В 1895 г. в спектре Солнца были установлены новые ли
нии, которые были приписаны новому газу, получившему название гелий *).
Некоторое время спустя на Земле был обнаружен в
чистом виде газ, спектр которого оказался тождественным
со спектром гипотетического гелия. Таким образом, догад ка о наличии в составе Солнца нового элемента была под
тверждена .
. Пример с гелием не только очень поучителен, но он одно
временно показывает, какое значение спектральный ана лиз имеет для решения вопроса о составе небесных тел, недо
ступных 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 Зем
ле. Данные, полученные на космических кораблях и спут
никах, подтверждают и дополняют наши сведения о составе
Луны и планет.
По существованию в спектре определенных спектральных
линий можно с несомненностью судить о присутствии ка
кого-либо элемента в изучаемой смеси, т. е. делать качест
венный
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 интен
сивность спектральных линий возрастает вместе с концент рацией данного элемента, однако связь между интенсивнос
тью 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 оп
ределять при помощи спектрального анализа к о н Ц е н т
р а Ц и ю интересующего нас элемента, т. е. производить
иколичественный анализ.
Практическое значение этих методов очень велико, ибо
они позволяют выполнять быстрые анализы состава слож
ных сплавов, играющих огромную роль в современнной тех
нике. Многие сплавы (например, различные сорта стали)
*) Гелий - от греческого слева гелиос - солнце.
414
, по внешнему виду не отличимы друг от друга, но наблюде
:иие НХ спектров позволяет определить их состав. Так как иЗГQlтовление той или иной ответственной части машины из иеподходящего сорта стали ведет к браку и аварии, то ошиб
ка в выборе материала крайне опасна. Поэтому на заводах
СССР сталь, прежде чем направлять ее в производство,
му около 1 мин. Метод экспрессного спектрального анализа
металлов был разработан под
руководством
академика
Г. С. Ландсберга (1890-1957)в
конце 30-х
годов.
Аналогично при помощи спектрального анализа произ
водится определение состава руд и минералов, что позволяет ускорить и упростить разведку ценных ископаемых и ре
шить ряд других практических задач.
§ 177. Спектры поглощения жидких И твердых тел. Если
свет от лампы накаливания проходит через цветное стекло
. или раствор краски, то цвет его изменяется. Исследование
спектра такого «профильтрованного» света показывает, что
в нем отсутствуют или ослаблены некоторые спектральные
участки, соответствующие тем длинам волн, которые п 0-
г л о Щ а ю т с я красящим веществом. Такой спектр назы
вается спектром поглощенuя.
Вид спектра поглощения зависит от поглощающего ве щества. Для разных веществ области поглощения получа
ются на разных местах спектра и имеют различную ширину
и интенсивность. Во многих случаях по виду спектра погло
щения раствора можно определить, каким поглощающим
веществом он вызван, т. е. произвести анализ раствора.
Однако в большинстве случаев спектры поглощения твер
дых и жидких тел или растворов имеют вид широких полос,
захватывающих большую часть спектра и в значительной
степени перекрывающих друг друга. Поэтому отличие од
ного поглощающего вещества от другого по их спектрам
поглощения нередко представляет затруднения. Тем не ме
нее практические методы анализа по спектрам поглощения
играют все б6льшую и б6льшую роль. Успеху дела сильно
помогает использование наряду с видимой областью спект
ра также ультрафиолетовой и инфракрасной областей.
§ 178; Спектры поглощения атомов. ЛИНИИ Фраунгофера. Наиболее характерными спектрами поглощения являются
спектры пар о в м е т а л л о в, состоящих из отдельных
атомов. Пропустим свет лампы накаливания через сосуд
с паром натрия. Мы обнаружим, что сплошной спектр лампы
415
будет прорезан двумя узкими черными линиями, распо
ложенными как раз там, где располагаются две узкие линии
испускания светящегося пара натрия (рис. 327). Это наблю
дение было сделано Кирхгофом, установившим общий
закон, согласно которому ЛШlUи nоглощения атомов точно
соответствуют их
ли
с)
ниям испускания. Таким
11
.'
