О чем рассказывает свет
Сергей Георгиевич Суворов








В брошюре рассказывается, каким образом возникают лучи света из далеких миров. Не подлежит сомнению, что они могут начинать свой путь далеко от Земли и даже от солнечной системы. Где же во Вселенной начинают свой путь эти лучи? Как лучи из далеких миров превращены в мощное средство исследования Вселенной? Из каких веществ состоят Солнце и ряд других звезд? Как ученые узнали об этом? Об этом им рассказали лучи света, пришедшие от звезд. Куда и с какой скоростью движутся звезды? Об этом рассказали те же лучи света. Современные физики изучают тончайшие детали строения атомов. Как они этого достигают? И об этом им говорят лучи света, испускаемые атомами. В брошюре говорится, что свет рождается в веществе. Именно поэтому свет может рассказать, из каких веществ состоят звезды, какие металлы входят в состав сплавов, как построен атом, и многое другое.






Сергей Георгиевич Суворов

О чем рассказывает свет





Введение





В конце прошлого века в журнале Русского физико-химического общества были напечатаны подробные сведения о том, из каких веществ состоит Солнце и ряд других звезд. Как перед человеком раскрылись бесконечно далекие кладовые мира? Как ученые узнали о составе звезд, которые ведь не положишь на стол лаборатории?

Об этом им рассказали лучи света, пришедшие от звезд.

В девяностых годах прошлого века русский астроном Белопольский определил, куда и с какой скоростью движутся звезды. Как ему удалось определить распорядок движения небесных светил в космосе, как будто речь шла о графике движения пригородных поездов?

Об этом ему рассказали те же лучи света.

Современные физики отыскивают пути высвобождения огромных запасов атомной энергии и в этих целях раскрывают тончайшие детали строения атомов. Как они этого достигают, ведь внутрь атомов не залезешь ни с пинцетом, ни с лупой?

И об этом им говорят лучи света, испускаемые атомами.

В заводских лабораториях в одну-две минуты определяют качество стали, из которой построена машина; находят, какие металлы («присадки») и в какой доле добавлены к обычному составу стали. Что дает возможность инженерам так быстро контролировать качество металлических сплавов, не разрушая конструкции?

Те же лучи света, испускаемые парами металла при накале.

Советские ученые впервые в мировой истории доставили на Луну вымпел; а за рубежом нашлись злобствующие политиканы, которые шипели: это, мол, не факт; доказать, что попали в Луну, нельзя, это мистика коммунистов. Но английские ученые посрамили политиканов, заявив, что они зарегистрировали момент прилунения вымпела документально. Что дало английским ученым возможность получить в руки надежный документ о прилунении советского вымпела?

Опять те же лучи света в широком значении этого слова.

Подумать только, какой широкий круг знаний дает нам свет, какой необъятный мир он раскрывает: от атома до космоса!

Свет рождается в веществе. Именно поэтому он может рассказать, из каких веществ состоят звезды, какие металлы входят в состав сплавов, каково строение атомов и многое другое. Вот этим рассказам света о веществе и посвящена настоящая книжка.

«О чем рассказывает свет» — это, конечно, только образное выражение, подходящее для названия книжки. Тому, кто не знает свойств света, он ничего не скажет. Для того чтобы понимать «язык» света, человек должен был упорно изучать, как возникает свет, как он распространяется, как ведет себя в различных условиях, как связан с веществом, как преобразуется, словом, надо было исследовать природу света, его свойства. Об этом «языке» света книжка обязана рассказать читателю.

И еще одно узнает читатель из книжки.

На пути познания встречаются немалые трудности. Ничто в природе не лежит в виде готовой истины: пришел удачник, взглянул мимоходом, сразу постиг. Каждый шаг познания дается настойчивым трудом. Ученый знает радости успеха и горечи неудач. Его усилия заслуживают глубокого уважения, сколь бы мало он ни продвинулся вперед. Но что еще замечательно: упорный труд неизменно преодолевает любые трудности, сколько бы их ни вставало на пути. Этому учит история науки, и автор хотел рассказать об ее поучительных уроках.

Именно эти захватывающие идеи привлекли его к написанию популярной книжки, мысль о которой внушил ему выдающийся ученый и замечательный человек Сергей Иванович Вавилов.




Цветной язык света





Цветные сигналы металлов


Сто лет тому назад, в конце 50-х годов прошлого века, химики заинтересовались вопросом: как светятся различные химические вещества при очень высоких температурах? В то время высокую температуру научились получать в особо устроенной газовой горелке — горелке Бунзена (Роберт Бунзен — немецкий физик и химик, 1811 —1899). В ней бесцветным пламенем горел обычный светильный газ; он давал температуру около 1800 градусов.

Первой была испробована поваренная соль. Когда кусочек поваренной соли был введен на проволочке в пламя горелки, бесцветное пламя стало ярко-желтым.

Отчего бы это могло быть?

Поваренная соль — это химическое соединение двух простых веществ — натрия и хлора. В горячем пламени горелки поваренная соль разлагается на составные части. Об этом можно судить по удушливому запаху выделяющегося газа — хлора. Металл натрий плавится уже при 97 градусах; при температуре около 750 градусов натрий превращается в пар. Следовательно, поваренная соль в пламени газовой горелки разлагается на газ хлор и пары металла натрия. Какой же из них окрашивает бесцветное пламя горелки в желтый цвет?

Проделав опыты с хлором и натрием порознь, химики убедились в том, что пламя окрашивается в желтый цвет парами натрия.

Но, может быть, свойством окрашивать пламя обладают пары не только натрия, но и других металлов?

Вводя в пламя газовой горелки один металл за другим, химики обнаружили, что это действительно так. Например, калий дает фиолетовую окраску пламени, литий — красную, медь — зеленую.

Если пары металла и в самом деле окрашивают пламя каждый в свой цвет, то это прекрасная находка для химиков! Ведь по окраске пламени можно было бы быстро узнавать, какие металлы есть в том или другом сложном веществе. До сих пор для решения этого вопроса нужно было проделывать кропотливую работу: химики растворяли сложное вещество, процеживали раствор сквозь тончайшие сита — фильтры, выпаривали раствор и производили другие операции; они повторяли эти кропотливые операции с одним и тем же веществом иногда десятки и сотни раз.

При новом способе вся эта кропотливая работа отпала бы. Химики хорошо понимали выгоду нового способа. Но прежде надо было проверить, действительно ли каждый металл окрашивает пламя в свой цвет.

Однако скоро перед химиками возникло затруднение. Раскаленные пары металла лития окрашивают пламя горелки в малиново-красный цвет. Но в такой же цвет окрашивают пламя и пары металла стронция. Значит, новый способ непригоден? Или, может быть, разница в окраске пламени литием и стронцием есть, но ее нельзя заметить простым глазом? В таком случае глаз нужно вооружить!

Тут на помощь ученым пришел спектроскоп. Прообраз этого прибора дал английский ученый Ньютон (1643—1727) еще в XVII веке. Но только сто лет назад спектроскоп начали широко применять в научных и технических исследованиях. С тех пор он сыграл огромную роль в развитии современной науки и техники и до сих пор безотказно служит человеку.

Что же это за прибор и на чем основано его устройство? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется сначала рассказать кое-что о свойствах света.




Белый луч — семья цветных лучей. 


В XVII веке астрономия достигла блестящих успехов. Галилей, Ньютон и другие ученые усиленно изучали звездное небо и небесные явления.

Тогда же были изобретены первые телескопы. Изображения в первых телескопах были неясные, они имели много недостатков. Стремясь усовершенствовать телескопы, Ньютон изучал, как проходят лучи света сквозь различные стекла. Он затемнил комнату ставней, а в ставне прорезал узкое отверстие для солнечного луча.

На пути этого луча ученый поставил стеклянную трехгранную призму (см. рис. 1) вершиной вниз и стал наблюдать дальнейший путь луча. Узкая полоска солнечного света до выходе из призмы отклонилась к ее основанию и упала на стену (рис. 2). В ней ясно различались красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя и фиолетовая полосы, непрерывно переходящие друг в друга (см. приложение 1).

Ученые и раньше наблюдали такие цветные полосы. Они думали, что солнечный луч становится цветным потому, что его окрашивает призма. Ньютон решил исследовать это явление детально.

Каждый из цветных лучей, полученных с помощью призмы, он пропустил через вторую призму. Оказалось, что каждый цветной луч, пройдя вторую призму, сохранял свой цвет.









Рис. 1. Стеклянная призма — толстый брусок стекла, отлитый в форме клина. Она расщепляет белый луч света на цветные и отклоняет их к своему основанию. Ф — фиолетовый луч, 3 — зеленый, К — красный




Значит, призма лучей не окрашивает, заключил ученый, а все дело в самом солнечном луче, в его составе. Выходит, что солнечный луч не простой, а сложный, он состоит из цветных лучей, а стеклянная призма разделяет их друг от друга. Лучи различного цвета призма отклоняет по-разному. Меньше всего она отклоняет красные лучи, больше всего фиолетовые.

Но если белый луч разлагается на цветные, но любопытно, что дадут цветные лучи, если их вновь собрать в одном месте? Ньютон установил на пути цветных лучей вслед за первой призмой вторую, но только вершиной вверх. Что же получилось? Пройдя первую призму, белый луч разложился на цветные лучи; пройдя вторую призму, цветные лучи собрались вместе и вновь образовали белый луч, такой же, какой проходил сквозь отверстие ставни! Догадка Ньютона о том, что белый луч состоит из цветных лучей, подтвердилась.

Эти опыты были проделаны в 1667—1668 годах. Они-то и положили начало спектроскопии — науке о составе света, о разложении его на составляющие цветные излучения — спектры.




Познать физические свойства — значит научиться измерять


Попробуйте при случае подсчитать, сколько цветов в радуге. Эту задачу выполнить невозможно. Между полосами красной и оранжевой, синей и голубой, как и между любыми соседними полосами, нет резких границ, между ними имеется много переходных тонов. Не все оттенки цветов способен различать глаз. Часто трудно и определить: то ли цвет «ближе к синему», то ли «ближе к голубому». Цвет — неточная характеристика лучей. Нельзя ли для каждого луча найти характеристику более точную, чем его цвет?









Рис. 2. Общий вид установки Ньютона, с помощью которой он наблюдал разложение белого луча на ряд цветных




Физики нашли такую точную характеристику, когда они научились выражать свойства света через числа, измерять и сравнивать, когда они лучше узнали свойства света, его природу.




Первые споры о природе света


Со времен глубокой древности человека занимал вопрос: что такое свет? Почему человек обладает таким чудесным свойством видеть окружающий мир во всем многообразии его форм, движения, красок?

Ньютон полагал, что свет — это какие-то световые частицы (корпускулы), летящие от источника во все стороны. Они попадают в глаз и создают в нем образ предмета. На что опирался Ньютон, утверждая, что свет — это поток частиц? Сведений о свойствах света в то время было мало. Ньютон рассуждал так. Частицы света распространяются по прямым линиям. Именно поэтому непрозрачные предметы дают тень, и контуры их очерчены этой тенью резко. Потому-то нельзя видеть, что делается за углом дома. А вот если бы свет был волнами, то он огибал бы угол дома. Предметы были бы видны, даже если бы они стояли за углом дома.

В самом деле, возьмем, например, звук. Мы хорошо, слышим разговор людей, стоящих за углом дома. Это потому, что звук — это волны, волны сгущений и разрежений воздуха, идущие от источника звука во все стороны. А волны способны огибать препятствия, менять свое направление.

Итак, Ньютон сделал вывод: поскольку свет распространяется прямолинейно, постольку он состоит из потока частиц (корпускул), а не волн. Эти взгляды Ньютона получили известность под именем корпускулярной гипотезы света.

Однако уже Ньютон открыл явление, толкование которого вызвало много споров о том, какова природа света. Однажды он положил очковое стекло с небольшой выпуклостью на стеклянную пластинку и направил на нее пучок одноцветных лучей: на пластинке вокруг точки прикосновения очкового стекла образовались цветные и темные кольца, вложенные друг в друга (рис. 3). Цветные кольца были очень яркими, в темных кольцах свет пропадал вовсе. Эти кольца были названы кольцами Ньютона.









Рис 3. Темные и цветные кольца, которые Ньютон наблюдал при пропускании лучей сквозь очковые стекла




Отчего возникают такие кольца?

Ньютон объяснял это так. Частицы света иногда проходят сквозь стекла — в этом случае образуются цветные кольца, иногда же они не в состоянии этого сделать — тогда образуются темные кольца. Частицы света обладают попеременно то свойством проходить сквозь стекло, то свойством задерживаться в стекле.

Но были ученые, которые считали объяснение Ньютона очень сложным. Отчего свойства частиц света (то проходить, то задерживаться в стекле) меняются, да еще с очень точной регулярностью? Не проще ли предположить, что свет — это волны? Ведь в самой природе волн есть строгая регулярность — колебание.

По вопросу о природе света среди ученых образовалось два направления. Большинство из них считало воззрения Ньютона на природу света правильными. Но отдельные ученые не соглашались с ними и полагали, что свет—это волны. К ним принадлежали голландский оптик Христиан Гюйгенс (1629—1695), петербургский академик, швейцарец по происхождению, Леонард Эйлер (1707—1783) и великий русский ученый Михаил Ломоносов (1711 —1765).

Почти полтораста лет шли споры о природе света. Появление колец Ньютона толковалось по-разному. Но обе спорящие стороны были вынуждены признать: чем бы ни был свет, он обладает замечательным свойством — свойством периодичности. Об этом говорят кольца Ньютона. И только долго оставалось неясным, как понять эту периодичность.

Лишь в XIX веке было дано правильное объяснение ньютоновых колец. Их происхождение можно понять только в том случае, если предположить, что свет распространяется волнами.

Волны обладают особыми свойствами, которые присущи только им и никаким другим образованиям. Эти особые свойства проявляются в характере их взаимодействия.

Чтобы лучше разобраться в этом, познакомимся с волнами на поверхности воды.




Волны на поверхности воды


Каждый знает, что водяные волны бывают разные. На поверхности пруда едва заметная зыбь слегка качает пробку рыболова, а на морских просторах огромные водяные валы раскачивают океанские пароходы. Чем же отличаются волны друг от друга?

Посмотрим, как возникают водяные волны.









Рис. 4. Прибор для ритмического возбуждения волн на поверхности воды




Для возбуждения волн на воде возьмем прибор, показанный на рис. 4. Когда моторчик А вращает эксцентрик Б, стерженек В движется вверх и вниз, погружаясь в воду на разную глубину. От него разбегаются круговые волны (рис. 5).

Они представляют собой ряд чередующихся гребней и впадин.

Расстояние между соседними гребнями (или впадинами) называется длиной волны и обычно обозначается греческой буквой λ (лямбда) (рис. 6).









Рис. 5. Волны, создаваемые ритмично колеблющимся стерженьком; буквой λ обозначена длина волны




Увеличим число оборотов моторчика, а стало быть, и частоту колебаний стерженька вдвое. Тогда число волн, появившихся за то же время, будет вдвое больше. Но при этом длина волн будет вдвое меньше.

Число волн, образующихся в одну секунду, называется частотой волн. Она обычно обозначается греческой буквой ν (ню).






Рис. 6. Поперечный разрез водяной волны. АБ — амплитуда а, БВ — длина волны λ




Пусть на воде плавает пробка. Под влиянием бегущей волны она будет совершать колебания. Подошедший к пробке гребень поднимет ее вверх, а следующая за ним впадина опустит вниз. За одну секунду пробку поднимет столько гребней (и опустит столько впадин), сколько за это время образуется волн. А это число и есть частота волны ν. Значит, пробка будет колебаться с частотой ν. Так, обнаруживая действие волн в любом месте их распространения, мы можем установить их частоту.









Рис. 7. Схема связи длины волны λ, скорости v и частоты ν. Из рисунка ясно, что v = νλ




Ради простоты мы будем считать, что волны не затухают. Частота и длина незатухающих волн связаны друг с другом простым законом. За секунду образуется ν волн. Все эти волны уложатся на некотором отрезке (рис. 7). Первая волна, образовавшаяся в начале секунды, дойдет до конца этого отрезка; она отстоит от источника на расстоянии, равном длине волны, умноженной на число образовавшихся волн, то есть на частоту ν. Но расстояние, пройденное волной за секунду, есть скорость волны v. Таким образом,




λ × ν = v




Длину волны и скорость распространения волн часто узнают из опыта, но тогда частоту v можно определить из вычисления, а именно:




ν = v / λ




Частота и длина волн являются их существенными характеристиками; по этим характеристикам одни волны отличают от других.

Кроме частоты (или длины волны), волны отличаются еще и высотой гребней (или глубиной впадин). Высота волны измеряется от горизонтального уровня покоящейся поверхности воды. Она называется амплитудой, или размахом колебаний.

Амплитуда колебаний связана с энергией, которую несет волна. Чем больше амплитуда водяной волны (это относится также и к колебаниям струн, почвы, фундамента и т. д.), тем больше энергия, которая передается волнами, причем больше в квадрат раз (если амплитуда больше в два раза, то энергия больше в 4 раза и т. д.).

Теперь мы можем сказать, чем океанская волна отличается от зыби в пруду: длиной волны, частотой колебаний и амплитудой.

А зная, какими величинами характеризуется каждая волна, нетрудно будет понять и характер взаимодействия волн друг с другом.




Взаимодействие водяных волн


Создадим на воде два источника одинаковых по частоте и амплитуде воли. Для этого на знакомом нам приборе заменим стерженек В горизонтальным коромыслом, а на концах коромысла прикрепим два вертикальных стерженька. Каждый стерженек, колеблясь, будет создавать свою череду волн. Посмотрим, как будут взаимодействовать эти две череды одинаковых волн друг с другом. Что будет происходить при встрече волн, идущих от обоих стерженьков?

Когда встречаются два гребня, вода сильно поднимается вверх; при встрече двух впадин образуется двойное углубление.

Когда же в каком-нибудь месте встречается гребень волн одной череды со впадиной волн другой череды, поверхность воды остается спокойной. В этих местах волны «гасят» друг друга.

На рис. 8 показано, как взаимодействуют две череды волн. Черными дугами обозначены гребни. Если поставить рисунок на уровень глаз и смотреть на рисунок сбоку, то можно увидеть пестрые «штилевые» дорожки — места, где волны «гасят» друг друга.

Итак, волны, одинаковые по частоте и амплитуде, встречаясь друг с другом, могут в одних местах усилить друг друга, а в других — ослабить или вовсе погасить. Такое явление называется интерференцией.

Это явление характерно только для волн. Если в каком-либо опыте мы наблюдаем интерференцию, это означает, что налицо какой-то волновой процесс.

Устойчива ли картина интерференции. Будет ли картина интерференции устойчивой, или она каждое мгновение будет заменяться другой? Как вы увидите дальше, этот вопрос очень важен.









Рис 8. Наложение волн от двух одинаково колеблющихся источников




Проследим за некоторой точкой на поверхности воды, по которой расходятся две череды одинаковых волн. Пусть в этой точке плавает пробка. Мыслимы три случая. Под влиянием двух одновременно действующих последовательностей волн пробка будет либо находиться в покое, либо колебаться, либо попеременно то покоиться, то колебаться. Что же происходит в действительности?

На рис. 9 А крестиками нарисована волна одной череды, а пунктиром — волна другой череды. Это случай, когда гребень одной волны попадает на впадину другой и наша пробка будет покоиться. На рис. 9 Б гребень волны одной череды совпадает с гребнем волны другой череды, а впадина со впадиной; пробка будет колебаться с двойным размахом (сплошная линия). Все промежуточные случаи — это случаи нерегулярных («несинусоидальных») колебаний, амплитуда которых беспорядочно меняется по величине.

В нашем случае оба источника порождают волны так, что вершины гребней (или низшие точки впадины) появляются одновременно и расходятся эти волны от источников с одинаковой скоростью.

Предположим, что пробка лежит на одинаковых расстояниях от обоих источников. Тогда гребни волн той и другой череды будут доходить до нее одновременно, и она будет колебаться с удвоенным размахом.

Удалим один из источников от пробки вдоль линии, связывающей пробку с источником, на одну, две, три, словом, на целое число длин волн. Тогда вдоль этой линии гребни и впадины от этой череды волн останутся на своих местах. Пробка опять будет колебаться с удвоенным размахом.









Рис. 9. Сложение волновых колебаний. Волны одной череды обозначены крестиками, волны другой череды — пунктиром; сплошная жирная линия — результат сложения колебаний. На рис. 9А разность хода волн равна λ/2, на рис. 9Б — нулю




Мы вправе сделать общий вывод о том, от чего зависит характер колебания данной точки (пробки), если на нее воздействуют одинаковые волны из двух источников. Если расстояния от источников одинаковы, то размах колебаний точки удваивается. Если расстояния неодинаковы, но в разности этих расстояний укладывается целое число волн, то происходит опять удвоение амплитуды колебаний. Говорят, что это случай, когда «разность хода волн» равна нулю либо целому числу волн. «Разность хода волн в данной точке» — это разность расстояний от данной точки до источников света, измеренная в длине волны.

Если разность хода волн составляет половину длины волны или целое число с половиной, то гребень одной волны будет всегда совпадать со впадиной другой — волны в этих точках погасят друг друга. В промежуточных точках будут происходить колебания с размахами, промежуточными между нулевым и удвоенным.

Итак, результат интерференции в любой точке определяется только разностью хода волн от источников до этой точки. А разность хода волн со временем не меняется, если источники неподвижны. Следовательно, картина интерференции в целом будет устойчивой. Ее нетрудно изучать, а из этого изучения делать необходимые выводы.




Дифракция волн


Рассмотрим еще одно важное свойство волн. Мы уже упоминали о нем: волны способны огибать препятствия. Находясь за углом дома, мы хорошо слышим гудок автомобиля, проезжающего по улице. Звук — это волны уплотнений и разрежений воздуха. Если мы слышим звук, когда его источник находится за углом, значит, звуковые волны огибают угол. Волны огибают препятствия, т. е. изменяют направление, проходя возле края препятствия. Это огибание волн возле края препятствия называется дифракцией.









Рис. 10. Дифракция водяных волн при прохождении щели О в плотине (схема). Щель О является как бы источником волн, распространяющихся правее ее. Стрелками указаны направления движения волн




Пусть в водоеме (рис. 10) ритмично колеблется бревно АА. От него бегут вправо «плоские» водяные волны и достигают плотины ББ с узким отверстием О. За плотиной волны будут уже не плоскими, а круговыми. Они разойдутся во все стороны от отверстия, как будто бы отверстие само является источником круговых волн. Водяные волны, пройдя сквозь отверстие в плотине,, меняют свое направление (на рисунке эти направления показаны стрелками). Здесь мы наблюдаем дифракцию водяных волн при прохождении их сквозь узкое отверстие.

Дифракция, как и интерференция, присуща только волновым процессам.

Оба эти явления сыграли решающую роль в спорах о природе света.




Волновые свойства света. Опыт Юнга


Ньютоновская корпускулярная гипотеза света господствовала очень долго — более полутораста лет. Но вот в начале XIX века английский физик Томас Юнг (1773—1829) и французский физик Огюстен Френель (1788—1827) произвели такие опыты, которые убедили физиков, что свет это не корпускулы (частицы), а волны.









Рис. 11. Опыт Юнга, или дифракция света от двух щелей (схема)




Юнг был убежден, что ньютоновы кольца — это результат интерференции световых волн. Чтобы доказать, что свет — это волны, он придумал такой опыт. Юнг взял непрозрачную пластинку и прорезал в ней две узкие параллельные щели. С одной стороны он осветил эти щели пучком параллельных одноцветных лучей, а с другой стороны поставил экран (рис. 11). Ученый рассуждал так. Вдоль лучей (на рисунке слева) идут плоские волны света. Они падают на щели. Если свет — это волны, то позади щелей А


и А


будет происходить световая дифракция. Щели А


 и А


можно рассматривать как источники одноцветного света. От них вправо световые волны пойдут в виде цилиндрических (а в разрезе — круговых). Череда волн света, идущих от щели А


пересечется с чередой волн от щели А


. Поэтому справа должны также наблюдаться и все явления интерференции. В местах, где «гребень» одной череды волн встретится со «впадиной» другой череды, будет потемнение. А там, где совпадут два «гребня» (а затем две «впадины»), произойдет усиление света. На экране справа должны появиться светлые (одноцветные) и темные «интерференционные» полосы.

Юнг оказался прав. Он проделал задуманный опыт и получил полосы интерференции. В основе этого опыта лежит явление дифракции света. Поэтому опыт Юнга называют еще дифракцией от двух щелей.

Немного позднее новый опыт, подтверждающий волновую природу света, проделал Френель. Он заставил источник света отразиться от двух наклоненных друг к другу зеркал; от обоих зеркал пошли две одинаковые череды отраженных световых волн, которые стали пересекаться. И в этом случае были получены интерференционные полосы.

Так было доказано, что свет обладает волновыми свойствами.

Но что это за волны, в начале XIX века никто не знал. Конечно, эти волны не похожи на водяные. Гребней и впадин вдоль светового луча нет. Физики полагали, что это какие-то упругие волны в мировой среде — эфире. 




Механизм появления интерференции


Ученые всегда стремятся познать не только конечный и видимый результат, но и скрытые внутренние связи, протекающие в данном объекте, механизм, посредством которого реализуется результат. Это помогает им разобраться в наблюдаемом явлении, сделать важные выводы и дальнейшие предположения о его природе. 

Последуем за рассуждениями ученых и попробуем разобраться в механизме появления интерференции. Нарисуем в проекции непрозрачную пластинку с двумя щелями А


и А


и проходящие сквозь них одноцветные лучи 1 и 2 (рис. 12). Оба интерферирующих луча мы берем параллельными; это значит, что геометрическое пересечение их возможно только на бесконечно большом расстоянии. Но с помощью системы линз можно свести эти лучи в одну точку на близком расстоянии (как это осуществляется, мы здесь рассматривать не будем). Расстояние между щелями (а значит, и между лучами) и ширина щелей на рисунке для ясности чрезмерно увеличены; на самом деле они очень малы, порядка тысячных долей миллиметра. Направление лучей мы измеряем углом между лучами и перпендикуляром к непрозрачной пластинке со щелями и обозначаем этот угол греческой буквой φ


 (фи).









Рис. 12. Определение разности хода волн двух параллельных лучей




Ясно, что до взаимной встречи луч 1 должен будет пройти путь больший, чем луч 2, а именно на величину, которая на рисунке обозначена буквами А


Б


. Пусть у этих лучей разность хода волн в точках А


и А


равна нулю. Когда волны света, идущие вдоль луча 1, достигнут точки Б


образуется разность хода волн (по отношению к волнам, идущим вдоль луча 2). Она будет равна отрезку А


Б


.

Что будет на экране в результате взаимодействия лучей, идущих в указанном направлении под углом φ


— усилится яркость света или, напротив, он погаснет?

Это зависит от величины разности хода волн, выражаемой отрезком А


Б


. Если отрезок А


Б


равен целому числу волн (0, λ, 2λ, Зλ, 4λ и т. д.), то в направлении под углом φ


 будет усиление света. Если же отрезок А


Б


равен целому числу волн с половиной (λ/2, 1 1/2λ, 2 1/2λ и т. д.), то в направлении φ


 лучи погасят друг друга.









Рис. 13. Зависимость разности хода волн от угла отклонения лучей




Если мы будем рассматривать другую пару интерферирующих лучей, идущих под углом φ


, то длина отрезка А


Б


т. е. разность хода волн, будет уже другой; это ясно видно на рис. 13 : А


Б


 не равно А


Б


.

Будем последовательно рассматривать пары интерферирующих лучей, начиная с тех, которые идут под углом, равным нулю.

Ясно, что разность хода волн у этой первой пары лучей равна нулю; они усилят друг друга, на экране появится цветная яркая полоса. По мере увеличения угла отклонения лучей разность хода волн будет возрастать и приближаться к λ/2, яркость света в этих направлениях будет постепенно ослабляться. Когда при некотором угле разность хода волн достигнет λ/2, лучи в этом направлении погасят друг друга, на экране будет темная полоса.

При дальнейшем увеличении угла разность хода волн будет возрастать от λ/2 и выше. Яркость освещения в соответствующих местах экрана будет постепенно увеличиваться. Она будет наибольшей, когда разность хода волн достигнет λ. Далее при возрастании угла разность хода волн будет возрастать от λ и выше; когда она достигнет 1 1/2λ на экране снова появится темная полоса.

Так, при возрастании наклона лучей разность хода волн у пары соседних лучей будет поочередно равна 0, λ/2, 1λ, 1 1/2λ, 2λ, 2 1/2λ и т. д., а на экране в соответствующих направлениях будут перемежаться цветные и темные полосы.

Если мы будем освещать щели другими одноцветными лучами, то у них наклон лучей, дающих первую темную полосу, будет уже не тот, что у лучей первого цвета. Это происходит потому, что у них другая длина волны; поэтому отрезок, равный разности хода в полуволну, будет уже не А


Б


, а какой-то другой.

Так представляют себе физики механизм появления световой интерференции.




Как можно измерить длину световой волны


Опыт с интерференцией света замечателен не только тем, что он свидетельствует о наличии у света волновых свойств, он дает возможность измерить и длину волны интерферирующего света.

Рассмотрим на экране (рис. 14) те цветные полосы, в которых лучи света усиливают друг друга, т. е. где образуются «максимумы света». Одна из цветных полос по перпендикуляру от щели будет наиболее яркой; она образуется от лучей, которые идут после прохождения щелей под углом φ


 равным нулю. Физики назвали эту яркую цветную полосу «максимумом нулевого порядка». По обе стороны от нее будут цветные полосы одинаковой яркости, но послабее, чем максимум нулевого порядка. Это — максимумы первого порядка.









Рис. 14. Схема образования в дифракционной решетке светового максимума первого порядка, из рассмотрения которого измеряется длина волны света 




За ними последуют максимумы следующих порядков. Разность хода волн у лучей, образующих максимумы первого порядка, равна А


Б


 = λ, т. е. одной длине волны. А под каким углом φ


идут лучи, образующие этот максимум? Этот угол можно измерить из установки. Для этого нужно измерить на экране расстояние между максимумами нулевого и первого порядков М


М


, а также расстояние от пластинки со щелями до экрана A


M


. И то и другое сделать нетрудно. А измерив эти расстояния, можно или построить или, еще лучше, рассчитать интересующий нас угол φ


 согласно правилам тригонометрии.

