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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Analyse spectrale. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes Lorsqu'un rayon de soleil traverse un prisme, un spectre apparaît sur l'écran derrière lui. Depuis deux cents ans, nous nous sommes habitués à ce phénomène. Si vous ne regardez pas de près, il semble qu'il n'y ait pas de frontières nettes entre les différentes parties du spectre : le rouge se transforme continuellement en orange, l'orange en jaune, etc. Plus attentivement que d'autres en 1802, le médecin et chimiste anglais William Hyde Wollaston (1766-1828) examina le spectre. Wollaston a découvert plusieurs lignes sombres nettes qui, sans ordre visible, coupaient le spectre du Soleil à différents endroits. Le scientifique n'attachait pas beaucoup d'importance à ces lignes. Il pensait que leur apparition était causée soit par les caractéristiques du prisme, soit par les caractéristiques de la source lumineuse, soit par d'autres causes secondaires. Les raies elles-mêmes ne l'intéressaient que parce qu'elles séparaient les bandes colorées du spectre les unes des autres. Plus tard, ces lignes sombres furent appelées lignes de Fraunhofer, perpétuant le nom de leur véritable chercheur. Joseph Fraunhofer (1787-1826) à l'âge de 11 ans, après la mort de ses parents, part étudier chez un maître broyeur. En raison du travail, il restait peu de temps pour l'école. Jusqu'à l'âge de 14 ans, Joseph ne savait ni lire ni écrire. Mais il n'y avait pas de bonheur, mais le malheur a aidé. Un jour, la maison du propriétaire s'est effondrée. Lorsque Joseph a été retiré des décombres, le prince héritier est passé en voiture. Il eut pitié du jeune homme et lui remit une somme d'argent considérable. Le jeune homme avait assez d'argent pour s'acheter une rectifieuse et commencer à étudier. Fraunhofer, dans la ville provinciale de Benediktbeiren, a appris à meuler des verres optiques. Dans sa préface aux œuvres complètes de Fraunhofer, E. Lommel a résumé sa contribution à l'optique pratique de la manière suivante. "Grâce à l'introduction de ses méthodes, mécanismes et instruments de mesure nouveaux et améliorés pour la rotation et le polissage des lentilles ... il a réussi à obtenir des échantillons suffisamment grands de verre flint et de verre couronne sans veines. La méthode qu'il a trouvée pour déterminer avec précision la forme des lentilles, ce qui a complètement changé la direction du développement de l'optique pratique et a amené le télescope achromatique à une telle perfection, qui ne pouvait même pas être rêvée auparavant. Pour effectuer des mesures précises de la dispersion de la lumière dans les prismes, Fraunhofer a utilisé une bougie ou une lampe comme source lumineuse. Au même moment, il découvrit une raie jaune vif dans le spectre, maintenant connue sous le nom de raie jaune du sodium. Il a été rapidement établi que cette raie est toujours au même endroit dans le spectre, de sorte qu'il est très pratique de l'utiliser pour des mesures précises des indices de réfraction. Après cela, dit Fraunhofer dans son premier ouvrage de 1815 : "... J'ai décidé de savoir s'il était possible de voir une telle raie lumineuse dans le spectre solaire. Et avec l'aide d'un télescope, j'ai trouvé non pas une raie, mais un très grand nombre de raies verticales, nettes et faibles, qui, cependant, se sont révélées plus sombres que le reste du spectre, et certaines d'entre elles sont apparues presque complètement noires." Au total, il les y compta 574. Fraunhofer donna des noms et indiqua leur emplacement exact dans le spectre. On a constaté que la position des raies sombres était strictement inchangée ; en particulier, une double raie nette apparaissait toujours au même endroit dans la partie jaune du spectre. Fraunhofer l'a appelée la ligne O. Le scientifique a également découvert que dans le spectre de la flamme d'une lampe à alcool au même endroit que la ligne sombre O dans le spectre du Soleil, il y a toujours une double ligne jaune brillante. Ce n'est que plusieurs années plus tard que l'importance de cette découverte est devenue claire. Poursuivant ses études sur les raies sombres dans le spectre du Soleil, Fraunhofer réalisa l'essentiel : leur cause n'est pas dans une illusion d'optique, mais dans la nature même de la lumière solaire. À la suite d'autres observations, il a trouvé des lignes similaires dans le spectre de Vénus et de Sirius. Une découverte de Fraunhofer, comme il s'est avéré plus tard, s'est avérée particulièrement importante. Nous parlons de l'observation de la double ligne D. En 1814, lorsque le scientifique publia ses recherches, cette observation n'attira pas beaucoup l'attention. Cependant, 43 ans plus tard, William Swan (1828–1914) découvrit que la double ligne jaune O dans le spectre d'une flamme de lampe à alcool apparaît en présence de sodium métallique. Hélas, comme beaucoup avant lui, Swan n'a pas réalisé l'importance de ce fait. Il n'a jamais dit les mots décisifs : "Cette lignée appartient au métal sodium." En 1859, deux scientifiques ont eu cette idée simple et importante : Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) et Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899). Ils ont réalisé l’expérience suivante dans le laboratoire de l’Université de Heidelberg. Avant eux, soit seul le rayon du Soleil, soit seule la lumière d'une lampe à alcool passait à travers un prisme. Les scientifiques ont décidé de les ignorer en même temps. En conséquence, ils ont découvert un phénomène dont L.I. parle en détail dans son livre. Ponomarev : "Si seulement un rayon du Soleil tombait sur le prisme, alors sur l'échelle du spectroscope, ils voyaient le spectre du Soleil avec la ligne sombre O à sa place habituelle. La ligne sombre