·
образом, спектр погло
5)1,--------..IL.I_:---..
щения атомов так же ха
жет быть
ИСПО.1Jьзован
рактерен для них, ,{ак и
спектр испускания, и ~ю
Рис. 327. Спектр испускания (а) и
для целей
качествснного
спектр поглощения
(6) пара
натрия
анализа.
(схематическое изображеНJ!е).
Рису·
Закон Кирхгофа поз
нок имеет цветной
дубликат (см.
волил истолковать
одно
форзац)
важное наблюдение, при-
надлежащее немецкому
физику Иосифу Фраунгоферу (1787-1826).Фраунгофер, наб людая 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
KpaCHbi(J
ФtJолеmо!Jый
[ ~IIII
111
F
-111
11
I
11 t
н
Е
П
с
в
Рис. 328. Солнечный
спектр
с фраунгоферовыми
ЛИНИЯМИ поглощения
не случайны и всегда присутствуют в спектре Солнца на стро
го определенных местах (рис. 328). Линии эти, получившие название фраунгофеРО8ЫХ, не имели удовлетворительного объяснения вплоть до открытии закона Кирхгофа. Согласно этому закону ЛИНИИ Фраунгофера не что иное, как линии
поглощения паров различных уrеталлов, расположенных
между источнико:vr СГ1ЛOJl!IJOГО С!lеюра (яркой поверхнос тью Солнца, называсмой фотосферой) и спектральным при бором. Парь! ЭТИ составляют атмосферу Солнца, менее плотную и менее горячую, Чбl область фотосферы. Таким образом, спектр Солпца дает сведения о с п е к т реп о
г л о Щ е н и я этих паров.
Пользуясь законом Кирхгофа и сравнивая положеш!е
линий Фраунгофера с линИ5ВIИ ИСПУСJ<ания различных эле
ментов, можно было установить, какие элементы входят f3
416
состав поглощающих паров. Таким образом, удалось уста
новить состав аТi\юсферы, окружающей Солнце, а следова
тельно, и наличие ряда элементов, входящих в состав
солнца.
Необходимо отметить, что спектральный анализ по
спектрам поглощения паров имеет для астрономии не мень
тее значение, чем анализ по спектрам испускания, ибо поз
воляет анализировать состав тел, испускающих с п л о ш
н о й спектр, но окруженных атмосферой из паров элемен
тов.
§ 179. Излучение накаленнЫх тел. Абсолютно черное тело.
Сформулированный в предыдущем параграфе закон Кирх гофа представляет частный случай более общего закона Кирхгофа, СОГ,1аСНО которому llсnускателышя способность
нагретых тел nРОl10РЦ1l0нальна их 110глощаmельной способ
ности при той же температуре. Так, например, нагрев
до одной и той жетемпературы пластинки металла, окрашен ные белой и черной краской, мы обнаРУЖЮI, что черная
пластинка излучает с каждого квадратного саНТИ:Vlетра
больше, чем белая. В удобной фОР:Vlе этот опыт можно вы
полнить, налив горячую воду в жестяныи куб, одни гран!! которого окрашены в черный, а другие в белый цвет. Раз личие в излучении можно установить, приближая к эти:v!
граням руку или щеку, или используя какой-нибудь более удобный приемник тепла, наIIример газовый термометр (см. том 1, § 235). Сделав резервуар этого термометра в виде ПЛОСКОЙ коробки, одна поверхность КОТОРОЙ выкрашена Б черный, а другая в белый цвет, мы может на том же приборе убедиться, что черная поверхность лучше поглощает излу
чение, чем белая.
Проверка закона Кирхгофа в описаlIНЫХ выше опытах
относится к с у м м а р н о м у излучению, представляюще
му совокупность всеВОЗМОЖIIЫХ ДЛИII волн. Более тонкими
опытами можно убедиться в справедливости этого закона И для узких спектральных участков. Опыты показывают, что раскаленное те,10 и с п у с к а е т лишь волны такой длины, какой оно способно при той же телttlературе
п о г л о Щ а т ь.