А когда мы будем знать величину угла φ


, тригонометрия нам поможет найти связь между тремя величинами: длиной волны λ, расстоянием между центрами двух щелей A


A


 = d и углом φ


под которым образуется максимум первого порядка. На рисунке 14 длина волны λ представлена отрезком («разностью хода») А


Б


расстояние между центрами щелей — отрезком А


А


, угол φ


 образуется перпендикуляром А


М


и лучом A


M


; но угол, образуемый отрезками А


А


и А


Б


также равен углу φ


, так как эти отрезки перпендикулярны отрезкам А


М


и А


М


. Из рисунка видно, что согласно правилам тригонометрии А


Б


 / А


А


 = sin φ


. Если мы заменим отрезки их физическими значениями, то получим после умножения обеих частей равенства на d:




λ = d sin φ







Итак, мы получили длину волны интерферирующего света и можем подвести итог: чтобы измерить длину волны света, надо в опыте с интерференцией измерить три величины: 1) расстояние между максимумами нулевого и первого порядка, 2) расстояние от пластинки со щелями до экрана (из этих двух измерений мы находим угол φ


, под которым идут лучи, дающие максимум первого порядка), 3) расстояние между центрами щелей. Все эти величины доступны непосредственному измерению.

Заметим, какой сложный процесс мы совершили. Когда мы измеряем, например, длину стола, мы его видим глазами и прикладываем вдоль его длины последовательно какую-либо единицу измерения, например, сантиметр или метр, в результате получаем некоторое число единиц измерения, укладывающихся вдоль длины стола. Это и есть процесс измерения. В луче света мы никаких волн глазами не воспринимаем, а измеряя длину волны света, никаких единиц измерения последовательно ни к чему не прикладываем.

И все же мы достигли положительного результата. Каким образом? Мы построили теорию механизма интерференции. Это обстоятельство, вместе со знанием общих пространственных законов (тригонометрия), позволило нам установить связи искомой длины волны с величинами, которые измеряются уже непосредственно.

Этот путь познания в науке применяется часто.




Как физики различают цветные лучи


Открытие волновых свойств света дало возможность точно характеризовать отдельные цветные лучи света. Два различных цветных луча, как бы ни казались они нам близкими по цвету, отличаются друг от друга длиной волны или частотой.

Из опытов по интерференции света физики научились очень точно измерять длину световых волн различных цветных лучей. Она оказалась чрезвычайно малой. В одном сантиметре укладываются сотни тысяч волн. Поэтому длина их измеряется не сантиметрами, а ангстремами, по имени шведского физика Ангстрема, изучавшего длины световых волн. Ангстрем — это одна стомиллионная доля сантиметра. Обозначается он знаком Å. Длина световой волны крайних красных лучей равна примерно 7500Å, а фиолетовых — около 4000Å. Четыре тысячи ангстрем — это одна двадцатипятитысячная доля сантиметра. Так мала длина волны фиолетового света. Ощущение того или иного цвета в глазу вызывает свет не одной определенной длины волны, а целого диапазона близких волн. Так, ощущение красного цвета вызывает довольно широкий диапазон волн в пределах от 7800Å до 6500Å; ощущение оранжевого цвета вызывают волны в диапазоне от 6500Å до 5900Å и т. д.

Глаза не отличают по цвету двух световых излучений, если их длины волн мало отличаются друг от друга, а прибор дает очень тонкие отличия в длине волн, до десятых и даже сотых долей ангстрема.




Вторая характеристика света — его частота


Длина волны — не единственная характеристика света. Другой его характеристикой является частота света. От длины волны света нетрудно перейти к его частоте. Для этого надо знать его скорость в пустоте, т. е. в пространстве, в котором отсутствует вещественная среда.

Распространяется свет очень быстро. Когда-то даже думали, что он проходит любое расстояние мгновенно. Итальянский ученый Галилей (1564—1642) сомневался в этом и пытался измерить скорость света на опыте. Однако техника опыта в то время была примитивной, при этой технике невозможно было измерить такую огромную скорость, какой оказалась впоследствии скорость света, и опыт Галилея не дал результатов.

Но уже в XVII веке был получен первый положительный результат на основе астрономических наблюдений. Датский астроном Олаф Ремер обнаружил, что систематическое затмение спутника Юпитера запаздывает во времени, если Земля по отношению к Юпитеру находится не в ближайшей точке земной орбиты, а на другом конце диаметра орбиты. Запоздание можно объяснить тем, что свету от Юпитера надо пройти дополнительное расстояние, равное диаметру земной орбиты. Зная диаметр орбиты и время запаздывания, Ремер определил (1675) скорость света в 215 тыс. км в секунду. Теперь мы сказали бы, что ошибка Ремера достигает примерно 28%; но важно было другое: после Ремера уже нельзя было говорить о мгновенном распространении света, и кроме того, Ремеру все же удалось определить порядок величины столь большой скорости, какой является скорость света.

Примерно в то же время, когда шли исследования спектров различных веществ, французский физик Леон Фуко (1819—1868) нашел способ измерить скорость света в земных условиях, в опытах с вращающимися зеркалами. Мы не будем рассказывать об этих опытах. В результате их Фуко нашел, что скорость света равна 298 тысячам километров в секунду. Эта величина отличается от той, какую мы знаем теперь, только на 0,6%! В 1927 году американский физик Майкельсон измерил скорость света и нашел, что она равна 299 796 км в сек. Округляя, говорят, что скорость света равна 300 тыс. км в секунду.

Как ни велика скорость света, но есть такие расстояния, которые свет проходит длительное время. Свет от Солнца до Земли идет около 8 1/2 минут, от ближайшей к нам звезды он идет 4 года, а есть такие удаленные от нас галактики, от которых свет идет миллионы лет.

Очень важно, что скорость света в безвоздушном пространстве не зависит от длины волны: она одинакова для световых излучений любого цвета.

Частота света и длина световой волны связаны со скоростью света так же, как и в случае незатухающих волн на воде. Чтобы узнать частоту красного излучения с длиной волны 7500Å, надо скорость света, выраженную в ангстремах в секунду, разделить на 7500Å ; таким образом находим, что она равна 400 тысячам миллиардов в секунду. Это число — 400 000 000 000 000 — для краткости записывается так: 4·10


, т. е. четыре, умноженное на число, у которого первая цифра единица, а за ней стоит 14 нулей, или 4, умноженное на десять в четырнадцатой степени. Частота в одно колебание в секунду носит название цикла, или герца (мегагерц равен миллиону герц). Таким образом, частота красного света равна 4·10


 циклам.

Частота фиолетового излучения равна 750 тысячам миллиардов, или 7,5·10


 циклам. Она, как видим, больше, чем у красного излучения, почти в два раза.

Итак, физики получили две характеристики одного и того же цветного луча: длину волны и частоту.

В этой книжке мы будем применять иногда одну характеристику, а иногда другую. Переход же от одной характеристики к другой очень прост.




От призмы к спектрографу


Опыты с призмой показали, что как бы мало ни отличался один луч света от другого по частоте световой волны, он по-своему преломляется в призме и потому занимает в спектре свое, определенное место.

Этот факт и использовал немецкий физик Густав Кирхгоф (1824—1887) в конце 50-х годов прошлого века, когда потребовалось выяснить, отличается ли по цвету пламя, окрашенное парами стронция, от пламени, окрашенного парами лития.

Установка Ньютона была усовершенствована. У Ньютона она была громоздкой, начиналась со щели в ставне, а кончалась цветной полосой на противоположной стене. Теперь вся установка была смонтирована в виде небольшого переносного прибора, состоящего из призмы и трех оптических трубок (рис. 15). Этот прибор и получил название спектроскопа.









Рис. 15. Общая схема спектроскопа (рисунок взят из книга Д. И. Менделеева «Основы химии»). Призма А находится в центре столика. Перед трубкой Б ставят горелку с окрашенным пламенем. В трубку В наблюдают. В трубке Г находится освещенная шкала, которая отражается от боковой грани призмы, как от зеркала, и также видна через трубку В




Посмотрим, как он работает. Пусть в окрашенном пламени имеется два цвета, например, красный и фиолетовый. Лучи от этого пламени попадают в щель М, прорезанную в заслонке А на одной из трубок спектроскопа (рис. 16). Пройдя щель, лучи падают расходящимся пучком на линзу (двояковыпуклое очковое стекло) Б. Эта линза поставлена так, что лучи, пройдя ее, дальше идут параллельно и попадают на призму В. До призмы все лучи, независимо от цвета, идут по одному направлению. На гранях призмы красные и фиолетовые лучи преломляются по-разному. После призмы они идут разделенными. На рис. 16 показано, как из призмы В вышли два цветных пучка и упали на линзу Г. Линза Г собирает каждый цветной пучок лучей: красный — в точке К, фиолетовый — в точке Ф.

Надо помнить, что на рисунке все показано в разрезе: щель в заслонке А нарисована в виде точки М, а на самом деле она идет под прямым углом к плоскости бумаги; точки К и Ф также на самом деле не точки, а цветные линии, — это изображения щели А, которые образуются разными по цвету лучами. Такие линии рассматриваются сквозь увеличительную линзу Д.

На изображения щелей, т. е. на линии К и Ф, накладывается еще изображение особой шкалы, помещенной в третьей трубке Г (рис. 15).









Рис. 16. Ход лучей в спектроскопе 




Шкала заранее проградуирована, т. е. заранее промерено, какой частоты излучение падает на изображение любого ее деления. Такой прибор называют спектрографом. Работа с прибором упростилась: достаточно взглянуть в трубку спектрографа — и отсчет по шкале показывает, каковы частоты излучений (или длины волн), испускаемых источником света.

Вскоре физики еще более усовершенствовали спектрограф: в зрительной трубке был поставлен фотоаппарат. Спектры уже не наблюдают непосредственно глазом, их фотографируют, а фотографии тщательно изучают.

Так в XIX веке родился замечательный прибор — спектрограф.




Свет рассказывает о составе веществ





Химики заводят спектральную книгу


Теперь ученые получили в свои руки мощное орудие исследования света — спектрограф. Они стали рассматривать через этот прибор пламя горелки, окрашенное парами различных металлов—натрия, калия, лития и других.

Спектры окрашенного пламени представляли собой любопытную картину. В разных частях шкалы на черном фоне загорались цветные линии. У натрия загорелась всего только одна линия — желтая; позднее в более мощный спектроскоп физики рассмотрели, что на самом деле это две, очень близко расположенные линии 5890Å и 5896Å. У калия были три линии: две красные рядом друг с другом и фиолетовая вдалеке от них.

Такие спектры из отдельных линий были названы линейчатыми (см. приложение II; две желтые линии натрия и две красные линии калия на рисунке сливаются в одну).

С помощью нового прибора легко был решен вопрос: чем отличается малиново-красное пламя раскаленных паров лития от малиново-красного пламени паров стронция. В спектроскоп было видно, что спектр лития состоит из двух линий: красной — 6708Å[1 - То есть соответствующей излучению с длиной волны, равной 6708 ангстремам; в дальнейшем мы будем выражать эту мысль коротко: излучение с линией во столько-то ангстрем или еще короче: линия 6708Å.] и оранжевой — 6108Å, а спектр стронция состоит из многих линий, среди которых есть фиолетовая — 4077Å, несколько голубых — 4872Å и другие, несколько зеленых — 5257Å и другие, несколько желтых — 5504Å и другие и красная — 6410Å. В обоих спектрах самые яркие линии — красные; потому-то для глаз пламя кажется окрашенным одинаково и парами лития, и парами стронция.

Химики испытали не только раскаленные пары металлов, но и пары других веществ и нашли, что каждое вещество, если только его можно превратить в раскаленный газ, испускает свой особенный спектр. Вскоре был выведен общий закон: раскаленные пары каждого вещества испускают спектр излучений, свойственных только этому веществу.

Ученые решили определить спектры, испускаемые каждым химическим элементом, и занести эти спектры в особую спектральную книгу. Если кому-нибудь понадобится узнать состав какого-либо сложного вещества, достаточно рассмотреть спектр этого вещества через спектроскоп или, еще лучше, заснять его с помощью спектрографа и сравнить со спектрами в справочной спектральной книге.

Началась упорная работа. Справочная спектральная книга быстро заполнялась. Скоро ученые установили и внесли в спектральную книгу спектры всех известных химических элементов. С помощью спектрографов физики и химики исследовали спектры и установили состав минералов, золы, клеток растений, крови человека; определили, какие вещества уходят с заводов вместе с дымом и отбросами производства. Они узнали также состав многих не исследованных до того химических соединений и смесей.

Начало всей этой работе по исследованию спектров излучений различных веществ положил упомянутый выше немецкий физик Кирхгоф.

Почему каждый элемент испускает излучение не одной частоты (длины волны), а целый спектр, т. е. набор излучений многих частот (длин волн), никто пока еще не знал. Это было принято как факт, смысл которого был раскрыт много позднее. Об этом мы расскажем в других главах книжки.




Спектрограф обнаруживает неизвестные элементы


Спектрограф стал незаменимым помощником химика.

До появления спектрографа существовали элементы, которые скрывались от глаз химика, от его приборов, от его средств исследования. Чувствительность тех средств исследования, которыми владели химики, была недостаточной, чтобы обнаружить мельчайшие количества этих элементов. К тому же они часто оказывались химически очень схожими с другими, известными элементами, которых они обычно сопровождали в природе. Таких неразлучных спутников химически трудно различить. Химик мог держать незнакомые ему элементы в руках в различных смесях, процеживать и выпаривать их, но ничего не знать об их существовании. Они оставались элементами-невидимками.

Теперь спектрограф позволил обнаруживать даже очень малые количества этих элементов — десяти- и стомиллионные доли грамма, а в некоторых благоприятных случаях даже и сотые доли стамиллионных долей грамма. Собственный свет выдавал их. Элементы-невидимки перестали быть невидимыми.

Однажды, исследуя саксонский минерал лепидолит, химики обнаружили в его спектре пять новых, еще неизвестных линий: темно-красные линии — 7950Å и 7811Å, фиолетовую — 4201Å и небесно-голубые — 4593Å и 4555Å. Потом те же линии были найдены в спектрах золы некоторых растений, в спектрах некоторых минералов и минеральных вод. Пять указанных линий всегда сопутствовали друг другу, и лишь в спектре гранита, привезенного с острова Эльбы, были найдены только две небесно-голубые линии 4593Å и 4555Å. Эти линии еще не значились в справочной книге спектров. Химики поняли, что новые линии сигнализируют о каких-то, по меньшей мере двух, еще неизвестных элементах. Предстояла задача выделения их из минералов в чистом виде. Но как это сделать?

Химик не затруднится, например, отделить воду от спирта, ибо он знает, что спирт испаряется быстрее, кипит при более низкой температуре. Если кипятить смесь воды и спирта, то в первых порциях пара будет почти чистый спирт. Химик собирает эти первые порции пара, охлаждает их, затем снова кипятит полученную жидкость, опять собирает только первые пары и, наконец, получает чистый спирт. Это называется перегонкой.

В других случаях для выделения какого-нибудь вещества из смеси приходится проделывать другие, часто сложные операции. Но во всех этих операциях всегда используются какие-либо известные различия в свойствах смешанных веществ.

Теперь задача была значительно труднее: выделить из смеси элементы, присутствие которых спектрограф обнаружил, но химические свойства которых еще никто не знал. Тем не менее вскоре химикам удалось получить чистый элемент, у которого в спектре были две красные линии и одна фиолетовая. Этот элемент оказался металлом. За рубиновый цвет испускаемых им лучей он был назван рубидием. Вслед за ним был выделен и другой элемент, с небесно-голубым цветом испускаемых лучей; он был назван цезием. Это тоже металл. И рубидий и цезий по химическим свойствам похожи на металлы натрий и калий и в природе часто их сопровождают, но встречаются эти металлы всегда в крайне малых количествах. Так, в минерале карналитте оба металла вместе составляют всего 25 тысячных долей процента. Поэтому-то их и не могли открыть обычными химическими средствами.

Как ни схожи химически рубидий и цезий друг с другом, все же это различные металлы. И различаются они не только своими спектрами, но и другими физическими свойствами. Так, рубидий в полтора раза тяжелее воды, а цезий почти в два с половиной раза; рубидий плавится при 39°, а цезий — при 27°.

Открытие рубидия и цезия было торжеством нового метода исследования — спектрального анализа вещества. Это было в 1860 году.

Вскоре последовали новые открытия. В 1861 году при исследовании спектров отбросов производства с сернокислых заводов была обнаружена неизвестная дотоле зеленая линия 5851Å. Новый элемент был выделен. Он оказался мягким белым металлом. За зеленую линию в его спектре он был назван таллием (по-гречески — зеленая ветка). Этот элемент встречается в небольших количествах в осадках, скопляющихся в трубах заводов, в которых сжигается сера.

В 1863 году с помощью спектрографа был открыт новый элемент с густой синей (индиговой) линией 4511Å в спектре. Это был тоже металл. За индиговый цвет линии он был назван индием.

На протяжении немногих лет одно открытие новых элементов следовало за другим. Так бывает всегда, когда находят мощный метод исследования, основанный на принципиально новых только что открытых закономерностях природы. Тогда человек становится сильнее и зорче, и перед его взором быстро раскрываются новые обширные картины природы.




Спектрограф подтверждает предсказания Менделеева


В эти же годы великий русский ученый Д. И. Менделеев (1834—1907) изучал связь химических свойств элементов с их атомными весами. Он нашел, что если расположить все элементы в один ряд по возрастающим весам их атомов, начиная с самого легкого и кончая самым тяжелым, то химические свойства элементов в этом ряду будут периодически повторяться. Через определенные промежутки в ряду встречаются элементы, близкие по своим свойствам.

Открыв эту замечательную закономерность, Менделеев решил выразить ее в более наглядной форме. Он начертил таблицу, в клетки которой вписал все известные тогда элементы. В первую клетку он поставил самый легкий элемент — водород; второй известный тогда элемент — литий — он поставил под водородом, так как литий был похож на водород по химическим свойствам (рис. 17). Далее в одной строке с литием шли бериллий, бор, углерод, азот, кислород и фтор, различные по их свойствам. Следующий по атомному весу был натрий. По химическим свойствам он был «родственником» лития, и Менделеев поставил его в следующей строке, в столбце под литием. По атомному весу за натрием шел магний. И замечательно: магний был похож по химическим свойствам на бериллий — своего предшественника по столбцу, соседа лития. Наконец все элементы были размещены. В каждом столбце таблицы оказались химически схожие друг с другом элементы: в одном — водород, литий, натрий, калий, медь, рубидий и другие; в другом — бериллий, магний, кальций, цинк и другие; в третьем — бор, алюминий, скандий, галлий и другие. Всего столбцов оказалось восемь. Эта таблица обычно называется периодической таблицей Менделеева. Часть периодической таблицы Менделеева, как она выглядит в наше время, приведена на рис. 17.









Рис. 17. Верхняя часть периодической  таблицы Менделеева. Гелий, занимающий второе место в таблице, и все инертные газы (неон, аргон и другие) находятся справа в столбце, который здесь не показан. Цифры в клетках означают: верхняя — порядковый номер элемента, нижняя — его атомный вес




Менделеев сделал вывод о существовании естественной последовательности элементов. «Свойства простых тел (элементов. — С. С.) ... находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов» — писал он в 1869 году. Этими словами Менделеев выразил открытый им великий закон природы.

Заполняя свою таблицу, Менделеев некоторые клетки оставлял пустыми. Мы помним, что все известные элементы он располагал по возрастающему атомному весу. И вот в некоторых случаях очередной элемент оказывался не похожим по своим химическим свойствам на элементы очередного столбца. Клетку приходилось пропускать. Это было оправдано: очередной элемент по своим свойствам оказывался похожим на элементы в следующем столбце. Туда его и помещал Менделеев. Но как же быть с пустыми клетками? Глубоко убежденный в справедливости открытого закона, Менделеев заявил, что пустые клетки рано или поздно должны быть заполнены: в природе есть еще неизвестные нам элементы, которые по своим свойствам должны занять место как раз в пустых клетках.

Это было смелое утверждение ученого, уверенного в своей научной теории, в великой познавательной силе человеческого разума. Менделеев предсказал не только существование новых элементов. Он заранее описал их атомные веса и химические свойства — свойства элементов, которых еще никто никогда не видел! Фридрих Энгельс назвал это предсказание Менделеева великим научным подвигом.

Уже по одной возможности предсказывать еще не открытые элементы и их свойства видно, что периодический закон Менделеева — величайший закон природы. В нем были обобщены в единой системе химические свойства дотоле разрозненных элементов. Впервые благодаря открытию этого закона химики ощутили необходимость изучить причины периодичности химических свойств элементов, «заглянуть» в глубь атомов и там найти объяснение стройной периодической системе. Менделеев писал об атоме: «В частичке вещества химик видит, как бы ощущает отдельные части, независимые органы и общую связь частей; словом, для него это есть целый организм, живущий, движущийся и вступающий во взаимодействие». А до Менделеева атом считался простым неделимым комочком материи, а «не целым организмом». С открытием периодического закона начинается новый этап развития химии.

Свои предсказания новых элементов Менделеев сделал в 1871 году. И уже в 1875 году в спектре минерала цинковой обманки с Пиренейских гор были обнаружены две новые фиолетовые линии — 4171Å и 4031Å, и вскоре было выделено несколько сотых долей грамма мягкого синевато-белого металла. Химические свойства этого металла и его атомный вес в точности совпали со свойствами и атомным весом предсказанного Менделеевым металла, который он в свое время назвал экаалюминием. Новый металл, открытый французским ученым Буабодраном и названный им в честь Франции галлием (Галлия — старинное наименование Франции), заполнил заранее приготовленную для него Менделеевым табличную клетку. Позднее были найдены и другие элементы.

Так спектроскоп помог подтвердить справедливость и глубочайшее значение закона, открытого нашим гениальным соотечественником.




Спектральный анализ веществ в современной промышленности


Открытия, о которых здесь рассказывается, происходили почти сто лет назад. Но плоды их в больших масштабах пожинаются только в последние десятилетия. В то время о спектральных свойствах вещества знали только ученые. В наше время спектральный анализ веществ широко применяется в промышленности.

Современная промышленность немыслима без точного и быстрого контроля за качеством обрабатываемых материалов и выпускаемой продукции. А в этом деле спектральный анализ вещества незаменим.

Так, промышленность в наше время предъявляет исключительно высокие требования к качеству металлов. Современные машины и инструменты работают в самых разнообразных режимах температур, давлений, скоростей, электрических и магнитных полей. Возьмем, к примеру, режущий инструмент. При огромных скоростях резания металлов возникают высокие температуры, при которых обычная сталь может потерять свою закалку. Нужна специальная инструментальная сталь. Она не должна снижать своих режущих свойств даже при температуре в 600 градусов. В других случаях нужна сталь, устойчивая к действию кислорода, неокисляющаяся. В двигателях внутреннего сгорания выпускные клапаны работают при очень высокой температуре. Сталь, из которой вырабатываются клапаны, должна быть жароупорной. В динамомашинах и трансформаторах необходима сталь, которая может быстро и почти полностью терять намагниченность. Орудийная сталь должна быть особенно прочной на разрыв. Автомобильная и особенно авиационная промышленность предъявляет к металлам свои требования. Применяемые ими металлы, кроме свойств, необходимых в любом машиностроении, должны обладать еще одним свойством — легкостью. Особо высокие требования к качеству материала выдвигает современная ракетная техника, и особенно в отношении свойств жароупорности. Существуют тысячи различных марок металлов, используемых в современной промышленности.

Но в природе нет металлов, удовлетворяющих всем требованиям, которые предъявляет к ним человек. Сталь подходит для авиамотора по прочности, но тяжела. Алюминий легок, но не прочен. Так бывает во многих случаях: подходят одни свойства металла, но не годятся другие.

Человек сам создает металлы, отвечающие его многообразным требованиям. Он упрочняет легкий алюминий, добавляя к нему небольшие дели «присадок» — кремния, марганца, магния, меди. Соединяя железо с углеродом, хромом и кремнием, он выплавляет жароупорную сталь для электропечей, для выпускных клапанов моторов. Добавляя к обычной стали вольфрам, хром и ванадий, он превращает ее в быстрорежущую, инструментальную.

Тысячи различных сортов сплавов применяются в современной промышленности. Из природных, не всегда подходящих материалов человек создает новые материалы с теми свойствами, которые ему нужны.




Экспресс-контроль металлических сплавов


Свойства сплавов зависят от того, в каком соотношении взяты исходные материалы. Достаточно незначительного изменения доли одного из составляющих металлов, как свойства сплавов резко меняются.

Поэтому в промышленности сильно возросли требования к контролю за составом металлических сплавов. Этот контроль нужен во всех стадиях производства: при плавке металла, при пуске металлических заготовок в обработку, при приемке собранных машин.

Современная промышленность отличается высокими темпами работы, большими требованиями к точности и качеству изделий, массовостью производства. К контролю она предъявляет особые требования: он должен быть дешевым, чувствительным и, что особенно важно, быстрым.









Рис. 18. Образование электрической дуги между испытуемым образцом и стандартным электродом




Если бы контрольная лаборатория установила, что плавка непригодна только через неделю после ее окончания, такой контроль принес бы мало пользы. Анализ плавки нужно дать через несколько минут после получения пробы, чтобы в случае необходимости можно было исправить состав сплава в самом ходе плавки. Анализ состава заготовок ценен, когда он производится на ходу, до их обработки, чтобы избежать непроизводительного труда и брака в готовых изделиях. Контроль должен итти параллельно с производством, не задерживая его. Это должен быть экспресс-контроль.

Таким незаменимым экспресс-контролем за качеством металлов и стал спектральный анализ сплавов.

Производится он так. Между образцом взятого для анализа сплава и стандартным электродом создается электрическая дуга (рис. 18). Стандартный электрод делается из того металла, который составляет основу сплава. Так, при контроле сталей он берется из железа, при контроле латуни — из меди. Это делается для того, чтобы спектр стандартного электрода не вносил в спектр испытуемого образца никаких новых линий и не искажал его.

В электрической дуге образуются раскаленные пары сплава и стандартного электрода. Пары излучают спектр. Этот спектр испускания рассматривается в спектроскоп, специально приспособленный для исследования нужных участков спектра. Его называют стилоскопом, что значит — прибор для исследования сталей.

Если исследуется сталь, в стилоскопе видны линии излучений железа и других составных частей сплава.

Процентное содержание этих частей определяется по яркости линий. Чем выше в сплаве доля атомов данного элемента, тем ярче будут спектральные линии этого элемента.









Рис. 19. Определение процентного содержания хрома в стали по яркости линии хрома




Приемы определения яркости линий присадочных металлов различны. Наиболее ходовой прием — сравнение этих линий по яркости со специально избранными линиями железа в той же картине, видимой в стилоскопе. Если линия хрома 4254,3Å столь же ярка, как и линия железа 4247,4Å, то хром составляет в сплаве 0,12 процента. Если та же линия хрома несколько ярче, чем линия железа 4260,5Å, то хрома в сплаве около 6 процентов (рис. 19).

Точно так же определяют количества других металлов-присадок. Полный спектральный анализ сплава из 6—7 металлов занимает 2—3 минуты.

В настоящее время разработаны и широко применяются и другие приемы экспресс-анализа. Очень быстро и точно можно определить состав сплава путем сравнения его спектра со спектрами стандартных образцов сплавов, состав которых известен заранее.

Экспресс-контроль сплавов в ходе производства — наиболее показательный пример практического применения спектроскопа. Так наука о свете помогает решать важную народнохозяйственную проблему.




Рассказы света о далеких звездах





Сплошной спектр твердых веществ


Читатель, вероятно, обратил внимание на то, что линейчатые спектры ученые получали от раскаленных паров металлов. Физики рассмотрели также спектры и от твердых раскаленных металлов. Всякий по опыту знает, что металлы при нагревании краснеют, а затем, раскалившись, испускают белый свет. Таков, например, свет от раскаленного металлического волоска электрической лампочки. Каков же вид спектров у раскаленных твердых веществ?

Если их свет пропустить сквозь призму, то на экране засветятся не отдельные цветные линии, а широкая разноцветная полоса. В этой полосе лежат лучи всевозможных длин волн, от 4000 до 8000 ангстрем.

Такой спектр, в отличие от линейчатого, испускаемого парами металлов, называют сплошным. Итак, спектр твердых раскаленных веществ — сплошной спектр.




Темные линии в солнечном спектре


Долгое время солнечный спектр тоже считали сплошным. Но уже в начале прошлого столетия (1817) физики разглядели в солнечном спектре разрывы—темные линии. Эти темные линии по имени немецкого ученого Фраунгофера (1787—1826), впервые изучавшего их, были названы фраунгоферовыми (см. приложение III). Вскоре их насчитали в солнечном спектре несколько тысяч. Наиболее четко выраженные линии были названы латинскими буквами: А, В, С, D и т. д. Эти линии всегда обнаруживались в солнечном спектре при подходящих условиях опыта. Они соответствуют излучениям с вполне определенной длиной волны. Линия А, например, на самом краю красной части спектра соответствует длине волны в 7608Å, линия В в красной части спектра — длине волны в 6870Å, линия С в оранжевой части спектра — длине волны в 6568Å, линия D


в желтой части спектра — длине волны 5896Å. Есть еще линия D


— тоже в желтой части спектра, очень близкая к предыдущей, которая почти сливается с ней; она соответствует длине волны 5890Å.

Темные линии свидетельствуют о том, что в солнечном спектре нет излучений определенных частот. Но почему они отсутствуют?

Это долго казалось загадкой.




Спектры из темных линий


После изобретения спектроскопа ученые пытались воспроизвести темные линии в лаборатории. Сначала надо было получить сплошной спектр всех цветов радуги. Это сделать просто. Как мы знаем, такой спектр дают раскаленные добела металлы. Потом надо было установить, что же следует сделать с лучами, чтобы в спектре появились темные линии. Эта задача была решена следующим образом.

На пути лучей, идущих от раскаленного твердого тела, перед входом их в щель спектроскопа был поставлен закрытый стеклянный сосуд с парами металла натрия. В сплошном спектре, как раз на том месте, где должны были быть желтые линии натрия, появились темные линии. Почему? Не потому ли, что пары натрия, стоявшие на пути лучей, «вырвали» из сплошного спектра желтые лучи, поглотили их? И замечательно: поглотили как раз те лучи, которые пары натрия сами испускают!

Эта догадка была проверена многократно. Ученые ставили на пути белого луча прозрачные сосуды с парами самых различных веществ. Эти опыты всегда показывали одно: пары всякого вещества поглощают излучения именно тех частот, какие они сами испускают. Этот закон открыл и обосновал Кирхгоф.

Новые спектры, состоящие из темных линий на фоне сплошного спектра, стали называть спектрами поглощения. До сих пор мы рассматривали спектры испускания — отдельные цветные линии на темном фоне. Спектр поглощения и спектр испускания как бы дополняют друг друга; их часто называют обращенными по отношению друг к другу. Зная один из этих спектров, можно судить о характере другого спектра того же вещества.

Теперь возможности спектрального анализа чрезвычайно расширились. Исследования спектров поглощения привели к открытию новых элементов — празеодима, неодима, самария, гольмия, тербия.

В периодической таблице Менделеева оставалось все меньше пустых клеток.




