3.2. Открытие спектрального анализа.

В 1960 г. Отмечалось столетие со дня открытия Кирхгофом и Бунзеном спектрального анализа. Это открытие произвело глубокое впечатле­ние на современников и имело огромное значение для развития всей систе­мы наших знаний об окружающем мире. Достаточно сказать, что без спектрального анализа мы до сих пор ничего не знали бы о составе небесных тел, если не говорить о метеоритах, изредка попадающих в наши руки.

Незадолго до великого открытия Кирхгофа и Бунзена французский философ О. Конт писал, что у человечества нет никакой надежды, узнать, из чего состоят Солнце и звезды. Прошло несколько лет, и спектроскоп Кирхгофа опроверг это пессимистическое предсказание, как были опро­вергнуты многие другие предсказания философов и теологов, пытавшихся ограничить возможности человеческого познания на основании общих положений своих учений и религий.

Первые пятьдесят лет спектрального анализа были годами его наибо­лее крупных успехов. После того, как было установлено, что каждому химическому элементу принадлежит свой спектр, являющийся столь же характерным признаком элемента, как дактилоскопический отпечаток — признаком человека, началась погоня за спектрами. Оказалось, что слабые лучи света, идущие к нам тысячи лет от отдаленных звезд и туманностей, доносят огромное количество сведений о мирах, которые они покинули. Исследование спектрального состава этих лучей дает сведения не только о составе, но также о температуре и о движении звезды.

С первых дней своего существования спектральный анализ помог сделать ряд важных открытий. Направив спектроскоп на Солнце в 1861 г., Кирхгоф проводит гигантскую работу, едва не приведшую его к полной слепоте: он составляет первый атлас солнечного спектра и сравнивает его со спектрами ряда элементов. С неопровержимой убедительностью доказывает он присутствие в хромосфере железа и высказывает достаточно обоснованное предположение о существовании в хромосфере элементов: Са, Mg, Na, Ni, Сг. Присутствие в хромосфере Со, Ва, Сu и Zn рассматри­вается им как вероятное.

Можно только удивляться объему полученных результатов, убедительности доказательств и тщательности измерений, которые были достигнуты Кирхгофом при грубой аппаратуре и ограниченных эксперименталь­ных возможностях того времени (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Спектроскоп Кирхгофа и Бунзена, использованный ими в первых исследованиях по спектральному анализу.

Так впервые были получены сведения о составе Солнца. Впоследствии исследовались также спектры звезд и туманностей. Не менее триумфаль­ными были наблюдения спектров земных объектов.

В 1861 г. Кирхгоф и Бунзен открывают два новых элемента — щелоч­ные металлы цезий и рубидий. В том же году Крукс, исследуя спектр отхо­дов производства серной кислоты, открывает таллий. В 1863 г. Райх и Рихтер обнаруживают яркие синие линии в спектре одного образца цин­ковой обманки и открывают индий. В 1875 г. Лекок де Буабодран по спек­тру цинковой обманки из Пиренеев обнаруживает новый элемент, родствен­ный индию,— галлий. В 1868 г. Английский астроном Локьер обнаружил яркую желтую линию в спектре хромосферы. Он приписал ее новому эле­менту, названному им гелием. Локьер довольно легко придумывал гипотезы, которые потом не подтверждались, но этой гипо­тезе повезло: в 1875 г. Рамзай выделил инертный газ из минерала клеевита и точными измерениями доказал тождественность излучаемой им линии с линией, приписанной гелию. Так гелий из гипотетического солнечного вещества превратился в полноправного члена периодической системы элементов. Это был один из величайших триумфов спектрального анализа.

