Вскоре физики еще более усовершенствовали спектрограф: в зрительной трубке был поставлен фотоаппарат. Спектры уже не наблюдают непосредственно глазом, их фотографируют, а фотографии тщательно изучают.
Так в XIX веке родился замечательный прибор — спектрограф.
Свет рассказывает о составе веществ
Химики заводят спектральную книгу
Теперь ученые получили в свои руки мощное орудие исследования света — спектрограф. Они стали рассматривать через этот прибор пламя горелки, окрашенное парами различных металлов—натрия, калия, лития и других.
Спектры окрашенного пламени представляли собой любопытную картину. В разных частях шкалы на черном фоне загорались цветные линии. У натрия загорелась всего только одна линия — желтая; позднее в более мощный спектроскоп физики рассмотрели, что на самом деле это две, очень близко расположенные линии 5890Å и 5896Å. У калия были три линии: две красные рядом друг с другом и фиолетовая вдалеке от них.
Такие спектры из отдельных линий были названы линейчатыми (см. приложение II; две желтые линии натрия и две красные линии калия на рисунке сливаются в одну).
С помощью нового прибора легко был решен вопрос: чем отличается малиново-красное пламя раскаленных паров лития от малиново-красного пламени паров стронция. В спектроскоп было видно, что спектр лития состоит из двух линий: красной — 6708Å[1] и оранжевой — 6108Å, а спектр стронция состоит из многих линий, среди которых есть фиолетовая — 4077Å, несколько голубых — 4872Å и другие, несколько зеленых — 5257Å и другие, несколько желтых — 5504Å и другие и красная — 6410Å. В обоих спектрах самые яркие линии — красные; потому-то для глаз пламя кажется окрашенным одинаково и парами лития, и парами стронция.
Химики испытали не только раскаленные пары металлов, но и пары других веществ и нашли, что каждое вещество, если только его можно превратить в раскаленный газ, испускает свой особенный спектр. Вскоре был выведен общий закон: раскаленные пары каждого вещества испускают спектр излучений, свойственных только этому веществу.
Ученые решили определить спектры, испускаемые каждым химическим элементом, и занести эти спектры в особую спектральную книгу. Если кому-нибудь понадобится узнать состав какого-либо сложного вещества, достаточно рассмотреть спектр этого вещества через спектроскоп или, еще лучше, заснять его с помощью спектрографа и сравнить со спектрами в справочной спектральной книге.
Началась упорная работа. Справочная спектральная книга быстро заполнялась. Скоро ученые установили и внесли в спектральную книгу спектры всех известных химических элементов. С помощью спектрографов физики и химики исследовали спектры и установили состав минералов, золы, клеток растений, крови человека; определили, какие вещества уходят с заводов вместе с дымом и отбросами производства. Они узнали также состав многих не исследованных до того химических соединений и смесей.
Начало всей этой работе по исследованию спектров излучений различных веществ положил упомянутый выше немецкий физик Кирхгоф.
Почему каждый элемент испускает излучение не одной частоты (длины волны), а целый спектр, т. е. набор излучений многих частот (длин волн), никто пока еще не знал. Это было принято как факт, смысл которого был раскрыт много позднее. Об этом мы расскажем в других главах книжки.
Спектрограф обнаруживает неизвестные элементы
Спектрограф стал незаменимым помощником химика.
До появления спектрографа существовали элементы, которые скрывались от глаз химика, от его приборов, от его средств исследования. Чувствительность тех средств исследования, которыми владели химики, была недостаточной, чтобы обнаружить мельчайшие количества этих элементов. К тому же они часто оказывались химически очень схожими с другими, известными элементами, которых они обычно сопровождали в природе. Таких неразлучных спутников химически трудно различить. Химик мог держать незнакомые ему элементы в руках в различных смесях, процеживать и выпаривать их, но ничего не знать об их существовании. Они оставались элементами-невидимками.
Теперь спектрограф позволил обнаруживать даже очень малые количества этих элементов — десяти- и стомиллионные доли грамма, а в некоторых благоприятных случаях даже и сотые доли стамиллионных долей грамма. Собственный свет выдавал их. Элементы-невидимки перестали быть невидимыми.
Однажды, исследуя саксонский минерал лепидолит, химики обнаружили в его спектре пять новых, еще неизвестных линий: темно-красные линии — 7950Å и 7811Å, фиолетовую — 4201Å и небесно-голубые — 4593Å и 4555Å. Потом те же линии были найдены в спектрах золы некоторых растений, в спектрах некоторых минералов и минеральных вод. Пять указанных линий всегда сопутствовали друг другу, и лишь в спектре гранита, привезенного с острова Эльбы, были найдены только две небесно-голубые линии 4593Å и 4555Å. Эти линии еще не значились в справочной книге спектров. Химики поняли, что новые линии сигнализируют о каких-то, по меньшей мере двух, еще неизвестных элементах. Предстояла задача выделения их из минералов в чистом виде. Но как это сделать?
