О чем рассказывает свет

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.

Рис. 17. Верхняя часть периодической таблицы Менделеева. Гелий, занимающий второе место в таблице, и все инертные газы (неон, аргон и другие) находятся справа в столбце, который здесь не показан. Цифры в клетках означают: верхняя — порядковый номер элемента, нижняя — его атомный вес

Менделеев сделал вывод о существовании естественной последовательности элементов. «Свойства простых тел (элементов. — С. С.) ... находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов» — писал он в 1869 году. Этими словами Менделеев выразил открытый им великий закон природы.

Заполняя свою таблицу, Менделеев некоторые клетки оставлял пустыми. Мы помним, что все известные элементы он располагал по возрастающему атомному весу. И вот в некоторых случаях очередной элемент оказывался не похожим по своим химическим свойствам на элементы очередного столбца. Клетку приходилось пропускать. Это было оправдано: очередной элемент по своим свойствам оказывался похожим на элементы в следующем столбце. Туда его и помещал Менделеев. Но как же быть с пустыми клетками? Глубоко убежденный в справедливости открытого закона, Менделеев заявил, что пустые клетки рано или поздно должны быть заполнены: в природе есть еще неизвестные нам элементы, которые по своим свойствам должны занять место как раз в пустых клетках.

Это было смелое утверждение ученого, уверенного в своей научной теории, в великой познавательной силе человеческого разума. Менделеев предсказал не только существование новых элементов. Он заранее описал их атомные веса и химические свойства — свойства элементов, которых еще никто никогда не видел! Фридрих Энгельс назвал это предсказание Менделеева великим научным подвигом.

Уже по одной возможности предсказывать еще не открытые элементы и их свойства видно, что периодический закон Менделеева — величайший закон природы. В нем были обобщены в единой системе химические свойства дотоле разрозненных элементов. Впервые благодаря открытию этого закона химики ощутили необходимость изучить причины периодичности химических свойств элементов, «заглянуть» в глубь атомов и там найти объяснение стройной периодической системе. Менделеев писал об атоме: «В частичке вещества химик видит, как бы ощущает отдельные части, независимые органы и общую связь частей; словом, для него это есть целый организм, живущий, движущийся и вступающий во взаимодействие». А до Менделеева атом считался простым неделимым комочком материи, а «не целым организмом». С открытием периодического закона начинается новый этап развития химии.

Свои предсказания новых элементов Менделеев сделал в 1871 году. И уже в 1875 году в спектре минерала цинковой обманки с Пиренейских гор были обнаружены две новые фиолетовые линии — 4171Å и 4031Å, и вскоре было выделено несколько сотых долей грамма мягкого синевато-белого металла. Химические свойства этого металла и его атомный вес в точности совпали со свойствами и атомным весом предсказанного Менделеевым металла, который он в свое время назвал экаалюминием. Новый металл, открытый французским ученым Буабодраном и названный им в честь Франции галлием (Галлия — старинное наименование Франции), заполнил заранее приготовленную для него Менделеевым табличную клетку. Позднее были найдены и другие элементы.

Так спектроскоп помог подтвердить справедливость и глубочайшее значение закона, открытого нашим гениальным соотечественником.

Спектральный анализ веществ в современной промышленности

Открытия, о которых здесь рассказывается, происходили почти сто лет назад. Но плоды их в больших масштабах пожинаются только в последние десятилетия. В то время о спектральных свойствах вещества знали только ученые. В наше время спектральный анализ веществ широко применяется в промышленности.

Современная промышленность немыслима без точного и быстрого контроля за качеством обрабатываемых материалов и выпускаемой продукции. А в этом деле спектральный анализ вещества незаменим.

Так, промышленность в наше время предъявляет исключительно высокие требования к качеству металлов. Современные машины и инструменты работают в самых разнообразных режимах температур, давлений, скоростей, электрических и магнитных полей. Возьмем, к примеру, режущий инструмент. При огромных скоростях резания металлов возникают высокие температуры, при которых обычная сталь может потерять свою закалку. Нужна специальная инструментальная сталь. Она не должна снижать своих режущих свойств даже при температуре в 600 градусов. В других случаях нужна сталь, устойчивая к действию кислорода, неокисляющаяся. В двигателях внутреннего сгорания выпускные клапаны работают при очень высокой температуре. Сталь, из которой вырабатываются клапаны, должна быть жароупорной. В динамомашинах и трансформаторах необходима сталь, которая может быстро и почти полностью терять намагниченность. Орудийная сталь должна быть особенно прочной на разрыв. Автомобильная и особенно авиационная промышленность предъявляет к металлам свои требования. Применяемые ими металлы, кроме свойств, необходимых в любом машиностроении, должны обладать еще одним свойством — легкостью. Особо высокие требования к качеству материала выдвигает современная ракетная техника, и особенно в отношении свойств жароупорности. Существуют тысячи различных марок металлов, используемых в современной промышленности.

Но в природе нет металлов, удовлетворяющих всем требованиям, которые предъявляет к ним человек. Сталь подходит для авиамотора по прочности, но тяжела. Алюминий легок, но не прочен. Так бывает во многих случаях: подходят одни свойства металла, но не годятся другие.

Человек сам создает металлы, отвечающие его многообразным требованиям. Он упрочняет легкий алюминий, добавляя к нему небольшие дели «присадок» — кремния, марганца, магния, меди. Соединяя железо с углеродом, хромом и кремнием, он выплавляет жароупорную сталь для электропечей, для выпускных клапанов моторов. Добавляя к обычной стали вольфрам, хром и ванадий, он превращает ее в быстрорежущую, инструментальную.

Тысячи различных сортов сплавов применяются в современной промышленности. Из природных, не всегда подходящих материалов человек создает новые материалы с теми свойствами, которые ему нужны.

Экспресс-контроль металлических сплавов

Свойства сплавов зависят от того, в каком соотношении взяты исходные материалы. Достаточно незначительного изменения доли одного из составляющих металлов, как свойства сплавов резко меняются.

Поэтому в промышленности сильно возросли требования к контролю за составом металлических сплавов. Этот контроль нужен во всех стадиях производства: при плавке металла, при пуске металлических заготовок в обработку, при приемке собранных машин.

Современная промышленность отличается высокими темпами работы, большими требованиями к точности и качеству изделий, массовостью производства. К контролю она предъявляет особые требования: он должен быть дешевым, чувствительным и, что особенно важно, быстрым.

Рис. 18. Образование электрической дуги между испытуемым образцом и стандартным электродом

Если бы контрольная лаборатория установила, что плавка непригодна только через неделю после ее окончания, такой контроль принес бы мало пользы. Анализ плавки нужно дать через несколько минут после получения пробы, чтобы в случае необходимости можно было исправить состав сплава в самом ходе плавки. Анализ состава заготовок ценен, когда он производится на ходу, до их обработки, чтобы избежать непроизводительного труда и брака в готовых изделиях. Контроль должен итти параллельно с производством, не задерживая его. Это должен быть экспресс-контроль.

Таким незаменимым экспресс-контролем за качеством металлов и стал спектральный анализ сплавов.

Производится он так. Между образцом взятого для анализа сплава и стандартным электродом создается электрическая дуга (рис. 18). Стандартный электрод делается из того металла, который составляет основу сплава. Так, при контроле сталей он берется из железа, при контроле латуни — из меди. Это делается для того, чтобы спектр стандартного электрода не вносил в спектр испытуемого образца никаких новых линий и не искажал его.

В электрической дуге образуются раскаленные пары сплава и стандартного электрода. Пары излучают спектр. Этот спектр испускания рассматривается в спектроскоп, специально приспособленный для исследования нужных участков спектра. Его называют стилоскопом, что значит — прибор для исследования сталей.

Если исследуется сталь, в стилоскопе видны линии излучений железа и других составных частей сплава.

Процентное содержание этих частей определяется по яркости линий. Чем выше в сплаве доля атомов данного элемента, тем ярче будут спектральные линии этого элемента.

Рис. 19. Определение процентного содержания хрома в стали по яркости линии хрома

Приемы определения яркости линий присадочных металлов различны. Наиболее ходовой прием — сравнение этих линий по яркости со специально избранными линиями железа в той же картине, видимой в стилоскопе. Если линия хрома 4254,3Å столь же ярка, как и линия железа 4247,4Å, то хром составляет в сплаве 0,12 процента. Если та же линия хрома несколько ярче, чем линия железа 4260,5Å, то хрома в сплаве около 6 процентов (рис. 19).

Точно так же определяют количества других металлов-присадок. Полный спектральный анализ сплава из 6—7 металлов занимает 2—3 минуты.

В настоящее время разработаны и широко применяются и другие приемы экспресс-анализа. Очень быстро и точно можно определить состав сплава путем сравнения его спектра со спектрами стандартных образцов сплавов, состав которых известен заранее.

Экспресс-контроль сплавов в ходе производства — наиболее показательный пример практического применения спектроскопа. Так наука о свете помогает решать важную народнохозяйственную проблему.