Сплошной спектр твердых веществ

Читатель, вероятно, обратил внимание на то, что линейчатые спектры ученые получали от раскаленных паров металлов. Физики рассмотрели также спектры и от твердых раскаленных металлов. Всякий по опыту знает, что металлы при нагревании краснеют, а затем, раскалившись, испускают белый свет. Таков, например, свет от раскаленного металлического волоска электрической лампочки. Каков же вид спектров у раскаленных твердых веществ?

Если их свет пропустить сквозь призму, то на экране засветятся не отдельные цветные линии, а широкая разноцветная полоса. В этой полосе лежат лучи всевозможных длин волн, от 4000 до 8000 ангстрем.

Такой спектр, в отличие от линейчатого, испускаемого парами металлов, называют сплошным. Итак, спектр твердых раскаленных веществ — сплошной спектр.

 

Темные линии в солнечном спектре

Долгое время солнечный спектр тоже считали сплошным. Но уже в начале прошлого столетия (1817) физики разглядели в солнечном спектре разрывы—темные линии. Эти темные линии по имени немецкого ученого Фраунгофера (1787—1826), впервые изучавшего их, были названы фраунгоферовыми (см. приложение III). Вскоре их насчитали в солнечном спектре несколько тысяч. Наиболее четко выраженные линии были названы латинскими буквами: А, В, С, D и т. д. Эти линии всегда обнаруживались в солнечном спектре при подходящих условиях опыта. Они соответствуют излучениям с вполне определенной длиной волны. Линия А, например, на самом краю красной части спектра соответствует длине волны в 7608Å, линия В в красной части спектра — длине волны в 6870Å, линия С в оранжевой части спектра — длине волны в 6568Å, линия D 1 в желтой части спектра — длине волны 5896Å. Есть еще линия D 2 — тоже в желтой части спектра, очень близкая к предыдущей, которая почти сливается с ней; она соответствует длине волны 5890Å.

Темные линии свидетельствуют о том, что в солнечном спектре нет излучений определенных частот. Но почему они отсутствуют?

Это долго казалось загадкой.

 

Спектры из темных линий

После изобретения спектроскопа ученые пытались воспроизвести темные линии в лаборатории. Сначала надо было получить сплошной спектр всех цветов радуги. Это сделать просто. Как мы знаем, такой спектр дают раскаленные добела металлы. Потом надо было установить, что же следует сделать с лучами, чтобы в спектре появились темные линии. Эта задача была решена следующим образом.

На пути лучей, идущих от раскаленного твердого тела, перед входом их в щель спектроскопа был поставлен закрытый стеклянный сосуд с парами металла натрия. В сплошном спектре, как раз на том месте, где должны были быть желтые линии натрия, появились темные линии. Почему? Не потому ли, что пары натрия, стоявшие на пути лучей, «вырвали» из сплошного спектра желтые лучи, поглотили их? И замечательно: поглотили как раз те лучи, которые пары натрия сами испускают!

Эта догадка была проверена многократно. Ученые ставили на пути белого луча прозрачные сосуды с парами самых различных веществ. Эти опыты всегда показывали одно: пары всякого вещества поглощают излучения именно тех частот, какие они сами испускают. Этот закон открыл и обосновал Кирхгоф.

Новые спектры, состоящие из темных линий на фоне сплошного спектра, стали называть спектрами поглощения. До сих пор мы рассматривали спектры испускания — отдельные цветные линии на темном фоне. Спектр поглощения и спектр испускания как бы дополняют друг друга; их часто называют обращенными по отношению друг к другу. Зная один из этих спектров, можно судить о характере другого спектра того же вещества.

Теперь возможности спектрального анализа чрезвычайно расширились. Исследования спектров поглощения привели к открытию новых элементов — празеодима, неодима, самария, гольмия, тербия.

В периодической таблице Менделеева оставалось все меньше пустых клеток.

 

Менделеев о будущем спектрального анализа

В разгар первых спектроскопических исследований, в конце 60-х годов, Менделеев работал над своим знаменитым трудом «Основы химии». Это было первое изложение наших знаний о химии на основе только что открытого Менделеевым периодического закона. «Основы химии» Менделеева на многие десятилетия определили пути развития химии. И тогда уже великий ученый понял глубже многих своих современников, как много может дать для изучения атомов новое мощное средство исследования— спектроскопия. Менделеев писал в «Основах химии»: «Спектры поглощения, при обыкновенной температуре получаемые и свойственные веществам во всех физических состояниях, представляют обширнейшее, но еще мало обработанное поле как для теории всей спектроскопии, так и для суждения о строении веществ». И в другом месте: «Спектры делают видимыми многое не только на отдельных громадных мирах, таких, как звезды, но и в безгранично мелких мирах, таких, как частицы, и разработка в этой области обещает многое выяснить в области атомов и частиц».

