Факультет

Студентам

Посетителям

Вещество и лучи

Пословица говорит, что учение — свет. Физик вправе сказать свет — одна из главных причин успехов учения о материи.

Не только в том смысле, что основные представления о форме и движении тел мы получаем благодаря зрению. Изучение природы света играло фундаментальную роль в создании всех отраслей современной теоретической физики.

Еще в XVII в. исследование света привело к созданию волновой оптики. Ее вызвали к жизни работы Христина Гюйгенса. Почти через 300 лет, в начале нашего столетия, Луи де Бройль обнаружил, что волновые свойства присущи абсолютно всем частицам материи. Благодаря этому открытию достижения оптики сразу же приобрели универсальную ценность для всей физики. Так возникла первая из опор, держащих на себе здание физической теории — волновая механика.

Стремлению разгадать законы поведения света обязана своим появлением и вторая опора — квантовая механика. Беспомощность классической физики перед экспериментально наблюдаемым спектром излучения нагретого твердого тела привела Макса Планка к новым идеям дискретности излучения энергии светящейся поверхностью. Эти же идеи оказались ключевыми и для атомной физики. Нильс Бор построил свою квантовую модель атома также исходя из того, что энергия может испускаться лишь определенными порциями. Теория Бора была создана фактически для того, чтобы объяснить спектры раскаленных газов.

Наконец, третья могучая опора науки о материи — теория относительности Эйнштейна — явилась прямым следствием необъяснимого с точки зрения прежних представлений опыта Майкельсона. Этот эксперимент показал, что скорость света в пустоте не зависит от взаимного перемещения источника и наблюдателя.

Итак, не было бы даже отдаленного намека на сегодняшнюю физику, если бы не углубленное исследование учеными многих поколений свойств светового луча. Как в прямом смысле свет освещает темноту, так в переносном смысле он осветил самые важные и наиболее общие законы неживой природы. Выходя из глубин микромира, он как добрый вестник рассказывает исследователю о тайнах структуры вещества, о яростных столкновениях крошечных частиц между собою, о дрожании ионов в решетке кристалла, о развале и соединении молекул, о перестройке эфемерных конфигураций электронных оболочек. Луч света, даже самый слабый, сообщает обо всем добросовестно и точно. Но прошло много времени, прежде чем люди научились хорошо улавливать его голос и понимать его язык.

…На газовой конфорке стоит утюг. Вы забыли про него, и он греется полчаса, час… Вы вбегаете в кухню и выключаете газ, если в кухне темно, вы видите свечение утюга. Железо испускает видимые лучи. Факт, известный каждому ребенку. Но почему эти лучи возникают и почему они именно такого цвета? Почему при повышении температуры утюга его свечение становится значительно ярче, а цвет лучей из красного делается белым? Чтобы понять это, уже недостаточно иметь «кухонный опыт» — нужно понимать основы теории строения вещества.

Благодаря замечательным трудам многих исследователей, из которых широко известны лишь наиболее выдающиеся — Больцман, Кирхгоф, Релей — мы можем сейчас рассказать о причинах свечения нагретого твердого тела.

При нагревании любого тела его молекулы и атомы начинают двигаться быстрее. Они совершают быстрые колебательные или беспорядочные возвратно-поступательные движения. Это — тепловое движение частиц. Каждая частица в результате этого имеет определенную кинетическую энергию. Чем больше тепловая скорость частицы, тем большей кинетической энергией она обладает. Температура как раз и есть мера кинетической энергии теплового движения частиц вещества.

Если мы заставим соприкасаться два тела с разной температурой, то энергичные частицы более нагретого тела будут «раскачивать» лениво движущиеся частицы относительно холодного тела, но при этом сами будут терять часть своей скорости. Возникнет поток энергии. Он всегда направлен от горячего тела к холодному. Через какое-то время температура обоих тел станет одинаковой и тогда перемещения тепловой энергии уже не будет. Наступит тепловое равновесие.

