Йозеф фон Фраунгофер

Йозеф фон Фраунгофер (нем. Joseph von Fraunhofer; 6 марта 1787, Штраубинг — 7 июня 1826, Мюнхен) — немецкий физик, оптик и изобретатель, основоположник спектроскопии и научного приборостроения в оптике. Наиболее известен открытием тёмных линий поглощения в спектре Солнца (фраунгоферовы линии), а также созданием первых дифракционных решёток и высокоточных ахроматических линз.

Биография

Ранние годы и обучение

Йозеф Фраунгофер родился в семье стекольщика Франца Ксавера Фраунгофера и Марии Анны Фрёлих. В 11 лет остался сиротой и поступил учеником к мюнхенскому зеркальщику и шлифовальщику стекла Филиппу Антону Вейхсбергеру. В 1801 году мастерская обрушилась, и Фраунгофер оказался погребён под обломками; в ходе спасательной операции он был извлечён с тяжёлыми травмами. На его спасение обратил внимание курфюрст Баварии Максимилиан IV (впоследствии король Максимилиан I), который выделил юноше денежное пособие и обеспечил доступ к книгам по оптике и математике.

Работа в Оптическом институте

В 1806 году Фраунгофер поступил на службу в Оптический институт в Бенедиктбойерне (основан Георгом фон Райхенбахом и Йозефом фон Утцшнайдером). Там он занимался изготовлением линз, призм и зеркал. Благодаря внедрению математических методов расчёта и строгого контроля качества, Фраунгоферу удалось добиться невиданной для того времени чистоты и однородности оптического стекла. В 1809 году институт был переведён в Мюнхен, а в 1814 году Фраунгофер стал его совладельцем.

Научная деятельность

С 1814 года Фраунгофер систематически исследовал спектры различных источников света. Используя самодельный спектроскоп с призмой, он обнаружил, что спектр солнечного света пересечён множеством тёмных линий. В 1817 году он опубликовал работу, в которой описал 574 линии, обозначив наиболее интенсивные из них буквами от A до H (эти обозначения используются до сих пор). Фраунгофер также заметил, что в спектрах искусственных источников (пламя спиртовки, электрическая искра) линии отсутствуют или расположены иначе, что указывало на их связь с химическим составом излучающего тела.

В 1821 году Фраунгофер создал первую дифракционную решётку, нанеся тонкие параллельные штрихи на стеклянную пластину. С её помощью он измерил длины волн различных цветов и подтвердил волновую теорию света. В 1823 году он стал профессором Мюнхенского университета и членом Баварской академии наук.

Последние годы

В 1824 году Фраунгофер был удостоен дворянского титула (приставка «фон»). Однако интенсивная работа с токсичными веществами (свинец, мышьяк, сурьма) при изготовлении стекла подорвала его здоровье. Он скончался от туберкулёза в возрасте 39 лет. Похоронен на Старом южном кладбище Мюнхена.

Научные достижения

Фраунгоферовы линии

Фраунгоферовы линии — это тёмные полосы в спектре Солнца, возникающие из-за поглощения света атомами химических элементов в солнечной атмосфере. Фраунгофер впервые систематически каталогизировал их, установив, что некоторые линии совпадают с яркими линиями в спектрах земных элементов (например, натрия). Это открытие заложило основы спектрального анализа, который впоследствии развили Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф.

Дифракционная решётка

Фраунгофер изобрёл и изготовил первую дифракционную решётку, используя алмазный резец для нанесения штрихов на стекло. Он создал решётки с шагом до 0,0003 мм, что позволило измерять длины волн света с точностью до 0,1 нм. Это устройство стало ключевым инструментом спектроскопии.

Оптические приборы

Фраунгофер разработал технологию получения крупных однородных блоков оптического стекла (до 10 дюймов в диаметре) без пузырьков и свилей. Он создал ахроматические объективы для телескопов, свободные от хроматической аберрации. Среди его приборов:

• Гелиометр — инструмент для измерения угловых расстояний между небесными телами.
• Спектроскоп — устройство для разложения света в спектр.
• Телескоп-рефрактор с диаметром объектива 9 дюймов (23 см) — один из крупнейших для своего времени.

Технологии изготовления стекла

Рецептура и плавка

Фраунгофер разработал рецепты оптических стёкол с заданными показателями преломления и дисперсии. Он использовал смеси кварцевого песка, поташа, свинцового глёта и оксида бора. Плавка проводилась в глиняных тиглях при температуре до 1400 °C с последующим медленным охлаждением (отжигом) для снятия внутренних напряжений.

Контроль качества

Фраунгофер ввёл строгие методы проверки: измерение показателя преломления на гониометре, проверка на однородность с помощью интерференции, испытание на прочность. Бракованные заготовки переплавлялись, что снижало себестоимость и повышало выход годной продукции.

Влияние на науку и технику

Спектроскопия

Открытие фраунгоферовых линий стимулировало развитие спектроскопии как метода анализа химического состава звёзд и планет. В 1859 году Кирхгоф и Бунзен показали, что каждая линия соответствует определённому элементу, что позволило идентифицировать гелий на Солнце до его открытия на Земле.

Астрономия

Объективы Фраунгофера использовались в крупнейших телескопах XIX века, в том числе в Дорпатском рефракторе (1839) и в Пулковской обсерватории (1839). Они обеспечивали высокое разрешение и минимальные искажения, что позволило астрономам (например, Фридриху Вильгельму Бесселю) измерять параллаксы звёзд.

Промышленность

Технологии Фраунгофера легли в основу немецкого оптического производства, впоследствии развитого такими фирмами, как Carl Zeiss и Schott AG. Его методы расчёта линз и решёток используются в современной оптике и спектрометрии.

Память

Наименования

• Фраунгоферовы линии — стандартный термин в спектроскопии.
• Кратер Фраунгофер на Луне (диаметр 56 км).
• Астероид (11843) Фраунгофер.
• Институт Фраунгофера — крупнейшая в Европе сеть прикладных научных организаций (основана в 1949 году, включает 76 институтов).

Памятники

• Бюст в Мюнхене (установлен в 1868 году).
• Памятная доска на доме в Штраубинге.
• Монета номиналом 10 евро (2007 год) с портретом Фраунгофера.

В культуре

• Фраунгофер упоминается в романе «Солярис» Станислава Лема (как один из первооткрывателей спектральных линий).
• Его имя носит одна из улиц в Мюнхене (Fraunhoferstraße).

Критика и ограничения

Несмотря на огромный вклад, Фраунгофер не смог объяснить природу открытых им линий — он считал их результатом интерференции света в атмосфере Земли. Правильная интерпретация (поглощение в атмосфере Солнца) была дана лишь в 1859 году Кирхгофом. Также его дифракционные решётки имели низкую эффективность из-за несовершенства нанесения штрихов, что ограничивало их применение в слабых спектрах.

Источники

• Fraunhofer, Joseph von. «Bestimmung des Brechungs- und des Farbenzerstreuungs-Vermögens verschiedener Glasarten» (1817).
• Кирхгоф Г., Бунзен Р. «Химический анализ по спектральным наблюдениям» (1860).
• Джеймс Р. «История оптики: от древности до XIX века». — М.: Наука, 1985.
• Энциклопедия «Британника»: статья «Joseph von Fraunhofer».
• Баварская академия наук: биографические материалы.