Надежды, которые Менделеев возлагал на спектральный анализ, полностью оправдались. Спектры помогли ученым изучить и отдаленные громадные миры — звезды, и безгранично малые миры — атомы.

 

Как было открыто вещество сначала на Солнце, а затем на Земле

Свет помог астрономам получить многие сведения о звездах и других небесных телах.

В 60-х годах прошлого века астрономы обратили внимание на одно интересное явление. В моменты полного солнечного затмения, когда диск Солнца закрыт от нас Луной, в телескоп видно, как из-за края темной Луны вырываются огненные языки. Эти огненные языки — огромные взрывы на Солнце, которые поднимают на сотни тысяч километров вверх раскаленные пары различных веществ. Эти огненные языки назвали протуберанцами.

Астрономы заинтересовались: какой спектр у протуберанцев?

Во время очередного солнечного затмения, в 1868 году, удалось рассмотреть спектр протуберанца. Ученые увидели в спектрограф несколько отдельных линий, и среди них одну незнакомую желтую линию. Линия была похожа на натриевую, но все же не была натриевой. Линия натрия — 5890Å, а это была линия 5875Å (см. приложение IV). Такой линии в справочной спектральной книге не было — ее еще никто не встречал.

По поводу этой линии среди ученых возникли споры. Одни утверждали, что это все же линия натрия. Другие решили, что линия принадлежит неизвестному элементу, который встречается только на Солнце. Они назвали его гелий, что значит — солнечный. Химики стали искать гелий на Земле. Искали год, другой, десять, двадцать лет — гелия на Земле не находили. Некоторые ученые даже сомневались в том, что гелий вообще существует где-либо в природе. Но гелий все-таки существовал, и существовал как на Солнце, так и на Земле. Его нашли в норвежском минерале клевеите в 1895 году, через 27 лет после открытия на Солнце. Спектральные линии найденного в клевеите газа позволили установить, что это тот самый гелий, который когда-то открыли на Солнце. Это был легкий газ, самый легкий после водорода. Легкость гелия навела химиков на мысль: где бы в Земле ни скрывался гелий, он в конце концов должен проникнуть на поверхность и накопиться в воздухе. Значит, гелий следует искать в воздухе. Начались поиски гелия в воздухе. И снова помог спектроскоп: гелий был найден в воздухе.

Спектроскопические исследования воздуха помогли установить наличие в нем и других газов — криптона и неона. О существовании этих газов химики до тех пор ничего не знали. Их доля в воздухе очень мала; криптон, например, занимает только пять стомиллионных долей общего объема воздуха. Эти газы крайне трудно соединяются с другими элементами. За это свойство их назвали инертными, т. е. бездеятельными газами.

В настоящее время некоторые из этих газов добывают в большом количестве. Их применяют в науке и технике. Гелием наполняют дирижабли. Гелий научились сжижать, а сжижается он при температуре, близкой к абсолютному нулю (около —270° Цельсия). При низкой температуре жидкого гелия исследуют свойства различных других веществ. Это много дает науке в раскрытии закономерных связей молекул и атомов между собой. Неон мы встречаем часто: он светится красным светом в рекламах в наших городах.

 

Разгадка темных линий в солнечном спектре

Уже давно было замечено, что две желтые линии в спектре испускания натрия совпадают с темными фраунгоферовыми линиями D 1 и D 2 солнечного спектра. Долгое время это совпадение считали простой случайностью. Но когда физики изучили спектры поглощения натрия, они подумали: нет ли здесь разгадки темных линий в солнечном спектре? Не появляются ли темные линии D 1 и D 2 потому, что белые солнечные лучи где-то на пути встречают пары натрия, и те поглощают желтые лучи? Словом, физики задумались над тем, не являются ли линии D 1 и D 2 спектрами поглощения натрия. Если это верно, то и другие фраунгоферовы линии должны являться спектрами поглощения каких-то других элементов. Разгадка этого много сулила науке.