Простой опыт с газовой горелкой \южет качественно
иллюстрировать этот закон. «Бесцветное» пламя газовой го
релки потому и является бесцветны,;!, слабо светящш.!ся,
что вещества, сильно нагретые в этом пламени (пар воды,
окись углерода СО, углекислота СО2), очень слабо поглоща
ют, а потому и слабо испускают n и Д и м ы е лучи света.
14 Элементарный учебннк фнзики, т. I"
417
Но если в бесцветное пламя внести крупинку поваренной
соли (хлористого натрия NaCl), то пламя сразу становится
ярко-желтым, ибо в нем появляется нагретый пар натрия,
хорошо поглощающий и в связи с этим хорошо испускаю
щий волны, соответствующие желтому цвету. Вводя в бес
цветное пламя горелки различные другие элементы, мы
можем наблюдать окрашивание его в тот или. иной цвет, в
соответствии с законом Кирхгофа. Уменьшив доступ возду
ха в горелку, мы получим я р к о е пламя, ибо при этом углерод, входящий в состав светильного газа, не успеет
полностью ОКИСЛИТЬСЯ, а останется в виде тонких пылинок
угля, хорошо поглощающего, а потому и хорошо испуска
ющего n с е в о з м о ж н ы е длины волн, которые в сово
купности дают белый свет.
Указание, что нспускательная и поглощательная способности долж· ны относиться К одной 1l той же те.Alnераmуре, очень важно, ибо способ·
ность вещества поглощать и испускать может сильно зависеть от темпе.
ратуры. 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 ыы ее ни нагревали. Однако опыт показывает, что при температуре около 1500 ос 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 ос поглощает видимый свет почти так же хо
рошо, как И металл, т. е. практически совсем непрозрачен для ВИДИМЫ)!!
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 eoJjJj" 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 свойства ми абсолютно черного тела обладает поверхность, по
крытая слое~1 копот!!, а еще лучше полость, закопченная из
. очень сильно зависит от их температуры. Включив лампочку
418
'накаливания в сеть последовательно с реостатом и регули
руя силу тока, можно постепенно повышаТf) температуру
накаливаlOщейся 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 накаливаю
щейся нити: из темно-красной она постепенно делается
ярко-белой. Отсюда следует, что с повышением температуры
быстро в о з р а с т а е т. в излучении нити Д о л я к 0-
р о т к и х в о л н.
Тщательное исследование показывает, что большая часть
энеРГИII, излучаеыой лампой накаливани я, приходится на долю НeiШДИ\1ЫХ инфракрасных лучей. С повышение\1 тем
пературы общая излучаемая энергия заметно увеличивает ся, но наиболее быстро нарастает интенсивность видимых лучей. так что и доля ИХ в общe:v! излучении быстро возрас
тает. Так, наПРЮlер, при повышении те:vшературы плати новой нити от 1000 до 1100 ос 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 теvшературы нити крайне выгодно при
использовании лампОЧКИ в качестве источника света,
ибо пр!! этом энерпш, излучаемая в форме видимого света, растет гораздо быстрее, чем общая затрачиваемая энергия.
Отношение энергии, приходящейся на видимое излуче
ние, ко всей энергии, затрачиваемой на нагрев, называют
коэффuцuентом полезного действия (к. п. д.) или коэффи
циеНIIЮJI экономичности лампы. Следующая таблица пока зывает, как зависит к. п. д. (k) от термодинамической тем пературы Т абсолютно черного тела.
Т,
К
2000
2250
2500
2750
3000
3500
k,
%
0,4
0,85
1,6
2,4
3,5
I около 5
Из этой таблицы следует, что к. п. д. лампы, вообще говоря,
невелик, но быстро возрастает с повышением температуры.
