает тем больше лучей, чем ближе к источнику она располагается. Расчеты и измерения показали, что освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.

Что касается цвета, то И. Ньютон в 1665—1666 гг. впервые перевел субъективные качества цвета на объективный, точный язык меры, числа, физического закона. Пропустив через отверстие в ставне окна пучок солнечных лучей на трехгранную стеклянную призму, он получил на экране разноцветное, радужное изображение отверстия. Подобные опыты ставились и до Ньютона. Но величие гения в том и состоит, что он умеет по-новому взглянуть на старые, известные многим факты, дать им более глубокое истолкование. Ньютон пришел к выводу, что стеклянная призма разлагает белый солнечный свет на простые составные цвета. Как проверить это предположение? Может быть, выделить у радужного веера призмы один простой луч, например красный, и снова пропустить его через другую призму? Опыт был поставлен, и оказалось, что нового разложения цветов не произошло. Следовательно, выделенные призмой из белого цвета отдельные лучи действительно простые. После смешения разделенных призмой лучей можно снова получить исходный белый цвет. Свой вывод Ньютон сформулировал так: «Белизна и все серые цвета, между белым и черным, могут быть составлены из цветов, и белый солнечный цвет составлен из всех первичных цветов, смешанных в должной пропорции» [И. Ньютон. Лекции по оптике. Цит. по: С. И. Вавилов. Исаак Ньютон. М., Изд-во АН СССР, 1981, с. 84.].

Пока все цветные лучи распространяются одним общим пучком, мы их не различаем, воспринимаем как белый цвет, который кажется нам простым. Но когда они преломляются в стеклянной призме, или в капельках влаги после дождя в атмосфере, или в луже около автомобильной стоянки, покрытой радужной пленкой бензина, каждый цветной луч преломляется по-своему, сильнее или слабее. Призма как бы развертывает компоненты белого луча в виде цветного веера. Это явление в оптике носит название дисперсии.

В веере лучей, выходящих из стеклянной призмы, порядок цветов тот же, что в радуге: красный цвет сменяет оранжевый, желтый, зеленый, далее идет голубой, синий и фиолетовый цвета. Мнемоническая фраза «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» помогает запомнить этот порядок. Из лучей, входящих в состав солнечного света, зеленые, синие и фиолетовые преломляются сильнее, чем красные, оранжевые и желтые. Поэтому первый луч Солнца при восходе зеленый или синий, так же как и последний, прощальный луч заходящего Солнца. Однако зеленый луч виден только при очень чистом и спокойном однородном воздухе, когда вплоть до горизонта отсутствуют конвекционные восходящие токи в атмосфере. Поэтому лучше всего наблюдать зеленый луч, когда Солнце встает из спокойного моря.

Пространственное разделение простых цветов дало в руки ученых первый объективный признак, лежащий в основе восприятия цвета. Другой классический опыт Ньютона раскрыл еще более удивительные свойства света. Когда ученый на стеклянную пластинку помещал линзу с очень небольшой выпуклостью, а затем освещал ее белым светом, вокруг точки соприкосновения линзы с пластинкой появлялось несколько концентрических радужных колец. Еще более удивительную картину он обнаружил после того, как осветил линзу одним из простых лучей (красным, синим и др.). В этом случае вокруг точки соприкосновения линзы со стеклом образовались концентрические светлые (красные, синие) и черные кольца. Чем дальше от центра, тем теснее прилегали кольца друг к другу. Измерив радиусы черных колец, Ньютон установил, что они относятся друг к другу, как квадратные корни из целых четных чисел: 2, 4, 6, 8 и т. д.

В этом опыте удивительным и необъяснимым было наличие черных колец, несмотря на равномерное освещение линзы падающим светом, что давало основание предположить существование какой-то скрытой периодичности свойств светового потока. Необходимым условием появления обнаруженных Ньютоном колец было наличие тонкого зазора между стеклом и линзой. Ньютон рассчитал, что отношение толщин зазора для светлых (красных, синих и др.) и темных (черных) колец соответствует последовательным целым числам (1, 2, 3, 4 и т. д.). Для разных простых лучей ширина колец, так же как и ширина зазора, различна. Последняя может служить лучшей количественной оценкой простого цвета, чем показатель преломления, величина которого зависит от преломляющей среды. Величина, соответствующая ширине первого зазора между стеклом и линзой, получила позднее название длины волны данного простого луча К. Волны лучей видимого света имеют очень малую длину – миллионные доли миллиметра и меньше. Наименьшая она у фиолетовых лучей, наибольшая – у красных. Но об этом подробнее – в специальном разделе, посвященном цвету.

