Сергей Суворов - О чем рассказывает свет
Таким незаменимым экспресс-контролем за качеством металлов и стал спектральный анализ сплавов.
Производится он так. Между образцом взятого для анализа сплава и стандартным электродом создается электрическая дуга (рис. 18). Стандартный электрод делается из того металла, который составляет основу сплава. Так, при контроле сталей он берется из железа, при контроле латуни — из меди. Это делается для того, чтобы спектр стандартного электрода не вносил в спектр испытуемого образца никаких новых линий и не искажал его.
В электрической дуге образуются раскаленные пары сплава и стандартного электрода. Пары излучают спектр. Этот спектр испускания рассматривается в спектроскоп, специально приспособленный для исследования нужных участков спектра. Его называют стилоскопом, что значит — прибор для исследования сталей.
Если исследуется сталь, в стилоскопе видны линии излучений железа и других составных частей сплава.
Процентное содержание этих частей определяется по яркости линий. Чем выше в сплаве доля атомов данного элемента, тем ярче будут спектральные линии этого элемента.
Рис. 19. Определение процентного содержания хрома в стали по яркости линии хрома
Приемы определения яркости линий присадочных металлов различны. Наиболее ходовой прием — сравнение этих линий по яркости со специально избранными линиями железа в той же картине, видимой в стилоскопе. Если линия хрома 4254,3Å столь же ярка, как и линия железа 4247,4Å, то хром составляет в сплаве 0,12 процента. Если та же линия хрома несколько ярче, чем линия железа 4260,5Å, то хрома в сплаве около 6 процентов (рис. 19).
Точно так же определяют количества других металлов-присадок. Полный спектральный анализ сплава из 6—7 металлов занимает 2—3 минуты.
В настоящее время разработаны и широко применяются и другие приемы экспресс-анализа. Очень быстро и точно можно определить состав сплава путем сравнения его спектра со спектрами стандартных образцов сплавов, состав которых известен заранее.
Экспресс-контроль сплавов в ходе производства — наиболее показательный пример практического применения спектроскопа. Так наука о свете помогает решать важную народнохозяйственную проблему.
Рассказы света о далеких звездах
Сплошной спектр твердых веществ
Читатель, вероятно, обратил внимание на то, что линейчатые спектры ученые получали от раскаленных паров металлов. Физики рассмотрели также спектры и от твердых раскаленных металлов. Всякий по опыту знает, что металлы при нагревании краснеют, а затем, раскалившись, испускают белый свет. Таков, например, свет от раскаленного металлического волоска электрической лампочки. Каков же вид спектров у раскаленных твердых веществ?
Если их свет пропустить сквозь призму, то на экране засветятся не отдельные цветные линии, а широкая разноцветная полоса. В этой полосе лежат лучи всевозможных длин волн, от 4000 до 8000 ангстрем.
Такой спектр, в отличие от линейчатого, испускаемого парами металлов, называют сплошным. Итак, спектр твердых раскаленных веществ — сплошной спектр.
Темные линии в солнечном спектре
Долгое время солнечный спектр тоже считали сплошным. Но уже в начале прошлого столетия (1817) физики разглядели в солнечном спектре разрывы—темные линии. Эти темные линии по имени немецкого ученого Фраунгофера (1787—1826), впервые изучавшего их, были названы фраунгоферовыми (см. приложение III). Вскоре их насчитали в солнечном спектре несколько тысяч. Наиболее четко выраженные линии были названы латинскими буквами: А, В, С, D и т. д. Эти линии всегда обнаруживались в солнечном спектре при подходящих условиях опыта. Они соответствуют излучениям с вполне определенной длиной волны. Линия А, например, на самом краю красной части спектра соответствует длине волны в 7608Å, линия В в красной части спектра — длине волны в 6870Å, линия С в оранжевой части спектра — длине волны в 6568Å, линия D1 в желтой части спектра — длине волны 5896Å. Есть еще линия D2 — тоже в желтой части спектра, очень близкая к предыдущей, которая почти сливается с ней; она соответствует длине волны 5890Å.