Физики стали напряженно изучать фраунгоферовы линии. Мы помним, что их в солнечном спектре много тысяч. Скоро физики разобрались почти во всех линиях. Они опознали в них спектры поглощения и кислорода, и железа, и кальция, и многих других элементов. Во фраунгоферовых линиях отразилась сразу почти вся спектральная справочная книга, только спектры здесь были «обращенными» — вместо цветных линий темные, на фоне сплошного солнечного спектра.

Стало ясно, что солнечный луч встречает на своем пути пары почти всех элементов. Но где? В земной атмосфере? Состав земной атмосферы был уже достаточно хорошо известен. В ней значительно меньше элементов, а паров металлов нет совсем. Земной воздух может вызвать линии только немногих элементов, например кислорода. К тому же линии земного происхождения легко распознать: четкость их меняется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом, т. е. меняется на протяжении дня. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем большую толщу воздуха должны пронизывать его лучи, тем больше усиливаются темные линии, вызванные поглощением в толще воздуха. Фраунгоферовы же линии остаются неизменными. Они явно не земного происхождения.

Рис. 20. Звездные спектры. Вверху спектр звезды Бетельгейзе, внизу спектр звезды Дельта из созвездия Близнецов

Может быть, пары элементов носятся в межзвездном пространстве? Но тогда спектры поглощения Солнца и других звезд были бы одинаковыми. На самом деле этого нет: спектры различных звезд отличаются друг от друга (рис. 20).

Остается только одно предположение: линии поглощения в солнечном спектре появляются как результат действия не околоземной или межзвездной среды, а среды, связанной с самим Солнцем. Раскрылась следующая картина: белый солнечный свет рождается внутри Солнца; по пути к нам он проходит сквозь внешнюю оболочку Солнца, которая и поглощает часть излучения.

Стало ясно, что фраунгоферовы линии в солнечном спектре раскрыли нам не что иное, как состав элементов, из которых состоит солнечная оболочка.

 

Свет рассказывает о составе звезд

Физики, химики и астрономы принялись за изучение спектров небесных тел. Для каждой звезды была составлена спектральная «справочная книга». Так, в 70-х и 80-х годах прошлого века возникла новая паука — наука о химическом составе звезд.

В это время Московской университетской обсерваторией руководил выдающийся русский астроном Ф. А. Бредихин. Под его руководством в обсерватории фотографировались и изучались спектры Солнца, звезд, комет и туманностей. По свидетельству другого знаменитого русского астронома, А. А. Белопольского (1854—1934), Бредихин «делает труднейшие по тому времени спектроскопические наблюдения, и его измерения спектральных линий комет и газообразных туманностей по точности превосходили все тогда известные измерения». Эти измерения явились большим вкладом в науку о составе небесных тел. Уже в 1885 году в журнале Русского физико-химического общества был напечатан «Свод сведений» о химическом составе Солнца и других звезд. Химический состав звезд был прочитан по спектрам поглощения.

Астрономы приспособили спектрограф для своих целей. Они приладили его к телескопу, который заменил в нем трубку с линзами (трубку Б на рис. 15). Вместо настольного получился звездный спектрограф (с телескопом), размещаемый в специальной вращающейся башне.

С помощью звездного спектрографа астроном фотографирует спектр нужной ему звезды. Но работа астронома на этом не кончается; фотография спектра — это лишь заготовка материала для исследования. Потом начинается кропотливая работа по расшифровке звездных фотоспектров.

Первый спектрограф в Пулковской обсерватории построил в 1892 году А. А. Белопольский, ученик Бредихина. Белопольский проделал громадную по объему и изумительную по тонкости работу по спектральному анализу звезд и других небесных тел. Его спектрографические фотоснимки до сих пор дают замечательный материал для исследования звездных миров.

Изучение звездных спектров ведется и сейчас.

В атмосфере Солнца уже найдено свыше 60 элементов. Большую долю (по объему) составляет водород — свыше 80 процентов, затем гелий — свыше 18 процентов. На остальные элементы приходятся очень малые доли. Возможно, что на Солнце есть все элементы менделеевской таблицы, но наши инструменты еще слабы и не отмечают их спектров.

Так же тщательно астрономы определяют химический состав и других звезд.

И сколько ни изучают астрономы небо с помощью спектрографов, они нигде больше не находят ни одного нового элемента, неизвестного на Земле. Весь звездный мир, куда только ни проникал человек своим умственным взором, состоит из тех же элементов, какие мы встречаем на Земле.

