Йоганн Вільгельм Ріттер – відкриття ультрафіолетового випромінювання

Йоганн Вільгельм Ріттер народився 16 грудня 1776 р. у Самітці в Сілезії (тепер Чойнів, Польща) і помер 23 січня 1810 р. у Мюнхені[1]. Він походив із родини аптекаря й у чотирнадцять років став учнем фармацевта, що сприяло формуванню інтересу до хімії[2]. У 1796 р. завдяки спадщині він вступив до Єнського університету, де навчався медицини та займався експериментальною фізикою; саме там Ріттер познайомився з натуралістом Александром фон Гумбольдтом (1769–1859), який став його наставником і підтримував інтерес до електричних досліджень. У 1801 р. молодого вченого запросили до двору герцога Ернста II Гота-Альтенбурзького, а у 1804 р. він перейшов до Баварської академії наук у Мюнхені[1]. Зовнішні ознаки успіху приховували нестабільне матеріальне становище — Ріттер тяжко працював без чіткої посади, експериментував на власному тілі, а захоплення електрофізіологією спричинило загострення хронічних хвороб. Його колеги критикували надмірну схильність до філософських спекуляцій та окультних тем, через що багато відкриттів залишилися непоміченими.

Йоганн Вільгельм Ріттер . Автор: Klaus Günzel: Die deutschen Romantiker. Artemis, Zürich 1995, ISBN 3-7608-1119-1, Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12226222

Фон оптики: від Ньютона до Гершеля

Для розуміння значення відкриття Ріттера потрібно згадати розвиток оптики. У 1671 р. Ісаак Ньютон (1643–1727), експериментуючи з призмами, довів, що біле світло складається з пучка кольорів; він пропускав вузький пучок світла через призму й спостерігав, як промені різних кольорів заломлюються по‑різному, формуючи спектр. Ньютон довів, що кольори є складовими білого світла й не виникають під час заломлення, що стало фундаментом для спектроскопії.

Ілюстрація експерименту Ньютона з розкладання світла

Наприкінці XVIII ст. явище електричної активності біологічних тканин активно обговорювали. Італійський лікар Луїджі Гальвані (1737–1798) продемонстрував скорочення жаб’ячих лапок у контакті з металами й припустив існування "тваринної електрики". Його співвітчизник Алессандро Вольта (1745–1827) не погоджувався із цією гіпотезою і стверджував, що струм виникає при контакті різнорідних металів; він створив вольтів стовп — першу хімічну батарею. Ріттер поєднав ці підходи і стверджував, що електричний струм у схемах із жаб’ячими м’язами зумовлений хімічними реакціями між металом і електролітом, ставши одним із засновників електрохімії[9].

 Італійський лікар Луїджі Гальвані (1737–1798) продемонстрував скорочення жаб’ячих лапок у контакті з металами й припустив існування "тваринної електрики"

У березні 1800 р. британський астроном Вільям Гершель (1738–1822), вимірюючи температуру в різних частинах сонячного спектра, виявив підвищення температури за червоним краєм і назвав ці промені "тепловими"; це була перша демонстрація інфрачервоного випромінювання. Саме відкриття Гершеля спонукало Ріттера провести симетричний експеримент з іншого боку спектра, керуючись переконанням, що природі притаманні полярні відповідності.

Ріттер та експеримент із хлоридом срібла

Узимку 1801 р. Йоганн Ріттер виконав серію експериментів, які стали основою для відкриття ультрафіолетового випромінювання. 22 лютого він записав у щоденнику: "horn silver [сірчанокисле срібло] у кольоровому спектрі…" — мова йшла про експеримент із роговим сріблом (хлоридом срібла)[9]. Ріттер створив спектр, пропускаючи сонячне світло через скляну призму. На аркуш паперу, покритий тонким шаром хлориду срібла, він направив кольорову смугу. Хлорид срібла відомий тим, що на світлі швидко розкладається й чорніє. Дослідник зауважив, що потемніння слабке в червоній області, але посилюється до фіолетового краю. Щоб перевірити, чи є промені за межами видимого, він помістив шар хлориду за фіолетовим краєм, у зону, де світла не було видно. Речовина сильно почорніла, що довело існування невидимого випромінювання, яке викликає хімічну реакцію. Ріттер назвав його "хімічними променями" (De‑Oxidierende Strahlen), а пізніше прижився термін ультрафіолетове випромінювання[4]. У листі до журналу Annalen der Physik він повідомив про відкриття, довівши, що спектр сонця містить промені "поза фіолетовим".

