История лазера. Научное издание
Шрифт:
Однако теория электромагнитного поля наиболее важный результат, полученный Максвеллом, и это, без сомнения, одно из важнейших достижений науки, на котором основана современная наука и техника.
В середине XIX в. электромагнетизм включал огромное число экспериментальных результатов, в которые значительный вклад внес Фарадей, но ожидалась общая теория, которая могла бы эти результаты интерпретировать.
Майкл Фарадей (1791-1867) является исключительным примером новаторского исследователя. Он был сыном кузнеца и начал работать с 13 лет подмастерьем в переплетной мастерской. Здесь он читал книги по химии и электричеству и делал эксперименты с помощью самодельных устройств. В 1813 г. он познакомился с химиком Хемфри Дэви (17781829) и стал его ассистентом в Королевском институте. Он был очень искусным экспериментатором и открыл фундаментальные явления, которые послужили основой электромагнитной теории Максвелла. Он разработал метод визуализации силовых линий электрических и магнитных полей. В качестве ассистента Дэви он в 18131815 гг. путешествовал по Европе, где знакомился с работами самых выдающихся исследователей континента.
Р’ 1821 Рі. РѕРЅ, продолжая эксперименты датского физика Р“. Рљ. Ррстеда (17771851), показал, что магниты оказывают механическое действие РЅР° РїСЂРѕРІРѕРґРЅРёРєРё, РїРѕ которым протекает электрический ток. Позже РѕРЅ изучал явления электролиза, выраженные РІ законах, носящих его РёРјСЏ. Р’ 1830 1831 РіРі. РѕРЅ открыл явление электромагнитной индукции. Среди его последующих открытий действие магнитного поля РЅР° поляризованный свет (эффект Фарадея) Рё диамагнетизм. Р’ 1862 Рі. РѕРЅ пытался изучить действие магнитного поля РЅР° спектры света, пионерские исследования, которые позднее СЃ успехом были выполнены Рџ. Зееманом.
Максвелл блестящим образом интерпретировал результаты Фарадея Рё РґСЂСѓРіРёС… исследователей, показав, что явления электрических Рё магнитных явлений тесно связаны, Рё РІ некоторых случаях электромагнитное поле может распространяться РІ РІРёРґРµ волны. Отсюда следует, что свет является волной такого РІРёРґР°. Рлектромагнитная теория Максвелла встретила сильное сопротивление. Даже сам Максвелл Рё его ученики долгое время старались описать электромагнитное поле СЃ помощью механических моделей. Только после продолжительных попыток объяснить его уравнения РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ механических моделей была окончательно принята концепция, что электрические Рё магнитные поля являются реальностью.
Рис. 6. Синусоидальная волна, видимая в заданный момент времени, как функция положения
Волновая теория рассматривает свет как колебания эфира Рё замечательно объясняет отражение, преломление, дифракцию Рё интерференцию, Р° также РґСЂСѓРіРёРµ явления. Свойство света восприниматься окрашенным укладывается РІ свойствах волны. Белый свет есть РЅРё что РёРЅРѕРµ, как смесь всех цветов (факт, который еще Ньютон экспериментально продемонстрировал). Определенный цвет определяется длиной волны излучения (СЂРёСЃ. 6), С‚.Рµ. расстоянием между РґРІСѓРјСЏ соседними пиками волны. Р’ РІРёРґРёРјРѕР№ области эта длина волны обычно измеряется РІ ангстремах (РѕРґРёРЅ ангстрем или Рђ равен 10– 8 СЃРј) Рё видимая область простирается РѕС‚ ~3800 Рђ (фиолетовый свет) РґРѕ 7000 Рђ (красный свет). Число РїРёРєРѕРІ волны, проходящих РІ секунду через заданную точку, является частотой волны Рё измеряется РІ герцах (Гц). Произведение длины волны Рё частоты равно скорости распространения волны. Например, зеленый свет имеет РІ вакууме длину волны 5500 Рђ, распространяется СЃРѕ скоростью 300000 РєРј СЃ– 1 Рё имеет частоту 545 000 млрд. Гц. Рзлучения СЃ большими длинами волн последовательно заполняют инфракрасные, микроволновые Рё радиоволны, Рђ излучение СЃ укороченными длинами волн являются ультрафиолетовым, рентгеновским Рё гамма-лучами (СЂРёСЃ. 7).
