Geum.ru

Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


Волновая теория
В электронной теории
Инфракрасное излучение
Ультрафиолетовое излучение
Электромагнитные волны с частотами до 10
Подобный материал:
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   ...   53
5.2. Волновые свойства света. Спектр электромагнитного излучения

Двойное лучепреломление — явление в некоторых кристаллических веществах, когда при расщеплении луча света на два появлялись два изображения вместо одного. Это явление впервые отметил Бартолиниус в 1669 г. в кристалле карбоната кальция (или исландского шпата). Получалось, будто этот кристалл имеет два показателя преломления: одна часть света преломляется по одному закону, другая по другому. Но измерения показали, что один из лучей вообще не подчиняется закону преломления — при нулевом угле падения угол преломления отличен от нуля. Этот луч назвали «необыкновенным», а второй, удовлетворяющий закону Снеллиуса, — «обыкновенным».

По Ньютону, «каждый луч света имеет противоположные стороны, наделенные неким свойством, от которого зависит необыкновенное преломление, и другие, не обладающие этим свойством». По аналогии с магнитом можно сказать, что Ньютону пришлось считать, что корпускулы поляризованы. Но ни Ньютон, ни Гюйгенс не предполагали, что свет можно представить поперечными колебаниями.

176

Явления двойного лучепреломления и поляризации света с волновой точки зрения объяснил Френель (1821), с корпускулярной — пытались объяснить Био и Лаплас, их поддерживали Пуассон и шотландский физик Брюстер, известный изобретением калейдоскопа (1817). Но они не могли объяснить явление дифракции и одновременное отражение и преломление света поверхностью, как и Ньютон. Френель описывал дифракцию и интерференцию с помощью принципа Гюйгенса (см. гл. 3). В опыте с двумя зеркалами, расположенными под углом, он получал с помощью одного источника два мнимых и всегда когерентных (от лат. cohaerentia — сцепление, связь) источника света. По его теории дифракции получалось, что внутри тени от непрозрачного диска должно быть светлое пятно. На замечание Пуассона, что это противоречит здравому смыслу, Френель ответил, что здравый смысл подчас ошибается, и продемонстрировал светлое пятно внутри тени.

Волновая теория должна объяснить и явление интерференции. Т. Юнг, поставив опыт с двумя щелями (1807), заключил, что две волны могут интерферировать, если они когерентны, и показал, что все части фронта волны, выходящей из малого отверстия, можно рассматривать как почти когерентные. Исследованием интерференции поляризованных волн занялись Френель с Араго. Они установили, что два луча, поляризованные в параллельных плоскостях, интерферируют, а в перпендикулярных — нет. Аналогии с акустикой тут не могло быть. Френель предположил, что световые волны поперечны, так как явление поляризации свойственно лишь поперечным волнам. Но тогда тончайший и невесомый эфир должен быть твердым, так как поперечные волны распространяются лишь в твердых телах. Гипотеза была столь смелой, что Араго отказался подписаться под статьей, в которой она излагалась. И Френель один строил теорию.

Френелем создана механическая модель света. Он считал, что скорость распространения колебаний в среде зависит от длины волны, и при определенной длине волны она тем меньше, чем больше преломление среды. Отсюда — преломление света и дисперсия. Все явления поляризации в теории Френеля представляли частный случай закона сложения скоростей и прекрасно соответствовали эксперименту. Исследование двойного лучепреломления привело к анализу сил, возникающих в упругой среде из-за малых молекулярных перемещений. Это дало основную идею для развития теории упругости, созданной математиками Коши, Грином, Пуассоном и Г. Ламе. Упругий эфир не увлекается движущимися телами, а проходит сквозь них, и коэффициент преломления определяется, по Френелю, как квадратный корень из отношения плотности эфира в веществе к его плотности вне вещества. По аналогии с электрическими и магнитными полюсами Малюс на-

177

звал явление поляризацией света (стороны света — его полюса). Проблема увлечения эфира при движении в нем тел долгое время находилась в центре всех проблем понимания процессов во Вселенной.

Явление аберрации (от лат. aberratio — уклонение), когда координаты всех звезд в течение года смещаются и описывают эллипсы разной вы-тянутости в зависимости от углового расстояния до плоскости эклиптики, было открыто английским астрономом Дж.Брадлеем (1728) и объяснялось согласно эмиссионной теории света движением Земли по орбите. С принятием волновой теории требовалось ввести гипотезу о покоящемся эфире, проходящем сквозь движущиеся тела. Френель принял, что меняется не упругость эфира, а его плотность. В 1823 г. на основе закона сохранения энергии и своей гипотезы он объяснил, что движение, параллельное границе раздела, в обеих волнах одинаково, и вывел все формулы физической оптики. При полном отражении света он использовал мнимые величины, что соответствовало изменению фазы в отраженной волне.

