Landsberg-1985-T3

высоты. На пути через толщу воздуха свет Солнца частично

рассеивается в стороны, причем сильнее рассеиваются ко­

роткие волны, так что достигший Земли свет становится от­ носительно богаче излучением длинноволновой части спект­

ра. Это ЯВJIение особенно резко сказывается при восходе и

закате Солнца (или Луны), когда прямой свет проходит зна­ чите.1ЬНО большую толщу воздуха (рис. 319). Благодаря это­

ыу Солнце и Луна на восходе (или закате) имеют медножел­

тый, иногда даже красноватый оттенок. В тех случаях,

А

с' 82

Рис. 319. Объяснение красного цвета Луны 11 Солнца на восходе и за­

кате: Sl - светило в зените - короткий путь в атмосфере (АВ); S2 - светило на ГОРIIЗОlIте - длинный путь в атмосфере (СВ)

когда в воздухе имеются очень мелкие (значительно мень­

шие длины ВОсlНЫ) частички пыли или капе,lЬКИ влаги (туман), рассеяние, вызываемое ИМИ, также идет по закону,

Рис. 320. Рассеяние спста мутной жидкостью: падающпй спет - белый, рассеянныii спет - синеватый, про ходящий свет -~ красноватый

близкому к закону Рэлея, т. е. по преимуществу рассеl!ва­ ются короткие ВОсlНЫ. В этих случаях восходящее и захо­

дящее Солнце может быть совершенно красным. В красный

же цвет окрашиваются и плавающие в атмосфере облака.

Таково ПрОlIсхождение прекрасных розовых и красных

оттенков утренней и вечерней зорь.

Можно наблюдать описанное изменение цвета при рас­ сеянии, если пропустить пучок света от фонаря через сосуд

404

r л а в а ХХ. СПЕКТРЫ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ

§ t 72. Спектральные аппараты. Свечение тел тесно связано

с процессами, происходящими в атомах и молекулах. По­

этому исследование свечения явилось важным средством

для уяснения строения молекул и атомов.

Существенные различия в характере свечения устанавли­ ваются при изучении спектров светящихся тел. Для полу­

чения спектров используется дифракционная решетка или

чаще призма; Принцип получения спектра при помощи приз­ мы изложен в § 160. Для того чтобы спектр был возможно

более четким, т. е. чтобы различные спектральные области

хорошо разделялись между собой, спектральному аппарату придается более сложное, чем указано Е § 160, устройство,

н о й плоскости объектива L 1 ; благодаря ЭТЩIУ свет, упав­ ший на щель, выходит из коллиматора параллельным пуч­ ком и падает на при з м у. Из призмы он также выходИТ

406

парэллельным пучком. Но так как лучи разной длины волны

(разного цвета) отклоняются призмой на разные углы (дис­

персиЯ), то из призмы выходят параллельные пучки р а з­

кальНОЙ плоскости MN. В ЭТОЙ плоскости получаются, следовательно, изображения щели S, но так, что изображе­

ния, соответствующие разным длинам волн, приходятся

на разные места плоскости MN. Расположив в плоскости

MN матовое стекло или фотографическую пластинку, мы

получим на ней четкое изображение спектра. Если свет,

падающий на щель S, представляет собой смесь нескольких

монохроматических пучков, то спектр имеет вид отдельных

полосу.

Аппараты, в которых спектр изображается на фотопла­ стинке, носят название спектрографов. Иногда вместо ка­ меры L 2 MN помещают зрительную трубу и наблюдают спектр глазом. В этих случаях спектральный аппарат при­ нято называть спектроскопом. Призма изготовляется из

стекла, обладающего значительной дисперсией, либо из

кварца, фл1Ьорита или каменной соли, если спектрограф

предназначен для работы в ультрафиолетовой или инфра­ красной частях спектра. Из соответствующих материалов делают и объективы.

§ 173. Типы спектров испускания. Направив на щель

спектрографа свет от солнца, лампы накаливания, свечи

и т. Д., мы получим спектры, имеющие вид с п л о ш н о й

п о л о с к И, в которой представлены все длины волн, идущие непрерывной чередой. Такие спектры называются

сnлоиmЫJrШ или непрерывными.

