В продолжение почти двух тысяч лет ученые считали, что все цвета образуются смешением света с тьмой. В синем цвете, например, много тьмы, и она чуть-чуть разбавлена светом, в желтом, наоборот, много света, а тьмы мало.
По этой теории выходило, что основные цвета — белый и черный; остальные — их сочетания. Все в это верили. Но никому не удавалось это проверить — разложить какой-нибудь цвет на белый и черный, на тьму и свет.
Первым человеком, кто проверил — и вместе с тем опроверг — эту теорию, был великий математик и физик Исаак Ньютон.
В 1666 году, когда ему было двадцать четыре года, он занялся исследованием солнечного света.
Ньютон закрывал окно в комнате плотным ставнем, так что делалось совсем темно. Однако в ставне Ньютон просверлил маленькое отверстие, через которое проникал очень узкий пучок света и отпечатывался на белой стене маленьким круглым пятнышком — зайчиком.
Недалеко от окна Ньютон поставил стеклянную призму ребром вниз. Она пришлась как раз на пути солнечного луча. Прежде чем луч достигал стены, ему нужно было пройти сквозь призму.
Для чего же поставил Ньютон призму?
Мы уже знаем, что призма преломляет лучи света, заставляет их изменить свой первоначальный путь. Но, оказывается, у призмы есть еще и другое свойство: разные по цвету лучи она преломляет по-разному.
Если световой пучок однороден по цвету, то он таким же и выйдет из другой стороны призмы, только изменит свое направление. Но если в призму войдет пучок, состоящий из смеси лучей разных цветов — фиолетового, красного, зеленого, — то, выйдя из призмы, лучи пойдут уже не вместе, а каждый своей дорогой: фиолетовый свернет круто в сторону, красный отклонится от своего прежнего направления меньше всех, а зеленый пройдет между ними. Стекло рассортирует все эти лучи, которые прежде были смешаны вместе.
Для этого и закрыл Ньютон ставень своей комнаты, оставив в нем только маленькую щелочку: он решил процедить через призму белый солнечный свет, тот самый свет, который все считали основным и не разложимым ни на какие другие цвета.
И вот что он увидел.
Из призмы вышел целый сноп разноцветных лучей, и, вместо круглого белого солнечного зайчика, на стене оказалась радужная полоска — спектр.
Так Ньютон сделал большое открытие: доказал, что принятое всеми объяснение цветов не верно.
Белый цвет, который считался основным, на самом деле оказался смесью целых семи цветов.
Наш глаз не улавливает составных элементов белого света, воспринимает их слитно, подобно тому как немузыкальное ухо не различит в звучании оркестра отдельных инструментов — скрипки, виолончели, флейты и других, — ему покажется, что играет всего-навсего один мощный и очень звучный инструмент.
Солнце — это как бы огромной силы световой оркестр. Человеческий глаз не слишком тонко разбирается в его игре. Солнечный свет кажется глазу одноцветным, ослепительно белым. Стеклянная призма уличает глаз в ошибке.
Ньютон не пытался узнать, дает ли свет других раскаленных тел радугу — спектр, и если дает, то ту же ли, что солнце, или иную.
Этим вопросом двести лет спустя после опытов Ньютона занялся Роберт Бунзен, профессор химии в Гейдельберге.
Он изобрел лабораторную горелку, которая давала очень жаркое пламя. В ее огонь Бунзен погружал кусочки угля, соли и разных других веществ так, что они вспыхивали. Вспыхивали и давали пламя даже металлы.
Самым интересным было то, что пламя каждого вещества имело свой особый цвет.
Так, например, натрий всегда давал желтое пламя, калий — фиолетовое, литий — красное, медь — зеленое.
Бунзен уже решил, что он открыл новый, быстрый и простой способ анализа. Стоит только внести в огонь горелки исследуемое вещество и посмотреть, в какой цвет окрасится пламя. Если пламя станет фиолетового цвета, это значит — в веществе содержится калий; если пламя пожелтеет, — значит, в него попал натрий. Для того чтобы определить это обычным химическим анализом, нужно два или три дня работы, нужны всякие химические реактивы, перегонные кубы, трубки, пипетки, колбочки, очень точные весы. Исследуемое вещество нужно кипятить, кропотливо процеживать, прокаливать, много раз взвешивать.
А горелка даст тот же ответ в несколько секунд, — стоит лишь посмотреть на ее пламя.
Но это был слишком поспешный вывод: оказалось, что разные вещества, сгорая, дают очень часто пламя одного и того же цвета. Однажды Бунзен с огорчением записал в своем лабораторном журнале, что и соли лития и соли стронция дали пламя одинакового малиново-красного цвета. В желтый цвет окрашивали пламя и чистая соль натрия, и с примесью соли лития, и с примесью соли калия.
Может быть, пламя получалось каждый раз чуть иного оттенка, даже наверное так и было, но различие это, очевидно, настолько тонко, что человеческий глаз его совсем не может заметить.
Пробовал Бунзен посмотреть на пламя через цветное стекло, но и это не помогло. Бунзен уже решил, что газовой горелке не удастся заменить химический анализ.
К счастью, Бунзену на помощь пришел Густав Кирхгоф, профессор физики в том же Гейдельберге. Он хорошо знал свойство стеклянной призмы разлагать падающий на нее свет.