Менделеев о будущем спектрального анализа


В разгар первых спектроскопических исследований, в конце 60-х годов, Менделеев работал над своим знаменитым трудом «Основы химии». Это было первое изложение наших знаний о химии на основе только что открытого Менделеевым периодического закона. «Основы химии» Менделеева на многие десятилетия определили пути развития химии. И тогда уже великий ученый понял глубже многих своих современников, как много может дать для изучения атомов новое мощное средство исследования— спектроскопия. Менделеев писал в «Основах химии»: «Спектры поглощения, при обыкновенной температуре получаемые и свойственные веществам во всех физических состояниях, представляют обширнейшее, но еще мало обработанное поле как для теории всей спектроскопии, так и для суждения о строении веществ». И в другом месте: «Спектры делают видимыми многое не только на отдельных громадных мирах, таких, как звезды, но и в безгранично мелких мирах, таких, как частицы, и разработка в этой области обещает многое выяснить в области атомов и частиц».

Надежды, которые Менделеев возлагал на спектральный анализ, полностью оправдались. Спектры помогли ученым изучить и отдаленные громадные миры — звезды, и безгранично малые миры — атомы.




Как было открыто вещество сначала на Солнце, а затем на Земле


Свет помог астрономам получить многие сведения о звездах и других небесных телах.

В 60-х годах прошлого века астрономы обратили внимание на одно интересное явление. В моменты полного солнечного затмения, когда диск Солнца закрыт от нас Луной, в телескоп видно, как из-за края темной Луны вырываются огненные языки. Эти огненные языки — огромные взрывы на Солнце, которые поднимают на сотни тысяч километров вверх раскаленные пары различных веществ. Эти огненные языки назвали протуберанцами.

Астрономы заинтересовались: какой спектр у протуберанцев?

Во время очередного солнечного затмения, в 1868 году, удалось рассмотреть спектр протуберанца. Ученые увидели в спектрограф несколько отдельных линий, и среди них одну незнакомую желтую линию. Линия была похожа на натриевую, но все же не была натриевой. Линия натрия — 5890Å, а это была линия 5875Å (см. приложение IV). Такой линии в справочной спектральной книге не было — ее еще никто не встречал.

По поводу этой линии среди ученых возникли споры. Одни утверждали, что это все же линия натрия. Другие решили, что линия принадлежит неизвестному элементу, который встречается только на Солнце. Они назвали его гелий, что значит — солнечный. Химики стали искать гелий на Земле. Искали год, другой, десять, двадцать лет — гелия на Земле не находили. Некоторые ученые даже сомневались в том, что гелий вообще существует где-либо в природе. Но гелий все-таки существовал, и существовал как на Солнце, так и на Земле. Его нашли в норвежском минерале клевеите в 1895 году, через 27 лет после открытия на Солнце. Спектральные линии найденного в клевеите газа позволили установить, что это тот самый гелий, который когда-то открыли на Солнце. Это был легкий газ, самый легкий после водорода. Легкость гелия навела химиков на мысль: где бы в Земле ни скрывался гелий, он в конце концов должен проникнуть на поверхность и накопиться в воздухе. Значит, гелий следует искать в воздухе. Начались поиски гелия в воздухе. И снова помог спектроскоп: гелий был найден в воздухе.

Спектроскопические исследования воздуха помогли установить наличие в нем и других газов — криптона и неона. О существовании этих газов химики до тех пор ничего не знали. Их доля в воздухе очень мала; криптон, например, занимает только пять стомиллионных долей общего объема воздуха. Эти газы крайне трудно соединяются с другими элементами. За это свойство их назвали инертными, т. е. бездеятельными газами.

В настоящее время некоторые из этих газов добывают в большом количестве. Их применяют в науке и технике. Гелием наполняют дирижабли. Гелий научились сжижать, а сжижается он при температуре, близкой к абсолютному нулю (около —270° Цельсия). При низкой температуре жидкого гелия исследуют свойства различных других веществ. Это много дает науке в раскрытии закономерных связей молекул и атомов между собой. Неон мы встречаем часто: он светится красным светом в рекламах в наших городах.




Разгадка темных линий в солнечном спектре


Уже давно было замечено, что две желтые линии в спектре испускания натрия совпадают с темными фраунгоферовыми линиями D


и D


солнечного спектра. Долгое время это совпадение считали простой случайностью. Но когда физики изучили спектры поглощения натрия, они подумали: нет ли здесь разгадки темных линий в солнечном спектре? Не появляются ли темные линии D


и D


потому, что белые солнечные лучи где-то на пути встречают пары натрия, и те поглощают желтые лучи? Словом, физики задумались над тем, не являются ли линии D


и D


спектрами поглощения натрия. Если это верно, то и другие фраунгоферовы линии должны являться спектрами поглощения каких-то других элементов. Разгадка этого много сулила науке.

Физики стали напряженно изучать фраунгоферовы линии. Мы помним, что их в солнечном спектре много тысяч. Скоро физики разобрались почти во всех линиях. Они опознали в них спектры поглощения и кислорода, и железа, и кальция, и многих других элементов. Во фраунгоферовых линиях отразилась сразу почти вся спектральная справочная книга, только спектры здесь были «обращенными» — вместо цветных линий темные, на фоне сплошного солнечного спектра.

Стало ясно, что солнечный луч встречает на своем пути пары почти всех элементов. Но где? В земной атмосфере? Состав земной атмосферы был уже достаточно хорошо известен. В ней значительно меньше элементов, а паров металлов нет совсем. Земной воздух может вызвать линии только немногих элементов, например кислорода. К тому же линии земного происхождения легко распознать: четкость их меняется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом, т. е. меняется на протяжении дня. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем большую толщу воздуха должны пронизывать его лучи, тем больше усиливаются темные линии, вызванные поглощением в толще воздуха. Фраунгоферовы же линии остаются неизменными. Они явно не земного происхождения.









Рис. 20. Звездные спектры. Вверху спектр звезды Бетельгейзе, внизу спектр звезды Дельта из созвездия Близнецов




Может быть, пары элементов носятся в межзвездном пространстве? Но тогда спектры поглощения Солнца и других звезд были бы одинаковыми. На самом деле этого нет: спектры различных звезд отличаются друг от друга (рис. 20).

Остается только одно предположение: линии поглощения в солнечном спектре появляются как результат действия не околоземной или межзвездной среды, а среды, связанной с самим Солнцем. Раскрылась следующая картина: белый солнечный свет рождается внутри Солнца; по пути к нам он проходит сквозь внешнюю оболочку Солнца, которая и поглощает часть излучения.

Стало ясно, что фраунгоферовы линии в солнечном спектре раскрыли нам не что иное, как состав элементов, из которых состоит солнечная оболочка.




Свет рассказывает о составе звезд


Физики, химики и астрономы принялись за изучение спектров небесных тел. Для каждой звезды была составлена спектральная «справочная книга». Так, в 70-х и 80-х годах прошлого века возникла новая паука — наука о химическом составе звезд.

В это время Московской университетской обсерваторией руководил выдающийся русский астроном Ф. А. Бредихин. Под его руководством в обсерватории фотографировались и изучались спектры Солнца, звезд, комет и туманностей. По свидетельству другого знаменитого русского астронома, А. А. Белопольского (1854—1934), Бредихин «делает труднейшие по тому времени спектроскопические наблюдения, и его измерения спектральных линий комет и газообразных туманностей по точности превосходили все тогда известные измерения». Эти измерения явились большим вкладом в науку о составе небесных тел. Уже в 1885 году в журнале Русского физико-химического общества был напечатан «Свод сведений» о химическом составе Солнца и других звезд. Химический состав звезд был прочитан по спектрам поглощения.

Астрономы приспособили спектрограф для своих целей. Они приладили его к телескопу, который заменил в нем трубку с линзами (трубку Б на рис. 15). Вместо настольного получился звездный спектрограф (с телескопом), размещаемый в специальной вращающейся башне.

С помощью звездного спектрографа астроном фотографирует спектр нужной ему звезды. Но работа астронома на этом не кончается; фотография спектра — это лишь заготовка материала для исследования. Потом начинается кропотливая работа по расшифровке звездных фотоспектров.

Первый спектрограф в Пулковской обсерватории построил в 1892 году А. А. Белопольский, ученик Бредихина. Белопольский проделал громадную по объему и изумительную по тонкости работу по спектральному анализу звезд и других небесных тел. Его спектрографические фотоснимки до сих пор дают замечательный материал для исследования звездных миров.

Изучение звездных спектров ведется и сейчас.

В атмосфере Солнца уже найдено свыше 60 элементов. Большую долю (по объему) составляет водород — свыше 80 процентов, затем гелий — свыше 18 процентов. На остальные элементы приходятся очень малые доли. Возможно, что на Солнце есть все элементы менделеевской таблицы, но наши инструменты еще слабы и не отмечают их спектров.

Так же тщательно астрономы определяют химический состав и других звезд.

И сколько ни изучают астрономы небо с помощью спектрографов, они нигде больше не находят ни одного нового элемента, неизвестного на Земле. Весь звездный мир, куда только ни проникал человек своим умственным взором, состоит из тех же элементов, какие мы встречаем на Земле.

По-видимому, во всем обозримом нами мире нет условий для образования других элементов.




Куда движутся звезды


Чем больше ученые изучали свойства света, тем больше свет рассказывал им о тайнах природы. Много труда на изучение свойств света положил астроном А. А. Белопольский.

Почти до конца прошлого века астрономы не могли решить вопрос: как узнать, куда движется та или иная звезда, приближается к нам или удаляется от нас и с какой скоростью? Астрономы давно научились вычислять, с какой скоростью звезды движутся по направлениям, поперечным к лучу нашего зрения. Но это не давало полной картины их движения: скорость движения по лучу зрения была неизвестна, и астрономы не знали, как ее измерить (рис. 21). Это была, так сказать, «незримая» для нас скорость. А без этой составляющей нельзя было узнать действительное направление движения и скорость звезды.

Белопольский задумался: не расскажут ли нам о движении звезд по лучу зрения звездные спектры? Эта идея была не случайной. Она была основана на сравнении световых явлений со звуковыми.

Представьте себе, что вы стоите у железнодорожного полотна и мимо вас со свистом проносится поезд. Пока поезд приближается, свист так резок, что вам хочется заткнуть уши. Но вот поезд поравнялся с вами и удаляется. Резкий свист сразу сменяется более низким, спокойным гудком. Почему тон свистка выше, когда поезд приближается, и почему он ниже при удалении поезда? Физики давно изучили это явление. Если источник звука, например, свисток, находится в покое, вокруг него равномерно распространяются звуковые волны, т. е. чередующиеся друг с другом сгущения и разрежения воздуха. Где бы ни стоял человек, к его уху волны будут приходить с одинаковой частотой. Но если свистящий паровоз движется, то картина меняется. Впереди него волны сгущаются, как бы набегая друг на друга (рис. 22). Сгущения и разрежения воздуха становятся чаще. Значит, частота воздушных волн изменяется, увеличивается, а длина волны укорачивается.









Рис. 21. Перемещение звезды вдоль луча зрения глазом не отмечается 









Рис. 22. Звуковые волны сгущаются впереди движущегося источника и разрежаются позади него




Это и воспринимается ухом как повышение тона свистка: чем больше частота звуковой волны, тем выше звук. Позади уходящего поезда картина обратная: волны отстают друг от друга, и расстояние между отдельными сгущениями и разрежениями увеличивается. Значит, увеличивается длина волны, уменьшается частота. Это воспринимается ухом как понижение тона.

Стало быть, высота тона или длина волны зависят от того, находится ли источник звука в покое или же он движется в какую-нибудь стороьу.

Эту зависимость установил пражский математик Допплер в 1842 году. Положение, формулирующее эту зависимость, называется принципом Допплера.

Допплер полагал, что этот принцип приложим и к свету, хотя проверить это в то время еще не могли. Ход его мысли был таков: раз свет, как и звук, распространяется волнами, то длина световых волн, приходящих на Землю от движущейся звезды, должна меняться. Можно вычислить, что если звезда удаляется от нас со скоростью, равной одной десятитысячной доле скорости света (т. е. 30 километрам в секунду), то все световые волны, испускаемые ею, должны удлиняться на одну десятитысячную долю первоначальной величины. Возьмем пример. Предположим, что в составе звезды находится литий. Мы уже знаем, что литий испускает излучения с длинами волн 6708Å (красная линия в спектре) и 6108Å (оранжевая линия). Если эта звезда удаляется от Земли, то длины волн света, посылаемого литием, будут увеличиваться: вместо длины волн 6708Å мы измерим длину волн 6708,67Å, а вместо волны 6108Å придет волна 6108,61Å. Ясно, что при другой скорости удаления звезды длины волн получили бы другое увеличение. Если звезда приближается, то длины волн должны, наоборот, укорачиваться.

При удалении звезды все линии звездного спектра сдвинутся в сторону длинных волн, при приближении — в сторону коротких. Или иначе: звезда, движущаяся на нас, немного «голубеет», а удаляющаяся от нас — «краснеет».

Так это на самом деле и оказалось: все линии звездных спектров сдвигаются у одной звезды в одну сторону, у другой — в другую, и как раз по закону Допплера. Если бы сдвиги испытывала только одна какая-либо линия или группа линий, принадлежащих, скажем, литию, то надо было бы искать индивидуальных причин этих сдвигов. Но поскольку сдвиги испытывали все линии данной звезды, причем по одному и тому же закону, постольку становилось ясным, что причина сдвигов была общая, относящаяся ко всей звезде. Так что предположение о том, что причиной сдвигов является движение источника света — звезды, — аналогично тому, как это имеет место в случае звука, — вполне правдоподобно. Но Белопольский все же решил опытным путем доказать, что принцип Допплера применим и к свету. Как это сделать? Надо было в земных условиях доказать, что закономерные сдвиги линий в спектрах происходят именно вследствие движения источника света. До тех пор пока такой опыт не будет проделан в лаборатории, будут появляться скептики. Они будут говорить: мы знаем, отчего изменяется длина волны у звука, но отчего она изменяется у света — не знаем!

Белопольский понимал, что такой опыт осуществить очень трудно. Все дело в том, что скорость света очень велика, а длины волн очень малы. Если светящееся тело, скажем, электрическая лампочка, будет двигаться со скоростью 30 километров в секунду, то и тогда изменение волны будет только около одного ангстрема, т. е. меньше одной стомиллионной доли сантиметра. Да и как заставить лампочку двигаться с такими скоростями?

Однако уже в 1894 году Белопольский пришел к выводу, что опыт поставить можно, и стал к нему готовиться.




Астрофизические открытия Белопольского с помощью лучей света


Тем временем Белопольский совершенствовал спектрограф и с его помощью измерял спектры небесных тел. В них он действительно наблюдал сдвиги спектральных линий. Считая причиной этих сдвигов движение небесных тел, Белопольский разрешил много интересных вопросов.









Рис. 23. Средняя полоска — спектр звезды Процион, вверху и внизу — линии лабораторного спектра химического элемента титана, приведенные для сравнения. На рисунке видно, что линии титана в звездном спектре сдвинуты влево в сторону коротких волн




По фотографиям спектров Белопольский вычислил скорости движения многих звезд. Оказалось, что одни из них удаляются от нас, другие же приближаются к нам. Скорость их движений различна, обычно она составляет несколько десятков километров в секунду (рис. 23).

Скорости движения целых звездных совокупностей — галактик — значительно выше: у некоторых галактик она достигает более 100 тысяч километров в секунду.

Теперь перед астрономами раскрылась грандиозная картина движения звезд и галактик.

Что дало это знание движения звезд? Оно показало, например, что не все звезды и галактики устойчивы. В природе не встречаются галактики, в которых число звезд превышает тысячу миллиардов, они распадаются. Во Вселенной, так же как и в мире атомов, образуются целостные системы, выяснение причин устойчивости которых несомненно приведет к раскрытию важных общих законов природы.









Рис. 24. Кольца Сатурна 




Как известно, у планеты Сатурн имеются три кольца, как бы опоясывающих планету, но не соприкасающихся с ней (рис. 24). Астрономы обсуждали вопрос о строении колец. Еще Софья Ковалевская, первая русская женщина-ученый, математическими расчетами доказала, что кольца Сатурна не представляют собой сплошной твердой массы. Но телескоп не помогал решить вопрос— так это или не так. Вращение самого Сатурна было хорошо видно в телескоп: ца Сатурне есть пятна и можно следить за их перемещением. Но на кольцах нет никаких примет, нет ничего, за чем можно было бы следить. Если бы можно было установить, вращаются ли кольца и как именно вращаются, тогда узнали бы, твердые они или нет: ведь твердые кольца должны вращаться как одно целое.

Белопольский решил эту задачу в 1895 году. Кольца в некоторые годы видны с Земли почти в «профиль», в виде тонкого, светлого поперечника, пересекающего планету. Белопольский направил трубу спектрографа сначала на один конец этого поперечника и заметил, что спектральные линии сдвинуты вправо, в сторону длинных волн. Затем он навел трубу спектрографа на другой конец поперечника. Теперь спектральные линии оказались сдвинутыми влево. Ясно, что в первом конце точки кольца Сатурна удаляются от нас, а во втором конце — приближаются к нам. Так спектрограф показал, что кольца Сатурна вращаются. С помощью спектрографа Белопольский изучил сдвиги спектральных линий, полученных от внешней части и от внутренней части (ближней к центру) одного из колец Сатурна. По этим сдвигам он вычислил скорости обращения различных частей одного и того же кольца. Оказалось, что внутренняя часть кольца обращается быстрее внешней, а именно: внутренняя часть обращается вокруг планеты со скоростью в 20 километров в секунду, а внешняя — со скоростью 16 километров в секунду. Периоды обращения этих частей связаны с расстоянием их от центра планеты по закону Кеплера. Стало быть, движения различных частей колец независимы друг от друга. Стало ясно, что кольца Сатурна вращаются не как одно целое и состоят из множества отдельных твердых частиц. Софья Ковалевская была права.

Таким же способом Белопольский определил период вращения Юпитера.

Однажды Белопольский заметил, что в спектре одной звезды все линии раздвоены. Он заинтересовался этим явлением и следил за звездой несколько лет. Он заметил, что раздвоенные линии периодически то сближаются, то снова расходятся. Белопольский понял, что он наблюдает не обычную звезду, а двойную. Двойные звезды — это пары звезд: они находятся сравнительно близко друг к другу и вращаются вокруг общего центра тяжести. Много двойных звезд наблюдалось до этого в телескоп. Но двойные звезды, открытые Белопольским, находятся от нас так далеко, что даже в самые сильные телескопы кажутся одной звездой. Только спектрограф смог разделить идущие от них лучи. Обе звезды вращаются вокруг общего центра тяжести, и в то время как одна из них удаляется от нас, другая приближается к нам. В таком случае волны света, идущие от одной звезды, удлиняются, а волны, идущие от другой, укорачиваются, и спектрограф их разделяет.

С помощью спектрографа было открыто несколько сотен двойных звезд. Нашей Симеизской обсерватории в Крыму принадлежит честь открытия наибольшего количества двойных звезд сравнительно с другими обсерваториями мира.




Принцип Допплера — Белопольского


После тщательной подготовки Белопольский осуществил в 1900 году свой замысел. Он поставил сложный опыт и в лабораторных условиях доказал, что при движении источника света длина световых воли действительно изменяется по определенному закону. А это значит, что смещение линий, наблюдаемое в звездных спектрах, действительно происходит благодаря движению звезд.

Это важное научное положение следовало бы называть принципом Допплера — Белопольского, чтобы подчеркнуть огромное значение опытного доказательства этого принципа Белопольским.

Благодаря доказательству этого принципа подведен прочный фундамент под все исследования по спектральному определению скоростей небесных тел.

Так изучение свойств света раскрыло еще одну тайну природы и позволило ученым вычислить скорость незримого движения звезд, — движения их по лучу зрения, а тем самым и действительное движение звезд относительно наблюдателя.




Температура звездных оболочек


Ученые давно уже поняли, что звезды представляют собой огромные котлы, в которых происходят сложные физические процессы. В результате этих процессов по всей Вселенной распространяется мощное излучение в течение многих и многих миллиардов лет. Перед пытливым человеком возникли вопросы: а можно ли возбудить такие же процессы в земных лабораториях? Какие для этого требуются условия? Какова, в частности, звездная температура, при которой протекают эти процессы? Не ответит ли на эти вопросы все тот же свет, испускаемый звездой? И что еще нужно знать о свойствах света, чтобы расшифровать его ответ?

Даже простым глазом можно заметить, как нагревается железо: сначала оно краснеет, затем желтеет, потом становится белым, и, наконец, голубоватым. По цвету двух стержней, вынутых из горна, опытный кузнец определяет, какой из них раскален сильнее.

Если мы будем рассматривать спектры этих стержней через спектроскоп, то во всех случаях мы увидим сплошную радужную полосу — сплошной спектр. Но между спектрами будет и отличие, отличие в яркости различных цветных лучей. Если в одном случае ярче всего будут лучи красные, то в другом — желтые, в третьем — зеленые, в четвертом — голубые.

Чем ярче световые лучи, тем больше энергии они несут. Энергия лучей измеряется особым прибором — болометром. Важнейшей частью его является узкая полоска металла, покрытая сажей, которая поглощает всю энергию луча и превращает ее в теплоту. Теплоту эту можно измерить по тому, как меняется электропроводность металла. Таким образом, передвигая зачерненную полоску металла вдоль спектральной полосы, можно определить, какие лучи несут большую энергию, иными словами, можно, как говорят физики, найти закон распределения энергии по спектру.

Многие ученые исследовали это распределение — Стефан, Больцман, Релей, Эйнштейн. Они установили, что распределение энергии по спектру зависит от температуры излучающего тела. С увеличением температуры максимум энергии передвигается от красного конца спектра к фиолетовому. Получив спектр и установив в нем распределение энергии, можно заключить о том, какова температура источника света, как бы далеко этот источник ни находился.

Так были определены температуры звездных атмосфер.

По характеру спектра (по яркости отдельных линий) звезды делятся на семь типов. Наше Солнце относится к типу желтых звезд; температура его внешней оболочки равна примерно 6000° С. А, например, звезда Сириус относится к типу белых звезд; температура ее внешней оболочки достигает 10 000° С.




Изучение планет


Планеты ближе к нам, чем звезды, в миллионы и миллиарды раз; они входят в нашу солнечную семью наряду с Землей. Однако о планетах, о том, из чего они состоят, о происходящих на них процессах, мы знаем меньше, чем о звездах. Это потому, что планеты светят не собственным светом, а отраженным светом Солнца.

Но спектральный анализ помогает и в этом случае. В самом деле, мы можем сравнивать между собой спектр лучей, пришедших непосредственно от Солнца, и спектр солнечных лучей, побывавших на планете и отраженных от нее. В спектре отраженных лучей появляются новые линии поглощения. Они появляются потому, что часть солнечных лучей поглощается поверхностью планеты и окружающей ее атмосферой, если она есть.

По спектральным линиям поглощения установлено, что в атмосферах планет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна имеется в значительных количествах метан (соединение углерода с водородом) и аммиак (соединение азота с водородом). В то же время спектры не отмечают в их атмосферах ни водяных паров, ни кислорода.

Исследуя вопрос о том, имеется ли на планете Марс растительность, советский астроном, член-корреспондент Академии Наук СССР Г. А. Тихов установил, что спектры, отраженные Марсом, имеют полосы поглощения, которые характерны для земных высокогорных и полярных растений — пихты, можжевельников, брусники, клюквы, мхов и им подобных.




Наука против суеверий


Наука о свете играет важную роль в овладении силами природы, в раскрытии ее тайн, в разоблачении различных суеверий.

В прошлом многие небесные явления всегда поражали людей своей необычностью и таинственностью.

Временами с ясного неба падали «небесные камни»— метеориты. В ярком безоблачном небе вдруг «гасло» Солнце. Иногда по небу проносилась диковинная «хвостатая звезда» — комета. Во всех этих явлениях люди видели какой-то тайный, зловещий смысл, предзнаменование будущих несчастных событий. Думали, что небесные тела не имеют никакой связи с известной нам, окружающей нас материальной природой. Жизнь человека связывали с жизнью звезд, сущность которых считалась божественной.

Спектрограф значительно расширил наше познание Вселенной. Теперь мы знаем о ней гораздо больше, чем сто лет назад, до открытия спектрального анализа. И дело не в том, что наши знания выросли количественно; нет, они стали другими, более глубокими. Мы знаем теперь, куда и с какой скоростью движутся многие звезды, каков химический состав звезд; по звездным спектрам мы устанавливаем, как далеко отстоит от нас каждая звезда, каковы ее размеры, температура, какие физические условия царят в звездных атмосферах, какие процессы там протекают. При помощи спектрального анализа раскрыты причины многих небесных явлений. Благодаря умению расшифровывать спектры звезды стали нам столь же близкими, как и любое вещество, изучаемое в лабораториях. С них сорвано покрывало мистики и таинственности. Мы знаем теперь, что природа небесных тел та же, что и окружающая нас природа. Правда, все процессы в звездах протекают в особых условиях, например, при очень высоких давлениях, температурах и т. д., которые мы не можем пока воспроизвести в своих лабораториях. Но мы твердо знаем, что если мы научимся создавать подобные же условия (высокие температуры, давления и т. п.) в лабораториях, то наше земное вещество будет вести себя совершенно так же, как и в звездах.

Мы видим, наконец, что и органическая жизнь не является во Вселенной исключением. Материалистическая наука учит, что она возникает всегда, когда создаются подходящие для этого условия.

Наука доказывает, что в различных частях Вселенной действуют одни и те же законы природы и они доступны познанию человека. А расширение наших знаний о Вселенной, которому так мощно способствует наука о свете и которому нет предела, является могучим орудием в борьбе с мистикой и суевериями.




Невидимый свет





Электромагнитные волны


В то же время, когда спектроскопия начала так бурно развиваться, английский физик Джемс Клерк Максвелл (1831 —1879) обобщал результаты опытных исследований электрических и магнитных свойств материи. При этом он вовсе не имел дела со светом и со всеми понятиями, которые с ним связаны. Его интересовали другие вопросы: как взаимодействуют электрически заряженные частицы и токи, как появляются магнитные свойства вещества при движении зарядов, что происходит в пространстве, когда совершается электрический разряд, и аналогичные. Соответственно он пользовался такими понятиями, как электрическая и магнитная напряженность в данном месте пространства, скорость распространения электрического действия, диэлектрическая постоянная и т. п.

Максвелл опирался на опытные данные, полученные великим английским физиком Михаилом Фарадеем (1791 —1867), Эрстедтом, русским физиком Ленцем и другими. Экспериментального материала к 60-м годам прошлого века накопилось достаточно.

Еще Фарадей полагал, что магнит притягивает железо на расстоянии потому, что магнит создает вокруг себя в пространстве особое состояние — магнитное поле. Он нашел, что при движении магнита, от которого магнитное поле изменяется, в находящихся в этом поле проводниках возбуждается электрический ток. Максвелл обратил внимание на то, что верно и обратное: когда в проводниках быстро изменяются токи, в силу чего в пространстве вокруг изменяется электрическое поле, это изменение приводит к возникновению в пространстве магнитных влияний — магнитного поля. В свою очередь изменение магнитного поля приведет, согласно Фарадею, к новому изменению электрического поля. Новое изменение электрического поля вновь вызовет изменение магнитного. И так процесс будет продолжаться, пока не затухнет.









Рис. 25. Схема излучателя электромагнитных волн. К вибратору А, имеющему в Б разрыв, подведено от повышающего трансформатора Т высокое напряжение. В искровом промежутке Б проскакивает искра




Читатель, вероятно, уже почувствовал, что эта картина напоминает некоторый колебательный процесс. Существенный шаг вперед, который сделал Максвелл, как раз и состоит в том, что резкое изменение электрического поля (электрический импульс) он стал рассматривать как источник электромагнитного колебания, которое создает в пространстве электромагнитные волны.




Возбуждение электромагнитных волн


Простейший способ возбудить электромагнитные волны — создать электрический разряд. Представим себе металлический стержень с шаром на конце, заряженный положительным электричеством, и другой такой же стержень, заряженный отрицательным электричеством (см. рис. 25). Сблизим стержни настолько, чтобы между ними проскочила искра. Искра — это и есть электрический разряд, кратковременный ток через воздух, он длится тысячные доли секунды. При искровом разряде электрические заряды перескакивают с одного стержня на другой, а потом обратно, меняя направление и величину напряжения в шарах миллионы раз в секунду. Оказывается, что при этом в каждой точке пространства миллионы раз в секунду меняется электрическое и магнитное напряжение. Говорят, что каждая точка пространства получает электромагнитный импульс (толчок), или возбуждение, и это возбуждение распространяется вокруг нашего искрового разрядника, как круги по воде от упавшего камня. Это и есть электромагнитные волны.

Грозовая молния — это тоже искра, но в миллионы раз мощнее лабораторной, это — грандиозный электромагнитный -импульс, источник электромагнитных волн в пространстве.









Рис. 26. Ламповый генератор радиоизлучений — автоколебательный контур с обратной связью




Обычно колебания в описанных излучателях быстро затухают. Что сделать, чтобы они не затухали? Очевидно, то же, что делают, когда хотят, чтобы ритмично, не затухая, колебался маятник или качели: давать им в подходящий момент ритмичные толчки.

Значит, для получения незатухающих электрических колебаний нужны две системы: колеблющийся «маятник» и ритмично действующий «толкач».

В качестве колеблющегося «маятника» мы возьмем «колебательный контур» КК (рис. 26), состоящий из емкости Е и индукционной катушки ИК


.

В качестве ритмичного «толкача» будет служить электронная лампа Л, точнее, пульсация анодного тока в ней. Электронная лампа замечательна тем, что анодным током в ней можно управлять, лампа может «запираться» и «отпираться» для тока. Рассмотрим, как она работает. Через катод К проходит постоянный ток от батареи накала Б


и накаляет его. Из него вырываются электроны. Если на анод лампы А наложить положительный потенциал, соединив его с положительным полюсом батареи Б (в нашей схеме это делается через контур КК), то электроны в лампе понесутся от катода К к аноду А, через лампу пойдет «анодный ток». Но если на его пути поставить сетку С и наложить на нее отрицательный потенциал, лампа будет «заперта», ток через нее не пойдет. Накладывая на сетку то положительный, то отрицательный потенциал, можно заставить анодный ток в лампе пульсировать. Если этот пульсирующий ток пропустить через колебательный контур КК, то он может играть роль «ритмичного толкача» для колебаний в контуре.

Но кто же будет накладывать переменный потенциал на сетку, откуда появится ритмика у анодного тока?

