История лазера. Научное издание
Шрифт:
В серии работ, опубликованных в период 18921904 гг., Лоренц построил электронную теорию, которая позволила ему объяснить ряд явлений. Он использовал свою теорию для объяснения эффекта, открытого Зееманом, и оба эти исследователя разделили Нобелевскую премию в 1902 г. за открытие и объяснение этого важного эффекта.
Согласно теории Лоренца, свет испускается атомными заряженными частицами (электронами), РЅР° движение которых влияет магнитное поле согласно законам классического электромагнетизма. РР· изменения частоты, получаемого РёР·-Р·Р° магнитного поля, Лоренц Рё Зееман смогли определить отношение между зарядом Рё массой частицы, которая испускает свет, Р° также знак Рё значение заряда. Первоначально РѕРЅРё допустили ошибку РІ расчетах Рё сочли, что знак положителен, РЅРѕ затем исправили расчет Рё получили отрицательный знак. Р’ это же время РІ Кембридже Дж. Дж. РўРѕРјСЃРѕРЅ РІ экспериментах 1897 РіРѕРґР°, измерил отношение между зарядом Рё массой СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРіРѕ электрона, Р° позднее, РІ 1899 Рі., измерил знак заряда. Полученные данные были идентичны тем, что были найдены Зееманом Рё Лоренцем Рё доказывали, что электроны независимо РѕС‚ РёС… происхождения являются идентичными.
РќРµ следует недооценивать важность эффекта Лоренца РІ теории строения атома. Успех, достигнутый теорией Лоренца эффекта Зеемана, показал, что частицы СЃ РѕРґРЅРёРј Рё тем же отношением заряд/масса, что Рё электрон, присутствуют РІ атоме Рё ответственны Р·Р° испускание спектральных линий. Рто было прямым доказательством, что испускание света производится электронами.
После этих первых экспериментов СЂСЏРґ РґСЂСѓРіРёС… физиков, Престон, Р СѓРЅРіРµ Рё Пашен, Рё Ланде, изучили магнитное расщепление спектральных линий. Принципиальным результатом этих исследований было то, что РјРЅРѕРіРёРµ линии, среди которых Рё D-дублет натрия, расщепляются РЅРµ РЅР° три линии, как предсказывала теория Лоренца, Р° РЅР° большее число компонент (СЃРј. СЂРёСЃ. 12). Ртот эффект был назван аномальным эффектом Зеемана Рё получил объяснение только РІ 1925 Рі., РєРѕРіРґР° Уленбек Рё Гоудсмит ввели СЃРїРёРЅ электрона.
Первая модель атома
В заключение, мы можем сказать, что в первые годы XX в. был дан первый, может быть не полный, ответ на вопрос как излучается свет, а атомы с их электрическими зарядами были сочтены ответственными за это. Однако, как устроены атомы и, соответственно, каковы процессы испускания света, никто не знал.
РћРґРЅР° РёР· проблем касалась числа электронов РІ атоме. Первые модели атома предполагали, что это число велико. Рта гипотеза поддерживалась спектроскопическими наблюдениями. Поскольку предполагалось, что спектральные линии производятся колебаниями электронов, Р° наблюдались тысячи линий, то полагали, что РѕРЅРё испускаются тысячами электронов.
РўРѕРјСЃРѕРЅ, который благодаря открытию электрона считался признанным авторитетом, выдвинул РІ 19031904 РіРі. СЃРІРѕСЋ модель атома. Р’ соответствие СЃ ней, атом представляет РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕ заряженную сферу СЃ положительным зарядом, РІ которой помещаются электроны, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ изюминкам РІ РїСѓРґРёРЅРіРµ. Положительный заряд Рё отрицательная СЃСѓРјРјР° всех электронов равны РїРѕ абсолютной величине. Рлектроны притягиваются Рє центру сферы Рё отталкиваются РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°, согласно закону Кулона электрического взаимодействия. Нормальное состояние атома получается, РєРѕРіРґР° система этих противоположных СЃРёР» уравновешена. Если атом подвергается возмущению (или, как РіРѕРІРѕСЂСЏС‚ физики, возбуждается) РїСЂРё столкновении СЃ РґСЂСѓРіРёРј атомом или РїСЂРё прохождении электрона, его внутренние электроны начинают колебаться РІРѕРєСЂСѓРі положения равновесия Рё излучается свет РЅР° тех частотах, которые измеряются спектроскопически. РџРѕ физическим законам можно рассчитать эти частоты. РўРѕРјСЃРѕРЅ Рё его ученики сделали сложные вычисления, чтобы найти такие конфигурации, которые дали Р±С‹ правильные частоты. Рти вычисления РЅРµ привели Рє успеху. Как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј, эта модель совершенно неверная.
ГЛАВА 3
РЗЛУЧЕНРР• ЧЕРНОГО ТЕЛА
Как мы видели, к концу XIX в. ученые пришли к убеждению, что свет является электромагнитной волной. Однако в то же самое время, когда волновая теория получала все большую поддержку, были открыты новые явления, которые противоречили ей. Среди этих явлений было изучение того, как физическое тело поглощает или испускает тепло. Ожидалось, что эта проблема получит простое и немедленное решение. Однако этого не получилось, и когда в конце концов решение было найдено, оно нанесло первый удар по волновой теории света.
Рзлучение Рё температура
Если РјС‹ трогаем тело СЂСѓРєРѕР№, РјС‹ ощущаем тепло, если РѕРЅРѕ имеет высокую температуру. Такое же ощущение РјС‹ испытываем, если РјС‹ РЅРµ касаемся тела, РЅРѕ находимся близко РѕС‚ него. Рто получается благодаря передаче тепла через РІРѕР·РґСѓС…. Однако, даже если РјС‹ удалим РІРѕР·РґСѓС…, окружающий тело, передача тепла РІСЃРµ равно имеет место.
Сейчас РјС‹ знаем, что тело передает СЃРІРѕРµ тепло, С‚.Рµ. СЃРІРѕСЋ энергию, частично РІ РІРёРґРµ электромагнитных волн. Волны, которые переносят наибольшую часть этой энергии Рё которые ответственны Р·Р° ощущение тепла, обозначаются как инфракрасное излучение. Длины этих волн простираются почти РїРѕ всей области между миллиметром Рё тысячной долей миллиметра (РјРёРєСЂРѕРЅ), Рё РѕРЅРё невидимы глазом. Однако энергия, передаваемая видимым излучением РѕС‚ Солнца через миллионы километров, также может преобразовываться РІ тепло. Рто хорошо известно всем, кто загорает летом.
Фридрих Вильгельм Гершель (17381822), родившийся РІ Ганновере, Р° затем натурализовавшийся РІ Англии, РЅР° заре XIX РІ. продемонстрировал эффект нагрева, С‚.Рµ. увеличение температуры тела, инфракрасным излучением. Ркспериментальная регистрация инфракрасного излучения была существенно улучшена РІ 1881 Рі., РєРѕРіРґР° РЎ.Рџ. Лангли (18341906) изобрел С‚.РЅ. болометр. Ртот инструмент, состоящий РёР· платиновой проволоки, покрытой черным слоем сажи, способен измерять температуру благодаря изменению электрического сопротивления проволоки.