restait toujours en place même lorsque les chercheurs plaçaient un lampe à alcool allumée sur le trajet du rayon. Mais lorsqu'ils ont placé un écran sur le trajet du rayon du soleil et ont éclairé le prisme uniquement avec la lumière d'une lampe à alcool, alors à la place de la ligne sombre O, la ligne jaune vif O de sodium est clairement apparue. Kirchhoff et Bunsen ont retiré l'écran - la ligne O est redevenue sombre. Ensuite, ils ont remplacé le rayon du soleil par la lumière d'un corps chaud - le résultat était toujours le même : un rayon sombre apparaissait à la place d'une ligne jaune vif. C'est-à-dire que la flamme de la lampe à alcool absorbait toujours les rayons qu'elle émettait elle-même. Pour comprendre pourquoi cet événement a excité les deux professeurs, suivons leur raisonnement. La ligne O jaune vif dans le spectre de la flamme de la lampe à alcool apparaît en présence de sodium. Dans le spectre du Soleil, une raie sombre de nature inconnue se situe au même endroit. Le spectre du faisceau provenant de tout corps chaud est continu et ne contient aucune ligne sombre. Cependant, si vous faites passer un tel faisceau à travers la flamme d'une lampe à alcool, son spectre n'est alors pas différent de celui du Soleil - il contient également une ligne sombre et au même endroit. Mais on connaît déjà presque la nature de cette raie sombre ; en tout cas, on devine qu'elle appartient au sodium. Ainsi, selon les conditions d’observation, la raie O du sodium peut être soit jaune vif, soit foncée sur fond jaune. Mais dans les deux cas, la présence de cette ligne (peu importe - jaune ou foncée !) signifie qu'il y a du sodium dans la flamme de la lampe à alcool. Et comme une telle ligne dans le spectre de la flamme d'une lampe à alcool en lumière transmise coïncide avec la ligne sombre O dans le spectre du Soleil, cela signifie qu'il y a du sodium sur le Soleil. De plus, il est situé dans le nuage extérieur gazeux, qui est éclairé de l'intérieur par le noyau chaud du Soleil. Une courte note de deux pages, écrite par Kirchhoff en 1859, contenait quatre découvertes à la fois : - chaque élément possède son propre spectre de raies, c'est-à-dire un ensemble de raies strictement défini ; - de telles lignes peuvent être utilisées pour analyser la composition de substances non seulement sur Terre, mais également sur les étoiles; - Le soleil est constitué d'un noyau chaud et d'une atmosphère relativement froide de gaz chauds ; Le Soleil contient l'élément sodium. Les trois premières propositions furent bientôt confirmées, en particulier l'hypothèse sur la structure du Soleil. L'expédition de l'Académie française des sciences en 1868, dirigée par l'astronome Jansen, visita l'Inde. Elle a découvert que lors d'une éclipse solaire totale, au moment où son noyau chaud est recouvert par l'ombre de la Lune et que seule la couronne brille, toutes les lignes sombres du spectre du Soleil clignotent d'une lumière vive. Kirghof et Bunsen ont non seulement brillamment confirmé la deuxième position, mais l'ont également utilisée pour découvrir deux nouveaux éléments : le rubidium et le césium. C'est ainsi qu'est née l'analyse spectrale, à l'aide de laquelle il est désormais possible de connaître la composition chimique des galaxies lointaines, de mesurer la température et la vitesse de rotation des étoiles, et bien plus encore. Plus tard, la tension électrique a été le plus souvent utilisée pour amener les éléments dans un état excité. Sous l'influence de la tension, les éléments émettent une lumière caractérisée par certaines longueurs d'onde, c'est-à-dire ayant une certaine couleur. Cette lumière est divisée dans un appareil spectral (spectroscope) dont la partie principale est un prisme de verre ou de quartz. Dans ce cas, une bande est formée, composée de lignes séparées, chacune étant caractéristique d'un certain élément. Par exemple, on savait auparavant que le minéral kleveite, lorsqu'il est chauffé, libère un gaz semblable à l'azote. Ce gaz, examiné au spectroscope, s’est révélé être un nouveau gaz noble encore inconnu. Lorsqu'il était excité électriquement, il émettait des raies précédemment découvertes lors de l'analyse des rayons du Soleil à l'aide d'un spectroscope. Il s'agissait d'un cas particulier lorsqu'un élément précédemment découvert sur le Soleil a été découvert par Ramsay sur Terre. On lui a donné le nom d'hélium, du mot grec « helios » – le Soleil. On connaît aujourd'hui deux types de spectres : continu (ou thermique) et linéaire. Comme l'écrit Ponomarev, « le spectre thermique contient toutes les longueurs d'onde, il est émis lorsque les solides sont chauffés et ne dépend pas de leur nature. Un spectre de raies est constitué d'un ensemble de lignes individuelles nettes ; il apparaît lorsque les gaz et les vapeurs sont chauffés (lorsque les interactions entre les atomes sont faibles) et - ce qui est particulièrement important - cet ensemble de raies est unique pour chaque élément. De plus, les spectres linéaires des éléments ne dépendent pas du type de composés chimiques composés de ces éléments. Il faut donc en rechercher la cause dans les propriétés des atomes. Le fait que les éléments soient uniquement et complètement déterminés par le type de spectre de raies fut bientôt reconnu par tout le monde, mais le fait que le même spectre caractérise un atome individuel ne fut pas réalisé immédiatement, mais seulement en 1874, grâce aux travaux du célèbre astrophysicien anglais Norman Lockyer (1836-1920). Et quand ils l'ont réalisé, ils sont immédiatement arrivés à la conclusion inévitable : puisque le spectre de raies apparaît à l'intérieur d'un seul atome, alors l'atome doit avoir une structure, c'est-à-dire avoir des parties constituantes ! Auteur : Samin D.K.
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