О чем может рассказать луч света?

В сентябре 1665 года молодой бакалавр Тринити-колледжа по имени Исаак Ньютон купил на ярмарке в Стоунбридже призму. Так записано в его записной книжке. В деревенской тиши родного Вулсторпа, куда он уехал на время чумы из Лондона, хотел он обдумать многие вопросы из тех, что так занимали его во время учебы. Некоторые из них касались природы света. Как и почему преломляются лучи, проходя через призму? Как полируют линзы и в чем заключаются ошибки при полировке? Вы ведь помните, читатель, что XVII век был веком всеобщего увлечения полировкой стекол и строительством телескопов. Этим можно объяснить и тот интерес к природе и свойствам света, который проявлял молодой выпускник Тринити-колледжа...

Дождавшись солнечного дня, Ньютон прикрыл ставнями окна, пропустил в комнату один узенький лучик света из щели и поставил на его пути призму. На экране из четвертушки белой бумаги, прикрепленной за призмой, раскинулась цветная полоска спектра. Белый свет Солнца, пройдя через призму, распался на семь цветов радуги.

Сегодня даже ученики младших классов знают, что свет — это электромагнитные колебания. Только световые волны много короче радиоволн. Если пробежать по всему диапазону длин электромагнитных волн, как по клавишам рояля, то картина получится такая.

Электро-магнитный спектр

Сначала идут радиоволны: длинные, средние, короткие, ультракороткие. Потом тепловые лучи. Вы, наверное, слышали о том, что всякое нагретое тело излучает электромагнитные волны? Слышали о том, как использует это качество природа, создав удивительный термолокатор у холоднокровных змей? В абсолютной темноте змеи без промаха ловят теплокровных животных, принимая от них тепловые лучи. Слышали вы наверняка и о новой инфракрасной технике, приборы которой позволяют видеть в темноте...

Следом за тепловыми — инфракрасными невидимыми — лучами следует область еще более коротких электромагнитных волн — видимый свет. Самые длинные световые волны с длиной волны 0,00075 миллиметра создают впечатление красного света. Чуть короче — оранжевого. Еще короче — желтого, потом зеленого, голубого, синего и фиолетового света. Электромагнитные волны короче волн фиолетового света (примерно 0,00039 миллиметра) человеческий глаз не воспринимает. Их называют ультрафиолетовыми лучами. Благодаря им наша кожа летом приобретает красивый коричнево-бронзовый оттенок. Мы загораем. Перечень диапазонов электромагнитных волн можно продолжить и дальше. Но мы ограничимся пока сказанным, потому что лучи с еще более короткими длинами волн из космоса до Земли почти не доходят. Они поглощаются атмосферой.

Не трудно понять, что если трехгранная призма по-разному преломляет лучи света разной длины волны (или различного цвета), то пучок белого света, состоящий из смеси всех волн, выйдет из нее разложенным по порядку длин волн. Примерно так, как показано на нашем рисунке. В солнечном свете присутствуют почти все цвета, и потому изображение узкой щели в опыте Ньютона превратилось в непрерывную дорожку из разноцветных изображений этой щели, которая называется спектром.

Мюнхенский оптик Иосиф Фраунгофер заметил, что в непрерывной радужной дорожке солнечного света есть темные линии — разрывы. В 1823 году Фраунгофер произвел первые наблюдения спектров звезд и обнаружил, что и они, точно так же, как спектр Солнца, имеют темные полосы. Причем спектры разных звезд отличались друг от друга. Это становилось интересным. Звезды словно обещали рассказать людям что-то на языке света. Надо было только научиться этот язык понимать.

