> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Спектор М
Спектор М
Спектор, М., см. евреи, XIX, 520.
Спектральный .анализ. В следующих статьях находятся те сведения, на которые мы будем ссылаться и содержание которых будем считать известным: дисперсия (XVIII. 402), излучение (XXI, 474), колебательное движение (XXIV, 482), свет (XXXVII, 530). Напомним бегло наиболее существенное. Световые лучи, испускаемые различными телами, всегда представляют смесь различных лучей, которые можно отделить друг от друга при помощи призмы из стекла, кварца или иного подходящего вещества, или посредством диффракционной решетки (смотрите свет). При этом лучи располагаются рядом, давая полосу, которая называется спектром. Если за источник световых лучей взять до-бела раскаленное тело или яркое пламя, то спектр представляется в виде непрерывной полосы, которую принято разделять на семь частей: красную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю и фиолетовую. В действительности цвета постепенно переходят один в другой, так что указанное деление более или менее произвольно. Для удобства условимся считать, что спектр расположен горизонтально, и что красный конец находится слева, а фиолетовый справа. Концы спектра не резки; цвета делаются все темнее, и, наконец, впечатление окраски черного фона исчезает. Положение концов непрерывного спектра зависит от чувствительности глаза и неодинаково для различных людей. Свет есть распространяющееся колебательное движение. До восьмидесятых годов истекшего столетия господствовало учение, считавшее, что это суть упругие колебания, распространяющиеся в эфире. Это учение ныне вполне оставлено и заменено электромагнитной теорией света (см- свет), согласно которой свет есть распространяющееся электромагнитное колебание (возмущение). Скорость света, то есть расстояние, которое световые лучи проходят в одну секунду, обозначим через v; скорость в пустоте через с. Последняя не зависит от рода луча и равна 3.1010 см., то есть 300,000 километрам в сек. Вообще же скорость v зависит от той среды, в которой лучи распространяются, и от рода луча. Время одного колебания называется периодом, обозначим его через Т. Число колебания., совершаемых в 1 сек., обозначим черезv; очевидно“=1: Т. Длиною волны Я называется то расстояние, на которое свет распространяется в течение времени Т. Чем быстрее происходят колебания, т. е., чем меньше Г и чем больше у, тем меньше длина волны я. Величины v, Т, v и я связаны основными уравнениями:
Я=vT, V= уЯ; я=сТ, с =. уЯ.. .. (1>
Последние два равенства относятся к пустоте. Число и волн, укладывающихся на длине одного сантиметра, называется волновым числом;, очевидно n=v:c;
____щ.
Я (смотрите) Цл)
где Я должно быть выражено в сантиметрам или в ангстремах (смотрите ниже). Число у еще называется частотой колебаний. Лучи, соответствующие различным частям спектра, отличаются друг от друга величинами и, v, Т и Я, причем слева направо растут и и у, убывают Т и Я, так что красные лучи имеют наибольшую, фиолетовые — наименьшую длину волны Я. Свет представляет частный случай несравненно более общего явления, называемого лучистой энергией, все виды которой, по существу, отличаются друг от друга только частотой колебаний у (или волновым числом п) или длиной ВОЛНЫ А,
Спектр видимый (световой) составляет весьма малую часть всего спектра лучистой энергии, который делят на следующие пять частей, из которых четыре обширнейшие невидимы, то есть нашим глазом не воспринимаются: I. Лучи видимые. II. Лучи инфракрасные, спектр которых тянется слева от красного конца видимого спектра. III. Лучи Герца или лучи электрические, которыми пользуются при беспроволочной телеграфии и телефонии. Их спектр расположен еще более налево, то есть за спектром лучей инфракрасных. IV. Лучи ультрафиолетовые, спектр которых тянется справа от фиолетового конца видимого спектра. V“. Лучи Рентгена, спектр которых расположен далеко справа от спектра лучей ультрафиолетовых. Если идти слева направо, то есть в порядке возрастающих частот колебаний v (и волновых чисел п), или убывающих длин волн ;., то части спектра лучистой энергии оказываются в следующем порядке: лучи Герца, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые и лучи Рентгена. Весь спектр лучистой энергии можно разделить на октавы, взяв этот термин из учения о звуке. Октавой называется расстояние друг от друга, точнее—интервал двух лучей спектра, из которых длина волны одного в два раза меньше длины волны другого, или частота в два раза больше. Длины волн принято выражать в различных единицах длины, смотря по положению луча в спектре. Для лучей Герца длины волн выражают в километрах, метрах, сантиметрах и миллиметрах. В инфракрасной части пользуются исключительно единицей длины р, которая равна 0,001 миллиметров. Длины волн в видимой части выражают иногда в единицах р; редко в рр (10—в миллиметров.) и чаще
