Спектральная грамота
Узнаем же, как читают паспорта светил, как читают их спектры, изучим спектральную грамоту.
Существуют, как мы видели, три вида спектров - три вида паспортов источников света: непрерывный спектр, линейчатый спектр излучения (короче, спектр излучения) и линейчатый спектр поглощения (непременно на фоне непрерывного спектра и называемый коротко спектром поглощения). Уже общий вид спектра говорит нам о природе свечения источника. Из опыта известно, что непрерывный спектр дают или твердые и жидкие раскаленные вещества или массы газа, в которых очень много свободных электронов - мельчайших частиц электричества. Такой спектр может дать и небольшой слой чрезвычайно горячего и плотного газа и чрезвычайно толстый слой более разреженного газа.
Таким образом, непрерывные спектры дают, с одной стороны, нить электрической лампы и расплавленная сталь, с другой стороны, - газы, составляющие поверхностный слой Солнца и звезд. В лаборатории удавалось маленькие проволочки (пережигая их сильным электрическим током) превратить в газ, содержащий множество электронов, и он давал в момент испарения непрерывный спектр.
Атом - мельчайший представитель какого-нибудь химического элемента, т. е. вещества, не могущего быть химически разложенным на составные части, тем не менее очень сложен. Он является сложной системой частиц. Атомы разных химических элементов содержат разное число частиц и построены по-разному. Разрушать их или перестраивать методами химии нельзя. Раньше перестраивать их удавалось лишь природе, но теперь удается перестраивать атомы методами физики в лаборатории. Можно представить себе атом состоящим из ядра и вращающихся вокруг него электронов. У ядра определенный вес и определенный положительный электрический заряд, равный сумме отрицательных электрических зарядов электронов атома, а заряд каждого электрона одинаков. Заряд ядра определяет химические свойства атома. Столкнувшись с другим атомом, электроном или с мельчайшей частицей света - квантом, иначе - фотоном, наш атом может потерять один из своих электронов. Он приобретает тогда единичный положительный заряд, не уравновешиваемый противоположным зарядом электрона, который покинул своего хозяина. Он становится тогда ионом, или ионизованным атомом. Если оторвать у атома и второй электрон, то он становится дважды ионизованным атомом с двойным положительным зарядом.
От подобных повреждений и убытка при столкновениях атомы не чувствуют себя хуже, однако непрерывно лелеют надежду восстановить свое нарушенное «хозяйство» и пополнить его захватом свободного электрона. Электроны же, освобожденные от своей «крепостной зависимости», называются свободными, но им постоянно угрожает новый плен, так как их отрицательный заряд притягивается положительным зарядом ионов. Горе медленно летающим свободным электронам! Их легко захватить в плен. Быстрые же электроны между тем безопасно шныряют среди ионов, и ясно, что чем реже атомное население в единице объема (чем разреженнее газ), тем легче им ускользать от плена, сохраняя свободу, и поддерживать этим высокую ионизацию газа. А чем больше частиц толчется на одном месте, тем чаще они могут и столкнуться и снова соединиться.
Рис. 17. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела при разных температурах и в спектре Солнца. Наклонная прерывистая линия указывает смещение максимума интенсивности с повышением температуры в сторону коротких волн
Из физики известно, что чем выше температура газа, тем быстрее носятся его частицы, тем энергичнее и чаще их столкновения и тем большая доля его атомов ионизуется. Быстрота движения частиц определяет, как часто происходят различные столкновения; основываясь на этом, теория может наперед сказать, каково будет распределение энергии вдоль непрерывного спектра при данной температуре. Лучше всего теоретически изучено излучение абсолютно черного тела, которое так называется потому, что оно способно поглощать всю падающую на него энергию. Абсолютно черное тело обладает не только наибольшей поглощающей, но и наибольшей излучательной способностью при данной температуре. Излучение нити электрической лампочки или внутренности раскаленной печи очень походит на излучение черного тела. Можно создать искусственное тело, еще более похожее на абсолютно черное тело, можно его нагреть и убедиться, как это делают физики, в том, что распределение энергии в его спектре в зависимости от температуры соответствует теории. Оказалось, что звезды и Солнце обладают почти такими же свойствами поглощения и излучения, как черное тело, и потому по распределению энергии в их спектре можно определить их температуру, о чем мы расскажем дальше. Итак, н? смущайтесь тем, что Солнце принимают за черное тело, да к тому же абсолютно черное! Черный уголь сохраняет свои свойства абсолютно черного тела и тогда, когда он раскален и ослепительно светит.