Марио Бертолотти - История лазера
Рис. 9. Старинная модель спектроскопа с бунзеновской горелкой
Решающий, заключительный шаг, в отношении спектрального химического анализа приписывается ученым из Гейдельбергского университета химику Роберту Бунзену (1811—1899) и физику Густаву Кирхгофу (1824—1887), которые вместе работали над этой проблемой в 1860—1861 гг. Они построили стандартный прибор для анализа спектров элементов, входящих в состав солей, которые вносились в пламя (использовалась горелка Бунзена — газовая горелка, в которой сжигалось исследуемое вещество). Они открыли, что яркие линии спектра раскаленных солей металлов являются характерными для определенного металла. Первым практическим доказательством огромных возможностей спектрального анализа для изучения химического состава веществ было открытие новых элементов: цезия и рубидия. Используя эту экспериментальную методику, Кирхгоф идентифицировал многие темные линии Фраунгофера. Например, D-линия принадлежит натрию (рис. 10). Давид Брюстер (1781—1868) в 1832 г. уже объяснял происхождение темных линий солнечного спектра тем, что свет, испускаемый горячей поверхностью Солнца, прежде, чем достигнуть Земли, проходит через внешнюю более холодную атмосферу Солнца, компоненты которой поглощают практически на тех же длинах волн, которые испускаются при более высокой температуре. Таким образом, темная линия появляется там, где должна была бы быть яркая линия, если бы не было атмосферы. Например, пары натрия (легко получаемые добавлением в пламя горелки обычной поваренной соли) испускают характерный желтый свет, образуемый двумя узкими и близкими друг к другу линиями (D -линия). Где бы ни появлялись в спектре эти линии, мы можем с уверенностью утверждать, что в источнике спектра содержится натрий. Этот мощнейший метод химического анализа позволяет обнаруживать минимальные следы вещества и не зависит от расстояния до исследуемого объекта, позволяя, например, исследовать звезды.
Длины волн излучения, которое испускается веществом, может также и поглощаться им на тех длинах волн. Если, например, мы посылаем интенсивный свет, содержащий все видимые длины волн (непрерывный спектр излучения), через пламя в котором сгорает натрий, то в пропущенном свете обнаружится отсутствие длин волн, соответствующих двум желтым линиям D-линии натрия. В спектре две темные линии появляются в тех местах, в которых наблюдаются две яркие линии в спектре излучения. Это объяснение применимо не только для нашего Солнца, но и для любой звезды. Действительно, темные линии, подобные тем, что Фраунгофер наблюдал в солнечном спектре, наблюдаются и в спектрах звезд, и положение этих линий указывает, какие длины волн поглощаются веществами в звездных атмосферах, что позволяет определить эти вещества.
Рис. 10. Обращенные линии. На верхней части показаны D-линии натрия (дублет), которые проявляются как черные линии в солнечном спектре. На нижней части показаны яркие D-линии натрия, которые получаются в лаборатории в парах пламени
Фундаментальные открытия новой науки спектроскопии были сделаны Кирхгофом, Брюстером, Дж. Гершелем (1792—1871), Тальботом, Чарльзом Уитстоном (1802—1875), А. Ангстремом (1814—1874) и Вильямом Сваном.
Тот факт, что спектры веществ иногда состоят из набора дискретных линий, а иногда представляют полосы, был, наконец, после многих дискуссий, объяснен Джорджем Сале (1875) путем сопоставления линейчатых спектров с атомами, а спектров полос — с молекулами.
Атомы
Уже Демокрит и Лесипс в V в. до н.э. говорили об атомах. Римский поэт Лукреций (98—55 до н.э.) в De rerum natura, объясняя теорию Демокрита, говорил, что воздух, земля и все другие вещи мира сделаны из набора частиц или корпускул — атомов, находящихся в безостановочном и очень быстром движении, которые столь малы, что не видимы человеческим глазом. Атомы предполагались быть крайним результатом последовательного разделения вещества на все меньшие части. Слово «атом» по-гречески означает «неделимый».
Однако идеи Демокрита и Лукреция далеки от нашего понимания атомов, поскольку они не рассматривали существования многих сортов атомов и того, что атомы определенного вещества одинаковы.
Выраженная смутным и неконкретным образом атомистическая теория Демокрита теряла свое значение, и слово «атом» стало употребляться для обозначения объекта крайне малого размера. Лукреций имел успех совсем в другой области, высказав гипотезу, что заразные болезни распространяются очень малыми частицами. В эпоху Возрождения итальянский философ и врач Джироламо Фракасторо (1483—1553) возродил эту теорию. Однако эта идея бактериологии оставалась секретом, пока Луи Пастер (1822—1895) вновь не обратился к ней.