По-видимому, во всем обозримом нами мире нет условий для образования других элементов.

 

Куда движутся звезды

Чем больше ученые изучали свойства света, тем больше свет рассказывал им о тайнах природы. Много труда на изучение свойств света положил астроном А. А. Белопольский.

Почти до конца прошлого века астрономы не могли решить вопрос: как узнать, куда движется та или иная звезда, приближается к нам или удаляется от нас и с какой скоростью? Астрономы давно научились вычислять, с какой скоростью звезды движутся по направлениям, поперечным к лучу нашего зрения. Но это не давало полной картины их движения: скорость движения по лучу зрения была неизвестна, и астрономы не знали, как ее измерить (рис. 21). Это была, так сказать, «незримая» для нас скорость. А без этой составляющей нельзя было узнать действительное направление движения и скорость звезды.

Белопольский задумался: не расскажут ли нам о движении звезд по лучу зрения звездные спектры? Эта идея была не случайной. Она была основана на сравнении световых явлений со звуковыми.

Представьте себе, что вы стоите у железнодорожного полотна и мимо вас со свистом проносится поезд. Пока поезд приближается, свист так резок, что вам хочется заткнуть уши. Но вот поезд поравнялся с вами и удаляется. Резкий свист сразу сменяется более низким, спокойным гудком. Почему тон свистка выше, когда поезд приближается, и почему он ниже при удалении поезда? Физики давно изучили это явление. Если источник звука, например, свисток, находится в покое, вокруг него равномерно распространяются звуковые волны, т. е. чередующиеся друг с другом сгущения и разрежения воздуха. Где бы ни стоял человек, к его уху волны будут приходить с одинаковой частотой. Но если свистящий паровоз движется, то картина меняется. Впереди него волны сгущаются, как бы набегая друг на друга (рис. 22). Сгущения и разрежения воздуха становятся чаще. Значит, частота воздушных волн изменяется, увеличивается, а длина волны укорачивается.

Рис. 21. Перемещение звезды вдоль луча зрения глазом не отмечается

Рис. 22. Звуковые волны сгущаются впереди движущегося источника и разрежаются позади него

Это и воспринимается ухом как повышение тона свистка: чем больше частота звуковой волны, тем выше звук. Позади уходящего поезда картина обратная: волны отстают друг от друга, и расстояние между отдельными сгущениями и разрежениями увеличивается. Значит, увеличивается длина волны, уменьшается частота. Это воспринимается ухом как понижение тона.

Стало быть, высота тона или длина волны зависят от того, находится ли источник звука в покое или же он движется в какую-нибудь стороьу.

Эту зависимость установил пражский математик Допплер в 1842 году. Положение, формулирующее эту зависимость, называется принципом Допплера.

Допплер полагал, что этот принцип приложим и к свету, хотя проверить это в то время еще не могли. Ход его мысли был таков: раз свет, как и звук, распространяется волнами, то длина световых волн, приходящих на Землю от движущейся звезды, должна меняться. Можно вычислить, что если звезда удаляется от нас со скоростью, равной одной десятитысячной доле скорости света (т. е. 30 километрам в секунду), то все световые волны, испускаемые ею, должны удлиняться на одну десятитысячную долю первоначальной величины. Возьмем пример. Предположим, что в составе звезды находится литий. Мы уже знаем, что литий испускает излучения с длинами волн 6708Å (красная линия в спектре) и 6108Å (оранжевая линия). Если эта звезда удаляется от Земли, то длины волн света, посылаемого литием, будут увеличиваться: вместо длины волн 6708Å мы измерим длину волн 6708,67Å, а вместо волны 6108Å придет волна 6108,61Å. Ясно, что при другой скорости удаления звезды длины волн получили бы другое увеличение. Если звезда приближается, то длины волн должны, наоборот, укорачиваться.

При удалении звезды все линии звездного спектра сдвинутся в сторону длинных волн, при приближении — в сторону коротких. Или иначе: звезда, движущаяся на нас, немного «голубеет», а удаляющаяся от нас — «краснеет».