А можно заставить работать сам колеблющийся контур. Для этого надо сетку соединить через индукционную катушку ИК


 с индукционной катушкой ИК


колебательного контура КК, как указано на рисунке. Колеблющийся (переменный) ток в контуре будет возбуждать в катушке ИК


переменную электродвижущую силу. Вот от нее-то на сетке С и будет непрерывно меняться потенциал. Он будет то «запирать», то «отпирать» лампу, и в ней будет пульсировать анодный ток, который и будет давать «толчки» в колебательном контуре КК. Нужно только подходящим образом подобрать пульсацию анодного тока, и тогда колебания в контуре будут постоянно поддерживаться и не затухать. Если этот контур соединить с антенной, то в пространстве будут распространяться незатухающие («гармоничные») электромагнитные волны. Энергия этих воли, как и потери в контуре на нагревание, восполняется за счет энергии батареи Б.

Такой генератор колебаний,представляет собой автоколебательную систему с обратной связью, т. е. с таким устройством, в котором само колебание в системе (контуре КК) частично используется для управления (регулирования) этим же колебанием.

Примерно такие схемы «лампового генератора» и применяются в наше время в радиотехнике.




Обнаружение электромагнитных волн


Но электромагнитные волны в пространстве глазом не воспринимаются. Как же их обнаружить? И что, собственно, колеблется в этих волнах?

Свойства водяных волн мы изучали, наблюдая за колебаниями пробки, па которую действовала водяная волна. Нельзя ли найти такую «пробку», на которую действует электромагнитная волна и которую можно наблюдать непосредственно глазом или же с помощью прибора? Роль такой «пробки» для электромагнитной волны играет «пробный электрический заряд», величина которого принята за единицу. Представим себе, что в пространстве равномерно расположены такие пробные заряды и в каком-то центре произошел искровой разряд (импульс). По пространству пойдет шаровая электромагнитная волна. Она будет последовательно «раскачивать» наши пробные заряды. Одновременно в каждый момент будут возбуждаться пробные заряды, находящиеся на шаровой поверхности. В следующий момент это будет поверхность с большим радиусом. Можно определить скорость распространения электромагнитной волны. Это легко понять в принципе; фактически же скорость распространения электромагнитной волны вычисляется более сложным путем.

Что же колеблется в пробном заряде? Может быть, он, как и настоящая пробка на воде, движется вправо и влево, вверх и вниз? Нет, здесь дело не в таком механическом колебании. В пробном электрическом заряде колеблется (по величине и направлению) сила электрического и сила магнитного воздействия на него электромагнитной волны. А сила, отнесенная к единичному заряду, называется напряженностью. Периодически электрическая и магнитная напряженности в точке, где находится заряд, меняются по величине и направлению; они то достигают максимума, то падают до нуля, то направлены в одну сторону, то в другую.




Длина волны электромагнитных волн


Но там, где есть периодическое колебание, которое распространяется в пространстве, там можно говорить и о длине волны. У водяных волн мы называли длиной волны расстояние между двумя ближайшими гребнями. А что такое гребень водяной волны? Это наибольшее отклонение частиц воды в одну сторону — вверх.

У электромагнитных волн мы можем называть длиной волны расстояние между двумя ближайшими точками, в которых электрическое (или магнитное, это безразлично) напряжение имеет наибольшее значение и направлено в одну сторону. Здесь полная аналогия с определением длины волны на воде. Ту роль, которую для определения длины водяной волны играет гребень, у электромагнитной волны выполняет максимум электрического (или магнитного) напряжения.




Теория электромагнитного поля Максвелла


Заслуга Максвелла состоит в том, что он нашел математическую форму уравнений, в которых связаны воедино значения электрической и магнитной напряженностей, которые создают электромагнитные волны, со скоростью распространения их в средах, обладающих определенными электрическими и магнитными характеристиками. Короче говоря, заслуга Максвелла состоит в создании теории электромагнитного поля.

Создание этой теории позволило Максвеллу высказать еще одну замечательную идею.

В конкретном случае взаимодействия токов и зарядов он измерил электрические и магнитные напряжения, учел величины, характеризующие электрические и магнитные свойства пространства, лишенного вещественной среды («пустоты»). Подставив все эти данные в свои уравнения, он вычислил скорость распространения электромагнитной волны. По его подсчетам, она оказалась равной 300 тысячам километров в секунду, т. е. равной скорости света! А ведь в свое время скорость света определяли чисто оптически: расстояние, пройденное световым сигналом от источника до приемника, делили на время его движения; никто при этом и думать не мог ни об электрических и магнитных напряженностях, ни об электрических и магнитных свойствах среды.

Случайно ли такое совпадение скоростей?

Максвелл сделал смелое предположение: скорость света и скорость электромагнитных волн одинаковы потому, что свет имеет ту же природу — электромагнитную.




Электромагнитная природа света


Теория Максвелла была разработана в 60-х годах. В 1888 году немецкий физик Генрих Герц (1857—1894) получил электромагнитные волны длиной в 9 метров. Они были получены с помощью искрового разрядника, схема которого как раз и была показана на рис. 24.

Теория Максвелла была практически доказана: электромагнитные волны действительно существуют, и их можно возбуждать чисто техническими средствами.

В 1895 году русский физик Александр Попов (1859— 1906) изобрел радио — одно из величайших достижений науки и техники нашего времени. Попов особое внимание обратил на разработку приемника электромагнитных волн, на усиление посылаемых и принимаемых сигналов, для чего он впервые применил антенны, на использование электромагнитных волн в качестве сигналов для связи; с помощью электромагнитных волн он послал первую в мире радиограмму, на которой зрители могли прочитать имя Генриха Герца.

Изучая свойства световых волн и электромагнитных волн, физики пришли к выводу, что Максвелл был прав: природа их, действительно, одинакова. И те и другие волны распространяются с одинаковой скоростью, отражаются и преломляются по одним и тем же законам, дают такие же тени и огибания краев препятствий. Пожалуй, наиболее важным было установление того, что скорость распространения световых волн в различных средах совершенно так же зависит от электрических и магнитных свойств этих сред, как от этих свойств зависит и скорость распространения в них электромагнитных волн. В частности, для любых электромагнитных волн, как и для света, скорость в среде уменьшается по мере укорочения длины волны. Вот поэтому-то когда белый свет падает на грань стеклянной призмы под углом, он расщепляется на составные части; каждая волна, входящая в состав белого света, движется в стекле со своей скоростью: красное излучение быстрее, чем желтое, желтое— быстрее, чем зеленое и т. д., поэтому фронт волны каждого излучения по-своему меняет направление.

Свет — это те же электромагнитные волны, как и волны, получаемые от искрового разряда или каким-либо иным техническим путем. Оба типа волн отличаются лишь тем, что у них различна длина волны или частота. Световые волны, действия которых воспринимаются глазом, имеют длину от 4000 до 7500Å, а радиоволны, с которыми работал Попов, — около 10 метров, т. е. в десятки миллионов раз больше.

Заметим, кстати, что изобретение Попова внесло принципиально новое отношение человека к такой области природы, как свет в широком смысле слова: ранее человек мог только пассивно возбуждать свет, теперь он научился модулировать его параметры, т. е. величины, его характеризующие. Но об этом скажем несколько позже.




Невидимый свет


Теперь мы можем говорить о свете в широком смысле слова, включающем в себя и невидимый свет. Впрочем, фактически физики с ним познакомились уже давно. Давно они замечали, что по обе стороны видимого светового спектра имеются какие-то невидимые излучения. Если за красным краем солнечного спектра поставить термометр, он сильно нагревается. А за фиолетовым концом спектра термометр нагревается слабее, но зато сильно чернеют фотопластинки, более бурно протекают химические процессы.

Невидимые излучения за красным концом спектра назвали инфракрасными, а за фиолетовым концом — ультрафиолетовыми. После работ Максвелла, Герца, Лебедева и других стало ясно, что инфракрасные и ультрафиолетовые излучения — это также электромагнитные волны; длина волн у первых больше, чем у красного света, а у вторых меньше, чем у фиолетового.

Теория Максвелла по-новому осветила огромную область процессов природы — электромагнитных излучений. Конец XIX века ознаменован открытием многих групп излучений, составляющих по своей природе одну и ту же семью.

Выше было сказано, что Герц и Попов получали электромагнитные волны порядка 10 метров. Важно было установить, можно ли с помощью технических устройств получить излучения со все меньшей длиной волны и, наконец, сомкнуть их с теми излучениями, которые уже встречались в природе. В этом направлении шли исследования физиков.

В 90-х годах прошлого века русский физик П. Н. Лебедев (1866—1912) много работал над практическим доказательством электромагнитной природы света. Он создал вибратор, от которого получил самые короткие в то время волны—длиной в 6 миллиметров. Дальше техника получения коротких волн развивалась крайне медленно, встречались большие технические трудности. Это легко понять из следующих расчетов. Чтобы получить электромагнитные волны длиной в 10 метров (Герц, Попов), надо заставить электрические заряды колебаться с частотой в 30 миллионов циклов. Волны, полученные Лебедевым, уже требуют вибратора с частотой в 50 миллиардов циклов. Только в 1922 году советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева изобрела «массовый излучатель», который излучал волны порядка десятых долей миллиметра. Благодаря ее работам спектр электромагнитных волн, получаемых от технических вибраторов, сомкнулся с инфракрасными излучениями.

Что же является излучателем более коротких электромагнитных волн — инфракрасных и еще более коротких? Колебания зарядов внутри молекул и атомов и их ядер. Световые излучения нам известны от природы, так как они воспринимаются нашим глазом. Другие же — были открыты физиками при помощи различных приборов.

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген (1845—1923) обнаружил, что поток быстро летящих электронов, ударяясь о стекло или металлическую пластинку, вызывает появление невидимых излучений. Излучения были замечены случайно: они упали на бумагу, покрытую особым веществом — платино-цианистым барием, и бумага в темноте засветилась. Так были открыты «рентгеновские лучи», с помощью которых в настоящее время «просвечивают» внутренние органы человека. Длины волн рентгеновских излучений лежат в промежутке примерно от десятых долей до сотни ангстрем. По длине волны они следуют непосредственно за ультрафиолетовыми излучениями.

Вскоре после открытия рентгеновских излучений в природе были найдены излучения с еще более короткой длиной волны, так называемые гамма-излучения. Их испускают радиоактивные вещества.




Шкала электромагнитных излучений


Таким образом, шкала излучений, обнаруженных человеком в природе, оказалась очень широкой. Если идти от наиболее длинных волн к коротким, мы увидим следующую картину (рис. 27). Сначала идут радиоволны, они самые длинные. В их же число входят и излучения, открытые Лебедевым и Глаголевой-Аркадьевой; это — ультракороткие радиоволны. Далее последовательно идут инфракрасные излучения, видимый свет, ультрафиолетовые излучения, рентгеновские и, наконец, гамма-излучения.

Границы между различными излучениями весьма условны: излучения непрерывно следуют одно за другим и даже отчасти перекрывают друг друга.

Взглянув на шкалу электромагнитных волн, читатель может заключить, что видимые нами излучения составляют весьма небольшую часть известного нам общего спектра излучений.

Для обнаружения и изучения невидимых излучений физик должен был вооружиться дополнительными приборами. Невидимые излучения можно обнаружить по их действию. Так, например, радиоизлучения действуют на антенны, создавая в них электрические колебания: инфракрасные излучения сильнее всего действуют на тепловые приборы (термометры), а все остальные излучения наиболее сильно действуют на фотопластинки, вызывая в них химические изменения. Антенны, тепловые приборы, фотопластинки — это новые «глаза» физиков для различных участков шкалы электромагнитных волн.









Рис. 27. Шкала излучений. Заштрихованная сеткой область изображает часть спектра, видимую человеческим глазом




Открытие многообразных электромагнитных излучений— одна из самых блестящих страниц истории физики.




Развитие радиоастрономии


В последние годы установлено, что радиоизлучения испускаются не только грозовыми разрядами или специально созданной технической аппаратурой. Эти излучения непрерывно испускают также и звезды и особенно ядра галактик.

Спектры радиоизлучений звезд и галактик являются таким же мощным средством изучения свойств звезд и галактик и протекающих в них процессов, как и спектры видимой части света. Для получения и анализа спектров радиоизлучений в последнее десятилетие построены мощные радиотелескопы, в которых отсутствует обычная оптика. Радиотелескопия увеличила возможности изучения звезд и галактик, так как в радиоспектрах раскрываются новые особенности и процессы в источниках. Кроме того, радиотелескопы проникают во Вселенную гораздо глубже, чем оптические телескопы. Им доступны галактики на расстояния до 10 миллиардов световых лет и более, тогда как оптические телескопы проникают во Вселенную лишь до 5—6 миллиардов световых лет[2 - Световой год — расстояние, проходимое светом в течение астрономического года со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Это — расстояние примерно в 1013 (т. е. десять тысяч миллиардов) километров.].




Призма отказывается служить


Спектроскоп со стеклянной призмой оказал ученым большую помощь. Но после открытия электромагнитных излучении выявилось, что стеклянная призма не для всех лучей прозрачна. Она пропускает только видимый свет и частично инфракрасные и ультрафиолетовые излучения, а именно те из них, которые ближе всего примыкают к видимому свету. Остальные излучения стекло не пропускает, и, значит, нужно подыскивать призмы не из стекла, а из других материалов. Для длинноволновых инфракрасных излучений пришлось бы изготовить призмы не из стекла, а из каменной соли или из минерала сильвина. Для коротких электромагнитных волн в несколько сантиметров подходящей была бы призма из асфальта или серы. Для средневолновых ультрафиолетовых излучений пришлось бы взять призму из кварца. Для коротковолновых же ультрафиолетовых излучений вообще нет подходящего «прозрачного» материала среди известных в настоящее время. А рентгеновские лучи так мало преломляются в любом материале, что почти невозможно развернуть их в широкую полосу спектра.

Стеклянная призма хорошо работает на небольшом участке спектральной шкалы. На других участках она отказывает. Материал, из которого сделана призма, становится препятствием для исследований.

Но нельзя ли обойтись без призмы? Нельзя ли разложить сложные излучения на простые каким-либо иным путем, без призмы?

И снова работает пытливая мысль человека, ищет и находит выход.




Дифракционная решетка


На смену призме пришел новый прибор — дифракционная решетка.

С явлением дифракции мы уже встречались. Это была дифракция от двух щелей в приборе Юнга. Дифракционная решетка — это пластинка со множеством щелей (до 100—150 тысяч). Все ее щели отстоят друг от друга на равных расстояниях. Дифракционная картина в ней существенно отличается от картины дифракции от двух щелей. Рассмотрим действие решетки (см. схему на рис. 28).

Посмотрим сначала, в чем действие решетки сходно с действием прибора Юнга.

Пусть на дифракционную решетку со множеством щелей падает пучок параллельных одноцветных лучей. Мы уже знаем, что, пройдя щели, они отклонятся и будут интерферировать друг с другом.

Обозначим направления интерферирующих лучей через угол φ


. Разность хода волн у лучей 1 и 2 выражается отрезком A


B


. Пусть она равна целой длине волны λ. Мы уже знаем, что в этом случае луч 1 и луч 2 будут усиливать друг друга.

Разность хода между лучами 1 и 3 (отрезок А


Б


) равна 2λ. Третий луч также усилит действие лучей 1 и 2. Но и все другие лучи, идущие под углом φ


будут усиливать друг друга. Яркость света в направлении φ


действием решетки чрезвычайно усиливается. 

Так же будет действовать решетка и в направлениях φ


, φ


и т. д., для которых разность хода волн между соседними лучами составляет 2λ, 3λ и т. д.









Рис. 28. Схема действия дифракционной решетки




Направления, по которым яркость света усиливается решеткой, определяются по тому же правилу, что и для двух щелей.

Теперь посмотрим, каково различие в действиях решетки и прибора Юнга. Рассмотрим лучи, идущие под углом, весьма мало отличающимся от угла φ


. Пусть в этом направлении разность хода между двумя соседними лучами будет немного больше λ, например λ + 1/100 λ. В приборе Юнга с двумя щелями яркость света в новом направлении будет лишь чуть-чуть меньшей. А в решетке со множеством щелей картина будет другая. Если разность хода между лучами 1 и 2 будет λ + 1/100 λ, то между лучами 1 и 3 она будет 2(λ + 1/100 λ) = 2λ + 2/100 λ, между лучами 1 и 4 соответственно 3(λ + 1/100 λ) = 3λ + 3/100 λ, и так далее. А между лучом 1 и 51 мы получим разность хода 50λ + 50/100 λ = 50λ + 1/2 λ, т. е. целое с половиной число длин волн.

А это уже особый случай: при такой разности хода волн лучи 1 и 51 погасят друг друга. По тем же причинам погасят друга друга соответственные пары лучей 2 и 52, 3 и 53 и так далее. В решетке со множеством щелей для каждого луча (идущего не под углами φ


, φ


 и т. д.) всегда найдется такой соответственный луч, который его погасит. Следовательно, в дифракционной решетке в направлении, хоть немного отличающемся от угла φ


, φ


, ... , свет распространяться не будет.

Если мы выделим лучи, которые отклоняются от угла φ


 иначе, чем в только что разобранном случае, то разность хода волн у соседних лучей будет иная, не λ + 1/100 λ, а, например, λ + 1/200 λ. По существу, это не меняет дела: лучи в этом направлении тоже погаснут. Разница лишь в том, что взаимно будут гаситься не 1 и 51 лучи, а 1 и 101, 2 и 102 и т. д. В решетке, в которой свыше ста тысяч щелей, для каждого данного луча (в этом направлении) всегда найдется такой луч, который его погасит.

Общий итог таков: в дифракционных решетках свет усиливается только по строго избранным направлениям φ


, φ


, φ


и т. д., по которым разность хода волн между соседними лучами составляет целое число волн: λ, 2λ, Зλ и т. д. Во всех других направлениях свет гаснет. На экране появятся узкие цветные линии, перемежающиеся широкими темными полосами. Зато поток света, идущий в этих избранных направлениях, будет очень сильным: ведь в его создании участвуют не две, а огромное множество щелей.

Здесь следует сделать одно важное замечание. Электромагнитные волны несут энергию. Энергия, которую несет параллельный пучок лучей, падающий на решетку, вследствие интерференции позади решетки, конечно, не пропадает. Она только перераспределяется и сосредоточивается в некоторых направлениях, в которых световые лучи усиливают друг друга. Закон сохранения энергии справедлив и в случае интерференции.




Дифракционные спектры


Мы рассмотрели дифракционную картину одноцветных лучей. А какова будет картина, если мы дополнительно осветим решетку вторым, тоже одноцветным светом, но другой волны?

Для вторых лучей направления освещенности будут уже не φ


, φ


, φ


 и т. д., а какие-то другие, ибо у них другая длина волны и усиление света будет при другой разности хода. На экране наряду с линиями первого цвета на месте темных полос появятся яркие линии второго цвета.









Рис. 29. Так располагаются дифракционные спектры: Б — белая полоса; Ф — фиолетовые; К — красные концы спектров. Два левых и два правых крайних спектра частично налагаются друг на друга




Отсюда легко понять, что получится, если осветить дифракционную решетку белым (составным) светом. На экране появятся такие же цветные полосы, как и после прохождения белого света сквозь стеклянную призму. Дифракционная решетка разлагает белый свет на цветные полосы.

Дифракционная картина на экране будет выглядеть так. В центре расположится белая полоса. Это потому, что для лучей, идущих по перпендикуляру к решетке, разность хода волн между соседними лучами (1 и 2 и т. д.) равна нулю, они усиливают друг друга. А это справедливо для лучей всех цветов, поэтому лучи всех цветов будут в центре экрана усиливать друг друга. А совокупность всех цветов дает, как известно, белый цвет.

С обеих сторон от центральной полосы будут симметрично располагаться цветные спектральные полосы. Их будет по нескольку с обеих сторон. К центральной полосе они будут обращены фиолетовыми концами (рис. 29).

Так получаются спектры от дифракционной решетки.

Хорошие решетки должны содержать множество очень точно расположенных щелей, и изготовить их — дело большого искусства и точности. Очень точная «делительная машина» царапает алмазом на гладкой поверхности стекла правильные ряды штрихов. Штрихи — это препятствия для света, а тончайшие, не тронутые алмазом промежуточные полоски — это щели, сквозь которые проходит свет. Такие дифракционные решетки называют прозрачными.




Отражательные решетки


Пока мы имеем дело с прозрачными решетками, мы снова пользуемся стеклом, а оно не прозрачно для многих видов излучения. Мы все еще не ушли от трудностей. Поможет ли нам открытие дифракционных спектров?

Оказывается, поможет. Прозрачные дифракционные решетки можно заменить отражательными, изготовленными на отполированной поверхности металла.









Рис. 30. Отражательная дифракционная решетка работает так же, как и прозрачная




Как же работают отражательные дифракционные решетки? Почему в них образуются спектры?

Представим себе, что А


, А


, А


и т. д. на рис. 30 обозначают уже не щели, а узкие зеркальные полоски; а идущие от решетки лучи 1,2, 3 и т. д. — отраженные лучи. Следовательно, падающие на решетку лучи шли до точек А


, А


и т. д. не слева (как было, когда А


, А


и т. д. были щелями), а справа и, упав на зеркальные полоски А


, А


и т. д., отразились от них. Только в этом ходе лучей до точек А


, А


и т. д. вся и разница. Наложение же отраженных лучей 1, 2, 3 и т. д. совершенно аналогично наложению лучей, прошедших сквозь щели. Все рассуждения, которые мы привели раньше, сохраняются в силе.

Таким образом, от отражательных решеток также можно получить дифракционные спектры. Но в чем различие? Различие в том, что при этом лучи уже не проходят сквозь материал, из которого изготовлена решетка, а отражаются от него. Для отражательной дифракционной решетки непрозрачность материала не играет роли. А это уже существенный выигрыш.

Новый метод получения спектров расширяет возможности анализа излучений. В этом случае дифракционные спектры можно получить не только для видимого света, но и для других излучений, в том числе и для ультрафиолетовых.




Поиски решетки для рентгеновских излучений


Однако в работе с дифракционными решетками встретились свои трудности.

Дело в том, что однотипной решетки для всех излучений подобрать нельзя. Для различных излучений нужны различные решетки. Ширина светлых штрихов решетки должна быть сравнима с длиной волны исследуемых излучений. Если она будет, скажем, в сотни и тысячи раз больше или меньше длины исследуемых волн, спектральной полосы на экране не получится. А ведь в видимом свете мы имеем дело с длинами волн в диапазоне 4—8 тысяч ангстрем или четыре — восемь стотысячных долей сантиметра. Такую малую величину невозможно себе и представить.

И все же когда человеку понадобилось технически выделить, отмерить такую величину в дифракционной решетке, он этого достиг. В современных дифракционных решетках с помощью специальной делительной машины наносится 1000—1500 штрихов на миллиметр; общая сумма светлых и темных полос достигает, следовательно, 2000—3000 на миллиметр. Нетрудно рассчитать, что ширина светлого штриха равна примерно 4000— 5000 ангстрем, т. е. того же порядка, как и длина волны видимого света!

Такая решетка будет подходящей для видимого света и ультрафиолетовых излучений. Но она не даст спектральных полос рентгеновских излучений. Для последних ее светлые штрихи слишком широки. Ширину их надо бы уменьшить в тысячи раз. Это значит, что на одном миллиметре пришлось бы нанести миллионы штрихов. Но тогда пришлось бы «штриховать» каждый атом. Но как это можно сделать? И вообще какой это имеет смысл?

Более пятнадцати лет для рентгеновского излучения не находили подходящей решетки. Никто поэтому не знал, проявляет ли оно волновые свойства. Шли даже споры о том, какова его природа. Одни говорили, что рентгеновское излучение — это волны, и для него все же можно найти подходящую решетку. Другие же утверждали, что это поток мельчайших частиц и не нужно пытаться определять длину несуществующей волны. В то время одни рентгеновские излучения от других отличали не по длине волны, а по тому, как глубоко они проникают в различные вещества. Те излучения, которые проникали глубже, называли «жесткими», а те, которые проникали не так глубоко, — «мягкими». Ясно, что эта характеристика была не очень точной.




Нашлась решетка и для рентгеновских излучений


Но нашлась дифракционная решетка и для рентгеновских излучений. Сама природа пришла здесь на помощь.

В конце XIX и начале XX века физики усиленно изучали строение твердых тел. Известно, что многие твердые тела являются кристаллами. Атомы в кристаллах расположены строго правильными рядами. Они составляют как бы естественные решетки. На рис. 31 изображена часть кристаллической" решетки поваренной соли.












Рис. 31. Так располагаются атомы в кристалле поваренной соли. Белыми шариками обозначены атомы натрия, черными — атомы хлора. Расстояния между слоями атомов около трех ангстрем




Русский ученый Е. С. Федоров еще в 1891 году опубликовал исследование «Симметрия правильных систем фигур», в котором теоретически рассчитал, какие кристаллические формы могут встретиться в природе. Он нашел 230 возможных форм. Почти три четверти века прошло с тех пор. Наука подтвердила все вычисления ученого, и новых форм кристаллов действительно найдено не было.

Зная формы кристаллов, физики вычислили, каковы расстояния между слоями атомов в кристаллических решетках. Оказалось, что эти расстояния равны примерно одному ангстрему. Эта величина сравнима с размерами атома. Такую частую штриховку нельзя нанести никакой делительной машиной.

Кристаллы и были использованы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских излучений. В этой решетке «преграды» и «щели» — это сами атомы и промежутки между ними. А атомы лежат не на плоскости, а расположены в пространстве. Но рассчитать дифракцию от такой решетки можно. В 1912 году физики подвергли кристалл рентгеновскому облучению и получили его дифракционный спектр. Природа рентгеновских излучений была установлена: это электромагнитные излучения, как и радиоволны, как и видимый свет.

Два крупных физика-кристаллографа — русский ученый Ю. В. Вульф и англичанин В. Брэгг одновременно установили, как можно рассчитать длину волны рентгеновских излучений, если известно расстояние между слоями атомов в кристаллической решетке и дана самая картина спектра. Формула, выражающая эту связь, называется формулой Вульфа — Брэгга.

На примере развития техники спектрального анализа видно, что по мере того, как возникают трудности и ставится новая задача, находятся и пути ее разрешения.




О природе света





Борьба материализма и идеализма в физике


В этой книжке мы уже видели, как сложен путь науки. Сколько было споров о том, что такое свет — поток частиц или череда волн! Казалось, что в XIX веке этот спор был решен окончательно, притом решен в пользу волновой природы света. Этот вывод подтверждали все опыты, об этом говорила и стройная систематика излучений — шкала электромагнитных излучений, отличающихся друг от друга только длинами волн. Однако в XX веке споры эти разгорелись вновь и на новой основе.

Казалось бы, что все это — чисто физические споры. И решаться они должны легко: в чью пользу говорит опыт, тот и прав. Сама природа дает ответ, разрешает все сомнения.

На самом деле вопрос не так прост. Ведь иногда новый экспериментальный материал приводит к необходимости менять старые представления. Происходит бурная ломка понятий. Возникает вопрос о том, какова же ценность тех представлений, которые мы сначала создаем, а затем сами должны менять. К чему они относятся — к объективному миру вне нас или же это только способ «упорядочить» наши собственные восприятия? Так наступает кризис познания.

Сомнения в объективности законов природы распространяют на общественное развитие: если в природе нет объективных законов и все развивается произвольно, то объективных законов в развитии общества не существует и подавно. Например, захотят властные люди, и общество будет развиваться не к коммунизму, а к феодализму! И напротив, кто заинтересован именно в таком толковании произвольного развития общества, тот заинтересован в том, чтобы такое же мнение распространялось и на толкование законов природы: нет объективной природы, нет ее законов, независимых от человека, а есть только человеческое восприятие, которое он «упорядочивает».

Это — позиция субъективного идеализма. В развитии подобных взглядов заинтересованы господствующие классы капиталистического общества.

Никто не может отрицать, что в процессе познания физических свойств природы возникают трудности. Это, как говорят философы, теоретико-познавательные, или гносеологические трудности. В ходе познания они всегда преодолеваются. Но коль скоро они возникают, вокруг них разгорается идеологическая борьба.

Раскрывая процесс познания свойств света, мы должны рассказать и о том, какие гносеологические трудности при этом возникали уже в нашем веке и как идеалисты пытались обратить их в свою пользу.

Мы снова возвращаемся к вопросу о том, что такое свет, какова его природа, но возвращаемся уже на новой основе.

Вопрос этот физики ставили двояко. Первый смысл вопроса таков: что такое свет — вещество или не вещество? И если не вещество, то что это такое? Второй смысл вопроса: что такое свет — частицы или волны?

Посмотрим, как отвечали физики на эти вопросы и какая идеологическая борьба шла вокруг их ответов.




Свет — это не вещество


Веществом физики издавна называли все окружающие нас тела, небесные и земные, а также те части, из которых они состоят, — молекулы и атомы. Вещество обладает рядом характерных для него свойств. В XIX веке эти свойства представляли в следующем виде. Вещество воспринимается нами непосредственно: например, все тела видимы, а если молекулы и атомы невидимы, то только в силу их чрезвычайной малости. Если же мы сложим эти «малости» в одно целое, то целое будет видимо. Вещество обладает механическими свойствами. Оно непроницаемо. Частицы и тела притягивают друг друга, а заряженные либо притягивают, либо отталкивают. Одно тело (или частица) передает энергию другому либо при помощи удара, либо при помощи упругих волн. Движение вещества — это перенос его из одного места пространства в другое. К веществу применимы законы сохранения массы, энергии, импульса (импульсом тела называют в механике меру механического движения, пропорциональную массе и скорости тела). Таково было представление о веществе в прошлом веке.

Когда было доказано, что свет обладает волновыми свойствами, ученые стали искать такое подходящее вещество, в котором можно создать упругие волны; с помощью таких волн в веществе они думали объяснить все световые явления.

Но такого вещества в природе не находилось. Свет распространяется даже там, где физики не находили никакого вещества. Многие известные свойства света (в частности, характер колебаний) оказалось невозможным совместить со свойствами любого из известных веществ. Тогда физики придумали некую мировую среду — мировой эфир. Эфир мыслился как вещество, но чтобы в нем могли протекать электромагнитные процессы, его пришлось наделить особыми свойствами. Считалось, что эфир заполняет сплошь все пространство, пронизывая также и тела. Непосредственно органами чувств он не воспринимается. Эфир мыслился неподвижным в целом и покоящимся во всех своих частях. Временами по нему пробегают упругие волны; их мы и воспринимаем как свет (вообще как электромагнитные излучения).

Ученые (в том числе и Максвелл) думали с помощью этого эфира создать механическую модель световых процессов. Но такая модель не получалась. Для объяснения одного свойства света эфир наделяли одним качеством, для объяснения другого свойства — другим качеством и т. д. Но все эти придуманные качества эфира вставали в противоречие друг с другом. Всякие новые попытки приводили только к нагромождению новых противоречий. Английский ученый Уипекер очень хорошо описал это нагромождение противоречий в двухтомной книге «История теорий эфира и электричества». Это очень поучительные страницы истории физики.

