Глаз и солнце. (О свете, Солнце и зрении)
Шрифт:
Нам шлют видимые лучи звезды – удаленные солнца, туманности, иногда небосклон прорезывают блистающие молнии или загораются причудливые северные сияния. В летней листве ночью светятся светляки, а в лесу гнилушки. Молнии вместе с видимым светом излучают и невидимые электромагнитные волны; и в ясную погоду по радио слышны страстные потрескивания в приемнике, мешающие приему, – это электромагнитные атмосферные разряды. Наблюдая эти разряды, А. С. Попов и пришел к открытию радио. За последние годы с несомненностью выяснилось, что Солнце и звезды также излучают радиоволны. Во время Второй мировой войны радиоизлучение Солнца и других светил составляло иногда существенную помеху правильной работе радиолокации. В Земле идет медленный распад некоторых атомов, радиоактивный процесс, сопровождающийся, в частности, излучением световых гамма-лучей с очень короткими волнами.
Помимо этого
Рис. 8
Схема спектроскопа (чертеж Ньютона)
Но энергия всех этих светочей, в отдельности и вместе взятых, поистине ничтожна по сравнению с энергией свечения Солнца. Нужно вспомнить, что в конечном итоге, зажигая лампу, заставляя работать радиостанцию или трубку Рентгена, мы потребляем ничтожную часть солнечной энергии, накопленной в виде угля, нефти и дров растениями. Пользуясь энергией ветра, водопадов и водохранилищ, мы снова применяем энергию солнечного света, вызывающую ветер, подымающую воду. Поэтому ясно, что ни один искусственный источник не может конкурировать с Солнцем в смысле общей излучаемой энергии.
Причина, заставляющая человека пользоваться наряду с Солнцем собственными скромными искусственными источниками света не только ночью, но и днем, «сидеть днем с огнем», кроется в том, что во многих случаях важно не только количество световой энергии, но также ее основное качество, ее спектральный состав.
Мы знаем, что впервые Ньютон ввел это важнейшее понятие о спектральном составе света. Опыт Ньютона с призматическим разложением солнечного света стал прообразом всех разнообразных спектроскопов, применявшихся и применяемых в науке. На рисунке 8, сделанном по чертежу самого Ньютона, ясна идея простейшего ньютоновского спектроскопа. Свет падает на узкую щель, за ней помещается линза так, что щель находится почти в фокусе последней. Из линзы пучок света падает на призму, здесь – преломляется и попадает в зрительную трубу, установленную «на бесконечность». В окуляр трубы видно изображение щели спектроскопа в каждом из цветов, из которых состоит исследуемый сложный цвет. Если бы щель была очень широкой, изображения накладывались бы друг на друга, спектр был бы нечистым, цвета в нем были несколько смешанными.
Если перед щелью спектроскопа поставить керосиновую или электрическую лампу, мы увидим в зрительную трубу непрерывное чередование цветов, от красного до фиолетового. Вместо глаза можно поместить фотографическую пластинку, тогда за фиолетовым концом обнаружится короткое ультрафиолетовое продолжение. Но и глаз и пластинка не пригодны для суждения о распределении энергии в спектре; они имеют свои узкие области особенной чувствительности и почти не отвечают на соседние участки. Глаз особенно чувствителен к зеленой части спектра, обыкновенная пластинка – к синей и фиолетовой. Чтобы судить об энергии, лучше всего воспользоваться тепловым прибором, в котором поглощаются полностью любые лучи, превращаясь в тепло (термоэлемент). К несчастью, такие приборы, даже при самом тщательном выполнении, чрезвычайно мало чувствительны по сравнению с глазом или фотографической пластинкой. На рисунке 9 показано распределение энергии, измеренное таким способом для некоторых источников света. По горизонтальной оси отложены длины волн в микронах (напоминаем, что 0,4 µ соответствуют фиолетовому краю видимого спектра, а 0,7 µ – красному краю). По вертикальный оси нанесена энергия в относительных единицах, так что для каждого источника энергия при 0,59 µ приравнена условно к 100. Кривая 2 дает распределение энергии в видимой части солнечного
Рис. 9
Распределение энергии в спектре разных источников
Если накаливать различные твердые тела, например металлы, до одной и той же высокой температуры, то распределение энергии у них будет несколько разным. Различие вызывается неодинаковостью отражательной способности поверхности накаливаемого тела. Если поверхность сделать совершенно черной, т. е. поглощающей полностью все лучи и ничего не отражающей, то распределение энергии при одной и той же температуре будет одно и то же для любого тела.
В нагретом теле энергия движения молекул переходит в свет и, обратно, свет поглощается молекулами. Для каждой данной температуры устанавливается равновесие между поглощением и излучением света.
В главе о свете мы пришли к выводу, что излучение и поглощение света не может происходить иначе как целыми квантами h. Рассматривая равновесие между излучением и поглощением в теле с совершенно черной поверхностью и учитывая квантовый характер обоих процессов, можно довольно легко и вполне строго вывести закон распределения энергии света, испускаемого черным телом. Исторически решение задачи протекало как раз наоборот. В поисках правильного, соответствующего опыту, спектрального закона излучения черного тела М. Планк впервые убедился, что этот закон нельзя вывести иначе, как сделав предположение о квантовом характере излучения и поглощения света. На этом пути и произошло чреватое последствиями открытие квантовых законов природы.
На рисунке 10 изображен закон «черного излучения» для нескольких температур. По горизонтальной оси чертежа отложены длины световых волн в микронах (1 µ = 1000 mµ), по вертикальной – интенсивность, или энергия, в относительных единицах. Из рисунка видно, что по мере повышения температуры максимум спектральной кривой перемещается в сторону коротких волн. Это отвечает искони известному постепенному переходу накаливаемого металла от красного каления к белому. Теоретический закон распределения энергии в спектре черного тела подтверждается на опыте со всей доступной в наше время точностью. Частное следствие этого закона состоит в том, что произведение длины волны , соответствующей максимуму спектральной кривой, на абсолютную температуру (т. е. температуру Цельсия +273°) Т есть величина постоянная
maxT = K = 2897,18 микрон x град.
Зная величину mах (в микронах), можно на основании этой формулы по спектру определить температуру тела.
Мы обратились к спектральному распределению света в связи с вопросом о качестве солнечного света. Солнце, несомненно, есть накаленное тело, поэтому его спектр должен быть близок к спектрам, получаемым на Земле от наших ламп и свечей. В плохой спектроскоп с широкой щелью солнечный спектр действительно кажется непрерывным. При грубом измерении распределения энергии в этом спектре получается кривая, похожая на одну из кривых для черного излучения (рис. 10). По виду этой кривой, а также из положения ее максимума можно вычислить приближенно температуру солнечной поверхности, если только предположить, что Солнце похоже на накаленное тело с черной поверхностью. Вычисление дает около 6000°. Установление более точной цифры имеет мало смысла, так как разные области солнечного диска различаются по накалу.
Рис. 10
Распределение энергии в спектре излучения черного тела при разных температурах
По оси абсцисс – длина волны в микронах, по оси ординат – интенсивность в относительных единицах. (Ввиду огромной разности в интенсивностях кривая для 6000° К на рис. 10 а не может быть полностью изображена в выбранном масштабе. На рис. 10 б приведена полная кривая для 6000° К в другом масштабе.)
Заштрихованная часть отмечает область видимого спектра