Под знаком кванта

То было время наполеоновских войн и больших перемен в Европе. А Фраунгофер между тем в заштатном городке Бенедиктбейрене шлифовал оптические стекла и тщательно изучал темные линии в спектре Солнца. Он насчитал их там 574, дал главным из них названия и указал их точное местоположение в спектре. Постепенно он убедился, .что положение их было строго неизменным, и с успехом использовал этот факт для контроля качества ахроматических линз: недаром телескопы Фраунгофера славились по всей Европе.

Среди многочисленных линий солнечного спектра Фраунгофер особо отметил несколько наиболее ярких, одна из которых — резкая двойная D-линия — всегда появлялась в желтой части спектра. В дальнейшем он обнаружил, что в

спектре пламени спиртовки в том же месте шкалы спектроскопа видна точно такая же двойная, но уже не темная, а ярко-желтая линия. Смысл и значение этого наблюдения оценили только много лет спустя.

В 1819 г. Фраунгофер переехал в Мюнхен, стал там профессором, членом Академии наук и хранителем физического кабинета. Продолжая свои исследования темных линий в спектре Солнца, он убедился, что их причина — не оптический обман, а сама природа солнечного света. Побуждаемый странной природой этих линий к дальнейшим наблюдениям, он открыл их затем в спектре Венеры и Сириуса. Иосиф Фраунгофер умер и похоронен в Мюнхене в 1826 г. На его могиле — надпись: «Approximavit sidera» — «Приблизил звезды». Но лучший памятник ему — его открытия.

Среди них для нас особенно важно сейчас его наблюдение двойной D-линии. Тогда, в 1814 г., когда он опубликовал свои исследования, на них особого внимания не обратили. Однако мысли его не пропали: прошло 43 года, и Уильям Сван (1828—1914) установил, что двойная желтая D-линия в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии металла натрия. (Его следы в составе поваренной соли почти всегда можно найти в различных веществах и в спиртовке — тоже.) Как и многие до него, Сван не понял значения своего открытия и потому не сказал решающих слов: «эта линия принадлежит металлу натрию».

К этой простой и важной мысли пришли только два года спустя, в 1859 г., два профессора: Густав Роберт Кирхгоф (1824—1887) и Роберт Вильгельм Бунзен (1811 —1899), В Гейдельберге, в старой университетской лаборатории, они поставили несложный опыт. До них через призму пропускали либо только солнечный свет, либо только свет от спиртовки. Кирхгоф и Бунзен пропустили и то и другое одновременно и обнаружили явление, о котором стоит рассказать подробно.

Если на призму падал только луч Солнца, то на шкале спектроскопа они видели спектр с темной линией на своем обычном месте. Темная линия по-прежнему оставалась там же и в том случае, когда исследователи ставили на пути света горящую спиртовку. Но если на пути солнечного света помещали экран и освещали призму только светом спиртовки, то на месте темной D-линии четко «проявлялась» яркая желтая D-линия натрия. Кирхгоф и Бунзен убирали экран — D-линия вновь становилась темной. Они заменяли луч Солнца светом от раскаленного тела — результат был всегда тот же: если через пламя спиртовки пропустить яркий луч, то на месте двойной ярко-желтой линии спектра спиртовки возникала точно такая же, но темная. То есть всегда пламя спиртовки поглощает те лучи, которые оно само испускает.

Чтобы понять, почему это событие взволновало двух профессоров, проследим за их рассуждениями.

Ярко-желтая D-линия в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии натрия.

В спектре Солнца на этом же месте находится темная линия неизвестной природы.

Спектр излучения раскаленного тела — сплошной, и в нем нет темных линий. Однако если пропустить его через пламя спиртовки, то в его спектре также возникает темная линия и на том же самом месте. Но природу этой темной линии мы уже почти знаем, во всяком случае мы можем догадываться, что она принадлежит натрию. Следовательно, в зависимости от условий наблюдения D-линия натрия может быть либо ярко-желтой, либо темной на желтом фоне. Но в обоих случаях присутствие этой линии (все равно какой — желтой или темной!) означает, что в пламени спиртовки есть натрий. А поскольку такая линия спектра пламени спиртовки в проходящем свете совпадает с темной D-линией в спектре Солнца, то значит и на Солнце есть натрий. Причем он находится в газовом внешнем облаке, которое освещено изнутри раскаленным ядром Солнца.

Короткая заметка (всего две страницы), которую написал Кирхгоф в 1859 г., содержала сразу четыре открытия: каждому элементу присущ свой линейчатый спектр, то есть строго определенный набор спектральных линий;

эти линии можно использовать для анализа состава веществ не только на Земле, но и на звездах;

Солнце состоит из горячего ядра и сравнительно холодной атмосферы раскаленных газов;

на Солнце есть натрий.