Торжество спектра

Торжество спектра

В том же 1860 г. химики вооружились таким инструментом исследования, о котором не смели и мечтать, — методом спектрального анализа.

К многоцветной дуге на небесном своде, возникающей иногда после дождя, привыкли. Ею восхищались, любовались, иногда и преклонялись, но почему она появляется — никто ничего сказать не мог и ограничивался ссылкой на волю и дар вседержителя — Бога.

В 1675 г. Ньютон, пропустив луч света через призму, получил радугу на стене. Вместо обычного белого пятна он увидел изображение, окрашенное в переходящие постепенно друг в друга цвета — от фиолетового до красного. Ньютон назвал его спектром. Он обнаружил, что белый свет (и цвет) — это некое сложное образование, которое с помощью очень простых средств легко разложить на составляющие.

Но прежде чем заявить об этом во всеуслышание, Ньютон, точности ради и чтобы обезопасить себя от нападок коллег, поставил контрольный опыт. На пути луча он вместо одной призмы поставил две, одну за другой. Первая стояла на основании, вторую он клал на ребро. В опыте только с одной — первой — призмой спектр был, а вот когда на пути луча появлялась вторая призма, спектр исчезал и на экране светилось обычное белое пятно. Вывод мог быть только один: вторая призма снова собирала воедино лучи разного цвета, «смешивала» их и получался прежний белый свет.

В истории науки хорошо известны случаи, когда очень важные открытия делались не высокоучёными мужами, а людьми, не имеющими образования. Таким был, в частности, привратник ратуши и торговец шерстью голландец Антони Левенгук, живший в XVII в. У него было, как это принято ныне называть, хобби: с исключительным трудолюбием и увлечённостью шлифовал он линзы. Из них делал увеличительные приборы, украшал их серебром и золотом, а потом рассматривал через них всякую всячину. Коллеги по купеческой гильдии считали, что Левенгук занимается этим в ущерб своим делам. Но мы теперь знаем, что от его занятий выиграла наука. Левенгук открыл капиллярное кровообращение, ячеистое строение кожи, а в каплях воды и в соскобе со своих собственных зубов — мир живых существ, о котором никто до этого и не подозревал. О своих наблюдениях Левенгук сообщал в письмах, регулярно направляемых в Лондонское Королевское общество. Сообщения торговца шерстью производили там весьма и весьма сильное впечатление.

Деятельность замечательного мюнхенского оптика Йозефа Фраунгофера протекала полтора столетия спустя. В отличие от Левенгука, который, сообщая в Лондонское Королевское общество о замечательных открытиях, ревниво оберегал от чужого глаза устройство своих микроскопов и соглашался передать их в руки учёных только после своей смерти, Фраунгофер снабжал приборами всех, кому они были нужны.

Фраунгофер получил математическое образование, после чего совершенствовался в физике и других науках самостоятельно. Чтобы шлифовать линзы не на авось, а с точным расчётом, он решил вывести коэффициент преломления лучей различного цвета и с этой целью поставил несколько опытов, подобных ньютоновым. Но свет он пропускал не через круглое отверстие, как Ньютон, а через узкую щель, благодаря чему у него получалось более резкое и чёткое изображение цветной полосы.

Для проверки отшлифованных линз Фраунгоферу требовался одноцветный свет. Он поставил перед щелью масляную лампу и получил спектр, но в нём резко выделялись две жёлтые линии. Заменив масляную лампу спиртовкой, он наблюдал такую же картину. Пламя свечи показало то же самое. Тогда Фраунгофер обратился к солнечному свету и увидел, что в означенном месте наблюдаемые им ранее жёлтые линии отсутствуют, но — странное дело! — весь спектр (у него были очень совершенные по тем временам линзы) пересечён множеством тёмных линий. Он насчитал их более пятисот и заметил, что при каждом наблюдении они занимали строго определённое место. Создавалось впечатление, что в солнечном спектре есть какие-то «провалы», что не хватает каких-то цветов.

Если быть строгим, то следует сказать, что идея наблюдения спектра, полученного не через круглое, а через щелевидное отверстие, пришла в голову более чем за десятилетие до работ Фраунгофера английскому химику Уолластону; более того, этот учёный тогда же обнаружил тёмные линии в солнечном спектре. Однако Уолластон, целиком поглощённый работой по открытию новых элементов в сырой платине, не обратил никакого внимания на это явление.

