Spektrali-analysistä.

Kirjallinen Kuukauslehti 5 / 1874

Esitelmä pidetty Sawo-Karjalaisen Osakunnan wuosijuhlassa 26.2.1874.

Newton näytti toteen, että wesikaaren ihanat wärit owat tawallisen, walkean päiwäwalon wälttämättömästi tarpeelliset osat, jotka yhdistettyinä tekewät juuri saman walkean walon. Hän näytti, että walkea  walosäde taittuessansa, prisman läpikulkiessa, aina jakautuu näihin osiinsa, jotta tällä tapaa  eroitettuina yhteensä tekewät walon spektrum'in. Yksinäistä walosädettä (jos muutoin ei koko nimitys "wälosäde" ole hyljättäwä) tosin ei woi saada muista eroitetuksi,  ja yksinäisen säteen taittumista ei siis käytännössä saa toimeen; waan jos pienestä reiästä laskemme waloa muutoin pimeään huoneesen ja reiän eteen panemme prisman, niin taittuwat walkean walon eriwäriset osat toisistansa erilleen, siten että punainen wäri taittuu wähin, sen perästä punerwan-keltainen eli orange-wäri ja sitten  järjestyksessä keltainen, wiheriä, waalean-sininen, tumman-sininen eli indigo- ja wiimeiseksisinerwänpunainen eli wioli-wäri. Näin syntyy reiästä erinomaisen kaunis seitsenwärinen kuwa - näin syntyy spektrumi.

Jos reiän siaan teemme hienon, prisman taittawan särmän kanssa yhdensuuntaisen raon, niin tulee spettrumi leweämmäksi, ja sen eri wärit näkywät selwemmin, etenkin jos samalla katselemme spektrumia kiikarin läpi.

Wollaston oli ensimäinen, joka spektrumia kiikarin awulla tarkasteli, ja hän huomasi kummastuksella, ett'ei se ollutkaan, niinkuin siihen asti oli luultu, yhdistetty yhdessä jaksossa olewista, wähitellen toisenwärisiksi muuttuwista osista, waan että se oli katkonainen, siten että walaistuiden wärillisten osien wälillä yli koko spektrumin löytyi hienoja, suoraan  poikittaisia tummia wiiwoja. 12 wuotta myöhemmin, wuonna 1814, tuli Fraunhoferin, Münchenin mainion walontutkian kautta ilmi, että nämä tummat wiiwat aina näkymät samalla paikalla spektrumissa ja että niitten luku on niin suuri, että niitä on waikea saada luetuiksi. Hän itse määräsi tarkoin lähes 600 semmoista wiiwaa; ja hänen nimestänsä on sittemmin kaikkia näitä tummia wiiwoja ruwettu nimittämään Fraunhoferin wiiwoiksi.

Selwimmästi nähtäwät wiiwat ja wiiwa-tukut merkitsi Fraunhofer kirjaimilla; tärkeimmät alkukirjaimilla, ja muutamat, werraten wähän epäselwemmät, wälikirjaimilla. - Alkukirjaimilla merkittyjen wiiwojen paikka spektrumissa on: A, B ja C punaisessa, D kaksoiswiiwa orangewärissä, E wiheriän-keltaisessa, F sinerwän-wiheriässä, G indigo-wärissä ja H wioli-wäriSsä.

Nämät wiiwat owat erittäin tärkeät, sillä ne woi aina helposti löytää, ja ne owat sen kautta olleet suurena apuna optillisten koneitten walmistamisessa, kun niiden kautta woi tarkoin ja erehdyksettä määrätä prismojen ja linssien taittowoiman, mainitsemattakaan niiden tärkeyttä spektrali-analysissä.

Tummien wiiwojen löytyminen päiwän walon spektrumissa näyttää, että päiwän eli auringon walossa puuttuu waloa, joka taittuisi näitten wiiwojen  kohdalle, eli kumminkin että sitä on wallan wähän (sillä tummat wiiwat woi saada wielä pimeämmiksi); waan aikoja kului, ennenkuin syy tähän puuttumiseen tuli selitetyksi.

Fraunhoferin wiiwoja on wiime wuosina wielä opittu tuntemaan noin pari tuhatta uutta, ja niitten paikka spektrumissa tarkoin määrätty, mutta wuoden 1814 perästä, Fraunhoferin keksinnön julkaistua, kului wielä wuosikymmeniä niin, että ani harwat luonnontutkiat työskenteliwät nykyisen spektrali-analysin alalle kuuluwien asioitten kanssa, ja ne, jotta asiaan ryhtyiwät, tutkiwat parhaasta päästä eri walolähteistä tulewien walojen spektrumeja.