Итак, начало современной физической оптике положил Френель, она основана на представлении о свете как о поперечной, электромагнитной волне.

В электронной теории Г.Лоренц синтезировал идеи теории поля и атомистики. Он обобщил формулу Френеля для показателя преломления света, выражающегося через отношение скоростей света в средах, для частично увлеченного телом эфира. Эта скорость в движущемся теле получалась равной где

— скорость света в покоящемся теле, — скорость движения тела, — коэффициент увлечения, введенный Френелем в

теории аберрации и подтвержденный опытами Физо, Майкель-сона и Морли. Проблема увлечения эфира движением, проблема его странных свойств привели к отказу от эфира и созданию специальной теории относительности.

Спектр — это совокупность значений какой-либо величины, характеризующей систему или процесс. В физике используют частотный спектр колебаний — электромагнитных или акустических. Спектр энергий, импульсов или масс также широко распространен. Он может быть дискретным или непрерывным (сплошным). Спектр электромагнитных колебаний сплошной.

Электромагнитные волны длиной от 10 до 100 м зарегистрировал Г.Герц с помощью искрового разряда. Он сконструировал передатчик (так называемый диполь Герца), в котором между шариками проскакивала искра. Но искра — высокочастотный разряд переменного тока, и в промежутке между шариками устанавливалось переменное электрическое поле. Герц исследовал свойства поля — прямолинейность распространения, отражение, преломление возникающих волн, скорость, которая была равна ско-

178

рости света. Эксперименты показали, что волны могут быть и других частот, что определится способом возбуждения колебательного движения электрических зарядов разных частот.

Предположения о связи теплового излучения и света высказывались давно. Юнг отметил, что «тепловые колебания происходят медленнее световых». И.Ламберт показал, что тепловые лучи распространяются тоже прямолинейно. Шведский химик К. Шееле установил, что они проходят через вещество, но отражаются от зеркал. Швейцарский химик А. Питке использовал два вогнутых сферических металлических зеркала. Он помещал в фокусе одного зеркала тело нагретое или охлажденное, а в фокусе другого — термометр, и обнаруживал изменение показаний термометра. Его соотечественник П. Прево построил на этом теорию «равновесия огня», считая, что оно достигается при «равновесии обменов, произведенных путем излучения». Рассуждения Прево о дискретной природе «лучистого теплорода» оказались плодотворными в электронной теории металлов, в физической и химической кинетике, в законах теплового излучения. Введенное им понятие подвижного равновесия позволило понять многие процессы природы. Так, стало понятно, что лучеиспускание и лучепоглощение протекают одновременно и независимо друг от друга, а температура только отражает связь между этими процессами. Спустя век эти идеи «проросли» в законах теплового излучения Кирхгофа, Стефана—Больцмана, способствовали идее Планка о введении кванта действия.

Инфракрасное излучение открыл У. Гершель, исследуя равномерность распределения теплоты по солнечному спектру (1800). Перемещая термометр вдоль спектра, он обнаружил, что максимум температуры приходится на область далее красного края видимого излучения (отсюда и название). Сравнив солнечное излучение с излучением нагретого, но не светящегося цилиндра, Гершель показал преломление невидимого теплового излучения в линзах. Юнг назвал это открытие Гершеля самым крупным открытием со времен Ньютона. Итальянский экспериментатор М.Меллони установил, что эти невидимые лучи ведут себя так же, как и свет, и приступил к изучению поглощательной и излу-чательной способностей разных тел. Его работы в этой области продолжил Дж.Тиндаль, обнаружив сильное поглощение тепловых лучей водяным паром, что оказалось важным для метеорологии. С помощью нового прибора — болометра, созданного после работ Меллони, было установлено, что максимум солнечной теплоты приходится скорее на оранжевую область спектра, а не на инфракрасную, что инфракрасное излучение достаточно легко проходит через земную атмосферу и т.д.

Ультрафиолетовое излучение (УФ), преломляемое призмой сильнее фиолетового, открыл немецкий физик И.Риттер. Решив в 1802 г. повторить опыты Гершеля, он исследовал химическое действие разных участков спектра солнечного света. С помощью хлористого серебра он обнаружил, что химическое действие света

179

усиливается при перемещении в область более коротких волн и становится максимальным за сине-фиолетовой областью. Новые открытия способствовали появлению фотографии. Через год после сообщения Дагера о получении им изображений на металле (1839) Дрейпер сфотографировал Луну, а в 1842 г. — фраунгофе-ровы линии, что дало возможность создать более полную картину о составе земной и солнечной атмосфер.

