スペクトル分析。科学的発見の歴史と本質

最も重要な科学的発見
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スペクトル分析。科学的発見の歴史と本質

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太陽の光線がプリズムを通過すると、その後ろのスクリーンにスペクトルが表示されます。 XNUMX 年間、私たちはこの現象に慣れてきました。よく見ないと、スペクトルの個々の部分の間に明確な境界がないように見えます: 赤が連続的にオレンジに、オレンジが黄色に変わります。

1802 年、英国の医師であり化学者でもあるウィリアム・ハイド・ウォラストン (1766–1828) は、他の人よりも注意深くスペクトルを調べました。ウォラストンは、目に見える秩序なく、さまざまな場所で太陽のスペクトルと交差するいくつかの鋭い暗い線を発見しました。科学者はこれらの行をあまり重要視しませんでした。彼は、それらの外観は、プリズムの特性、光源の特性、またはその他の二次的な原因のいずれかによって引き起こされると信じていました。線自体は、スペクトルの色付きのバンドを互いに分離していたという理由だけで、彼にとって興味深いものでした。後に、これらの暗い線はフラウンホーファー線と呼ばれ、本当の研究者の名前を永続させました.

ヨゼフ・フラウンホーファー（1787-1826）は、両親の死後、11歳で、研削師に師事しました。仕事の関係で、学校に行く時間はほとんどありませんでした。 14歳になるまで、ジョセフは読み書きができませんでした。しかし、幸福はありませんでしたが、不幸は助けになりました。ある日、所有者の家が倒壊した。ヨセフが瓦礫から取り除かれたとき、皇太子は通りかかった。彼はその若者を憐れみ、かなりの金額を彼に手渡した。その青年は自分でグラインダーを買って勉強を始めるのに十分なお金を持っていた。

地方都市ベネディクトバイレンのフラウンホーファーは、光学ガラスの研磨を学びました。

フラウンホーファーの収集された作品の序文で、E。ロンメルは次のように実用的な光学への貢献を要約しました。「レンズを回転および研磨するための彼の新しく改良された方法、メカニズム、および測定機器の導入のおかげで...彼は何とか静脈のないフリントガラスとクラウンガラスの十分に大きなサンプルを得ることができました。特に重要なのは彼が見つけた方法でしたレンズの形状を正確に決定することで、実用的な光学系の方向性を一変させ、無彩色望遠鏡をこれまで夢にも思わなかったほど完璧なものにしました。

プリズム内の光の分散を正確に測定するために、フラウンホーファーはキャンドルまたはランプを光源として使用しました。同時に、彼はスペクトルに明るい黄色の線を発見しました。これは現在、ナトリウムの黄色の線として知られています。この線は常にスペクトル内の同じ場所にあることがすぐに確立されたため、屈折率の正確な測定に使用すると非常に便利です。その後、フラウンホーファーは 1815 年の最初の作品で次のように述べています。非常に多数の垂直線があり、鋭く弱い .しかし、スペクトルの残りの部分よりも暗く、そのうちのいくつかはほぼ完全に黒く見えた.

フラウンホーファーは名前を付け、スペクトル内の正確な位置を示しました。暗い線の位置は厳密には変わらず、特にスペクトルの黄色の部分の同じ場所に鋭い二重線が常に現れていることがわかりました。 Fraunhofer はそれを線 O と呼びました。科学者はまた、太陽のスペクトルの暗い線 O と同じ場所にあるアルコールランプの炎のスペクトルには、常に明るい二重の黄色の線があることを発見しました。この発見の重要性が明らかになったのは、何年も後のことでした。

フラウンホーファーは、太陽のスペクトル内の暗い線の研究を続け、重要なことに気付きました。その原因は目の錯覚ではなく、太陽光の性質そのものです。さらなる観測の結果、彼は金星とシリウスのスペクトルに同様の線を見つけました。

後で判明したように、フラウンホーファーの 1814 つの発見は、特に重要であることが判明しました。ダブルDラインの観察について話しています。科学者が彼の研究を発表した 43 年に、この観察はあまり注目されませんでした。しかし、1828 年後、William Swan (1914–XNUMX) は、アルコールランプの炎のスペクトルに二重の黄色の O ラインがナトリウム金属の存在下で現れることを発見しました。悲しいかな、彼の前の多くの人と同じように、スワンはこの事実の重要性を理解していませんでした. 彼は、「この線はナトリウム金属に属します」という決定的な言葉を決して言いませんでした。

1859 年、二人の科学者、グスタフロベルトキルヒホフ (1824 ～ 1887 年) とロバートヴィルヘルムブンゼン (1811 ～ 1899 年) がこのシンプルかつ重要なアイデアにたどり着きました。彼らはハイデルベルク大学の研究室で次の実験を行いました。彼らの前では、太陽の光だけ、またはアルコールランプからの光だけがプリズムを通過しました。科学者たちはそれらを同時にスキップすることにしました。その結果、L.I.が著書の中で詳しく語っている現象を発見した。ポノマレフ: 「太陽の光線がプリズムに当たっただけだとすると、分光器のスケールでは、通常の位置に暗い O の線を持つ太陽のスペクトルが見えます。研究者がプリズムを配置したときでも、暗い線は依然として所定の位置に残りました。」しかし、太陽光線の経路にスクリーンを置き、スピリットランプの光だけでプリズムを照らすと、暗い線Oの代わりに明るい黄色の線Oが現れます。キルヒホッフとブンゼンはスクリーンを取り除き、O ラインが再び暗くなりました。