Технічний аспект експерименту

Ріттер використав просте обладнання: призму, папір з хлоридом срібла та сонячне світло. Хлорид срібла (AgCl) розкладається під дією світла, утворюючи металеве срібло, яке надає темний колір. Він спостерігав, що швидкість розкладу залежить від довжини хвилі: сині та фіолетові промені викликали розкладання швидше, ніж червоні, що було узгоджено з практикою фотографії (блакитне світло "чутливіше")[4]. Помістивши реактив за межу видимого спектра, учений фактично «розширив» спектр за допомогою реакції речовини. Таким чином, ультрафіолетове випромінювання було відкрито хімічним методом, на відміну від теплового експерименту Гершеля.

Ілюстрація схеми експерименту Ріттера

Внесок у електрохімію й суміжні науки

Відкриття ультрафіолету — лише одна з численних робіт Ріттера. У 1799 р. він провів електроліз води, а 1800 р. удосконалив експерименти Ентоні Карлайла й Вільяма Ніколсона, розташувавши електроди так, щоб окремо зібрати водень і кисень[7]. Цей спосіб поклав початок електроосадженню металів: Ріттер спостерігав, що на катоді осідає метал, а кількість осадженого металу залежить від відстані між електродами[8]. Його відкриття випередили роботи італійця Луїджі Бруґнателлі, який лише у 1805 р. застосував електроліз для гальванічного золочення. 

У 1802 р. Ріттер розпочав досліди з новим видом батарей. Він складав "сухий стовп" із пластин міді та картону, просоченого розсолом, який працював як джерело постійного струму протягом шести днів, тоді як вольтів стовп діяв лише кілька хвилин. Учений також створив акумулятор, який можна було заряджати і розряджати; це фактично перша вторинна електрична батарея, попередниця сучасних акумуляторів. Важливо, що Ріттер не встиг опублікувати результати досліджень; він писав, що двомісячна робота вимагала б від нього "двох років письма", а отже інші вчені пізніше повторно відкривали ці явища[8].

Ще одним напрямом його роботи було вивчення термоелектричного ефекту. Ріттер помітив, що при нагріванні з'єднання двох різнорідних металів виникає електрична напруга, — явище, яке через двадцять років детально описав Томас Йоганн Зеебек; відтак Ріттер випередив відкриття термоелектрики[7]. 

Ріттер також експериментував з електричним подразненням м’язів і органів чуття; він підключав власне тіло до високих напруг, щоб вивчати ефекти струму на зір чи дотик[7]. Ці самовіддані експерименти, поряд із бідністю і виснаженням, ймовірно, сприяли його ранній смерті у 33‑річному віці[9].

Фізичні властивості ультрафіолету

Ультрафіолетове (УФ) випромінювання — частина електромагнітного спектра з довжинами хвиль приблизно 10 – 400 нанометрів (нм), тобто коротшими за фіолетове світло. УФ‑випромінювання поділяють на кілька діапазонів:

• Близький ультрафіолет (NUV) охоплює 200–400 нм, найближчий до видимого спектра[6].

• Дальній (FUV) і екстремальний ультрафіолет (EUV) охоплюють 10–200 нм; ці хвилі мають високу енергію, поглинаються киснем і озоном у атмосфері, тому досліджуються за допомогою вакуумних систем або космічних апаратів[6].

• У біологічному контексті розрізняють УФ‑A (315–400 нм), УФ‑B (280–315 нм) і УФ‑C (100–280 нм). УФ‑A проходить через атмосферу практично без поглинання; УФ‑B частково затримується озоновим шаром, але саме цей діапазон викликає сонячні опіки; УФ‑C повністю поглинається озоном, тому не досягає поверхні Землі. УФ‑випромінювання, що доходить до земної поверхні, має довжини хвиль 290–400 нм[5].

Енергія кванта ультрафіолетового світла визначається формулою E = hν = hc/λ, де h — стала Планка (≈6,626×10⁻³⁴ Дж·с), ν — частота, c — швидкість світла, λ — довжина хвилі. Для УФ‑фотонів із λ ≈ 300 нм енергія становить E ≈ 4,14 еВ, що достатньо для розриву молекулярних зв’язків; саме тому УФ‑B та УФ‑C є біологічно активними й можуть спричиняти пошкодження ДНК[5]. 

Застосування ультрафіолетового випромінювання

У період після відкриття Ріттера застосування ультрафіолету було невідомим, але згодом виявилося, що УФ‑випромінювання має багато практичних застосувань:

• Медицина та дезінфекція. УФ‑C («геміцидні промені») ефективно знищує бактерії та віруси, тому його використовують для стерилізації медичного обладнання, повітря й води. Навіть короткочасне опромінення довжиною хвилі ~254 нм викликає розриви ДНК у мікроорганізмів, що зупиняє їх розмноження[4].

