Сергей Язев - Лекции о Солнце

Так оно и есть. Сегодня мы знаем, что атомы различных химических элементов имеют свойство как поглощать, так и излучать свет на вполне определенной длине волны, одной и той же как для излучения, так и для поглощения. Во времена Фраунгофера о строении атомов (и даже их существовании) ничего определенного не было известно, но уже было ясно, что речь идет о разных типах вещества (разных химических элементах).

Процесс, который приводит к образованию линий поглощения, можно качественно описать примерно следующим образом. Если раскаленное Солнце излучает свет на всех длинах волн, то присутствующие на Солнце атомы, поглощая часть этого излучения, как бы «выедают» из спектра часть света, причем каждый тип атомов делает это точно на своей, вполне определенной длине волны. На сегодняшний день теория атомных спектров позволяет рассчитывать, на каких именно длинах волн должен поглощать свет (образовывать линии Фраунгофера) каждый элемент.

Оказалось, что каждый тип атомов может поглощать свет не на одной, а сразу на многих длинах волн (образовывать много линий поглощения). Если атом однократно ионизован (в окружающей его ядро электронной оболочке отсутствует один электрон), появляется новая линия. Если нет двух электронов – другая… В результате атомы, например, железа, лишенные одного, двух, трех, восьми электронов, дадут целый набор соответствующих линий на разных (но вполне определенных) длинах волн.

Всего атомы железа, в разной степени ионизованные, порождают 3288 линий! Титан дает 1085 линий в видимой части спектра, хром – 1028, кобальт – 785, и т. д. Разобраться в этом частоколе линий, конечно, чрезвычайно сложно. Тем не менее, у нас появляется принципиальная возможность, построив полный набор возможных вариантов, отождествить все линии Фраунгофера в солнечном спектре и указать, каким химическим элементам они соответствуют. Каждую линию в спектре Солнца можно сравнить с фрагментом «отпечатка пальцев» того или иного типа атомов, находящихся на Солнце…

От зарождения идеи до ее реализации пройден долгий и сложный путь. Изучить и отождествить многие тысячи линий в спектре Солнца оказалось крайне трудно. Спектральный анализ – дело чрезвычайно сложное и тонкое, зависящее от многих факторов.

Например, довольно скоро выяснилось, что некоторые линии меняют свою интенсивность в зависимости от того, высоко или низко находится Солнце над горизонтом. Оказалось, что эти линии возникают не на Солнце, а в атмосфере Земли, когда солнечный свет проходит сквозь земной воздух. Линии, добавляющиеся к спектру Солнца из-за влияния земной атмосферы, спектроскописты называют теллурическими . Их надо научиться выделять, чтобы понять, какой они вносят вклад, чтобы не спутать вклады Солнца и нашей атмосферы в формирование солнечного спектра.

Спектральный анализ как детально разработанная новая научная методика возник в 1859–1862 годах. Именно тогда были получены решающие достоверные доказательства, что линии Фраунгофера порождаются именно Солнцем. Доказать это было непросто, но это было сделано. Огромный вклад в разработку нового могучего метода внесли немецкие исследователи – физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1877) и химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899).

Спектральный анализ развивался на протяжении многих десятилетий и совершенствуется в настоящее время. Надо сказать, что в самом начале его развития, два столетия назад, никто и представить себе не мог его гигантский потенциал!

Во-первых, как показано выше, спектральный анализ может указать на химический состав источника света – в данном случае Солнца. Любопытно, что основополагающие опыты шли полным ходом как раз тогда, когда Огюст Конт провозглашал, что мы никогда не узнаем состав Солнца и иных звезд…

Благодаря спектральному анализу мы теперь в деталях знаем, какие типы атомов (химические элементы) присутствуют на Солнце. Так, второй по распространенности во Вселенной химический элемент был обнаружен первоначально именно на Солнце! Его линии никак не удавалось отождествить ни с какими линиями, которые возникали в земных экспериментах. Оставалось предположить, что это следы некоего неизвестного элемента, существующего на Солнце, но пока не открытого на Земле… Его линии в спектре Солнца в 1868 году были выделены служащим военного министерства в Лондоне и одновременно первоклассным специалистом-астрономом (хотя и любителем) Джозефом Норманом Локьером (1836–1920). Новый элемент был назван «гелий» – в честь греческого названия «гелиос» (Солнце).