История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Герман фон Гельмгольц переехал РІ Берлин РІ 1870 Рі. РёР· Гейдельберга, сменив кафедру физиологии РЅР° кафедру физики. Р’ течение РјРЅРѕРіРёС… лет Гельмгольц интересовался физическими свойствами организмов Рё биологическими процессами, РІ частности процессами ощущений. Рти изучения убедили его РІ том, что полное описание процессов, касающихся нервной системы, требует понимания обмена энергией РІ живых телах, Рё важную роль играет термодинамика Рё электричество. Здесь уже были важные достижения, включающие закон сохранения энергии. РљРѕРіРґР° РѕРЅ приехал РІ Берлин, то начал серию исследований РІ области электричества, Рё Герц, который появился РІ 1878 Рі., РїСЂРёРЅСЏР» участия РІ этом деле. Ему посчастливилось обратить РЅР° себя внимание Гельмгольца,

который, после получения Герцем ученой степени, назначил его своим ассистентом. В 1883 г. Герц стал по рекомендации Кирхгофа приват-доцентом Киле, а в 1885 г. стал профессором физики в Карлсруе. Для этого университета требовался кто-нибудь, кто мог бы преподавать электрические технологии. В то время последние успехи в передаче энергии, электрический свет и другие применения электричества сделали электричество принципиальной технологией. Работы Герца, уже сделанные в этой области, а также поддержка Гельмгольцем помогли ему получить это место. Герц скончался очень молодым от хронического заражения крови в тот же год, в который скончался его покровитель Гельмгольц.

Как часто случается, Герц пришел к открытию электромагнитных волн, первоначально не стремясь их обнаружить.

В 1879 г. Берлинская Академия наук установила награду за исследование проблемы экспериментально установить соотношение между изменяющимися электрическими полями и откликами материалов на эти поля (поляризуемость). В это время Герц занимался электромагнитными исследованиями в Берлинском Физико-техническом институте и его наставник Гельмгольц привлек его внимание к этой проблеме. Первоначально Герц подошел к изучению электрических колебаний, используя для их получения лейденскую банку (вид электрического конденсатора), но вскоре пришел к заключению, что только эффекты, лежащие за пределами наблюдений, могут быть интересны. Поэтому он подошел к проблеме с другой стороны, вернувшись к ней девятью годами спустя, в 1888 г., и успешно решив ее, как часть его классических экспериментальных работ по электромагнитным волнам. В 18861887 гг. он при выполнении некоторых экспериментов обнаружил что если кусок медной проволоки согнуть в виде прямоугольника так, чтобы между концами проволоки был маленький воздушный промежуток, и поместить этот прямоугольник рядом с искровым разрядом индукционной катушки (мы будем называть ее первичной цепью), то в промежутке открытой цепи прямоугольника проскакивает искра. Он правильно интерпретировал это явление, показав, что согнутая проволока (мы будем называть ее вторичной цепью) имеет такие размеры, которые делают свободный период колебаний в ней, почти равный периоду колебаний в первичной цепи.

Открытие, что в воздушном промежутке вторичной цепи могут возникать искры (при подходящих размерах для резонанса), давало метод наблюдения электрических эффектов в воздухе на расстоянии от первоначального возбудителя: детектор, требуемый Фитцджеральдом для наблюдения распространения электрических волн, теперь был в руках.

Неизвестный Герцу Давид Рдвард РҐСЊСЋР· (18301900) несколькими годами ранее опередил его. РћРЅ показал, что электрические РёСЃРєСЂС‹ можно обнаружить РЅР° расстоянии РґРѕ около 500 Рј микрофоном (позднее РѕРЅ был назван когером), включенным РІ телефонную трубку. РћРЅ правильно утверждал, что эти сигналы были РѕС‚ электрических волн РІ РІРѕР·РґСѓС…Рµ. Р’ 18791980 РіРі. РѕРЅ продемонстрировал эти эксперименты президенту Королевского Общества СЃСЌСЂСѓ Джорджу Стоксу Рё Р’. РџСЂРёСЃСѓ Главному электрику Почтовой службы. Рљ сожалению, РѕРЅРё пришли Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ объяснению этого явления, Рё РҐСЊСЋР·, разочаровавшись, РЅРµ опубликовал СЃРІРѕРёС… результатов, которые стали известными РјРЅРѕРіРѕ позже.

