Наши группы:

Как люди узнали состав Солнца

«Я сейчас настойчиво занимаюсь химией. В частности, я надеюсь сделать минимум химический анализ Солнца, а позже, видимо, и неподвижных звезд».

Эти слова не являются цитатой из научно-фантастического романа. Их написал немецкий ученый Густав Кирхгоф в начале 1859 года, когда о путешествиях Вселенной никто и не думал. Между этими строками и первыми космическими шагами человечества лежит целый век. Кирхгоф не был мечтателем. Менее чем за год он совершил свое обещание простым и изящным путем — наблюдая в спектроскоп за линиями излучения элементов. Так одной тайной о звездах стало меньше.

Откуда в спектре берутся линии?

Как известно из курса физики, устойчивость любой системы тел зависит от ее совокупной энергии. Брошенный камень падает на землю, уменьшая потенциальную энергию системы «камень — земля». Часовая пружина пытается раскрутиться, тратя энергию излучения на движение колес и стрелок. Уголь при горении выделяет с теплом накопленную тысячелетиями химическую энергию и превращается в негорючую золу. Чем ниже энергия, тем более стабильной (физики говорят, более энергетически выгодной) есть система.

Атомы вещества является такой же системой, которая состоит из ядра и электронов, и обычно находятся в состоянии с наименьшей энергией — стабильном.

А что случится, если, скажем, атома водорода предоставить дополнительную порцию энергии, например, нагреть?

При достижении определенной величины теплоты электрон перейдет на более удаленную от ядра орбиту. Это новое состояние атома называется возбужденным, необходимая для приведения его в такое состояние энергия — энергией возбуждения, а орбиты электрона — энергетическими уровнями. То и дело добавляя теплоту, можно перевести электрон на более отдаленные от ядра орбиты и даже оторвать его прочь от атома. В этом случае атом превратится в положительно заряженный ион, а минимальная для этого энергия будет называться энергией ионизации. Возбужденный атом, как и все системы, пытается вернуться в стабильное состояние.

Итак, электрону приходится избавляться от энергии с помощью излучения. Понятно, что количество этой энергии будет зависеть от того, как далеко от ядра заскочил электрон, испуганный нашим вмешательством в его мирную жизнь на орбите, но не только от этого. Как испуганный кот спускается сверху вниз, только успокоится, так же и электрон может вернуться на свой родненький стационарный уровень одним прыжком, а может и переходить, задерживаясь на каждой строчке. Вследствие каждого такого перехода будет выпускать излучения определенной длины волны, то есть цвета. Какого именно?

Длина волны излучения обратно пропорциональна энергии: большей энергии соответствует меньшая длина волны.

В видимом диапазоне спектра наибольшую энергию имеет фиолетовый, а наименьшую — красное излучение. Если электрон возвращаться на второй энергетический уровень с третьего, то цвет излучения будет красным, с четвертого — голубым, с шестого — фиолетовым. Каждая из этих волн отобразится в спектроскопе отдельной линией. Излучения электрона при возвращении на второй уровень с более отдаленных или возвращения из любого уровня на первый лежит в ультрафиолетовой части спектра, а переходы на третий и выше — в инфракрасной.

Читайте также:  Облака с физической точки зрения

Если же в возбужденных атомах больше стационарных орбит и электронов, чем в водороде и атоме имеющегося в атмосфере Солнца железа 4 энергетических уровня и 26 электронов, которые могут участвовать в процессе возбуждения. Дополнительно энергетические уровни атомов большинства элементов расщеплены на подуровни, энергия возбуждения которых отличается в пределах одного уровня, что приводит к появлению в спектрах большого количества близких линий излучения. Если количество по-разному «перепуганных» электронов превышает буйное воображение, например на Солнце, где в любой момент возбуждаются и рекомбинируют около двух квадриллионов тонн сложной смеси элементов, тогда разложено призмой на спектр излучения напоминать сплошную яркую радугу, в которой только тщательный глаз исследователя увидит едва заметные темные промежутки. Но у Густава Кирхгофа было именно такой глаз.

«Его жизнь была обычной жизнью немецкого профессора университета. Большие события происходили только в его голове», писал искренне восхищен его научными достижениями Людвиг Больцман.

Глядя на Солнце

Приоритет открытия темных линий в солнечном спектре принадлежит немецкому оптику Йозефу Фраунгоферу. Именно он обратил внимание на то, что их относительная позиция не зависит от разрешения или иной характеристики спектроскопа. Фраунгофер зарисовал и обозначил буквами (линии большими и малыми латинскими буквами и индексами: D, b2 и тому подобное), почти шесть сотен этих линий, которые были названы впоследствии в его честь.

Созерцая в спектроскоп, Кирхгоф каждый раз задумывался над природой этих линий. Ведь в то время не было хотя бы примитивной модели строения атома. Собственно, по самой атомистической теории вещества шли жаркие дискуссии.

Почему в спектре пламени свечи на месте этих линий расположены светлые промежутки? Влияет на это природа источника света?

Кирхгоф пригласил к участию в экспериментах своего коллегу Роберта Бунзена. Который, как раз в это время разрабатывал методы исследования сложных смесей веществ в пламени различной природы. Исследователи выяснили интересную вещь: если поместить пламя горелки перед входной щелью спектроскопа и внести в него каплю раствора поваренной соли, то на фоне слабого сплошного спектра пламени появится характерная яркая желтая линия натрия. Если же дополнительно освещать щель спектроскопа солнечным светом, линия становится темной. Но не просто темной, а чернее от той, что наблюдается при отсутствии натрия в пламени! Если же искусственно ослабить интенсивность солнечного света, то темные линии снова светлеют, а дальше на их фоне появляется желтая линия натрия. Что бы это значило?

Читайте также:  Почему электризуются волосы

Кирхгоф рассуждал так:

Мощный источник света, например высокотемпературная горелка, излучает сплошной спектр, в котором присутствует и желтая компонента. Вводя в пламя натрий, на фоне этой компоненты можно наблюдать яркую желтую линию, которая, следовательно, является результатом излучения именно натрия. Итак, на месте фраунгоферовой линии D есть какое-то излучение, которое поглощается парами раскаленного натрия в горелке. Отбросим горелку и введем в него натрий. Если поверхность Солнца, как любое раскаленное тело, излучает сплошной спектр, то темные провалы в нем на месте линии D могут означать только одно: в атмосфере светила присутствует натрий, излучение которого поглощают желтую компоненту.

Описанное Кирхгофом явление получило название обращение спектральных линий, а сами спектры такого рода стали называться обратными. По предложенной Кирхгофом методике довольно быстро провели качественный анализ вещества Солнца. Сегодня так и работает спектральный анализ. Про него подробно рассказано в этой моей статье.

С развитием спектрального метода исследования стало возможным установить даже количественное содержание каждого элемента солнечной атмосферы. Она состоит из водорода (92% по количеству атомов), гелия (7,8%), кислорода (0,06%), углерода (0,02%), неона (0,01%), азота (0,008%), кремния (0,004%), магния (0,003%), железа (0,003%) и серы (0,002%). Это, в свою очередь, позволило выяснить природу процессов внутри звезды. Там в условиях безудержного давления и температуры термоядерного синтеза образуются новые атомы. В возбужденном состоянии они ежесекундно выбрасываются во внешние слои светила и излучают свет, который является основой жизни на Земле.


Поделиться:

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*

code