Химик не затруднится, например, отделить воду от спирта, ибо он знает, что спирт испаряется быстрее, кипит при более низкой температуре. Если кипятить смесь воды и спирта, то в первых порциях пара будет почти чистый спирт. Химик собирает эти первые порции пара, охлаждает их, затем снова кипятит полученную жидкость, опять собирает только первые пары и, наконец, получает чистый спирт. Это называется перегонкой.
В других случаях для выделения какого-нибудь вещества из смеси приходится проделывать другие, часто сложные операции. Но во всех этих операциях всегда используются какие-либо известные различия в свойствах смешанных веществ.
Теперь задача была значительно труднее: выделить из смеси элементы, присутствие которых спектрограф обнаружил, но химические свойства которых еще никто не знал. Тем не менее вскоре химикам удалось получить чистый элемент, у которого в спектре были две красные линии и одна фиолетовая. Этот элемент оказался металлом. За рубиновый цвет испускаемых им лучей он был назван рубидием. Вслед за ним был выделен и другой элемент, с небесно-голубым цветом испускаемых лучей; он был назван цезием. Это тоже металл. И рубидий и цезий по химическим свойствам похожи на металлы натрий и калий и в природе часто их сопровождают, но встречаются эти металлы всегда в крайне малых количествах. Так, в минерале карналитте оба металла вместе составляют всего 25 тысячных долей процента. Поэтому-то их и не могли открыть обычными химическими средствами.
Как ни схожи химически рубидий и цезий друг с другом, все же это различные металлы. И различаются они не только своими спектрами, но и другими физическими свойствами. Так, рубидий в полтора раза тяжелее воды, а цезий почти в два с половиной раза; рубидий плавится при 39°, а цезий — при 27°.
Открытие рубидия и цезия было торжеством нового метода исследования — спектрального анализа вещества. Это было в 1860 году.
Вскоре последовали новые открытия. В 1861 году при исследовании спектров отбросов производства с сернокислых заводов была обнаружена неизвестная дотоле зеленая линия 5851Å. Новый элемент был выделен. Он оказался мягким белым металлом. За зеленую линию в его спектре он был назван таллием (по-гречески — зеленая ветка). Этот элемент встречается в небольших количествах в осадках, скопляющихся в трубах заводов, в которых сжигается сера.
В 1863 году с помощью спектрографа был открыт новый элемент с густой синей (индиговой) линией 4511Å в спектре. Это был тоже металл. За индиговый цвет линии он был назван индием.
На протяжении немногих лет одно открытие новых элементов следовало за другим. Так бывает всегда, когда находят мощный метод исследования, основанный на принципиально новых только что открытых закономерностях природы. Тогда человек становится сильнее и зорче, и перед его взором быстро раскрываются новые обширные картины природы.
Спектрограф подтверждает предсказания Менделеева
В эти же годы великий русский ученый Д. И. Менделеев (1834—1907) изучал связь химических свойств элементов с их атомными весами. Он нашел, что если расположить все элементы в один ряд по возрастающим весам их атомов, начиная с самого легкого и кончая самым тяжелым, то химические свойства элементов в этом ряду будут периодически повторяться. Через определенные промежутки в ряду встречаются элементы, близкие по своим свойствам.
Открыв эту замечательную закономерность, Менделеев решил выразить ее в более наглядной форме. Он начертил таблицу, в клетки которой вписал все известные тогда элементы. В первую клетку он поставил самый легкий элемент — водород; второй известный тогда элемент — литий — он поставил под водородом, так как литий был похож на водород по химическим свойствам (рис. 17). Далее в одной строке с литием шли бериллий, бор, углерод, азот, кислород и фтор, различные по их свойствам. Следующий по атомному весу был натрий. По химическим свойствам он был «родственником» лития, и Менделеев поставил его в следующей строке, в столбце под литием. По атомному весу за натрием шел магний. И замечательно: магний был похож по химическим свойствам на бериллий — своего предшественника по столбцу, соседа лития. Наконец все элементы были размещены. В каждом столбце таблицы оказались химически схожие друг с другом элементы: в одном — водород, литий, натрий, калий, медь, рубидий и другие; в другом — бериллий, магний, кальций, цинк и другие; в третьем — бор, алюминий, скандий, галлий и другие. Всего столбцов оказалось восемь. Эта таблица обычно называется периодической таблицей Менделеева. Часть периодической таблицы Менделеева, как она выглядит в наше время, приведена на рис. 17.