Иной вид имеет спектр, если в качестве источника света

использовать с в е т я Щ и е с я г азы. НаПРЗВИ\1, на­ пример, на спектрограф свет газоразрядной ЛЮIПЫ, в ко­

торой светится пар ртути. Наблюдаемый спектр имеет вид, изображенный на рис. 322. Он состоит из отдельных рез­

к и х л и н и й, представляющих собой изображение щели спектрографа в отдельных длинах волн. Каждая линия

представляет по существу узкий спектральный интервал,

Охватывающий некоторый набор длин волн; но интервал

этот так узок, что его можно практически считать соответст-

401

вующим одной определенной длине волны. Приведенный на

рис. 322 в качестве примера спектр ртути характерен для свечения газов или паров. Такие спектры принято называть линейчатыми. Разнообразные пары или газы могут давать спектры, отличающиеся положением спектральных линий (Т. е. их длиной BO.тrHЫ), а также числом их и распределением

по спектру. Спектр пара ртути сравнительно беден линиями;

наоборот, в спектре пара железа, например, насчитыва­ ется несколько тысяч отдельных спектральных линий

(рис. 323), распределенных по видимой и ультрафиолетовой

областям спектра.

Рис. 324. Спектр пара иода

При изучении спектров паров или газов наблюдаются

также спектры, состоящие из отдельных п о л о с, разде­

ленных темными промежутками. Некоторые из этих полос

при более тщательном исследовании оказываются состоя­

щими из очень большого числа отдельных линий, другие же

представляют собой действительно сплошные полоски. Та­ кого типа спектры принято называть полосатыми. Рис. 324

дает пример такого спектра, наблюдаемого при свечении

пара иода.

§ 174. Происхождение спектров различных типов. Иссле­

дование показало, что тип спектра определяется х а р а к­

т е р о м светящегося объекта.

СnЛОИLНые спектры получаются в результате свечения

твердых или жидких тел. В пламени свечи светятся рас­

каленные частицы угля, в электрической лампочке - на­

каленная металлическая нить. Такие же спектры дают и

расплавленные металлы, а также светящиеся газы или пары,

если они обладают значительной плотностью, т. е. находят­ ся под очень высоким давлением. В частности, сплошной

спектр Солнца представляет собой, по-видимому, СВffiение

паров высокой плотности.

Линейчатые и полосатые с п е к т р ы характерны для

свечения газов или паров малой плотности. Линейчатые

спектры испускаются светящимися а т о м а м и. Многие

газы состоят из отдельных атомов, например пары металлов

409

и так называемые инертные газы - гелий, неон, аргон и др. Газы, состоящие из молекул, например водород, кислород, пар иода и др., м о г у т при возбуждении распадаться

на атомы (диссоциировать). Такие атомарные газы дают линейчатые спектры. Но можно вызвать све­

чение и Ц е л ы х м о л е к у л, не разби­

вая их на атомы. В таком случае испуска­ ЮТСя п о л о с а т ы е с п е к т р ы. При

возбуждении таких многоаточных газов

или паров нередко ПРОИСХОДИТ частичная

диссоциация и наблюдается одновременно

илинейчатый и полосатый спектры.

Свечение атомов и молекул в парах и

свечение же атомов хлора возбудить не легко, и оно обыч­ но слишком слабо. Гораздо чаще для возбуждения спект­

ров атомов и молекул пользуются явлениями э л е к т р и­

ч е с к о г о раз р я Д а в газах. В ЭТО:'I случае трубка с

электродами, через которую пропускают электрический ток,

наполняется газом при низком давлении.

В этих условиях разряд имеет характер тлеющего (см. т. II, § 100). Нередко трубке тлеющего разряда придают

форму, указанную на рис. 325, с тем чтобы сконцентриро­

вать свечение в узкой части, что удобно для освещения щели

спектрографа. На этом рисунке 1 - электроды, 2 - уз­ кая часть, где плотность тока (т. е. ток, рассчитанный на единицу площади) и яркость свечения имеют наибольшее

значение. Для той же цели может служить электрическая

искра или дуга между исследуемыми электродами.

Если повышать давление светящегося пара или газа,

то спектральные линии начинают расширяться, захватывая

большИй спектральный интервал. При очень больших давлениях (сотни и больше атмосфер) линейчатыи спектр постепенно переходит в сплошной, характерный для сжатых

газов.

§ 175. Спектральные закономерности. Линейчатый спектр атома представляет собой совокупность большого числа ли­

нни, разбросанных по ВСбlУ спектру без всякого в и Д I! М 0- Г О порядка. Однако ВНI!'-.Iательное I!зучеюrе спектров по­

казало, что расположеНl!е ЛИНИЙ следует о п р е д е л е н­

н ы М з а к о н о м е р н о с т я ;"1. Яснее всего, конечно,

Ну

liT'11111111

Ill[1 :! Ilj~

\ "

Рис. 326. Линейчатый спеКТ[1 водорода (серия Бальмера, ДЛИНЫ волн в нанометрах). На. Нв, Н" !I Н6 - обозначеНI!Я первых четырех ли­

ний серии, лежащих в ВИДИМОЙ области спектра

эти закономерности выступают на сраВНl!тельно простых

спектрах, характерных для простых ато'vЮВ. Впервые такая

закономерность была установлена для спектра водорода,

изображенного на рис. 326.

