Спектроскопия явилась для физиков своего рода «розеттским камнем», давшим ключ к пониманию строения атомов и молекул. Зародившись как загадка цветов спектра Солнца, она ушла корнями в тайну энергий и длин волн и, наконец, после трех стадий развития распустилась цветком квантовой механики. Теперь и физик-любитель может «заглянуть» внутрь атома. Путем простых опытов можно исследовать переходы в атоме, которыми обусловлен видимый спектр.
Например, можно изучать атомные спектры натрия и ртути, используя излучение лабораторных ламп или уличных светильников, которые бывают двух типов — натриевые и ртутные. Спектроскоп давно уже стал обычным (хотя и не самым дешевым) прибором в любой учебной лаборатории по общей физике или общей химии. Как правило, он состоит из трех основных частей. Щелевая диафрагма и линза формируют плоскую световую волну от источника. Затем призма или дифракционная решетка разлагает свет на составные цвета.
И наконец, с помощью небольшой зрительной трубы можно непосредственно наблюдать полученный спектр. Спектр можно сфотографировать, присоединив к зрительной трубе посредством переходного тубуса фотоаппарат. В последнее время спектроскописты-любители предложили новые идеи и усовершенствования. Л. Гринберг и Т. Бейлз из Университета провинции Саскачеван (Канада) описали свои опыты с дифракционной решеткой, которую они прикрепляли спереди к объективу фотоаппарата, моментально выдающего снимки.
Они использовали прозрачную дифракционную решетку реплику с 600 штрихами на миллиметре. Источником света служили лабораторные лампы, наполненные парами ртути, неоном, гелием и криптоном. Р. Боумэн из Кентского университета предложил исследовать при помощи такого простого спектрографа спектры испускания газов, которыми наполнены уличные светильники. Он же рекомендовал регистрировать спектры на черно-белой фотопленке, чтобы негатив фотографии можно было вставлять в обычный проектор.
Проектор дает на экране увеличенный спектр, и студенты могут измерять расстояние между спектральными линиями обычной линейкой. Р. Бреслоу из Университета шт. Коннектикут указал на интересную особенность натриевого уличного светильника. В желтой части спектра, там, где свечение лабораторной натриевой лампы ярче всего, имеется темная полоса. Такую полосу легко наблюдать невооруженным глазом через дифракционную решетку. Недавно Д. Катц из одного из колледжей Филадельфии прислал мне методики спектрального анализа различных источников света с применением фотоаппарата с 35-миллиметровой фотопленкой или видеокамеры (для демонстрации в больших аудиториях).
Он использует источники двух типов: обычную лабораторную газоразрядную лампу и устройство, которое он изготавливает сам из легкодоступных лабораторных материалов. Сжатый воздух продувается над раствором соли металла в воде в наклоненную колбу. В результате колба наполняется воздухом, в котором взвешены ионы металла. По шлангу, соединяющему боковой отросток колбы с горелкой Мекера, ионы вводятся в пламя горелки, где они возбуждаются при столкновениях с молекулами горячего газа. При потере возбуждения происходит испускание характеристического излучения.
Устройство для распыления («атомизации») раствора с ионами металла легко может изготовить любой, кто немного знаком со стеклодувным делом. Это две стеклянные трубки, одна в другой, внутренняя диаметром 6—8 мм, наружная — 12—14 мм. Вниз от двойной трубки отходит капилляр с диаметром канала 1 мм. Идея заключается в том, чтобы пропускать через двойную трубку сжатый воздух (из баллона или лабораторной линии сжатого воздуха). Тогда из-за сужения прохода воздушный поток будет засасывать воздух из капилляра. Если конец капилляра опустить в раствор соли металла, то с засасываемым воздухом в воздушный поток будут увлекаться ионы металла.
Катц советует начинать с внутренней трубки. На одном ее конце сделайте ровное расширение, а другой оттяните до малого диаметра. К наружной трубке приварите сбоку капилляр. Вставьте в нее внутреннюю трубку и приварите ее расширенный конец к концу наружной. Оттяните другой конец наружной трубки до малого диаметра. Сделайте так, чтобы ее кончик был немного шире и шел немного дальше кончика внутренней трубки. Из другой трубки сделайте патрубок для присоединения шланга к распылителю.
У патрубка должна быть «оливка», чтобы резиновый шланг для подвода сжатого воздуха плотно прилегал к нему. Отожгите стекло. Отрежьте запаянный нижний конец капилляра и отшлифуйте его, чтобы он был ровным. Колба должна быть объемом 500—1000 мл. Наденьте на ее боковой отросток резиновый шланг длиной примерно 15 см и диаметром 1 см. Прикрепите липкой лентой другой конец шланга к одному из отверстий для воздуха в горелке. Другие отверстия заклейте лентой, чтобы воздух поступал в горелку только по шлангу. Газ подается в нее, как обычно. Таким образом, в пламя горелки будет поступать воздух, содержащий ионы металла.