Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

где n и m — целые числа, причем m n + 1 ).

Спектры других атомов значительно сложнее, и распределение их линий в серии не так просто. Оказалось, однако, что спектральные линии всех атомов могут быть распределены в серии. Крайне важно, что сериальные закономерности для всех атомов могут быть представлены в форме, подобной формуле Бальмера, причем постоянная R имеет почти одно и то же значение для всех атомов.

Существование спектральных закономерностей, общих для всех атомов, указывало несомненно на глубокую связь этих закономерностей с основными чертами атомной структуры. Действительно, датский физик, создатель квантовой теории атома Нильс Бор (1885–1962) в 1913 г. нашел ключ к пониманию этих закономерностей, установив в то же время основы современной теории атома (см. гл. XXII).

§ 176. Спектральный анализ по спектрам испускания. Каждый атом испускает свои определенные спектральные линии, составляющие его спектр. Различные атомы имеют иногда отдельные с л у ч а й н о совпадающие линии, но спектр атома

вцелом вполне характерен для этого атома. Поэтому появление совокупности спектральных линий, принадлежащих какому-ни- будь атому, является верным признаком того, что данный элемент находится среди светящихся паров источника. Это важное правило было установлено немецкими физиком Густавом Кирхгофом (1824–1887) и химиком Робертом Бунзеном (1811–1899)

в1859 г. и послужило основанием для создания спектрального метода химического анализа. При его помощи можно открывать присутствие интересующего нас элемента даже в том случае, когда количество этого элемента очень мало. Примесь вещества,

масса которого составляет 10−7–10−8 г, может быть надежно установлена; в некоторых особо благоприятных случаях обнаруживаются и вещества, масса которых не превышает 10−10 г.

Кирхгоф и Бунзен сделали при помощи своего метода несколько важных открытий. Исследуя спектр пара смеси соединений щелочных металлов (лития, натрия и калия), они

1) Кроме приведенных выше трех серий, в спектре водорода обнаружены еще три серии: серия Брэкета (n = 4), серия Пфунда (n = 5) и серия Хамфри (n = 6).

В 1895 г. в спектре Солнца были установлены новые линии,

которые были приписаны новому газу, получившему название

гелий 1).

Некоторое время спустя на Земле был обнаружен в чистом виде газ, спектр которого оказался тождественным со спектром гипотетического гелия. Таким образом, догадка о наличии в составе Солнца нового элемента была подтверждена.

Пример с гелием не только очень поучителен, но он одновременно показывает, какое значение спектральный анализ имеет для решения вопроса о составе небесных тел, недоступных прямому химическому исследованию. В настоящее время благодаря спектральному анализу мы имеем довольно полные сведения о составе Вселенной и установили, что она построена из тех же элементов, которые имеются и на Земле. Данные, полученные на космических кораблях и спутниках, подтверждают и дополняют наши сведения о составе Луны и планет.

По существованию в спектре определенных спектральных линий можно с несомненностью судить о присутствии какого-либо элемента в изучаемой смеси, т. е. делать качественный анализ. Наблюдение же над и н т е н с и в н о с т ь ю соответствующей спектральной линии позволяет судить и о к о л и ч е с т в е данного элемента в пробе. Эта задача гораздо более сложная потому, что хотя интенсивность спектральных линий возрастает вместе с концентрацией данного элемента, однако связь между интенсивностью и концентрацией не проста. Существует много причин, могущих влиять на интенсивность линии при неизменной концентрации. Поэтому лишь сравнительно недавно удалось разработать методы исследования, которые позволяют определять при помощи спектрального анализа к о н ц е н т р а ц и ю интересующего нас элемента, т. е. производить и количественный анализ.

Практическое значение этих методов очень велико, ибо они позволяют выполнять быстрые анализы состава сложных сплавов, играющих огромную роль в современной технике. Многие сплавы (например, различные сорта стали) по внешнему виду не отличимы друг от друга, но наблюдение их спектров позволяет определить их состав. Так как изготовление той или иной ответственной части машины из неподходящего сорта стали ведет к браку и аварии, то ошибка в выборе материала крайне опасна. Поэтому на заводах СССР сталь, прежде чем направлять ее

1) Гелий — от греческого слова гелиос — Солнце.

для них, как и спектр испускания, и может быть использован для целей качественного анализа.

Рис. 327. Спектр испускания (а) и спектр поглощения (б) пара натрия (схематическое изображение). Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

Закон Кирхгофа позволил истолковать одно важное наблюдение, принадлежащее немецкому физику Иосифу Фраунгоферу (1787–1826). Фраунгофер, наблюдая в 1817 г. спектр Солнца при помощи сделанного им спектроскопа с дифракционной решеткой, обратил внимание на то, что сплошной спектр Солнца содержит значительное число черных линий. Фраунгофер установил, что линии эти не случайны и всегда присутствуют в спектре Солнца на строго определенных местах (рис. 328). Линии эти, получившие название фраунгоферовых, не имели удовлетворительного объяснения вплоть до открытия закона Кирхгофа. Согласно этому закону линии Фраунгофера не что иное, как линии поглощения паров различных металлов, расположенных между источником сплошного спектра (яркой поверхностью Солнца, называемой фотосферой) и спектральным прибором. Пары´ эти составляют атмосферу Солнца, менее плотную и менее горячую, чем область фотосферы. Таким образом, спектр Солнца дает сведения о с п е к т р е п о г л о щ е н и я этих паров.

