«Шесть лекций о свете»

§ 13.\nПоляризация света неба.

Но есть и другая тема, связанная с нашим небосводом, более тонкая и сокровенная по своему характеру, чем даже его цвет. Я имею в виду то «таинственное и прекрасное явление», как называет его сэр Джон Гершель, — поляризацию света неба. Глядя на различные точки голубого небосвода через никоновскую призму и поворачивая призму вокруг ее оси, мы вскоре замечаем изменения яркости. В определенных положениях призмы и из определенных точек небосвода свет кажется полностью прошедшим, в то время как для существенного уменьшения интенсивности света достаточно повернуть призму вокруг ее оси всего на девяносто градусов. Эксперименты подобного рода доказывают, что голубой свет, посылаемый нам небосводом, поляризован, и при внимательном рассмотрении также обнаруживается, что направление наиболее совершенной поляризации перпендикулярно солнечным лучам. Если бы небесная лазурь была подобна обычному солнечному свету, поворот призмы не оказал бы на нее никакого влияния; она проходила бы одинаково во время всего вращения призмы. Свет неба может быть в значительной степени погашен, потому что он в значительной степени поляризован.

То же явление в совершенстве демонстрируется нашими актиническими облаками, причем единственным условием, необходимым для его возникновения, является малость частиц. Во всех случаях и со всеми веществами облако, образующееся в самом начале, когда осажденные частицы достаточно мелкие, имеет синий цвет. Более того, во всех случаях это тонкое синее облако идеально поляризует пучок, который его освещает, причем направление поляризации образует угол 90° с осью освещающего пучка.

Чрезвычайно интересно наблюдать как зарождение, так и затухание этой поляризации. В течение десяти или пятнадцати минут после своего появления свет от ярко освещенного зарождающегося облака, если смотреть на него горизонтально, полностью гасится никоновской призмой с вертикальной большей диагональю. Но по мере того как небесная синева постепенно загрязняется появлением частиц слишком большого размера, иными словами, по мере того как начинают формироваться реальные облака, поляризация начинает ухудшаться, и часть света проходит сквозь призму во всех ее положениях, как это происходит в случае света неба. Стоит отметить, что в течение некоторого времени после прекращения идеальной поляризации остаточный свет, проходящий сквозь Николь в положении минимального пропускания, имеет великолепный синий цвет, тогда как более белый свет облака угасает. Когда структура облака становится достаточно грубой, чтобы приблизиться к структуре обычных облаков, вращение Николя перестает оказывать какое-либо заметное влияние на свет, испускаемый под прямым углом к пучку.

Совершенство поляризации в направлении, перпендикулярном освещающему пучку, можно также проиллюстрировать с помощью следующего эксперимента, который был осуществлен со многими парами. Никоновская призма, достаточно большая, чтобы охватить весь пучок электрической лампы, была помещена между лампой и экспериментальной трубкой. Пропустив через трубку пучок, поляризованный Николем, я встал перед ней так, чтобы глаза находились на уровне ее оси, а мой помощник занял аналогичное положение позади трубки. Малая диагональ большого Николя была в первом случае вертикальной, поэтому плоскость колебаний выходящего пучка также была вертикальной. По мере того как свет продолжал действовать, великолепное синее облако, видимое как моему помощнику, так и мне, медленно формировалось. Но это облако, столь глубокое и насыщенное при взгляде из упомянутых положений, совершенно исчезало при взгляде вертикально вниз или вертикально вверх. Отражение от облака в этих направлениях было невозможно. Когда большой Николь медленно поворачивали вокруг его оси при нахождении глаза наблюдателя на уровне пучка и перпендикулярности линии зрения к нему, происходило полное затухание света, испускаемого горизонтально, когда большая диагональ большого Николя была вертикальной. Но при взгляде вниз или вверх наблюдалось яркое синее облако. Этот поистине прекрасный эксперимент, который я наверняка поставил бы и без подсказки, на самом деле был впервые определенно предложен в письме ко мне профессора Стоукса.

Все явления цвета и поляризации, наблюдаемые в случае света неба, проявляются в этих актинических облаках; и они демонстрируют дополнительные явления, которые было бы ни удобно исследовать, ни, возможно, невозможно обнаружить на реальном небосводе. Они позволяют нам, например, проследить поляризацию от ее первого появления на едва заметном синем фоне до ее окончательного исчезновения в более грубом облаке. Эти изменения, в той мере, в какой о них необходимо упомянуть в настоящее время, можно суммировать следующим образом:—

1. Актиническое облако, пока оно остается синим, испускает поляризованный свет во всех направлениях, но направление максимальной поляризации, как и у света неба, находится под прямым углом к направлению освещающего пучка.

2. Пока облако остается отчетливо синим, свет, испускаемый им под прямым углом к освещающему пучку, поляризован идеально. Он может быть полностью погашен никоновской призмой, что приводит к исчезновению облака, из которого он исходит. Любое отклонение от перпендикуляра позволяет части света пройти через призму.

3. Направление колебаний поляризованного света перпендикулярно освещающему пучку. Следовательно, пластинка турмалина с осью, параллельной пучку, задерживает свет, а с осью, перпендикулярной пучку, — пропускает свет.

4. Селенитовая пластинка, помещенная между Николем и актиническим облаком, показывает цвета поляризованного света; по сути, само облако играет роль поляризующего Николя.

5. Частицы синего облака неизмеримо малы, но они постепенно увеличиваются в размерах и на определенном этапе своего роста перестают излучать идеально поляризованный свет. Некоторое время спустя свет, достигающий глаза через Николь в положении наименьшего пропускания, имеет великолепный синий цвет, намного превосходящий по глубине и чистоте цвет самого чистого неба; таким образом, волны, которые первыми ощущают влияние размера на обоих предельных значениях поляризации, являются самыми короткими волнами спектра. Они первыми подвергаются поляризации и первыми избегают ее.

ЛЕКЦИЯ V.

ДИАПАЗОН ЗРЕНИЯ НЕ СОИЗМЕРИМ С ДИАПАЗОНОМ ИЗЛУЧЕНИЯ

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ЛУЧИ

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ

ПРЕПЯТСТВИЯ К ПРЕВРАЩЕНИЮ НЕВИДИМЫХ ЛУЧЕЙ В ВИДИМЫЕ

ЗРЕНИЕ — НЕ ЕДИНСТВЕННОЕ ЧУВСТВО, К КОТОРОМУ ВЗИРАЕТ СОЛНЕЧНЫЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПУЧОК

ТЕПЛОТА ПУЧКА

ГОРЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ВСЕГО ПУЧКА В ФОКУСАХ ЗЕРКАЛ И ЛИНЗ

ГОРЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЛЕДЯНУЮ ЛИНЗУ

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ АЛМАЗА

ПОИСК ЭФФЕКТИВНЫХ ЗДЕСЬ ЛУЧЕЙ

ОТКРЫТИЕ СЭРОМ ВИЛЬЯМОМ ГЕРШЕЛЕМ ТЕМНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ

НЕВИДИМЫЕ ЛУЧИ КАК ОСНОВА ВИДИМЫХ

ОТДЕЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ЛУЧЕВОГО ФИЛЬТРА НЕВИДИМЫХ ЛУЧЕЙ ОТ ВИДИМЫХ

ГОРЕНИЕ В ТЕМНЫХ ФОКУСАХ

ПРЕВРАЩЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЛУЧЕЙ В СВЕТОВЫЕ

КАЛОРЕСЦЕНЦИЯ

РОЛЬ ТЕМНЫХ ЛУЧЕЙ В ПРИРОДЕ

ТОЖДЕСТВО СВЕТА И ЛУЧИСТОГО ТЕПЛА

НЕВИДИМЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

ОТРАЖЕНИЕ, ПРЕФРАКЦИЯ, ПЛОСКАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ, ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ, КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ, ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕОБРАЗОВАНИЕ И МАГНЕТИЗМ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛА.

