По той бік кванта

ПРОМЕНІ

Залізо, як і будь-яка речовина, складається з атомів. Якщо один кінець залізного брухту сунути в піч, він, зрозуміло, почне нагріватися. З точки зору кінетичної теорії це означає, що атоми заліза почнуть рухатися швидше (це можна виявити, торкнувшись пальцями іншого кінця брухту). Отже, теплота є енергія рухомих атомів. Однак це далеко не все.

Нагріваючи лом, ми спостерігаємо вражаюче явище: з підвищенням температури в печі поступово змінюється колір нагрітого заліза: від вишнево-червоного до сліпуче білого. Причому до лому тепер можна не тільки доторкнутися, а й просто підійти близько. Останнє вже незрозуміло, якщо користуватися тільки уявленнями про рух атомів; дійсно, ми не торкалися брухту, атоми залоза не вдарялися об нашу руку - чому ж нам стало жарко?

Тут ми вперше стикаємося з становищем, про який попереджали в самому початку. Ми повинні ввести нове поняття, яке на перший погляд ніяк не пов'язана з ідеєю атома. Це поняття - випромінювання.

Ми говоримо: промені сонця освітили поляну. Значить, світло - це випромінювання. Але ми говоримо також: грітися в променях сонця. Отже, і тепло може поширюватися у вигляді променів. Взагалі з випромінюванням ми маємо справу постійно: коли сидимо біля багаття, дивимося на захід, обертаємо ручку настройки приймача або ж робимо рентгенівський знімок грудної клітини. Всі види випромінювань: тепло, світло, радіохвилі і рентгенових промені - різні прояви одного і того ж електромагнітного випромінювання. Однак ми все-таки розрізняємо види випромінювань не тільки якісно і суб'єктивно, але і строго кількісно. За якою ознакою? У електромагнітного випромінювання їх багато, але нам особливо важливий зараз один - його хвильова природа.

Ймовірно, в тисячі і одному підручнику властивості хвилі пояснені краще і докладніше, ніж ми це зробимо зараз. Однак ми все-таки нагадаємо їх по тій же самій причині, по якій навіть в солідні академічні словники іноземних слів поміщають цілком зрозумілі ужиткові слова.

«Хвиля» -одна з найнеобхідніших слів фізики.

Кожен представляє її собі по-різному: один відразу ж бачить хвилі від кинутого в ставок каменю, інший - синусоїду. Оскільки синусоїду малювати простіше - скористаємося нею. У цій схематичною хвилі чотири властивості: амплітуда А, довжина хвилі - λ, частота ν і швидкість поширення v.

Амплітуда хвилі - це найбільша її висота. Що таке довжина хвилі - зрозуміло з малюнка. А швидкість поширення, мабуть, особливих пояснень не потребує. Щоб з'ясувати, що таке частота, простежимо за рухом хвилі протягом однієї секунди.

За цей час вона пройде відстань v сантиметрів (тобто її швидкість дорівнює v см / сек). Підрахувавши, скільки довжин хвиль вмістилося на цьому відрізку, ми знайдемо частоту хвилі (або випромінювання): ν = v / λ.

Найважливіша властивість хвиль - їх здатність интерферировать. У чому його суть?

Допустите таку можливість: ви з силою кидаєте горох в стіну так, що він досить далеко від неї відскакує. Нехай вам вдалося кидати його рівномірно, скажімо, так, щоб на один квадратний сантиметр стіни в 1 сек. потрапляло 8 горошин. Тепер подумки в будь-якому місці між вами і стіною виберіть майданчик в 1 см2 і порахуйте число горошин, що пролітають через неї в обидві сторони. Ясно, що воно завжди буде дорівнює 16.

А що буде, якщо від стіни відіб'ється хвиля?

Розглянемо уважно малюнок на наступній сторінці: спочатку хвиля безперешкодно поширюється вправо (А); потім вона досягає стіни і відбивається (Б); але ми побачимо не дві окремі хвилі, а результат додавання обох хвиль: прямий і відображеної. Результат залежить від того, як хвиля стикнулася зі стіною (В). Іноді вона падає так невдало, що повністю сама себе гасить (Г, Д). Саме така здатність хвилі гасити саму себе називається інтерференцією. За цією ознакою хвилю завжди можна безпомилково відрізнити від потоку частинок.

Ще одна властивість хвилі, яке відрізняє її від частинок, - дифракція, або, кажучи просто, здатність хвилі загинати за кут, до чого частка явно не здатна. (Відзначимо тільки, що розміри перешкоди повинні бути порівнянні з довжиною хвилі. І ще: якщо перешкода невелика, то завдяки дифракції хвиля може розділитися на дві, обійти його з двох сторін і, складаючись знову, погасити себе точно так само, як при додаванні прямий і відбитої хвилі.)

Саме таким способом, виявивши інтерференцію і дифракцію у рентгенівського та інших видів випромінювання, встановили, що всі вони хвилі, тільки різної довжини. Довжина хвилі випромінювання і є той основна ознака, за яким ми розрізняємо види електромагнітного випромінювання кількісно.

