Спектральный анализ как метод научных исследований, основанный на изучении распределения излучения по длинам волн (изначально по цветам видимого света), довольно долго рождался в недрах оптики. Еще в опыте Ньютона с призмой заложены предпосылки для создания спектральных приборов, основу которых составляют диспергирующие элементы, то есть оптические устройства, разлагающие излучение на цветовые (спектральные) составляющие. В опыте Ньютона диспергирующим элементом является призма. Важным этапом, связанным со спектральным анализом, стали исследования по ахроматизации линз, начатые Долландом. Поиск путей ахроматиза- ции сопровождался измерением дисперсии оптических материалов. При проведении таких измерений Иозеф Фраунгофер (1787—1826) обнаружил в спектре излучения свечи яркую желтую линию, всегда находившуюся в одном и том же месте спектра. Это обстоятельство было весьма удобно использовать при проведении спектральных измерений, в частности для измерения показателя преломления стекол. Исследуя солнечный спектр, Фраунгофер обнаружил множество темных линий — провалов в непрерывном спектре, как бы разделяющих непрерывный спектр на зоны. Он обозначил эти линии буквами латинского алфавита. Положение темных линий в солнечном спектре, названных позднее линиями Фраунгофера, оказалось строго фиксированным. Кроме того, темная линия солнечного спектра, обозначенная буквой D, всегда находилась в том же положении, что и яркая линия в спектре излучения свечи (эта линия известна теперь как желтая линия натрия). В спектральных приборах кроме призм Фраунгофер впервые начал использовать дифракционные решетки и теоретически рассмотрел дифракцию плоских световых волн (дифракцию в параллельных лучах), именуемую сегодня дифракцией Фраунгофера. Фраунгофер получал дифракционные решетки из тончайших, близко расположенных нитей, или путем нанесения на стекло рисок с помощью алмазного резца. Для получения спектра необходимо, чтобы плотность штрихов (рисок, нитей) была не менее 40 на миллиметр. Фраун- гоферу удалось получить плотность штрихов до 300 линий на миллиметр, что по тем временам было величайшим техническим достижением. Принцип получения спектра с помощью дифракционной решетки поясняется рис. 2.12. Решетка состоит из чередующихся узких прозрачных и непрозрачных участков (штрихов), параллельных друг другу и расположенных через равные промежутки — линейный период решетки d. При нормальном падении на решетку фронта волны излучения (перпендикулярно к поверхности решетки) разность хода лучей, идущих от соответствующих точек штрихов, например от Ах и А1, равна А2Б = d sin (р. Эта разность будет такой же для любых других соответствующих точек. Для того, чтобы наблюдались максимумы дифракционной картины, необходимо выполнение условия синфазности волн, то есть Jsinq>= mX/d, где т = 0, ± 1, ± 2, ± 3,... 199 Раздел II. Основные направления классической науки lilt фронт падающей волны фронт отклонённой, волны Рис. 2.12. К принципу действия дифракционной решетки Таким образом, угол дифракции, соответствующий максимумам, определяется соотношением sin ф = mk /d. Отсюда следует, что для различных длин волн направления на максимумы различны, угол отклонения зависит от периода решетки d и увеличивается с уменьшением d. Поэтому, чем больше плотность штрихов решетки, тем отчетливее спектральная картина. Кроме того, дифракционная картина будет более четкой, если лучи, падающие на дифракционную решетку, параллельны, так как угол падения, один и тот же для всех лучей, не вызовет дополнительной разности хода. Накопление научных фактов в области спектральных исследований проходило по двум направлениям — исследование спектров испускания и исследование спектров поглощения. Объединить эти два направления удалось немецким ученым Густаву Кирхгофу (1824—1887) и Роберту Бунзену (1811 — 1899), которые стали основоположниками спектрального анализа. К имевшимся оптическим инструментам, используемым в анализе спектров, Бунзен добавил источник высокотемпературного несветящегося пламени, известный как «горелка Бунзена». Эта горелка позволяла переводить в парообразное состояние различные химические вещества, спектр которых исследуется, при этом само пламя практически не давало линий в видимом спектре, маскировавших изучаемый спектр и осложнявших исследования, как это было при использовании обычных горелок. Руководящими идеями в спектроскопии Кирхгофа и Бунзена стали две: химические элементы имеют характерные, присущие только им светлые линии в спектре испускания; линии в спектре испускания и спектре поглощения взаимосвязаны. Вторая идея была оформлена Кирхгофом в виде фундаментального закона излучения, — «закона инверсии» спектра, называемого также «законом Кирхгофа». По этому закону, чем большим поглощением обладает тело на какой-либо длине волны, тем интенсивнее на этой длине 200 4. Оптика волны собственное изучение этого тела, при этом коэффициент поглощения равен коэффициенту излучения. Газы, к примеру, поглощают излучение на тех же длинах волн, на которых они сами способны излучать. Схема прибора, разработанного Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом, который они использовали при наблюдении спектров, показана на рис.2.13. В боковые стенки зачерненного внутри ящика 1, имеющего форму трапеции, вмонтированы объектив 2 и зрительная труба 3. В фокальной плоскости объектива расположена узкая щель 4, за которой находится пламя горелки Бунзена. В пламя на специальном приспособлении вводится капля 6 исследуемого вещества. Спектральная призма 7, наполняемая сероуглеродом, закреплена на поворотном столике 8, связанном со школой 9. Спектр наблюдается в окуляр зрительной трубы. Путем поворота призмы можно наблюдать различные участки спектра, совмещая линии спектра с нитью, расположенной в фокальной плоскости объектива зрительной трубы. Относительное расположение линии измеряется по шкале 9. Используя спектральный анализ, Бунзен и Кирхгоф открыли новые химические элементы: в 1866 г. — Роберт Бунзен цезий, а в 1861г. — рубидий, названные так по характерным для них голубой и красной линиям в спектре, позволившим их открыть. Вслед за этими элементами на основе спектрального анализа другими учеными были открыты еще несколько элементов: таллий (1865 г., Крукс), индий (1865 г., Райх, Рихлер) и другие. I Рис. 2.13. Схема прибора для наблюдения спектра 201 Раздел II. Основные направления классической науки Закон Кирхгофа, объяснявший непонятные до этого линии Фраунгофе- ра как линии поглощения изучения солнечной и земной атмосферами, указал путь изучения химического строения Вселенной. Спектр излучения, приходящего на Землю от звезд, содержит линии, по которым можно распознать химические элементы, содержащиеся в атмосфере звезд. Для этого необходимо сопоставить линии поглощения в спектре излучения звезд с яркими линиями излучения элементов, известных на Земле. Кирхгоф установил, что в солнечной атмосфере присутствует натрий, железо, магний, медь, цинк, бор, никель. Начиная с исследований Кирхгофа и Бунзена, спектральные методы стали широко использоваться в различных отраслях науки и техники при изучении химического строения веществ. Спектр излучения или поглощения — такой же неповторимый признак вещества, как отпечатки пальцев человека. Спектральный анализ стал незаменимым инструментом исследований в астрофизике, металлургии, химической промышленности, экологии, медицине и многих других областях деятельности человека. На основе спектрального анализа излучения возможно не только определение химического состава вещества, но и проведение других важных исследований. Спектральные приборы, устанавливаемые на космических летательных аппаратах, позволяют исследовать природные ресурсы Земли, прогнозировать урожай, обнаруживать заболевания растительности, выявлять очаги загрязнения и многое другое. По смещению известных линий в спектре можно определить скорость движения космических объектов, измерять расстояния астрономического масштаба.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Спектральный анализ» з дисципліни «Історія науки»