Думается, что наблюдения Уолластона были неизвестны Фраунгоферу, и появление чёрных линий в спектре было для него полной неожиданностью. Мюнхенский мастер показывал свои опыты очень многим светилам научного мира, но объяснить появление чёрных линий в солнечном спектре никто тогда не мог. Так и умер этот замечательный экспериментатор, оставив после себя жгучую загадку «фраунгоферовых линий». Не одно десятилетие потом она привлекала внимание учёных. Разгадать её выпало на долю Роберта Бунзена и Густава Кирхгофа.

Когда в 1854 г. в Гейдельберге был построен газовый завод, Бунзен позаботился о подводке газа в свою лабораторию. Но поскольку существующие горелки не удовлетворили его, он сконструировал свою, ту самую, какой мы пользуемся и в наши дни. Пламя её не коптило, легко регулировалось и было почти бесцветным.

Бунзен был не только большим учёным, но и прекрасным стеклодувом, он сам изготовлял необходимые для научной работы стеклянные приборы самой причудливой формы. Не раз он замечал, что при внесении стеклянной трубки в пламя цвет последнего резко менялся. Иногда в плохо отрегулированной горелке пламя проскакивало внутрь трубки и окрашивалось в красивый зеленый цвет. За два десятилетия до Бунзена один из пионеров фотографии английский учёный Талбот в пламя спиртовой горелки вводил соли разных металлов и наблюдал, как пламя окрашивается в разные цвета. Талбот натренировался отличать малиновую окраску, полученную введением в пламя солей лития, от малиновой же, вызванной солями стронция. Подобно Уолластону, Талбот не пошёл дальше в изучении этого явления, так как занимался фотопроцессом. Ведь это именно ему мы обязаны открытием закрепителя фотоизображения — гипосульфита.

Бунзен знал об опытах Талбота. Знал также, что некоторые химики пытались установить состав вещества по окраске пламени, но из этого ничего тогда не вышло. У Бунзена было некоторое преимущество перед предшественниками: его горелка давала практически бесцветное пламя. Поэтому ему не составляло труда установить, что соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет, калия — в фиолетовый, стронция — в малиновый и т. д. Однако затруднение выявилось сразу из-за того, что некоторые элементы вызывали сходную окраску пламени, причём светофильтры не очень помогали. Ещё более сложно было узнать состав вещества, если в него входило несколько металлов. Всеми своими сомнениями по этому поводу Бунзен поделился со своим другом Кирхгофом. После некоторого размышления тот сказал, что на его месте он как физик поступил бы иначе: изучал бы не цвет пламени, а получаемый от него спектр. С этого и началась их совместная, можно сказать, лихорадочная работа.

Из сигарного ящика, обклеенного внутри чёрной бумагой, призм и двух старых подзорных труб Кирхгоф смастерил прибор, через который друзья стали изучать спектры пламени, окрашенного солями различных металлов. Натриевое пламя, например, давало две жёлтые линии на чёрном фоне на вполне определённом месте. Соли калия — одну линию фиолетовую и одну красную. Различить, что находится в пламени — литий или стронций уже не составляло труда: в первом случае появилась одна ярко-красная линия и менее заметная оранжевая, во втором же — ярко-голубая и несколько ярко-красных. Главное же было в том, что их местоположение не совпадало, спутать было невозможно.

Опираясь на эксперименты Онгстрема, изучавшего спектры электрических разрядов в различной газовой среде, учёные пришли к выводу, что цветные линии в спектре дают не сами металлы, а пары этих металлов, образующиеся в пламени горелки.

Усовершенствовав свой прибор, Бунзен и Кирхгоф вооружили химиков новым и очень тонким методом количественного анализа. Достаточно сказать, что натрий новым методом можно было зарегистрировать даже в том случае, если его содержание составляло всего лишь трёхмиллионную долю миллиграмма.

Друзья увлеклись поисками элементов в различных объектах. Считавшийся тогда редким металлом литий они обнаружили в гранитах, в солёной воде Атлантического океана и табаке, молоке и мышечной ткани, крови и винограде.