Найбільша довжина у радіохвиль: від декількох кілометрів до декількох сантиметрів.

У теплових променів вона коротше - від 1 см до 10-2см.

Ще коротше хвилі видимого світла, приблизно 4 • 105 - 8 • 10-5 см.

Найкоротші хвилі у рентгенівського проміння - 10-7-10-9 см.

Всі ці види випромінювання поширюються з однієї і тієї ж швидкістю - зі швидкістю світла с = 3 • 1010 см / сек.

Звідси по формулі ν = c / λ дуже просто обчислити частоту кожного виду випромінювання. Очевидно, для рентгенівського проміння вона буде найбільшою, а для радіохвиль - найменшою.

Дуже важливо віддавати собі звіт в тому, що, звичайно, будь-яке випромінювання - це не синусоїда, зображена на малюнку, а фізичний процес, основні характеристики якого (наприклад, періодичність), на щастя, можна висловити мовою таких простих моделей.

У кожного виду випромінювання свої особливості. Зосередимося поки на тому його вигляді, який для нас найбільш важливий і звичний, - на сонячному випромінюванні. А оскільки воно підпорядковується тим же законам, що і будь-який вид випромінювання, то в подальшому це допоможе нам зрозуміти закони теплового випромінювання, яке виявилося настільки важливим в історії квантової механіки.

Коли ви грієтеся на сонці, ви, напевно, ніколи не замислювалися над тим, з яких хвиль складаються його промені. Іноді, правда, ви питаєте себе, чому в горах бувають сонячні опіки і чому не можна засмагнути вече-. ром. Ісаак Ньютон (1643-1727) жив в Англії, де сонця не так вже й багато, але все-таки він задумався над тим, З Чого складається сонячне світло. Слідом за празьким професором медицини Маркусом Марци він поставив досвід, знайомий тепер кожному школяреві. Пропустивши j промінь сонця крізь призму, він виявив за нею на стіні веселку - спектр сонячного променя.

Кожному кольору веселки-спектра відповідає своя хвиля сонячного випромінювання: найдовша у червоного кольору - 7 • 10-5 см; у зеленого - 5 • 10-5; у фіолетового - 4 • 10-5. Крім видимих ​​променів, в сонячному спектрі є, звичайно, і інші, зокрема інфрачервоні промені (їх довжини хвиль ще більше, ніж у червоних) і ультрафіолетові (їх хвилі коротше фіолетових). Отже, частота ультрафіолетових променів найбільша, а інфрачервоних - найменша.

Відносна яскравість різних кольорів в спектрі випромінювання неоднакова і залежить від температури випромінюючого тіла: наприклад, в сонячному випромінюванні найбільше жовтих променів. Таким чином, спектр будь-якого випромінювання показує, по-перше, які промені в ньому є і, по-друге, скільки їх там.

Проходячи через атмосферу Землі, сонячний промінь змінює свій спектральний склад, тому що різні промені сонячного спектра поглинаються атмосферою неоднаково, зокрема найсильніше ультрафіолетові промені. На горі шар повітря менше, частка ультрафіолетових променів більше, і тому обгоріти там можна швидше, ніж в долині.

І хоча сам по собі цей факт добре відомий, ми все-таки нагадали цю важливу для подальшого деталь: причина сонячних опіків - ультрафіолетові промені, саме вони, а не зелені або червоні. Але щоб обпалити, потрібно, в усякому разі, затратити якусь енергію. Отже, найбільшу енергію несуть з собою хвилі максимальної частоти - ультрафіолетові, а не інфрачервоні (хоча саме вони і називаються тепловими). Це дуже важливий результат.

Отже, будь-яке тіло складається з атомів, які ми поки уявляємо собі як кульки діаметром 10-8 см і різної ваги: ​​від 10-24 до 20-22 м Вони дуже швидко рухаються, коливаються і стикаються між собою, причому швидкість їх руху збільшується з ростом температури тіла. Це тепловий рух атомів призводить до абсолютно нового явища: до теплового випромінювання, властивості якого нам поки невідомі.

Щоб дізнатися їх, повернемося до залізного лому, який гріється в печі. Чим гаряче піч, тим більше тепла випромінює лом. Звичайно, цей факт знали завжди, але тільки Джозеф Стефан (1835-1893) в 1879 році емпірично і Людвіг Едуард Больцман (1844-1906) в 1884 році теоретично встановили кількісний закон. Виявилося, що з підвищенням температури загальна кількість випромінюваного тепла зростає дуже швидко - як четвертий ступінь абсолютної температури тіла.

А що, якщо в піч замість брухту покласти кругляк, як робилося раніше в російських лазнях? Чи буде його енергія випромінювання відрізнятися від випромінювання залізного брухту? У 1859 році Густав Роберт Кірхгоф довів, що не буде, якщо температура печі в обох випадках однакова. Він довів навіть щось більше, але щоб зрозуміти це щось, потрібно перервати розповідь і більш пильно подивитися на потік випромінювання, який виходить від нагрітого тіла.