• Наука та астрономія. Оскільки земна атмосфера поглинає більшість УФ‑випромінювання, спостереження за УФ‑випроміненням виконують із супутників і космічних телескопів. Супутники, такі як NASA GALEX чи інструменти на борту Hubble, дозволяють досліджувати зоряні утворення, оскільки молоді гарячі зорі випромінюють більшу частину енергії в УФ-діапазоні[3]. 

  

  Супутник NASA GALEX. Зображення NASA

• Хімічні та фізичні дослідження. УФ‑спектроскопія використовується для вивчення електронних переходів у молекулах і кристалах. Проміння з короткими хвилями здатні збуджувати електрони та спричиняти фотохімічні реакції, що дозволяє досліджувати структуру речовини.

• Екологія й біологія. Рослини та тварини пристосувалися до УФ‑випромінювання; зокрема, УФ‑А стимулює синтез вітаміну D у шкірі людини, а деякі птахи та комахи використовують УФ‑зір для пошуку нектару або партнера. Одночасно надмірна доза УФ‑B викликає сонячні опіки, фотостаріння шкіри та мутації ДНК[5].

Науковий вплив і визнання

Відкриття Ріттера було сприйняте неоднозначно. Історики науки відзначають, що протягом першого десятиліття після досліду лише кілька німецьких фізиків приділили увагу його роботі; дискусії про природу тепла й світла були зосереджені на інших питаннях, а тому "хімічні промені" не стали предметом широкого експериментального дослідження[10]. Сам Ріттер мав репутацію нестандартного мислителя; його тяжіння до Naturphilosophie та окультних явищ призводило до скептицизму колег, а детальні описи експериментів він часто не публікував. Через це деякі його ідеї (електроліз, термоелектрика, акумулятори) були переосмислені й відкриті іншими вченими.

Попри недооцінення сучасниками, відкриття ультрафіолетового випромінювання стало важливим кроком у розвитку спектроскопії та електромагнітної теорії. Воно доповнило інфрачервоне випромінювання Гершеля й показало, що видиме світло є лише вузькою частиною спектра. Надалі роботи таких учених, як Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), які об’єднали електрику, магнетизм та світло, і Генріх Герц (1857–1894), який експериментально підтвердив електромагнітні хвилі, створили фундамент сучасної електродинаміки. Ультрафіолетове випромінювання стало об’єктом вивчення в хімії, астрономії та медицини.

Висновок

Йоганн Вільгельм Ріттер був яскравим представником раннього романтичного періоду в науці: у його дослідженнях поєднувалися експеримент, філософія, натурфілософські уявлення та особиста самопожертва. Відкриття ультрафіолетових "хімічних" променів у 1801 р. засвідчило, що за межами видимого спектра існують інші види електромагнітного випромінювання; разом з відкриттям інфрачервоних променів це розширило горизонт науки й підштовхнуло до створення теорії електромагнітних хвиль. Окрім цього, Ріттер зробив вагомий внесок у становлення електрохімії — від удосконалення електролізу до винаходу перших сухих та накопичувальних батарей і передбачення термоелектричних явищ[7]. Хоча сучасники не завжди цінували його роботу, нині ім’я Ріттера стоїть поряд з іменами інших піонерів фізики, які відкрили невидимі частини спектра та змінили уявлення про світ.

Список використаних джерел

1. Johann Wilhelm Ritter (1776–1810) // High Altitude Observatory, UCAR. URL: www2.hao.ucar.edu.

2. Molecular Expressions: Science, Optics & You – Timeline – Johann Wilhelm Ritter // National High Magnetic Field Laboratory. URL: micro.magnet.fsu.edu.

3. Ultraviolet Waves // NASA Science. URL: science.nasa.gov.

4. The Ritter Experiment // Cool Cosmos (Caltech). URL: coolcosmos.ipac.caltech.edu.

5. Ultraviolet Radiation: How It Affects Life on Earth // NASA Earth Observatory. URL: earthobservatory.nasa.gov.

6. Ultraviolet ( UV ) Radiation // UCAR Center for Science Education.  URL: scied.ucar.edu.

7. Electrochemistry Encyclopedia – Pillars of Modern Electrochemistry: A Brief History // Electrochemistry Knowledge Base.  URL: knowledge.electrochem.org.

8. Corrosion‑Doctors.org – Johann Wilhelm Ritter.  URL:  corrosion-doctors.org.

9. A real heaven of knowledge on earth // Lichtgedanken, University of Jena. URL: lichtgedanken.uni-jena.de. 

10. Reception and discovery: the nature of Johann Wilhelm Ritter’s invisible rays // Studies in History and Philosophy of Science (2009). URL: philpapers.org.