Темные линии свидетельствуют о том, что в солнечном спектре нет излучений определенных частот. Но почему они отсутствуют?
Это долго казалось загадкой.
Спектры из темных линий
После изобретения спектроскопа ученые пытались воспроизвести темные линии в лаборатории. Сначала надо было получить сплошной спектр всех цветов радуги. Это сделать просто. Как мы знаем, такой спектр дают раскаленные добела металлы. Потом надо было установить, что же следует сделать с лучами, чтобы в спектре появились темные линии. Эта задача была решена следующим образом.
На пути лучей, идущих от раскаленного твердого тела, перед входом их в щель спектроскопа был поставлен закрытый стеклянный сосуд с парами металла натрия. В сплошном спектре, как раз на том месте, где должны были быть желтые линии натрия, появились темные линии. Почему? Не потому ли, что пары натрия, стоявшие на пути лучей, «вырвали» из сплошного спектра желтые лучи, поглотили их? И замечательно: поглотили как раз те лучи, которые пары натрия сами испускают!
Эта догадка была проверена многократно. Ученые ставили на пути белого луча прозрачные сосуды с парами самых различных веществ. Эти опыты всегда показывали одно: пары всякого вещества поглощают излучения именно тех частот, какие они сами испускают. Этот закон открыл и обосновал Кирхгоф.
Новые спектры, состоящие из темных линий на фоне сплошного спектра, стали называть спектрами поглощения. До сих пор мы рассматривали спектры испускания — отдельные цветные линии на темном фоне. Спектр поглощения и спектр испускания как бы дополняют друг друга; их часто называют обращенными по отношению друг к другу. Зная один из этих спектров, можно судить о характере другого спектра того же вещества.
Теперь возможности спектрального анализа чрезвычайно расширились. Исследования спектров поглощения привели к открытию новых элементов — празеодима, неодима, самария, гольмия, тербия.
В периодической таблице Менделеева оставалось все меньше пустых клеток.
Менделеев о будущем спектрального анализа
В разгар первых спектроскопических исследований, в конце 60-х годов, Менделеев работал над своим знаменитым трудом «Основы химии». Это было первое изложение наших знаний о химии на основе только что открытого Менделеевым периодического закона. «Основы химии» Менделеева на многие десятилетия определили пути развития химии. И тогда уже великий ученый понял глубже многих своих современников, как много может дать для изучения атомов новое мощное средство исследования— спектроскопия. Менделеев писал в «Основах химии»: «Спектры поглощения, при обыкновенной температуре получаемые и свойственные веществам во всех физических состояниях, представляют обширнейшее, но еще мало обработанное поле как для теории всей спектроскопии, так и для суждения о строении веществ». И в другом месте: «Спектры делают видимыми многое не только на отдельных громадных мирах, таких, как звезды, но и в безгранично мелких мирах, таких, как частицы, и разработка в этой области обещает многое выяснить в области атомов и частиц».
Надежды, которые Менделеев возлагал на спектральный анализ, полностью оправдались. Спектры помогли ученым изучить и отдаленные громадные миры — звезды, и безгранично малые миры — атомы.
Как было открыто вещество сначала на Солнце, а затем на Земле
Свет помог астрономам получить многие сведения о звездах и других небесных телах.
В 60-х годах прошлого века астрономы обратили внимание на одно интересное явление. В моменты полного солнечного затмения, когда диск Солнца закрыт от нас Луной, в телескоп видно, как из-за края темной Луны вырываются огненные языки. Эти огненные языки — огромные взрывы на Солнце, которые поднимают на сотни тысяч километров вверх раскаленные пары различных веществ. Эти огненные языки назвали протуберанцами.
Астрономы заинтересовались: какой спектр у протуберанцев?
Во время очередного солнечного затмения, в 1868 году, удалось рассмотреть спектр протуберанца. Ученые увидели в спектрограф несколько отдельных линий, и среди них одну незнакомую желтую линию. Линия была похожа на натриевую, но все же не была натриевой. Линия натрия — 5890Å, а это была линия 5875Å (см. приложение IV). Такой линии в справочной спектральной книге не было — ее еще никто не встречал.
