Покоренная плазма

Проба? Нет! Точный анализ!

…Геологи вернулись из экспедиции. Привезли с собой много деревянных ящичков. В них — образцы пород, с которыми встретились неутомимые разведчики недр. Какие богатства заключены в этих образцах, геологи знают, но знают примерно, не точно. Только лабораторный анализ может дать ответ, сколько и какие именно элементы притаились в этих невзрачных на вид камнях, глине, песке.

Когда химики, поколдовав вдоволь над пробирками, ретортами, весами, определят составы исследуемых пород, работу законченной считать нельзя. Без ответа остался вопрос: нет ли в образцах других элементов, которых не заметили химики?

— Подвергнуть спектральному анализу! — следует распоряжение, и после его выполнения последний неясный вопрос получает ответ.

…Металлурги выполнили важный и сложный заказ. В небольшой электрической печи они приготовили металл, совершенно лишенный примесей. Он нужен для изготовления полупроводниковых элементов.

Как проверить, что цель достигнута и металл получился таким, какой нужен заводу-заказчику? Произвести химический анализ? Да. Но этого недостаточно.

— Подвергнуть спектральному анализу! — принимается решение, и металл отправляется дальше по трудной дороге испытаний.

…На электроламповом заводе изготовили лампу-чудесницу. Расчеты показывают, что эта лампа — новый шаг в светотехнике. Но так ли это в действительности? Решать этот вопрос на глаз — дело ненадежное. Выход только один: провести исследование спектра! Если и этот барьер лампа преодолеет успешно, дорога в жизнь ей обеспечена.

Подобных примеров, которые подтверждали бы могущество спектрального анализа, можно привести немало. Сейчас помощь плазменных спектров увеличилась еще больше. И дело с ними имеют не только ученые-физики, но и инженеры, техники, лаборанты на сотнях самых различных предприятий.

Посмотрим, как спектральный анализ помог ответить на эти неясные вопросы.

Чтобы вещество, в том числе образец горной породы, подало свой световой «голос», его нужно превратить в плазму. Как это сделать? Можно, например, поместить несколько крупинок этого вещества в жаркое пламя электрической дуги. И эффект получится такой же, как некогда у Бунзена с Кирхгофом, помещавших исследуемые вещества в пламя газовой горелки. Лучи плазмы, пройдя через сложную систему линз и призм, начертят на матовом экране «фотопортрет» — спектр. Опытный глаз исследователя различит на этом «портрете» цветные линии и полосы, которые принадлежат газу, где протекает разряд, а также линии электродов, между которыми зажжена дуга. Исследователь обнаружит и ту «добавку», которую создало изучаемое вещество. Именно эта «добавка» и представляет интерес.

Если изучается материал, являющийся хорошим проводником, то можно поступить проще: сделать из него электроды и зажечь между ними дуговой разряд. Молекулы раскаленного электрода обязательно попадут в плазму и дадут свои линии в спектре. И если в металле-электроде есть хотя бы ничтожная доля посторонних примесей, они тотчас просигналят о своем присутствии.

Там, где отступают самые точные методы химического анализа, спектроскоп выходит победителем. Он обнаруживает примеси веществ даже тогда, когда их ничтожно мало — миллиардные доли грамма!

А теперь поприсутствуем на спектральных испытаниях ламп и светящихся трубок.

В любой современной лаборатории есть немало приборов, которые занимаются расшифровкой световых лучей. Вот, например, прибор, названный составным словом: «спектрофотометр». Он позволяет не только рассмотреть, какие лучи испускает плазма, но и измерить, с какой силой светит каждый из них.

На рисунке показан внешний вид этого прибора: по сути дела в спектрофотометре совмещены два спектроскопа. Один из них создает цветные линии от испытуемой газосветной трубки или лампы, другой — от эталона — стандартного источника света, с которым сравнивается наш источник света. Лучи попадают в прибор слева — через две щели в пластинке «а», прикрывающей вход в спектрофотометр. Наблюдают спектр через окуляр «в».

В лаборатории есть целый набор стандартных ламп. Их называют спектральными. Когда их подключают к электрической сети, то заключенные внутри них газы или пары металлов начинают светиться. Чаще всего наполнителями служат инертные газы или хорошо очищенные металлы — натрий, цинк, ртуть, кадмий и др.

Лучи света от спектральной лампы и от исследуемого источника идут через одни и те же стекла — линзы и стекла — призмы. Но эти стекла так устроены и так размещены внутри прибора, что световые сигналы не смешиваются: в окуляр спектрофотометра видны два спектра, расположенных один над другим.

Хорошему специалисту достаточно взглянуть в окуляр спектрофотометра, чтобы сразу оценить достоинства и недостатки испытуемой трубки. А это — прямой путь к доводке и совершенствованию источника света.

Приборы спектрального анализа помогли ученым и конструкторам ответить на тысячи «как» и «почему». Благодаря этим приборам удалось узнать, из чего состоят солнце, звезды, туманности. Они позволили разобраться в кажущемся хаосе микромира плазмы. Температура плазмы разных видов разряда, число заряженных и незаряженных частиц, число возбужденных атомов и молекул, излучающих свет, переход одних стадий разряда в другие — вот далеко не полный перечень вопросов и проблем, разрешенных с помощью спектрального анализа.

Спектры во времена Бунзена и Кирхгофа были только пробой веществ на их качественный состав. Усилия ученых превратили их в наше время в незаменимое средство точного количественного анализа.