Во всяком случае, атомистическая гипотеза Демокрита и Лесипса была принята священником Гассенди (1592—1655), который активно провозглашал, что даже если эта гипотеза находит подтверждение у «развратных» Эпикура и Лукреция, но она не имеет прямой связи с религиозными философиями их античных последователей — и может быть принята христианами. Идеи Гассенди оказали глубокое влияние на химика Роберта Бойля, которому мы обязаны обозначениями химических элементов. Эти обозначения стали более точными, когда А.-Л. Лавуазье (1743—1794) открыл, что определенные химические соединения содержат элементы в определенных пропорциях и что масса веществ остается постоянной до и после протекания химической реакции. Эти исследования получили завершение в работе Джона Дальтона (1766—1844), который изложил их в своей книге A New System of Chemical Philosophy (опубликованной в Манчестере в 1808 г.) концепцию, что существует много сортов атомов, каждый из которых характеризует разные вещества и что атомы в определенном веществе идентичны. Дальтон доказал, что каждому химическому элементу можно приписать число, которое представляет вес одного атома данного элемента.
Атомный вес
В настоящее время атомный или молекулярный вес измеряется сравнением веса атома данного вещества с атомом водорода. Вес атома водорода удобно считать приблизительно одной единицей атомной массы (вес одной атомной массы 1,66∙10—24 г), так, вес атома углерода 12. Атомный вес кислорода почти 16 (точно 15,9994) и поскольку молекула кислорода состоит из двух атомов, один моль молекулы кислорода весит около 32 г. Из определения моля следует, что моль всегда содержит одно и то же число атомов и молекул (так, называемое число Авагадро NА = 6,022∙1022).
Однако существование атомов все еще было спорным, поскольку никто не мог сказать, что видел их, и в ходу были различные идеи. В 1860 г. на Химическом конгрессе в Карлсруе, первом международном собрании, участники продолжительно обсуждали различия между атомами и молекулами и не пришли к определенному заключению. Сегодня мы определяем молекулу как химическую комбинацию двух или более идентичных или различных атомов, которая может стабильно существовать и которая представляет наименьшее количество вещества и обладает характеристическими свойствами данного вещества.
Электрон появляется
В то время, как развивались атомные и молекулярные теории в химии, в исследованиях в области электрической проводимости в жидкостях и электрических разрядов в газах при низком давлении обнаружилось, что атом вовсе не «неделимый», но содержит в себе электрические заряды. Г. Дж. Стони (1826—1911) в 1874 г., пытаясь простым способом объяснить законы электролиза, установленные Фарадеем в 1833 г., ввел «атом» электричества, который он позднее (1891 г.) назвал «электроном». До этого Г. Гельмгольц (1821 — 1894) говорил: «Если мы принимаем гипотезу, что элементарные субстанции состоят из атомов, мы не можем избежать заключения, что электричество также, положительное и отрицательное, разделяется на элементарные порции, которые ведут себя подобно атомам электричества».
Таким образом, умозрительный электрон допускался только как свойство, относящееся к электрическому разряду. Однако английский физик Дж. Дж. Томсон (1856—1940) открыл в 1897 г., что в электрических разрядах в газах присутствуют очень маленькие частицы с отрицательным зарядом, которые испускаются атомами. Томсон измерил их удельный заряд (e/m), т.е. отношение заряда к массе. Поскольку атом сам по себе нейтрален, открытие электрона — за это Томсон в 1906 г. получил Нобелевскую премию по физике — означает, что атом должен включать в себя как отрицательные заряды (электроны), так и положительные заряды.
Нобелевская премия
Поскольку многие из упоминаемых здесь исследователей были удостоены этой престижной премии, уместно несколько отвлечься, и сообщить, как она возникла и как присуждается.
10 декабря 1896 г. шведский химик Альфред Нобель скончался в возрасте 63 лет, в своем доме в Сан Ремо. Он сделал возможным практическое применение нитроглицерина, создав динамит. Нитроглицерин был синтезирован в 1846 г. А. Собреро (1812—1888), а Альфред Нобель применил для его стабилизации некоторые инертные вещества. В результате в 1875 г. был получен первый динамит, представляющий собой желатинообразную смесь нитроглицерина с клетчаткой. В 1889 г., смешивая в различных пропорциях коллоидную клетчатку с нитроглицерином, он сумел создать баллистит, который до сих пор используется, как бездымное взрывчатое вещество. Изготавливался динамит на фабрике вблизи г. Турина (Италия). Благодаря своим патентам, а также эксплуатации нефтяных месторождений в Баку, Нобель стал обладателем огромного состояния, исчислявшимся на современные деньги в несколько сотен миллионов евро. Это состояние, желая сгладить возможное разрушительное использование людьми его изобретений, он завещал использовать как фонд для премий. Уместно процитировать отрывок из его завещания:
