Сами о себе

Многие века ученые полагали, что все существующие в природе цвета и их оттенки происходят в результате смешивания света с… «тьмой!». А так как «тьму» представляли носительницей черного цвета, то считалось, что основным цветом в природе является черный, от разбавления которого бесцветным «светом» получаются все остальные. Выходило, что, например, в синем цвете много «тьмы» и мало «света», в желтом, наоборот, много «света» и мало «тьмы».

Так думали, так считали, так утверждали. Однако никто не мог доказать справедливость такого заключения, никто не мог разложить какой-либо цвет на «тьму» и «свет».

И только в 1666 г. тогда еще молодой и мало известный, а впоследствии знаменитый физик, математик и астроном Исаак Ньютон впервые провел свой знаменитый опыт по разложению света с помощью стеклянной призмы. Суть этого опыта состоит в том, что если свет пропустить через стеклянную призму, то, пройдя ее, он развертывается в яркую полоску, составленную из различных постепенно переходящих один в другой цветов. В цветной полоске, получившей название спектра (от латинского слова «спектрум» — видимое) насчитывается семь цветов. Ньютон доказал, что существовавшее объяснение цветов неправильно. Оказалось, что не «тьма», а бесцветный свет, или белый цвет, как стали называть его впоследствии, является основным и состоит в свою очередь из семи цветов.

Почти двести лет спустя (в 1858 г.) после опытов Ньютона, профессор химии в Гейдельбергском университете Роберт Бунзен изобрел горелку для сжигания горючих газов. С помощью горелки Бунзена можно было получать пламя очень высокой температуры. Помещая в пламя горелки различные вещества, Бунзен заметил, что они, раскаляясь и превращаясь в пар, окрашивают пламя в различные цвета. Замечательным было то, что каждое вещество окрашивает пламя в определенный цвет. Так, например, медь дает пламя зеленого цвета, натрий — желтое пламя, стронций — малиново-красное.

Вначале Бунзен решил, что он открыл чрезвычайно простой, точный и, главное, быстрый способ анализа. Вместо длительных операций химического исследования вещества достаточно было внести исследуемое вещество в пламя горелки, чтобы по окраске пламени решить вопрос о природе вещества. Зеленое пламя укажет медь, желтое «скажет» о натрии, малиново-красное «откроет» стронций.

Но вскоре же пришло разочарование. Оказалось, что, например, литий дает пламя одинакового цвета со стронцием, слабая фиолетовая окраска пламени от калия исчезает, если вместе с ним присутствуют соединения натрия. Убедившись в том, что различные вещества, нагреваясь в горелке, дают очень часто пламя одинакового цвета, Бунзен уже был склонен прекратить свои исследования. Но ему помог Густав Кирхгоф, профессор физики, занимавший кафедру в том же Гейдельбергском университете.

Кирхгоф решил пропускать свет от окрашенного пламени через призму, рассчитывая установить закономерности спектра различных веществ. Расчет Кирхгофа оправдался: оказалось, что пламя каждого из различных веществ дает особый, отличный от всех других, спектр. Причем спектры пламени отличались от спектра белого света своим видом: они были не сплошными, а состояли из отдельных узких цветных полосок, почти линий, располагающихся в различных частях спектральной дорожки. Так, спектр лития состоял из одной яркой красной линии и одной оранжевой послабее. Спектр стронция, пары которого окрашивали пламя бунзеновской горелки в такой же малиново-красный цвет, как и литий, состоял из одной голубой, двух красных, оранжевой и желтой линий. Пары натрия давали спектр с двумя желтыми линиями, так близко расположенными друг к другу, что вначале она была принята за одну.