次に、太陽の光線を熱い体からの光に置き換えました-結果は常に同じでした.明るい黄色の線の代わりに暗い線が現れました. つまり、アルコールランプの炎は、それ自体が発した光線を常に吸収していました。

このイベントがXNUMX人の教授を興奮させた理由を理解するために、彼らの推論に従ってみましょう。スピリットランプの炎のスペクトルの明るい黄色のO線は、ナトリウムの存在下で現れます。太陽のスペクトルでは、未知の性質の暗い線が同じ場所にあります。

いかなる高温の物体からのビームのスペクトルも連続的であり、その中に暗い線はありません。ただし、そのようなビームをアルコールランプの炎に通すと、そのスペクトルは太陽のスペクトルと変わりません。同じ場所に暗い線も含まれています。しかし、この暗い線の性質はすでにほぼわかっており、いずれにせよ、それがナトリウムに属するものであると推測できます。

したがって、観察条件に応じて、ナトリウムOラインは明るい黄色になったり、黄色の背景で暗い色になったりすることがあります。しかし、どちらの場合も、この線の存在は（黄色か黒かにかかわらず！）アルコールランプの炎の中にナトリウムが存在することを意味します。

そして、透過光におけるアルコールランプの炎のスペクトルにおけるそのような線は、太陽のスペクトルにおける暗い線Oと一致するので、それは太陽にナトリウムがあることを意味します. さらに、それは太陽の熱い核によって内側から照らされているガス状の外層雲の中にあります。

1859 年に Kirchhoff によって書かれた XNUMX ページの短いメモには、一度に XNUMX つの発見が含まれていました。

- 各要素には、厳密に定義された一連の線を意味する独自の線スペクトルがあります。

- そのような線は、地球だけでなく星の物質の組成を分析するために使用できます。

- 太陽は、高温の中心部と高温ガスの比較的低温の大気で構成されています。

太陽にはナトリウムという元素が含まれています。

最初の 1868 つの命題、特に太陽の構造に関する仮説はすぐに確認されました。 XNUMX 年、天文学者ヤンセンが率いるフランス科学アカデミーの遠征隊がインドを訪れました。彼女は、皆既日食の際、その熱い核が月の影に覆われ、コロナのみが輝いている瞬間に、太陽のスペクトルのすべての暗い線が明るい光で点滅することを発見しました.

Kirghof と Bunsen は XNUMX 番目の位置を見事に確認しただけでなく、それを使用して XNUMX つの新しい元素、ルビジウムとセシウムを発見しました。

これがスペクトル分析が生まれた方法であり、現在では遠方の銀河の化学組成を調べたり、星の温度や自転速度を測定したりすることが可能になっています。

その後、電圧は元素を励起状態にするために最も頻繁に使用されました。電圧の影響下で、要素は特定の波長、つまり特定の色を特徴とする光を放出します。この光は分光装置 (分光器) で分割され、その主要部分はガラスまたは石英プリズムです。この場合、それぞれが特定の要素の特徴である別々の線で構成されるストリップが形成されます。

たとえば、鉱物クレバイトが加熱されると窒素に似たガスを放出することは以前から知られていました。このガスを分光器で調べたところ、まだ未知の新しい希ガスであることが判明しました。電気的に励起されると、分光器を使用して太陽の光を分析したときに以前に発見されていた線が放出されました。これは、太陽で以前に発見された元素が地球のラムゼーによって発見されたという特殊なケースでした。ギリシャ語の「ヘリオス」（太陽）からヘリウムという名前が付けられました。

現在、連続 (または熱) と線の XNUMX 種類のスペクトルが知られています。

ポノマレフが書いているように、「熱スペクトルにはすべての波長が含まれており、固体が加熱されたときに放出され、その性質には依存しません。

線スペクトルは、一連の個別の鋭い線で構成されます。線スペクトルは、ガスや蒸気が加熱されたとき (原子間の相互作用が小さいとき) に現れます。特に重要なことは、この一連の線はどの元素にも固有であることです。また、元素の線スペクトルは、その元素を構成する化合物の種類に依存しません。したがって、その原因は原子の性質に求められなければなりません。

元素が線スペクトルの種類によって一意かつ完全に決定されるという事実はすぐに誰もが認識しましたが、同じスペクトルが個々の原子を特徴付けるという事実はすぐには実現されませんでしたが、1874 年になってようやく実現しました。イギリスの有名な天体物理学者、ノーマン・ロッキャー (1836-1920)。そして、彼らがそれに気づいたとき、彼らはすぐに必然的な結論に達しました: 線スペクトルは単一の原子の内部で発生するので、原子は構造を持っている必要があります。

著者: サミン D.K.

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