Чтение онлайн

Максвелл, умерший в 1878 году в возрасте всего сорока восьми лет, не дожил до дня подтверждения своей теории на практике. Однако уже через восемь лет, в 1886 году, немецкий физик Генрих Рудольф Герц построил электрическую цепь, в которой электрический ток вызывал колебания с крайне низкой частотой, что, по теории Максвелла, должно было привести к образованию излучения с такой же низкой частотой и соответственно большой длиной волны. И Герцу действительно удалось зафиксировать такое излучение — нам оно известно под именем радиоволн.

Частота радиоволн — от 1 000 000 и ниже. Частота коротких радиоволн доходит до 10 000 000 000 (десяти миллиардов). Радиоволны постепенно переходят в микроволны, те — в волны инфракрасного спектра, а те, в свою очередь, — в волны видимой части спектра. Все переходы происходят плавно и незаметно, разрывов, то есть таких значений частоты, для которых не существовало бы волны, в этой цепочке нет.

Что же мы можем сказать про вторую половину спектра излучения? В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген открыл новый вид излучения. Он называл его «лучами X», а нам оно известно под названием «рентгеновского излучения», по имени первооткрывателя. Частота этого излучения оказалась гораздо выше, чем частота излучения ультрафиолетового, порядка миллионов триллионов. Как выяснилось позже, источник этого излучения запускался изменением энергетического уровня электронов, вращающихся на внутренних орбитах атома. А год спустя обнаружилось, что элемент уран испускает неизвестное до тех пор излучение, оказавшееся тоже разновидностью электромагнитного излучения с частотой еще выше, чем у рентгеновского, — порядка миллиардов триллионов. Это излучение получило название «гамма-лучей». Его источником оказалось изменение энергетического уровня заряженных частиц самого ядра атома.

В этой части спектра мы видим ту же картину, которая описывалась выше для «низкочастотного» излучения: гамма-лучи плавно переходят в рентгеновское излучение, рентгеновское — в ультрафиолетовое, а ультрафиолетовое — в видимую часть спектра. Полностью весь электромагнитный спектр (рис. 19) содержит около 60 октав (октава — это отрезок, на протяжении от начала до конца которого частота удваивается). Из них видимая часть спектра — это всего лишь одна октава. К 1900 году теория Максвелла подтвердилась полностью.

Свет — это форма энергии, но, как стало ясно с наступлением XIX века, энергетическое содержание света различных участков спектра не одинаково. Привести к распаду серебросодержащих соединений с образованием металлического серебра может только действие «высокочастотного» синего и фиолетового света. Сколько ни облучай нитрат серебра «низкочастотным» красным светом, ничего не произойдет.

Этот и множество других примеров ясно показывают, что энергетическое содержание высокочастотных световых волн выше, чем низкочастотных. Ультрафиолетовое излучение было обнаружено только благодаря тому, что еще эффективнее, чем любой свет видимой части спектра, разлагало серебросодержащие элементы. Кроме того, ультрафиолетовые лучи могут обжечь кожу. Рентгеновские лучи проникают в вещество глубже, а гамма-лучи — еще глубже, и оба этих вида излучения вызывают в организме реакции (очень вредоносные), требующие приложения большого количества энергии.

Тот факт, что излучение с высокими частотами несет больше энергии, подтверждается и свойствами нагретых предметов. Часть энергии, приобретаемой ими с теплом, отдается наружу посредством излучения. Чем выше поднимается температура, тем выше частота испускаемого излучения. Таким образом, нагреваемый кусок металла начинает испускать излучение (и поднесенная к нему рука будет чувствовать тепло или даже жар), оставаясь при этом абсолютно невидимым в темноте. Испускаемое им излучение лежит в инфракрасной части спектра. По мере повышения температуры он начинает излучать уже и в видимой части, и мы замечаем исходящее от него тускловатое красное свечение. Для того чтобы «раскалиться докрасна», металлу необходимо нагреться примерно до 650 °С.

При еще более высоких температурах частота излучения продолжает возрастать, так что при температуре в 2000 °С металл, миновав стадию ярко-красного, станет уже желтым. Солнце, температура на поверхности которого равна 5700 °С, «раскалено добела» и испускает в достаточно большом количестве ультрафиолетовые лучи. Некоторые звезды (правда, их немного среди общего числа) излучают в основном в синей и ультрафиолетовой частях спектра. Солнечная корона, температура которой более миллиона градусов, испускает даже рентгеновские лучи.