§ 1.\nДиапазон зрения и излучения.

Первый вопрос, который мы должны рассмотреть сегодня вечером, заключается в следующем: соразмерен ли глаз как орган зрения со всем диапазоном солнечного излучения — способен ли он воспринимать зрительные впечатления от всех лучей, испускаемых солнцем? Ответ отрицательный. Если бы мы позволили себе принять на мгновение то понятие постепенного роста, улучшения и восхождения, которое подразумевается термином «эволюция», мы могли бы с полным правом заключить, что человека ожидают запасы зрительных впечатлений, гораздо большие, чем те, которыми он обладает в настоящее время. Риттер обнаружил в 1801 году, что за пределом крайней фиолетовой части спектра лежит огромный поток лучей, совершенно бесполезных с точки зрения наших нынешних способностей зрения. Однако эти ультрафиолетовые волны, хотя и не способны возбудить зрительный нерв, могут раскалывать молекулы некоторых сложных веществ, на которые они падают, вызывая тем самым химическое разложение.

Но хотя синие, фиолетовые и ультрафиолетовые лучи могут оказывать такое действие на определенные вещества, этого факта едва ли достаточно, чтобы дать им право называться «химическими лучами», каковое название обычно применяется для отличия их от других составляющих спектра. В отношении их действия на соли серебра и многие другие вещества они, возможно, заслуживают этого названия; но в случае величайшего примера химического действия света — разложения углекислоты в листьях растений, с которым мой выдающийся друг доктор Дрейпер (ныне покойный) так неразрывно связал свое имя — наиболее активными оказываются желтые лучи.

Однако существуют вещества, на которые фиолетовые и ультрафиолетовые волны оказывают специфическое разлагающее действие; и, позволяя невидимому спектру падать на поверхности, подготовленные с такими веществами, мы выявляем как существование, так и протяженность ультрафиолетового спектра.

§ 2.\nУльтрафиолетовые лучи: флуоресценция.

Метод демонстрации действия ультрафиолетовых лучей посредством их химического действия известен уже давно; поистине, Томас Юнг сфотографировал ультрафиолетовые кольца Ньютона. Теперь нам предстоит продемонстрировать их присутствие другим способом. Как правило, тела либо пропускают свет, либо поглощают его; но существует третий случай, когда свет, падающий на тело, не пропускается и не поглощается, а преобразуется в свет иного рода. Профессор Стоукс, занимающий кафедру Ньютона в Кембриджском университете, продемонстрировал это превращение одного вида света в другой и довел свои эксперименты до того, что сделал невидимые лучи видимыми.

Было доказано, что большое количество исследованных Стоуксом веществ при возбуждении невидимыми ультрафиолетовыми волнами излучает свет. Вам известна частота колебаний, соответствующая краю фиолетовой части спектра; вы знаете, что для возникновения ощущения этого цвета сетчатка подвергается ударам 789 триллионов раз в секунду. В этой точке сетчатка перестает быть полезной в качестве органа зрения; ибо, хотя по ней ударяют волны с еще более частым повторением, они не способны вызвать ощущение света. Но когда такие невидивоздействуют на молекулы определенных веществ — например, сульфата хинина, — они заставляют эти молекулы или их составляющие атомы вибрировать; особенность же заключается в том, что возникающие таким образом колебания имеют более медленный период, чем возбуждающие волны. Благодаря этому понижению частоты колебаний посредством посредничества сульфата хинина невидимые лучи попадают в диапазон зрения. Впоследствии у нас будет много возможностей убедиться в том, что прозрачность для видимых лучей отнюдь не предполагает прозрачности для невидимых лучей. Наш сероуглерод, например, который, будучи использован в призмах, чрезвычайно подходит для экспериментов с видимыми лучами, совсем не так хорошо подходит для этих ультрафиолетовых лучей. Флинта стекло лучше, а горный хрусталь лучше флинтового стекла. Однако стеклянная призма вполне подойдет для наших текущих целей.

Проецируя с помощью такой призмы спектр не на белую поверхность нашего экрана, а на лист бумаги, который был смочен насыщенным раствором сульфата хинина, а затем высушен, обнаруживается явное продолжение спектра. Прежде всего мы видим часть фиолетового света, ставшую более белой и яркой; но помимо этого мы наблюдаем свечение цвета там, где в случае неподготовленной бумаги ничего не видно. Другие вещества производят аналогичный эффект. Вещество, например, недавно открытое президентом Мортоном и названное им талленом, вызывает весьма поразительное удлинение спектра, причем генерируемый новый свет обладает особой яркостью.

Флюорит и некоторые другие вещества при нагревании до температуры, все еще не достигающей красноты, испускают свет. За те эпохи, которые прошли с момента их образования, эта способность приводить эфир в состояние зрительного трепета, по-видимому, сохранялась этими веществами. Свет оставался потенциальным внутри них все это время; и, как хорошо объяснил Дрейпер, теплота, хотя сама по себе не обладающая зрительной интенсивностью, может разблокировать молекулы так, чтобы позволить им проявить свою долго скрытую способность к вибрации. Это поведение флюорита определило выбор Стоуксом названия для его великого открытия: он назвал это проявление видимости ультрафиолетовых лучей флуоресценцией.

С помощью глубоко окрашенного фиолетового стекла мы отсекаем почти весь свет нашего электрического пучка; но это стекло исключительно прозрачно для фиолетовых и ультрафиолетовых лучей. Фиолетовый пучок теперь пересекает большой сосуд, наполненный водой, в который я вливаю раствор сульфата хинина. Облака, кажущиеся непрозрачными, мгновенно падают вниз. Обломки коры конского каштана, брошенные в воду, также посылают вниз красивые облакоподобные полосы. Но это не облака: здесь ничего не осаждается; наблюдаемое действие является действием молекул, а не частиц. Среда перед вами не является мутной средой, ибо при взгляде сквозь нее на светящуюся поверхность она совершенно прозрачна.