Итак, все многочисленные остроумные попытки крупнейших физиков XIX века построить теорию светоносного эфира пропали даром. Причина этого ясна. В самой задаче было внутреннее противоречие: механическая модель не могла выразить электромагнитные процессы. Никакими механическими свойствами придуманного вещества — эфира нельзя объяснить электромагнитные свойства света.

Свет — это не вещество и не его движение.




Толкование света как лучистой энергии


Физики стали думать над тем, что такое свет. В нем хотелось найти то, что сохраняется, что оставляет след, когда самого света уже нет, что может быть передано от одного тела к другому, скажем, от Солнца к Земле. Свет, действительно, можно характеризовать с этой стороны: он передает энергию. Солнечный свет передает на Землю огромную энергию, которая во много раз превышает энергию, добываемую человеком в окружающей природе.

С энергией физики знакомы давно. Но когда они имели дело с веществом, у энергии был носитель — вещество. Одно тело передавало энергию другому, по само тело — носитель — сохранялось как таковое, правда, с меньшей энергией. Попытки найти носитель световой энергии успеха не имели. Тогда физики самый свет стали называть «лучистой энергией». Вся природа разделилась ими на две стихии — на вещество и на лучистую энергию. Так писались и учебники на протяжении многих десятилетий.

Последствия этого шага не замедлили сказаться.




«Энергетизм» против материализма


В XIX веке большинство физиков были материалистами. Но они все еще не знали научного, диалектического материализма и лишь стихийно защищали позицию примитивного, механистического материализма. Из этого вытекали и их поиски вещественной среды — светоносного эфира с механическими свойствами. Многие физики думали: материя — это и есть вещество.

Но такое мнение подменяет широкое философское понятие материи более частным понятием — физическим понятием вещества. Оно ошибочно и ведет к серьезным последствиям. В частности, из него следует, что поскольку лучистая энергия — не вещество, постольку свет уже и не материя.

Такой именно логикой и воспользовались идеалисты. На рубеже XX века в естествознании образовалось особое направление — энергетизм. Его развивали химик Оствальд, физик и философ Мах, а также Гельм и другие. Энергетики пошли еще дальше. Они утверждали, будто современная физика доказывает, что энергией является не только свет, а вообще все в природе; в ней существует только энергия. Что такое палка? — спрашивали энергетики. И отвечали: мы знаем о существовании палки не по тому, что она есть вещество или материя, а по тому, что она сопротивляется нашему движению или же ударяет нас, словом, знаем ее по ее действию, в силу ее энергии. Стало быть, напрасно были многовековые споры о том, что прежде всего — материя или дух, ибо над ними (над материей и духом) стоит энергия. Материализму пришел конец, наступило господство энергетизма.

Но так думали только энергетики.




Критика энергетизма Лениным. Свет — одна из форм материи


Ленин увидел в энергетизме источник философской путаницы и подверг его критике. В своем труде «Материализм и эмпириокритицизм» (1908 г.) он показал, что подмена философского понятия материи физическим понятием вещества разоружает физиков в борьбе с идеализмом. Необходимо отойти от старого, примитивного, метафизического материализма и встать на почву научного, диалектического материализма, разработанного в трудах К. Маркса и Ф. Энгельса. А диалектический материализм, опираясь на все развитие науки, доказывает, что материя — это все то, что существует вне человека, независимо от того, существует ли сам человек. Применяя это марксистско-ленинское понимание материи, мы можем сказать, что материей является не только вещество, но и свет, любые электромагнитные излучения. Свет не есть вещество, но он существует вне человека и независимо от него, а потому и свет есть материя. И вещество, и свет — это суть различные формы материи.

Энергетики стремятся противопоставить энергию материи, оторвать ее от материи, поставить ее над материей. Но энергия есть только мера движения материи. Движение же не существует без материи. Отрывая энергию от материи, энергетики тем самым утверждают, будто движение существует без того, что движется, т. е. без материи. Но эта точка зрения бессмысленна, она противоречит всему развитию науки.

Ленин показал, что энергетизм — направление антинаучное. Оно вносит путаницу в трактовку основного философского вопроса — о материи как источнике нашего познания и потому должно быть отброшено.




П. Н. Лебедев открывает давление света


Против энергетического направления в физике выступали русские ученые — Д. И. Менделеев, П. Н. Лебедев и другие.

Петр Николаевич Лебедев (1866—1912), много сил отдавший изучению свойств света, отвергал энергетическое направление. Его физические исследования показали, что свет не только отличается от вещества, но и имеет с ним много общего.

Около двадцати лет своей жизни П. Н. Лебедев посвятил доказательству того, что свет обладает свойством оказывать давление на вещество. Он поставил чрезвычайно остроумные, до сих пор не превзойденные по технике выполнения опыты и доказал, что свет действительно оказывает давление как на твердые тела, так и на газы.

Это и говорит о том, что вещество и свет, отличаясь друг от друга, имеют вместе с тем много общего, что ряд свойств присущ как веществу, так и свету. Свет, как и вещество, обладает не только энергией, но и массой, а также импульсом. Он подчиняется тем же законам сохранения, как и вещество. Свет постоянно взаимодействует с веществом.

Физические исследования П. Н. Лебедева помогали физикам уяснять, что нельзя свет противопоставлять веществу, как нечто нематериальное — материи. Они подтверждали положение марксистской философии о том, что материя существует в различных формах, которые взаимосвязаны друг с другом.

А в наши дни ученые доказали, что вещество и свет при определенных условиях способны превращаться друг в друга. Но об этом мы расскажем позже.




Опыты А. Г. Столетова


Со времени Ньютона шел спор: что такое свет — волны или корпускулы (частицы). На рубеже XX века казалось, что спор подошел к концу. Все как будто говорило в пользу волновой природы видимого света. Все световые явления — прямолинейность распространения света, двойное лучепреломление, интерференция, дифракция и все другие — находили в волновых представлениях свое объяснение. Выяснилось, что видимый свет — только член целой семьи электромагнитных излучений. И все типы излучений обладают волновыми свойствами, как и видимый свет. Лишь природа рентгеновских излучений до некоторых пор была неясной.









Рис. 32. Опыты Столетова. Цепь между пластинкой АА и сеткой ВВ разорвана, ток не идет




Однако уже более десятка лет физикам были известны и такие световые явления, которые, по-существу, не укладывались в волновую теорию, хотя это и не было сразу разгадано. Еще Г. Герц, Гальвакс и другие физики в 80-х годах прошлого столетия обнаружили, что свет вырывает с поверхности металлов отрицательные электрические заряды. Русский физик А. Г. Столетов (1839—1896) подробно исследовал это явление и установил (1888 г.) его основные закономерности, которые позднее привели к открытию новых свойств света. Познакомимся с его опытами.

На рис. 32 АА — металлическая пластинка, а ВВ — металлическая сетка. Пластинка и сетка соединены с электрической батареей Б, пластинка — с отрицательным полюсом, сетка — с положительным. Г — включенный в цепь гальванометр — прибор, показывающий, проходит ли в цепи электрический ток.

В обычных условиях такая установка работать не будет; стрелка гальванометра стоит на нуле, тока в цепи нет. И это понятно: между пластинкой АА и сеткой ВВ цепь разорвана.

А. Г. Столетов осветил пластинку АА светом от вольтовой дуги (она же дуга Петрова). На рис. 33 схематически показано, как этот свет, пройдя через световой фильтр Ф (пропускающий лучи нужных нам длин волн), а затем сквозь сетку ВВ, падает на пластинку АА. При освещении пластинки АА светом через гальванометр проходит ток.

Из этого опыта Столетов заключил, что свет вырывает из металлической пластинки отрицательные электрические заряды. Эти заряды движутся к положительно заряженной сетке, и таким образом электрическая цепь замыкается, по ней идет ток.









Рис. 33. Опыты Столетова. Пластинка АА освещается светом от вольтовой дуги Д. С пластинки срываются отрицательные заряды, ток в цепи идет




Столетов освещал пластинку светом различного, цвета (различной частоты) и исследовал, как изменяется при этом сила тока в цепи. Обнаруженные Столетовым закономерности стали исходным пунктом развития новых представлений о свете.

Явления, которые наблюдал и описал А. Г. Столетов, ныне получили название фотоэлектрического эффекта или просто фотоэффекта (световое действие). Когда позднее (в 1895 г.) были открыты электроны, было установлено, что электрические заряды, вырываемые светом из пластинки, — это электроны. Электроны — это мельчайшие частицы вещества, обладающие наименьшим отрицательным электрическим зарядом. Фотоэффект состоит, следовательно, в том, что свет вырывает из металлической пластинки электроны. Физики научились измерять энергию (скорость) вырванных электронов.




Необычные закономерности фотоэффекта


Необычайность фотоэффекта заключается не в самом факте вырывания электронов светом, а в той закономерности, которая связывает энергию света и энергию вырванных электронов.

Сначала физикам казалось, что энергия фотоэлектронов должна зависеть от энергии падающих световых волн, а стало быть, от яркости света. Это вытекало из волновых представлений о природе света. Ведь казалось, что яркость света должна определяться амплитудой колебаний, а энергия в любой волне пропорциональна квадрату амплитуды.

Каково же было удивление ученых, когда они обнаружили, что от яркости падающего света зависит только общее количество вырванных им электронов, а вовсе не энергия каждого отдельного электрона. Энергия отдельного фотоэлектрона зависит от цветности, точнее говоря, от частоты падающего света: чем больше частота падающего света, тем больше энергия фотоэлектрона.

Эту закономерность никак нельзя объяснить с помощью волновых представлений о свете.




Свет как поток фотонов


Более пятнадцати лет прошло после первых опытов Столетова, прежде чем ученые нашли разгадку странных законов, связывающих энергию фотоэлектронов с частотой вызывающего их света.

За это время произошло еще одно важное событие. В 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858—1947) исследовал условие, при котором устанавливается равновесие в спектре излучения «абсолютно черного тела». Он пришел к выводу, что этим условием является такое распределение энергии по спектру, при котором она пропорциональна частоте. Получается так, как будто энергия света может перемещаться только определенными порциями (квантами), каждая из которых пропорциональна частоте света.

Другой немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) пошел дальше: он сделал вывод о том, что световой поток состоит из потока частиц с энергией, пропорциональной частоте; эти частицы получили наименование фотонов. Чем больше частота света, тем больше энергия фотона. Следовательно, энергия фотона фиолетового света почти в два раза больше энергии фотона красного света. Эйнштейн показал, что, только приняв представление о фотонной структуре света, можно объяснить странную закономерность фотоэффекта, открытого еще Столетовым.

При этом предположении механизм фотоэффекта представляется так. В металлах имеется много «свободных» (т. е. не связанных с определенными атомами металла) электронов. Когда фотон падающего света ударяется в один из них, он передает электрону всю свою энергию. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может вылететь из пластинки. Ясно, что энергия вырванного электрона прямо зависит от энергии выбившего его фотона, т. е. от частоты падающего на пластинку света.

Таким образом, фотоэффект явился одним из первых явлений, указывающих на корпускулярное строение света.

Дальнейшее развитие физики подтвердило справедливость предположения, что свет излучается и поглощается в виде фотонов и что их энергия тем больше, чем больше частота света.




Что такое свет —волны или частицы? 


Но что же в таком случае представляет собой свет — волны или частицы?

После открытия фотоэффекта этот вопрос казался окончательно запутанным и противоречивым. В прежние времена споры о природе света были ясными. Ньютон и его последователи считали, что свет — это корпускулы, т. е. частицы, а не волны. Иначе как же объяснить прямолинейность распространения света? Ломоносов, Эйлер, Юнг, Френель, а за ними все физики середины XIX века пришли к выводу, что свет — это волны, а не корпускулы. Физики нашли способ объяснить, исходя из волновой точки зрения, почему свет распространяется прямолинейно, и даже показали, что это не всегда так бывает; например, в явлениях дифракции свет огибает препятствия, как это делает и звук, только препятствия должны быть для этого очень малы, сравнимы с длиной волны света.

Словом, в прежние времена волновая точка зрения исключала корпускулярную, и наоборот. Казалось разумным отстаивать либо одну, либо другую из них. Но никто не отстаивал обе точки зрения одновременно.

Теперь дело обстояло иначе. Было ясно, что свет обладает волновыми свойствами. Об этом говорят опыты по интерференции и по дифракции света. Но также ясно и то, что свет обладает корпускулярными свойствами. Об этом говорят опыты по фотоэффекту. И те и другие опыты совершенно достоверны и неопровержимы. И выводы из тех и других опытов совершенно определенны: из первых следует, что свет обладает волновыми свойствами, а из вторых—что свет обладает корпускулярными свойствами.

Выходит, что все прежние представления о свете были односторонними; они подмечали только ту или иную его сторону и не видели все свойства света в их единстве. Ныне, в итоге многовекового развития физики, в результате тщательной опытной проверки, мы вправе сделать заключение: свет, т. е. электромагнитные излучения, является одной из форм материи, обладающей одновременно и свойствами частиц и свойствами волн.

Французский физик Луи де-Бройль (родился в 1892 году) высказал предположение, что это положение справедливо не только для одной формы материи — электромагнитных излучений, но и для другой — вещества, и можно ожидать, что поток микрочастиц вещества будет обладать волновыми свойствами. В 1927 году американские физики Дэвисон и Джермер проверили это предположение. Они направили поток электронов на кристаллическую решетку и получили на экране типично волновую интерференционную картину. Так было установлено, что поток микрочастиц обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Если в случае света представления развивались от волновых к корпускулярным, то в случае вещества наоборот — от корпускулярных к волновым.

Таким образом, в XX веке физика показала, что любое одностороннее представление о свойствах природы оказывается неправильным.

Необходимо указать, что открытие фотонных свойств света ни в коей мере не означает возврата к ньютонианским представлениям о свете как о потоке частиц (корпускул). Новые представления о свете значительно более сложны, они точнее отражают объективные свойства света. Фотоны — это не корпускулы Ньютона; их отличает от корпускул Ньютона уже то, что фотонные свойства являются лишь одной стороной света, другой неотрывной стороной которого являются его волновые свойства.




Снова трудности и снова идеализм


Выводы о том, что свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, доказаны опытом.

И все-таки эти выводы плохо укладывались в сознании: ведь мы привыкли считать эти свойства взаимоисключающими, а выходит, что в одном и том же объекте они сосуществуют и не исключают друг друга. Это трудно понять. И эту гносеологическую трудность попытались использовать некоторые физики-идеалисты (Филипп Франк, Паскуаль Иордан и другие).

Все трудности, говорят они, происходят оттого, что думают, что свет есть нечто, существующее вне нас и независимо от нас. Разумные философы давно предупреждали, что вне нас ничего нет, что свет, электроны, протоны и т. п. существуют только в наших представлениях. Мы придумали их, чтобы было удобнее работать с математическими уравнениями. Многие физики не слушали разумных философов и говорили о свете, электронах и т. п. как об объектах. До поры до времени это заблуждение сходило им с рук, с явной нелепостью раньше они не встречались. А теперь встретились. Что же из этого получилось?

Рассматривая явление дифракции или интерференции, эти физики говорят: из этого опыта следует, что свет, существующий вне нас, обладает волновыми свойствами. А наблюдая фотоэффект, заключают: стало быть, свет, существующий вне нас, обладает не только свойствами волн, но и свойствами частиц. Вот и возникают трудности, потому что противоречивые, взаимоисключающие свойства приходится относить к одному и тому же объекту — свету. А надо рассуждать так, учат идеалисты-физики: нет света как объекта, существующего независимо от нас. Мы имеем дело лишь с показаниями приборов; в одних приборах мы действительно наблюдаем волновые явления, а в других — корпускулярные. Но это не страшно: ведь налицо два различных прибора (точнее: два различных класса приборов), два различных опыта. В одном же опыте взаимоисключающие свойства никогда вместе не встречаются. А то, что различные классы приборов дают показания, исходя из которых человек строит различные, взаимоисключающие представления — либо волновые, либо же корпускулярные, вполне допустимо. Не делайте вывода о необходимости относить эти наблюдения к одному объекту, и все будет благополучно.

Так рассуждают физики-идеалисты.

Итак, на вопрос о том, что такое свет, идеалисты отвечают: свет — это лишь наше представление, фантазия нашей мысли. Правда, эту фантазию мы строим не произвольно, а на основе показаний приборов (точнее, на основе наших чувственных восприятий показаний этих приборов), которые мы как-то комбинируем удобным для нас образом. Свет — не материя, а создание нашей мысли, не больше.




Мнение академика Вавилова


Академик Сергей Иванович Вавилов (1891—1951), выдающийся советский ученый, всю жизнь посвятивший исследованию свойств света, открывший немало его закономерностей, не согласился с утверждениями физиков-идеалистов, будто волновые и корпускулярные свойства света встречаются лишь в различных опытах (в показаниях разных приборов) и никогда не встречаются вместе в одном опыте. Напротив, утверждает С. И. Вавилов, природа не разъединяет, а соединяет эти свойства в одном опыте. В последнем прижизненном издании своей популярной книжки «Глаз и Солнце» он писал: «Весьма распространено мнение, что в опытах одного типа (например, в опыте с кольцами Ньютона) свет полностью ведет себя как волновое движение, а в опытах другого типа (например, выцветание окрашенной ткани) свет целиком проявляет себя как поток частиц. Это, однако, ошибочно. Если опыт Ньютона производить с чрезвычайно слабым светом, то при некоторых условиях есть возможность наблюдать систематические беспорядочные колебания яркости светлых колец, свидетельствующие о том, что энергия света и в этом типично волновом явлении сосредоточена в отдельных центрах — фотонах. С другой стороны, если освещать окрашенную ткань через узкие отверстия, то при выцветании обнаруживаются дифракционные явления».

Вавилов привел здесь, как видим, пример с уже известными нам кольцами Ньютона. Физика считала их типично волновыми явлениями; Вавилов же указывает, при каких условиях (чрезвычайно слабый свет) это типично волновое явление обнаруживает одновременно и свойства фотонов. В случае же сильного светового потока его корпускулярные (фотонные) свойства скрадываются, не отмечаются нами, хотя и существуют.

Таков же и второй пример Вавилова: сначала физики рассматривали процесс выцветания тканей как процесс, в котором проявляются только фотонные свойства света, а Вавилов показывает, при каких условиях можно наблюдать в том же процессе и волновые свойства («дифракционные явления»).




Марксистская философия и современная физика


В этой книжке показывалось, как физики неоднократно обсуждали вопрос: что такое свет — волны или частицы? О чем шел спор? Спор шел о физическом строении света. Физики же идеалисты вопрос о физическом строении света подменили вопросом философским: существует ли свет как нечто объективное, независимо от познающего человека? Они пытались разрешить известные трудности познания сложной природы света (также и вещества) путем отказа от признания существования вне нас объективного, материального мира.

Но ту истину, что свет существует вне нас, объективно, нельзя опровергнуть словесной акробатикой. Правильность нашего познания объективного мира проверяется практикой. Практика же людей доказывает, что мир, природа и свет, как ее часть, существуют объективно, независимо от нас, что наше познание правильно отражает свойства природы, ибо на основе наших знаний о природе мы способны сознательно изменять ее. Существование света вне человека доказывается тем, что на основе познания объективных свойств света создана мощная современная техника — радиотехника, рентгенотехника, светотехника и т. д.

Конечно, нам трудно представить себе, как может свет или поток микрочастиц одновременно обладать волновыми и корпускулярными свойствами. Но что означают слова «наглядно представить себе»? Не означают ли они, что мы волей-неволей стремимся создать механическую модель микрообъекта, которую в принципе можно построить в механической мастерской? Тогда заранее можно сказать, что создать такую модель нам не удастся, как не удалось физикам в XIX веке построить механическую модель светоносного эфира.

Моделью объекта (любого) или его образом является теория, в которой отражается поведение или закономерности объекта от его возникновения, развития до его преобразования в другой объект. Но конечно, не всякая надуманная теория, а теория, подтвержденная целеустремленной практической деятельностью человека.

Обобщая результаты всех экспериментов со светом или микрочастицами, физики стремятся создать теорию, которая объединяла бы в себе закономерности поведения объекта во всех частных случаях — как волновое его поведение, так и корпускулярное. Эта теория может быть очень сложной и абстрактной (не наглядной). Но тем не менее она может быть правильной моделью микрообъекта, если только ее подтверждает практика. Практика, подтверждающая выводы теории, — высший критерий того, что теория правильно отображает объект со всеми его «взаимоисключающими» свойствами.

В этом и состоит суть материалистической теории познания. В этом — ответ современного научного материализма на гносеологические вопросы, поставленные современной физикой.




Свет и атомы





Почему атомы светятся? 


Свет рождается в веществе. Таково происхождение и видимого света, и инфракрасного, и ультрафиолетового, и рентгеновских излучений, и гамма-излучений. Естественно, что, изучая свойства света, можно в конечном счете узнать, при каких условиях атомы излучают свет, и таким путем проникнуть в тайну строения атомов. Недаром Д. И. Менделеев говорил, что свет «обещает многое выяснить в области атомов и частиц».

В конце XIX века физикам казалось, что они знают, как образуется свет в атомах: в результате колебания электрических зарядов. Ведь именно так образуются радиоволны. Чтобы получить радиоволны, мы создаем электрические колебания, например, при искровом разряде. А ведь атомы тоже излучают электромагнитные волны, только частота (длина волны) этих волн не такая, как у радиоволн. Можно предположить, что и в атомах есть электрические заряды, и когда заряды колеблются, атомы испускают свет.

Физики, конечно, стремились убедиться в этом опытным путем. Идея опыта была очень проста. Она опирается на аналогию со звуком. Известно, что если зажать (укоротить) звучащую струну, она изменит характер колебания и благодаря этому изменит тон, т. е. частоту колебаний. Этот прием применяется при игре на струнных инструментах.

Возникает вопрос: а что, если повлиять на характер движения зарядов в атоме? Если и в самом деле свет есть результат движения зарядов, то это должно сказаться на частоте излучаемого света. 




Эффект Зеемана


Повлиять на характер движения зарядов в атоме — дело вполне возможное. Для этого нужно поместить излучающее вещество между полюсами очень сильного магнита. Между полюсами магнита создается очень сильное магнитное поле. Оно подействует на заряды, движущиеся внутри атомов, и изменит характер их движения. Тогда надо наблюдать, что делается с линиями спектра, который испускается данным веществом. Это был трудный опыт. Он дал определенный результат лишь тогда, когда физики научились создавать сильные магнитные поля и стали применять дифракционные решетки, широко разбрасывающие спектр лучей.




 




Рис. 34. Расщепление одной из линий цинка на три под влиянием сильного магнитного поля




Опыт показал, что магнитное поле действительно изменяет излучение: каждая линия в спектре под действием сильного магнитного поля расщепляется при одних условиях на две, при других — на три линии (рис. 34). По имени немецкого ученого, открывшего это явление, оно было названо эффектом Зеемана.

Эффект Зеемана убедительно показал, что свет рождается в результате движения электрических зарядов в атомах.




Природа солнечных пятен


В наше время были исследованы спектры солнечных пятен. Было обнаружено, что линии поглощения этих спектров расщеплены точно так же, как расщеплены линии испускания в опыте Зеемана. Из этого ученые сделали вывод, что атомы в области солнечных пятен находятся под воздействием сильных магнитных полей. Таким образом природа солнечных пятен стала ясней.

Задача расшифровки природы солнечных пятен, как видим, по ходу выводов обратна той, которая ставилась в опыте Зеемана: там с помощью сильного магнитного поля воздействовали на атомы и наблюдали расщепление линий (испускания); здесь по расщеплению линий (поглощения) сделали вывод о наличии сильного магнитного поля, воздействующего на атомы.

Существенно то, что открытие факта воздействия магнитного поля на характер излучения позволяет затем по спектрам излучения (расщепление линий) расшифровывать процессы, которые непосредственному наблюдению недоступны.




Надежды на быстрое раскрытие тайн строения атомов


Факт воздействия сильных магнитных полей на атомные спектры был установлен в 1896 году. Уже тогда расчеты показали, что заряды, движущиеся в атомах,— это электроны, мельчайшие частицы вещества, обладающие отрицательным электрическим зарядом, только что перед тем открытые.

Первая тайна возникновения света в атомах была раскрыта. Физики были полны надежд, что скоро они раскроют и другие тайны: узнают, как движутся электроны в атомах, какие возможны колебания электронов и как эти колебания связаны с излучаемым светом, почему атомы испускают не одну, а много световых волн.

Обычно, исследуя новую область явлений, физики опираются на уже известные знания, на хорошо изученные и проверенные законы физики. Эти законы служат им надежным компасом в еще не изведанных областях природы.

Оказалось, что в области атомных явлений этот компас кое в чем стал отказывать.




Новый закон частот


В XIX веке в физике уже имелось, казалось бы, законченное учение о колебаниях. Согласно этому учению, всякое колеблющееся тело возбуждает волны той частоты, какова частота колебаний тела. Например, если струна колеблется с частотой 400 циклов, от нее идет звуковая волна той же частоты. Это — основной тон струны. Кроме основного тона, струна может одновременно издавать и другие тоны, так называемые обертоны. Частоты их в 2, 3, 4, вообще в целое число раз больше частоты основного тона.

Физики предполагали, что то же самое должно иметь место и в случае колебаний электронов в атомах. Если в атоме какого-либо элемента имеется один электрон, то между частотами излучений у таких атомов должны быть те же соотношения, что и у струны. Если же у атомов по нескольку электронов, то частоты их излучений должны представлять набор тонов и обертонов, аналогичный тому, какой имеет музыкальный инструмент с подходящим количеством струн. Так полагали физики на основе ранее известных теорий.

Что же оказалось в действительности?

Измерив частоты спектральных излучений у атомов различных элементов, физики стали изучать их. В спектре атомов водорода имеется около полусотни излучений. Но физики не нашли среди них таких, частоты которых относились бы друг к другу, как целые числа. Среди атомных излучений не нашлось «обертонов».

Зато был обнаружен другой закон — закон разностей частот. Вот, например, ряд частот излучений водородных атомов: 24,7·10


; 29,2·10


; 30,9·10


; 4,6·10


; 6,2·10


; 1,6·10


 (десятичные знаки в числах округлены). Если из второй частоты вычесть первую, то получится четвертая частота. В самом деле: 29,2·10


 — 24,7·10


 = 4,5·10


. Разность третьей и первой частот дает пятую частоту: 30,9·10


 — 24,7·10


 = 6,2·10


. Вычитание второй частоты из третьей приведет к шестой частоте. Ту же шестую частоту дает и разность пятой и четвертой частот.

Физика еще не знала таких соотношений частот; струна, например, их никогда не могла дать. Естественно, встал вопрос: применимы ли внутри атомов законы колебаний, которые до сих пор знала физика?

В чем же состоят особенности строения атомов?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было прежде научиться производить опыты с самими атомами, проникнуть в их недра.

Но есть ли в природе такие орудия, которые позволили бы проникнуть в глубь атомов, размеры которых составляют доли ангстрема, т. е. стомиллионные доли сантиметра?




Составные части атомов


Орудия для проникновения в недра атомов нашлись. Они нашлись в недрах самих атомов.

В 1896 году французские физики Анри Беккерель (1852—1908) и супруги Мария Кюри (1867—1934) и Пьер Кюри (1859—1906) открыли и исследовали явление радиоактивности некоторых тяжелых элементов. Атомы радиоактивных элементов выбрасывают из себя наряду с гамма-излучениями поток электронов и, кроме того, поток альфа-частиц. Каждая альфа-частица обладает положительным зарядом. По величине ее заряд вдвое больше, чем у электрона (про частицы с такими зарядами говорят просто: заряд равен двум). А по весу альфа-частица тяжелее электрона почти в 8 тысяч раз. Она в 4 раза тяжелее атома водорода и примерно равна по весу атому гелия.

Тяжелые, положительно заряженные альфа-частицы сыграли большую роль в исследовании атомов. Они оказались хорошими снарядами для проникновения в глубь атомов. В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) обстрелял этими снарядами атомы многих веществ.

Обнаружились интересные свойства атомов.

Прежде всего подтвердились предположения физиков о том, что не только в атомах радиоактивных веществ, но и в атомах всех веществ имеются электроны, а следовательно, отрицательные заряды. В обычном состоянии атом является незаряженным или, как говорят, электрически нейтральным. Это потому, что в атоме есть не только отрицательные заряды, но и положительные, и они нейтрализуют друг друга. Альфа-частица, пролетая мимо электронов, выбивает их из атома. Тогда атом, потеряв один или несколько электронов, оказывается положительно заряженным. Такой атом называют ионом, а выбивание из атомов электронов — ионизацией.

Опыты показали, что частицы, составляющие атом, занимают чрезвычайно малую долю объема всего атома. Поэтому альфа-частицы, пролетая сквозь атом, лишь изредка налетают на положительный заряд. И тогда они отклоняются от своего пути и даже отбрасываются назад. Редкость такой встречи означает, что положительный заряд сосредоточен в атоме в очень небольшом объеме. Это так называемое ядро атома.

Физики стали сравнивать атом с солнечной системой. Ядро атома подобно Солнцу. Электроны подобны планетам; они обращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

Бомбардируя атомы различных веществ альфа-частицами, физики установили еще одно важное свойство атомов: чем тяжелее атом, тем больше заряд его ядра, тем больше у атома и электронов. Заряд ядра у водородного атома равен единице. И вокруг этого ядра обращается один электрон. Заряд ядра и число электронов у гелия равны 2, у лития — 3 и т. д.

Заряд ядра и число электронов у атома каждого элемента в точности совпадают с тем порядковым местом, которое этот элемент занимает в таблице Менделеева.

Итак, ученые проникли в мир атома, узнали его состав.

Однако знать, из чего состоят атомы, это еще не значит знать строение атома. Составные части атомов не свалены в кучу. Они взаимодействуют между собой по каким-то определенным законам. Познать строение атома — это означает познать закон взаимодействия составляющих его частей. Ведь каждый атом — это прочная, устойчивая система. Как же взаимодействуют между собой составные части атома, чтобы образовать такую систему?

Физики снова попробовали применить уже известные им законы взаимодействия — механические и электродинамические.




Почему атомы устойчивы?


По законам механики электрон в атоме необходимо должен обращаться вокруг ядра. Иначе он упадет на ядро, с атомом произойдет какая-то катастрофа. В самом деле, массивное положительно заряженное ядро притягивает отрицательно заряженный электрон, как Солнце притягивает планеты. Если планеты не падают на Солнце, то только потому, что они обращаются вокруг него. Значит, если электроны не падают иа ядра, то необходимо предположить, что они не находятся в покое в атоме, а обращаются вокруг ядра.

Электродинамика, наука о движении зарядов, давно установила, что когда электрические заряды меняют направление движения или скорость, они излучают электромагнитные волны. Следовательно, электроны при обращении вокруг ядра должны порождать электромагнитные волны, т. е. световое излучение. Так, по крайней мере, следует из законов, найденных физикой для мира больших тел.