В 1885 г. швейцарский физик и ;.,!аТб!атик Иоганн Якоб

Бальмер (1823-1898) устаНОВИ,l, что частоты отдельных линий водорода выражаются простой фОIН!УЛОЙ:

_ (1 1 \ v-R '\22-m2)'

где " о:шачает частоту света, т. е. число волн, испускае'-.!ых

в единицу ВРб1ени, R - называбlая постоянной Рuд6ерга

значения, очень хорошо совпадающие с частотю\И последо­

вательных линий спектра водорода. Совокупность этих линий составляет серию Баль.мера.

В дальнейшем было обнаружено, что в спектре водорода

еще имеются многочисленные спектральные линии, кото­

рые также составляют серии, подобные серии Бальмера.

411

Частоты этих линий могут быть представлены формулами

причем R имеет то же самое числовое значение, что и в фор­ муле Бальмера. Таким образом, все водородные серии МОж­

но объединить одной формулой:

V=R(_I --1)

n2 m~'

где n и т - целые числа, причем m~n+ 1 *).

Спектры других атомов значительно сложнее, и распре­ деление их линий в серии не так просто. Оказалось, однако, что спектральные линии всех атомов могут быть распреде­

лены в серии. Крайне важно, что сериальные закономерно­

сти для всех атомов могут быть представлены в форме, подоб­ ной формуле Бальмера, причем постоянная R имеет почти

одно и то же значение для всех атомов.

Существование спектральных закономерностей, общих

для всех атомов, указывало несомненно на глубокую связь

этих закономерностей с основными чертами атомной струк­

туры. Действительно, датский физик, создатель квантовой

теории атома Нильс Бор (1885-1962) в 1913 г. нашел ключ

к пониманию этих закономерностей, установив в то же время основы современной теории атома (см. гл. XXII).

§ 176. Спектральный анализ по спектрам испускания. Каж­

ДЫЙ атом испускает свои определенные спектральные ли­ НИИ, составляющие его спектр. Различные атомы имеют иног­

да отдельные с л у чай н о совпадающие линии, но спектр

атома в целом вполне характерен для этого атома. Поэтому

появление совокупности спектральных линий, принадлежа­

щих какому-нибудь атому, является веРНЫ\1 признако~!

того, что данный элемент находится среди светящихся

паров источника. Это важное правило было установлено немецкими физиком Густавом Кирхгофом (1824-1887) и

химиком Робертом Бунзеном (1811-1899) в 1859 г. и по­

служило основанием для создания спектрального метода

химического анализа. При его помощи МОЖНО открывать

присутствие интересующего нас элемента даже в том случае,

*) Кроме приведенных выше трех серий, в спектре водорода обна­ ружены еще три серии: серия Брэке1а (n=4), серия ПфУ!lда (n=5) и се­ рия Хамфри (n=6).

412

когда количество этого элемента очень мало.. Примесь веще­ ства, масса которого соста13ляет 10-7 -10-8 Г, может быть

надежно установлена; 13 некоторых особо благоприятных

случаях обнаруживаются и 13ещест13а, масса которых не лревышает 1О- 10 г.

Кирхгоф и Бунзен сделали при помощи своего метода не­

сколько важных открытий. Исследуя спектр пара смеси

соединений щелочных металло13 (лития, натрия и калия),

они обнаружили, что, KpO\le линии, принадлежащих из­

вестным металлаы, ю!еется налицо ряд новых линий. Иыи

бы.10 высказано предположение, что в смеси присутствуют

но13ые, еще не известные ХИCv!ИК3:l1 элещ~нты. Действительно, путе:\l соответствующей обработки удалось выделить два

новых эле:\!ента, которые получили названия рубидий и це­ зий. Впоследствии при помощи спектрального анализа было открыто еще несколько неиз13естных элементов (таллий, индий, галлий).

Интересно отметить, что э.1емент, п()лучивший П:lзваllие галлии, был предсказан Д. И. Менделеевым под названием Эliаа.lЮ,/ШНUИ. Менделеев·

описал предполагаемые свойства элемента и указал, что его следует

искатЬ с помощью спектрального анаJIИЗ;]. ][иже предсказания Менде­ леева с()поставлены с описанием, данным Буаб()драll()М, открывшим и исслед()вавшим этот новый элемент *).

щее вре:l!Я вместо aTO:lIНOro веса следует говорить ()б ()тн()сите.1ЫroЙ атом­

ной массе Аг, а вместо уде.1ЬНОГО веса - о П.10ПI()СТII р. (Пршtеч. ред.)

**) По современным уточненным данным А,=69,72, p~~5,904 г/смз,

413