Если мы нарисуем на листе бумаги цветок или букет сульфатом хинина и выставим его под полный пучок света, почти ничего не будет видно. Но при введении фиолетового стекла рисунок мгновенно вспыхивает в резком контрасте с глубоким окружающим фиолетовым светом. Президент Мортон подготовил для меня прекраснейший пример такого рисунка, который при помещении в фиолетовый свет демонстрирует исключительно яркую флуоресценцию. Судя по экспериментам докторов Бенса Джонса и Дюпре, в человеческом теле присутствует какое-то вещество, напоминающее сульфат хинина, которое обуславливает большую или меньшую флуоресценцию всех тканей тела. Все животные настои показывают эту флуоресценцию. Хрусталик глаза демонстрирует этот эффект самым поразительным образом. Когда, например, я погружаю свой глаз в этот фиолетовый пучок, я ощущаю белесовато-голубое мерцание, заполняющее пространство передо мной. Это вызвано флуоресцентным светом, генерируемым в самом глазу. При взгляде извне видно, как хрусталик глаза одновременно ярко светится.

Задолго до того, как было понято его физическое происхождение, этот флуоресцентный свет привлекал к себе внимание. Бойль описывает его с большой полнотой и точностью. «Мы иногда, — говорит он, — находили в лавках наших аптекарей определенное дерево, которое там называют Lignum Nephriticum, потому что жители страны, где оно растет, обычно используют настой его, приготовленный на чистой воде, против камней в почках. Это дерево может дать нам эксперимент, который, помимо своей необычности, может оказать немалую помощь внимательному наблюдателю в раскрытии природы цветов. Возьмите Lignum Nephriticum и ножом нарежьте его на тонкие ломтики: положите около горсти этих ломтиков в два, три или четыре фунта чистейшей родниковой воды. Слейте эту насыщенную воду в стеклянный флакон; и если вы поднесете его прямо между светом и вашим глазом, вы увидите, что он полностью окрашен в почти золотистый цвет. Но если вы отвещете этот флакон от света так, чтобы ваш глаз располагался между окном и флаконом, жидкость покажется глубокого и прекрасного небесно-голубого цвета».

«Эти, — продолжает он, — и другие явления, которые я наблюдал в этом восхитительном эксперименте, мои друзья рассматривали не без некоторого удивления; и я помню, как отличный окулист, случайно обнаружив в комнате друга флакон с этой жидкостью, который я подарил этому другу, и ничего не слышав об эксперименте, не имея рядом никого, кто мог бы сказать ему, что это за странная жидкость, долгое время опасался, как он рассказал мне вскоре после этого, что какая-то странная новая болезнь поражает его глаза. И я признаюсь, что необычность явления заставила меня весьма ревностно искать причину этого эксперимента; и хотя я далек от того, чтобы претендовать на ее обнаружение, мои изыскания, полагаю, позволили мне дать такие намеки, которые могут привести вашу большую проницательность к открытию причины этого чуда» [21].

Гете в своем труде «Учение о цвете» так описывает флуоресценцию коры конского каштана: «Если взять полоску свежей коры конского каштана и опустить ее в стакан с водой, немедленно образуется совершеннейшая небесная синева» [22]. Сэр Джон Гершель впервые заметил и описал флуоресценцию сульфата хинина и показал, что свет исходит от тонкого слоя раствора, прилегающего к поверхности, через которую свет проникает в него. Более того, он показал, что падающий пучок, хотя и не ослабевает заметно по световой интенсивности, теряет при своем прохождении через раствор сульфата хинина способность производить синий флуоресцентный свет. Сэр Дэвид Брюстер также работал над этой темой; но профессору Стоуксу мы обязаны не только ее расширением, но и полным и окончательным объяснением.

§ 3.\nТеплота электрического пучка. Воспламенение с помощью ледяной линзы. Возможная температура комет.

Но волны от наших раскаленных угольных стержней воздействуют на другое чувство, отличное от зрения. Они производят не только свет, но и тепло как ощущение. Увеличенное изображение угольных стержней находится сейчас на экране; и с помощью подходящего прибора нагревающая способность лучей, образующих это изображение, может быть легко продемонстрирована. Однако в данном случае тепло распределяется по слишком большой площади, чтобы быть очень интенсивным. Выдвигая линзу камеры и заставляя подвижный экран приближаться к лампе, мы видим, как изображение становится все меньше и меньше; лучи при этом концентрируются все сильнее, пока, наконец, они не получают возможность прожечь черную бумагу жгучим кольцом. Отодвигая линзу назад так, чтобы лучи стали параллельными, и принимая их на вогнутое зеркало, мы собираем их в фокус; бумага, помещенная в этот фокус, начинает дымиться и гореть. Тепло такой интенсивности может быть получено с помощью нашей обычной камеры и линзы, а также вогнутого зеркала весьма умеренной силы.

Fig. 48.

Теперь мы примем более серьезные меры в отношении излучения. В этой большой камере из почерненной жести помещена лампа, во всех деталях похожая на те, что использовались ранее. Но вместо того, чтобы собирать лучи от угольных стержней с помощью собирающей линзы, мы собираем их вогнутым зеркалом (m m', рис. 48), посеребренным спереди и расположенным позади углеродов (P). С помощью этого зеркала мы можем заставить лучи выходить через отверстие в передней части камеры либо параллельными, либо сходящимися. Теперь они параллельны и поэтому в определенной степени рассеяны. Мы помещаем выпуклую линзу (L) на пути пучка; свет сходится в фокус (C), и в этом фокусе бумага не только протыкается, но и мгновенно воспламеняется.

Многие металлы могут сгорать точно так же. В нашей первой лекции упоминалась горючесть цинка. Если поместить полоску листового цинка в этот фокус, она мгновенно воспламеняется, горя характерным пурпурным пламенем. А теперь я заменю нашу стеклянную линзу (L) другой, более необычной природы. В гладкой железной форме была отлита линза из прозрачного льда. Поместив ее в положение, которое мгновенно занимала стеклянная линза, я вижу, как пучок собирается в резкий фокус. В фокус я помещаю кусочек черной бумаги с завернутым в него небольшим количеством пироксилина. Бумага немедленно воспламеняется, и хлопья взрываются. Странно, не правда ли, что пучок обладает столь сильной нагревающей способностью после прохождения через столь холодное вещество? В своих арктических экспедициях доктор Скорсби преуспел во взрыве пороха с помощью солнечных лучей, собранных большими ледяными линзами; здесь нам удалось достичь этого эффекта с помощью маленькой линзы и земного источника тепла.

В этом эксперименте вы замечаете, что перед тем, как пучок достигает ледяной линзы, он проходит через стеклянную кювету с водой. Таким образом, пучок очищается от компонентов, которые при падении на линзу повредили бы ее поверхность и размыли фокус. И это приводит меня к тому, чтобы сказать предварительное слово относительно прозрачности. В нашей первой лекции мы подробно остановились на образовании цветов посредством поглощения и неоднократно говорили о гашении световых лучей. Значило ли это, что свет уничтожается полностью? Отнюдь нет. Его рефракция была просто понижена настолько, чтобы избежать зрительного диапазона. Он превратился в тепло. Наша красная лента в зеленой части спектра гасила зеленый цвет, но при надлежащем исследовании ее температура оказалась бы повышенной. Наша зеленая лента в красной части спектра гасила красный цвет, но ее температура при этом возрастала до степени, точно эквивалентной погашенному свету. Наша черная лента при прохождении через спектр оказывалась способной гасить все его цвета; но на каждом этапе ее продвижения в ленте генерировалось количество тепла, в точности эквивалентное потерянному свету. Тепло выделяется таким образом только тогда, когда происходит поглощение: и тепло всегда является результатом поглощения.