Кажется, с цветными линиями спектра теперь всё ясно. Оставалось узнать, откуда берутся «фраунгоферовы линии». Был поставлен следующий опыт. Через щель спектроскопа пропустили ослабленные матовым стеклом солнечные лучи и на их пути поместили пламя горелки, окрашенное парами натрия. Спектры наложились один на другой, и на месте «фраунгоферовой линии» светилась жёлтая линия натрия. Когда матовое стекло убрали и солнечный световой поток резко усилился, то в спектре жёлтая линия натрия исчезла и вместо неё появилась жирная чёрная линия.

Кирхгоф не удивился бы, если бы жёлтая линия побледнела, но она исчезла совершенно. Образовался какой-то провал в спектре. Но почему? И Кирхгоф решил прибегнуть к так называемому «искусственному солнцу» — друммондову свету. Получается он накаливанием извести в кислородно-водородном пламени. Ослепительно белый друммондов свет, пропущенный через щель, дал непрерывный, ровный спектр без всяких чёрных линий. Тогда Кирхгоф направил лучи в щель через пламя горелки, окрашенное парами натрия. «Фраунгоферова линия» выступила с предельной чёткостью в той части спектра, где до этого светилась жёлтая линия. Кирхгоф получил искусственную «фраунгоферову линию» и понял: жёлтые лучи натриевого пламени и жёлтые лучи, входящие в состав друммондова света, сложившись, дали чёрную линию. Очень важное открытие! Оно навело на мысль, что таким путём можно исследовать состав околосолнечной атмосферы и, стало быть, самого Солнца. Бунзен и Кирхгоф стали искать на Солнце известные им элементы и находили. Своими сообщениями в Берлинскую академию наук они буквально потрясли учёных всего мира.

Правда, исследованиями солнечного спектра занимался больше Кирхгоф, а Бунзена влекли земные дела. Он, в частности, загорелся мечтой с помощью спектрального метода найти на Земле неизвестный элемент. Что только он не пробовал, но всегда обнаруживал уже известное.

Так он добрался до минеральной воды Дюркгеймских источников. Он упарил её, сгустил и обнаружил всё те же натрий, калий, кальций, литий, стронций.

Бунзен — прекрасный химик с острым аналитическим умом. Рассудил он так: очевидно, присутствие в дюркгеймской воде больших количеств известных веществ мешает обнаружить новое — они его просто «подавляют», затмевают. Надо от них во что бы то ни стало освободиться. Как только это ему удалось сделать, вознаграждение пришло незамедлительно: новый элемент просигналил о себе двумя голубыми линиями в спектре.

Бунзен понимал, что если не сумеет выделить элемент в чистом виде, чтобы показать коллегам, в небесно-голубые линии никто из них не поверит. Но в воде Дюркгеймских источников его ничтожно мало, поэтому в лабораторных условиях эту задачу решить практически невозможно.

Тогда Бунзен поступил как технолог, благо он хорошо знал химическую технологию: в молодые годы он спускался в угольные шахты, бывал на металлургических, химических предприятиях, знал сахарное производство. Недалеко от Гейдельберга располагался содовый завод, и учёный обратился к нему за помощью. За несколько недель по просьбе Бунзена в огромных котлах и резервуарах для него упарили 44 тысячи литров дюркгеймской воды. После переработки остатка Бунзен выделил семь граммов нового металла и назвал его цезием, что означает небесно-голубой (по цвету линии в спектре). Триумф учёного этим ещё не завершился. Когда были отделены посторонние металлы, Бунзен вдруг обнаружил совершенно новые линии в спектре, среди которых особенно отчётливо выступали тёмно-красные. Это был ещё один элемент. Бунзен назвал его рубидием — также по цвету спектральных линий. Из раствора его удалось выделить даже больше, чем цезия, — десять граммов.

Вклад Бунзена в науку поистине велик. В разработанный им совместно с Кирхгофом метод спектрального анализа нельзя было не поверить, ибо он давал очень надёжные результаты. На основе своего же метода, с помощью несложного прибора — спектроскопа Бунзен открыл два неизвестных ранее элемента — металлы рубидий и цезий.

Современники Бунзена и Кирхгофа по достоинству оценили метод спектрального анализа, поняв, какие перспективы он перед ними открывает.

Вслед за Бунзеном успеха добился лондонский химик Уильям Крукс.

Уже в 1861 г., изучая огарки серного колчедана, остающиеся в производстве серной кислоты, Крукс подверг их спектральному анализу и обнаружил новую ярко-зелёную линию. Элемент, сигнализирующий о себе зелёной полосой в спектре, Крукс окрестил таллием (таллос по-гречески — "зелёная ветвь").

Такую же работу проделал бельгийский учёный Клод Огюст Лами. Он также обнаружил новый металл по спектру в огарках серного колчедана, но этим не ограничился, а выделил его и получил химическое соединение, поэтому открытие таллия до сего времени значится за именами двух этих учёных.

Профессор физики высшей горной школы в Саксонии Ф.Рейх, узнав об открытии таллия, решил поискать его в цинковых рудах. Естественно, что ни к какому другому методу, кроме спектрального, он прибегать не собирался, но вся беда была в том, что учёный страдал дальтонизмом. Тогда он на помощь себе привлёк ассистента с нормальным зрением — Иеронима Рихтера. И случилось большее, чем можно было ожидать: дальтоник и его ассистент открыли ещё один элемент — индий. Так его назвали по индиго-синему цвету спектральной линии.

Сигарный ящик со старыми подзорными трубами претерпел значительные изменения. Сам Кирхгоф много потрудился над усовершенствованием спектроскопа, а вскоре за это дело взялись лучшие оптики мира. Дорогие и сложно устроенные спектральные приборы стали изготавливать немецкие оптические фирмы, а лондонская фирма «Браунинг» выпустила дешёвые портативные спектроскопы.

Выясняя природу «фраунгоферовых линий», Кирхгоф и Бунзен прежде всего обнаружили 60 линий в спектре солнца, соответствующих железу. После этого Кирхгоф с помощью своего чудесного прибора последовательно установил, что в атмосфере Солнца присутствуют натрий, медь, свинец, олово, водород и многие другие уже известные на земле элементы. Состав ближайшей звезды, расположенной от нас за миллион километров, оказывался таким же, как и состав Земли.

Если в средние века алхимия (во всяком случае во множестве её трактатов) связывалась с астрологией, что было самой неприкрытой мистикой, то в XIX столетии успехи химии на прочной научной основе оказались связаны с астрономией. Родилась новая наука — астрохимия.

Для астрономов 1860 г. тоже был знаменательным. 18 июля много их съехалось со всех концов Европы в Испанию наблюдать полное солнечное затмение. Длится оно всего несколько минут, и следует представить себе трудность работы астрономов, не располагавших достаточно хорошо отработанными методами скоростного фотографирования. Всё, что происходило с Солнцем, нужно было успеть записать, измерить, зарисовать. Когда тень Луны полностью закрыла диск Солнца, многие астрономы обратили внимание на огненные выступы, выходящие за край. Следует думать, что эти выступы (взрывы) замечались астрономами и ранее, но они считали их просто обманом зрения. На этот же раз солнечные выступы, протуберанцы, многими наблюдателями были зарисованы и явились предметом оживлённой дискуссии по поводу их природы и происхождения.

Следующее затмение произошло через 8 лет, т. е. когда спектральный анализ уже широко вошёл в практику. Наблюдать затмение можно было в Индии. Французский астроном Жюль Жансен, всю жизнь занимавшийся исследованием Солнца, отправился в Индию, вооружившись хорошим спектроскопом. Ему удалось, кроме известных линий в спектре, обнаружить вдруг новую — жёлтую. Ни один ранее известный элемент по местонахождению в спектре этой линии не соответствовал. На следующий день Жансен осторожно и искусно навёл щель спектроскопа на самый край Солнца и опять наблюдал ту же самую линию, уже без всякого затмения. Не было сомнения: на Солнце есть какой-то совершенно новый, неизвестный на Земле, элемент, о котором ничего пока нельзя сказать, кроме того, что он, по-видимому, газ.

В октябре 1868 г. Парижская академия наук получила два одновременно поступивших сообщения. В одном из них Жюль Жансен сообщал о своём открытии солнечного элемента, а в другом астроном Норман Локьер, не выезжавший из Англии, извещал о том же самом. Академики так были поражены совпадением, что решили в честь такого события отчеканить специальную медаль с портретами Жансена и Локьера на одной стороне, а на другой — изображением бога солнца в колеснице, запряжённой четвёркой коней, и надписью: «Анализ солнечных выступов 18 августа 1868 года».

Уже упоминавшийся Крукс ещё до того, как открыл таллий, начал издавать журнал «Новости химии». И следует заметить, что время для этого было очень подходящее: от недостатка новостей журнал не страдал, они сыпались, как из рога изобилия.