Может быть, подумал Кирхгоф, призма покажет, что пламя различных веществ дает отличающиеся друг от друга спектры.
Кирхгоф смастерил особый прибор — спектроскоп. В коробку из-под сигар он вставил призму так, что она могла вращаться на оси. В боковую стенку коробки он вставил короткую трубку с выпуклым стеклом на одном конце, а другой ее конец прикрыл кружочком черной бумаги с отверстием посередине.
Такой прибор Кирхгоф принес в лабораторию Бунзена.
Луч горелки поймали на призму спектроскопа. В пламя стали вносить кусочки стронция, лития, калия, меди.
И вот оказалось, что пламя каждого из этих веществ имеет свой особый, отличающийся от остальных спектр из нескольких отдельных полосок различных цветов.
Фиолетовое пламя калия дало три линии: две красных и одну фиолетовую.
Спектр натрия состоял только из одной желтой линии.
Спектроскоп сразу уловил различие между пламенем лития и стронция. Пламя у того и другого на вид одинаковое — малиново-красное. А спектры разные: у лития одна красная линия, очень яркая, и одна оранжевая, тусклая. А у стронция одна голубая линия, одна желтая, одна оранжевая и две красных.
Оказывается, почти каждое вещество — своеобразный световой оркестр. Некоторые состоят из двух, трех, а иные даже из семи и больше инструментов.
По спектру можно точно отличить одно вещество от другого. Как каждая радиостанция имеет свои «позывные» сигналы, так и каждое вещество, каждый его атом имеет свою, характерную для него радугу, свой «сигнал».
Так, благодаря маленькому кусочку стекла, отлитому в форме призмы, был создан спектральный анализ. Он оказался необычайно точным и чувствительным способом исследования. Никаким иным анализом невозможно уловить, например, примесь одной десятимиллионной части миллиграмма натрия. Но стоит только раскалить исследуемое вещество, и если в нем имеется натрий даже в такой ничтожной доле, в спектроскопе мы сразу увидим световой «сигнал» натрия — желтую полоску.
Однажды Бунзен нашел в скале вещество с небольшой примесью лития. На этой скале рос куст, и Бунзен подумал, что в листья куста должно было попасть немного лития, высосанного корнями из скалы вместе с питательными соками.
Несколько листочков Бунзен сжег в своей горелке, и спектроскоп сейчас же подтвердил, что литий в них действительно есть.
Тогда Бунзен дал охапку этих листьев корове. Корову подоили, и в ее молоке спектроскоп тоже обнаружил литий.
Кружку молока дали выпить хозяину коровы. Какие-то ничтожные следы лития должны были попасть в его кровь.
Бунзен был уверен: теперь-то лития уже не удастся найти, след его потерян.
Каково же было его удивление, когда в капле крови спектроскоп нашел опять хорошо знакомую, яркую красную линию и рядом с ней оранжевую — тусклую. Это был тот же литий…
Спектроскоп в наше время нужен и физику, и химику, и врачу, и инженеру.
Врачи не сжигают в пламени горелки кусочки исследуемого вещества, — вместо этого они его смешивают с водой в плоской ванночке. Если через такой раствор пропустить солнечный спектр, то в некоторых его местах появятся темные полоски. По виду и по расположению этих полосок можно судить, какое вещество взято.
Кровь здорового человека дает две темные полосы в желтой части солнечного спектра. Если же в кровь попал угарный газ, то эти полосы сдвинутся в сторону фиолетовой части; кроме того, одна из них немного сузится.
Если человек отравился не угарным газом, а, скажем, анилином, то его кровь покажет уже три темных полосы; из них самая широкая будет на зеленой части спектра.
Инженеру-металлургу спектроскоп помогает определять чистоту металлов и состав сплавов.
Но всего больше нужен спектроскоп астрономам.
Лет сто назад один французский философ утверждал, что человечество может достичь любых успехов, только одной вещи оно не узнает никогда: навеки останется неизвестным, из чего состоят солнце и звезды. Здесь граница, предел человеческих знаний, за который не переступить.
В те времена это действительно казалось совершенно невозможным: нельзя же от звезды отщипнуть кусочек и отправить его на анализ в лабораторию.
Но маленькая стеклянная призма опровергла все рассуждения философа. То, что казалось невозможным, осуществилось: по цветным полоскам, на которые распадаются лучи звезд, прошедшие через призму, мы узнали, из каких веществ состоят звезды.
Так стекло породило новую науку — небесную химию.
Разве это не удивительно, — некоторые вещества мы нашли сначала на солнце, которое отстоит от нас на расстоянии ста пятидесяти миллионов километров, а потом уже у себя, на земле!
В 1868 году француз Жансен и англичанин Локайер, изучая спектр солнечных протуберанцев, нашли в нем загадочную желтую линию. Это не был натрий: линия лежала близко, но не совсем в том месте спектра. Ни одно из веществ, известных химикам, не могло дать такой линии.
Локайер решил назвать это новое вещество гелием, что значит по-гречески «солнце».
Прошло двадцать семь лет, и это же самое вещество химики открыли на земле.
Это похоже на то, как если бы мы в музыке какой-то отдаленной радиостанции различили звук незнакомого нам инструмента и придумали для него особое название, а потом, через много лет, заметили вдруг, что такой точно инструмент стоит у нас же в комнате.