Спектрограф и спектры

Лучи света - посланцы своего хозяина, источника света. Разложенные в спектр, они осведомляют нас о физическом состоянии светила, пославшего эти лучи. Оно может находиться сколь угодно далеко от нас, лишь бы от него мы получали достаточно света, чтобы его краен, спектр можно было сфотографировать. Такая фотография спектра, называемая спектрограммой, получается с помощью спектрографа.

Устройство спектрографа изображено на рис. 15. Главной его частью является трехгранная призма из прозрачного вещества, обычно из стекла, преломляющая лучи света различной длины волны (различного цвета) в различной степени - тем сильнее, чем длина волны короче. Так, зеленые лучи преломляются и отклоняются к основанию призмы сильнее, чем красные, а фиолетовые лучи сильнее, чем зеленые. Свет распространяется волнами, и в зависимости от того, какова его длина волны, мы получим впечатление того или иного цвета. Длину волны выражают в десятимиллионных долях миллиметра, называемых ангстремами. Длина волны зеленого цвета составляет около 5000 ангстрем (или около пяти десятитысячных миллиметра). Всякое хотя бы ничтожно малое изменение длины волны соответствует изменению цвета (хотя бы ничтожно малому и незаметному для глаза). Некоторые источники света посылают свет только одной определенной длины волны, другие посылают свет, состоящий из лучей нескольких определенных длин волн, из которых одни лучи могут быть яркими, другие слабыми, третьи могут быть интенсивными, но невидимыми глазу. Например, инфракрасные или тепловые лучи, имеющие очень большую длину волны, невидимы глазом. Невидимы глазом также ультрафиолетовые лучи, обладающие длиной волны короче примерно 4000 ангстрем, и рентгеновские лучи - несравненно более коротковолновые, но так же как и ультрафиолетовые, действующие на фотографическую пластинку.

Рис. 15. Схема устройства спектрографа

Рентгеновские и «далекие» ультрафиолетовые лучи небесных светил до нас не доходят - их поглощает и задерживает в нашей атмосфере слой озона (газа, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода).

За инфракрасными лучами лежат в спектре еще более длинноволновые лучи, с помощью которых осуществляется радиосвязь. Все лучи спектра от радиоволн и до рентгеновских лучей представляют собой электромагнитные волны.

В обычном спектральном анализе изучаются лучи спектра от инфракрасных до ультрафиолетовых. Из этой области только средняя часть видна глазом. Сильнее всего действуют на глаз желтые и зеленые лучи, поэтому яркость того или другого участка спектра, как она видна глазом, еще не характеризует энергию излучения света в данной длине волны, - яркость для глаза зависит и от энергии, заключенной в данном месте спектра, и от чувствительности глаза к ней. То же касается и фотопластинки.

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.