ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Хімія — 10.08.20
    ТЕКСТ: Володимир Саркісян
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Атомна веселка

    «Я нині наполегливо займаюся хімією. Зокрема, я сподіваюся зробити щонайменше хімічний аналіз Сонця, а пізніше, мабуть, і нерухомих зірок». Ці слова не є цитатою з науково-фантастичного роману. Їх написав німецький науковець Густав КірхгофГустав Роберт Кірхгоф – німецький фізик і оптик, член Прусської академії наук і Лондонського королівського товариства. на початку 1859 року, коли про мандри Всесвітом ніхто й не думав. Між цими рядками і першими космічними кроками людства лежить ціле століття. Кірхгоф не був мрійником. Менш ніж за рік він здійснив свою обіцянку простим і витонченим шляхом – спостерігаючи у спектроскопСпектроскоп – Простий оптичний прилад, призначений для візуального спостереження за спектрами, який складається з прийомного щільового об’єктива, оптичної призми або дифракційної решітки і окуляра. за лініями випромінювання елементів.

    Звідки в спектрі беруться лінії?

     

    Як відомо з курсу фізики, стійкість будь-якої системи тіл залежить від її сукупної енергії. Кинутий камінець падає на землю, зменшуючи потенційну енергію системи «камінь – земля». Годинникова пружина намагається розкрутитися, витрачаючи енергію закруту на рух коліщаток і стрілок. Вугілля під час горіння виділяє з теплом накопичену тисячоліттями хімічну енергію і перетворюється на негорючу золу. Що нижча енергія, то більш стабільною (фізики кажуть, більш енергетично вигідною) є система. Атоми речовини є такою самою системою, яка складається з ядра та електронів, і зазвичай перебувають у стані з найменшою енергією – стабільному.

     

    А що трапиться, якщо, скажімо, атому водню надати додаткову порцію енергії, наприклад, нагріти? При досягненні певної величини теплоти електрон перейде на більш віддалену від ядра орбіту. Цей новий стан атома називається збудженим, необхідна для приведення його у такий стан енергія – енергією збудження, а орбіти електрона – енергетичними рівнями. Раз у раз додаючи теплоту, можна перевести електрон на більш віддалені від ядра орбіти і навіть відірвати його геть від атомаВ цьому випадку атом перетвориться на позитивно заряджений іон, а мінімальна потрібна для цього енергія називатиметься енергією іонізації.. Збуджений атом, як і всі системи, намагається повернутися у стабільний стан. Отже, електрону доводиться позбавлятися енергії за допомогою випромінювання. Зрозуміло, що кількість цієї енергії залежатиме від того, як далеко від ядра заскочив електрон,  наполоханий нашим втручанням в його мирне життя на орбіті, але не лише від цього. Як переляканий кіт спускається згори вниз, щойно заспокоїться, так само і електрон може повернутися на свій ріднесенький стаціонарний рівень одним стрибком, а може й переходити, затримуючись на кожній сходинці. Внаслідок кожного такого переходу він випускатиме випромінювання певної довжини хвилі, тобто кольору. Якого саме? 

     

    Довжина хвилі випромінювання зворотньо пропорційна енергії: більшій енергії відповідає менша довжина хвилі. У видимому діапазоні спектру найбільшу енергію має фіолетове, а найменшу – червоне випромінювання.

     

    Якщо електрон повертатиметься на другий енергетичний рівень з третього, то колір випромінювання буде червоним, з четвертого – блакитним, з шостого – фіолетовим. Кожна з цих хвиль відобразиться в спектроскопі окремою лінією. Випромінювання електрона при поверненні на другий рівень з більш віддалених або повернення з будь-якого рівню на перший лежить в ультрафіолетовій частині спектру, а переходи на третій і вищі – в інфрачервоній.

     

    Якщо ж у збуджених атомів більше стаціонарних орбіт і електронів, ніж у воднюУ атомі наявного в атмосфері Сонця заліза 4 енергетичних рівня і 26 електронів, які можуть брати участь в процесі збудження. Додатково енергетичні рівні атомів більшості елементів розщеплені на підрівні, енергія збудження яких відрізняється в межах одного рівня, що призводить до появи в спектрах великої кількості близьких ліній випромінювання., якщо кількість по-різному «наполоханих» електронів перевищує найсміливішу уяву, як-от на Сонці, де кожної миті збуджуються і рекомбінуютьРекомбінація ‒ процес, зворотний до іонізації. близько двох квадрильйонів тонн складної суміші елементів, тоді розкладене призмою на спектр випромінювання нагадуватиме суцільну яскраву веселку, в якій лише прискіпливе око дослідника побачить ледь помітні темні проміжки. Але у Густава Кірхгофа було саме таке око. «Його життя було звичайним життям німецького професора університету. Великі події відбувалися тільки в його голові», писав щиро захоплений його науковими набутками Людвіґ БольцманЛюдвіґ Больцман ‒ австрійський фізик, засновник сучасної термодинаміки і статистичної фізики.

