В 1868 г. было солнечное затмение. Наилучшие условия для наблюдения солнечной короны были, по вычислениям астрономов, в Индии. Именно туда поехал французский астроном Жюль Жансен. Кроме обычных оптических приборов, он решил использовать для наблюдений и спектроскоп, изобретенный еще в 1859 г. С помощью спектроскопа Жансен исследовал протуберанцы — оранжево-красные языки пламени, вырывающиеся с поверхности Солнца. В них он обнаружил неизвестный на Земле элемент — «солнечное вещество». Одновременно с Жансеном тот же элемент открыл в солнечной короне и англичанин Норман Локьер.
Новый элемент был открыт на расстоянии 150 млн. км от наблюдателей! Назвали его гелием (от греческого слова «гелиос» — солнце). Лишь спустя 27 лет этот элемент был найден и на Земле. Его получил из минерала клевеита английский химик Уильям Рамзай.
Поставим перед щелью А коллиматора газовую горелку. Введем на платиновой проволочке в ее почти бесцветное пламя поваренную соль — соединение натрия с хлором (NaCl). В окуляре спектроскопа мы увидим две очень близкие друг к другу желтые линии — два изображения щели А. Эти же линии и точно на том же месте появятся, если в пламя вводить другие соединения натрия. Такое совпадение доказывает, что эти линии принадлежат именно натрию.
Поставим перед щелью разрядную ртутную лампу. В поле зрения окуляра появится множество разноцветных линий, из них две особенно яркие: зеленая (=0,546 мк) и желтая (=0,577 мк). Эти линии принадлежат ртути. Внесем в пламя горелки соль калия, пламя окрасится в фиолетовый цвет, а в спектроскопе мы увидим красную и фиолетовую линии. Светящиеся пары каждого химического элемента излучают только ему одному присущий свет, который состоит из набора монохроматических излучений. Такое монохроматическое излучение мы в дальнейшем будем называть спектральной линией. Итак, светящиеся пары каждого элемента излучают серию вполне определенных спектральных линий — линейчатый спектр.
Спектральные линии всех элементов собраны в таблицы, где указаны длины всех волн соответствующих им серий. Если в пламя горелки внести неизвестное химическое соединение, то по спектральным линиям, появившимся в поле зрения спектроскопа, мы, пользуясь таблицами, безошибочно определим химический состав этого соединения. Такой способ анализа веществ оказался очень быстрым и, главное, весьма чувствительным. Одной десятимиллиардной грамма соли калия достаточно, чтобы обнаружить его среди других элементов.
С помощью спектроскопа немецкие ученые Кирхгоф и Бунзен обнаружили в минерале карналлите красную и синюю спектральные линии. Их нельзя было приписать ни одному из изученных к тому времени элементов. Исследователи предположили, что имеют дело с какими-то еще неизвестными элементами. И действительно, Бунзену удалось выделить из карналлита новые элементы: рубидий (красная линия) и цезий (голубая линия).
Каждое тело, даже светящееся, в той или иной мере поглощает свет. Наибольшей способностью поглощения обладают тела, окрашенные в черный цвет. Почти полностью поглощает свет сажа. От поверхности, покрытой сажей, отражается только сотая доля света, упавшего на нее.
Тело, которое поглощает целиком все падающие на него лучи, называется абсолютно черным телом. Скажем сразу: в природе таких тел не бывает. Однако можно создать прибор, излучательные свойства которого очень близко подходят к абсолютно черному телу. Этот прибор представляет собой полость с отверстием. Попав в отверстие а, луч света многократно отражается от черных стенок полости и практически полностью поглотится. Отверстие а и есть абсолютно черное тело.
Но если черное тело, в том числе и абсолютно черное, не отражает падающие на него лучи, это совсем не значит, что оно вообще не излучает никаких лучей. Происходит как раз обратное: единица поверхности абсолютно черного тела излучает энергии больше, чем такая же единица поверхности любого другого тела, нагретого до такой же температуры.
Чтобы понять, как излучают энергию раскаленные тела, нужно знать, как ее излучает абсолютно черное тело.
В конце XIX века считалось твердо установленным, что нагретое твердое тело излучает непрерывные световые волны, теоретические расчеты показывали: в этом случае излучательная способность нагретого твердого тела в ультрафиолетовой части его спектра должна была бы беспредельно возрастать. Это резко противоречило опыту. Не могла классическая физика объяснить, например, и такой простой факт: почему остывающая печь не светится желтым светом? К концу прошлого века ученые стали в тупик перед явлениями, связанными с изучением нагретых твердых тел. Такое положение было образно названо «ультрафиолетовой катастрофой».
Опытную зависимость от длины волн и температуры удалось объяснить в 1900 г. немецкому физику Максу Планку. Для этого ему пришлось допустить, что свет излучается не как непрерывная волна, а отдельными порциями, которые он назвал квантами. Энергия кванта равна h, где h — постоянная Планка, величина, равная 6,62•10-27 эрг/сек, a — частота излучения. Ни одно тело не может передать другому телу энергию меньше кванта.
Гипотеза Планка положила начало квантовой механике, которая стала основой современной теоретической физики. Кстати, только очень сложная квантовая теория Планка объяснила, как излучает нагретая печь.
Линейчатый спектр состоит из серий полосок разного цвета. Физики тщательно зарегистрировали все эти серии, составили из них каталоги и, взглянув на спектр, легко находят, какому элементу он принадлежит. Но очень долго ученые не могли найти закономерности, по которым эти серии построены.
Поставим, например, перед щелью спектрографа колбу, наполненную водородом, заставим этот газ светиться. Сделать это не так уж трудно. В колбу впаяны металлические электроды, и достаточно подвести к ним электрическое напряжение, как водород засветится голубоватым цветом. Если в плоскости В-В установить при этом фотопластинку, а потом проявить ее, обнаружится ряд линий линейчатого спектра: Н, Н , Н, , H ... Волны, соответствующие этим линиям, имеют длину 0,656; 0,486; 0,434 и 0,410 мк.
Ученые искали: существует ли зависимость между этими величинами? Существует ли зависимость в системе линий линейчатого спектра любого другого химического элемента?
Швейцарский учитель Бальмер был убежден, что во всем в природе царит порядок и гармония. Поэтому он считал, что спектральные линии не могут располагаться хаотично. После долголетних поисков он в 1885 г. эмпирически нашел связь между спектральными линиями. Он вывел формулу для линий водорода.