Электромагнитные волны с частотами до 1012 Гц получают электронными методами. В диапазоне радиоволн работают радиовещание, телевидение, воздушная и морская связь, любительские радиостанции. Радиолокация использует микроволновый диапазон.

Частоты рентгеновского излучения лежат выше УФ-диапазона. В. К. Рентген приступил к изучению катодных лучей, чтобы доказать их волновую природу. Но он заметил, что фотопластинки, находившиеся вблизи разрядной трубки и защищенные черной бумагой, оказались засвеченными. Это не могло быть действием катодных лучей, поскольку они не могли выйти наружу. При замене бумаги черным картоном какое-то излучение все равно проходило, хотя его проницаемость убывала с увеличением толщины защитного материала. «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки», — напишет Рентген в 1895 г. Это было первое в мире рентгеноскопическое исследование.

Новое излучение, которое Рентген назвал Х-лучами, не преломлялось, не испытывало отражения, не фокусировалось линзами и распространялось прямолинейно. Как и катодные, Х-лучи вызывали флуоресценцию, но не отклонялись магнитным полем; они возникали в точке, куда попадали катодные лучи. Рентген активно распространял информацию об Х-лучах; их стали применять в медицине и хирургии, хотя тогда экспозиция занимала почти 20 мин. За свое открытие Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике (1901). В 1899 г. нидерландские физики Г. Хага и К. X. Винд, обнаружив слабую дифракцию Х-лучей при пропускании через узкую щель, оценили длину их волны в 10-10 м. Рентгеновское излучение — поперечная волна — доказал, установив поляризацию лучей (1904), английский физик Ч. Баркла. Ученик Планка М.Лауэ решил использовать атомы в кристаллической решетке твердого тела в качестве щели для наблюдения за явлением дифракции. Он рассчитал многие их свойства и поставил эксперимент, в котором определил длину волны излучения. Она была в 1000 раз меньше средней длины видимого света. Опыты по рассеянию рентгеновских лучей на пространственных решетках кристаллов доказали их волновую природу и гипотезу о строении кристаллов французского кристаллографа О. Браве. Русский кристаллограф Г. В. Вульф и У. Брэгг-сын, независимо друг от друга, расшифровав дифракционную картину, дали формулу,

180



связывающую длину волны и период кристаллической решетки (условие Вульфа—Брэгга).

Обычно рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр и возникает при резком соударении пучка быстрых электронов с мишенью. Ч. Баркла открыл характеристическое рентгеновское излучение, возникающее только при очень высоком напряжении и имеющее узкий спектр определенной длины волны, который зависит от вещества мишени (1906). После создания Н. Бором модели атома это излучение стали объяснять квантовыми переходами электронов с внешних оболочек атома на внутренние. Открытие Баркла положило начало рентгеноструктурной спектроскопии.

С переходами атомов из возбужденного состояния связаны все рассмотренные типы волн — от оптического излучения до рентгеновского. Верхний предел, который могут генерировать атомные системы, составляет 1020 Гц. Излучение более высоких частот — у-излучение — испускается атомными ядрами. Различные области спектра электромагнитного излучения исследованы многими методами, имеют неодинаковые названия и источники, но все имеют единую природу, отличаясь только частотами (рис. 5.4).

5.3. Явление дисперсии сред и доказательство материального единства мира

Дисперсией называется зависимость фазовой скорости гармонических волн в среде от частоты их колебаний (от лат. dispersus — рассеянный, рассыпанный). Все среды обладают дисперсией — зависимостью показателя преломления волн и от частоты (кроме абсолютного вакуума). Обычно п растет с увеличением со, но бывает и наоборот, тогда дисперсию называют аномальной. Дисперсия искажает форму сигнала при распространении в среде.

181

Дисперсия света наблюдается в виде развертывания света в спектр, например при прохождении его через призму. Ньютон провел много опытов с призмой, восхищаясь яркими цветами спектра. Он выделил диафрагмой зеленый луч и направил его на другую призму, но луч уже не разложился на составляющие. Такие лучи Ньютон назвал монохроматическими (от греч. monochromatos — одноцветный). Отклонение, вызываемое призмой, зависит от угла между гранями, через которые проходит свет, от направления луча, падающего на первую грань, от показателя преломления призмы. Кроме того, показатель преломления может зависеть от частоты света и сорта стекла.