Современник Ньютона астроном Рёмер определил другую характеристику света – его скорость. Согласно расчетам, скорость света в вакууме составляет 300 тыс. км/сек. Самые последние измерения дали для этой важнейшей физической константы значение 299.792.456,2±1,1 м/сек. В космическом пространстве и в пустоте скорость света одинакова для лучей всех длин волн. В веществе скорость света, наоборот, зависит от длины волны. Именно поэтому происходит разложение света Солнца при прохождении через стеклянную призму. Скорость света обратно пропорциональна показателю преломления среды, т. е. в известной степени зависит и от свойств среды.

Есть еще одна важная характеристика света, на которую свойства вещества не влияют. Это так называемая частота колебаний. Чем меньше длина волны, тем больше ее частота, т. е. количество колебаний в единицу времени. Частота световых колебаний , где с – скорость света; – длина волны. Для оранжевого цвета, например, с длиной волны 6000 А имеем:  = 0,5·10 ¹⁵гц. Очевидно, именно частота в наибольшей степени характеризует то качество лучей, которое воспринимается человеком как ощущение цвета.

Воззрения на природу света развивались по мере прогресса науки. Первое общее представление о свете пытался сформулировать Декарт. Описывая общую механическую картину мира, Декарт предположил, что свет представляет собою мгновенную передачу давления от источника света через эфир – среду тонкого строения, заполняющую все мировое пространство. В отличие от Декарта, голландский ученый X. Гюйгенс представлял себе распространение света как процесс упругих колебаний мирового эфира, без быстрого перемещения его частиц. Однако волновая теория света Гюйгенса была недостаточно разработана. Ее дальнейшему развитию помешала популярность выдвинутой Ньютоном теории корпускулярной природы света.

Ньютон предполагал, что в процессе излучения света нагретое тело отдает часть своего вещества, частицы которого (корпускулы) несутся прямолинейно во все стороны с огромной скоростью, вызывая попеременные разрежения и сжатия эфира. Этим он пытался объяснить образование описанных выше колец. Ньютон не противопоставлял свою теорию волновой, но его последователи и ученики превратили корпускулярную теорию в антипод волновой. На протяжении почти 200 лет в науке господствовала корпускулярная теория света. Однако к концу XIX в. в физике накопилось немало фактов, объяснить и понять которые можно было только исходя из признания волновой природы света.

Прежде всего это относится к явлению дифракции света. Встречающиеся в природе волны способны при определенных условиях огибать препятствие, заходить в область тени. При этом, чем меньше размер препятствия, тем легче огибает его волна. Когда длина волны и размер препятствия становятся соизмеримыми, волна как бы «не замечает» преграды. Способность волн огибать препятствия и получила название дифракции волн. Отсутствие дифракции света в обыденных наблюдениях может иметь следующее объяснение: либо свет – процесс не волновой, а корпускулярный (частицы, как известно, движутся прямолинейно), либо длина волны света столь мала, что наблюдаемые предметы неизмеримо велики по сравнению с нею.

Эту проблему можно решить лишь опытным путем. Глаз человека перестает различать предметы, если величина их меньше десятых долей миллиметра. Лупа, а затем микроскоп в десятки, сотни раз повысили возможность глаза различать предметы. Однако увеличение больше, чем в 1 – 1,5 тыс. раз, уже не повышает разрешающую способность глаза. Наличие предела разрешения – это и есть искомое нами доказательство дифракции света и, следовательно, его волновых свойств.

Другое доказательство волновой природы света связано с опытом Ньютона – образованием радужных колец. Если от двух источников колебаний бегут волны, то частицы колеблющегося тела участвуют в обоих колебательных процессах. Если частота колебаний и, следовательно, длина волны одинаковы, происходит странное на первый взгляд явление: на поверхности среды, например воды, в некоторых местах частицы колеблются особенно сильно. Между этими местами волнение частиц ослаблено или совершенно отсутствует. Это явление, получившее название интерференции, происходит в результате наложения волн друг на друга. В точках встречи волн в одинаковых фазах (например, двух гребней или двух впадин) они взаимно усиливают друг друга, дают максимум эффекта. Между областями максимумов, где сталкиваются волны, находящиеся в противоположных фазах (например, гребень и впадина), из-за взаимного уничтожения волн образуются минимумы эффекта. Кольца Ньютона, радужная окраска пленок бензина или масла, мыльных пузырей – все это частные случаи интерференции световых волн.

