Ю.О. Беличенко. Оптика. Спектральный анализ

Обзорная лекция преподавателя физики и математики Юлии Олеговны Беличенко

Раз уж мы коснулись скорости света, заглянем теперь чуть дальше нашей Земли, посмотрим, каковы были представления XIX века об исследовании космоса, в том числе и с использованием оптических явлений.

Ньютон ещё в конце 17 века поставил опыт и описал взаимодействие, или интерференции световых лучей между собой. Он положил линзу выпуклой поверхностью вниз на плоскую стеклянную пластинку и заметил, что при освещении белым светом в зазоре появились чередующиеся цветные и радужные кольца.

Но Ньютон оставил эти эксперименты без обычных для него детальных выводов. По-видимому, ученый решил, что здесь скрываются явления, требующие дополнительных исследований, которые он не мог провести.

И только в XIX веке Юнг и Френель, и «достроили» заложенное Ньютоном здание классической оптики.

Томас Юнг (1773-1829), врач по профессии, гимнаст и музыкант, а известный также и как египтолог, физик, механик, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света. В четырнадцать лет Томаса попросили воспроизвести несколько фраз по-английски, чтобы проверить, умеет ли он хорошо писать. Юноша протянул новому учителю листок: там заданные фразы были не только переписаны, но и переведены на девять (!) разных языков.

Юнг пришел к гениальной мысли о возможности наложения света, отраженного от разных прозрачных поверхностей. Такое наложение могло привести к ослаблению или к усилению падающего монохроматического света.

В четырех докладах, представленных Королевскому обществу с 1801 по 1803 год, Юнг выводит этот принцип интерференции, и замечает, что для получения интерференции нужно, чтобы оба световых луча исходили из одного и того же источника (чтобы у них был совершенно одинаковый период). В 1802 году Юнг подкрепил  свой принцип интерференции классическим опытом с двумя отверстиями, проколотыми булавкой, и два световых конуса, расширяясь благодаря дифракции, частично перекрываются, и образуют серию чередующихся темных и светлых полос. Этот опыт позволил Юнгу измерить длину волны для различных цветов: он получил длину волны 0,7 микрона для красного света и 0,42 микрона для крайнего фиолетового. Это первые в истории физики измерения длины волны света, и следует отметить их поразительную точность.

Огюстен Френель (1788-1827), инженер мостов и дорог. В период 100 дней Наполеона (временное возвращение Наполеона из ссылки) работал инженером, после чего лишился работы как участник военных действий и работал в сельской глуши. Он не подозревал об опытах Юнга, поэтому повторил их в 1815 году и переоткрыл принцип интерференции. И объяснение огибания светом препятствий Френель дал подобное юнговскому. Изобрёл несколько новых интерференционных приборов (зеркала Френеля, бипризма Френеля, линза Френеля).
Он проделал несколько новых замечательных опытов (в частности опыт с «бизеркалами Френеля»). В 1818 году разработал теорию дифракции света, и предложил метод расчёта дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (так называемые зоны Френеля). В 1821 году независимо от Т. Юнга доказал поперечность световых волн. В 1823 году установил законы изменения поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля).

Имя Огюстена Френеля внесено в список величайших учёных Франции, помещённого на первом этаже Эйфелевой башни.

Спектральный анализ

Когда луч солнца в опыте Ньютона проходит через призму, то на экране позади нее возникает спектр. За двести лет к этому явлению привыкли. Кажется, что между отдельными частями спектра нет резких границ: красный непрерывно переходит в оранжевый, оранжевый в желтый и т. д.

Тщательнее других в 1802 году рассмотрел спектр английский врач и химик Уильям Хайд Уолластон (1766-1828).  Уолластон обнаружил при этом несколько резких темных линий, которые без видимого порядка пересекали спектр Солнца в разных местах.  Ученый этим линиям особого значения не придал. Позднее эти темные линии назвали фраунгоферовыми, увековечив имя их настоящего исследователя.