Fraunhofer itse huomasi, että kuun ja iltatähden walosta puuttuu samat wärit kuin auringon walosta, kun sitä wastoin monen kiintotähden walospektrumissa löytyy aiwan harwoja päiwän spektrumin tummista wiiwoista. Ja tutkiessansa niitä tulia, joita tawallisesti käytetään walon tähden, huomasi hän, että näitten spektrumissa päiwäwalon D-wiiwaa wastasi kirkkaammin kuin muu spektrumi walaistu orange-wärinen  (tulipunainen) kaksoiswiiwa. Brewster, Herschel ja Talbot tutkiwat eriwäristen tulien spektrumeja ja näkiwät niissä omituisia kirkkaita wiiwoja, jotka samojen aineitten palaessa aina ilmautuiwat samoilla paikoilla spektrumissa. Muutamien aineitten walaistuille wiiwoille löytyi auringon-walon spektrumissa wastaawia tummia wiiwoja, toisien ei. Natriumin ainoa selwä walowiiwa wastaa Fraunhoferin tumma D-wiiwaa. - Wollaston sai selwille, että sähkösäkenen spektrumissa ilmautui eriwärisiä walaistuja wiiwoja aina sen mukaan, mistä aineesta sähkölankain päät oliwat, ja että wiiwat oliwat samat kuin ne, jotka samojen aineitten läsnä-olo jossakin tulessa saattoi näkywiin tulen spektrumissa. Jos sähkösäkene hyppäsi yhdestä metallista toiseen, niin tuliwat molempien metallien wiiwat näkywiin. Jos lankojen päät oliwat puhdistamattomasta hiilestä, niin tuli koko spektrumi walaistuksi ja natriumin orange-wärinen katsoiswiiwa kiilteli wielä kirkkaampana, mutta hiilten puhdistuttua katosi kirkas wiiwa, ja sähkötulen spektrumi muuttui selwäksi, yhdessä jaksossa olewaksi spektrumitsi, jossa ei ollut, ei kirkkaita eikä tummia wiiwoja. - Drummondin kalkkiwalo antaa samanlaisen spektrumin.

*) Ei kuitenkaan niin, ett ei tässäkin löytyisipoikkeuksia.Näin tehtiin yksi hawainto toisensa perään. Ja kun sitte hawainnot kerättiin ja werrattiin toisiinsa, niin woitiin wiimeinkin päättää, että kaikki kiinteät ja juoksewat, tulelta hohtawat aineet (kalkki Drummondin kalkkiwalossa ja tuliset hiilen hiwenet elektrillisessä walossa) antawat yhdessä jaksossa olewan (kontinuentin) spektrumin, waan että kaasut ja aineet, jotka tulessa muuttuwat huuruksi (metallit elektrillisessä tulessa y. m.), tässä huurunmuodossa  hohtaessansa antawat wallan toisenlaisia spektrumeja; spektrumeja, joissa ei ole muuta kuin yksityisiä, kirkkaasti walaistuja wiiwoja ja niitten wälit tummat eli paremmin aiwan pimeät. Kaikkien kiinteitten aineitten spektrumit owat yhtäläiset, jos kuumuus on yhtäläinen, mutta kaasunmuotoisten aineitten spektrumeissa owat kiiltäwät wiiwat omituiset jokaiselle eri aineelle ja muuttumatta samat*), jos aine tulistuu tawallisessa walokaasu-tulessa, tai wetykaasu-tulessa, tahi missä walkeassa hywänsä, taikka jos sähtöwoima on aineen kuumentanut. Jos kerran tuntee, mitkä wiiwat joku aine saattaa walaistuiksi, niin woi päinwastoin päättää, että missä jonkun aineen wäriwiiwat (spektrali-wiiwat) tulewat näkywiin, siinä löytyy myös sitä ainetta kaasunmuotoisena hohtamassa. - Spektrumin awulla woi täten kussakin aineessa kohta löytääne alkuaineet, joista se on yhdistetty, jos waan saa aineen huurunmuotoiseksi ja semmoisena tarpeeksi kuumentaa sen; mutta kiinteässä muodossa tulistunutta ainetta ei woi, spektrali-analysin nykyisellä kannallansa ollessa, tällä tawoin tutkia.