В начале XIX в. английский физик Т. Юнг и французский физик О. Френель в своих работах доказали волновую природу света. Юнг истолковал явление цветных пленок с позиций интерференции, высказав мысль о том, что свет представляет собой поперечные колебания. Френель разъяснил сущность дифракции. Учитывая явления дифракции и интерференции, ученые сумели точно вычислить длину волн лучей разного цвета, их частоту и дать строго математическую и физическую характеристику цвета.

Волновая природа света проявляет себя еще в одном интереснейшем физическом явлении. Его в отличие от других свойств света невозможно непосредственно увидеть или измерить. Узнали о его существовании, изучая прохождение света через прозрачные кристаллы некоторых минералов. Это свойство – поляризация света.

В 1678 г. Гюйгенс писал: «Из Исландии... был привезен кристалл или прозрачный камень, весьма замечательный по своей форме и другим качествам,– но более всего по своим странным преломляющим свойствам» [Цит. по: У. Брэгг. Мир света. Мир звука. М., «Наука», 1967, с. 131.]. Гюйгенса поразило, что, за исключением особых случаев, каждый луч, входящий в кристалл, разделяется на два луча, которые внутри кристалла распространяются по разным направлениям. По выходе из кристалла лучи принимают прежнее направление, но остаются двумя самостоятельными лучами, идущими параллельно друг другу. Если через кристалл шпата взглянуть на точку или букву, видны две точки или буквы (рис. на вклейке). Гюйгенс установил, что при вращении кристалла исландского шпата одно из изображений остается на месте, а второе вращается вокруг первого; его положение зависит от формы и положения кристалла. Иначе говоря, один луч ведет себя нормально, следуя законам преломления. Второй – необычно: его преломление зависит от положения кристалла, т. е., очевидно, скорость распространения этого луча в веществе кристалла различна в разных направлениях.

Явление поляризации света нашло полное и убедительное объяснение с позиций представления о свете как поперечных колебаниях эфира. В каждом конкретном случае, в каждом элементарном акте излучения колебание распространяется в одной определенной плоскости. Но в обычном потоке излучения плоскости колебаний не совпадают, а распределяются хаотически. Так происходит потому, что в нагретом теле отдельные элементарные акты излучения совершаются независимо друг от друга. Свет таких источников не поляризован. В поляризованном же свете плоскости колебаний лучей совпадают или близки.

Наиболее близкую аналогию явлению поляризации представляет распространение колебаний по шнуру, один конец которого закреплен, а другой – в руке. Встряхивая шнур, можно имитировать поперечные колебания в любой плоскости. Если два колышка забить близко друг к другу таким образом, что шнур окажется между ними, то условия для распространения волн в разных плоскостях, проходящих через шнур, станут неодинаковыми. В плоскости, параллельной колышкам, колебания смогут распространяться по-прежнему беспрепятственно. В направлениях, значительно отличающихся от этого, волны распространяются лишь до колышков, а далее гасятся.

Нечто подобное происходит в кристаллах исландского шпата и некоторых других минералов. Оптические свойства этих кристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это явление называется оптической анизотропией. Кристаллическая решетка их атомов, подобно колышкам в нашей модели, пропускает лучи, электромагнитные колебания, распространяющиеся лишь в определенных плоскостях. В кристалле исландского шпата гасятся все световые колебания, кроме распространяющихся перпендикулярно его оси,– это так называемый обыкновенный луч. Световые колебания, плоскость которых перпендикулярна плоскости обыкновенного луча, образуют второй луч, отличающийся некоторыми особенностями. Оба луча оказываются поляризованными.

Свет поляризуется не только при прохождении через анизотропные прозрачные кристаллы, но и при отражении от поверхности прозрачных тел. Лучше всего отражается свет, колебания которого параллельны поверхности стекла.

Глаз человека не в состоянии отличить поляризованный свет от неполяризованного. Однако свойства поляризованного света нашли довольно широкое и разнообразное применение в технике. При пропускании поляризованного света через прозрачные (например, пластмассовые) модели промышленных изделий удается обнаружить распределение в них напряжений: при механическом сжатии или растяжении изменяются условия и скорость распространения волн, и поляризованный свет позволяет обнаружить участки, подвергающиеся наибольшей деформации, и оценить заранее поведение изделия, внести, если нужно, поправки в технологию.

Поляризованный свет находит также применение в архитектуре, стереокино и т. п.

Поляроидные очки, пропускающие лишь световые колебания, распространяющиеся в одной плоскости, гасят блики – отражения от разнообразных прозрачных и блестящих поверхностей, что бывает весьма важно и для водителей автотранспорта, и для работающих на производстве.