Рис. 328. Солнечный спектр с фраунгоферовыми линиями поглощения

Пользуясь законом Кирхгофа и сравнивая положение линий Фраунгофера с линиями испускания различных элементов, можно было установить, какие элементы входят в состав поглощающих паров. Таким образом, удалось установить состав атмосферы, окружающей Солнце, а следовательно, и наличие ряда элементов, входящих в состав Солнца.

Необходимо отметить, что спектральный анализ по спектрам поглощения паров имеет для астрономии не меньшее значение,

14 Г. С. Ландсберг

щий в состав светильного газа, не успеет полностью окислиться,

аостанется в виде тонких пылинок угля, хорошо поглощающего,

апотому и хорошо испускающего в с е в о з м о ж н ы е длины волн, которые в совокупности дают белый свет.

Указание, что испускательная и поглощательная способности должны относиться к одной и той же температуре, очень важно, ибо способность вещества поглощать и испускать может сильно зависеть от температуры. Так, палочка плавленого кварца совершенно б е с ц в е т н а и, следовательно, не поглощает видимых лучей. Казалось бы, на основании закона Кирхгофа, что эта палочка не может испускать видимый свет, как бы сильно мы ее ни нагревали. Однако опыт показывает, что при температуре около 1500 ◦C палочка плавленого кварца ярко светится, не уступая раскаленной добела платиновой проволоке. Причина лежит, конечно, не в нарушении закона Кирхгофа, а в том, что плавленый кварц при температуре около 1500 ◦C поглощает видимый свет почти так же хорошо, как и металл, т. е. практически совсем непрозрачен для видимых лучей, тогда как при комнатной температуре он вполне прозрачен.

Так как согласно закону Кирхгофа испускание нагретых тел пропорционально их поглощательной способности, то наибольшим испусканием при данной температуре будет обладать тело, которое имеет максимальный коэффициент поглощения. Согласно §§ 76 и 166 максимальное значение коэффициента поглощения равно единице. В этом случае тело полностью поглощает все падающее на него излучение. Если коэффициент поглощения равен единице для всех длин волн, то такое тело называют абсолютно черным телом. Абсолютно черное тело излучает в любой области спектра больше энергии, чем всякое другое тело, имеющее ту же температуру. Для довольно большой области спектра — от инфракрасного до ультрафиолетового излучения свойствами абсолютно черного тела обладает поверхность, покрытая слоем копоти, а еще лучше полость, закопченная изнутри и имеющая небольшое отверстие (ср. § 170).

§ 180. Зависимость излучения накаленных тел от температуры. Лампы накаливания. Излучение накаленных тел очень

сильно зависит от их температуры. Включив лампочку накаливания в сеть последовательно с реостатом и регулируя силу тока, можно постепенно повышать температуру накаливающейся нити. Мы замечаем при этом, что яркость нити быстро возрастает с температурой. Кроме того, отчетливо заметно и з м е н е н и е ц в е т а накаливающейся нити: из темно-красной она постепенно делается ярко-белой. Отсюда следует, что с повышением

14*

420 Гл. XX. Спектры и спектральные закономерности

температуры быстро в о з р а с т а е т в излучении нити д о л я к о р о т к и х в о л н.

Тщательное исследование показывает, что б´ольшая часть энергии, излучаемой лампой накаливания, приходится на долю невидимых инфракрасных лучей. С повышением температуры общая излучаемая энергия заметно увеличивается, но наиболее быстро нарастает интенсивность видимых лучей, так что и доля их в общем излучении быстро возрастает. Так, например, при повышении температуры платиновой нити от 1000 до 1100 ◦C общая излучаемая энергия возрастает в 1,5 раза, а энергия, приходящаяся на д о л ю зеленых лучей, увеличивается в 20 раз. Из сказанного ясно, что повышение температуры нити крайне выгодно при использовании лампочки в качестве источника света, ибо при этом энергия, излучаемая в форме видимого света, растет гораздо быстрее, чем общая затрачиваемая энергия.

Отношение энергии, приходящейся на видимое излучение, ко всей энергии, затрачиваемой на нагрев, называют коэффициентом полезного действия (к. п. д.) или коэффициентом экономичности лампы. Следующая таблица показывает, как зависит к. п. д. (k) от термодинамической температуры T абсолютно черного тела.

Из этой таблицы следует, что к. п. д. лампы, вообще говоря, невелик, но быстро возрастает с повышением температуры.

Важным прогрессом в производстве ламп накаливания 1) был переход от угольных нитей, которые нельзя было нагревать свыше 2100 К, к лампам с нитями из вольфрама, которые можно накаливать без быстрого разрушения до 2500 К. Наполнение колб ламп накаливания азотом или аргоном препятствует быстрому распылению нити и позволяет использовать вольфрамовые нити при температуре около 3000 К (газонаполненные лампы).

Когда оборвавшаяся нить случайно спаивается при сотрясении, то нередко бросается в глаза резкое возрастание яркости и более белый свет лампы. Причина лежит в том, что при этом нить укорачивается, ее сопротивление падает, усиливается идущий через нее ток, повышается температура и увеличивается

1) Лампы с металлической нитью (из вольфрама, молибдена и др.) были впервые предложены и запатентованы в 1890 г. А. Н. Ладыгиным (1847–1923), изобретшим в 1873 г. электрическую лампу накаливания (см. том. II, § 62).