Предела спектра с левой стороны не существует, так как можно получить лучи Герца произвольной длины волны. Однако, лучи, длина волн которых превышает несколько километров, не представляют ни чисто научного, ни технического интереса. Поэтому мы ограничим спектр слева лучами, длина волны которых равна 4 километрам; такими лучами пользуются в телеграфии без проводов. С правой стороны спектр рентгеновых лучей доходит до
).=0,1 А=100Х Однако, отчасти еще дальше расположен спектр лучей у, испускаемых радиоактивными веществами. Эти лучи вообще по своим свойствам тождественны с лучами Рентгена, и спектры тех и других отчасти сливаются. Но уже были измерены такие длины волн лучей у, которые оказались равными 0,01 А=10Х. Нет сомнения, что спектр лучей у тянется еще дальше вправо, но длины волн этих ультра-рентгеновых лучей еще не были измерены. В нижеследующей табличке указаны для всех частей спектра лучистой энергии: предельные длины волн ). (слева и справа), предельные частоты v и размеры этих частей, выраженные в октавах.
| о,
о | 3 | « с: | |||
| X
п - | а
<ХЗ Н | 8 | О | ; 5“ | !>. |
| а. | X
о | X о | |||
| « | . | ||||
| о | 6 | О о | |||
| «3
а. С | О | ХП С{ | О | ||
| н | о | чГ | tC (N | СО | |
| ьи | «0 | « | |||
| «с | оо | § | О | о ’“! | О |
| гг | е; | »-< ит | |||
| О | ай | ЧГ г>Г | го | ||
| ,_ч | |||||
| г | > | ||||
| g | о | ||||
| к | гз | о | |||
| X | а.
С | X | 3. | т. | |
| О | О | X | о | % 8 | Сэ |
| п | CN | СГ | О -< | о“ | |
| 2 | X—ч |
ф-его в онгстремах А (шведская буква, которая выговаривается,как русское О),
причем А=0,1 рр=10“V=10-1.мм.= — 10—8 см. Длины волн ультрафиолетовой части спектра выражаются исключительно только в онгстремах. Наконец, длины волн лучей Рентгена выражаются в онгстремах или в недавно введенных иксах X, причем
Х= 0,001 А=10V=10-Wmm.= 10-u си.
т
S
0.0 в-«
X О
X
втшотся две не окончательно ис. ШЙедотушные области: I. Между лучами Герца и инфракрасными; длины 411)111(1. i-R
ММгкВ
К. ИМЕЛ
)
волн от 2 миллиметров. до 0,34 миллиметров., всего около 21/, октав. II. Между ультрафиолетовыми и рентгеновыми лучами; длины волн от 136i до 17,(50,4, всего менее 3 октав. Вся длина спектра лучистой энергии, произвольно считаемого от 4=4 км., равна, примерно, 48 октавам, из которых менее одной приходится на спектр лучей видимых. Исследованная инфракрасная часть почти в 10 раз длиннее видимой. Длина волны крайнего справа луча (70А) в 4.1014 (400 миллион миллионов) раз меньше избранного нами крайнего луча слева (4 км.) я во столько же раз частота первого больше частоты второго. Для дальнейшего нам необходимо напомнить те условия, при которых возникают лучи Рентгена (с лучами Герца мы вообще встречаться не будем). Главнейший их источник — так называемая рентгенова „трубкаи—это закрытый со всех сторон, приблизительно шаровидный сосуд, обычно из стекла. В нем находятся три металлические пластинки: катод, анод и антикатод; воздух из него выкачан до высокой степени разрежения. Через трубку пропускается электрический ток, причем из катодной пластинки вылетает, перпендикулярно к ее поверхности, поток электронов, то есть мельчайших частиц отрицательного электричества, составляющих так-на-зываемые катодные лучи. Скорость электронов при выходе их из катода весьма незначительна. Но между катодом и антикатодом устанавливается разность потенциалов (электрическое поле), вследствие чего электроны ускоряются и ударяют в поверхность антикатода, обладая огромною скоростью. В том месте, где электроны встречают поверхность антикатода, возникают рентгеновы лучи. Мы увидим, что их характер зависит от того вещества, которым покрыта поверхность антикатода.