Р РёСЃ. 7. Рлектромагнитный спектр. Слева обозначены частоты, Р° справа соответствующие длины волны
ГЛАВА 2
СПЕКТРОСКОПРРЇ: РђРљРў I
Если свет, испускаемый Солнцем или лампой накаливания, направляется РЅР° стеклянную РїСЂРёР·РјСѓ, то РјС‹ СѓРІРёРґРёРј (так же как Рё Ньютон) цвета, расположенные РІ последовательности РѕС‚ фиолетового РґРѕ красного. Ньютон назвал это спектром. Рто слово остается для обозначения изображения, которое получается РІ результате разложения любого света СЃ помощью РїСЂРёР·РјС‹ или РґСЂСѓРіРѕР№ более сложной аппаратуры. РљРѕРіРґР° интенсивность постепенно изменяется РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ цвета РґРѕ РґСЂСѓРіРѕРіРѕ, РјС‹ РіРѕРІРѕСЂРёРј Рѕ непрерывном спектре. Р’ общем случае свет, получающийся путем электрического разряда РІ газе (неоновая реклама), состоит РёР· очень СЏСЂРєРёС… линий РЅР° темном фоне; РІ этом случае спектр обозначается как линейчатый спектр.
Р’ спектроскопах, инструментах, используемых РІ настоящее время для изучения таких спектров, свет РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ через тонкую щель, установленную РЅР° РІС…РѕРґРµ РІ инструмент, Р° РІ плоскости наблюдения каждая линия является изображением РІС…РѕРґРЅРѕР№ щели РІ соответствии СЃ той монохроматической (С‚.Рµ. РѕРґРЅРѕРіРѕ цвета) компонентой исследуемого излучения. Каждая РёР· этих линий имеет хорошо определенное положение Рё интенсивность, что Рё является характеристикой спектра. Рто положение определяется длиной волны Рё соответственно, частотой монохроматического излучения, которое Рё составляет линию.
Если мы рассматриваем субстанцию свободных атомов одного и того же сорта, т.е. элементы в газовой фазе обнаруживаем, что их спектры являются, в значительной степени, линейными. Точнее говоря, эти спектры содержат линии с последовательно уменьшающимися длинами волн, причем интервал между линиями становится все меньше и меньше, и, начиная с некоторой длины волны, они сливаются в непрерывный спектр.
Рстоки спектроскопии
Рзучение состава света, испускаемого раскаленными телами, является предметом спектроскопии. Рта дисциплина родилась РІ XIX РІ. Рё сыграла фундаментальную роль РІ изучении света Рё строения атомов, являясь совершенной необходимостью для понимания принципов работы мазеров Рё лазеров. РњС‹ можем сказать, что РѕРЅР° возникла РІ 1802 Рі. СЃ открытием английским физиком Вильямом Волластоном (17661828) присутствия темных линий РІ спектре солнечного света.
Волластон стал богатым человеком, когда в 1804 г. изобрел процесс получения чистой ковкой платины, пригодной для изготовления сосудов. Он также выделил два новых элемента, палладиума (в 1804 г.) и родия (в 1805 г.). Первый был назван в честь астероида Паллас, который был открыт в 1804 г., а второй за розовый цвет его соединений. В 1807 г. Волластон запатентовал особую камеру, в которой призма отражала свет от объекта, который хотели зарисовать, на бумагу и в глаз художника. Тем самым у художника создавалась иллюзия, что изображение уже на бумаге, и он мог просто зарисовать его, обводя контуры. Волластон был другом Томаса Юнга и был приверженцем волновой теории света. В 1802 г. он наблюдал темные линии в спектре Солнца, он не понял их важности и полагал, что они просто естественные контуры цветных линий.
Рис. 8. Солнечный спектр с темными линиями Фраунгофера. Некоторые из них снабжены буквами, использованными Фраунгофером.
Двенадцатью годами позже Джозеф Фраунгофер (17871826), сотрудник Бенидиктинского оптомеханического института РІ Баварии, СЃРЅРѕРІР° открыл темные линии РІ солнечном спектре, РєРѕРіРґР° измерял дисперсионную силу разных стекол, Рё стал изучать эти линии. РћРЅ установил РёС… положение РІ спектре, для большого числа (576, если говорить точно), Рё обозначил наиболее заметные РёР· РЅРёС… буквами РѕС‚ Рђ РІ крайней красной области РґРѕ Рќ РІ фиолетовой (СЂРёСЃ. 8). Рти темные линии указывают, что определенные длины волн отсутствуют РІ солнечном свете, достигающем Землю. Р’ то же самое время Фраунгофер открыл, что яркая желтая линия (РЅР° самом деле РґРІРµ тесно расположенные линии), которая присутствует РІ свете всех пламен, наблюдаемых РІ спектроскоп, занимает то же положение, что Рё темная линия, которую РѕРЅ обозначил Р±СѓРєРІРѕР№ D, РІ солнечном спектре.