Правила Кирхгофа отражают принципиальную разницу между излучением твёрдого тела и газа.
– А почему они отличаются? – поинтересовалась Галатея.
Дзинтара пояснила:
– Каждый атом – как крошечный гном с набором колокольчиков, каждый из которых звенит своей нотой. В твёрдом теле атомам-гномам тесно, они толкают друг друга и мешают колокольчикам звенеть. В результате наружу из твёрдого тела выходит не музыка, а шум. В разреженном газе колокольчики звенят свободно, и снаружи слышна гармоничная музыка из нескольких нот – регистрируются узкие спектральные линии.
Из правил Кирхгофа следует удивительный факт: длины волны ярких эмиссионных линий и тёмных линий поглощения практически одинаковы для одного и того же газа.
– Значит, атомы-гномики не только звенят своими колокольчиками, но и ловят ими нужные ноты? – спросил Андрей.
– Да, эти колокольчики похожи на идеальные камертоны, звучащие в тон приходящему звуку и испускающие волны той же частоты. Фраунгофер открыл в солнечном спектре тёмные линии, вызванные поглощением света атомами, а в наземных спектрах позже были зарегистрированы аналогичные по длине волны яркие эмиссионные линии.
Шведский учёный Ангстрем в 1862 году показал, что в спектре Солнца есть водород, так что утверждение Огюста Конта о невозможности узнать состав звёзд оказалось неверным уже через двадцать лет. Линии водорода в спектре Солнца видны сквозь забор линий железа и других металлов. Итальянский астроном Секки выделил на небе класс белых звёзд, в спектре которых виден практически один водород. То, что это именно водород, стало известно из эмиссионного спектра, полученного в лаборатории: в нём светлые линии располагались там же, где тёмные прорези в звёздных спектрах. В 1868 году Ангстрем опубликовал свой атлас солнечного спектра, а Секки – первую спектральную классификацию звёзд, за что его назвали «отцом современной астрофизики».
Одним из первых спектроскопистов, изучившим спектры многих небесных объектов, стал английский астроном Уильям Хаггинс. Он наблюдал небо на своей частной обсерватории в Лондоне и обнаружил, что галактика Туманность Андромеды даёт сплошной радужный спектр, похожий на спектры звёзд. Когда в 1864 году Хаггинс навёл свой телескоп с присоединённым к нему спектроскопом на красивую туманность Кошачий Глаз в созвездии Дракона, к своему удивлению, получил на выходе не типичную светящуюся радугу, а тёмный фон с тремя яркими линиями. Это означало, что, в отличие от плотных звёзд, дающих сплошной спектр, туманности состоят из разреженного газа, который светится в отдельных линиях.
Позже Уильям Хаггинс женился на ирландской девушке Маргарет, которая с детства увлекалась звёздами и сама конструировала спектроскопы. Супруги Хаггинс выпустили каталог небесных спектров туманностей, звёзд и галактик, где показали отличие спектра галактики Туманность Андромеды от спектров отдельных звёзд.
Открытие спектров в видимой области света стало началом изучения космических спектров. Далее исследователи двинулись в области более длинных и более коротких волн. Загадки открываемых спектров множились. Как показали швейцарский математик Бальмер и шведский физик Ридберг, длины волн отдельных линий подчиняются простым числовым соотношениям. Эта загадка была решена, лишь когда физики построили правильную модель атома. Линии, открытые Фраунгофером, повели учёных и внутрь крошечных атомов, и вдаль, к огромным звёздам.
Примечания для любопытных
Йозеф Фраунгофер (1787–1826) – знаменитый баварский оптик и механик. Открыл линии Фраунгофера и дифракцию Фраунгофера.
Принц Максимилиан (1756–1825) – принц Баварии (1799–1805), первый король Баварии Максимилиан I Иосиф (1806–1825).
Спектр (излучения) – зависимость интенсивности свечения объекта от длины волны. Спектр может быть линейчатым (состоящим из отдельных линий), полосатым (многочисленные линии сливаются в полосы) или сплошным (зависимость яркости объекта от длины волны представляет собой плавную линию), а для сложных объектов из нескольких компонент – сплошным с дополнительными тёмными и светлыми линиями.
Антони ван Левенгук (1632–1723) – знаменитый нидерландский натуралист, конструктор микроскопов, открывший мир микроорганизмов.
Роберт Бунзен (1811–1899) – известный немецкий химик-экспериментатор, вместе с Кирхгофом разработавший в 1860 году основы нового экспериментального метода – спектрального анализа.
Густав Кирхгоф (1824–1887) – знаменитый немецкий физик, родившийся в Кёнигсберге и оставивший след во многих областях физики. Основатель спектрального анализа.
Региомонтан (Иоганн Мюллер) (1436–1476) – выдающийся немецкий астроном, выходец из Кёнигсберга. Гений. Перевёл с греческого на латынь «Альмагест» Птолемея (100–170), заново рассчитал движения звёзд и планет, в 1474 году выпустил «Эфемериды» – первые напечатанные типографским способом астрономические таблицы, которые использовали Колумб, Васко да Гама и другие мореплаватели.
Огюст Конт (1798–1857) – выдающийся французский философ, основоположник социологии как самостоятельной науки.
Андерс Ангстрем (1814–1874) – известный шведский учёный-астрофизик, один из основателей спектрального анализа. Изучил 1000 спектральных линий. В 1862 году обнаружил водород на Солнце. Его именем названа единица «ангстрем» – одна десятимиллионная доля миллиметра.
Анджело Пьетро Секки (1818–1878) – выдающийся итальянский астроном, священник, директор обсерватории Папского Григорианского университета. Пионер звёздной спектроскопии.
Камертон – металлический инструмент в виде двузубой вилки для воспроизведения определённой частоты звука. Камертон изобрёл английский музыкант Джон Шор в 1711 году.
Уильям Хаггинс (1824–1910) – видный английский астроном, первым измеривший спектры многих космических объектов. Президент Королевского общества в 1900–1905 годах.
Маргарет Хаггинс (1848–1915) – ирландский астроном-спектроскопист, супруга Уильяма Хаггинса.
Кошачий Глаз – туманность в созвездии Дракона на расстоянии 3300 световых лет от Земли. Образована взрывом звезды 1000 лет назад (начало расширения для земного наблюдателя; в реальности взрыв произошёл 3300 + 1000 = 4300 лет назад).
Туманность Андромеды – ближайшая к нашей Галактике спиральная галактика. Движется к нам со скоростью 110 км в секунду и столкнётся с Млечным Путём через 4 миллиарда лет. Только не надо паниковать – время у нас ещё есть!
За семейным столом сидел новый гость – высокий мужчина со спокойным лицом. Галатея выждала удобную минуту и спросила его:
– Дядя Джерри, а вы знаете какую-нибудь сказку?
Джерри усмехнулся и сказал:
– Я наслышан про коварные обычаи этого дома: кто сюда войдёт, без сказки живым не выйдет. Причем сказки нужны не обычные волшебные, а особенные – научные.