Наблюдения за затмениями двойных звезд показывают, что межзвездное пространство не обладает дисперсией. Еще Араго при наблюдениях за двойной звездой Альголь — глаз Медузы из созвездия Персея (для земного наблюдателя глаз Медузы моргает) — отметил, что разность между скоростями красных и синих лучей во всяком случае не может превышать 10-5 скорости света. Конечно, этот вывод соответствует точности экспериментов. В последнее время наблюдения за пульсарами показали, что современные радиоприемные устройства позволяют обнаружить наличие дисперсии межзвездного пространства в радиодиапазоне.

Теория поля и атомистические представления необходимы для понимания дисперсии, которая возникает в результате вынужденных колебаний заряженных частиц в веществе под действием переменного поля электромагнитной волны. Расчеты Лоренца были построены на основе классической теории колебаний атомов и молекул вещества. Такая электронная теория годится для объяснения дисперсии в газах, а в более сложных средах приходится учитывать взаимодействия внутри среды, и здесь нужна квантовая механика.

Большой вклад в изучение дисперсии и создание ахроматических (от греч. achromatos — бесцветный) линз внес немецкий физик Й. Фраунгофер — владелец крупнейшей в мире оптической фирмы. Используя для изучения дисперсии света в призмах свечу и лампу, он обнаружил желтую линию в спектре (D -линия натрия) и заметил, что она находится всегда в одном и том же месте спектра и потому удобна для измерений показателя преломления. В 1815 г. Фраунгофер обратился к изучению спектра Солнца, которым ранее занимался У. Волластон. Пропуская солнечный свет через щель в камере обскуре и призму, Волластон выделил в спектре Солнца семь линий (которые он посчитал разграничителями областей спектра). У Фраунгофера таких линий оказалось много. Он обозначил их латинскими буквами и обратил внимание на то, что D-линия находится в том же положении, что и яркая линия натрия в спектре лампы. Когда Фраунгофер направил свой спектроскоп на Венеру, то обнаружил такие же темные линии, что и на Солнце.

В 1857 г. Г.Кирхгоф и Р.Бунзен, решив выяснить, какая же связь между D-линией на Солнце и яркой желтой линией в спектре лампы, обнаружили, что все фраунгоферовы линии поглоще-

182

ния в спектре Солнца совпадают с линиями испускания некоторых газов и паров. Кирхгоф расценил это как доказательство того, что материя и вне Земли представлена теми же элементами.

Для получения спектров Фраунгофер начал изготовлять также дифракционные решетки. Он наносил алмазом параллельные штрихи на стеклянные пластинки или изготовлял их из тончайших близко расположенных нитей, что требовало большого искусства, — их число на 1 мм доходило до 300. Этот результат был превзойден только в 1883 г. Г.Роуландом — 800 штрихов (сейчас — до 1800 штрихов). Если в темной камере на такую пластинку направить тонкий пучок света, то на белом экране образуется спектр.

Спектры стали интенсивно исследовать Д. Брюстер, У. Гершель и У. Тольбот. При этих исследованиях Гершель открыл инфракрасное излучение, а Брюстер — закон поляризации отраженного луча: она максимальна, если отраженный и преломленный лучи перпендикулярны друг другу. Они также сформулировали основные идеи качественного спектрального анализа.

Изобретенная Бунзеном горелка (1855) давала несветящееся высокотемпературное пламя, что позволяло переводить разные химические вещества в парообразное состояние и наблюдать их спектры. Занимаясь спектрами в 1854—1859 гг., Бунзен и Кирхгоф экспериментальным путем получили правило (закон Кирхгофа) о поглощении газами волн точно такой же длины, какой они могут излучать. При исследовании земных источников излучения они открыли два новых металла, названных по характерным для них красной и голубой линиям спектра рубидием и цезием (1861). Затем У.Крукс открыл таллий (1865), Ф.Райх и И.Рихтер — индий.

Кирхгоф объяснил происхождение фраунгоферовых линий как линий поглощения атмосферы. По выражению Гельмгольца, это открытие вызвало восхищение всех людей и возбудило их фантазию в большей мере, чем какое-либо другое, поскольку позволило заглянуть в недоступные ранее миры. Видимая поверхность Солнца (Т = 6000 К) дает сплошной непрерывный спектр. Над ней расположены менее плотные слои фотосферы (Т = 4000 К). Атомы газов, расположенные в более холодных областях, создают в сплошном спектре линии поглощения. Во время полного солнечного затмения до наблюдателя на Земле доходит свет, излучаемый только атмосферой Солнца, и сплошной спектр исчезает. В это время остаются только фраунгоферовы линии, при этом они из темных становятся светлыми (закон Кирхгофа).