Так само, як і сонячне світло, цей потік неоднорідний. Будь-яке теплове випромінювання, по-перше, складається з променів різної довжини хвилі, і, по-друге, їх внесок в загальний потік випромінювання різний. Якщо обидві ці характеристики ми знаємо, то можемо стверджувати, що нам відомий спектральний склад випромінювання.

Щоб підкреслити той факт, що частка випромінювання з частотою ν в загальному потоці випромінювання залежить від температури Т, зазвичай пишуть таку формулу: U = U (ν, Т).

Звичайно, якщо ми будемо міняти температуру тіла, то спектральний склад його теплового випромінювання також буде змінюватися. Кількісні закони цієї зміни встановив в 1893 році Вільгельм Він (1864-1928).

Але навіть при одній і тій же температурі різні тіла випромінюють по-різному. У цьому неважко переконатися, якщо нагрівати в темряві одночасно, наприклад, сталевий і кам'яний кулі. Незабаром з'ясували, однак, що якщо замість суцільних куль нагрівати порожнисті, а випромінювання спостерігати через невеликий отвір в їх стінках, то спектральний склад цього випромінювання вже не залежить від речовини кулі. Такий спектр назвали спектром абсолютно чорного тіла.

Походження цього трохи незвичайного назви легко зрозуміти. Уявіть собі, що ви не нагріваєте куля, а, навпаки, висвітлюєте його зовні. Ви завжди побачите перед собою чорний отвір незалежно від матеріалу кулі. Тому що всі промені, що потрапили всередину порожнини, багаторазово там відображаються і майже не виходять назовні.

Реально існуючий приклад такого абсолютно чорного тіла - звичайна або, ще краще, мартенівська піч. До речі, якщо ви дивилися коли-небудь всередину мартенівської печі, то, ймовірно, звернули увагу на цікаве явище: з її отвори ллється рівне світло, який не дозволяє розглянути деталі предметів, розташованих усередині печі. Наші знання про випромінювання дозволяють нам тепер зрозуміти і цей факт.

Два рівних за величиною кулі, кам'яний і сталевий, на сонце дуже просто розрізнити - занадто неоднаково вони блищать: сталева куля відображає набагато більше променів, ніж кам'яний. Якщо тепер ці кулі нагріти в темряві, то неважко перевірити, що кам'яну кулю випромінює більше, ніж сталевий. (До речі, це одна з причин, чому в лазнях вигідніше розжарювати булижники, а не сталеві болванки.)

Якщо ці кулі кинути в мартенівську піч, туди, де вони не тільки нагріваються і випромінюють самі, але також поглинають і відображають випромінювання інших тіл, то ми побачимо (зрозуміло, якщо поглянемо в піч раніше, ніж кулі розплавляться) два абсолютно однакових кулі. Чому? Та тому, що якщо кам'яну кулю більше випромінює «своїх» променів, то він більше і поглинає «чужих», а сталевий менше випромінює «своїх» променів, але зате більше відображає «чужих». Тому загальний потік променів ( «своїх» і «чужих») від обох "куль однаковий, і тому їх не можна відрізнити не тільки один від одного, але навіть і від стінок печі, в якій вони лежать.

Саме цей суворий закон був встановлений Кирхгофом в 1759 році: ставлення випромінювальної здатності тіл до їх поглинальної здатності є універсальна функція: U = U (ν, Т), незалежна від природи тел. У спектральної функції U = U (ν, Т) (її називають і так) укладена майже вся інформація про властивості теплового випромінювання. Зокрема, колір нагрітого тіла визначають ті хвилі, яких випромінюється найбільше.

Важливість функції U = U (ν, Т) зрозуміли відразу ж за часів Кирхгофа, але протягом 40 років не вдавалося знайти для неї формулу, яка б правильно описувала все експерименти по тепловому випромінюванню. Однак ці спроби ніколи не припинялися: мабуть, пошуки абсолютного завжди привабливі для людського розуму.

У нашій розповіді ми підійшли до порогу перевороту, який здійснив у фізиці Макс Планк (1858-1947). Але перш ніж пояснити його суть, ще раз зазначимо одну особливість теплового випромінювання, про яку ми одного разу згадували: зміна кольору тел при нагріванні.

Поки температура тіла невисока, воно випромінює, але не світиться, тобто воно випускає тільки теплові і інфрачервоні хвилі, невидимі для ока. При підвищенні температури тіло починає світитися: спочатку червоним кольором, потім помаранчевим, жовтим і т. Д. Наприклад, при 6 тисячах градусів Цельсія найбільше випромінюється жовтих променів. До речі, за цією ознакою встановили, що саме така температура поверхні Сонця.

Зверніть увагу: у випадку з сонячним опіком випромінювання віддавало тим більшу енергію, чим більше його частота. А в даному випадку? Чим більшу енергію ми витратили на нагрівання тіла, тим більше частота випромінюваних хвиль. Значить, існує якась залежність між частотою і енергією випромінювання.