Однако если применить эти законы к атомам, опять возникают противоречия. В самом деле, если электрон неизбежно должен обращаться вокруг ядра и если он при этом неизбежно должен излучать, то также неизбежно он должен терять энергию. А потеря энергии неизбежно приведет к тому, что электрон будет быстро приближаться к ядру. Через какие-нибудь миллионные доли секунды должна неминуемо произойти катастрофа — электрон упадет на ядро.

Таким образом, законы механики требуют: чтобы избежать катастрофы, электрон в атоме должен обращаться вокруг ядра. А законы электродинамики утверждают: раз обращение заряда — значит излучение; раз излучение — значит потеря энергии и катастрофа.

Но катастрофа не происходит. Из опыта мы видим, что атомы большинства элементов в обычных условиях вполне устойчивы. А неустойчивость радиоактивных атомов связана не с характером движения электронов, а со свойствами ядер. Впрочем, и атомы радиоактивных элементов в конце концов превращаются в очень устойчивые атомы новых, нерадиоактивных элементов.

Почему же атомы устойчивы?

Не действуют ли в атомах какие-то новые законы излучений, которые были неизвестны ранее?

Физики вооружаются электронной пушкой. На помощь ученым вновь пришел свет, точнее, изучение условий, при которых возникают излучения в атомах.

Внимание физиков привлек один очень существенный факт: атомы излучают определенные частоты не в любом состоянии. Они излучают, когда вещество нагревается до очень высокой температуры или когда через него пропускают электрический ток (если речь идет о газах), или когда атомы обстреливаются потоком электронов или рентгеновских лучей, словом, когда атомы вещества «возбуждаются», т. е. когда их внутренняя энергия возрастает.

Этот факт известен давно. Он говорит о том, что в обычном, «нормальном» состоянии атом не излучает, каковы бы ни были движения электронов в нем. По-видимому, излучения атома связаны не с движениями электронов, а с особыми «потрясениями» в атоме.

Не узнаем ли мы более подробно о характере излучения атомов, если изучим процесс возбуждения атомов?

Прежде всего надо научиться управлять возбуждением. Это значит, надо научиться передавать атомам ровно столько энергии, сколько мы хотим.

Годится ли для этого газовая горелка? Нет, не годится. В газовой горелке атомы какого-либо вещества получают энергию при ударе их атомами газов, образующих пламя. А в пламени атомы газа движутся с самыми различными скоростями. И энергия у них поэтому различна. При столкновениях в пламени один атом вещества получит одну порцию энергии, а другой, может быть, в сотни раз больше. И этого никак не избежишь.

Но вот около полусотни лет назад физики научились получать поток электронов, в котором все электроны имеют одну и ту же скорость, а следовательно, и одинаковую энергию. Для этой цели была построена специальная «электронная пушка». Источником электронов в ней служила металлическая проволочка. Она накаливалась током, и тогда из нее- вылетали электроны. По вылете электроны попадали в специально созданное электрическое поле, которое ускоряло их движение, доводило их энергию до необходимого, точно определенного уровня. Изменяя разность потенциалов поля, можно было по желанию уменьшать или увеличивать энергию электронов. Так как энергия, полученная таким путем электронами, очень мала, то ее стали измерять не обычными единицами, а «электрон-вольтами». Эта единица энергии равна энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в один вольт.

Такая электронная пушка и была использована для возбуждения атомов.




Как атомы обмениваются энергией? 


В первом опыте были взяты пары ртути. Энергия снарядов-электронов увеличивалась постепенно. Оказалось, что при малых энергиях электронов никакого возбуждения атомов ртути не наступало. Электроны ударяли в них, но отскакивали с той же скоростью, не отдавая им своей энергии. Атомы ртути были безучастны к ударам электронов. Они не возбуждались и не испускали никакого излучения.

Но так было только до тех пор, пока электроны не достигали определенной «критической» энергии, равной 4,9 электрон-вольта.

Как только электроны в пушке достигали этой критической энергии, атомы ртути при ударе захватывали у электронов их энергию и после этого начинали испускать излучение с частотой 11,8·10


 циклов. В результате излучения атомы теряли захваченную ими энергию и вновь приходили в нормальное состояние; излучение прекращалось.

Изменяя условия опыта, физики убедились, что атомы ртути способны захватывать также и большие порции энергии, но тоже совершенно определенные. После этих захватов шары ртути начинали испускать излучения также и других частот, тоже строго определенных. Поглощенная каждым атомом энергия затем полностью отдавалась при излучении. При этом всегда осуществлялся закон: частоты излучения были тем больше, чем больше была порция энергии, которая была сначала захвачена у электрона, а затем излучена атомом.

Атомы других веществ вели себя совершенно так же. Только порции энергии, которые они захватывали, были другие. Но всегда они были определенными для атомов одного и того же вещества.

Эта закономерность не была неожиданной. Физики уже знали, что свет излучается и поглощается только порциями, получившими название квантов света или фотонов. Когда атом отдает излишек энергии, он отдает его сразу в виде одной порции света — фотона. А энергия фотона тем больше, чем больше частота света. Следовательно, по частотам излучаемого света можно судить о величине порций энергии, отдаваемых атомом.

Каждый атом в нормальном состоянии всегда имеет определенный запас энергии. Это его минимальный запас, который не изменяется, если атом по каким-либо причинам вовсе не разрушается. В этом состоянии атом не излучает. При возбуждении запас энергии атома увеличивается. Возбужденный атом, излучая свет, теряет из запаса часть энергии в виде фотонов, соответствующих определенной частоте, и в конце концов возвращается в нормальное состояние. Физики выражают ту же мысль и иначе; они говорят: каждый атом находится в определенном «энергетическом состоянии». Излучая фотон, атом переходит в другое энергетическое состояние, с меньшей энергией. Значит, по частотам излучения атомов можно судить о том, какие энергетические состояния могут быть у атомов, какие возможны переходы из одного энергетического состояния в другое.

Этот вывод физики использовали для изучения строения атомов.




Какова структура атома





Модель атома водорода


В 1913 году датский физик Нильс Бор (1885—1962) попытался нарисовать наглядную картину: как может быть построен атом из положительного ядра и электронов и при каких условиях он излучает свет. Физики называют такую наглядную картину моделью атома.

Задача была сложная. Модель должна была учесть новый, необычный характер внутриатомных законов, о которых нам говорят опыты с атомами. Модель должна была объяснить: 1) почему атомы устойчивы, несмотря на то, что и в невозбужденном атоме электроды движутся, 2) закон разности частот, излучаемых атомами, 3) закон поглощения и излучения энергии только квантами (порциями).

Легче всего начать строить модель с атома водорода как наиболее простого. У него имеется всего лишь один электрон (см. стр. 90). Бор предположил, что этот электрон в полном соответствии с законами классической механики обращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, двигаясь по определенному пути или, как говорят, по орбите. Но — и тут ученый вводит первое ограничение законов классической физики — орбита эта не произвольная, а вполне определенная. Ее радиус может быть точно вычислен. Это — орбита, «дозволенная» законами, действующими внутри атома. У электрона могут быть и другие орбиты, орбиты с большим радиусом, но тоже вполне определенные. На них электрон обращается, когда атомы водорода возбуждаются, захватывают энергию извне. Для удобства при дальнейших рассуждениях мы можем занумеровать эти орбиты, начиная с самой близкой к ядру: № 1, № 2, № 3 и т. д. (рис. 35).

Двигаясь по какой-либо «дозволенной» орбите, электрон вовсе не излучает. В этом отношении электрон не подчиняется законам классической физики. Это — новое ограничение, которое вводит Бор, чтобы объяснить наблюдающиеся закономерности. А если электрон не излучает, то и энергия его не убывает.









Рис. 35. Модель атома водорода. Стрелками показаны возможные переходы электрона при излучении




Однако есть разница в состоянии электрона, когда он находится на орбите № 1 и когда он движется на более удаленных орбитах. В первом случае состояние электрона очень устойчивое. Он может как угодно долго двигаться по орбите № 1, с ним ничего не произойдет. На более удаленных орбитах состояние электрона неустойчиво: он продержится на них в среднем около одной стомиллионной доли секунды, а затем перескочит на одну из орбит, более близких к ядру, и в конце концов на орбиту № 1.

Бор утверждает: атом испускает свет только во время перескоков электронов с орбит более удаленных на орбиты более близкие к ядру. Подсчитав энергии электрона на возможных для него орбитах, физики нашли, что при перескоке 2—1 (так мы будем обозначать перескок электрона с орбиты № 2 на орбиту № 1) атом водорода должен испускать излучение с частотой 24,7·10


 циклов, при перескоке 3—1 — с частотой 29,2·10


 циклов, при перескоке 4—1 — с частотой 30,9·10


 циклов, при перескоке 3—2 — с частотой 4,6·10


 циклов, при перескоке 4—2 — с частотой 6,2·10


 циклов, а при перескоке 4—3 — с частотой 1,6·10


 циклов. Таким образом, оказалось, что частота света, излучаемого парами раскаленного водорода, определяется тем, с какой орбиты на какую перескакивают электроны в его атомах.

Перескоками электродов можно объяснить и тот факт, что разности между отдельными частотами тоже являются частотами излучения атомов. Когда электрон обращается, скажем, по четвертой орбите, атом имеет один запас энергии. При перескоке электрона на вторую орбиту атом теряет часть энергии на излучение. Обозначим ее так: Э


. Но ту же энергию атом может потерять за два приема: при перескоках электрона с четвертой орбиты на третью и с третьей на вторую. Если обозначить энергии, потерянные при отдельных перескоках, через Э


 и Э


, то сказанное можно записать: Э


 = Э


 + Э


. Отсюда следует, что энергия, потерянная при перескоке 4—2, минус энергия, потерянная при перескоке 4—3, равна энергии, потерянной три перескоке 3—2. Но мы уже знаем, что энергия излучения тем больше, чем больше частоты излучения. Следовательно, если существует закон разности энергий излучений, то существует и закон разности частот излучений. Это мы и видим на примере частот, указанных в предыдущем абзаце. В самом деле: 6,2·10


— 1,6·10


 = 4,6· 10


.

Следует заметить, что при каждом отдельном перескоке электрона атом испускает излучение только одной частоты. Если же в спектре водорода мы наблюдаем излучения не одной, а нескольких частот, то это потому, что мы всегда наблюдаем результат действия не одного, а множества атомов. В одних атомах электроны перескакивают со второй орбиты на первую, в других — с третьей на вторую, с третьей на первую и т. д.

Такое же объяснение можно дать и частотам спектров других элементов.

Такова была модель атома, нарисованная Бором. Она была только первым шагом в изучении строения атома, так как не объясняла, почему электроны ведут себя в атоме так странно, в противоречии с установленными ранее законами. Она только указывала (да и то лишь в простейших случаях), как они себя ведут, в силу каких-то новых, еще не открытых законов, верных для мира малых величин. Эти законы были открыты не сразу. Они нашли освещение в новой науке — квантовой механике.

Модель Бора отображает го, что происходит в простых атомах, лишь в грубом приближении. А для сложных атомов она вовсе непригодна. Но в случаях, когда большая точность не требуется, физики пользуются этой моделью ввиду ее простоты.

В этой модели сохранятся не геометрические образы (орбиты электронов), а главные физические черты, подтвержденные экспериментом; а именно: возбужденные атомы находятся в различных энергетических состояниях, вполне определенных для атомов данного элемента; это энергетическое состояние атом может изменять только скачком, переходя при этом на более низкий энергетический уровень и испуская квант света (фотон) определенной частоты (и, следовательно, определенной энергии), в зависимости от того, какой из возможных переходов он при данных условиях совершает.




Атомные спектры и электронные слои


Физики собрали в спектроскопических лабораториях все известные элементы. Они бомбардировали атомы различных элементов быстрыми электронами, отщепляли от атомов то один, то два, то несколько электронов, действовали на атомы сильными магнитными и электрическими полями, словом, ставили атомы во всевозможные условия. И все время наблюдали, какие при этом получаются спектры, как эти спектры изменяются под влиянием различных условий. А из этого делали выводы о том, какие же перестройки происходят внутри атомов.

Рассмотрим один из примеров, показывающий, как по атомным спектрам физики определяют строение атомов.

Возьмем элемент литий. Он стоит в таблице Менделеева на третьем месте, у его атомов по три электрона. Если атом не возбужден, электроны обращаются вокруг ядра по устойчивым орбитам. Все эти орбиты можно занумеровать одним номером — № 1; но мы должны помнить, что это номера орбит для разных электронов. Не можем ли мы по спектрам атомов лития узнать что-либо еще о его орбитах?

Будем обстреливать атомы лития из электронной пушки. Мы уже знаем, что при малой энергии электронов-снарядов атомы лития не будут возбуждаться. Первое возбуждение наступит тогда, когда электроны-снаряды достигнут энергии в 1,86 электрон-вольта. При захвате этой энергии наружный электрон лития перейдет на орбиту № 2. Другие электроны останутся на своих прежних орбитах: они ближе к ядру, сильнее с ним связаны. Их такой малой энергией не возбудить. Мы узнаем о возбуждении наружного электрона благодаря тому, что литий будет испускать излучение с частотой 4,6·10


 циклов; эта частота будет свидетельствовать об обратном перескоке наружного электрона с орбиты № 2 на орбиту № 1. При захвате следующих порций энергии наружный электрон будет переходить на новые орбиты, а при обратном перескоке испускать излучение с новыми частотами.

Чем больше порция захваченной атомом энергии, тем дальше будет орбита наружного электрона, тем слабее будет его связь с ядром. При захвате энергии в 5,4 электрон-вольта наружный электрон вылетает из атома совсем— атом становится ионом (однократная ионизация). Если однократно ионизованный ион лития захватит извне медленно движущийся электрон, он испустит излучение с частотой 12,96·10


 циклов.

Заметим, что частоты, с которыми мы имеем дело при возбуждении наружного электрона, лежат в пределах от 4,6·10


 до 12,96·10


 циклов. Последняя частота больше первой всего в 2,9 раза.

При обстреле лития электронами, имеющими энергию не ниже 75 электрон-вольт, появится излучение с частотой 182,0·10


 циклов. Атомы лития, испускающие это излучение, дважды ионизованы. Второй электрон вылетает из атома при захвате энергии в 75 электрон-вольт. А излучение с указанной частотой испускается, когда дважды ионизованный атом лития захватит извне медленно движущийся электрон. Последний, третий, электрон вылетает из атома при захвате энергии в 121 электрон-вольт, что соответствует излучению с частотой 294,7·10


 циклов.

Мы получили ряд энергий ионизации лития: энергия первой ионизации равна 5,4 электрон-вольта, второй — 75 электрон-вольтам, третьей — 121 электрон-вольту. Соответствующие этим энергиям частоты: 12,96·10


, 182,0·10


 и 294,7·10


 циклов. Эти энергии, или частоты, показывают, как крепко связаны электроны лития с ядром, сколь близко они находятся к ядру.

Сразу видно, что энергия связи второго электрона больше энергии связи наружного, наиболее слабо связанного электрона, в 14 раз. А вот энергия связи третьего, внутреннего электрона больше энергии второго всего в полтора с небольшим раза. Связь у двух внутренних электронов с ядром почти одинакова, их орбиты находятся недалеко друг от друга. Эти два электрона составляют тесную группу, или, как говорят физики, составляют один слой электронов. Наружный же электрон у лития обращается вокруг ядра вдалеке от внутреннего слоя электронов (рис. 36).

Так, изучая частоты излучений, ученые делают выводы о внутреннем строении атомов, о том, что электроны в атомах располагаются по слоям. В тяжелых атомах число таких слоев достигает семи. Физики называют их: слой К (ка), слой L (эль), слой М (эм) и т. д. Эти слои, кроме того, разделяются еще на подгруппы.

Частота рентгеновских излучений находится в пределах от 3·10


 до 3·10


 циклов; частота видимого света  — в пределах от 0,8·1014 до 0,4·1014 циклов. Следовательно, частота рентгеновских излучений больше частоты видимого света в десятки тысяч раз. Во столько же раз больше и энергия фотонов рентгеновских излучений.









Рис 36. Модель атома лития. Два ближайших к ядру электрона составляют внутренний слой




Из этого следует, что высокочастотные рентгеновские спектры испускаются три перескоках электронов, которые движутся глубоко внутри атомов и сильнее всего связаны с ядром. Инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые спектры (их называют оптическими) образуются в результате перескоков внешних электронов, связанных с ядром слабее.

Таким образом, исследования спектров помогли более ясно представить строение атомов.




Свет и химические свойства атомов


С оптическими спектрами атомов мы имеем дело с первых страниц нашей книжки. Это их наблюдали физики на заре развития спектрального анализа. Это они служили приметами для опознавания химических элементов, ибо у каждого химического элемента они особенные.

Теперь физики «прошлись» вдоль всей таблицы Менделеева и внимательно сравнили оптические спектры элементов. Они сопоставили спектры и с химическими свойствами элементов. Результаты получились интересные.

Возьмем, например, из таблицы Менделеева следующие элементы: № 2 — гелий, № 10 — неон, № 18 — аргон, № 36 — криптон, № 54 — ксенон. Все они стоят в одном столбце. Все они — газы, которые не вступают в химические соединения с другими элементами в обычных условиях; это — инертные газы. Оказывается, что на их возбуждение нужно затратить сравнительно большую энергию, обстрелять их более быстрыми электронами, и только тогда они начнут излучать. Это связано с тем, что наружный электронный слой этих атомов образует замкнутую группу электронов, прочно связанную с ядром. Образно можно сказать: атомы инертных газов плотно упакованы.

В первом столбце периодической таблицы стоят металлы: № 3 — литий, № 11— натрий, № 19 — калий, № 37 — рубидий, № 55 — цезий. Они называются щелочными металлами. Щелочные металлы легко вступают в соединения с другими элементами. В наружном слое у атомов всех этих элементов всего по одному электрону, слабо связанному с ядром. Оказывается, что и оптические спектры возбудить у них легче, чем у других элементов. Необходимая для этого энергия в 5—10 раз меньше, чем для возбуждения инертных газов.

В том же столбце стоит и водород. Это, правда, не металл, а газ. Но и он столь же легко соединяется с другими элементами. В его «наружном» слое тоже только один электрон; а внутренних слоев у него нет совсем, ибо у него всего только один электрон. Его единственный электрон столь же слабо связан с ядром, как и наружные («оптические») электроны у щелочных металлов. Следовательно, были физические основания поставить его в тот же столбец, что и металлы.

Из сопоставлений оптических спектров и химических свойств элементов можно сделать замечательный вывод: если химические свойства элементов похожи друг на друга (такие элементы стоят в одном столбце), то и строение их спектров похоже друг на друга. Следовательно, у них и строение оптических электронных оболочек также похоже друг на друга!

Так была установлена связь оптических спектров с химическими свойствами элементов.

Огромную работу по спектральному анализу атомов проделала группа советских физиков, руководимая академиком Д. С. Рождественским (1876—1940). Эта группа начала свою работу в 1918 году в только что созданном советской властью Государственном оптическом институте. В частности, Д. С. Рождественский исследовал и установил закономерности спектров щелочных металлов и строение их электронных слоев.




Молекулярные спектры


Особенно большое значение для химии имело изучение спектров сложных веществ, или так называемых молекулярных спектров. Молекула — это сложная частица, состоящая из химически связанных друг с другом атомов. У молекул спектры совсем иного вида, чем у атомов. Молекулярный спектр не линейчатый, а полосатый. Вместо отдельных линий в молекулярных спектрах видны широкие полосы. Каждая полоса — это совокупность множества отдельных линий. Полосатые молекулярные спектры получаются при сравнительно невысоких температурах, например в газовой горелке (1800 градусов). При очень высоких температурах, например в электрической дуге (5000—6000 «градусов), большинство молекул сложных веществ разлагается «а отдельные атомы, полосатый спектр исчезает, появляются линейчатые спектры атомов, составляющих молекулу.

Раньше химик изучал сложные вещества так. Он выяснял, «при каких условиях различные атомы соединяются друг с другом; каковы весовые отношения отдельных элементов в сложном веществе; каковы свойства полученного вещества. Но от химика было скрыто главное, он не знал, какая перестройка происходит в атомах при соединении их в молекулу, не знал, почему одни вещества соединяются друг с другом, а другие нет. Это затрудняло сознательное управление химическими процессами.

Изучение спектров помогло и здесь. По тому, какие спектры испускают молекулы сложных веществ, как они рассеивают падающий на них свет, можно многое узнать о строении по крайней мере простейших молекул. Большие исследования в этой области были «проведены советскими академиками Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом, а также ленинградскими учеными профессорами С. Э. Фришем, Е. Ф. Гроссом и другими.

Академики Мендельштам и Ландсберг обнаружили новое, весьма важное явление. Они установили, что молекулы кристалла кварца, а также исландского шпата, рассеивая падающий свет, изменяют его спектральный состав, вызывают в спектре рассеянного света добавочные линии, которые сопровождают каждую линию первичного света. Эти добавочные линии получили название сателлитов (зависимых). Они появляются благодаря собственному колебанию молекул. В силу этого явление, открытое советскими учеными, названное комбинационным рассеянием света, представляет собой важный метод очень тонкого исследования строения молекул.

Большое число экспериментальных и теоретических работ в области исследования свечения растворов красителей проведено академиком С. И. Вавиловым (1891—1951). Он установил законы свечения молекул, позволяющие раскрыть механизм их возбуждения. Его исследования дают возможность судить об особенностях строения молекул красителей.

Теперь известно, что в ходе химических процессов перестраиваются оптические электронные слои атомов, и из них образуется общая электронная оболочка молекулы. Изучение строения молекул с помощью молекулярных спектров позволит химику находить средства ускорять течение химических процессов, более того, позволит вплотную подойти к созданию новых химических соединений, которые раньше в природе не наблюдались и свойства которых заранее задаются.

А это означает, что человек все больше становится активным творцом, который не только наблюдает, но и направляет процессы природы, преобразует ее на основе познанных законов.




Физические условия изменяют спектры


Мы уже говорили, что оптические спектры зависят от тех условий, в которых находятся атомы. Сильные магнитные поля изменяют оптические спектры атомов; они расщепляют спектральные линии. Таково же действие сильных электрических полей. Особенно резко меняет характер спектров ионизация атомов, т. е. выбивание из их электронной оболочки электронов. Спектр у незаряженного атома не такой, как у его иона. Когда про это забывали — приходили к ложным заключениям. Был, например, такой случай. В спектрах звездной туманности астрономы обнаружили линии, которые никто не наблюдал на Земле. Астрономы думали, что они открыли новый элемент, и заранее дали ему имя — небулий (от латинского слова «небула» — туманность). Казалось, они имели на это право: совсем так же был открыт гелий. Но небулию не повезло. Спустя много лет физики обнаружили, что неизвестные линии принадлежат не новому элементу, а дважды ионизованному кислороду, находящемуся в звездных туманностях в особых условиях. Таким же образом в звездных спектрах были «открыты» элементы короний и геокороний. Спектры, которые ввели в заблуждение астрономов, также принадлежали ионам давно известных элементов.

Недаром Менделеев так осторожно относился к известиям об открытии гелия, пока его не обнаружили на Земле. Еще в 80-х годах он указывал, что оптические спектры элементов сильно меняются в зависимости от тех условий, в которых находятся излучающие атомы. Академик Д. С. Рождественский впервые дал правильное истолкование спектров ряда ионизованных атомов (магния, ртути и других).

Физики изучают не только самые спектры, но и законы их изменений. По этим изменениям они узнают те условия, в которых находятся излучающие атомы. По тому, как изменяются звездные спектры, как сдвигаются в них линии давно известных элементов, ученые узнают, как и куда движутся звезды, как перемещаются отдельные области их атмосфер, каково давление в них, имеются ли в звездах электрические и магнитные поля, как ионизованы в них атомы и многое другое. По относительной яркости отдельных линий, иначе говоря, по тому, как в спектре излучения распределяется энергия, узнают температуру звезд. Таким же образом определяют температуру в электрической дуге, в доменных печах, всюду, где обычный термометр нельзя применять.

Так изучение спектров говорит нам не только о том, с каким веществом мы имеем дело, но и о его физическом состоянии.




Серии рентгеновских излучений


На рентгеновские спектры атомов внешние условия не оказывают столь большого влияния. Даже когда атомы вступают в химические соединения, их внутренние слои не перестраиваются. Поэтому рентгеновские спектры молекул те же, что и спектры составляющих атомов до их соединения в молекулу. Все это показывает, что электронные слои, в которых они возникают, лежат глубоко внутри атома и нелегко поддаются внешнему воздействию.

Рентгеновские излучения, возникающие в атомах одного и того же вещества, довольно резко разделяются на несколько серий по длине волны. Наиболее жесткие излучения, с короткими волнами, физики называют серией К (ка). Есть еще серии L (эль), серия М (эм) и другие (у тяжелых атомов). Эти серии аналогичны электронным слоям, о которых мы уже говорили.

Анализ спектров рентгеновских излучений показывает, что слой К — самый близкий к атомному ядру. В нем имеются только два электрона. И так во всех атомах, кроме водорода, у которого, как известно, всего лишь один электрон. Рентгеновские излучения серии К возникают тогда, когда один из электронов из слоя К выбивается при бомбардировке быстрыми электронами. Тогда на место удаленного электрона перескакивает электрон из других, более удаленных слоев. Этот перескок и дает рентгеновское излучение. Рентгеновские спектры серии К получены почти у всех атомов, начиная с № 4 — бериллия.

Изучение рентгеновских излучений показало, что структура внутренних электронных слоев одинакова у тяжелых атомов.




Рентгеновские частоты и ядерные заряды


Физики изучили частоты рентгеновских излучений у всех атомов, последовательно переходя от легких к более тяжелым. При этом переходе никаких периодических изменений в частотах не наблюдается. Зато наблюдается другая закономерность — частоты рентгеновских излучений постепенно, с ростом заряда ядра, возрастают. Опыты показывают, что частота излучений серии К зависит от порядкового номера элемента в таблице элементов Менделеева, или от заряда атомных ядер.

В 1914 году был открыт замечательный закон, названный по имени открывшего его английского физика законом Мозели. Согласно этому закону, частота рентгеновских излучений связана с зарядом атома. Первая частота из серии К вычисляется следующим образом. Некоторая, одинаковая для всех атомов, постоянная величина 24,67·10


 (как эта величина получается, мы здесь не имеем возможности говорить) умножается на квадрат числа, которое на единицу меньше заряда ядра (заряд ядра выражается в электронных единицах). У алюминия заряд ядра в электронных единицах равен 13 (он стоит в периодической таблице на тринадцатом месте). Так, для алюминия первая рентгеновская частота серии К вычисляется так: 24,67·10


·(13—1)


 циклов. Заряд ядра атома у серебра равен 47 электронным единицам. Чтобы получить первую частоту той же серии рентгеновских излучений для серебра, придется перемножить числа 24,67·10


·(47—1)


.

Справедливость этого закона была сначала установлена при исследовании рентгеновских излучений тех элементов, атомы которых были обстреляны альфа-частицами.

Но раз этот закон найден, он сам позволяет устанавливать заряд тех атомов, которые еще не были исследованы с помощью обстрела альфа-частицами. Для этого нужно было возбудить в них серию К рентгеновских излучений, промерить частоту их и произвести вычисления. Этот спектрометрический метод определения ядерных зарядов оказался гораздо более точным, чем метод, в котором заряд ядра определяется из учета того, как отклоняются ядром альфа-частицы.

Закон возрастания рентгеновских частот при переходе от легких атомов к более тяжелым — очень важный закон. Мы сейчас увидим, какую пользу принесло науке его открытие.




Точное место элементов в таблице Менделеева


Некоторые химические элементы стоят в таблице Менделеева не в порядке возрастания атомных весов. Таковы три группы элементов: № 18 — аргон (атомный вес 39,9) и № 19 — калий (атомный вес его меньше — 39,1), далее № 27 — кобальт (атомный вес 58,9) и № 28 — никель (атомный вес его меньше — 58,7), а также № 52 — теллур (атомный вес — 127,1) и № 53 — иод (атомный вес его меньше — 126,9).

Менделеев поставил указанные элементы в свою таблицу сообразно их химическим свойствам, в той последовательности, в какой они здесь перечислены. Атомные веса соседних элементов (например, кобальта и никеля) мало отличаются друг от друга. Среди химиков долго шли споры. Одни говорили, что в этих случаях нарушается периодический закон. Другие утверждали, что нарушения периодического закона нет, а просто у этих элементов неправильно определен атомный вес. Но сколько ни уточняли химики атомные веса этих элементов, всегда оказывалось, что аргон, кобальт и теллур соответственно тяжелее калия, никеля и иода. И все же в таблице Менделеева они стояли впереди калия, никеля и иода в нарушение стройности всей таблицы, как тогда думали.

В те времена и до конца жизни Менделеева (1910) наука еще ничего не знала ни о зарядах атомных ядер, ни о частотах рентгеновских излучений и тем более о законе возрастания этих частот с увеличением заряда атомных ядер. Закон Мозели был открыт уже после смерти Менделеева.

Когда все эти открытия были сделаны, рентгеновские спектры показали, что Менделеев совершенно правильно определил последовательность указанных элементов. Как теперь установлено, данная Менделеевым последовательность элементов соответствует возрастанию зарядов атомных ядер. Химические свойства элементов больше зависят от заряда атомных ядер, чем от атомных весов. Позднее ученые обнаружили даже такие элементы, у которых атомный вес немного отличался, но заряд ядер был один и тот же. И химические свойства их были тоже почти одинаковы. Такие элементы называют изотопами. Все изотопы стоят в одной клетке таблицы Менделеева (изотоп — слово греческое, означает «занимающий то же место»). Почти каждый элемент имеет несколько изотопов. Химики же определяли ранее не точный атомный вес элемента, а лишь средний атомный вес, т. е. атомный вес для смеси, состоящей из изотопов. Нарушив в своей таблице в трех случаях порядок возрастания атомных весов, Менделеев сохранил порядок, соответствующий закону периодичности химических свойств элементов. Но тем самым, как оказалось впоследствии, Менделеев сохранил последовательность возрастания ядерных зарядов.

Вот замечательный пример того, как важно быть объективным в науке и не поддаваться соблазну подогнать факты (атомные веса) под «закон» (возрастания атомных весов в периодической таблице), который, казалось бы, был уже вот-вот нащупан, так как оправдывался для 97% элементов! В этой объективности проявляется сила подлинной науки и мужество настоящих ученых.

Это также и пример того, что в науке исключения из установленных ранее правил всегда ведут к раскрытию новых, более общих, закономерностей.

Уверенность Менделеева в справедливости открытого им великого закона природы — закона (периодичности химических свойств — оправдалась и в этом случае. Она была подтверждена также и спектральным анализом рентгеновских излучений.




Рентгеновский спектр неоткрытых элементов


Наконец изучение закономерностей рентгеновских спектров привело к открытиям новых элементов.