Подобное же равновесие может осуществляться не только между «вещественными» телами, а между телом и электромагнитными лучами (например, световыми). Представим себе замкнутую полость, внутренние стенки которой имеют определенную температуру. При остывании стенки будут испускать электромагнитные волны. Полость наполнится излучением. Но, с другой стороны, излучение будет непрерывно поглощаться стенками, и они в каждую единицу времени вберут в себя какое-то количество тепловой энергии. Что произойдет, если изолировать полость от внешнего мира на длительный период?

Излучение электромагнитных волн стенками ведет к их остыванию. Этот процесс можно представить так: частицы твердого вещества, из которого состоит полость, совершают тепловое колебательное движение и тем самым возбуждают в окружающем эфире волны, как возбуждает их на поверхности воды дергаемый рыбой поплавок. На образование волн затрачивается работа, поэтому колебательное движение частиц затухает, происходит понижение температуры. Но волны, испускаемые другими участками внутренних стенок полости, приходят к данному месту и поглощаются молекулами или атомами, что приводит снова к нагреванию. Как набежавшая волна подбрасывает лодку, так и электромагнитная волна, «ударившаяся» об атом, заставляет его «рвануться» с большой скоростью — тепловое движение усиливается, температура растет.

Судьба процесса будет зависеть от того, какая тенденция возьмет верх: излучение или поглощение. В первом случае стенки будут остывать, а излучение, заключенное в полости, становиться все более плотным. Это значит, что тепловая энергия материала стенок будет переходить в другую форму: в лучистую энергию электромагнитных волн, носящихся внутри полости. Во втором случае все получится наоборот: излучение между стенками будет становиться все меньше, и энергия волн постепенно перейдет в энергию теплового движения частиц.

Здесь нужно оговориться. Мы упоминали «эфир» и волны, распространяющиеся в нем подобно волнам прибоя на поверхности океана. Такие представления об электромагнитном поле, введенные еще Фарадеем, описывают явление лишь приблизительно. На самом деле нет ни волн, ни эфира, а излучение состоит из отдельных порций — фотонов. Фотоны — не имеют обычной массы, и вся их энергия обязана только движению, происходящему с предельно большой скоростью 300 000 км/час. Фотон имеет и такую характеристику, как длина волны (хотя он является частицей). Чем длина волны больше, тем энергия фотона меньше. Что же представляет собой свет — волны или частицы? Ответ найден лишь недавно: свет соединяет в себе свойства волн и свойства частиц.

Между стенками и излучением, находящимся в полости, рано или поздно должно установиться равновесие. Когда это случится, возникнет следующая ситуация: стенки будут терять столько же энергии на излучение, сколько приобретут ее в результате поглощения. Упрощенно говоря, в этом случае интенсивность колебаний электромагнитного поля и колебаний атомов стенок будет как бы одинаковая. После этого ничего уже не может измениться, и хотя бы мы оставили полость на миллионы лет (при условии, что энергетического обмена с окружающими телами у нее не будет), температура стенок, плотность излучения полости будут постоянны. Такую совершенную изоляцию, разумеется, осуществить невозможно, но теоретически она допускается.

Представим себе, что в силу случайных причин температура стенок немного возросла за счет некоторого уменьшения плотности излучения (по закону сохранения энергии стенки не могут нагреваться при неизменной интенсивности электромагнитного поля). Тогда соответствия между силой колебаний атомов («поплавков») и электромагнитного поля («окружающей воды») уже не будет, атомы начнут тормозиться, ибо они двигаются теперь слишком быстро в слишком спокойном поле, и тепловая энергия стенок начнет переходить в энергию излучения. Следовательно, тенденция к повышению температуры сразу же ликвидируется — стенки начнут остывать. Таким же образом будут автоматически выправляться все случайные охлаждения стенок, за счет которых происходит увеличение плотности излучения.

Итак, взаимодействие двух видов материи—вещества и излучения — приводит к процессу, принципиальная сущность которого хорошо понятна физику. Чтобы получить числовые характеристики этого процесса, нужно лишь провести несложные вычисления, использующие свойства атомов и фотонов, и такие меры, как энергия, количество движения, масса. Тогда перед нами окажется листок бумаги с лаконичной формулой. Она дает связь между температурой стенок и интенсивностью излучения, о котором шла речь и которое называется равновесным.