После короткого перерыва, в течение которого Герц был занят изучением влияния облучения ультрафиолетовыми лучами на электрический разряд, проведя, тем самым, первые наблюдения фотоэлектрического эффекта, он в 1888 г. улучшил схему получения искр. Регистрируя эффект с помощью вторичной цепи,

удалось продемонстрировать, что испускаются электромагнитные волны. Оливер Лодж (1851-1940) также в начале 1888 г. открыл электромагнитные волны. Он продемонстрировал их распространение и отражение вдоль проволок и выполнил точные измерения их длин волн. Однако, вместо того, чтобы немедленно опубликовать свои результаты, он отправился на отдых в Альпы, полагая, что его эксперименты произведут впечатление на очередном конгрессе Британской Ассоциации развития науки, который должен был быть в сентябре. На этом конгрессе, Фитцджеральд, который ничего не знал о работе Лоджа, громогласно объявил, что неизвестный немец Генрих Герц сумел генерировать и детектировать электромагнитные волны в воздухе.

Рис. 24. На верхней части показан вибратор (осциллятор) Герца, а на нижней резонатор. А катушка Румкфорда, В два шарика, между которыми проскакивает искра; С и С два больших проводника, которые заряжаются от катушки. Цепь abcd резонатор Герца, а M два шарика, между которыми можно видеть искорку

Для получения СЃРІРѕРёС… РёСЃРєСЂ Герц использовал различные экспериментальные конфигурации. РћРґРЅР° РёР· РЅРёС… показана РЅР° СЂРёСЃ. 24. Две металлические сферы диаметром около 30 СЃРј были каждая РЅР° конце РїСЂСЏРјРѕР№ медной проволоки. Центры сфер были РЅР° расстоянии 1 Рј. Р’ середине проволока разрывалась СЃ РґРІСѓРјСЏ шариками РЅР° концах разрыва. Расстояние между этими шариками (несколько СЃРј РІ диаметре) можно было регулировать РґРѕ типичного значения РїРѕСЂСЏРґРєР° 1 РјРј. Размеры были выбраны так, чтобы возникающие волны можно было обнаружить вторичной цепью соответствующего размера. Для возбуждения цепи была использована катушка Румкорфа, СЃ помощью которой РґРІРµ сферы заряжались противоположным знаком. РџСЂРё достижении нужного напряжения РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёР» РёСЃРєСЂРѕРІРѕР№ РїСЂРѕР±РѕР№, Рё РёСЃРєСЂР° проскакивала между шариками. РџСЂРё этом система разряжалась через СЂСЏРґ колебаний СЃ частотой, определяемой размерами сфер Рё РёС… взаимным расположением. Рти колебания затухали, РєРѕРіРґР° энергия, связанная СЃ первоначальным зарядом, испускалась РІ пространство РІ РІРёРґРµ электромагнитных волн. Рљ концу РіРѕРґР° Герц продемонстрировал сходство электромагнитных волн СЃРѕ светом, показав, что РѕРЅРё РјРѕРіСѓС‚ отражаться распространяться прямолинейно после прохождения отверстия РІ экране, испытывают дифракцию, Рё РґСЂСѓРіРёРµ свойства, подобные свету,

В первых экспериментах длина волны составляла несколько метров, но, в тот же год, Герц смог сгенерировать волны порядка 10 см. Парадоксально, но Герц не оценил возможное практическое применение своего открытия. Когда один немецкий техник высказал ему предположение, что открытые им волны можно использовать для беспроволочного телеграфа, Герц отверг эту идею, утверждая, что токи в его резонаторе совершают колебания в миллионы раз в секунду и не могут быть воспроизводимы в телефонном устройстве, которое работает с токами с частотой в несколько тысяч раз в секунду.

Рис. 25. Резонатор Риги был сделан из стеклянной посеребренной пластинки (как обычное зеркало). Слой серебра на стекле имеет тонкую щель 7, в результате которой получаются две металлические, проводящие части а и b изолированные друг от друга. Когда на такой резонатор по падают электромагнитные волны, в щели Т проскакивает искорка, которую можно увидеть в темноте

Рксперименты Герца были продолжены итальянцем Аугусто Р РёРіРё (1850-1921), профессором физики РІ университете Болоньи. РћРЅ сумел генерировать волны длиной РІ несколько СЃРј Рё регистрировать РёС… СЃ помощью резонатора, который РѕРЅ сделал РёР· прямоугольной полости станиолевой фольги, закрепленной РЅР° стеклянной пластине. Р’ середине фольги делался очень тонкий разрез, РІ котором могла появляться РёСЃРєСЂР° (СЂРёСЃ. 25).