Глава вторая, в которой атомы пытаются говорить с людьми языком радуги, но люди их не понимают

ФРАУНГОФЕРОВЫ ЛИНИИ

В рассказе о французском химике Лекок де Буабодране и об открытии галлия уже шла речь о спектральном анализе. Этот замечательный способ исследования не только привел к открытию нескольких прежде не известных элементов. Спектроскоп оказался инструментом, проникшим в глубь атома. Уже по одному этому со спектральным анализом надо знакомиться подробнее. И начать это знакомство лучше с фраунгоферовых линий.

Собственно говоря, фраунгоферовы линии первым обнаружил вовсе не Иозеф Фраунгофер, живший в последней трети XVIII и в первой трети XIX века, а его современник Уильям Волластон. Но, в отличие от Фраунгофера, который всю свою жизнь занимался оптикой, Волластон интересовался всем на свете, а более всего химией, в которой он отличился открытием двух родственных платине химических элементов — родия и палладия, а также физикой, ботаникой, медициной, минералогией и другими науками.

Изучая спектр солнечного света, то есть разложенный призмой на семь цветов солнечный луч, Волластон заметил, что на спектре есть несколько резких темных линий.

Это его очень удивило, однако, он не счел нужным далее заниматься этим предметом. И наверное, справедливо, что черные полоски на солнечном спектре не носят имени Уильяма Волластона.

Тот, чьим именем они были названы, родился в 1787 году в семье стекольщика и до 14 лет не знал грамоты. Родители его умерли рано, и еще ребенком он пошел в подмастерья к шлифовщику стекол.

Так бы в безвестности и прошла его жизнь, если бы не обвалился дом хозяина. В тот момент, когда почти бездыханного Йозефа вытаскивали из-под развалин, проезжал мимо со своей свитой баварский принц.

Наследник престола изволил принять участие в судьбе мальчика и пожаловал ему довольно много денег.

Иозеф неплохо распорядился ими, начал учиться, поступил в известную оптическую мастерскую в баварском городке Бенедиктбейерне, а затем стал ее владельцем. Его оптические приборы славились во всем мире.

Но истинную славу ему принесли наблюдения за открытыми Волластоном темными линиями в солнечном спектре.

Линий этих Фраунгофер нашел и зарисовал великое множество — более пяти сотен. Располагались они без какого-либо порядка, пересекая радужную полоску спектра во всех его частях — и в желтой, и в оранжевой, и в голубой, и в синей, и в зеленой, и в красной, и в фиолетовой. Но каждая темная линия, сколько бы раз и когда бы ни смотрел на нее Фраунгофер — в любой час дня и в любой месяц года — неизменно оказывалась на одном и том же месте.

Фраунгоферовы линии поражали воображение. Физики, химики, астрономы не знали, что и думать. Откуда на ослепительном солнце могут браться какие-то черные линии? Если бы они двигались, если бы появлялись и исчезали, то это еще куда ни шло — бывают же на солнце пятна. Но фраунгоферовы линии торчали в солнечном спектре на одних и тех же местах.

Куда менее заметным для современников Йозефа Фраунгофера было другое его открытие — на этот раз не в лучах солнца, а всего лишь в тусклом язычке пламени обыкновенной спиртовки. В спектре этого пламени Фраунгофер обнаружил ярко-желтую двойную линию — в том месте, где в спектре Солнца он всегда видел такую же двойную, но только черную полоску. В 1814 году Фраунгофер опубликовал свое наблюдение, предоставляя коллегам возможность поломать голову над этим необъ-яснимым совпадением. Сорок три года на это явление никто не обращал внимания. В 1858 году английский физик Уильям Сван обнаружил, что двойная желтая линия в пламени спиртовки появляется только тогда, когда в спирте или и фитиле присутствует элемент натрий. Сван рассказал о своих опытах другим физикам, написал статью — и на этом счел инцидент исчерпанным. Он не догадался, что совершил чрезвычайно важное открытие.

Впрочем, увидеть что-либо новое или необычайное — еще не значит открыть.

Есть люди, которые смотрят на вещи и события, но… не видят их. Таких, к сожалению, больше всего.

Другие многое видят, но не всегда понимают увиденное. Это ужо нужные науке люди.

Но больше других пауке нужны те, кто не только видит явления, но и начинает задавать нм вопросы и заставляет их отвечать себе.

Волластон, Фраунгофер, Сван сумели увидеть загадочные явления. Но заставили их рассказать о себе другие естествоиспытатели.

ЗАДАЧА С НАТРИЕМ И СОЛНЦЕМ

В начале пятидесятых годов прошлого века в маленьком немецком городке Гейдельберге, знаменитом своим университетом, физик Густав Роберт Кирхгоф и химик Роберт Вильгельм Бунзен получили ответ на некоторые исключительно важные вопросы, касающиеся фраунгоферовых линий.

Повторим вкратце условие задачи — то, что им было "дано".

В спектре пламени спиртовки иногда появляется двойная желтая линия.

Она возникает только в присутствии натрия.

В спектре Солнца есть точно такая же двойная, но темная линия.

Рассуждение Кирхгофа и Бунзена сводилось к следующему" Они предположили, что желтая двойная линия в пламени спиртовки, появляющаяся только в присутствии натрия, принадлежит не спирту, а натрию…

Кирхгоф, и Бунзен взяли кристаллик поваренной соли, раскалили его, и свет раскаленных паров направили на призму спектроскопа. И получили первый ясный ответ: на шкале спектроскопа появился сплошной, без каких-либо темных полосок, спектр раскаленного вещества, и на нем виднелась та самая ярко-желтая линия.

Предположение подтвердилось — это была линия натрия.

Дальше Кирхгоф и Бунзен рассуждали так. Если двойная желтая линия принадлежит натрию, то и находящаяся в спектре Солнца на том же месте двойная черная линия могла бы тоже принадлежать ему. Что если при прохождении света от раскаленного натрия через более холодные пары того же натрия ярко-желтая линия поглощается и в спектре остается как бы ее тень?..

Исследователи опять раскалили кристаллик поваренной соли, но преградили путь его лучам к призме бледным язычком пламени спиртовки. И натрий ответил: да, это так! Пары натрия в пламени спиртовки поглотили двойную желтую линию, посланную парами натрия из кристаллика поваренной соли, и на спектре возникла двойная черная линия.

Но если в спектре Солнца есть та же двойная черная линия, то не означает ли это, что на Солнце происходит то же самое?

И они направили на призму спектроскопа одновременно два луча — луч Солнца и луч от пламени спиртовки. На шкале спектроскопа появилась все та же двойная черная линия. Тогда Кирхгоф и Бунзен поставили на пути солнечного луча непрозрачный экран — и на шкале, на месте двойной темной линии, засветилась ярко-желтая…

Итак, ответы, полученные от природы, были такими:

двойная линия принадлежит натрию;

на Солнце есть натрий;

фраунгоферовы линии образуются раскаленными парами элементов, находящихся на Солнце.

Но на основании этих трех ответов Кирхгоф и Бунзен сумели найти еще и четвертый, самый важный: у каждого элемента есть в спектре свой, индивидуальный набор линий.

ИЕРОГЛИФЫ ПОЛОС

Эта работа — в виде коротенькой заметки, всего две страницы — была обнародована в 1859 году.

А уже через год начались триумфальные открытия новых элементов с помощью спектроскопа.

Спектральный анализ оказался замечательным методом исследований мира веществ, он вел от одного открытия к другому.

Но почему?

Не потому ли, что, не ведая того, люди проникли в заповедные глубины вещества?

И еще вопрос: если спектры могут служить визитными карточками элементов, атомов одного и того же сорта, то откуда их сложность, откуда эти многочисленные полосы?

Сложные спектры намекали на то, что атомы устроены далеко не просто; даже у самого легкого атома — водорода — в спектре оказались четыре темные полоски.

Но расшифровывать иероглифы спектральных линий еще никто не умел.

В 1885 году швейцарский учитель Йогам Бальмер заметил, что четыре линии водородного спектра расположены не как попало, а в определенной математической последовательности. И предсказал, что должны быть еще и другие линии, и вычислил, где именно — в видимой и в невидимом части спектра.

Эти дополнительные линии действительно нашлись.

В строгом порядке линий, свойственных спектрам элементов, угадывался смысл. И хотя никому не удавалось перевести его на человеческий язык, стало ясно, что атом не сплошной однородный шарик, каким он представлялся со времен Демокрита.

Электрон свидетельствовал о том же самом.

Есть ли связь между темными полосками спектров и электронами атомов? И если есть, то какая?

Знания, накопленные к 1896 году учеными, но позволяли получить ответ на вопрос о строении атома. Но они свидетельствовали о том, что какое-то строение у атома есть.

Надо было искать новые факты. И никто, конечно, не предполагал, что до их открытия оставались считанные дни.