ПРО ЩО МОЖЕ РОЗПОВІСТИ СВІТЛО?

Атоми тих хімічних елементів, у яких багато електронів на різних енергетичних рівнях, у збудженому стані випускають багато різних фотонів, лише деякі з них ми сприймаємо як світлові. Однак, що цікаво, атоми певного виду випромінюють саме їм притаманний набір фотонів.

Ця властивість стала основою такого методу дослідження світла, як спектральний аналіз, завдяки якому було зроблено величезний прорив в астрономії. Якщо в 1842 р. філософ Огюст Конт (1798—1857, Франція) зауважив, що «ніколи та ніяк нам не вдасться вивчити хімічний склад небесних світил», то вже за двадцять років за допомогою спектрального аналізу астрономи навчилися визначити не лише хімічний склад небесних тіл, а і їхні температуру, швидкість руху, відстані до них та багато іншого.

Однак перед тим нам потрібно з’ясувати ще дещо. На малюнку 6.2 позначено, що атом випромінює фотони, які різняться кольором (колір зумовлений частотою випромінювання). Та світло від, наприклад, Сонця чи лампи ми не бачимо таким кольоровим. Нам воно видається білим. Проте барвисту веселку, створену сонячним світлом, усі ви неодноразово бачили. Першим, хто зрозумів, що біле світло та веселка якось пов’язані між собою, був Ісаак Ньютон.

Під час удосконалення телескопів Ньютон звернув увагу на те, що зображення, отримане в телескопі, по краях забарвлене. Він зацікавився цим і перший «...досліджував різноманітність світлових променів і різні властивості кольорів, які при цьому з’являються, про що раніше ніхто не підозрював». (Уривок з напису на могилі І. Ньютона.) Основний дослід Ньютона був геніально простим. За допомогою тригранної призми І. Ньютон розклав сонячне світло в послідовність променів різних кольорів від червоного до фіолетового. Отриману за допомогою призми кольорову смужку І. Ньютон назвав латинським словом spectrum — спектр. Він також першим побудував спектроскоп — спеціальний прилад для отримання спектра.

У тому, що кольорове світло нам видається білим, легко переконатися самому. https://www.youtube.com/watch?v=Q0hcrvP6DLM

Мал. 6.5, а — кольори спектра: Чарівниця Осінь Живе За Берегом Світлої Фантазії; б — перший спектроскоп

Залежно від стану речовини та фізичних умов, у яких вона перебуває, розрізняють три основні види спектрів випромінювання: неперервний (суцільний), лінійчатий (атомарний) і смугастий (молекулярний) (мал. 6.6).

Мал. 6.6. Види спектрів випромінювання

Якщо на тлі неперервного спектра видно темні лінії, то такий спектр називають спектром поглинання (мал. 6.7). Саме з такими спектрами здебільшого й мають справу астрономи.

Мал. 6.7. Спектри поглинання

Спектральний аналіз має широке використання в металургії, хімії, геології, астрофізиці, медицині та біології. За виглядом спектра можна визначити хімічний склад і температуру тіла, за шириною спектральних ліній — його густину. Зміщення ліній у спектрі свідчить про рух тіла вздовж променя зору спостерігача. (Пригадуєте ефект Доплера?) Під час проведення спектрального аналізу користуються спеціальними таблицями або атласами спектральних ліній, у яких наведено точне розміщення ліній спектра кожного хімічного елемента або довжини хвиль, що їм відповідають. За допомогою спектрального аналізу були відкриті нові хімічні елементи — Рубідій і Цезій. Цікава історія відкриття Гелію. Спочатку він був виявлений під час аналізу спектра сонячного випромінювання в 1868 р., звідки й походить його назва (від грец. «геліос» — Сонце), а вже згодом його виявили на Землі.

Основні переваги спектрального аналізу — дуже висока чутливість, простота та швидкість проведення.