Когда рентгеновы лучи падают на поверхность какого-либо тела, то эта поверхность с своей стороны начинает испускать такие же лучи; они называются втс р 1ЧИЫМИ рентгеновыми лучами. Рассмотрим различные виды спектров. Прежде всего, отличают спектры испускания и спектры поглощения. Первые определяют собой состав лучистой энергии, испускаемой данным источником этой энергии. Они зависят исключительно только от рода источника и от его состояния, т. е., наир., от температуры, давления и других физических условий.Отличают три вида спектров испускания, а именно: I. Спектры, сплошные,которые получаются,главным образом, от накаленных твердых и жидких тел, но также и от других источников (смотрите ниже). Белые лучи, испускаемые тв. и жидк. накаленными телами, дают сплошной спектр, конец которого с правой стороны зависит от их температуры. Тела не очень горячие, т. е. не испускающие видимых лучей, дают спектр, который весь расположен в инфракрасной части. При повышении температуры интенсивность этого спектра увеличивается, и в то же время спектр удлиняется направо, т. е. и сторону лучей видимых. При некоторой температуре появляются лучи красные, затем оранжевые, желтые и так далее дофиолетовых и ультрафиолетовых,когда тела накалены добела. II. Спектры линейные, представляющие наибольший интерес, так что к ним относится почти вся наука о спектрах. Эти спектры состоят из отдельных линий, расположенных вертикально, когда весь спектр тянется, как мы предположили, горизонтально. Длина этих линий, равная ширине спектра, зависит от длины той вертикально расположенной щели, через которую исследуемый поток лучистой энергии вступает в прибор, служащий для его разложения в спектр (смотрите ниже). Если спектральные-линии находятся в видимой части спектра, то их окраска зависит от их длины волны, т. е. от того места, которое они занимают в спектральной полосе. Линейные спектры получаются при разложении лучистой энергии, испускаемой при определенных условиях (смотрите ниже) га.тми и парами, свечение которых может быть вызвано введением их в слабо светящееся пламя, наир., спирта, пропусканием через них электрического тока (гсйсслеровы трубки), вольтовой дугой (XI, 192) или электрической искрой. Число и распределение спектральных линий по всем частям спектра зависит от рода и
Состояния вещества. От этого же зависит и относительная яркость, точнее говоря—интенсивность отдельных линий. Рентгеновы лучи также могут дать линейный спектр. III. Спектры полосатые, состоящие из ряда полос различной ширины, которые при достаточно сильной дисперсии оказываются состоящими из огромного числа отдельных, весьма близких друг к другу линий. Они получаются от светящихся голов и паров. В настоящее время вполне установлено, что линейные спектры испускаются атомами, т. е. одноатомными газами и парами, каковы гелий, благородные газы и пары металлов, или двуатомными, молекулы которых подверглись диссоциации (XVIII, 411), то есть распаду на отдельные атомы; полосатые же спектры испускаются молекулами, т. е. дву- или многоатомными газами и парами, не подвергшимися диссоциации. В весьма многих случаях газы и пары дают смешанные спектры, в которых рядом с линиями встречаются также и отрезки сплошного спектра, которые не могут быть приняты за полосы полосатого спектра, так как они ни при какой дисперсии не разлагаются на отдельные линии. Так, спектр рентгеновых лучей всегда содержит сплошную часть, на фоне которой при известных условиях (смотрите ниже) выступает спектр линейный. Такие сплошные части иногда называются „белыми“, по аналогии со сплошным спектром, который дают белые видимые лучи. Говорят, например, о белом рентгеновом спектре, хотя рентгеновы лучи невидимы. Спектры поглощения получаются, если лучи источника, дающего сплошной спектр, пропустить через слой какого-либо испытуемого вещества, которое поглощает, т. е. не пропускает через себя, те или другие лучи. Лучи, прошедшие через этот слой, дают затем спектр, представляющий как бы обратное от спектра испускание. Он состоит из сплошного спектра, на фоне которого находятся темные (при полном поглощении—черные) линии, полосы, распадающиеся на множество отдельных линий, или сплошные темные части. Спектр поглощении зависит исключительно только от того вещества.
через слой которого прошли белые лучи, от толщины этого слоя и от состояния вещества, например, от его температуры, давления и так далее Связь между спектрами испускания и поглощения устанавливается законом Кирхгофа: всякое вещество поглощает те лучи,которые оно испускает. Этот закон, как мы увидим, не всегда оправдывается и, например, совершенно неприложим к случаю испускания рентгеновых лучей. К спектрам поглощения принадлежит спектр солнца и большинства звезд (смотрите спектр, ан. в астрономии). В случае испускания линейного спектра число и яркость или интенсивность отдельных линий зависят, между прочим, и от давления лучеис-пускающего газа или пара. Однако, Гемфри и Молср (Humphreys и Mohler, 1896) нашли, что и длина волны отдельных линий меняется, хотя и весьма мало, при изменении давления. Когда давление увеличивается от 1 до 12 атмосфер, то длина волны увеличиваетсяона величину порядка 0,01 А, т. е. происходит маленькое смещение линий налево. Видимая часть спектра обычно изучается визуально, то есть глазом. Оставляя в стороне лучи Герца, отметим, что инфракрасные лучи спектра изучаются наблюдением того нагревания, которое они вызывают в особых, весьма чувствительных приборах. Сюда относятся термоэлектрические столбики или спаи, особенно в т. наз. радио-микрометрах. Кобленц (Coblenz) построил такие приборы со спаями Bi-Pt или Bi—сплав Bi с Sn, настолько чувствительные, что он мог сравнить, например, излучения твердых и светлых пятен на поверхности Юпитера. Весьма чувствительными радио-микрометрами пользовался Рубенс (Rubens), которому принадлежит главная заслуга изучения инфракрасного спектра. Другой способ основан на применении болометра (смотрите VI, 238). Для изучения ультрафиолетовой части спектра пользуются почти только фотографическим спосо бом, который, впрочем, может служить и для исследования видимого спектра. Им же пользуются при изучении спектра рентгеновых лучей. Другой способ основан на ионизации (XXII, 65 W газов этими лучами. Приборы, которыми пользуются для изучения спектров, имеют различные названия: спектроскопы служат только для рассматривания спектра; спектрометры дают возможность производить более или менее точные измерения, относящиеся к распределению спектральных линий; в спектрографах получается спектр на поверхности светочувствительной пластинки, так что образуется фотография спектра. Все названные приборы могут быть с призмами или с диф-фракционными решетками. Приборы второго рода имеют то существенное преимущество, что отпадает возможность поглощения лучей внутри
того вещества, из которого составлена призма. Чтобы избежать поглощения лучей воздухом, помещают весь прибор в замкнутый со всех сторон ящик подходящей формы, из которого воздух выкачивается до весьма малого давления. Такой прибор называется вакуум - спектрограф; им пользуются, главным образом, при изучении спектров рентгеновых лучей. Схема простого спектроскопа изображена на рисунке 1 в горизонтальном разрезе. N призма из флинтгласа или кварца; А т.-наз. коллиматор; это трубка, на конце В которой находится вертикальная щель, ширину которой можно менять; перед ней ставится источник, спектр которого желают получить. На конце А находится чечевица с фокусным расстоянием, равным расстоянию АВ; поэтому лучи, исходящие из щели, образуют параллельный пучок, который в призме преломляется и рассеивается. CD зрительная труба, об’ектив С которой собирает все лучи в фокальной плоскости трубы, и, притом,, в зависимости от преломляемости лучей в различных местах этой плоскости, в которой, таким образом, получается горизонтальный спектр, состоящий из такого числа изображений щели В, сколько различного рода монохроматических (однородных, одного и того же Я) лучей находится в исследуемом потоке видимой лучистой анергии. В случае сплошного спектра число изображений неограниченно велико. Окуляр