Каталоги спектральных линий всех элементов (длины волн линий и их относительные интенсивности) были составлены уже после Кирхгофа и Бунзена. Спектры несут в себе информацию не только о качественном составе исследуемого тела, но и об условиях, в которых происходит излучение. Особое значение для развития науки имело обоснование спектрального анализа, прове-

183

денного Кирхгофом, которое привело его к открытию закона теплового излучения, связавшего оптику и термодинамику.

Идея о связи спектров со строением атома формировалась в научном сознании постепенно. В 1885 г. И. Бальмер обнаружил закономерности в спектральных линиях водорода, а И. Ридберг предложил формулу, описывающую спектральную линию любого элемента. Ридберг отмечал, что из исследования спектров можно получить информацию о внутренних движениях в атомах. Он ввел понятие спектральных термов, которые вместе с его формулой, обобщенной Ритцем в принцип Ридберга—Ритца, стали основой для построения теории атома Бора.

Изменение спектров в разных условиях было детально изучено в электрическом (эффект Штарка) и магнитном (эффект Зеемана) полях. Оно приводит к расщеплению спектральных линий при разных температурах и давлениях (уширение спектральных линий) и т.д. В спектрах проявляется и эффект Доплера. Во-первых, тепловое движение излучающих частиц приводит к тому, что каждый атом излучает на частоте, смещенной из-за эффекта Доплера. При этом наблюдается уширение спектральных линий. Во-вторых, эффект проявляется при движении всего излучающего тела относительно наблюдателя. Так, во время солнечного затмения видно, как диск Луны постепенно закрывает Солнце и возникает узкий серп из восточного края диска Солнца. На спектрограмме, полученной из этого края, фраунгоферовы линии смещены к фиолетовому краю спектра. В конце затмения возникает серп от западного края диска, и линии смещены в красную сторону. В обоих случаях параметр смещения одинаков и равен 6,7 10-6. Это смещение объясняется вращением Солнца. По наблюдениям солнечных пятен установлено, что экваториальный пояс Солнца вращается с периодом 25 суток. Так как радиус Солнца равен 7 • 108 м, скорость его вращения равна примерно 2 • 103 м/с, и ее отношение к параметру смещения линий составляет 3 • 108, т.е. это отношение равно скорости света. Вращение Солнца с запада на восток приводит к тому, что восточный край движется к наблюдателю, а западный — от него. В 1848 г. А. Физо указал на возможность определения лучевых скоростей звезд с помощью эффекта Доплера, и этот метод широко применяется в астрономии. Величайшим открытием XX в. явилось обнаружение красного смещения линий в спектрах далеких галактик, объясняемого расширением Вселенной.

Спектроскопия — наука, основанная на изучении спектров электромагнитного излучения. В зависимости от диапазона длин волн различают радиоспектроскопию, инфракрасную, оптическую, ультрафиолетовую, рентгеновскую и гамма-спектроскопию, в каждой — свои методы. Различают спектроскопию и по источникам излучения — твердого тела, атомная, молекулярная. Спектроскопия — основа спектрального анализа, применяемого в химической и пищевой промышленностях, металлургии и других областях техники. Так, в мартеновской печи в расплавленной стали различные примеси выгорают постепенно, содержание их су-

184

щественно для качества металла. По эмиссионному спектру можно непрерывно следить за изменением состава металла. Особое значение имеет спектральный анализ в астрофизике. Так, элемент гелий был открыт сначала на Солнце (поэтому так и назван), а на Земле только через 20 лет. С помощью спектрального анализа установили, что Солнце состоит на 70 % из атомов водорода, на 28 % — из атомов гелия и только на 2 % — из других химических элементов. По спектрам Солнца и звезд определяют не только химический состав, но и многие другие характеристики, которые легли в основу классификации звезд.

С появлением лазеров возникли новые возможности спектроскопии. Лазерное излучение монохроматично, ширина линии чрезвычайно мала. Появилась возможность работать под широким доплеровским уширени-ем линии и извлекать уникальную информацию о происходящих в излучающих средах процессах. Лазер концентрирует энергию не только в узкий спектральный интервал, но и по интенсивности. Мощное лазерное излучение способно вызвать в среде нелинейные и многофотонные процессы. Была создана новая наука — нелинейная лазерная спектроскопия, которая дала возможность изучать глубинную структуру материи и процессы тонкими и точнейшими методами, не возмущающими исследуемую среду.