Spektrumien tarkkaa tutkimista warten on keksitty eri koneita, spektroskopeja, joita on monta laatua, waan joissa kaikissa kuitenkin löytyy: 1. Sisästä pimeä putki, jonka tutkittawaan waloon päin käännetyssä päässä on hieno rako; 2. Kollimator'iksi nimitetty linssi, joka tekee raosta tulleet walosäteet yhdensuuntaisiksi; 3. Yksi tahi useampi prisma, joka taittaa säteet ja hajoittaa wärit spektrumiksi, ja 4. Kiikari, jonka läpi spektrumia katsellaan. Paraimmat spektroskopit owat niin herkät, että 1/500000000000  [] natriumia jo saattaa natriumin punerwankeltaisen walowiiwan näkywiin, ja että niitten awulla on huomattu moni, ennen warsin harwinaisena pidetty aine aiwan yleiseksi, waikka niin wähissä osissa löytywäksi, ettei tawallisen kemiallisen analysin awulla woi sitä keksiäkään. Juuri tämä herkkätuntoisuus tekee spektrali-analysin niin tärkäksi tutkintotawaksi, että se muutamissa wuosissa on tullut yleiseksi ympäri koko siwistyneen maailman. Ja paljon oppineita löytyy nyt, joitten erityis-aineena spektrali-analysi on.

Heidelbergin prowessorit Kirchhoff ja Bunsen omat epäilemättä tällä alalla olleet uutterimpia ja onnellisimpia, ja edellinen onkin Fraunhoferin linjain syntysanojen löytämällä tullut astronomillisen spektrali-analysin, jos ei juuri isäksi, niin kumminkin isintimäksi. Kun nämä miehet tutkiwat eri mineralien spektrumeja, huomasiwat kummastuksella, että muutamat mineraalit saattoiwat näkywiin outoja wäriwiiwoja, jotka eiwät sopineet yhteen minkään tunnetun aineen wiiwojen kanssa. Selwimmät niistä oliwat kirkkaasti punainen wiiwa ja heleänsininen kaksoiswiiwa, ne ilmautuiwat aina muitten, myöskin tuntemattomien wiiwojen seurassa ja näkyiwät wälistä yht'aitaa, wälistä erillänsä. Sekös antoi miehille arwelemista, waan kohtapäättiwät kuitenkin wiiwojen ilmautumisen syynä olewan kaksi ennen tuntematonta alku-ainetta. Siinä oliwat wallan oikeassa; ja pitkällisen työn perästä onnistuikin Bunsenille saada aineet kemiallisesti erotteluiksi sekä muista aineista että toisistansa. Tämä tietysti suuresti ilahutti tutkioita ja kummastutti maailmaa. Woittojuhlaa wietettiin ja wasta löydetyt metallit kastettiin toinen Rubidiumiksi, toinen Caesium'iksi. - Samalla tapaa löysi Crookes w. 1861 Thallium'in ja Reich ja Richter w. 1862 Indium'in.

Spektrali-tutkinnoita tehdessä oli ranskalainen Foucault huomannut, että jos puhdistamattomien hiilikärkien wälillä kulkewan elektrillisen säkenekaaren läpi antaa päiwän walon tulla spektroskopiin, niin katoo waloisa natriumwiiwa, joka selwästi näkyy säkenekaaren spektrumissa, ja auringon spektrumin D-wiiwa, joka on aiwan samalla paikalla kuin natriumwiiwa, tulee monta wertaa tummemmaksi kuin tawallisessa päiwän walon spektrumissa. - Walo sammuttaa walon. Kirkkaasti walaistu natriumwliwa tekee lopun siitä wähästä D-wiiwan kohdalle taittuwasta walosta, mikä wielä löytyy tulen läpi kulkewassa päiwän walossa. -  Se on kummallista, waan ei kummallisempaa, kuin että weden pinta pysyy tasasena, jos kaksi yhtä suurta lainetta sattuu yhteen niin, että toisen selkä tulee toisen lainewälin kohdalle. Toinen ilmiö nimitetään laineitten, toinen walowärähdyksien interferensiksi, waikka tämmöistä walon katoomista myöskin, nykyisten teoriain mukaan wäärin, on nimitetty absorbtioniksi.

Melkeen samanlaisen hawainnon, kuin Foucault, teki myös Ångström Upsalassa; ja Kirchhoff huomasi, etts Drummondin kalkkiwalon spektrumissa walaistu natriumwiiwa selwästi näkyi, kunnes kaikki natrium, huuruna poismennen, katosi kallista, jolloin spektrumi muuttui kontinuentiksi; mutta jos  sen perästä tuleen pistettiin natriumpalanen, niin ilmautui natriumwiiwan sialle tumma, päiwän spektrumin D-wiiwaa wastaawa wiiwa. Tuleen tullut natrium muuttui kuumuudessa huuru-kerrokseksi ympäri kalkin, ja tämä kaasunmuotoinen natrium-kerros sammutti kontinuentin spektrumin antawasta kalkkiwalosta natrium- eli D-wiiwan kohdalle taittuwat säteet.

