Окрашенное пламя

Особенно заинтересовал исследователей свет пламени, окрашенного солью. Известно, например, что если в пламя внести щепотку поваренной соли (NaCI), то в спектре появляется интенсивная ярко-желтая линия. Другие соли дают другие линии.

Спектрами окрашенного пламени занялись тогда многие английские ученые, среди них и Джон Гершель (1792-1871)-сын выдающегося астронома и создателя астрономических инструментов Вильяма Гершеля. Джон Гершель исследовал различные спектры, в том числе спектры стронция и калия. Вскоре точные наблюдения спектров показали, что их вид неодинаков для разных веществ. Тогда некоторые ученые начали высказывать предположение, что это даст возможность определять состав светящихся веществ по их спектрам.

Однако никому пока не удавалось установить зависимость характера спектра от химического состава веществ, находящихся в пламени, хотя идея такой связи обретала все более реальную почву. При этом особое значение приобрел замеченный многими учеными, но не поддающийся объяснению факт: точно на том месте, где в спектре Солнца находилась темная линия, обозначенная Фраунгофером буквой D, в натриевом пламени можно было обнаружить светло-желтую линию. О происхождении этой желтой линии, правда, ничего не было известно. Некоторые ученые-в том числе шведский физик и астроном Лидере Йонас Ангстрем (1814-1874)-оспаривали принадлежность желтой линии именно к спектру натрия и идентифицировали ее как линию, широко наблюдаемую у всех металлов, которая не имела постоянного положения в спектре.

Итак, ни единого мнения, ни однозначных доказательств. Однако тех ученых, которые были убеждены в тождественности обеих линий, это обстоятельство чрезвычайно удивляло. Например, английские физики Джордж Габриэл Стоке (1819-1907) и Уильям Томсон (Кельвин, 1824-1907) в 1850 г. предположили, что D-линия в солнечном спектре и желтая линия в спектре натрия обусловлены аналогичными процессами. В чем суть этой аналогии, они, конечно, сказать не могли. Таким образом, к середине XIX в. накопилось много отдельных фактов о спектральных линиях, но связать их пока не представлялось возможным.

Густав Кирхгоф

Примерно в это время два немецких ученых, физик Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887) и химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899), также занялись изучением явлений, возникающих при разложении света стеклянными призмами.

Летом 1860 г. великий герцог Баденский гостил в Гейдельбергском замке. Во время ночного празднества в честь приезда герцога замок был щедро иллюминирован бенгальскими огнями. Рассказывают, что Кирхгоф и Бунзен в тот вечер наблюдали эту игру разноцветных огней с крыши своей лаборатории, расположенной неподалеку от замка. Бунзен принес из лаборатории комплект призм и принялся с их помощью исследовать пламя. Подобные наблюдения были повседневным занятием обоих ученых. Бунзен тотчас узнал характерные линии бария и красные линии стронция в спектре праздничного фейерверка. Обращаясь к Кирхгофу, он заметил: "Если мы на таком расстоянии способны определить, какие вещества горят в этом пламени, то почему бы нам не попытаться узнать, из каких веществ состоят небесные тела?"

Вильгельм Бунзен

Тогда же в Берлине юный студент - чье имя позднее окажется связанным с большими научными открытиями-высказал своему профессору мысль, что на основе изучения спектра света, создаваемого призмами, можно было бы установить физические и химические свойства далеких звезд. Однако ответ одного из мэтров Берлинского университета прозвучал в духе прусского капрала: "Что собой представляют звезды, мы не знаем и никогда не узнаем!" Профессора физики звали Генрих Вильгельм Дове (1803-1879), а юным студентом был Карл Фридрих Цёльнер (1834-1882), позднее ставший профессором астрофизики Лейпцигского университета и одним из крупнейших специалистов в той области исследований, которую Дове столь безапелляционно исключил.

Подобные высказывания знаменитых специалистов были не редкость в те времена. Так, Бессель твердо придерживался мнения, что выяснение физического состава тел во Вселенной не имеет никакого отношения к астрономии, а французский позитивист Огюст Конт (1798-1857) даже в принципе отвергал возможность когда-либо и что-либо узнать о составе Солнца.

Дальнейшее развитие астрономии убедительно продемонстрировало значение мировоззренческой позиции ученого в постановке тех или иных исследовательских проблем. Ведь пессимисты в познании в принципе считали невозможным решение определенных проблем, тогда как ученые, стоявшие на позициях естественнонаучного, материалистического подхода к изучению природы, всегда верили в безграничность познания и без устали работали над созданием новых методов. И когда Дове укорял своего ученика за "фантазии", был уже сделан практический шаг в этом направлении: Бунзен и Кирхгоф объединили свои усилия для исследования звезд и экспериментировали с учетом всех известных тогда науке фактов.