Так это на самом деле и оказалось: все линии звездных спектров сдвигаются у одной звезды в одну сторону, у другой — в другую, и как раз по закону Допплера. Если бы сдвиги испытывала только одна какая-либо линия или группа линий, принадлежащих, скажем, литию, то надо было бы искать индивидуальных причин этих сдвигов. Но поскольку сдвиги испытывали все линии данной звезды, причем по одному и тому же закону, постольку становилось ясным, что причина сдвигов была общая, относящаяся ко всей звезде. Так что предположение о том, что причиной сдвигов является движение источника света — звезды, — аналогично тому, как это имеет место в случае звука, — вполне правдоподобно. Но Белопольский все же решил опытным путем доказать, что принцип Допплера применим и к свету. Как это сделать? Надо было в земных условиях доказать, что закономерные сдвиги линий в спектрах происходят именно вследствие движения источника света. До тех пор пока такой опыт не будет проделан в лаборатории, будут появляться скептики. Они будут говорить: мы знаем, отчего изменяется длина волны у звука, но отчего она изменяется у света — не знаем!

Белопольский понимал, что такой опыт осуществить очень трудно. Все дело в том, что скорость света очень велика, а длины волн очень малы. Если светящееся тело, скажем, электрическая лампочка, будет двигаться со скоростью 30 километров в секунду, то и тогда изменение волны будет только около одного ангстрема, т. е. меньше одной стомиллионной доли сантиметра. Да и как заставить лампочку двигаться с такими скоростями?

Однако уже в 1894 году Белопольский пришел к выводу, что опыт поставить можно, и стал к нему готовиться.

 

Астрофизические открытия Белопольского с помощью лучей света

Тем временем Белопольский совершенствовал спектрограф и с его помощью измерял спектры небесных тел. В них он действительно наблюдал сдвиги спектральных линий. Считая причиной этих сдвигов движение небесных тел, Белопольский разрешил много интересных вопросов.

Рис. 23. Средняя полоска — спектр звезды Процион, вверху и внизу — линии лабораторного спектра химического элемента титана, приведенные для сравнения. На рисунке видно, что линии титана в звездном спектре сдвинуты влево в сторону коротких волн

По фотографиям спектров Белопольский вычислил скорости движения многих звезд. Оказалось, что одни из них удаляются от нас, другие же приближаются к нам. Скорость их движений различна, обычно она составляет несколько десятков километров в секунду (рис. 23).

Скорости движения целых звездных совокупностей — галактик — значительно выше: у некоторых галактик она достигает более 100 тысяч километров в секунду.

Теперь перед астрономами раскрылась грандиозная картина движения звезд и галактик.

Что дало это знание движения звезд? Оно показало, например, что не все звезды и галактики устойчивы. В природе не встречаются галактики, в которых число звезд превышает тысячу миллиардов, они распадаются. Во Вселенной, так же как и в мире атомов, образуются целостные системы, выяснение причин устойчивости которых несомненно приведет к раскрытию важных общих законов природы.

Рис. 24. Кольца Сатурна

Как известно, у планеты Сатурн имеются три кольца, как бы опоясывающих планету, но не соприкасающихся с ней (рис. 24). Астрономы обсуждали вопрос о строении колец. Еще Софья Ковалевская, первая русская женщина-ученый, математическими расчетами доказала, что кольца Сатурна не представляют собой сплошной твердой массы. Но телескоп не помогал решить вопрос— так это или не так. Вращение самого Сатурна было хорошо видно в телескоп: ца Сатурне есть пятна и можно следить за их перемещением. Но на кольцах нет никаких примет, нет ничего, за чем можно было бы следить. Если бы можно было установить, вращаются ли кольца и как именно вращаются, тогда узнали бы, твердые они или нет: ведь твердые кольца должны вращаться как одно целое.

Белопольский решил эту задачу в 1895 году. Кольца в некоторые годы видны с Земли почти в «профиль», в виде тонкого, светлого поперечника, пересекающего планету. Белопольский направил трубу спектрографа сначала на один конец этого поперечника и заметил, что спектральные линии сдвинуты вправо, в сторону длинных волн. Затем он навел трубу спектрографа на другой конец поперечника. Теперь спектральные линии оказались сдвинутыми влево. Ясно, что в первом конце точки кольца Сатурна удаляются от нас, а во втором конце — приближаются к нам. Так спектрограф показал, что кольца Сатурна вращаются. С помощью спектрографа Белопольский изучил сдвиги спектральных линий, полученных от внешней части и от внутренней части (ближней к центру) одного из колец Сатурна. По этим сдвигам он вычислил скорости обращения различных частей одного и того же кольца. Оказалось, что внутренняя часть кольца обращается быстрее внешней, а именно: внутренняя часть обращается вокруг планеты со скоростью в 20 километров в секунду, а внешняя — со скоростью 16 километров в секунду. Периоды обращения этих частей связаны с расстоянием их от центра планеты по закону Кеплера. Стало быть, движения различных частей колец независимы друг от друга. Стало ясно, что кольца Сатурна вращаются не как одно целое и состоят из множества отдельных твердых частиц. Софья Ковалевская была права.