Важным прогрессом в производстве ламп накаливания *)
был переход от угольных нитей, которые нельзя было на
гревать свыше 2100 К, к лампам с нитями из вольфрама,
'''') Лампы с металлической нитью (из во.1ьфрама, молибдена и др.) были впервые предложены и запатентованы в 1890 г. А. Н. Ладыгиным
(1847-1923),
изобретшим в 1873 Г. Э.1ектрическуIO лампу накаливания
(см. ТO~!. II,
§ 62).
14*
419
которые можно накаливать без быстрого разрушения до
2500 К. Наполнение колб ламп накаливания азотом ила аргоном препятствует быстрому распылению нити и ПОЗВо ляет использовать вольфрамовые нити при температуре око.
ло 3000 К (газонаполненные лампы).
Когда оборвавшаяся нить случайно спаивается при со
трясении, то нередко ·бросается в глаза резн:ое возрастаНIIе
ЯрКОСТИ и более белый свет лампы. Причина лежит в то:..!,
что при этом нить укорачивается, ее сопротивление падает,
усиливается идущий через нее ток, повышается температура
и увеличивается к. п. д. Лампа становится экономичней,
но через короткое время такого ненормального режима
нить разрушается. В настоящее время применяются лампы,.
в которых наряду с азотом или криптоном введен пар иода,
заметно уменьшающий испарение металла раскаленной ни
ти и допускающий повышение температуры накала лампы.
ленных тел сравнительно мало отличаются друг от друга и поэтому мало
пригодны для распознавания природы тел. Однако изучение рас.
Ь'льт/щф оле
сВ. !>;
область
~
t::ii2
~
~
~
~
~:;:t3 ~
,....
~
::r::
:J::.t5t::i :t:
",-"' «::)
~
~
,~
~
~
~~:§5
~
Q)
N
~
<>::>
""
~'tJC)<X)
l' ",.. C\I
N"'
10"'
кj
ю~
Рис. 329. График распределения энергии в спектре излучения абсолют
но черного тела при различных температурах: по оси ординат отложена
интенсивность излучения, по оси абсцисс - длина волны
п р е Д е л е н и я э н е р г и и в спектре раскаленного тела ПРИВОдИl'
к важным заключениям. Это распределение для различных тел доволь но близко по своему характеру. Ограничимся рассмотрением излуче
ния раскаленного угля.
420
Рис. 329 дает представление о распределении энергии в спектре угля и об изменении распределения с температурой. Кривые показывают, что излучение охватыпа~т не только видимую, но и инфракрасную и У.1ьтра фиолетовую области спектра, причем максимум излучаемой энергии для большей части температур, указанных на рисунке, приходится на ДОJIЮ
инфракрасных JIучсii. ОБJIасть, относящаяся к видимому свечению, за
штрихована. Из рис. 329 видно, что эта область составляет малую часть всего ИЗJIучения. По мере повышения температуры растет общая излучае мая энергия (кривая становится выше) и заметно увеличивается доля видимого излучения, что соответствует сказанному в § 180.
Обращает на себя внимание тот факт, что место, соответствующее
максимуму ИЗ.1учеНIIЯ, по мере повышения температуры перемещается
в область более КОРОТКIIХ волн. Тщательное изучение и теоретический
ана.~ИЗ ЯIJ.1Ш!ИЯ показывают, что п о л о ж е н и е э т о r о м а к с и м у
м а з а в и с 11 Т Т О .~ Ь К О О Т Т е м пер а т у р ы излучающего тела.
Строго говоря. эти заКJIючения относятся к излучению аБСОJIЮТ но черного тела. Однако их можно без большой ошибки применять также к излучению раскаденных метаддов и к излучению Соднца. Это обстоятельство позволяет использовать описанный закон для ре шения важной задачи определения температуры светящихся тед. Применение этого приема к Солнцу показывает, что максимум из.1У
чения Соднца лежит окодо 500 нм, т. е. в жеJIто-зеJIеной части спек
тра, чему соответствует температура около 5800 К. Эта так называе мая эффективная me.ltnepamypa Солнца характеризует его поверхность и ничего, конечно, не говорит о внутренних слоях Солнца, где, по
видимому, температура доходит до нескольких МИJIЛИОНОВ кельвин.