Представление о волновом характере распространения света не могло обойти вопрос о природе колеблющейся среды. Гипотеза о мировом эфире – тончайшей материальной среде, заполняющей мировое пространство, оставалась недоказанным предположением. Ведь если эфир материален, его неизбежно должна увлекать Земля во время ее стремительного движения по орбите (со скоростью 30 км/сек); на противоположных точках земного шара скорость распространения света должна быть несколько различной. Однако даже самые точные опыты не выявили таких различий. Сомнения в существовании эфира и в реальности опирающейся на него волновой теории света высказывал еще И. Ньютон: «Что такое эфир? Я не могу ни видеть, ни чувствовать, ни осязать, ни нюхать его. Остается, ли он неподвижным или «дует», подобно ветру? Обладает ли он трением? Если обладает, то что удерживает Землю и другие планеты, вращающиеся и движущиеся в нем, от замедления, наподобие вращающегося волчка?» [Цит. по: А. Меркулов. За пределами зримого. М., «Машиностроение», 1971, с.]

Через 200 лет, в 1865 г. шотландский физик и математик Дж. Максвелл, развивая идеи М. Фарадея, создал учение об электромагнитном поле, объяснив природу света электромагнитным волновым процессом. Электромагнитные волны представляют собой поперечные колебания, они могут распространяться и в пустоте. Представление о мировом эфире было отброшено. В конце XIX в. работами П. Н. Лебедева, Г. Герца, А. С. Попова и других ученых было доказано, что свет обладает всеми свойствами электромагнитных волн. Видимый свет представляет собой ничтожный по величине участок спектра электромагнитных колебаний, расположенный где-то в его середине.

Однако волновая теория света недолго праздновала свою победу. Не прошло и пяти лет со времени открытия радиосвязи (1895), как выяснилось, что свет поглощается молекулами вещества отдельными порциями. На рубеже XX в. немецкий физик М. Планк, анализируя спектры излучения и поглощения атомов и молекул, пришел к выводу, что в этих процессах свет выступает как прерывная, дискретная реальность, как поток отдельных сгустков Энергии, которые он назвал квантами. Сам Планк считал гипотезу квантов не более чем удобным допущением. Но последующее развитие физики показало ее реальный смысл.

Наиболее существенный вклад в развитие квантовой теории света был внесен А. Эйнштейном. По его предложению, кванты света получили название фотонов. Величина и энергия фотона возрастают при увеличении частоты и уменьшении длины волны света

Е = h ,

где Е – энергия кванта; h – коэффициент, так называемая постоянная Планка, имеющая значение 6,6·10 ²⁷эрг/сек; – частота световых колебаний.

Лучи света, падая на поверхность некоторых металлов, выбивают из нее электроны (фотоэлектрический эффект). Количество выбитых электронов уменьшается по мере ослабления интенсивности падающего света. Но одни лучи при любой интенсивности света дают фотоэффект, другие, более длинноволновые, не дают его даже в том случае, если мощность их потока увеличена во много раз. Объяснить эти явления волновая теория не могла. Зато представление о свете как о потоке корпускул оказалось очень удобным для объяснения: одни частицы света достаточно велики для того, чтобы вызвать фотоэлектрический эффект, другие, меньшие по размерам, не могут выбить из атома электрон. Реакция, как установил Эйнштейн, идет по такому типу: одна световая частица – один выбитый электрон; при изменении интенсивности света изменяется количество элементарных реакций. Когда же величина корпускулы недостаточна для выбивания электрона, этот «недостаток» света нельзя восполнить увеличением его интенсивности.

Чтобы примирить «новорожденную» квантовую теорию с явлениями дифракции и интерференции света, находившими дотоле чисто волновое объяснение, Эйнштейн предположил, что световые волны очень слабы («волны-призраки»). Роль их сводится к переносу и распределению фотонов в пространстве, что и отражается в явлениях дифракции и интерференции света. Эта гипотеза в дальнейшем (1923—1924 гг. и 1951 —1952 гг.) была развита французским физиком Луи де Бройлем и существует поныне как один из вариантов объяснения единства волновой и корпускулярной (квантовой) природы света. Согласно этой гипотезе, световая волна очень малой амплитуды ведет и направляет частицу, или квант, представляющую собой область волны с высокой концентрацией энергии.

Другое, статистическое объяснение единства волновых и корпускулярных свойств света, выдвинутое немецким физиком Максом Борном и развитое датчанином Нильсом Бором, немецким физиком Вернером Гейзенбергом, пользуется в наши дни большим признанием Это направление начало свое триумфальное развитие с создания Н. Бором в 1913 г. теории строения атома.

