Спектральний аналіз, Зірковий всесвіт і планета Земля

Спектральний аналіз - вперед, до фізики зірок

Справжнє значення відкриттів Фраунгофера було оцінено ще кілька десятиліть. Нарешті приблизно 1860 року Роберт Вільгельм Бунзен (18111899) і Густав Роберт Кірхгоф продемонстрували важливість спектральних ліній у хімічному аналізі. Кірхгоф навчався в Кенігсберзі і в юному віці, у 26 років, отримав посаду професора в університеті м. Бреслау (нині Вроцлав). Там він познайомився із Бунзеном, і вони стали друзями. Коли Бунзен переїхав до Гейдельберга, він зміг знайти там місце і для Кірхгофа. У 1871 Кірхгоф став професором теоретичної фізики в Берліні. Говорять, що Кірхгоф на своїх лекціях швидше приспав студентів, а не надавав їм ентузіазму, але серед його студентів були і Генріх Герц, і Макс Планк, які стали великими фізиками.

Довгий час Кірхгоф у співпраці з Бунзеном проводив свої успішні дослідження. Бунзен розпочав аналіз хімічного складу зразків за кольором, який вони надавали безбарвному вогню його знаменитого пальника. Кірхгоф вирішив, що краще використовувати спектроскоп для більш точного вимірювання довжини хвилі (кольору). Коли це вдалося здійснити, усі лінії Фраунгофера були ототожнені. Виявилося, що характерний колір полум'я обумовлений яскравими спектральними лініями різної довжини хвилі у різних елементів. Кожен елемент має власну характерну ознаку у вигляді спектральних ліній, які з'являються, коли зразок нагрівається до такої температури, щоб він перетворився на гарячий газ. По спектральним лініях можна визначити хімічний склад досліджуваного зразка. У листі, датованому 1859 роком, Бунзен писав: «Зараз разом з Кірхгоф ми проводимо дослідження, які не дають нам заснути. Кірхгоф зробив несподіване відкриття.Він знайшов причину виникнення темних ліній у спектрі Сонця, і він здатний відтворити ці лінії… у безперервному спектрі полум'я на тих самих місцях, що й лінії Фраунгофера. Це відкриває шлях до визначення хімічного складу Сонця та нерухомих зірок. ». Насправді ще 1849 року Жан Фуко (18191868) у Парижі виявив збіг між лабораторними спектральними лініями та лініями в спектрі Сонця. Але з якихось причин його відкриття виявилося забутим. Нічого не знаючи про роботу Фуко, Бунзен та Кірхгоф повторили та вдосконалили його досліди.

Кірхгоф узагальнив свої результати у вигляді так званих законів Кірхгофа.

I закон Кірхгофа: Гарячий щільний газ та тверді тіла випромінюють безперервний спектр. Спектр називають безперервним, якщо в ньому представлені всі кольори веселки і тому немає темних ліній.
II закон Кірхгофа: Розріджені (мають низьку пліт

гази випромінюють спектр, що складається з яскравих ліній. Чи яскраві ні з певними довжинами хвиль називають також емісійними ми лініями. Як уже говорилося, спектр з емісійними лініями виникає від гарячого, розрідженого газу в полум'ї бунзенівського пальника, що спостерігається на темному тлі. Однак якщо за пальником поставити джерело світла і пустити інтенсивний промінь світла крізь газ цього полум'я, можна припустити, що світло пальника і світло, що йде від джерела за пальником, будуть складатися. Якщо ж світло, що приходить з-за пальника, має безперервний спектр, можна очікувати, що яскраві лінії полум'я пальника накладатимуться на безперервний спектр. Але Кірхгоф цього не побачив. Навпаки, він бачив безперервний спектр із темними лініями на тих місцях, де мали бути емісійні лінії. І це він зафіксував у своєму третьому законі.

ІІІ законКірхгофа: Коли безперервний спектр проходить через розріджений газ, у спектрі виникають темні лінії.

Темні лінії називаються абсорбційними лініями або лініями поглинання. У спектрі Сонця безперервне випромінювання виходить з нижніх відносно гарячих (близько 5500 ° С) і щільних шарів сонячної поверхні. На шляху вгору світло проходить через холодніші і розріджені шари сонячної атмосфери, що дає темні лінії Фраунгофера. Спектральний аналіз дозволив дослідити хімічний склад Сонця і навіть зірок. Наприклад, дві сусідні темні спектральні лінії «Е» у сонячному спектрі помітні як яскраві лінії у спектрі гарячого натрієвого газу. З цього Кірхгоф та Бунзен зробили висновок, що на Сонці багато газоподібного натрію. Крім того, вони знайшли в спектрі Сонця ознаки заліза, магнію, кальцію, хрому, міді, цинку, барію та нікелю. До кінця століття було відкрито водень, вуглець, кремній та невідомий елемент, який назвали гелієм на честь грецького імені Сонця. В1895 гелій був виявлений і на Землі. Найпростіший спектр із всіх елементів виявився у водню. Його спектральні лінії утворюють такий простий і стрункий ряд, що викладач Базельського університету (Швейцарія) Йоганн Якоб Бальмер (1825-1898) придумав просту формулу для визначення їх довжин хвиль. Цю серію спектральних ліній водню називають бальмерівськими лініями. Але неможливо визначити ступінь великої кількості елементів на Сонці тільки на основі інтенсивності спектральних ліній кожного елемента. За допомогою складних обчислень, що враховують температуру, було з'ясовано, що найбільшим елементом на Сонці є водень (хоча його спектральні лінії не дуже інтенсивні), а друге місце займає гелій. На долю всіх інших елементів припадає менше 2% (табл., вказано такожвелика кількість найпоширеніших елементів Землі й у людському тілі).