Таким же способом Белопольский определил период вращения Юпитера.

Однажды Белопольский заметил, что в спектре одной звезды все линии раздвоены. Он заинтересовался этим явлением и следил за звездой несколько лет. Он заметил, что раздвоенные линии периодически то сближаются, то снова расходятся. Белопольский понял, что он наблюдает не обычную звезду, а двойную. Двойные звезды — это пары звезд: они находятся сравнительно близко друг к другу и вращаются вокруг общего центра тяжести. Много двойных звезд наблюдалось до этого в телескоп. Но двойные звезды, открытые Белопольским, находятся от нас так далеко, что даже в самые сильные телескопы кажутся одной звездой. Только спектрограф смог разделить идущие от них лучи. Обе звезды вращаются вокруг общего центра тяжести, и в то время как одна из них удаляется от нас, другая приближается к нам. В таком случае волны света, идущие от одной звезды, удлиняются, а волны, идущие от другой, укорачиваются, и спектрограф их разделяет.

С помощью спектрографа было открыто несколько сотен двойных звезд. Нашей Симеизской обсерватории в Крыму принадлежит честь открытия наибольшего количества двойных звезд сравнительно с другими обсерваториями мира.

 

Принцип Допплера — Белопольского

После тщательной подготовки Белопольский осуществил в 1900 году свой замысел. Он поставил сложный опыт и в лабораторных условиях доказал, что при движении источника света длина световых воли действительно изменяется по определенному закону. А это значит, что смещение линий, наблюдаемое в звездных спектрах, действительно происходит благодаря движению звезд.

Это важное научное положение следовало бы называть принципом Допплера — Белопольского, чтобы подчеркнуть огромное значение опытного доказательства этого принципа Белопольским.

Благодаря доказательству этого принципа подведен прочный фундамент под все исследования по спектральному определению скоростей небесных тел.

Так изучение свойств света раскрыло еще одну тайну природы и позволило ученым вычислить скорость незримого движения звезд, — движения их по лучу зрения, а тем самым и действительное движение звезд относительно наблюдателя.

 

Температура звездных оболочек

Ученые давно уже поняли, что звезды представляют собой огромные котлы, в которых происходят сложные физические процессы. В результате этих процессов по всей Вселенной распространяется мощное излучение в течение многих и многих миллиардов лет. Перед пытливым человеком возникли вопросы: а можно ли возбудить такие же процессы в земных лабораториях? Какие для этого требуются условия? Какова, в частности, звездная температура, при которой протекают эти процессы? Не ответит ли на эти вопросы все тот же свет, испускаемый звездой? И что еще нужно знать о свойствах света, чтобы расшифровать его ответ?

Даже простым глазом можно заметить, как нагревается железо: сначала оно краснеет, затем желтеет, потом становится белым, и, наконец, голубоватым. По цвету двух стержней, вынутых из горна, опытный кузнец определяет, какой из них раскален сильнее.

Если мы будем рассматривать спектры этих стержней через спектроскоп, то во всех случаях мы увидим сплошную радужную полосу — сплошной спектр. Но между спектрами будет и отличие, отличие в яркости различных цветных лучей. Если в одном случае ярче всего будут лучи красные, то в другом — желтые, в третьем — зеленые, в четвертом — голубые.

Чем ярче световые лучи, тем больше энергии они несут. Энергия лучей измеряется особым прибором — болометром. Важнейшей частью его является узкая полоска металла, покрытая сажей, которая поглощает всю энергию луча и превращает ее в теплоту. Теплоту эту можно измерить по тому, как меняется электропроводность металла. Таким образом, передвигая зачерненную полоску металла вдоль спектральной полосы, можно определить, какие лучи несут большую энергию, иными словами, можно, как говорят физики, найти закон распределения энергии по спектру.