Спектроскоп, с помощью которого Кирхгоф исследовал солнечный спектр; именно тогда были заложены основы новой науки-астрофизики. Сегодня этот инструмент хранится в Потсдамской астрофизической обсерватории Академии наук ГДР

В 1859 г. в трудах Берлинской Академии наук Кирхгоф опубликовал статью - крошечную по объему, но значительную по сути. Ее название звучало более чем скромно: "О фраунгоферовых линиях". В этой статье Кирхгоф сообщал о совместных с Бунзеном исследованиях, в процессе которых им удалось определить химический состав сложной смеси по ее спектру. При этом обнаружились новые данные о происхождении фраунгоферовых линий.

В ходе эксперимента Кирхгоф одновременно направил в щель спектрографа яркий свет пламени натрия и солнечный свет. Учитывая совпадение желтой линии натрия с соответствующей темной линией в солнечном спектре, он предположил, что темная фраунгоферова линия в спектре Солнца окажется несколько ярче под влиянием желтой натриевой линии. Однако обнаружилось нечто совершенно противоположное: темная линия стала темнее, чем была. Кирхгоф прокомментировал столь неожиданный результат словами: "Либо это вздор, либо великое дело". Действительно, это было великое открытие.

Кирхгоф изменил условия опыта: он стал уменьшать яркость солнечного света, и тогда при определенном значении интенсивности темные D-линии вдруг превращались в светлые. Когда же он увеличивал яркость солнечного света, светлые линии становились темными. Эти эксперименты показали, что совпадение светлых и темных линий не было случайностью. Все это наводило на мысль, что обе линии должны иметь нечто общее. Сутки напряженных размышлений привели Кирхгофа к следующему выводу: пары натрия обладали способностью поглощать свет точно той длины волны, которую они излучали в раскаленном состоянии. При ослаблении солнечного света начинало преобладать испускание света натрием и обнаруживалась желтая линия. При интенсивном же солнечном свете свет натриевого пламени оказывался недостаточным и отчетливо наблюдалась темная D-линия.

Свои результаты Кирхгоф коротко сформулировал так: "Я заключаю из этих наблюдений, что пламя, в спектре которого имеются четкие светлые линии, настолько ослабляется излучением того же цвета, что на месте светлых линий выступают темные, как если бы позади пламени был помещен источник света достаточной интенсивности, в спектре которого эти линии обычно отсутствуют".

Что же давало подобное объяснение? Теоретически не слишком много, поскольку оставалось неясным, каким образом происходят подобные поглощение (абсорбция) и испускание (эмиссия). Но на практике открытие Кирхгофа означало огромный шаг вперед по пути, который многие ученые-позитивисты считали тогда тупиком.

Сам Кирхгоф сделал решительные выводы еще в работе 1859 г.: судя по наличию фраунгоферовой темной D-линии в солнечном спектре, в солнечной атмосфере присутствует натрий.

Бунзен и Кирхгоф проверили этот вывод на опыте, получив в лабораторных условиях "искусственные" фраунгоферовы линии.

Столь кратко сформулированные результаты Кирхгофа и Бунзена послужили первым толчком к обширным научным исследованиям химического состава космических тел.

Кирхгоф и Бунзен предприняли многочисленные эксперименты с целью обеспечить полную надежность своего вывода. Так, Кирхгоф сравнил 70 эмиссионных линий в спектре паров железа с положением соответствующих фраунгоферовых линий в солнечном спектре и установил, что многие из них совпадают. Теперь уже не вызывало сомнения, что совпадение светлых и темных линий натрия неслучайно. Примерно в конце 1859 г. Кирхгоф изложил принцип зависимости между излучением и поглощением: для каждой определенной длины волны при одной и той же температуре отношение излучательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Подобную формулировку можно рассматривать как предысторию квантовой физики XX в.

Зеркальный секстант Иоганна Марроу (Лондон, 1793 г.)

Несколько позже появилась классическая совместная работа Кирхгофа и Бунзена под названием "Химический анализ с помощью спектральных наблюдений", которая ознаменовала в истории науки зарождение метода спектрального анализа. В ней было четко сформулировано следующее положение: каждый элемент излучает только ему присущий спектр, поэтому на основании спектра можно судить о присутствии того или иного элемента.