Указанный ПРИБI определения температуры раскаленных тел на
ходит себе применение как в научных, так и в технических задачах
и носит название оптической nuрометрии. С его помощью определя
ют температуру раскаленного волоска ламп накаливания, температуру расплаВ:Jенного металда в плавильных печах и т. д.
Г л а в а ХXI. ДЕЙСТВИЯ СВЕТА
§ 182. Действия света на вещество. Фотоэлектрический эффект. Световая волна, падающая на тело, частично отра
жается от него, частично проходит насквозь, частично
п о г л о Щ а е т с я (см. § 76). В большинстве случаев энергия пorлощенной световой волны целиком переходит
во внутреннюю энергию вещества, что приводит к нагрева
нию тела. Нередко, однако, известная часть этой погло щенной энергии вызывает и другие явления. Очень важными
действиями света, получившими большие практические применения, являются фотоэлектрический эффект, фото
ЛЮ/,f,UнеСliеНliия и фотохимические nревращенuя.
1
Рис. 330. Фотоэффект: под действием света металл теряет отрицательные
заряды
Простейший опыт, обнаруживающий фотоэлектрический эффект (фотоэффект), уже был описан в томе II, § 9. Хоро шо очищенная цинковая пластинка 1 (рис. 330) прикреплена
к электроскопу 2 и освещается источником 3, богатым
422
ультрафиолетовым излучением (электрическая дуга или кварцевая ртутная лампа). Если электроскоп заряжен о т р и Ц а т е л ь н о, то под действием света ртутной лам пы он разряжается. Разряд происходит тем быстрее, чем
больше освещенность пластинки, т. е. чем больше световой
поток, падающий на пластинку. Явление разряда не про
исходит, если на пути лучей помещено стекло 4, задержи
вающее ультрафиолетовое излучение. Если электроскоп
заряжен п о л о ж и т е л ь н О, то заряд на нем сохра
няется, несмотря на освещение.
Из этих опытов, равно как из других, им подобных, мож
но прийти к следующим заключениям. О т р и Ц а т е л ь н ы й зар я Д т е р я е т с я с поверхности металла при освеП1,ении. П о л о ж и т е л ь н ы й зар я Д с охр а
н я е т с я на поверхности металла, несмотря на освеrцение.
Этот важный ВЫВОД, показывающий, что эффект наблюдает
ся лишь в том случае, когда освещаемая пластинка соеди
нена с отрицательным полюсом батареи, впервые с полной определенностью был установлен русским физиком Алек
сандро,,! Григорьевичем Столетовым (1839-1896).В случае
цинковой пластинки существенное значение для явления
имеет освещение ультрафиолетовым излучеНi1€\1. Описанный опыт показывает различие в свойствах от
рицательных и положительных зарядов, входяrцих в состав
металла. Первые представляют собой электроны, слабо свя
занные с металлом и могущие легко перемещаТhСЯ в металле
(проводимость) и сравнительно легко удаляться за его пре делы (фотоэффект). Вторые же являются положительны\!и
ионами, составляющими решетку этого металла, так что вы
рывание их есть не что иное, как распыление самого метал
ла. Если металл заряжен отрицательно, то освобожденный электрон удаляется прочь от металла под действием элект рического поля, созданного заряженным металлом. В случае
положительного заряда электроны, которые всегда имеются
в металле, могли бы быть также освобождены светом.
Но электрическое поле, имеющееся вокруг положительно
заряженного тела, т о р м о з и т вылетевшие электроны
и стремится вернуть их обратно к телу. Поэтому, если кине тическая энергия вылетевшего электрона (а следовательно, и его скорость) недостаточно велика, то электроны, несмотря
на действие света, не могут покинуть пластинку, и поло
жительный заряд ее остается неизменным.
Способность света вызывать отделение электронов от ме
талла является одним из важнейших доказательств элект
ромагнитного характера световой волны. Под действием