Усовершенствовав прибор для наблюдения спектров и назвав его спектроскопом (от слов «спектр» и «скопео» — наблюдаю, смотрю), Кирхгоф передал свой прибор Бунзену, который стал исследовать буквально все, что попадалось ему под руку. Множество различных веществ исследовал Бунзен, помещая их в жаркое пламя своей горелки и наблюдая спектр раскаленных паров. Теперь у него уже не было сомнений в том, что открыт новый способ распознавания химических веществ. Вскоре Бунзен убедился и в необычайной чувствительности и точности нового способа исследования. Так, исследуя кусочки гранита, отколотые от скалы в окрестностях Гейдельберга, Бунзен обнаружил в них с помощью спектроскопа литий. Это вещество он нашел и в воде источника, вытекавшего у подножья той же скалы. Тогда Бунзен решил исследовать листья растений, цепляющихся за склоны скалы, желая проверить в листьях наличие лития. По мнению Бунзена, этот элемент должен был попасть в растения вместе с водой, поглощенной корнями растений из почвы, покрывавшей тонким слоем гранитные глыбы. Спектроскоп указал наличие лития и в листьях растения. Бунзен покормил корову этими листьями и обнаружил после этого в ее молоке тот же литий. Больше того, литий был обнаружен и в крови людей, пивших молоко этой коровы.

Точность и чувствительность нового метода была исключительной. Достаточно было, например, потереть пальцами над пламенем горелки, чтобы в спектроскопе вспыхнула желтая линия натрия, входящего в состав ткани. В буквально невесомых частицах, стертых с поверхности кожи, содержится не более одной десятимиллионной доли миллиграмма^[6]. Никакими иными способами невозможно обнаружить такие количества вещества. И действительно, достаточно было человеку, носящему, например, очки в медной оправе, поправить их, у себя на носу, чтобы можно было с помощью спектроскопа обнаружить медь на его пальцах.

Возникновение и характер спектров, как это было установлено значительно позже, связаны со строением атомов вещества. Так как различные атомы дают и различные спектры, то, очевидно, в природе существует столько же различных спектров, сколько и различных «сортов» атомов. Атомы любого вещества, подобно микроскопическим радиостанциям, способны подавать свой, им только свойственный «сигнал» — спектр, по которому эти атомы и могут быть обнаружены, где бы они ни находились.

В 1860 г., исследуя спектр минерала, полученного из Саксонии и называвшегося лепидолитом, Бунзен и Кирхгоф увидели красные линии, которые не совпадали с положением линий в спектрах известных в то время элементов. С тем же самым столкнулись исследователи и при изучении спектра сухого остатка, полученного при выпаривании воды из источников курортного местечка Дюркгейм. Только на этот раз линии в спектре были красивого небесно-голубого цвета. Бунзен решил, что лепидолит и дюркгеймская вода содержат новые еще неизвестные элементы.

Действительно, в том же году Бунзен выделил из лепидолита и минеральной воды новые элементы. Один из них за красный цвет спектральных линий назвали рубидием (от латинского слова «рубидус» — красный), другой за голубые линии — цезием («цезиус» по-латыни — голубой).

В качестве веселого курьеза можно рассказать о проделке известного физика Роберта Вуда. У студентов, проживающих в частном пансионате, возникло сомнение в доброкачественности пищи; не готовит ли хозяйка завтрак из остатков обеда? Вуд оставил во время обеда на тарелке кусок мяса, посыпав его хлористым литием. Получив завтрак, он озолил его в муфельной печи, а золу проверил с помощью спектроскопа. Появилась предательская красная линия!

Хозяйка пансионата была разоблачена!

Открытие новых элементов было блестящей победой нового способа исследования природы, который был назван спектральным анализом. Спектральный анализ получил в науке широкое распространение и обогатил ее большим числом замечательных открытий. С помощью спектроскопа человек определил состав далеких звезд, Солнца, метеоров, сгорающих в яркой вспышке высоко над Землей и т. д. В настоящее время спектроскоп — необходимый прибор каждой хорошо оборудованной лаборатории. Он нужен физику и химику, астроному и геологу, агроному и минералогу, врачу и биологу, инженеру и металлургу.