Интерес к подробностям излучения тел при различной температуре к концу XIX века становился все больше. Для упрощения было введено представление о существовании тела, которое поглощает все попадающие на него лучи, какую бы частоту они ни имели. Такой предмет не отражал бы никакого излучения и представлял бы собой, таким образом, идеально «черное тело». Если такое черное тело нагреть, оно стало бы с одинаковой легкостью испускать излучение всех частот. (Тело, не являющееся «черным», то есть поглощающее излучение лишь определенных частот, именно на этих частотах и будет излучать, если его нагреть.)

Но если черное тело при нагревании действительно будет с одинаковой легкостью излучать на всех частотах, то возникает парадокс, нуждающийся в объяснении. Высокочастотных видов излучения существует гораздо больше, чем низкочастотных (так же, как чисел более триллиона существует гораздо больше, чем чисел менее триллиона). Поэтому если свет может с равной вероятностью «выбирать» среди всех доступных частот, то практически все излучение должно происходить в высокочастотном спектре, а на долю немногочисленных низкочастотных значений должно приходиться очень мало. Однако при нагревании предметов, приближенных к идеальному «черному телу», такого не происходило. Даже при сравнительно высоких температурах большая часть излучения оказывалась лежащей в видимой и более низкочастотных частях спектра. Для получения высокочастотного излучения в более-менее значительном объеме требовалось нагреть тело до весьма значительных температур.

Объяснения этому явлению не существовало вплоть до 1900 года, когда немецкому физику Максу Карлу Планку пришла в голову идея. А что, если излучение, как и материя, не является непрерывной и однородной субстанцией? Что, если излучение, как и материя, состоит из крошечных неделимых единиц? Для объяснения того факта, что высокочастотное излучение содержит больше энергии, чем низкочастотное, только и остается предположить, что оно состоит из единиц большего объема.

Планк назвал эти единицы энергии «квантами», от латинского «quantum» — «сколько», и предположил, что энергетическое содержание одного кванта пропорционально частоте излучения. Обозначив энергию как е, а частоту заданного излучения как (греческая буква «ню»), мы получим математическую формулу гипотезы Планка в виде

коэффициент пропорциональности которой h известен нам сейчас как «постоянная Планка».

Соответственно, не следует предполагать, что при нагревании предмета, будь это даже идеально черное тело, он будет с одинаковой вероятностью излучать на всех частотах. Частота гамма-лучей в миллиард раз больше частоты инфракрасных лучей, значит, на образование кванта гамма-излучения требуется в миллиард раз больше энергии, чем на образование кванта инфракрасного излучения. При низких температурах, когда энергетическое содержание предмета невелико, в нем могут образовываться вообще одни только кванты инфракрасного света. По мере роста температуры, а следовательно, и доступной для формирования квантов энергии в предмете начинают образовываться все более и более крупные кванты все более и более высокочастотного излучения. Вообще, только с использованием квантовой теории оказалось возможным точное описание свойств испускаемого черным телом излучения — ничто другое не позволяло добиться такого результата.

Теория эта оказалась настолько революционной, что в течение некоторого периода лишь немногие физики решились принять ее на вооружение. А затем в 1905 году Альберт Эйнштейн с помощью квантовой теории сумел объяснить механизм, путем которого некоторые металлы под воздействием света начинают испускать электроны.

Еще в конце XIX века было отмечено, что под лучами света некоторые металлы испускают электроны. Энергия испускаемых электронов зависела при этом не от силы света, а от его частоты. К примеру, красный свет, не важно, сколь сильный, не приводил к испусканию электронов вообще. Облучение желтым светом вызывало испускание лишь небольшого количества электронов с малым содержанием энергии. Если желтый свет был ярче и сильнее, электронов испускалось чуть больше, но их энергетическое содержание по-прежнему оставалось небольшим. А вот облучение синим светом уже приводило к испусканию достаточно энергичных электронов. Если синий свет был очень слабым, то и электронов испускалось мало, но энергетическое содержание их было при этом все таким же высоким.