Если перевести содержание формулы на обычный язык, то получим следующее утверждение: интенсивность равновесного излучения непрозрачного твердого тела растет с повышением температуры этого тела очень быстро, пропорционально температуре в четвертой степени.

Почему речь идет лишь о непрозрачном (черном) теле, т. е. таком, которое не пропускает излучение и поглощает все фотоны, падающие на него? Это объясняется тем, что прозрачные тела не будут интересовать нас в дальнейшем. Кроме того, большинство твердых тел (таких, как металлические тела, живые ткани и т. д.) можно практически считать черными.

Закон роста интенсивности излучения в связи с температурой (закон Стефана-Больцмана) объясняет, почему при нагревании утюга мы долгое время совсем не замечаем его свечения, а затем это свечение начинает усиливаться буквально на глазах. Ведь при увеличении абсолютной температуры всего вдвое тело начинает светиться в 16 раз сильнее! Зависимость, выведенная Стефаном и Больцманом, — одна из самых «крутых» в природе.

Очень важно, что в формулировке закона не сказано, какое черное тело имеется в виду, из какого материала оно изготовлено. Важно лишь, чтобы оно было непрозрачным и не отражало лучи, подобно зеркалу. Все черные тела, независимо от их состава, обработки поверхности и т. д. испускают тепловые лучи совершенно одинаково. Поэтому по яркости горячего источника света можно судить о его температуре. В быту мы так и делаем, полагаясь на свой глаз — весьма неточный инструмент; в физической лаборатории можно построить прибор, который будет измерять температуру тел по их излучению почти безошибочно.

Можно сказать и так: нагретое тело как бы «испаряет» фотоны. Чем выше температура, тем интенсивнее это «парообразование». Фотоны отличаются друг от друга длиной волны. Какие же фотоны испускает поверхность горячего тела?

Ответ на этот вопрос дает закон смещения Вина. Оказывается, черное тело испускает тепловые лучи разной длины волн — смесь многих типов фотонов. Однако чаще всего встречаются фотоны с длиной волны, лежащей в определенном диапазоне. Как говорят физики, имеется ярко выраженный максимум в размытом спектре температурного излучения. Если, например, мы говорим, что железная болванка нагрета до красного каления, это нужно понимать лишь статистически — в лучах, испускаемых болванкой, присутствуют и голубые фотоны, и желтые, и даже невидимые глазу, но больше всего там красных фотонов. Максимум при этой температуре находится в красной области.

Закон Вина говорит, что при повышении температуры тела максимум температурного излучения сдвигается в сторону более коротких волн. Мы все хорошо знаем это по опыту: при накаливании тела оно постепенно проходит стадию красного, белого и голубого каления. Если вообразить, что мы нагрели предмет до огромной температуры в несколько миллионов градусов, то, согласно закону Вина, придется допустить, что максимум его излучения уходит из оптического спектра в область рентгеновских лучей. Современные эксперименты с высокотемпературной плазмой подтверждают это. Наоборот, сравнительно холодное тело (например, комнатной температуры) испускает фотоны в основном в невидимой инфракрасной области.

Правило смещения максимума дает еще одну возможность судить о температуре тел на расстоянии, без прямого контакта приборов с этим телом. Эта возможность широко используется.

Когда астрономы говорят нам, что такая-то звезда является очень горячей, что ее поверхность имеет температуру в сто тысяч градусов, то они заключают это из голубого света звезды. Красные звезды они объявляют холодными и не сомневаются в этом.

А нельзя ли судить о температуре светящихся органов животных по спектру их излучения, вернее, положению максимума в этом спектре?

Давайте сделаем такую попытку. Ведь распределение фотонов по длинам волн для люминесцирующих организмов известно. В приведенной выше таблице были даны положения максимума свечения различных животных. Остается только сравнить их с максимумами изученного в лаборатории черного тела.

Из сопоставления максимумов свечения животных и нагретого твердого тела можно прийти к заведомо ложному выводу, что температура какой-то части организма светляка достигает нескольких тысяч градусов. В чем же ошибка?

Все дело в следующем: мы все время говорили о равновесном излучении. Но живое свечение (как и многие виды свечения в неорганической природе) не является равновесным.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: