По ту сторону кванта
Шрифт:
Важнейшее свойство волн — их способность интерферировать. В чём его суть?
Допустите такую возможность: вы с силой бросаете горох в стену так, что он довольно далеко от неё отскакивает. Пусть вам удалось бросать его равномерно, скажем, так, чтобы на один квадратный сантиметр стены в 1 секунду попадало 8 горошин. Теперь мысленно в любом месте между вами и стеной выберите площадку в 1 см2 и сосчитайте число горошин, пролетающих через неё в обе стороны. Ясно, что оно всегда будет равно 16.
А что будет, если от стены отразится волна?
Рассмотрим внимательно рисунок на следующей странице: вначале волна
Ещё одно свойство волны, которое отличает её от частиц, — дифракция, или, говоря попросту, способность волны загибать за угол, к чему частица явно не способна. (Отметим только, что размеры препятствия должны быть сравнимы с длиной волны. И ещё: если препятствие невелико, то благодаря дифракции волна может разделиться на две, обойти его с двух сторон и, складываясь снова, погасить себя точно так же, как при сложении прямой и отражённой волны.)
Именно таким способом, обнаружив интерференцию и дифракцию у рентгеновского и других видов излучения, установили, что все они волны, только разной длины. Длина волны излучения и есть тот основной признак, по которому мы различаем виды электромагнитного излучения количественно.
Наибольшая длина у радиоволн: от нескольких километров до нескольких сантиметров.
У тепловых лучей она короче — от 1 см до 10– 2 см.
Ещё короче волны видимого света, примерно 4•10– 5 — 8•10 – 5 см.
Самые короткие волны у рентгеновых лучей — 10– 7 — 10– 9 см.
Все эти виды излучения распространяются с одной и той же скоростью — со скоростью света c=3•1010 см/сек.
Отсюда по формуле =c/ очень просто вычислить частоту каждого вида излучения. Очевидно, для рентгеновых лучей она будет наибольшей, а для радиоволн — наименьшей.
Очень важно отдавать себе отчёт в том, что, конечно, любое излучение — это не синусоида, изображённая на рисунке, а физический процесс, основные характеристики которого (например, периодичность), по счастью, можно выразить на языке таких простых моделей.
У каждого вида излучения свои особенности. Сосредоточимся пока на том его виде, который для нас наиболее важен и привычен, — на солнечном излучении. А поскольку оно подчиняется тем же законам, что и любой вид излучения, то в дальнейшем это поможет нам понять законы теплового излучения, которое оказалось столь важным в истории квантовой механики.
Когда вы греетесь на солнце, вы, наверное, не задумываетесь над тем, из каких волн состоят его лучи. Иногда, правда, вы спрашиваете себя, отчего в горах бывают солнечные ожоги и почему нельзя загореть вечером. Исаак Ньютон (1643–1727) жил в Англии, где солнца не так уж много, но всё-таки он задумался
Каждому цвету радуги-спектра соответствует своя волна солнечного излучения: самая длинная у красного цвета — 7•10– 5 см; у зелёного — 5•10– 5; у фиолетового — 4•10– 5. Кроме видимых лучей, в солнечном спектре есть, конечно, и другие, в частности инфракрасные лучи (их длины волн ещё больше, чем у красных) и ультрафиолетовые (их волны короче фиолетовых). Следовательно, частота ультрафиолетовых лучей наибольшая, а инфракрасных — наименьшая.
Относительная яркость различных цветов в спектре излучения неодинакова и зависит от температуры излучающего тела: например, в солнечном излучении больше всего жёлтых лучей. Таким образом, спектр любого излучения показывает, во-первых, какие лучи в нём есть и, во-вторых, сколько их там.
Проходя через атмосферу Земли, солнечный луч изменяет свой спектральный состав, потому что разные лучи солнечного спектра поглощаются атмосферой неодинаково, в частности сильнее всего ультрафиолетовые лучи. На горе слой воздуха меньше, доля ультрафиолетовых лучей больше, и потому обгореть там можно быстрее, чем в долине.
И хотя сам по себе этот факт хорошо известен, мы всё-таки напомнили эту важную для дальнейшего деталь: причина солнечных ожогов — ультрафиолетовые лучи, именно они, а не зелёные или красные. Но чтобы обжечь, нужно, во всяком случае, затратить какую-то энергию. Следовательно, наибольшую энергию несут с собой волны наибольшей частоты — ультрафиолетовые, а не инфракрасные (хотя именно они и называются тепловыми). Это очень важный результат.
Итак, всякое тело состоит из атомов, которые мы пока представляем себе как шарики диаметром 10– 8 см и разного веса: от 10– 24 до 20– 22 г. Они очень быстро движутся, колеблются и сталкиваются между собой, причём скорость их движения увеличивается с ростом температуры тела. Это тепловое движение атомов приводит к совершенно новому явлению: к тепловому излучению, свойства которого нам пока неизвестны.
Чтобы узнать их, возвратимся к железному лому, который греется в печи. Чем горячее печь, тем больше тепла излучает лом. Конечно, этот факт знали всегда, но только Джозеф Стефан (1835–1893) в 1879 году эмпирически и Людвиг Эдуард Больцман (1844–1906) в 1884 году теоретически установили количественный закон. Оказалось, что с повышением температуры общее количество излучаемого тепла растёт очень быстро — как четвёртая степень абсолютной температуры тела.
А что, если в печь вместо лома положить булыжник, как делалось раньше в русских банях? Будет ли его энергия излучения отличаться от излучения железного лома? В 1859 году Густав Роберт Кирхгоф доказал, что не будет, если температура печи в обоих случаях одинакова. Он доказал даже нечто большее, но чтобы понять это нечто, нужно прервать рассказ и более пристально посмотреть на поток излучения, который исходит от нагретого тела.
Так же, как и солнечный свет, этот поток неоднороден. Любое тепловое излучение, во-первых, состоит из лучей различной длины волны, и, во-вторых, их вклад в общий поток излучения различен. Если обе эти характеристики мы знаем, то можем утверждать, что нам известен спектральный состав излучения.