Иосиф Фраунгофер (1787-1826) до 14 лет Иосиф не умел ни читать, ни писать, он был из бедной семьи, учился шлифовать оптические стекла. Освоил эту науку и стал сам усовершенствовать методы, механизмы и измерительные инструменты для вращения и полировки линз… Ему удалось получить достаточно большие образцы без всяких прожилок и он довел ахроматический телескоп до такого совершенства, о котором раньше нельзя было и мечтать.

Чтобы произвести точные измерения дисперсии света в призмах, Фраунгофер в качестве источника света использовал свечу или лампу. При этом он обнаружил в спектре яркую желтую линию, известную теперь как желтая линия натрия. Вскоре установили, что эта линия находится всегда в одном и том же месте спектра, так что ее очень удобно использовать для точного измерения показателей преломления.

После этого, говорит Фраунгофер в своей первой работе 1815 года: «…я решил выяснить, можно ли видеть подобную светящуюся линию в солнечном спектре. И я с помощью телескопа обнаружил не одну линию, ...некоторые из них казались почти совершенно черными». Всего он насчитал их там 574.

В результате дальнейших наблюдений он обнаружил подобные линии в спектре Венеры и Сириуса. Ещё Фраунгофер обнаружил, что в спектре пламени спиртовки на том же самом месте, где и темная линия в спектре Солнца, всегда присутствует яркая двойная желтая линия.

Спустя 43 года, в 1857 году, установили, что двойная желтая линия О в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии металла натрия.

А в 1859 году Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) и Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899), в университетской лаборатории придумали пропустить через призму луч Солнца и свет от спиртовки — сначала поочереди, а затем одновременно. Спектр Солнца был с темной линией на своем обычном месте. Когда исследователи ставили на пути луча горящую спиртовку, тёмная линия по-прежнему оставалась на месте. Но при освещении призмы только светом спиртовки на месте темной линии четко проявлялась яркая желтая линия натрия. То есть всегда пламя спиртовки поглощало те лучи, которые оно само испускало.

В зависимости от условий наблюдения линия натрия может быть либо ярко-желтой, либо темной на желтом фоне. Но в обоих случаях присутствие этой линии (все равно какой — желтой или темной!) означает, что в пламени спиртовки есть натрий.

А поскольку такая линия спектра пламени спиртовки в проходящем свете совпадает с темной линией в спектре Солнца, то, значит, и на Солнце есть натрий. Причем он находится в газовом внешнем облаке, которое освещено изнутри раскаленным ядром Солнца».

Густав Роберт Кирхгоф ( 1824 Кёнигсберг — 1887) — один из великих физиков XIX века. Короткая заметка в две страницы, написанная Кирхгофом в 1859 году, содержала сразу четыре открытия:

— каждый элемент имеет свой линейчатый спектр, а значит строго определенный набор линий;

— подобные линии можно использовать для анализа состава веществ не только на Земле, но и на звездах;

— Солнце состоит из горячего ядра и сравнительно холодной атмосферы раскаленных газов;

— на Солнце есть элемент натрий.

Так родился спектральный анализ, с помощью которого теперь можно узнавать химический состав далеких галактик, измерять температуру и скорость вращения звезд и многое другое.

Второе положение Киргхоф и Бунзен не только блестяще подтвердили, но и воспользовались им для открытия двух новых элементов: рубидия и цезия.

Линейчатый спектр состоит из набора отдельных резких линий, и возникает при нагревании газов и паров (когда малы взаимодействия между атомами). Этот набор линий неповторим для любого элемента. Более того, линейчатые спектры элементов не зависят от вида химических соединений, составленных из этих элементов! Следовательно, сразу же пришли к неизбежному выводу: поскольку линейчатый спектр возникает внутри отдельного атома, то атом должен иметь структуру, то есть иметь составные части!