Спектроскопия

Спектроскопия, часть физики, занимающаяся изучением спектров (смотрите). Визуальный метод наблюдения спектров с помощью спектроскопов (смотрите) применим лишь для видимой части {область длин волн 4 000—7 600 А) и в настоящее время почти полностью вытеснен методом фотографическим с помощью спектрографов (смотрите). В ультрафиолетовой части спектра фотографии, метод является единственным, как и в близкой инфракрасной (до 10 000 А). В далекой инфракрасной области спектры обнаруживаются по их тепловому действию с помощью специальных чувствительных приборов—болометров, термопар и т. д.

Изучение спектров сводится в основном к двум моментам: 1) определению длин волн отдельных линий или мест максимума или минимума интенсивности в сплошных спектрах и 2) к определению относительных или абсолютных интенсивностей спектральных линий или частей сплошного спектра. Принципиально длину световых волн можно определять с помощью любого явления интерференции или диффрак-ции. Исторически точное определение длины волн впервые выполнено Фраунгофером, к-рый в 1821 г. построил первую диффракционную решетку. В настоящее время длины волн целого рядадшектральных линий определены с чрезвычайной точностью и эти линии принимаются за нормали. Определение длины волн всякой другой линии происходит путем сравнения с длинами волн нормалей. Это сравнение производится на фотографии, снимке простым интерполированием: наряду с исследуемым спектром фотографируется спектр, содержащий линии, выбранные в качестве нормалей; затем путем промера снимка под компаратором определяются линейные расстояния между линиями. Для случая спектра, получаемого от диффракцион-ной решетки при малых углах диффракции, интерполирование может производиться с помощью простой линейной ф-лы:

*= Vb^-г,

АЯ,

где -д — линейная дисперсия решетки, —

постоянная, λ—длина волны измеряемой лишни, которой соответствует отсчет компаратора I. Для спектров, полученных с помощью призмен ных спектрографов, интерполирование производится обычно по формуле Гартмана:

^λ=λ»+ dv

где λ₀, с и 7₀—постоянные, а Я и I—длина волны измеряемой линии и соответствующий ей отсчет компаратора. Точность, с которой этим способом м. б. определены длины волн, растет с дисперсией и для решетки благодаря линейности дисперсии больше,чем для призменных спектрографов. Большие вогнутые диффракционные решетки ₀ имеют в первом порядке дисперсию ок. 2,5 А на 1 миллиметров, а в четвертом — ок. 0,6 А на 1 миллиметров. Хороший компаратор позволяет определять положение резких линий с точностью до 2—3 μ, откуда длины волн м. б. опреде-лены₀ с точностью до нескольких тысячных долей А, что для видимой части спектра составляет относительную точность порядка 10^_6. Таким образом спектроскопич. определение длин волн принадлежит к точнейшим физич. измерениям. Большие возможности, которые дает диф-фракционная решетка в смысле точности измерений, ставят также большие требования перед точностью, с которой должен быть известны длины волн нормалей.

Спектральные нормали делятся в настоящее время на нормали 1-го, 2-го и 3-го порядка. Нормалью первого порядка является красная кадмиева линия, длина волны которой сравнена интерферометрически с длиной нормального метра. Это сравнение впервые осуществлено Майкельсоном в 1885 г., а затем повторено с улучшенной аппаратурой Бенуа, Фабри и Перо в 1907 году По данным этих авторов на длине в 1 метров укладывается 1 553 164,13 волн красной кадмиевой линии при условии, что опыт производится в сухом воздухе при 15° и нормальном давлении. Отсюда длина волны красной кадмиевой линии равна: 6 438,4696 I А, где АI— интернациональный ангстрем, равный 10^-10 м. Поскольку в дальнейшем красная кадмиева линия была принята за первичную спектральную нормаль, не подлежащую изменению, интернациональный ангстрем является новой самостоятельной единицей длины, близкой к 1СГ¹⁰ м. Кроме красной линии с нормальным метром были еще сравнены зеленая и синяя линии кадмия, длины волн которых в IА получились равными: λ₂=5 085,823, Я_а=4 799,914. В настоящее время вопрос о первичных нормалях снова поставлен на очередь. В различных странах, в том числе в СССР в Государственном оптическом институте и в Германии в Physi-kalisch-Technische Reichsanstalt, ведутся подготовительные работы по новому сравнению длин световых волн с нормальным метром. При этом вместо линий кадмия предполагается использовать линии других элементов (криптона) как более удовлетворяющие современным требованиям, предъявляемым к спектральным нормалям. Нормалями второго порядка служит значительное число линий в спектре железа, а для красной части спектра нек-рые линии неона. Длина волн всех этих линий интерферометрически сравнена с длиной волны красной кадмиевой линии. Нормалями третьего порядка могут служить многие линии железа и линии нек-рых других элементов (гелия, ртути и т. д.), длины волн которых сравнены несколькими авторами с длинами волн нормалей второго порядка на снимках, полученных с помощью больших диффракционных решеток. В далекой ультрафиолетовой части, где работа с интерфе рометром невозможна, нормали (некоторые линии гелия, угля, азота) установлены по углу диффракции с помощью вогнутых диффракци-онных решеток. Поскольку эти нормали не сравнены с нормалями ’ первого или второго порядка они представляют собой самостоятельную систему.