Мы видим, что по частоте рентгеновского излучения серии К у какого-нибудь элемента можно установить, каков заряд ядра у его атомов, в какой клетке таблицы Менделеева он должен стоять. Наоборот, если известно, в какой клетке таблицы стоит (или должен стоять, если он еще не известен) элемент, то заранее можно сказать, какова частота его рентгеновских излучений.

В то время, когда был найден закон возрастания рентгеновских частот серии К с повышением порядкового номера элемента (1914 г.), в таблице Менделеева оставалось еще семь пустых клеток с номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. Никто еще не встречал в природе элементов с такими зарядами.

Но такие элементы должны существовать в природе! Закон возрастания рентгеновских частот позволяет вычислить, какие рентгеновские спектры дают эти элементы. Физики снова принялись за поиски. С этой целью сии обстреливали из электронной пушки многие сплавы и соединения. Если в каком-нибудь соединении находится «скрывающийся» элемент, он испустит излучение рентгеновской частоты. Физики ее заранее вычислили. Они точно знали, в каком месте спектра нужно ее искать, какой прибор (с каким устройством и шкалой) нужно взять, чтобы ее обнаружить! Поиски увенчались успехом. В двадцатых годах нашего века в платиновых рудах, минерале колумбите и других соединениях были обнаружены: элемент 72 — гафний, элемент 75 — рений, элемент 43 — мазурий, элемент 61— иллиний. Первые три из них были предсказаны еще Менделеевым, но в свое время отыскать их было трудно, пока не был теоретически рассчитан их рентгеновский спектр.

Открытие этих элементов было триумфом не только периодического закона Менделеева, но также и спектроскопии рентгеновских излучений[3 - В конце сороковых и в начале пятидесятых годов были открыты и другие неизвестные элементы; теперь уже все пустые клетки периодической таблицы Менделеева заполнены. Но в этих открытиях играли роль не только спектроскопические методы.].




Познавательная роль теории


Стоит обратить внимание на то, как меняются методы поисков новых неизвестных элементов с ростом научных знаний.

В 60-х годах прошлого века ученый смотрел в спектрограф и искал, не появилась ли среди многих знакомых спектральных линий какая-либо незнакомая линия. Если находил — радовался: значит, открыт какой-то новый элемент. Этот метод был большим шагом вперед. Но иногда ученый, может быть, держал неоткрытый элемент в руках, но не находил его излучений; новые линии приходились на такой участок спектра, который не был виден в его спектрографе.

Теперь дело обстояло совсем иначе. Физик с большой точностью знал рентгеновский спектр еще не открытых элементов и, следовательно, знал, в какой части спектра следует искать их излучения. Так меняются методы исследований с ростом научных знаний.

Это — один из многих примеров, показывающих, как безгранична сила человеческого познания, как велика роль обобщающей теории. Она позволяет взглянуть на, казалось бы, разрозненные элементы и излучения, как на нечто целостное, подчиненное единым законам природы.




Превращение света в вещество


Исследование условий, при которых возникает свет в недрах вещества, углубило наши познания структуры атома, его составных частей — электронов, протонов, нейтронов, — так называемых элементарных частиц. Оно ввело физиков в мир малого — микромир — с его специфическими законами, в свете которых законы мира больших тел — макромира — оказались лишь приближенными. В микромире были открыты многие новые элементарные частицы.

Уже один тот факт, что свет рождается в недрах вещества, что фотоны появляются в результате каких-то пертурбаций, протекающих в недрах атома, говорит о том, что свет и вещество не внешне, а генетически связаны друг с другом. Это нашло свое подтверждение.

Английский физик Поль Дирак (родился в 1902 году) около тридцати лет назад попытался охватить процессы возникновения и поглощения света в единой математической теории. Но созданная им теория только в том случае была бы в состоянии охватить все известные экспериментальные факты, если бы было допущено, что в поле атомного ядра кванты света распадаются на... две противоположно заряженные частицы вещества — электрон и позитрон.









Рис. 37. Рождение пары электрон-позитрон из светового гамма-кванта. В магнитном поле налево (наверху) отклонен позитрон, направо — электрон




В свете прежних представлений, при которых вещество и свет противопоставлялись друг другу, как две чуждые по своей природе стихии (вещество — материя, свет — энергия), это требование теории казалось удивительным. Тем не менее соответствующие эксперименты были поставлены, и они действительно подтвердили, что гамма-кванты света в поле ядра превращаются в электрон и позитрон. Этот процесс превращения можно сфотографировать, если опыт производить в камере, в которой воздух пресыщен водяными парами, а вся камера помещена в сильное магнитное поле. Тогда возникшие электрон и позитрон будут разлетаться от точки своего рождения, загибаясь в разные стороны, поскольку у них противоположные заряды и они по-разному отклоняются магнитным полем. На своем пути они будут оставлять следы из осевших водяных паров. Эти-то следы и фотографируются.

На рис. 37 показана фотография, на которой видны следы электрона и позитрона, образовавшиеся в результате превращения гамма-кванта с длиной волны порядка одной десятитысячной ангстрема. Эта фотография получена в эксперименте русских ученых А. В. Трошева и И. М. Франка.

Возможен также и обратный процесс — превращения пары электрон-позитрон в кванты света, которое некоторые физики на Западе неправильно называют аннигиляцией, т. е. уничтожением материи.

Напротив. Факт взаимопревращений вещества и света показывает, что оба они являются не чем иным, как различными формами материи. Установление этого факта является высшим достижением современной физики. Технически этот факт еще не использован человеком. Но в будущем он, несомненно, откроет большие перспективы. Что касается принципиальной стороны дела, то и сейчас это открытие вооружает материалистов в борьбе за целостное материалистическое мировоззрение.




Модуляция света. Преобразование света





Об активном отношении человека к природе


Могущество разума человека состоит в его активном отношении к природе. Человек не только созерцает, но и преобразует природу. Если бы он только пассивно созерцал свет, как нечто найденное в природе, без всякой попытки по-своему видоизменить (модулировать) характеризующие его величины (параметры), он сильно ограничил бы возможности использования законов природы для господства над ней. Его производительные силы, его техника оставались бы на низком уровне.

Кто в наше время может представить себе жизнь без радиосвязи, без телевидения? А ведь развитие радиотехники обязано тому, что человек не только открыл радиоизлучения, но и научился целенаправленно модулировать их амплитуды, частоты и другие параметры. Именно это позволило передавать по радио любые сигналы, музыку, пение и т. п.

В самом деле, про гармоническую волну с неизменными параметрами можно сказать, что она либо есть либо ее нет. С ее помощью можно передать азбуку Морзе — чередование коротких и длинных по времени импульсов, но, например, голос человека передать нельзя. Следует учесть, что природа звука и радиоизлучений различна, их отличает также и частота колебаний: для радиоизлучений она порядка сотен тысяч и миллионов циклов, а для звука — в тысячи и десятки тысяч раз меньше.

Но техническая мысль нашла возможным передавать по радио даже звуки, изображения и другие сигналы Достигается это посредством модуляции параметров радиоизлучений, в частности посредством модуляции амплитуды. Посмотрим, как это делается.









Рис. 38. Схема телефонной модуляции амплитуды радиоизлучения






Передача звука по радио


Ламповый генератор, схема которого представлена на рис. 24, генерирует радиоизлучения с неизменными параметрами. Сделаем к нему небольшое дополнение: к контуру, подающему напряжение на сетку электронной лампы, присоединим через индукционную катушку добавочный контур с обычным угольным микрофоном (рис.38). Допустим, что перед микрофоном скрипач взял определенную ноту. Скрипичный звук, падая на мембрану микрофона М, будет через нее оказывать переменное давление на угольный порошок в телефонной капсуле. Электрическое сопротивление порошка будет меняться с той же частотой, что и частота скрипичного звука. Сила тока в первичной обмотке катушки ИК


будет меняться с той же частотой. Природа колебаний изменилась (вместо звука — электроток), но частота колебаний сохранилась. Теперь на переменное напряжение на сетке С лампы будет накладываться через вторичную обмотку катушки ИК


еще дополнительное напряжение, колеблющееся с частотой скрипичного звука.

В результате амплитуда высокочастотных колебаний, генерируемых в контуре КК, не останется постоянной. Она будет меняться по закону низкочастотного звукового колебания, наложенного дополнительно на сетку лампы. Так же будет колебаться и интенсивность радиоволн, излучаемых антенной.

Если мы изобразим эти колебания графически, то получим следующую картину (рис. 39). Здесь а — высокочастотные радиоколебания до модуляции; амплитуда их неизменна; б — звуковое низкочастотное колебание, изображающее скрипичную ноту, преобразованное затем в дополнительное колебание напряжения на сетке лампы; в — модулированное радиоизлучение в контуре и антенне.

Радиоизлучение, будучи само высокочастотным, понесло теперь в пространство, благодаря модуляции амплитуды, также и низкочастотное колебание, соответствующее частоте скрипичной ноты, взятой перед микрофоном.









Рис. 39. Графическое изображение амплитуды радиоизлучений: а — высокочастотные радиоколебания до модуляции; б — модулирующее звуковое колебание; в — модулированное радиоизлучение в антенне




Задача состоит теперь в том, чтобы в приемнике разделить эти две частоты, которые несут радиоволны, превратить частоту колебаний амплитуды в соответствующую частоту электротока, а эту последнюю — в звуковое колебание мембраны. Это разделение частот осуществляется опять-таки с помощью электронной лампы или же кристаллического детектора. Как это реализуется технически, мы не можем здесь описывать. Для нас важно лишь в принципе показать необходимость и возможность модуляции радиоизлучений для передачи по радио звуковой частоты и других сигналов.

Передавать сигналы по радио можно посредством модуляции не только амплитуды, но и частоты, а также фазы.




Естественные преобразователи света


Большую роль в технике играет преобразование света одной частоты в свет другой частоты. Мы рассмотрим сначала случаи, в которых преобразователями света выступает сама природа.

Мы уже рассказывали, что некоторые вещества можно заставить светиться, возбуждая их атомы нагреванием или обстреливая их из электронной пушки. Но оказывается, что и сам свет может возбуждать атомы и молекулы у ряда веществ. Так, под влиянием падающего невидимого света светятся молекулы бензола, антрацена и составных веществ, в которые они входят. Светятся также и многие красители. Существует целый класс твердых веществ, светящихся под действием невидимого света. Их называют фосфорами. Например, одним из таких фосфоров является вещество, состоящее из сернистого цинка с примесью незначительных количеств солей меди.









Рис. 40. Явление люминесценции. Под влиянием невидимого ультрафиолетового излучения раствор (Р) светится видимым светом




На рис. 40 приведена схема опыта по возбуждению видимого света невидимыми ультрафиолетовыми лучами в растворах. Как показали исследования, одни растворы светятся голубым, другие — зеленым, третьи — оранжевым светом. Цвета свечения различных растворов различны.

Явление свечения веществ под действием падающего света называется люминесценцией, или, точнее, фотолюминесценцией, а светящиеся вещества — люминесцирующими. Люминесцирующие вещества — это и есть преобразователи света.

Что же происходит в таких преобразователях?

Кванты падающего света поглощаются молекулярными структурами люминесцирующего вещества, вследствие чего последние возбуждаются. Затем поглощенная веществом энергия вновь отдается в виде энергии излучаемого света. Этому процессу поглощения и излучения энергии присущи две следующие черты.









Рис. 41. Кривая АБВ показывает, как распределяется световая энергия но частотам излучения




Люминесцирующим веществом излучается не вся поглощенная энергия; часть ее растрачивается на какие-то внутримолекулярные процессы. Вследствие этого свет, испускаемый люминесцирующим веществом, имеет иной состав, а именно, спектр излучения будет сдвинут по сравнению со спектром поглощения в сторону более длинных волн (меньшей частоты). Может случиться так, что люминесцирующее вещество будет облучаться невидимым ультрафиолетовым светом, а испускать оно будет видимый свет. В этом сдвиге спектра излучения как раз и отражен процесс преобразования света. В температурных спектрах, которые получаются от раскаленных паров металла, такого сдвига не наблюдается; в них спектры поглощения и испускания одинаковы, никакого преобразования света не происходит.

Для большей наглядности начертим кривые распределения поглощенной и излученной световой энергии по спектру. Эти кривые вычерчиваются так. Вдоль горизонтали ОП откладываются частоты излучений, а вдоль вертикали ОР — величины соответствующей энергии (рис. 41). Тогда линии КА, ЛБ, MB и другие будут показывать, какая энергия приходится на долю излучения соответствующей частоты. Соединив точки А, Б, В и другие между собой, мы получим кривую, которая характеризует распределение общей энергии по частотам излучения. Обычно такие кривые имеют максимум— вершину (точка Б на рисунке): на долю излучений соответствующих частот приходится наибольшее количество энергии.









Рис. 42. Спектры поглощения и последующего испускания у люминесцирующего вещества. Максимум энергии спектра испускания сдвинут в сторону меньших частот (больших длин волн)




Теперь мы можем проследить различие между спектрами поглощения и спектрами испускания люминесцирующих веществ. На рис. 42 изображены два таких спектра люминесцирующего раствора красителя родомина в ацетоне. Правая кривая характеризует спектр поглощения в таком растворе, а левая — спектр его испускания. Максимум (вершина) спектра испускания сдвинут по отношению к максимуму спектра поглощения влево, в сторону более низких частот (более длинных волн). Такой сдвиг характерен для процессов люминесценции. Вторая черта процесса состоит в том, что спектр люминесценции однозначно определяется только молекулярной структурой люминесцирующего вещества. Подобную же черту мы наблюдали и в температурных спектрах испускания. И там определенному веществу был присущ определенный спектр излучения. Мы видели, как много пользы извлек человек из этого факта. Ниже мы увидим, что столь же плодотворным оказывается исследование люминесцентных спектров. Большую работу по исследованию законов преобразования света в явлениях люминесценции проделал коллектив советских ученых под руководством академика С. И. Вавилова, неоднократно удостоенного государственной премии.

Практические применения люминесцентных преобразований света. Таких применений множество. Мы имеем возможность только упомянуть некоторые из них, не входя в подробности.

В настоящее время в городах находят широкое применение лампы дневного света. Это трубки, наполненные парами ртути, со впаянными электродами на концах. Когда к электродам лампы подводится напряжение, в парах ртути происходит разряд и испускается ультрафиолетовое излучение. Под его действием начинают светиться видимым светом фосфоры (окись цинка, кадмия), нанесенные на внутреннюю стенку лампы. Состав фосфоров подбирается так, чтобы свет по своему спектру был близок к дневному. Такие лампы очень экономичны, так как видимый свет в них получается не за счет накала волоска и поэтому в них нет тепловых потерь.

В современной науке и технике мы часто пользуемся невидимыми лучами потому, что видимые лучи совершенно непригодны для нужных целей. Так, видимые лучи сквозь тело человека не проходят. «Просветить» человека можно только рентгеновскими лучами. Но рентгеновские лучи невидимы, а хирургу подчас надо быстро определить, в каких органах, скажем, засела пуля и даже как именно она расположена. Словом, ему надо «осмотреть» засевшую пулю с разных сторон. Как же это сделать?

На помощь приходят опять преобразователи света — экраны с подходящими фосфорами. Изображения внутренних органов человека, полученные с помощью рентгеновского излучения, падают на экран и вызывают видимое свечение фосфора, преобразуются в видимые изображения. Пулю, засевшую в органах, можно осмотреть со всех сторон, как если бы она сидела в прозрачном желатине.

Современная техника предъявляет строгие требования к тому, чтобы отливка, из которой будет сделана работающая деталь механизма, была внутри однородна, не имела трещин, раковин, инородного вещества. «Осветить» внутренность металла можно только с помощью коротковолновых рентгеновских лучей. Если внутри металла есть трещины, они нарушат ход лучей, трещина будет изображена на фотопластинке. Однако фотографирование — процесс долгий, он непригоден при современных темпах производства. На помощь приходит умение человека преобразовывать свет. На место фотопластинки ставится экран из фосфоров. На нем изображение дефектов металла можно наблюдать визуально. Контроль за качеством металла становится удобным и, главное, быстрым.




Люминесцентный анализ на производстве


Подобно тому как существует множество марок металлических сплавов с разнообразными свойствами, так имеется и множество сортов масел и бензинов.

Возьмем, например, масла. Для различных условий работы требуются масла, различные по своим свойствам. Смазочные масла различаются по вязкости, удельному весу, температуре воспламенения и температуре застывания, по стойкости к окислению и по другим физико-химическим свойствам. Вырабатываются различные группы смазочных масел: индустриальные, судовые, турбинные, компрессорные, моторные, цилиндровые и другие. А каждая группа в свою очередь делится на ряд подгрупп (авиационные, швейные, оружейные и другие) и множество марок.

В производстве и эксплуатации масел важно быстро определять их сортность. Как это можно делать? Химический анализ с помощью обычных химических реакций занял бы слишком много времени.

На помощь опять приходит наука о свете. Но при анализе масел описанные выше приемы не пригодны. Масла представляют собой органические соединения; их нельзя сильно нагревать, при высокой температуре они либо распадаются на составные части, либо воспламеняются. Поэтому при спектральном анализе масел не нагревают, а используют их свойство светиться под действием падающего ультрафиолетового света, т. е. применяют люминесцентный анализ.

Люминесцентный анализ весьма чувствителен. Достаточно присутствия в одном кубическом сантиметре одной стомиллиардной доли грамма примеси другого масла, как это скажется на спектре люминесценции. В силу этого обнаруживаются малейшие различия в сортности исследуемых масел.

Точно так же сортируется оптическое стекло. Существует несколько десятков сортов оптического стекла. Каждый из них пригоден для одних оптических приборов и не годится для других. Но по внешнему виду они не отличаются друг от друга. Зато в ультрафиолетовых лучах они дают различное видимое свечение. Сортность стекол проверяется в ходе производства с помощью люминесцентного анализа.

Люминесцентный анализ широко применяется в советской промышленности. Методом люминесцентного анализа контролируют сортность и качество изделий в строительной, пищевой, резиновой промышленности и в ряде других. Это очень быстрый и надежный, простой и дешевый способ контроля.




Задача преобразования длинноволновых излучений в видимый свет


В естественных преобразователях света — люминесцентных веществах — преобразуется свет с длиной волны более короткой, чем у видимого, в свет видимый. Однако практические потребности выдвигают задачу преобразований иного рода, а именно, длинноволновых излучений — в видимый свет. Такая потребность возникает в тех случаях, в которых излучение используется как передатчик какой-либо информации, которую он несет издалека, проходя при этом сквозь толщу атмосферы, и которую надо в пункте приема превратить в зрительный образ. Ультрафиолетовое излучение в качестве передатчика информации в этом случае не годится, оно относительно быстро поглощается атмосферой. Напротив, инфракрасное (или же радио-) излучение атмосферой мало или вовсе не поглощается. Отсюда и возникает задача найти способ преобразования длинноволнового (малочастотного) света в свет видимый, с меньшей длиной волны.

Задача эта существенно отличается от рассмотренной ранее. Ранее задача была проще. В самом деле, частота любых ультрафиолетовых (и тем более рентгеновских) излучений больше частоты видимого света. В силу этого и энергия фотона ультрафиолетового света больше энергии фотона видимого света. Энергии фотона ультрафиолетового света хватает с избытком для такого возбуждения молекулы люминесцентного вещества, которое в последующем приводит к испусканию фотонов видимого света (с меньшей энергией). Не то в случае задачи преобразования инфракрасного излучения в видимый свет. Частота, а стало быть, и энергия фотона инфракрасного излучения меньше частоты и энергии фотона видимого света. Энергии фотона инфракрасного излучения недостаточно для такого возбуждения молекулы вещества, которое привело бы в последующем к испусканию ею фотона видимого света. Значит, если мы хотим, чтобы инфракрасные излучения преобразовывались в видимый свет, необходимо создать источник добавочной энергии.




Электронно-оптические преобразователи света


Опишем кратко один из способов преобразования инфракрасного света в видимый, с помощью так называемых электронно-оптических преобразователей.

На рис. 43 дана простейшая схема такого преобразователя. Он представляет собой стеклянный стакан с двойными стенками и дном. На внутреннюю стенку наружного дна нанесен полупрозрачный серебряноцезиевый слой АА — это фотокатод. Напротив фотокатода на внутреннем донышке нанесен флуоресцирующий (светящийся под ударами электронов) экран ББ.









Рис. 43. Схема простейшего электронно-оптического преобразователя: АА — полупрозрачный серебряноцезиевый слой; ББ — флуоресцирующий экран




Когда на фотокатод АА упадет слева инфракрасное изображение предмета, из каждого его участка будут вырываться электроны. Иначе говоря, каждый участок фотокатода станет источником электронного луча. Интенсивность этого луча будет тем больше, чем интенсивнее («ярче») инфракрасный свет, падающий на этот участок, т. е. чем больше на него падает фотонов инфракрасного света. Вся же совокупность электронных лучей, испускаемых всей плоскостью фотокатода АА, будет в точности повторять световые контрасты инфракрасного изображения. Мы можем сказать, что с помощью фотокатода инфракрасное изображение преобразовалось в электронное изображение.

Чтобы получить из электронного изображения вновь оптическое, но уже видимое изображение, нужно все излученные фотокатодом электроны снабдить добавочной энергией и направить их на флуоресцирующий экран ББ, притом так, чтобы электронное изображение не искажалось при перелете электронов от АА к ББ, т. е. чтобы электроны летели не как попало, а параллельно, перенося изображение на экран ББ. Это достигается тем, что между фотокатодом АА и экраном ББ создается высокое напряжение, ускоряющее электроны в сторону экрана. Это и есть тот добавочный источник энергии, о необходимости которого говорилось выше.

Упав на экран ББ, каждый электронный луч создает на нем светящееся видимым светом пятно. Интенсивность каждого светящегося пятна будет соответствовать интенсивности падающего электронного луча, тем самым к интенсивности инфракрасного света того участка фотокатода, из которого вышел данный электронный луч. На флуоресцирующем экране в целом будет воспроизводиться оптическое изображение, но оно будет уже в видимом свете.

Так с помощью электронно-оптических преобразователей невидимые инфракрасные изображения предметов преобразуются в видимые.




Преобразование света и новейшая радиотехника


Создание электронно-оптических преобразователей показало возможность преобразовывать излучения не только в сторону меньшей частоты (меньшей энергии фотонов), но и в сторону большей частоты (большей энергии фотонов). Электронно-оптические преобразователи играют важную роль в использовании инфракрасных излучений для видения в ночное время (в военном деле), для наблюдений в инфракрасном свете астрономических объектов и органических систем (например, клеток), многие детали которых в видимом свете не могут быть наблюдаемы. Не менее важно и то, что они показали пути технического решения задачи передачи изображений с помощью радиоизлучений, т. е. телевидения.

В телевидении применяются так называемые электронно-лучевые трубки — кинескопы, в которых, как и в электронно-оптических преобразователях, используется в качестве звена преобразований электронный луч. Но только в кинескопах, на флуоресцирующий экран падает не множество параллельных электронных лучей, как в электронно-оптическом преобразователе, а только один луч, но зато подвижный. Интенсивность этого луча непрерывно изменяется; она управляется по радио с телевизионной станции и в каждый момент точно соответствует световой интенсивности того участка картины, который воспринимается телеаппаратурой. Электронный луч на экране кинескопа быстро рисует «строку за строкой», оставляя в каждом участке экрана световые пятна различной интенсивности. Эти световые пятна сохраняются в глазу все то время, пока электронный луч заполняет ими весь экран. В результате зритель воспринимает на экране телевизора целостную картину, соответствующую той картине, которую снимает съемочная аппаратура телепередатчика.

Электронно-лучевые трубки применяются также в радиолокации, в электронных микроскопах, с помощью которых можно наблюдать даже некоторые молекулы.

Овладев законами спектрального преобразования света, человек чрезвычайно расширил свою власть над природой.




Свет и освоение космоса





Величие задачи и роль света в ее решении


Освоение человеком космоса стало актуальной проблемой современности. Советский Союз выступает пионером этого освоения. Со времени запуска первого в мире спутника Земли прошло только пять лет. Это короткий срок и для жизни одного поколения. А за этот срок в деле освоения космоса достигнуты изумительные успехи. Значительно продвинуто вперед исследование околоземного космического пространства, физических условий в нем. В вечное путешествие вокруг Солнца отправилась первая искусственная планета с советским государственным гербом. Первый предмет земного происхождения — советский вымпел — доставлен на Луну. Сфотографирована и впервые стала известной человечеству обратная сторона Луны. Затем побывали в космосе и вернулись на Землю невредимыми животные организмы, в том числе собаки. Наконец, в космос впервые отправились и в полном благополучии вернулись на Землю люди — сначала Гагарин и Титов, а потом в групповом многодневном полете — Николаев и Попович, Быковский и Терешкова.

Освоение космоса, полеты к Венере и Марсу — это очень важная, научно-техническая проблема. Это — начало новой эры научно-технического развития, когда человек, прорвавшись сквозь земную атмосферу и преодолев земное тяготение, получает более широкие возможности исследования, а в будущем и использования, неограниченных энергетических ресурсов Вселенной. Задача освоения космоса не случайно стала реальной именно в наше время, ибо она возможна лишь на базе определенных социальных и научно-технических достижений. Нет другого такого научно-технического предприятия, в котором бы так тесно сливались воедино и целеустремленный план и организация его выполнения, и высокий научно-технический и промышленный уровень страны, и непревзойденная квалификация ее рабочих, инженерных и научных кадров. И это ясно всем, как ясны и гигантские масштабы вовлеченных в это предприятие заводов, научных институтов, людей и средств.

С другой стороны, нет другого такого научно-технического предприятия, выполняемого в целях общего прогресса человечества, за результатами которого с глубоким волнением и полным пониманием величия совершаемого могли бы одновременно следить сотни миллионов людей во всем мире. Именно поэтому в их сознание неизбежно и все глубже проникает идея о том, что социалистический строй является носителем научного и социального прогресса.

Но не ушел ли автор от своей темы о свете? Нет, не ушел.

В освоении космоса человек использовал особые свойства света, его способность распространяться в пустоте, передавать сигналы и энергию через огромные пространства. В силу своих необыкновенных свойств свет играет исключительную роль в освоении космоса.

Напомним кратко о тех проблемах, которые встали перед исследователями космоса.




Опасности в космосе и информация


Мы находимся на дне воздушного океана, разлитого над Землей. Атмосфера не только дает нам необходимый для жизни кислород и влагу; она защищает нас и от многих опасностей, например, от ультрафиолетового излучения Солнца, от метеоров. Прежде чем выйти за ее пределы, нужно было исследовать, какие опасности ждут космонавтов и как от них защититься, каковы вообще свойства космического пространства, можно ли установить связь с космическим кораблем и т. д.

Поэтому прежде чем послать в космос человека, космические корабли-спутники понесли в себе различные приборы. С их помощью требовалось выяснить многие вопросы. Какова опасность попадания в космический корабль метеоров, разрушающих герметическую оболочку корабля, и микрометеоров, разрушающих поверхности линз оптических приборов, различных датчиков и т. п.? Велика ли и опасна ли концентрация в космических лучах частиц высоких энергий? Не может ли космический корабль встретить на своем пути мощные потоки электронов, способных вызвать в материале корабля опасное рентгеновское излучение? Какова интенсивность и вариация интенсивности первичных космических лучей? Какова концентрация газовой и твердой компоненты межпланетного вещества? Наконец, каковы магнитные поля вокруг Земли и возможные поля в космосе и каково их влияние на связь корабля с Землей? Ученых интересовали и многие другие вопросы.

Показания приборов надо было привязывать к определенным моментам времени и пунктам траектории полета. На возврат приборов нельзя было надеяться. Поэтому эти показания, вместе с координатами корабля сразу же передавались на Землю при помощи радиосигналов и здесь автоматически фиксировались. Вот тут-то и была использована возможность модуляции света и, следовательно, его способность переносить сигналы, а также его способность проходить через огромные пространства в пустоте.

Подобные исследования дали важные результаты. Выяснилось, что метеорная опасность ничтожно мала и не может служить препятствием для полетов человека в космос. Но зато установлено, что вокруг Земли простирается на 7—8 земных радиусов пояс повышенной радиации (три зоны); этот пояс радиации представляет известную опасность и требует специальных мер защиты космонавта. Установлено также, что пояс радиации над полюсами Земли сходит на нет. Были получены и другие данные о свойствах космоса. Так обеспечивается безопасность полета космонавтов.

Но свет информирует не только о физических свойствах космического пространства, он сообщает и о том, что делается внутри корабля — какие в нем температура, давление, влажность, радиация. Более того, когда на борту корабля путешествовали собаки, специальные датчики контролировали температуру их тела, биение сердца, их поведение в условиях ускорительных перегрузок и невесомости, течение в этих условиях всех физиологических процессов и отправлений (дыхание, движение, питание, сон и т. п.). Вся эта информация передавалась по радио и телевидению на Землю и здесь фиксировалась. Она была необходима, чтобы точно знать, как будут чувствовать себя будущие космонавты. Такой же метод объективного контроля применялся и к самим космонавтам: в столь серьезных научных вопросах на субъективную информацию полагаться нельзя. Кроме того, эта информация должна быть своевременной для принятия необходимых мер.

Свет позволил провести все опыты в космосе так, как будто дело шло об обычном опыте, который ставит физик или физиолог в своей лаборатории.




Научная документация прилунения вымпела


Этому разделу можно было бы дать еще и дополнительное название: «Как были посрамлены некоторые антисоветские пропагандисты».

Как известно, 12 сентября 1959 года была запущена вторая советская космическая ракета; она доставила на Луну вымпел с советским-государственным гербом. Этот вымпел достиг Луны в 00 часов 02 минуты 24 секунды московского времени 14 сентября. Весь мир аплодировал новому выдающемуся успеху советской науки и техники. Но нашлись люди (некоторые из них занимали в то время высокие государственные посты в США), которым пришелся не по душе рост авторитета Советского государства. Они пытались посеять сомнения в том, что советский вымпел действительно доставлен на Луну; реальные достижения советской науки и техники они хотели представить как обман общественного мнения со стороны коммунистов.

Однако оказалось, что советские ученые имеют документальное доказательство того, что вымпел был действительно доставлен на Луну. В контейнере космической ракеты был помещен лунный радиоальтиметр. В непосредственной близости к Луне этот прибор стал посылать на Луну радиоимпульсы и регистрировать ответное радиоэхо. Это давало возможность определить расстояние ракеты до Луны практически в моменты посылки радиоимпульсов. Легко сообразить, что оно равнялось скорости радиосигнала (скорости света), умноженной на половину временного промежутка между моментом посылки импульса и регистрации ответного эха. Вся эта информация передавалась (опять-таки по радио!) на частоте 183,6 мегагерц на Землю, где и регистрировалась автоматически. Эта регистрация документально подтверждает, как в полном соответствии с законом падения уменьшалось расстояние до Луны и как оно стало равным нулю именно в тот момент, когда координаты космической ракеты совпали с координатами точки падения ракеты на Луне. Эти документы непреходящи, их всегда можно продемонстрировать как нашему поколению, так и потомству.