В конце XIX в. С помощью спектроскопа Рамзай и Рэлей открывают аргон, и вскоре Рамзай и Траверс находят и остальные инертные газы: неон, ксенон и криптон. В конце XIX и начале XX вв. Демарсэ, Лекок де Буа­бодран и Урбэн исследуют спектры редких земель. Только благодаря спек­троскопии удается установить 14 индивидуальных элементов этой группы. Добавим сюда еще открытый в 1923 г. Гафний — последний элемент, кото­рый был обнаружен по его спектру (правда, уже рентгеновскому). Итого спектроскопии принадлежит заслуга открытия 25 элементов. Это примерно 30% всех элементов, существующих в земной коре. В этой цифре, пожалуй, наиболее убедительно проявляется значение спектрального метода. С начала его развития стало ясно, что спектроскопия является очень чувствительным методом — с ее помощью можно открывать такие количе­ства элемента, которые недоступны для обычного химического анализа.

Открытием ряда новых элементов в основном была завершена первая блестящая эпоха развития спектрального анализа. Не все, конечно, про­текало гладко. Так, например, спектроскоп открыл в некоторых туман­ностях новый элемент, названный «небулием», а в спектре солнечной короны были наблюдены линии, приписанные элементу «коронию». Впоследствии небулий оказался кислородом, а короний — кальцием.

К началу первой мировой войны спектральный анализ, как очень чувствительный и весьма быстрый способ химического анализа, применял­ся для решения многих задач, труднодоступных для других методов. С его помощью, например, француз де Грамон доказал, что взрывы на улицах Парижа происходят от снарядов «Большой Берты», из которой немцы обстреливали город с невиданной ранее дистанции (120 км), а будущий кудесник оптического эксперимента Роберт Вуд еще в 1891 г. Наглядно продемонстрировал, что в студенческой столовой одного из американских университетов студентов кормят жарким, приготовленным из остатков не доеденных вчера бифштексов. Несмотря на столь широкий диапазон проблем, доступных спектральному анализу, он пока не использовался широко в аналитической практике. Причин этому было две. Во-первых, до 20-х годов спектральный анализ был чисто качественным, в лучшем случае полуколичественным методом. С его помощью можно было узнать, присутствует ли интересующий нас элемент в пробе; можно было отве­тить на вопрос, много или мало этого элемента, но измерить его содержание со сколько-нибудь хорошей точностью не удавалось. Такой метод анализа не годился для большинства технических задач. Вторая причина лежала в редкости и дороговизне аппаратуры, а также в малом количестве людей, владевших спектрально-аналитической методикой: для химиков она была слишком сложна и необычна, физики стояли далеко от аналитических задач.

В первой четверти двадцатого века было в основном закончено созда­ние качественного спектрального анализа: изучены спектры большинства элементов, и составлены таблицы этих спектров, установлены наиболее пригодные для анализа линии, хорошо разработана техника фотографиро­вания и измерения спектров. К концу этого периода началась разработка методов количественного спектрального анализа и приложение этих методов к решению ряда производственных задач.

В Советском Союзе Г. С. Ландсберг и Д. С. Рождественский в начале 30-х годов организовали лаборатории, задачей которых было развитие и внедрение в промышленность методов спектрального анализа. К тому времени уже стало ясно, что спектроскопия может успешно конкурировать с другими химическими методами анализа, а в ряде случаев обладает серьез­ными преимуществами перед ними. Разработка методов спектрального анализа пошла по пути повышения его точности, чувствительности и про­изводительности. Кроме того, конструировалась аппаратура и преодоле­валось недоверие к новому методу со стороны приверженцев классической аналитической школы. Последнее, кажется, было самым трудным этапом, так как еще и сегодня можно услышать мнение, что хотя спектральный анализ и очень чувствителен, но его точность слишком мала.

Все же сейчас уже никто не сомневается в том, что спектральный ана­лиз принадлежит к числу основных методов исследования состава веще­ства, и примерно с 30-х годов до настоящего времени происходит непре­рывное совершенствование методов качественного и количественного спектрального анализа и все более широкое его проникновение в технику для решения чисто практических задач контроля производства металлов и реактивов, геологической разведки и ряда других.