Näitten ja muitten samanlaisten koetusten nojassa päätti nyt Kirchhoff näin: "emissioni- ja absorbtioni-woimien suhde on samanlaisille walosäteille kaikissa aineissa samalla kuumettumisen kannalla yhtä suuri", ja näytti tämän tärkeän luonnon lain toteen sekä matematilllsella laskulla että useoilla uusilla  koetuksilla. — Selwä seuraus siitä on, että kaasu tai huuru heikentää eli sammuttaa sen läpi kulkewasta walosta juuri niitä säteitä, joita se itse säteilee ja jotka siis walaistuina wiiwoina näkywät sen spektrumissa.

Jos nyt juohdutamme mieleemme, että kaikki aineet kiinteässä (ja juoksewassa) muodossa antawat yhdessä jaksossa olewan spektrumin ja kaikki huurunmuotoiset spektrumin, jossa waan on yksi eli useampia walaistuja wiiwoja, ja ajattelemme, että jonkun kiinteä-aineksen kirkkaasti loistawan sydämen ympärillä on kaasu-kerros, niin seuraa selwästi mainitusta laista, että kaasukerros sammuttaa tai heikontaa kirkkaan sydämen kontinuentistä spektrumista ne säteet, jotta wastaawat kaasukerroksessa löytywien kaasujen ja huurujen kirkkaita wiiwoja, ja nämä wiiwat näkywät sentähden spektrumissa tummina tai wallan pimeinä.

Fraunhoferin wiiwat owat tummia wiiwoja ja muutoin yhdessä jaksossa olemassa spektrumissa. Mitä on siis luonnollisempi päättää, kuin se, että ne omat absorbtionin kautta syntyneet kiinteä- eli juoksewa-aineisesta sydämestä lähteneen auringon walon kulkiessa kaasukerroksen läpi, ja että siinä kaasukerroksessa löytyy ne aineet, joitten kirkkaat spektraliwiiwat wastaawat Fraunhoferin wiiwoja?

Useat Fraunhoferin wiiwoista tulewat selwemmäksi, kuta alemmaksi aurinko laskeutuu eli toisin, kuta pitemmältä sen walo tulee kulkemaan maamme ilmakerroksen läpi. Niistä siis woi päättää, että ne owat joko kokonansa syntyneet eli kumminkin tulleet tummemmiksi auringon walon kulkiessa maan atmosferin läpi, ja ne wastaawatkin meidän ilmassamme löytywien kaasujen ja huurujen spektraliwiiwoja; waan suurin osa Fraunhoferin wiiwoista ei waihtele samalla tapaa, ja niitten syntymistä siis ei woi selittää muulla tapaa, kuin että auringon kiinteä-aineisen sydämen ympärillä täytyy olla kaasukerros, jossa löytyy niitä aineita, joitten kirkkaat spektrali-wiiwat wastaawat maamme atmosferissä muuttumattomia Fraunhoferin wiiwoja; sillä awaruudessa auringon ja maan wälillä ei woi olla ilmakerroksia, jotka, maan kiertäessä auringon ympäri, aina samalla lailla waikuttaisiwat spektrumiin.

Fraunhoferin wiiwoista löytyy wastaawia wiiwoja warsinkin wetykaasun, natriumin, magnesiumin, calciumin, strontiumin, bariumin, zinkin, cadmiumin, titanin, chromin, raudan, koboltin, nickelin, wasken ja kullan spektraliwiiwoille, josta siis woi päättää näitten aineitten löytywän auringon ympärillä olewassa ilmakerroksessa; sillä että tämä wiiwojen wastaawaisuus ei ole mikään waan satunnainen, sen woinee jo arwata siitä, että raudan lähes 500:lle spektraliwiiwalle jot'ainoalle löytyy wastaawa Fraunhoferin wiiwa. Waan tästä el woi päinwastoin päättää, etteiwät ne alkuaineet, joitten walowiiwollle ei löydy wastaawia Fraunhoferin wiiwoja, löytyisi auringossa; sillä kuka tietää, mitä ainetta auringon loistawa sydän on, tahi mitkä, meille wlelä tuntemattomat seikat woiwat waikuttaa muutoksia yhden tai toisen aineen spektrumissa? Tulewat tutkinnot woiwat ehkä näistä asioista antaa tarkempia tietoja. Mutta ei spektrali-analysin hawainnot wielä tähän lopu. Spektroskopin awulla näytti Janssen, eräs ranskalainen tiedemies, että auringon protuberansit (auringon pinnasta silloin tällöin ulospistäwät kiiltäwät osat) owat suunnattomia metytaasu-paljouksia, jotta syökseytywät ulos auringon sydämestä usein toista kymmentä tuhatta peninkulmaa yli sen pinnan. Protuberansien wetykaasu-luonnon huomasi hän siitä, ettei niitten spektrumissa ole muuta kuin yksityisiä wetykaasun wiiwoja wastaawia kirkkaita wiiwoja.