Физики не зря шутят, говоря, что свет — самое темное место в науке. Задача оказалась не простой. В 1854 году изучением спектров пламени, окрашенного парами различных металлических солей, занялись два профессора Гейдельбергского университета: Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен. Вы, наверное, не раз в школе слыхали их имена. Первый был физиком, великолепным теоретиком, обладающим поразительной интуицией. Второй — прекрасным химиком-экспериментатором. Исследователи выяснили, что каждое вещество в раскаленном состоянии имеет собственный спектр излучения. Кирхгофу удалось даже сформулировать закон, названный впоследствии его именем, согласно которому всякий газ, окружающий источник света с непрерывным спектром, поглощает из спектра как раз те лучи, которые испускает сам в нагретом состоянии. Этот закон мог помочь в исследовании звезд, и прежде всего Солнца — огромного раскаленного небесного тела, окруженного газовой оболочкой.

Кирхгоф решает выяснить природу темных линий в спектре Солнца. Он рассуждает так: свет исходит из раскаленного твердого или жидкого тела Солнца. По пути свет проходит через менее нагретые газы солнечной и земной атмосфер. Газы поглощают отдельные волны света и создают на их месте темные линии на спектральной дорожке. Газовый состав атмосферы Земли был более или менее известен. Оставалось определить состав атмосферы Солнца.

Сначала исследователи составляют таблицы всех спектров, которые испускают раскаленные пары химических элементов, встречающихся на Земле. Раскалив натрий и исследовав свет его паров, Кирхгоф вместе с Бунзеном обнаружили, что спектр свечения этого металла состоит всего-навсего из двух почти сливающихся желтых линий. И как раз в спектре Солнца на месте этих цветов были две узкие черные полоски. Так, заключил Кирхгоф, значит, в атмосфере Солнца должен содержаться натрий!.. Скоро он подобным же образом обнаружил в атмосфере Солнца до десяти земных элементов.

В 1864 году итальянский астроном Анджело Секки (1818—1878 годы) подробно исследовал спектры множества звезд и пришел к выводу, что звезды, как и Солнце, состоят из раскаленного газа. Более того, он нашел, что спектры многих звезд примерно повторяют друг друга и могут быть объединены в несколько классов, к одному из которых будет принадлежать и Солнце. Эту работу можно считать окончательным подтверждением гипотезы о родстве звезд и нашего Солнца. Четыре тысячи звезд, исследованные итальянским астрономом, разделились на четыре основных класса. Это было началом систематического спектрального изучения звездного мира. Родилась новая отрасль древней науки — астроспектроскопия.

К началу нашего столетия все звезды по спектрам оказались разделены на десять классов, каждый из которых имеет десять ступенек — подклассов. Получилась лесенка из ста ступенек с десятью площадками. Составлена она по принципу химического строения звезд. Хотя астрономы понимали, что спектральные классы должны отражать не только химический состав, но и физическое состояние, однако такая работа была в те времена им не под силу. Для физических исследований далеких светил время в XIX веке еще не наступило. Лишь с тех пор, как люди научились фотографировать спектры, с тех пор, как в физике произошла настоящая революция, которая вывела на первое место квантовую и новую атомную теории, спектральный анализ стал главным источником информации о далеких светилах.

Сейчас астрофизики с помощью этого могучего метода определяют не только состав звездных атмосфер, но и массу звезд, скорости их движения, вращение, физическое состояние веществ, входящих в состав атмосфер, и многое другое. Спектры стали настоящими паспортами звезд.

Знаете ли вы, что?

В 1931 году немецкий оптик Б. Шмидт предложил ставить перед вогнутым сферическим зеркалом телескопа-рефлектора стеклянную корректирующую пластинку сложной формы. Это позволило значительно увеличить светосилу оптической системы и разрешающую способность телескопов. Современные камеры Шмидта дают великолепные по четкости изображения не только планет, но и комет и туманностей...

Б. Шмидт родился в 1879 году в Эстонии. Еще в ранней молодости, в результате несчастного случая, он потерял правую руку. И вот, работая одной левой рукой, он достиг замечательных результатов, которые не удавались многим другим, пробовавшим свои силы на этом поприще.