D служит для рассматривания спектра, FG труба, на конце G которой находится горизонтальная щель, прикрытая стеклянной шкалой с весьма мелкими делениями, освещенная каким-либо ярким пламенем. Лучи, исходящие из этой щели, делаются чечевицей F параллельными; они отражаются боковой поверхностью призмы N и также попадают в трубу, в фокальной плоскости которой получается изображение шкалы над верхним краем спектра. По этой шкале можно определить положение различных светлых или темных спектральных линий и произвести сравнение спектров различных источников. Если источник неудобно поместить перед самой щелью В (например, вольтову дугу), то можно его установить на любом расстоянии и проектировать его изображение при помощи чечевицы на самую щель. Для увеличения дисперсии, то есть удлинения спектра, что дает возможность точнее рассмотреть все детали, употребляются спектроскопы с целым рядом призм, через которые лучи проходят последовательно, все более и более рассеиваясь. Устраиваются и такие приборы, в которых лучи проходят через ряд призм сперва в одном, а потом в обратном направлении, что приводит к рассеянию как-бы от удвоенного числа призм. Хильджер (Hilger) в Лондоне устроил спектроскоп с тремя призмами, через которые лучи проходят по три раза взад и вперед, так что получается действие как бы от 18-ти призм. Весьма удобными представляются прямые спектроскопы (й vision directe), в которых происходит дисперсия без отклонения средних лучей от их первоначального направления. В них имеется сложнаяпризма, состоящая из такого сочетания призм кронгласовых и флинтгла-совых, расположенных преломляющими ребрами в противоположные стороны, что те и другие вызывают сами по себе одинаковое отклонение средних лучей.
При этом, однако, дисперсия, вызываемая призмами, неодинакова; значительно преобладает дисперсия флинт-гласовых призм, и этот избыток обнаруживается в окончательном результате прохождения лучей через всю сложную призму. На рисунке 2 показан ход лучей в призме Амичи (Amici), которая состоит из трех призм: средней из флинтгласа и двух крайних из кронгласа. На рисунке показан ход лучей красного (к), желтого (ж) и фиолетового (56). Падает луч белый (6) оказывается, что выходящий желтый луч ему параллелен. На рисунке 3 изображен прямой спектроскоп и над соответствующими местами расположение внутренних частей. В SV находится щель, в L чечевица I коллиматора; далее, идет сложная призма (2 флинтгласовые и 3 кронгласовые), сложный об’ектив аа и окуляр оо зрительной трубы. На рисунке 4 изображен современный спектрометр Хильджера (Hilger) с непосредственным отсчетом длин волн. Спектр по ту чается от диффракционной решетки, соединенной с прямоугольной призмой, от гипотенузы которой лучи отражаются. Коллиматор со щелью (справа) и зрительная труба (слева) установлены неподвижно, между тем как призма и решетка вращаются, так что возможно последовательно провести весь спектр через поле зрения трубы, вращая барабан, который на рисунке 4 виден в средней части прибора и на рисунке 5 изображен отдельно. На боковой поверхности барабана расположена винтообразная шкала, проходящая мимо неподвижного указателя. Числа на шкале соответ
Ствуют сотням онгстремов, так что отсчет можно делать с точностью до одного онгстрема. Установка окулярной части зрительной трубы производится вращением кольца, находящегося на средней части трубы, или вращением винта, расположенного над трубой. Колпачок, отдельно изображенный внизу, надевается на барабан, когда прибором не пользуются. Хильд-жер один только строит также спектрометры со ступенчатыми диффрак-ционными решетками (эшелон), дающими огромную дисперсию. Недостаток этих приборов заключается в том, что диффракционные спектры последовательных высоких порядков т, m-j- 1, т + 2 и так далее наложены друг на друга и сдвинуты каждый относительно со-
Рисунок 3.