СПЕКТРОСКОПИЯ

Немецкий ученый Р. Бунзен заметил, что в пламени изобретенной им очень жаркой горелки вещества, превращаясь в пар, окрашивают пламя в разные цвета. Так, медь давала зеленое пламя, поваренная соль — желтое, а стронций — малиново-красное. Казалось, стоит только поместить в горелку вещество — и по цвету пламени удастся определить его состав. Однако вскоре Бунзен установил, что вещества разного состава в некоторых случаях окрашивали пламя одинаково. Тогда его соотечественник физик Г. Кирхгоф предложил пропускать свет пламени через стеклянную призму, разделяющую цветные лучи на монохроматические. Для глаза пламя, окрашенное литием или стронцием, всегда одного — малиново-красного цвета, а после прохождения через призму свет литиевого пламени разлагается в две линии — яркую малиновую и рядом с ней — слабую оранжевую, а стронций дает голубую, две красные и оранжевую линии.

Оказалось, светящиеся пары любого химического элемента излучают только одному ему свойственный спектр — набор монохроматических излучений, каждому из которых в спектре принадлежит своя линия. Спектры всех элементов собраны в специальных таблицах. В них указаны длины волн, последовательность и интенсивность спектральных линий. Так по спектрам ученые научились расшифровывать состав излучающего вещества. Появился новый раздел физики — спектроскопия, изучающая спектры электромагнитного излучения. Это произошло в 1859 г., когда Бунзен и Кирхгоф проанализировали первые линейчатые спектры химических элементов.

В 1868 г. французский астроном Ж. Жансен и английский астрофизик Дж. Локьер, анализируя солнечный свет, обнаружили (независимо друг от друга) в солнечных лучах спектр неизвестного элемента. Новый элемент открыли на расстоянии 150 млн. км от Земли! Позднее в честь Солнца его назвали гелием. После этого открытия началось изучение спектров космических тел, состава Солнца и звезд. Оказалось, что звездное вещество состоит из тех же атомов, что и земное. По спектрам можно измерить скорость движения тел. Благодаря эффекту Доплера у движущегося источника спектр сдвигается в сторону длинных или коротких длин волн в зависимости от того, удаляется или приближается источник света к наблюдателю. По такому сдвигу астрономы измерили скорость галактик.

Анализ спектров дает возможность обнаружить и магнитные поля. При воздействии магнитного поля на излучающие атомы появляются линии-спутники (см. рис).

Спектроскопия сыграла огромную роль в развитии квантовой механики. Первая квантовая модель атома была создана Н. Бором на основе анализа формулы швейцарского ученого И. Бальмера, описывающей спектр водорода.

По спектрам ученые определяют энергетические уровни атомов и молекул с помощью излучений в широком диапазоне длин волн. Спектры ионизованных атомов излучаются в диапазоне длин волн 0,2 — 200 нм, нейтральных атомов и молекул — 200 — 700 нм, спектры органических молекул лежат в ИК-Диапазоне (в инфракрасной области спектра), а прочно связанные внутренние электроны атомов исследуют с помощью γ-квантов с энергией до 100 КэВ (см. Гамма-излучение). Излучения атомов при малых энергиях переходов между уровнями ученые успешно исследуют с помощью радиотехнических средств.

С рождением лазеров появился новый раздел спектроскопии — лазерная. Лазеры с перестраиваемой частотой позволяют установить частоту излучения так, что будет возбужден вполне определенный уровень атома или молекулы. При этом не возбуждаются другие квантовые состояния, как это бывает при возбуждении светом обычных источников. Лазеры с перестраиваемой частотой дают возможность достигнуть предельной чувствительности спектрального анализа — обнаруживать отдельные атомы элемента с концентрацией, скажем, в 100 атомов на 1 см³ объема газа.