Wirwatulet, lentotähdet, rewontulet, pyrstötähdet, taiwaansapet, zodiakaliwalot ja muut taiwaanraanat, kaikki owat spektroskopilla tutkitut, ja kaikista on kymmenessä muodessa saatu runsaampia, tarkempia ja ehkä usein tärkeämpiäkin tietoja kuin sitä ennen satojen wuosten kuluessa.

Fraunhoferin wiiwain siirtymisestä määrättyyn suuntaan on woitu päättää muutamien kiintotähtien liikkuman suurella nopeudella.

Spektrali-analysi on näyttänyt, ett'ei kuun ympärillä ole ilmakerrosta, sillä kuusta reflekteeratun auringon walon spektrumiin ei ole tullut mitään lisäwiiwoja. - Useampien kiertotähtien eli planeettien ympärillä on ilmakerros, joka waikuttaa melkeen samanlaisia muutoksia auringon spektrumissa kuin maammekin  atmosferi. - Kiintotähtien ilmakerroksissa on useimmissa natriumia, magnesiumia, calclumia ja rautaa. Happokaasua, maamme miltei tärkeintä ainetta, ei ole woitu näyttää warmasti löytywän. Muutamissa löytyy wetykaasua, toisissa taas ei, ja siis ei myöskään löydy wettä. Arwattawasti on näitten ympärillä kiertäwien kiertotähtien luonne alku-aineitten suhteen melkeen samanlainen, niin että niissäkin wesi puuttuu. - "Kamaloita maailmoita", arwelee Huggins, "joissa ei ole wettä. Ainoastaan Danten kuwitus woi ajatella semmoisissakin maailmoissa eläwiä olennolta löytywän."

Nebulosoista, jotka owat pieniä, epäselwästi näkywiä, pilwen muotoisilta näyttäwiä esineitä tähtitaiwaalla, owat muutamat kokonansa kaasunmuotoiset, sillä niitten spektrumi on kirkaswiiwainen. Ne owat siis sumuja, jotta ehkä miljoonittain miljoonien wuosien kuluessa wetäytywät yhteen warsinaisiksi tähdiksi. Toisissa on jo siellä täällä kiinteä-aineisia sydämiä. Ne owat tähtiä ja tähtikuntia lapsuuden iässä. Wielä toiset näyttäwät olewan täydellisesti muodostuneita aurinko- eli oikeammin kiintotähti-kuntia, joissa ehkä jokainen tähti on yhtä suuri tai suurempi kuin aurinkomme, waikka niin kaukana, ettei tarkimmallakaan teleskopilla selwästi eroita eri tähtiä.

Tosi on, että nämä tiedot jo tuhansia ja miljoonia wuosia owat kauniitten walosäwelien kannattamina tulleet meille terwehdyksinä kaukaisista maailmoista, waan ennenkuin Kirchhoff kielen selitti, pidettiin näitä terwehdyksiä saman-arwoisina kuin kaukana olewan ystäwän wilkutus, jonka woi selittää oman mielensä mukaan. Mutta että tämä walon kieli, jonka aakkoset wasta meidän wuosisatamme kuluessa owat wähitellen tulleet osittain tunnetuiksi ja jonka lauserakennuksesta ensimäinen sääntö wasta 14 wuotta sitten tuli ilmi, nyt jo olisi täydesti ymmärretty, sitä on mahdoton waaliakaan, waan kumminkin jo se, mitä siitä tähän asti on opittu tuntemaan, näyttää selwään, että tämän kielen tutkiminen on paljon järjellisempää työtä, kuin että wiikkomääriä wäitellään siitä, miten Turkkilaisten nimi on latinan kielellä lausuttawa, ja warma on, ett'ei muutamien wuosisatojen kuluttua Fraunhoferin ja Kirchhoff'in hawaintoja pidetä ainoastaan pilkkaa ansaitsewina asioina.

J. R.