     

    Позираючи на Сонце

     

    Пріоритет відкриття темних ліній у сонячному спектрі належить німецькому оптику Йозефові Фраунгоферу. Саме він звернув увагу на те, що їхня відносна позиція не залежить від роздільної здатності або іншої характеристики спектроскопа. Фраунгофер замалював і позначив літерамиФраунгофер позначав лінії великими і малими латинськими літерами та порядковими індексами: D, b2 тощо. майже шість сотень цих ліній, які були названі згодом на його честь.

     

    Споглядаючи у спектроскоп, Кірхгоф щоразу замислювався над природою цих ліній. Адже на той час не було бодай примітивної моделі будови атома. Власне, щодо самої атомістичної теорії речовини точилися палкі дискусії. Чому в спектрі полум’я свічки на місці цих ліній розташовані світлі проміжки? Чи впливає на це природа джерела світла?

     

    Кірхгоф запросив до участі в експериментах свого колегу Роберта БунзенаРоберт Вільгельм Бунзен  – німецький хімік-експериментатор, професор Гейдельберзького університету., який саме в цей час розробляв методи дослідження складних сумішей речовин в полум’ї різної природи. Дослідники з’ясували цікаву річ: якщо помістити полум’я пальника перед вхідною щілиною спектроскопа й внести в нього краплю розчину кухонної солі, то на тлі слабкого суцільного спектру полум’я з’явиться характерна яскрава жовта лінія натрію. Якщо ж додатково освітлювати щілину спектроскопа сонячним світлом, лінія стає темною. Але не просто темною, а чорнішою від тієї, що спостерігається за відсутності натрію в полум’ї! Якщо ж штучно послабити інтенсивність сонячного світла, то темні лінії знову світліють, а далі на їхньому тлі з’являється жовта лінія натрію. Що б це означало?

     

    «З цих спостережень я роблю висновок, що кольорові полум’я, в спектрах яких трапляються світлі чіткі лінії відомого забарвлення, так сильно послаблюють промені того самого кольору, що проходять крізь них, що на місці світлих ліній з’являються темні, якщо позаду полум’я розташувати потужне джерело світла, в спектрі якого цих ліній немає. Таким чином, темні лінії сонячного спектру, які не спричинені земною атмосферою, виникають внаслідок присутності в розжареній атмосфері Сонця тих самих речовин, які в спектрі полум’я спричиняють світлі лінії. Таким чином, темні лінії D в сонячному спектрі наводять на думку, що в атмосфері Сонця наявний натрій», – написав Кірхгоф у жовтні 1859 року в невеличкій статті «Стосовно фраунгоферових ліній», яка зайняла лише дві сторінки в «Щомісячному віснику Берлінської академії наук».1

     

    Кірхгоф розмірковував так: потужне джерело світла, як-от високотемпературний пальник, випромінює суцільний спектр, в якому присутня і жовта компонента. Вводячи до полум’я натрій, на тлі цієї компоненти можна спостерігати яскраву жовту лінію, яка, відтак, є результатом випромінювання саме натрію. Якби в сонячному спектрі ця лінія була просто відсутня, на темному тлі випромінювання натрію було б яскравішим. Натомість, ця ділянка спектру додатково темнішає. Отже, на місці фраунгоферової лінії D є якесь випромінювання, яке поглинається парами розжареного натрію в пальнику.

     

    Відкинемо пальник і введений в нього натрій. Якщо поверхня Сонця, як будь-яке розжарене тіло, випромінює суцільний спектр, то темні провали в ньому на місці лінії D можуть означати лише одне: в атмосфері світила, що править за наш пальник, присутній натрій, випромінювання якого поглинають жовту компоненту.

     

    Описане Кірхгофом явище отримало назву обернення спектральних ліній, а самі спектри такого штибу стали називатися оберненими.

     

    За запропонованою Кірхгофом методикою доволі швидко провели якісний аналіз речовини Сонця. З розвитком спектрального методу дослідження стало можливим встановити навіть кількісний вміст кожного елемента сонячної атмосфери. Вона складається з водню (92% за кількістю атомів), гелію (7,8%), кисню (0,06%), вуглецю (0,02%), неону (0,01%), азоту (0,008%), кремнію (0,004%), магнію (0,003%), заліза (0,003%) та сірки (0,002%). Це, своєю чергою, дозволило з’ясувати природу процесів всередині зірки. Там в умовах шалених тиску і температури термоядерного синтезу утворюються нові атоми. У збудженому стані вони щомиті викидаються в зовнішні шари світила і випромінюють світло, яке є основою життя на Землі.

    ТЕКСТ: Володимир Саркісян
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Посилання
    • 1. — «Uber die Fraunhoferschen Linien». Monatsber. der Akad. der Wissenschaft. zu Berlin, 1859 Oktober.
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?