Советские ученые получили документальное свидетельство и от своих английских коллег, следивших за полетом ракеты. Особенно ценно то, что оно было основано на совершенно иных закономерностях радио-излучений, а именно па уже известном нам явлении изменения частоты излучения при движении излучателя (принцип Допплера — Белопольското). Вот что телеграфировал в Москву в 1959 году директор английской обсерватории Джодрелл-Бэнк известный астрофизик профессор А. Ч. Б. Ловелл: «...Мы без труда обнаружили ракету в точно указанном месте. Во время приближения второго «лунника» к Луне нам удалось определить изменение частоты сигналов, вызванное «эффектом Допплера», по мере того, как «лунник» убыстрял свое движение под действием притяжения Луны. Легко себе представить, какой это был волнующий момент, когда сигналы неожиданно прекратились (а это значило — ракета «прилунилась») и здание Джодрелл-Бэнк осадили корреспонденты газет и радио всех стран! Результаты наших наблюдений были немедленно пересланы в Москву, а вскоре их опубликовал также научный журнал «Нейчур». Мы были, вероятно, единственными людьми за пределами СССР, регистрировавшими это эпохальное событие. Но снова раздались голоса неверящих. Несмотря на то что в момент прекращения сигналов наш радиотелескоп был точно направлен на Луну, они утверждали, что передатчики могли быть выключены еще на Земле с помощью часового механизма, чтобы симулировать «прилунение» ракеты. К счастью, полученные нами данные об ускорении «лунника» перед столкновением с Луной сделали все сомнения беспочвенными, и скептикам пришлось замолчать. Вот поистине прекрасный пример сотрудничества, значение которого выходит далеко за пределы чисто научной области!» Мы можем присоединиться к выводу профессора Ловелла.

Так были посрамлены «скептики». Они, видимо, не ожидали, что наука в состоянии документально зарегистрировать объективное событие, хотя бы оно и происходило на расстоянии более 300 тысяч километров от Земли.




Свет и телеуправление


Свет не только доставляет подробную информацию о состоянии области пролета космического корабля и внутри самого корабля. Он позволяет решить и проблему управления самим кораблем или же процессами, в нем происходящими. Эта особенность ярко проявилась при полете третьей советской космической ракеты, запущенной 4 октября 1959 года.

При запуске этой ракеты была поставлена задача сфотографировать обратную сторону Луны. Эта сторона Луны никогда не поворачивается к Земле и потому до сих пор была неизвестна людям. Последняя ступень посланной ракеты имела специально оборудованную автоматическую межпланетную станцию. Траектория полета станции была сложной; станция должна была облететь Луну «снизу вверх» и с того же направления (относительно места запуска) вернуться к Земле, проделав таким образом петлю вокруг Луны[4 - См. В. Левантовский. Ракетой к Луне. Физматгиз, 1960.]. В этой книжке, посвященной свету, мы остановимся только на одной проблеме: на телеуправлении.

Прежде всего, задача состояла в том, чтобы при облете Луны с ее обратной стороны автоматическая межпланетная станция ориентировалась в пространстве: надо было, чтобы объективы ее фотоаппаратов повернулись к Луне в то время, когда станция находилась на линии Солнце — Луна. Эта ориентация достигалась двумя этапами. Сначала специальные солнечные датчики ориентировали станцию на Солнце. Система ориентации прекратила кувыркание станции, и в то время как солнечные датчики были направлены на Солнце, закрытые фотообъективы, находящиеся на противоположном конце контейнера, были направлены на Луну. Затем система ориентации на Солнце отключилась и специальная оптическая ориентация, реагирующая на лунный свет, уточнила наведение объективов на Луну. Этот момент был заранее выбран так, чтобы Земля в это время находилась в стороне от линии Солнце — Луна и отраженный от нее свет не мешал окончательному уточнению ориентации объективов на Луну.

После того как ориентация была окончательно уточнена и станция поднялась над противоположной стороной Луны настолько, что фотообъектив мог обозреть наибольшую ее площадь, с Земли по радио был дан приказ включить систему фотографирования.

Фотографирование длилось в течение сорока минут. Все это время система ориентации направляла фотообъективы на Луну. Затем, когда фотографирование было закончено, а изображения были автоматически проявлены и закреплены, и когда станция уже вновь приближалась к Земле, с Земли был послан новый приказ. По этому приказу начала работать телевизионная передача фотографий Луны на Землю, где она и фиксировалась.

В этой сложной, точно согласованной работе свет в широком смысле слова играл решающую роль. Свет питал энергией аппаратуру (солнечные батареи). Свет ориентировал станцию сначала по Солнцу, а затем по Луне (солнечные и лунные датчики системы ориентации). Свет, отраженный от противоположной стороны Луны, оказал химическое действие на зерна фотопленки, которое и было зафиксировано. Так был запечатлен образ Луны (фотографирование). С помощью света люди на Земле непрерывно получали информацию о местонахождении автоматической межпланетной станции и обо всем, что на ней и вокруг нее происходит. Наконец, с помощью света в надлежащий момент с Земли был отдан приказ произвести операцию фотографирования, а также приказ передать на землю полученные результаты. И эта передача происходила опять-таки с помощью света!

Точно так же с Земли отдавались приказы другим космическим кораблям, несшим на себе приборы, затем животных и, наконец, человека. Таковы, например, были приказы об изменении траектории полета кораблей и об их спуске на Землю в назначенном месте.

Познав закономерности света, научившись модулировать его параметры, человек научился с его помощью не только познавать природу, получать информацию о происходящих в ней процессах, но и управлять ими.




Освоение космоса и световые (фотонные) ракеты


В будущем свету, возможно, придется играть и еще одну роль — роль движителя (рабочего вещества) в ракете. Пока человек осваивает космос в пределах солнечной системы, он, по-видимому, может обойтись реактивными двигателями, в которых движителем служат продукты сгорания какого-либо вещества — топлива.

Сгорая в камере реактивного двигателя, топливо образует газы, которые с большой скоростью (несколько километров в секунду) вылетают из сопла и оказывают реактивное действие на дно сопла, приводя ракету в движение. Еще К. Э. Циолковский показал, что скорость ракеты в свободном пространстве пропорциональна скорости истечения из сопла продуктов сгорания. Поэтому перед химиками и конструкторами ставится задача найти такое топливо, продукты сгорания которого, при прочих равных условиях, имели бы максимальную скорость вылета. Для освоения межзвездных пространств обычно получаемые скорости все же недостаточны.

Судя по сведениям, опубликованным в печати, в научно-технических кругах ряда стран уже возникают идеи о возможном создании в будущем фотонной ракеты.

В фотонной ракете в качестве движителя будут использованы не продукты сгорания какого-либо вещества, а поток фотонов, которые будут получаться в ракетном двигателе в процессе превращения элементарных частиц вещества в фотоны.

Согласно этой идее, предполагается использовать некоторые уже известные свойства света. Во-первых, тот факт, что свет, несмотря на свое отличие от вещества, имеет с ним и нечто общее, а именно он оказывает давление (эксперименты Лебедева) и, следовательно, обладает импульсом, как и вещество. Но любое вещество при быстром его истечении из сопла создает отдачу в силу того, что оно обладает импульсом (свойство отдачи наблюдается при выстреле, используется в реактивной турбине и в реактивном двигателе). Поэтому истечение света из сопла также должно оказывать противодействие на дно сопла, т. е. создавать отдачу.

Во-вторых, предполагается использовать и другое свойство света: генетическую связь вещества и света, иначе говоря, факт превращения элементарных частиц вещества в фотоны в сильных ядерных полях.

Но в идее фотонного двигателя учитываются также и особенности света, отличающие его от вещества и дающие фотонному двигателю известные преимущества.

8 самом деле, фотоны движутся с предельно достижимой скоростью в 300 тысяч километров в секунду. Это значит, что и космическому кораблю фотонный двигатель может сообщить максимальную скорость, приближающуюся к скорости света. Очевидно, что только с такой скоростью и возможно преодолевать огромные расстояния от одной звездной системы до другой.

Задача путешествия в другие звездные системы еще не стала актуальной, а применять фотонный двигатель в пределах солнечной системы бессмысленно. Поэтому реализация идеи о фотонном двигателе — дело далекого будущего. Да и трудностей на пути его создания еще немало; в частности, необходимо будет учитывать, что при движении фотонных ракет со скоростями, близкими к скорости света, само течение времени будет изменяться, как это следует из теории относительности.

Но трудности не остановят прогресса. Его ведет дерзновенная мысль человека, который, познав свойства света, ищет пути их использования. А исторический опыт говорит, что он всегда эти пути находит.




Свет и энергия будущего





Проблема источников энергии


Современное общество потребляет много энергии. Чем выше уровень производительных сил общества, тем быстрее растет его потребность в энергии. Откуда берется потребляемая человеком энергия? Почти до середины XX века важнейшими источниками энергии была химическая реакция окисления угля, нефти, древесины, торфа, сланцев. Это — простейшая и сравнительно легко вызываемая реакция; со времени добычи огня и еще за несколько тысячелетий до изобретения письменности человек сжигал топливо. Кроме того, на протяжении тысячелетий человек использовал естественное падение воды и некоторые побочные источники (ветер, морские приливы и т. п.). Даже после открытия электрической формы энергии человек для ее получения по-прежнему сжигает топливо и использует падение воды.

Потребление энергии в последние десятилетия развивалось быстро. Стал актуальным вопрос о том, насколько перспективны существующие источники энергии. Подсчеты показали, что запасы топлива на Земле ограниченны. Ученые ведут споры о том, на сколько поколений их хватит. Ограниченны, хотя далеко еще не полностью используются, и запасы гидроэнергии. Отыскание новых, практически неисчерпаемых и перспективных источников энергии стало одной из наиболее важных научно-технических задач современности. Где же эти неисчерпаемые первоисточники энергии?

Естественно, что научная мысль все более обращалась к исследованию солнечной энергии и ее роли на Земле. Уже давно стало ясно, что Солнце и другие звезды являются источником колоссальной энергии. Эта энергия в виде света переносится в мировое пространство на огромные расстояния, исчисляемые миллиардами световых лет.

Наше Солнце за одну секунду испускает в мировое пространство энергию, которая, по подсчетам С. И. Вавилова, эквивалентна массе в 5 миллионов тонн. На Землю падает лишь небольшая ее часть, равная примерно сорока тысячам миллиардов больших калорий. Но и эта энергия чрезвычайно велика. Ее хватило бы, чтобы нагреть от 0° С и затем испарить более 75 миллионов тонн воды в секунду, а за сутки — 6500 миллиардов тонн. Нигде больше в природе на Земле человек не встречается с таким огромным количеством энергии.

Что же делается с этой энергией на Земле?




Два круговорота вещества и энергии на Земле


Достигнув Земли, солнечная энергия способствует осуществлению на ней ряда процессов, без которых была бы невозможна органическая жизнь в ее высокой стадии. Особенно замечательны два круговорота веществ и энергии на Земле, происходящие под действием солнечного света.

Один из них — круговорот воды. Он связан с тепловыми действиями света. Солнечный свет нагревает и испаряет воду, поднимает с поверхности рек, морей и океанов и из почвы миллионы и миллионы тонн воды до верхних слоев атмосферы. Создавая в атмосфере, опять-таки благодаря тепловому действию, разность температур и давлений, он перемещает эти тонны воды, распределяет ее по всем широтам и долготам и способствует ее выпадению на поверхность Земли в виде осадков. В силу этого непрерывно питается почва и земные водоемы, не пересыхая, текут реки, вода снова и снова стремится перейти на низший уровень. На этой основе создана гидроэнергетика. В ней человек использует в конечном счете не что иное, как преобразованную солнечную энергию.

Но полезная работа солнечного света не ограничивается только этим. Растворяя различные соли в почве, вода способствует усвоению растениями различных питательных веществ, необходимых для их роста. Без этого круговорота воды, вызываемого действием солнечного света, жизнь на Земле была бы невозможной.

Солнечный свет вызывает на Земле и другой не менее важный круговорот — круговорот углерода и кислорода. Он связан с химическими действиями света.

Углерод С необходимо входит в состав органических клеток животных и растений и их преобразованных остатков — угля, нефти, древесины и пр. С другой стороны, повсюду в природе сгорание этого элемента, т. е. его соединение с кислородом О (окисление), дает энергию, необходимую для жизнедеятельности организмов, а равно и для производственной деятельности человека.

Сгорание углерода, а следовательно, уменьшение в природе свободных углерода и кислорода происходит всюду и в больших масштабах (дыхание человека и животных, горение топлива, гниение органических остатков и т. п.). Если бы этот процесс шел только в одну сторону, то в конце концов свободный углерод, т. е. один из существенных строительных материалов, из которого образуются органические клетки, исчез бы. Исчез бы также и кислород, необходимый для получения энергии в организмах. В результате окисления углерода получилась бы углекислота CO


, обладающая в обычных условиях большой стойкостью и отравляющими свойствами.

Однако, к счастью, в природе создаются и условия, при которых идет и обратный процесс. Он связан с растительным царством. Растения вырабатывают хлорофилл, в зернах которого под воздействием солнечного света происходит расщепление углекислоты CO


. В результате этого процесса вновь образуются свободные углерод и кислород (потому-то в лесах «легко дышится»).

Таким образом, получается вечный круговорот: углерод и кислород то соединяются, давая энергию животным и человеку, но переходя при этом в инертное состояние, то вновь расщепляются и становятся свободными, создавая возможность растительным и животным организмам строить свои клетки и при новом окислении углерода получать все новые количества энергии.

Этот круговорот непрерывно повторяется, непрерывно создается энергия и потенциальная возможность жизни. Но это — не «вечный двигатель»; этот круговорот — результат работы солнечного света, проявление его энергии, преобразуемой в определенных условиях (хлорофилл) в потенциальную энергию углерода и кислорода, которые, соединяясь, приводят к дальнейшему преобразованию энергии в теплоту.

Энергию, выделяемую при сжигании углерода, равно как и энергию падающей воды, можно рассматривать как преобразованные формы солнечной энергии. Эти формы энергии под действием солнечного света непрерывно в природе возобновляются. В недрах Земли в течение миллионов лет накоплены огромные запасы преобразованной солнечной энергии. Но, как уже было сказано, потребности в энергии в наше время весьма велики, и они быстро растут. Ни энергия накопленных в Земле угля и нефти, ни гидроэнергия в перспективе не такой уж далекой не смогут эти потребности удовлетворить. Где же искать новые, более перспективные источники?




Солнечные батареи


Обращает на себя внимание весьма малый коэффициент использования солнечной энергии при сжигании топлива. Очень уж многозвенен этот процесс: солнечная энергия — химический процесс расщепления углекислоты и получение потенциальной химической энергии кислорода и углерода — последующее окисление углерода и образование тепловой энергии — преобразование полученной теплоты в двигателе внутреннего сгорания в механическую энергию движения ротора — преобразование механической энергии ротора в динамомашине в электрическую энергию, — наконец, передача электроэнергии на производство и новое ее преобразование в соответствии с потребностью.

Во всем этом цикле превращений участвует только крайне малая часть солнечной энергии, дошедшей до Земли. Но, кроме того, в каждом звене этой цепи превращений теряется много энергии на побочные процессы. В каждом звене коэффициент полезного действия представляет собой малую дробь, а общий коэффициент полезного действия солнечной энергии тем более мал, ибо он представляет собой произведение нескольких малых дробей.

Естественно, что научно-техническая мысль работает над сокращением длинной цепи превращений по крайней мере до одного — двух звеньев. Потери солнечной энергии резко сократились бы, если бы она была непосредственно превращена в электрическую энергию. Да и долю используемой на это солнечной энергии можно было бы резко увеличить.

Но в принципе такая проблема уже решена в фотоэлементах (см. опыт Столетова). В них как раз и происходит непосредственное превращение световой энергии в энергию потока электронов, т. е. в электрический ток. Надо только изготовить достаточное количество надежно и экономично работающих фотоэлементов и покрыть ими крыши домов и все свободные площади. Но это «только» — легко сказать. На деле задача эта не проста. Для ее выполнения потребовалось бы большое количество редких химических материалов. Их надо подвергнуть весьма тщательной химической очистке и добиться почти абсолютной однородности. Изготовление фотоэлементов в больших масштабах технически сложно и пока дорого. Пока они изготовляются лишь в количествах, необходимых для приборостроения и автоматики. Конечно, когда маленький фотоэлемент полностью заменяет человека, как это имеет место, например, в автоматических контролерах, стоящих при входе в московское метро, это выгодно. Еще более выгодно применять системы фотоэлементов на космических кораблях. Там они используются для ориентации корабля (по Солнцу или по Луне), а также для получения электротока от солнечных лучей (солнечные батареи). На космических кораблях фотоэлементы имеют особое преимущество, поскольку они обеспечивают длительное действие приборов и не утяжеляют корабль. Однако пока они дают немного энергии и применяются на космических кораблях лишь как дополнение к обычным химическим батареям.

В этом методе непосредственного превращения солнечной энергии в электрическую есть еще много технических и экономических трудностей. Но в принципе здесь все уже ясно. Поэтому многие ученые видят в нем главный и перспективный источник получения энергии для нужд человека. Эти идеи особенно активно развивал выдающийся русский физик академик А. Ф. Иоффе (1880—1960).




Превращение вещества в свет как источник энергии


Рождаясь в недрах вещества, свет раскрыл перед мыслящим человеком огромные кладовые энергии, связанной в атомах. Без изучения языка света, несущего информацию о сложной структуре атома, нельзя было ни осознать этот факт, ни поставить и решить проблему высвобождения атомной энергии. Частично эта задача уже решена. Мы уже построили и строим атомные электростанции, атомные ледоколы и подводные лодки.

Но познание атомов как источников энергии находится еще в самом раннем периоде своей истории. Мы пока еще используем энергию синтеза или же распада атомов, притом только определенных атомов.

Еще не раскрыта сложная структура ядра и элементарных частиц. Быть может, наибольшую энергию можно будет получать не при переходе атома с одного энергетического уровня на другой и даже не в процессе распада или синтеза атомов, а в процессах совершенно иного рода. Выше уже говорилось о том, что физики установили факт превращения частиц вещества — электрона и позитрона, находящихся в сильном поле ядра, в гамма-кванты, т. е. в свет. Этот процесс связан с максимальным образованием энергии.

Позитрон является такой же частицей вещества, как и электрон, но только заряд его не отрицателен, а положителен; он является как бы отображением электрона, или, как говорят физики, его античастицей. В наше время известно свыше тридцати различных элементарных частиц; для некоторых из них уже открыты их античастицы. Например, установлено наличие не только элементарной частицы — протона, но и антипротона, не только нейтрона, но и антинейтрона. По-видимому, каждая элементарная частица имеет свою античастицу. Соединение частицы и античастицы в особых условиях (сильные ядерные поля) приводит к превращению их в соответствующие кванты излучений. Можно предполагать, что любая пара элементарных частиц — частица и ее античастица, — взаимодействуя друг с другом в сильных полях, претерпит превращение в кванты света. Эти превращения будут сопровождаться огромными энергиями, гораздо большими, чем те, которые связывают и отдают такие возбужденные физические системы, как молекулы, а темы и ядра.

В поисках условий, при которых протекают подобные процессы, физики создают мощные ускорители, в которых в огромном пустом внутри кольце периодически меняющиеся поля разгоняют элементарные частицы до очень больших скоростей. Эти частицы достигают на выходе огромных энергий, порядка миллиардов электрон-вольт. Так, в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований уже несколько лет работает ускоритель, в котором получаются частицы с энергией до 10 миллиардов электрон-вольт. В Швейцарии вступил в строй ускоритель объединенных западных держав; элементарные частицы разгоняются в нем до 25 миллиардов электрон-вольт. В Советском Союзе проектируется еще более мощный ускоритель.

Для чего физики упорно стремятся получить частицы все более высоких энергий? Для того, чтобы с их помощью прощупать структуру ядер, элементарных частиц, взаимодействие их между собой, открыть новые возможные частицы, закономерности их взаимопревращений, их превращения га кванты света. Эти исследования должны раскрыть, какие превращения протекают в глубинах атома, выяснить, при каких условиях и какую энергию могут освободить в этих превращениях ядра или элементарные частицы.

Исследования физики в области атомной энергии тесно переплетаются с исследованиями астрофизиков. Результаты, полученные одними, помогают другим осмыслить наблюдаемые явления.

Долгое время астрофизики пытались разгадать, каков источник столь мощного излучения Солнцем световой энергии. В прошлом веке образование солнечной энергии пытались объяснить сильным сжатием Солнца, т. е. превращением механической энергии. Однако подсчеты показали, что величина энергии, которую возможно получить за счет сжатия, была бы ничтожно мала по сравнению с действительной. Точно так же было выяснено, что огромную величину излучаемой солнечной энергии нельзя объяснить никакими химическими реакциями окисления.

Только тогда, когда ученые постигли структуру атомов и их различные превращения, они поняли, что солнечная энергия образуется в результате ядерных реакций. В настоящее время полагают, что световая энергия Солнца получается в результате ядерной реакции, при которой 4 атома водорода превращаются в атом гелия и два позитрона; при этом выделяется около 27 миллионов электрон-вольт энергии в расчете на один грамм превращенного водорода. Количественный спектральный анализ показал, что на 80% Солнце состоит из водорода и на 18% из гелия. Расчеты показывают, что Солнцу с его огромным запасом водорода и при его теперешней интенсивности излучения хватило бы энергии, освобождаемой при превращении водорода в гелий, на сотни миллиардов лет.

Интерес физиков все более приковывается к процессам, происходящим во Вселенной. Ведь звезды представляют собой гигантские ядерные котлы, в которых природа создала исключительные условия высоких температур и давлений, недостижимые в земных условиях. Мы знаем об этих исключительных условиях опять-таки из анализа звездных спектров. В недрах звезд протекают реакции, о которых мы, быть может, еще не имеем представления и которые служат источником колоссальных энергий, излучаемых в мировое пространство. Какие колоссальные запасы энергий хранятся в звездах и испускаются в виде энергии света, трудно себе и представить. Энергия некоторых звезд превышает солнечную в десятки и сотни тысяч раз. Длительность излучения у каждой звезды исчисляется многими миллиардами лет. Только в одной нашей Галактике содержится более ста миллиардов звезд.

Замечательно, что вся эта информация прочитана путем расшифровки языка света, падающего на Землю.




Мощные источники энергии в ядрах радиогалактик


Не все явления, наблюдаемые астрофизиками, можно объяснить посредством ядерной реакции превращения водорода в гелий. Уже около полусотни лет ученые изучают космические лучи, приходящие к нам на Землю из далеких глубин Вселенной. Эти «лучи» представляют собой поток быстродвижущихся положительно заряженных частиц — протонов, а также в небольшом количестве альфа-частиц и других ядер. Энергия этих частиц огромна, она измеряется миллиардами электрон-вольт, а в отдельных случаях доходит до сотен миллионов миллиардов электрон-вольт.

Где и в каких условиях космические частицы получают такую колоссальную энергию? Ни в нашей Солнечной системе, ни в нашей Галактике таких условий не обнаруживается.

Быть может, ответ на этот вопрос даст анализ радиоизлучений, наблюдаемых с помощью радиотелескопов.

Как известно, все галактики испускают кроме видимого излучения еще и радиоизлучения. У большинства галактик мощность этих радиоизлучений невелика по сравнению с мощностью их видимого светового излучения. Но все же находятся и такие галактики, у которых мощность радиоизлучения сравнима с мощностью их видимого светового излучения. Естественно, что эти «радиогалактики» привлекли к себе внимание. Чем они отличаются от других, что за процессы там происходят?

Советские астрофизики установили, что источником мощных радиоизлучений радиогалактик является поток электронов весьма высоких энергий, движущихся в сильных магнитных полях. Этот поток электронов высоких энергий выбрасывается из ядра радиогалактик. Именно в ядрах галактик происходят какие-то, еще нам неизвестные, процессы, в результате которых возникают потоки частиц высоких энергий и испускаются мощные радиоизлучения.

Так исследование Вселенной с помощью света дает физикам возможность лучше понять природу и условия тех превращений, которые испытывают элементарные частицы и атомные ядра в галактиках и звездных системах. Оно открывает пути к новым практически неисчерпаемым источникам энергии.

Незаменимым орудием этого исследования является свет в широком смысле этого слова, т. е. электромагнитное излучение.




Заключение. Что дала человеку наука о свете





О чем рассказывает свет


В этой книге был дан лишь самый общий очерк того, каким путем шли ученые в познании свойств света и к каким огромным результатам привело это познание.

Что же дало человеку познание законов света, законов возникновения, распространения и преобразования электромагнитных излучений?

Прежде всего выяснилось, что свет является надежным паспортом вещества — атомов и молекул, кристаллов и даже белков. Установление этого факта помогло человеку открыть еще не открытые элементы, осуществлять точнейший спектральный анализ вещества, контролировать составы сплавов и смесей.

Но спектральные закономерности излучаемого света — не простая этикетка вещества. Спектр излучений однозначно связан с его структурой. Переходя из одного энергетического состояния в другое, вещество излучает свет. Изучение спектров излучений помогало не только распознавать или устанавливать присутствие даже крайне малых долей того или иного вещества, но и раскрывать внутренние взаимосвязи в различных физических системах, познавать структуру атомов, молекул, кристаллов.

Свет обладает свойством переносить информацию и энергию. Для своего распространения он не требует какой-либо вещественной среды. Практически он переносит информацию и энергию через все земные расстояния и через бесконечно далекие космические пространства.

На основе изучения и практического использования законов возникновения и распространения электромагнитных излучений, а также законов их преобразования, получили развитие целые отрасли науки и техники: светотехника, рентгенотехника, электронная микроскопия, радиовещание, радиолокация и радионавигация, телевидение, телеуправление.

В силу своих свойств, свет служит орудием исследования структуры звезд и галактик, физических процессов, в них протекающих. Они предоставляют человеку возможность изучать условия жизни в космосе, овладевать им.

Свет помог раскрыть огромные кладовые энергии в атомах, звездах и галактиках. Научная мысль настойчиво работает над проблемой управления атомной энергией, а также над превращением в больших масштабах солнечной энергии непосредственно в электрическую. Быть может, еще более перспективным окажется открытие факта превращения в световые фотоны пары сопряженных частиц вещества — частицы и античастицы. Оно возбуждает надежды на то, что когда-нибудь человек будет в состоянии превращать по своему плану любое вещество в излучение, которое легко передавать на любые расстояния и энергию которого нетрудно использовать.

Уже и современный уровень культуры был бы невозможен без тех результатов, которые достигнуты благодаря науке о свете. А развитие производительных сил коммунистического общества, которое должно далеко позади себя оставить современный уровень, будет еще шире использовать свойства света — этой гибкой, подвижной формы материи.




Познание человека беспредельно


Наш рассказ подходит к концу. Мы узнали теперь, какое мощное теоретическое и практическое оружие получил человек, изучив законы возникновения и распространения света, и как сложен путь познания законов света.

На этом пути встречалось немало и скептиков. Еще в 1909 году немецкий физик Ритц писал: «Спектральные измерения с крайней точностью дают нам в руки многочисленные драгоценные документы, но, к несчастью, они написаны иероглифами (символами), которые мы не умеем расшифровывать». Прогресс пауки очень скоро опроверг этот скептицизм: световые «иероглифы» были расшифрованы в ближайшее же десятилетие. Были и ныне еще есть такие «ученые», которые пытаются доказать, будто познание человека ограничено.

— Мы не можем затащить кусочек звезды в наши лаборатории, профильтровать, выпарить, взвесить его, всунуть в него термометр, а значит, мы никогда не узнаем ни о химическом составе звезд, ни о том, какова их температура, плотность, — так рассуждал, например, один из родоначальников современных идеалистов в естествознании позитивист Огюст Конт. Очень скоро после этих рассуждений были открыты спектральные методы и возникла новая наука — астрофизика.

Атомы мы тоже не воспринимаем непосредственно чувствами, не можем их увидеть глазами или ощупать руками. На этом основании физик и философ Мах и химик Оствальд заявляли о том, что бессмысленно утверждать, будто атомы существуют. А ныне физика знает основные характеристики атомов, их массу, составные части, спектр излучений, важнейшие черты структуры и т. д.

Вся история познания природы опровергает антинаучные «доводы» скептиков.

Познание законов природы есть сложный процесс. Человек — сам часть природы — взаимодействует с ней в процессе практической деятельности. Органы чувств доставляют ему необходимые сведения. Но кроме органов чувств человек, в отличие от животных, имеет также и разум. С помощью разума человек исследует то, о чем ему рассказали органы чувств. Он создает догадки (гипотезы) о том, какие законы лежат в основе наблюдаемых явлений, а затем проверяет свои догадки на практике.

Так, из того, что знакомые линии в звездном спектре сдвинулись в сторону длинных волн, Белопольский высказал догадку, что звезда удаляется от Земли. Он проверил свою догадку, поставил опыт в лаборатории и доказал, что подобные сдвиги линий действительно происходят при удалении источника света. Звезды стали доступными для исследования благодаря тому, что они испускают свет, а мы изучили его свойства.

Изучая свойства света, мы познали строение атомов, применили это познание в технике и тем самым доказали существование атомов. Некоторые физики-идеалисты, вроде Иордана, утверждают, что атомы есть только «наша мыслительная конструкция»; в наше время, когда люди научились извлекать из атомных яцер огромные запасы энергии, становится особенно ясным, как далека философия этих людей от поступательного процесса познания и вытекающей из него практики.

Познание человека беспредельно. Ему нет преграды. Ни бесконечно большие расстояния до звезд, ни исчезающе малые размеры атомов не являются препятствием для разума человека.

Это потому, что и звезды и атомы существуют не отдельно, не изолированно, они взаимодействуют с окружающим их миром. В частности, это взаимодействие осуществляется через свет. И тот, кто настойчиво изучает законы взаимодействия в природе, вес больше и глубже познает и звезды, и атомы, и всю природу.




Приложения





I







Спектр солнечного излучения




II







Спектр натрия









Спектр калия









Спектр лития









Спектр стронция




III







Темные линии в солнечном спектре. На рисунке изображены только самые четкие линии




IV







 Солнечный протуберанец










notes



Примечания





1


То есть соответствующей излучению с длиной волны, равной 6708 ангстремам; в дальнейшем мы будем выражать эту мысль коротко: излучение с линией во столько-то ангстрем или еще короче: линия 6708Å.




2


Световой год — расстояние, проходимое светом в течение астрономического года со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Это — расстояние примерно в 1013 (т. е. десять тысяч миллиардов) километров.




3


В конце сороковых и в начале пятидесятых годов были открыты и другие неизвестные элементы; теперь уже все пустые клетки периодической таблицы Менделеева заполнены. Но в этих открытиях играли роль не только спектроскопические методы.




4


См. В. Левантовский. Ракетой к Луне. Физматгиз, 1960.