Исследуйте воду перед лампой после того, как через нее прошел пучок: она заметно теплая, и если позволить ей оставаться там достаточно долго, ее можно довести до кипения. Это происходит из-за поглощения водой определенной части электрического пучка. Но часть проходит сквозь нее без поглощения и совершенно не участвует в нагревании воды. Теперь, лед также в значительной степени прозрачен для этих последних лучей и потому мало плавится ими. Следовательно, используя ту часть пучка, которая пропускается водой, мы можем сохранить нашу линзу в целости и создать с ее помощью четко определенный фокус. Белая бумага, помещенная в этот фокус, не воспламеняется, поскольку она не способна поглотить лучи, выходящие из ледяной линзы. Однако в том же месте черная бумага мгновенно горит, потому что она поглощает прошедший свет.

И здесь может оказаться полезным обратиться к оценке Ньютона, основанной на сомнительных данных, но повторявшейся впоследствии различными выдающимися астрономами. Комета 1680 года при наибольшем сближении с солнцем находилась всего в одной шестой диаметра солнца от его поверхности. Ньютон оценил ее температуру в этом положении как превышающую более чем в две тысячи раза температуру расплавленного железа. Теперь из вышеописанных экспериментов очевидно, что температуру кометы нельзя было выводить из ее близости к солнцу. Если бы ее способность к поглощению была достаточно низкой, комета могла бы принести холод звездного пространства в окрестности солнца.

§ 4.\nГорение алмаза под действием лучистого тепла\n.

Опыт по сжиганию алмаза в кислороде с помощью сосредоточенных солнечных лучей был повторен во Флоренции в присутствии сэра Хамфри Дэви во вторник, 27 марта 1814 года. Фарадей описывает его так: «Сегодня мы провели грандиозный опыт сжигания алмаза, и, безусловно, наблюдавшееся явление было чрезвычайно прекрасным и интересным. Из стеклянного шара емкостью около 22 кубических дюймов был откачан воздух, после чего он был наполнен чистым кислородом. Алмаз был закреплен в центре этого шара. Инструментом для подвода тепла к алмазу служило зажигательное стекло герцога. Оно состоит из двух двойных выпуклых линз, удаленных друг от друга примерно на 3½ фута; большая линза имеет в диаметре около 14 или 15 дюймов, меньшая — около 3 дюймов. С помощью второй линзы фокус значительно уменьшается, и при ярком солнечном свете тепло становится очень интенсивным. Алмаз был помещен в фокус, и за ним следили с замиранием сердца. Внезапно сир Х. Дэви заметил, что алмаз начинает заметно гореть, а когда его извлекли из фокуса, обнаружилось, что он находится в состоянии активного и быстрого горения».

Горение алмаза никогда ранее не удавалось вызвать с помощью лучистого тепла из земного источника. Я попытался осуществить это перед пересечением Атлантики и преуспел в этом. Небольшой алмаз, который я сейчас держу в руке, удерживается петлей платиновой проволоки. Чтобы по возможности защитить его от воздушных потоков, а также сконцентрировать на нем тепло, он окружен колпачком из листовой платины. Подведя снизу сосуд с кислородом, я направляю фокус электрического пучка на алмаз. Небольшой доли времени, затраченного в эксперименте, описанном Фарадеем, оказывается достаточно, чтобы раскалить алмаз до ярко-красного цвета. Погружая его затем в кислород, мы видим, как он начинает светиться подобно маленькой белой звездочке; и он продолжал бы гореть и светиться до полного сгорания. Фокус можно навести на алмаз и в кислороде, как в флорентийском опыте: результат тот же. К описанному здесь методу эксперимента прибегли исключительно для того, чтобы обеспечить более полный контроль над положением фокуса и точно направить его на алмаз.

§ 5.\nУльтракрасные лучи: калоресценция\n.

На пути пучка, выходящего из нашей лампы, я теперь помещаю кювету с стеклянными стенками, содержащую раствор квасцов. Весь свет этого пучка проходит через данный раствор. Этот свет принимается зеркалом с сильной вогнутостью и серебрением спереди, после чего фокусируется этим зеркалом. Вы можете видеть, как конический пучок отраженного света прочерчивает свой путь сквозь пыль в комнате. Клочок белой бумаги, помещенный в фокус, сидит там с ослепительной яркостью, но он даже не обугливается. Однако при удалении кюветы с квасцами бумага мгновенно воспламеняется. Следовательно, в этом пучке должно быть что-то помимо его света. Свет не поглощается белой бумагой и поэтому не сжигает ее; но помимо света имеется нечто такое, что поглощается и вызывает горение. Что это за нечто?

В 1800 году сэр Уильям Гершель провел термометр через различные цвета солнечного спектра и отметил повышение температуры, соответствующее каждому цвету. Он обнаружил, что тепловой эффект возрастает от фиолетового к красному; однако он не остановился на красном, а продвинул свой термометр в темную область за ним. Здесь он обнаружил, что температура фактически выше, чем в любой части видимого спектра. Благодаря этому важному наблюдению он доказал, что солнце испускает тепловые лучи, которые совершенно непригодны для зрения. Впоследствии эту тему разрабатывали Зебек, Меллони, Мюллер и другие, а за последние несколько лет выяснилось, что она способна к неожиданным расширениям и применениям. Я разработал метод, позволяющий так отфильтровать солнечный или электрический пучок, чтобы выделить из него и сохранить в неизменном виде это невидимое ультракрасное излучение, в то время как видимое и ультрафиолетовое излучения полностью задерживаются. Таким образом, мы получаем возможность по своему усмотрению работать с чисто ультракрасными волнами.

При нагревании твердых тел до каления это не визуальное излучение служит необходимой основой визуального. Перед столом натянута платиновая проволока, через которую течет электрический ток. Она нагревается током, и ее тепло можно ощутить рукой. Она испускает тепловые волны, но не испускает света. При увеличении силы тока проволока становится горячее; наконец, она начинает светиться спокойным красным светом. В этот момент доктор Дрейпер много лет назад начал интересное исследование. Он использовал вольтов ток для нагревания своей платины и с помощью призмы изучал последовательное появление цветов спектра. Его первым цветом, как и здесь, был красный; затем шел оранжевый, потом желтый, затем зеленый и, наконец, все оттенки синего. По мере того как температура платины постепенно повышалась, атомы начинали колебаться быстрее; таким образом возникали более короткие волны, пока наконец не получались волны, соответствующие всему спектру. По мере появления каждого последующего цвета предшествующие ему цвета становились более насыщенными. Но насыщенность или интенсивность света, подобно интенсивности звука, зависит не от длины волны, а от амплитуды колебания. Следовательно, поскольку менее преломляемые цвета становились интенсивнее при появлении более преломляемых, мы вынуждены заключить, что одновременно с появлением более коротких волн происходило увеличение амплитуды более длинных.

Эти замечания относятся не только к видимому излучению, исследованному доктором Дрейпером, но и к невидимому излучению, которое предшествует появлению любого света. В излучении раскаленной добела платиновой проволоки, находящейся перед вами, присутствуют те же бесцветовые волны, с которых мы начали, только их интенсивность возросла в тысячу раз благодаря увеличению температуры, необходимому для получения этого белого света. Оба эффекта неразрывно связаны друг с другом: в раскаленном твердом теле или в расплавленном твердом теле нельзя получить более короткие волны без такого усиления более длинных. Солнце возможно только при этих условиях; отсюда и открытие сэром Уильямом Гершелем невидимого ультракрасного солнечного излучения.

Невидимое тепло, испускаемое как темными телами, так и светящимися, проносится сквозь пространство со скоростью света и называется лучистым теплом. Теперь лучистое тепло может послужить тонким и мощным исследователем молекулярного состояния, и в последние годы оно придало новый смысл акту химического соединения. Возьмем, к примеру, воздух, которым мы дышим. Он представляет собой смесь кислорода и азота и ведет себя по отношению к лучистому теплу подобно вакууму, будучи неспособным поглощать его в какой-либо заметной степени. Но позвольте этим же двум газам соединиться химически; тогда без какого-либо увеличения количества вещества, без изменения газообразного состояния и без какого-либо вмешательства в прозрачность газа акт химического соединения сопровождается колоссальным уменьшением его диатермантности, то есть проницаемости для лучистого тепла.

Исследования, установившие этот результат, также доказали, что элементарные газы в целом весьма прозрачны для лучистого тепла. Это, в свою очередь, привело к доказательству диатермантности элементарных жидкостей, таких как бром, и растворов твердых элементов: серы, фосфора и йода. Перед вами находится спектр, и вы замечаете, что прозрачный сероуглерод не оказывает никакого влияния на цвета. Если бросить в эту жидкость несколько чешуек йода, вы увидите, как средняя часть спектра вырезается. Увеличивая количество йода, мы вторгаемся во весь спектр и в конце концов полностью его перекрываем. При этом йод, который оказывается столь враждебным по отношению к свету, абсолютно прозрачен для ультракрасного излучения, с которым нам предстоит иметь дело. Следовательно, он и послужит нашим фильтром лучей.

Вновь поместив кювету с квасцами перед электрической лампой, мы убеждаемся, как и прежде, в полной неспособности сосредоточенного света поджечь белую бумагу. При введении кюветы с раствором йода свет полностью перекрывается; и тогда, при удалении кюветы с квасцами, белая бумага в темном фокусе мгновенно воспламеняется. Черная бумага обладает большей поглощательной способностью по отношению к этим лучам, чем белая; как следствие, с ней внезапность и сила горения возрастают. Цинк сгорает в том же месте, магний вспыхивает ярким пламенем, тогда как лист платинированной платины, помещенный в фокус, нагревается добела.

При рассмотрении через призму раскаленная добела платина дает все цвета спектра. До падения на платину волны возвращались слишком медленно, чтобы пробудить зрение; под действием атомов платины эти длинные и вялые волны расщепляются на более короткие, оказываясь тем самым в пределах видимого диапазона. На другом конце спектра путем введения подходящих веществ профессор Стоукс понизил преломляющую способность так, чтобы сделать невидимые лучи видимыми, и этому изменению он дал название флуоресценция. Здесь же посредством вмешательства платины преломляющая способность повышается, чтобы сделать невидимое видимым, и этому изменению я дал название калоресценция.

В совершенно невидимом фокусе, где производятся эти эффекты, воздух может быть холодным как лед. Воздух, как уже говорилось, не поглощает лучистое тепло и поэтому не нагревается им. Ничто не может столь убедительно проиллюстрировать обособленность, если можно так выразиться, светоносного эфира от воздуха. Волнечное движение одного нагромождается до чрезвычайной степени интенсивности, не производя никакого заметного эффекта на другое. Могу добавить, что при соблюдении надлежащих мер предосторожности глаз можно поместить в фокус, способный раскалить платину до ярко-красного цвета, без каких-либо повреждений или малейшего ощущения света или тепла.

Важную роль, которую играют эти ультракрасные лучи в природе, можно проиллюстрировать следующим образом: я убираю йодный фильтр и концентрирую весь пучок на пробирке с водой. Она немедленно начинает фырчать и через минуту-две закипает. Что ее кипятит? Если поместить раствор квасцов перед лампой, кипение мгновенно прекращается. Но квасцы пропускают все световые лучи; следовательно, не эти лучи вызвали кипение. Я ввожу йод и убираю квасцы: в невидимом фокусе немедленно возобновляется бурное кипение. Таким образом, мы возлагаем ответственность за нагревание воды именно на невидимые ультракрасные лучи.

Мы получаем возможность понять важнейшую роль, которую эти лучи играют в природе. Именно им мы обязаны нагреванием и последующим испарением тропического океана; следовательно, именно им мы обязаны нашими дождями и снегами. Они поглощаются вблизи поверхности океана и нагревают поверхностную воду, тогда как световые лучи проникают на большую глубину, не производя никакого заметного эффекта. Но мы можем пойти дальше. Вот большая колба со смесью для замораживания, которая настолько охладила колбу, что водяной пар воздуха в этой комнате сконденсировался и замерз на ней в виде белого пушистого налета. При введении кюветы с квасцами и размещении слоя изморози в интенсивно светящемся фокусе электрической лампы не тает ни единая иголочка ослепительного инея. При введении кюветы с йодом и удалении квасцов широкий участок замерзшего покрытия мгновенно тает. Отсюда мы заключаем, что снег и лед, питающие Рону, Рейн и другие реки, берущие начало из ледников, освобождаются от своего плена на горах невидимыми ультракрасными лучами солнца.

§ 6.\nТождественность света и лучистого тепла. Отражение от плоских и кривых поверхностей. Полное отражение тепла\n.

Развитие науки носит органический характер. То, что сегодня является целью, завтра становится средством для достижения более отдаленной цели. Каждое новое открытие в науке немедленно становится основой для других открытий или новых методов исследования. Так, около пятидесяти лет назад Эрстед из Копенгагена обнаружил отклонение магнитной стрелки электрическим током, и примерно в то же время Томас Зебек из Берлина открыл термоэлектричество. Эти великие открытия вскоре были использованы Нобили и Меллони при создании прибора, который колоссально расширил наши знания о лучистом тепле. Этот прибор, называемый термоэлектрической батареей, или, короче, термостолбиком, состоит из тонких полосок висмута и сурьмы, спаянных концами поочередно друг с другом, но в остальной части отделенных друг от друга. От концов этого «термостолбика» провода идут к гальванометру, представляющему собой катушку из изолированной проволоки, внутри и над которой подвешены две магнитные стрелки, соединенные в жесткую систему и тщательно защищенные от воздушных потоков.

Действие этого устройства таково: тепло, падая на столбик, создает электрический ток; ток, проходя через катушку, отклоняет стрелки, и величина отклонения может служить мерой тепла. Верхняя стрелка перемещается по шкале с делениями, слишком мелкой для непосредственного наблюдения. Однако теперь она ярко освещена; а над ней расположена линза, которая при возможности образовала бы изображение стрелки и шкалы на потолке. Однако там его было бы неудобно рассматривать. Поэтому пучок принимается зеркалом, установленным под нужным углом, которое проецирует изображение на экран. Таким образом, движения этой маленькой стрелки могут стать видимыми для всех вас.

Чуткость этого прибора такова, что в комнате, заполненной, как эта комната сейчас, физически теплыми зрителями, работать с ним чрезвычайно трудно. Мой ассистент стоит в нескольких футах. Я поворачиваю столбик к нему: тепло, излучаемое его лицом, даже на таком расстоянии вызывает отклонение на 90°. Я поворачиваю прибор к удаленной стене, температура которой немного ниже средней температуры комнаты. Стрелка опускается и переходит на другую сторону нуля, заявляя этим отрицательным отклонением, что столбик потерял свое тепло в результате излучения на холодную стену. Обладая этим прибором, нашим лучевым фильтром и нашими большими николями, мы получаем возможность исследовать предмет огромного философского интереса — предмет, который долго привлекал внимание некоторых из наших ведущих научных деятелей, а именно принципиальную тождественность света и лучистого тепла.

То, что они идентичны во всех отношениях, конечно, не может быть, ибо в таком случае они одинаково действовали бы на все приборы, включая глаз. Имеющаяся в виду тождественность заключается в том сходстве, которое существует между одним цветом и другим и заставляет их вести себя одинаково в отношении отражения, преломления, двойного преломления и поляризации. Давайте бегло перечислим сходства света и тепла. Что касается отражения от плоских поверхностей, мы можем использовать зеркало для отражения света. Отметив любую точку на пути отраженного пучка, перекрыв свет растворенным йодом и поместив столбик в отмеченную точку, мы увидим, как стрелка немедленно отклоняется в сторону, показывая, что тепло отражается в том же направлении, что и свет. Это справедливо для любого положения зеркала. Обращаясь, например, к простому прибору, использованному в нашей первой лекции (рис. 3, стр. 11); перемещая указатель, прикрепленный к зеркалу, вдоль делений нашей градуированной дуги (mn) и определяя с помощью столбика положения невидимого отраженного пучка, мы доказываем, что угловая скорость теплового пучка, как и светового, вдвое превосходит скорость зеркала.

FIG 49.

Что касается отражения от криволинейных поверхностей, то здесь эта тождественность также сохраняется. Принимая пучок от нашей электрической лампы вогнутым зеркалом (mm, рис. 49), мы собираем его в конус отраженного света, делающийся видимым благодаря висящей в воздухе пыли; отметив вершину конуса указателем и перекрыв свет раствором йода (T), мы подвергаем столбик (P) кратковременному воздействию в отмеченной точке, что вызывает резкое отклонение стрелки.

Обычное отражение и полное отражение пучка лучистого тепла можно продемонстрировать одновременно. Из патрубка лампы (L, рис. 50) пучок падает на плоское зеркало (MN), отражается вверх и попадает в прямоугольную призму, сечением которой служит abc. Он встречается с гипотенузой под углом наклона, большим предельного угла, и потому полностью отражается. Погасив свет с помощью лучевого фильтра на F и поместив столбик в P, мы ощущаем полностью отраженный тепловой пучок с помощью столбика, о чем свидетельствует отклонение гальванометра.

Fig. 50.

§ 7.\nНевидимые изображения, формируемые лучистым теплом\n.

Пожалуй, ни один опыт не доказывает столь убедительно принципиальную тождественность света и лучистого тепла, как формирование невидимых тепловых изображений. Используя зеркало, уже примененное для достижения наивысшей степени концентрации пучка, мы получаем, как известно, перевернутое изображение угольных стержней, образованное световыми лучами в фокусе. Перекрыв свет лучевым фильтром и поместив в фокус тонкий лист платинированной платины, невидимые лучи заявляют о своем присутствии и распределении, запечатлевая на платине раскаленное добела изображение углеродов. (См. рис. 51.)

Fig. 51.

§ 8.\nПоляризация тепла\n.

Способность лучистого тепла к поляризации долгое время была предметом дискуссий. Берар объявил о положительных результатах, однако Пауэлл и Ллойд не смогли их подтвердить. Возникшие в связи с этим сомнения были развеяны опытами Форбса, который впервые установил поляризацию и «деполяризацию» тепла. Впоследствии эту тему продолжил Меллони, исследователь высочайшего мастерства, который с большим умом воспользовался собственным открытием: невидимые лучи светящихся источников частично пропускаются черным стеклом. Задержав пластиной этого стекла свет масляного пламени и работая с прошедшим невидимым теплом, он получил эффекты поляризации, значительно превосходящие по величине те, которые можно было получить с помощью не светящихся источников. В настоящее время обладание более совершенным лучевым фильтром и более мощным источником тепла позволяет нам довести этот вопрос о тождественности до самых предельных практических границ.

Fig. 52.

Установив наши два Николя (B и C, рис. 52) перед электрической лампой так, чтобы их главные сечения пересекались, мы не получаем света на экране. Поместив наш термоэлектрический столбик (D) позади призмы лицевой стороной к источнику, мы не наблюдаем отклонения гальванометра. Внеся между лампой (A) и первой призмой (B) наш лучевой фильтр, мы гасим свет, ранее прошедший через первый Николь; и теперь малейший поворот любого Николя открывает путь для прохождения тепла, причем очень небольшого вращения достаточно, чтобы стрелка отклонилась до 90°. Когда Николь возвращают в его первоначальное положение, стрелка снова опускается до нуля, наглядно демонстрируя поляризацию тепла.

Когда Николи скрещены и поле темно, вы видели на примере света эффект от введения пластинки слюды между поляризатором и анализатором. В двух положениях слюда не оказывает заметного влияния; во всех остальных — оказывает. Точно такое же поведение наблюдается и в отношении лучистого тепла. Вводя наш лучевой фильтр, термостолбик, выполняющий роль глаза в отношении невидимого излучения, не получает тепла, когда глаз не видит света; но когда слюда повернута так, что ее плоскости колебаний наклонены относительно плоскостей поляризатора и анализатора, тепло немедленно проходит сквозь нее. Действие становится настолько сильным, что кратковременное погружение пленки слюды в темное пространство между Николями заставляет стрелку отклониться до 90°. Именно этот эффект называют «деполяризацией»; опыт же на самом деле доказывает, что как для света, так и для тепла пластинка слюды производит одинаковое разложение эфирных колебаний, а анализатор — их воссоединение.

Удалив слюду и снова вернув стрелку к 0°, я помещаю между Николями пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно оси; немедленное отклонение стрелки заявляет о прохождении тепла, и при надлежащем исследовании прошедшего пучка оказывается, что он поляризован по кругу — точно так же, как пучок света при тех же условиях.

§ 9.\nДвойное преломление тепла\n.

Теперь я откажусь от Николей и пропущу через кусок исландского шпата (B, рис. 53), уже использованный (в лекции III) для иллюстрации двойного преломления света, наш отфильтрованный пучок невидимого тепла. Чтобы определить положения двух изображений, давайте сначала поработаем со световым пучком. Отметив места световых изображений, мы вводим между N и L наш лучевой фильтр (на рисунке отсутствует) и гасим свет. Заставляя столбик приближаться к одному из отмеченных мест, мы видим, что стрелка остается неподвижной до тех пор, пока место не достигнуто; здесь столбик сразу обнаруживает тепло. Передвигая столбик через промежуток, разделяющий две отметки, мы замечаем, что стрелка сначала падает до 0°, а затем во втором положении снова поднимается до 90°. Это доказывает двойное преломление тепла.

Fig. 53.

Теперь я поворачиваю исландский шпат: стрелка остается неподвижной, изменения отклонения нет. Быстро перемещая столбик к другой отметке, мы поддерживаем отклонение. Я снова поворачиваю шпат, но теперь стрелка падает до 0°, однако снова поднимается до 90° после поворота на 360°. Мы знаем, что в случае света необыкновенный пучок вращается вокруг обыкновенного; и здесь мы имели дело с необыкновенным тепловым пучком, который в отношении двойного преломления ведет себя абсолютно так же, как световой пучок.

§ 10.\nНамагничивание тепла\n.

Чтобы сделать нашу серию сравнений полной, мы должны продемонстрировать намагничивание тепла. Но здесь потребуется небольшая модификация нашего устройства. При повторении опыта Фарадея по намагничиванию света у нас в первом случае Николи были скрещены, а поле — затемнено, причем при возбуждении магнита на экране появлялась вспышка света. При этом количество пропускаемого света на самом деле весьма мало, а его эффект кажется поразительным на контрасте с предшествующей темнотой. Когда мы располагаем Николи так, что их главные сечения образуют угол в 45°, возбуждение магнита вызывает гораздо более сильное положительное увеличение света, хотя это увеличение не так хорошо заметно из-за отсутствия контраста, поскольку здесь с самого начала поле освещено.

Пытаясь намагнитить наш пучок тепла, мы применим эту схему. Однако здесь с самого начала значительное количество тепла падает на одну из граней столбика. Его необходимо нейтрализовать, позволив лучам от другого источника упасть на противоположную грань столбика. Таким образом стрелка приводится к нулю. Перекрыв свет нашим лучевым фильтром и возбудив магнит, мы замечаем, что стрелка мгновенно отклоняется, доказывая, что магнит открыл дверь для тепла точно так же, как в эксперименте Фарадея он открыл дверь для света. Таким образом, во всех рассмотренных нами случаях была продемонстрирована принципиальная тождественность света и лучистого тепла.

Тончайшими опытами Кноблауха, который долго и успешно работал над этим вопросом, впервые было продемонстрировано двойное преломление тепла исландским шпатом; однако, хотя он использовал световое тепло солнца, наблюдаемые отклонения были чрезвычайно малы. Точно так же выдающиеся исследователи Де ла Провостэ и Дезен преуспели в намагничивании пучка тепла; но хотя и в их случае применялось световое солнечное тепло, полученное отклонение не превышало двух-трех градусов. С невидимым лучистым теплом этот эффект до представленных вашему вниманию опытов не получался; однако при описанной здесь схеме мы получаем отклонения от чисто невидимого тепла, равные 150 нижним делениям гальванометра.

§ 11.\nРаспределение тепла в электрическом спектре\n.

Нам осталось определить положение и величину невидимого излучения, которое производит эти результаты. Для этого мы используем термостолбик особой формы. Его рабочая поверхность представляет собой прямоугольник, который с помощью подвижных боковых пластинок можно сделать столь узким, сколь это необходимо. Проецируя малый и сосредоточенный спектр на экран, мы с помощью бесконечного винта перемещаем прямоугольный столбик по всему спектру и последовательно определяем тепловую мощность всех его цветов.

SPECTRUM OF ELECTRIC LIGHT.

Когда этот прибор подносят к фиолетовому концу спектра, тепло оказывается практически незаметным. По мере того как столбик постепенно перемещается от фиолетового к красному, он сталкивается с возрастающим теплом. Сам красный обладает наибольшей тепловой мощностью среди всех цветов спектра. При продвижении столбика в темную область за красным теплό резко возрастает по интенсивности и на некотором расстоянии за красным достигает максимума. Из этой точки тепло убывает несколько быстрее, чем росло, а затем постепенно затухает.

Проведя горизонтальную линию, представляющую длину спектра, и восстановив на ней в различных точках перпендикуляры, пропорциональные по длине теплу в этих точках, мы получаем кривую, которая показывает распределение тепла в призматическом спектре. Она изображена на соседнем рисунке. Начинаясь у синего цвета, кривая поднимается сначала очень плавно; по направлению к красному она поднимается быстрее, причем линия CD (рис. 54, на противоположной странице) отражает силу излучения самого крайнего красного цвета. За красным цветом она устремляется вверх крутым и массивным пиком до точки B, откуда сначала резко падает, а затем постепенно исчезает из восприятия столбика. Этот график является результатом более чем двенадцати тщательных серий измерений, по каждой из которых строилась кривая. При наложении всех этих кривых было обнаружено их удовлетворительное совпадение. Так что можно с уверенностью заключить: площади темной и белой областей соответствуют относительным энергиям видимого и невидимого излучения. Первая превосходит вторую в 7,7 раза.

Но в проверке, как уже говорилось, заключается сила науки. Определив сначала суммарное излучение электрической лампы, а затем с помощью йодного фильтра — ультракрасное излучение, мы по их разности получаем световое излучение. Таким образом обнаруживается, что энергия невидимого излучения в восемь раз превосходит энергию видимого. Трудно вообразить два более противоположных метода и едва ли можно найти два более гармонирующих результата. Полагаю, поэтому вы можете доверять точности распределения тепла в призматическом спектре электрического света, которое здесь приводится. В методе исследования нет ничего туманного, а в его выводах — сомнительного. Тем не менее спектры образуются также посредством дифракции, причем распределение как тепла, так и света в них отличается от производимого призмой. Эти дифракционные спектры с большим мастерством исследовались Дрейпером и Лэнгли. В призматическом спектре менее преломляемые лучи сжаты в гораздо меньшем пространстве, чем в дифракционном спектре.

ЛЕКЦИЯ VI.

ПРИНЦИПЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

ПРИЗМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВЕТА РАСКАЛЕННЫХ ПАРОВ

ДИСКРЕТНЫЕ СПЕКТРЫ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПОЛОСЫ, ДОКАЗАННЫЕ БУНЗЕНОМ И КИРХГОФОМ КАК ХАРАКТЕРНЫЕ

ДЛЯ ПАРА

ОТКРЫТИЕ РУБИДИЯ, ЦЕЗИЯ И ТАЛЛИЯ

ВЗАИМОСВЯЗЬ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ

ФРАНГОФЕРОВЫ ЛИНИИ

ИХ ОБЪЯСНЕНИЕ КИРХГОФОМ

СОЛНЕЧНАЯ ХИМИЯ, ЗАТРАГИВАЕМАЯ В ЭТОМ ОБЪЯСНЕНИИ

ОПЫТ ФУКО

ПРИНЦИПЫ ПОГЛОЩЕНИЯ

АНАЛОГИЯ ЗВУКА И СВЕТА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ДЕМОНСТРАЦИЯ ЭТОЙ АНАЛОГИИ

НЕДАВНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕКТРОСКОПА

РЕЗЮМЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В качестве источника света в этих лекциях мы использовали концы двух угольных стержней, раскаленных электричеством. Кокс особенно подходит для этой цели, так как он может выдерживать сильный нагрев без плавления или испарения. Он также черного цвета, что способствует свету; ибо, при прочих равных условиях, как экспериментально показал профессор Бальфур Стюарт, чем чернее тело, тем ярче будет его свет при раскалении. И все же, сколь бы тугоплавким ни был углерод, если мы пристально рассмотрим нашу вольтову дугу или струю света между угольными точками, мы обнаружим там раскаленный углеродный пар. И если бы мы смогли отделить свет этого пара от более ослепительного света твердых точек, мы обнаружили бы, что его спектр не только менее ярок, но и совершенно отличен по характеру от тех спектров, которые мы уже видели. Вместо непрерывной череды цветов от красного до фиолетового пар углерода дал бы несколько цветных полос с темными промежутками между ними.

То, что справедливо для углерода, в еще большей степени справедливо для металлов, самые тугоплавкие из которых можно плавить, кипятить и превращать в пар с помощью электрического тока. От раскаленного пара свет, как правило, вспыхивает группами лучей определенной степени преломляемости, причем между группами существуют пространства, не заполненные никакими лучами. Но созерцание фактов сделает этот предмет более понятным, чем это могут сделать слова. В камеру помещен угольный цилиндр с углублением наверху; в это углубление помещен фрагмент металла таллия. Мы опускаем на него верхнюю угольную точку, а затем раздвигаем их. Между ними проходит поток раскаленного таллиевого пара, увеличенное изображение которого теперь видно на экране. Оно имеет красивый зеленый цвет. Что означает этот зеленый цвет? Мы отвечаем на этот вопрос, подвергая свет призматическому анализу. Пропущенный через призму, его спектр состоит из одной преломленной полосы. Свет одной степени преломляемости — соответствующий этому конкретному зеленому цвету — испускается паром таллия.

Теперь мы удалим таллий и на его место положим кусочек серебра. Серебряная дуга неотличима от таллиевой; она не только зеленая, но и того же оттенка зеленого. Похожи ли они тогда? Призматический анализ позволяет нам ответить на этот вопрос. Как бы ни было невозможно отличить один цвет от другого, точно так же невозможно спутать спектр раскаленного серебряного пара со спектром таллия. В случае серебра вместо одной мы имеем две зеленые полосы.

Если мы добавим к серебру в нашей камере кусочек таллия, мы получим свет обоих металлов. Погодив немного, мы увидим, что зеленый цвет таллия располагается посередине между двумя зелеными цветами серебра. Отсюда и такое сходство цветов.

Но почему нам нужно «погодить немного», прежде чем мы увидим этот эффект? Полоса таллия сначала почти маскирует серебряные полосы своей превосходящей яркостью. Действительно, серебряные полосы удивительно поблекли после добавления кусочка таллия, и на то есть веская причина. Именно сопротивление, оказываемое прохождению электрического тока от углерода к углероду, вызывает способность тока производить тепло. Если бы сопротивление существенно уменьшилось, существенно уменьшилось бы и тепло; а если бы всякое сопротивление было устранено, тепла не было бы вовсе. Но таллий — гораздо более легкоплавкий и испаряемый металл, чем серебро; и его пар облегчает прохождение электричества до такой степени, что ток становится почти неспособным испарить более тугоплавкое серебро. Но таллий постепенно расходуется, его пар уменьшается, сопротивление возрастает, пока наконец вы не увидите две серебряные полосы такими же яркими, какими они были вначале.

Мы имеем в этих полосах абсолютно неизменную характеристику обоих металлов. Вы никогда не получите от серебра иных полос, кроме этих двух зеленых, никогда не получите от таллия ничего, кроме одной зеленой полосы, никогда не получите от смеси обоих металлов ничего, кроме трех зеленых полос. Каждый известный металл имеет свои собственные определенные полосы, и ни в одном известном случае полосы двух разных металлов не совпадают по преломляемости. Отсюда следует, что эти спектры можно использовать как надежный тест на присутствие или отсутствие любого конкретного металла. Переходя от металлов к их сплавам, мы не обнаруживаем никакой путаницы. Медь дает зеленые полосы; цинк дает синие и красные полосы; латунь — сплав меди и цинка — дает полосы обоих металлов, совершенно неизменные по положению и характеру.

Но мы не ограничены самими металлами; соли этих металлов дают полосы металлов. Химическое соединение разрушается при достаточно сильном нагреве; пар металла высвобождается и дает свои характерные полосы. Хлориды металлов особенно подходят для экспериментов такого рода. Поваренная соль, например, представляет собой соединение хлора и натрия; в электрической лампе она дает спектр металла натрия. Хлориды меди, лития и стронция дают аналогичным образом полосы этих металлов.

Поэтому, когда Бунзен и Кирхгоф, прославленные основоположники спектрального анализа, установив в ходе исчерпывающего исследования спектры всех известных веществ, открыли спектр, содержащий полосы, отличные от любых известных полос, они немедленно сделали вывод о существовании нового металла. В то время они работали с осадком, полученным при выпаривании одной из минеральных воды Германии. Они знали, что в этой воде скрывается неизвестный металл, но для получения осадка, достаточно крупного, чтобы обычная химия могла справиться с металлом, пришлось выпарить огромные его количества. Тем не менее они выследили его, и теперь он занимает место среди химических веществ как металл рубидий. Впоследствии они открыли второй металл, который назвали цезием. Таким образом, сначала заложив спектральный анализ на прочный фундамент, они продемонстрировали его возможности как средства открытий. Вскоре после этого мистер Крукс, следуя тому же методу, открыл ярко-зеленую полосу таллия и получил соли металла, которые ее давали. Сам металл в слитках впервые выделил французский химик г-н Лами.

Все это относится к химическим открытиям на Земле, где материалы находятся в наших собственных руках. Но вскоре было показано, как спектральный анализ можно применить к исследованию солнца и звезд; и этот результат был достигнут благодаря решению проблемы, которая долгое время оставалась загадкой для естествоиспытателей. Область применения и триумф этой проблемы мы должны теперь попытаться осознать. Спектр является чистым, в котором цвета не накладываются друг на друга. Мы очищаем спектр, делая наш пучок узким и увеличивая количество наших призмов. Когда таким способом получается чистый спектр солнца, обнаруживается, что он изрезан бесчисленными темными линиями. Четыре из них впервые увидел доктор Волластон, но впоследствии они были умножены и измерены Фраунгофером с таким мастерским умением, что теперь они всемирно известны как фраунгоферовы линии. Дать объяснение этим линиям, как я уже говорил, было задачей, которая долго привлекала внимание философов, и профессору Кирхгофу принадлежит честь первым разрешить эту проблему.