Фотографирование спектров в видимой и ультрафиолетовой части спектра производится на обычных пластинках, к которым однако наряду с высокой чувствительностью предъявляется требование· иметь мелкое зерно. Обычная пластинка чувствительна ко всем лучам, начиная с сине-зеленых (длина волны около 4 900 А) и кончая ультрафиолетовыми с длиной волны около 1 800 А. Для фотографирования желто-зеленой и красной частей спектра пластинки должен быть очувствлены специальными сенсибилизаторами. Такими сенсибилизаторами служат овые растворы различных красок; пластинка погружается в раствор краски на несколько минут, а затем просушивается обычным способом. Действие красок в значительной мере усиливается прибавлением небольшого количества аммиака. Из красок, делающих пластинку чувствительной к зелено-желтрй части спектра, могут быть названы эритрозин и пи-нафловол, а к красной — ортохром, пинахром и дицианин. Пинацианол сообщает пластинке довольно равномерную чувствительность в области всего видимого спектра. Пластинки, сенсибилизированные дицианином, позволяют фотографировать не, только красные ₀лучи, но и инфракрасные, примерно до 9 000 А. Пластинки со специальными эмульсиями (впервые такая эмульсия сварена Абнеем в 1880 г.) чувствительны к инфракрасным лучам с длиной волны до 10 000 А и больше. Для фотографирования йнфракрасных лучей применяется также метод «девуалирования», основанный на свойстве инфракрасных лучей уничтожать на пластинке потемнение, предварительно вызванное лучами с меньшей длиной волны. Для работы в далекой ультрафиолетовой части спектра (λ < 1 800 А) обычные пластинки непригодны из-за чрезвычайно сильного поглощения лучей желатиной. В конце 19 в Шуманом были изготовлены фотографии, пластинки, чувствительный слой которых вовсе не содержит желатины. Такие пластинки, носящие название шуманов-ских чувствительны для всех ультрафиолетовых лучей вплоть до мягких рентгеновых и в настоящее время употребляются при всех исследованиях в далекой ультрафиолетовой области. Кроме того для работы в далекой ультрафиолетовой области приходится считаться с поглощением лучей воздухом; фотографирование лучей с длиной волны меньше 1 800 А возможно лишь с помощью вакуум-спектрографов. Для лучей с длиной волны меньше 1 000 А все исследованные твердые вещества перестают быть прозрачными, т. ч. единственный пригодный для этих лучей тип спектрографа—это спектрограф с вогнутой диффракционной решеткой, не требующей фокусирующих линз. Источник света при этом непосредственно присоединяется к корпусу спектрографа. Таким путем в настоящее время исследованы лучи с длиной волн в несколько десятков А, непосредственно примыкающие к мягким рентгеновым лучам. В далекой инфракрасной части спектра работа ведется с помощью приборов, регистрирующих инфракрасные лучи по их тепловому действию. В 1881 г. Ланглей ввел для наблю-

Т. Э. m. XXI.

дения инфракрасных лучей б о л о м е т р—прибор, основанный на изменении электрич. сопротивления тонкой металлической проволоки при нагревании. Вводя проволоку в схему моста Витстона, Ланглей мог регистрировать изменение t° на 0,000001°. Еще более чувствительными являются термопары. Термопара подвешивается в вакууме между полюсами магнита на тонкой кварцевой нити; отклонение наблюдается по методу зеркала и шкалы. Кроме болометров и термопар для регистрации инфракрасных лучей употребляются также радиометры и приборы, основанные на свойстве полосок, состоящих из слоев с различными коэфициентами расширения, изгибаться при нагревании.

Измерение интенсивностей представляет собою по существу задачу фотометрическую и разрешается одним из способов, употребляемых в фотометрии. Измерение абсолютныхинтенсив-ностей сводится к измерению энергии данного луча "по его тепловому действию. Относительные интенсивности определяются по степени почернения, вызванного на фотография, пластинке; при этом, в виду того что не существует простой пропорциональности между степенью почернения и интенсивностью, на пластинку наносятся «марки почернения» с помощью ступенчатого светофильтра. Этот метод, разработанный Доргело и Орнштейном, пригоден для определения относительных интенсивностей близких спектральных линий. В тех случаях, когда длины волн линий значительно отличаются друг от друга, следует принимать во внимание сильную зависимость чувствительности пластинок от цвета лучей. Эта зависимость м. б. выяснена, если воспользоваться спектром абсолютно черного тела, в котором распределение интенсивности по длинам волн дается формулой Планка.

Лит.: Хвольсон О., Курс физики, т. 2, Берлин, 1923; Бел о‘п о л ь с к и и А., Астроспектроскопия, т. 12, П., 1921; Kayser Н., Handbuch d. Spektro-skopie, В. 1—6, Lpz., 1902—1912; J о о s Гт. u. Angerer E., Spektroscopiscbe Apparate, Handbuch d. Expe-rimentalphysik, hrsg. v. W. Wien u. F. Harms, В. 21, Lpz., 1927; В а 1 у E., Spektroskopy, v. 1—3, London, 1924—27. С. Фриш.