Лучи, исходящие от раскаленных твердых и жидких тел или от газов под высоким давлением, образуют непрерывный спектр в виде сплошной полосы, в котором лучи с волнами различной длины непрерывно переходят один в другой. Иной вид имеют спектры светящихся газов. Они состоят из отдельных резких линий, отделенных друг от друга широкими темными промежутками. Эти спектры, называемые линейчатыми, образуются при излучении света отдельными атомами. Очевидно, атомы каждого элемента излучают свет лишь некоторых частот, т. о. кванты определенной величины.

Если в пламя газовой горелки внести крупинку вещества, то в результате сгорания, испарения, нагрева оно даст свой характерный линейчатый спектр. В широких масштабах опыты такого рода впервые были проведены немецкими учеными Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом. Они установили, что каждый химический элемент при излучении дает свой, индивидуальный, набор спектральных линий.

Следовательно, по характеру спектра неизвестного вещества можно определить его химический элементарный состав. Для этого достаточно сфотографировать исследуемый спектр и сравнить его со спектрами известных химических элементов. Если же вещество содержит в своем спектре линии, не похожие на линии известных элементов, это означает, что с помощью метода спектрального анализа открыт новый, дотоле неизвестный науке химический элемент. Именно таким способом Кирхгоф и Бунзен открыли легкие металлы рубидий и цезий, а другие ученые – таллий, индий, галлий.

С развитием квантовой механики спектроскопия приобрела прочную теоретическую базу. Спектральный анализ стал точным и наиболее совершенным методом исследования качественного состава и строения вещества.

Нет таких областей в современной науке, где не нашел бы себе применения этот изящный, глубокий и бесконечно содержательный канал связи с микромиром, уводящий нас в самые глубины материи и в бесконечные холодные бездны Вселенной. Мощь современных спектральных приборов такова, что астрофизик с их помощью улавливает, раскладывает в миниатюрную радугу и фотографирует излучение невидимых простым глазом, невообразимо далеких от нас звезд. Пространствовав по космическим далям многие тысячи и миллионы лет, этот свет доносит до нас правдивую и точную информацию о далеких, но близких нам по своей природе звездах, о бесконечно разнообразных мирах. Частокол светлых и темных линий, запечатленных в спектре-негативе, рассказывает о химическом составе атмосферы звезды – стоит лишь сопоставить его с атласом спектров – энциклопедией спектроскопии. Сегодня мы знаем, что какими бы необъятными пространствами Вселенной ни был отделен от нас этот далекий мир, состоит он из тех же атомов, из таких же химических элементов, как и наша Земля. Материальное единство мира доказывается методом спектрального анализа просто, логично и убедительно. Степень почернения линий спектра безмолвно говорит опытному глазу о температуре звезды, а ничтожное смещение спектральных линий к красному концу (так называемое доплеровское смещение) – о скоростях разлетающихся галактик.

В геологии спектральный анализ помогает по мельчайшим, ничтожным примесям к горным породам находить кратчайший путь к месторождениям ценнейших ископаемых, облегчает всестороннее исследование геологических проб, доставленных в лабораторию.

В медицине микроскопически малые пробы крови и тканей на языке спектров рассказывают о едва уловимых, но очень многозначительных сдвигах в содержании меди или кобальта, кальция или марганца, цинка или магния, развивающихся под влиянием болезней и помогающих разобраться в картине болезни, в ее причинах. Спектральный анализ взят на вооружение и криминалистикой, и судебной медициной. Много других, больших и малых проблем науки и практической деятельности человека решается с помощью этого незаменимого и универсального метода.

Немецкий физик И. Фраунгофер, наблюдая с помощью спектроскопа сплошной спектр Солнца, обнаружил на нем большое количество темных линий. Фраунгофер доказал, что эти линии, названные впоследствии его именем, не случайны: они расположены в спектре Солнца всегда на одних и тех же, строго определенных местах. Происхождение линий Фраунгофера установил Кирхгоф. Пропуская свет лампы накаливания через сосуд с парами натрия (спираль лампы дает сплошной спектр), он заметил, что спектр перерезан двумя узкими черными линиями, расположенными на тех же местах, где обычно находятся хорошо известные желтые линии паров натрия. То, что натрий поглощает лучи из непрерывного сплошного спектра только в своей области излучения, позволило Кирхгофу сформулировать закон: линии поглощения атомов точно соответствуют линиям их испускания.

Следовательно, линии Фраунгофера представляют собой не что иное, как спектры поглощения элементов, которые в виде газов и паров содержатся в атмосфере Солнца и звезд над излучающей поверхностью. Линии же гелия впервые были обнаружены в спектрах хромосферы и короны Солнца (отсюда «солнечное» имя этого элемента: в переводе с греческого гелиос – значит Солнце). Позже гелий был найден на Земле, в частности в атмосферном воздухе.