Многие ученые исследовали это распределение — Стефан, Больцман, Релей, Эйнштейн. Они установили, что распределение энергии по спектру зависит от температуры излучающего тела. С увеличением температуры максимум энергии передвигается от красного конца спектра к фиолетовому. Получив спектр и установив в нем распределение энергии, можно заключить о том, какова температура источника света, как бы далеко этот источник ни находился.

Так были определены температуры звездных атмосфер.

По характеру спектра (по яркости отдельных линий) звезды делятся на семь типов. Наше Солнце относится к типу желтых звезд; температура его внешней оболочки равна примерно 6000° С. А, например, звезда Сириус относится к типу белых звезд; температура ее внешней оболочки достигает 10 000° С.

 

Изучение планет

Планеты ближе к нам, чем звезды, в миллионы и миллиарды раз; они входят в нашу солнечную семью наряду с Землей. Однако о планетах, о том, из чего они состоят, о происходящих на них процессах, мы знаем меньше, чем о звездах. Это потому, что планеты светят не собственным светом, а отраженным светом Солнца.

Но спектральный анализ помогает и в этом случае. В самом деле, мы можем сравнивать между собой спектр лучей, пришедших непосредственно от Солнца, и спектр солнечных лучей, побывавших на планете и отраженных от нее. В спектре отраженных лучей появляются новые линии поглощения. Они появляются потому, что часть солнечных лучей поглощается поверхностью планеты и окружающей ее атмосферой, если она есть.

По спектральным линиям поглощения установлено, что в атмосферах планет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна имеется в значительных количествах метан (соединение углерода с водородом) и аммиак (соединение азота с водородом). В то же время спектры не отмечают в их атмосферах ни водяных паров, ни кислорода.

Исследуя вопрос о том, имеется ли на планете Марс растительность, советский астроном, член-корреспондент Академии Наук СССР Г. А. Тихов установил, что спектры, отраженные Марсом, имеют полосы поглощения, которые характерны для земных высокогорных и полярных растений — пихты, можжевельников, брусники, клюквы, мхов и им подобных.

 

Наука против суеверий

Наука о свете играет важную роль в овладении силами природы, в раскрытии ее тайн, в разоблачении различных суеверий.

В прошлом многие небесные явления всегда поражали людей своей необычностью и таинственностью.

Временами с ясного неба падали «небесные камни»— метеориты. В ярком безоблачном небе вдруг «гасло» Солнце. Иногда по небу проносилась диковинная «хвостатая звезда» — комета. Во всех этих явлениях люди видели какой-то тайный, зловещий смысл, предзнаменование будущих несчастных событий. Думали, что небесные тела не имеют никакой связи с известной нам, окружающей нас материальной природой. Жизнь человека связывали с жизнью звезд, сущность которых считалась божественной.

Спектрограф значительно расширил наше познание Вселенной. Теперь мы знаем о ней гораздо больше, чем сто лет назад, до открытия спектрального анализа. И дело не в том, что наши знания выросли количественно; нет, они стали другими, более глубокими. Мы знаем теперь, куда и с какой скоростью движутся многие звезды, каков химический состав звезд; по звездным спектрам мы устанавливаем, как далеко отстоит от нас каждая звезда, каковы ее размеры, температура, какие физические условия царят в звездных атмосферах, какие процессы там протекают. При помощи спектрального анализа раскрыты причины многих небесных явлений. Благодаря умению расшифровывать спектры звезды стали нам столь же близкими, как и любое вещество, изучаемое в лабораториях. С них сорвано покрывало мистики и таинственности. Мы знаем теперь, что природа небесных тел та же, что и окружающая нас природа. Правда, все процессы в звездах протекают в особых условиях, например, при очень высоких давлениях, температурах и т. д., которые мы не можем пока воспроизвести в своих лабораториях. Но мы твердо знаем, что если мы научимся создавать подобные же условия (высокие температуры, давления и т. п.) в лабораториях, то наше земное вещество будет вести себя совершенно так же, как и в звездах.

Мы видим, наконец, что и органическая жизнь не является во Вселенной исключением. Материалистическая наука учит, что она возникает всегда, когда создаются подходящие для этого условия.

Наука доказывает, что в различных частях Вселенной действуют одни и те же законы природы и они доступны познанию человека. А расширение наших знаний о Вселенной, которому так мощно способствует наука о свете и которому нет предела, является могучим орудием в борьбе с мистикой и суевериями.