История лазера. Научное издание
Шрифт:
Ртак, РјС‹ можем сказать, что горячее тело испускает энергию РІ окружающее пространство частично РІ РІРёРґРµ излучения. РџСЂРё увеличении температуры увеличивается испускаемая энергия, Р° длина волны излучения уменьшается РѕС‚ инфракрасной области РґРѕ РІРёРґРёРјРѕР№. РџСЂРё температуре около тысячи градусов тело представляется красным; РїСЂРё дальнейшем увеличении температуры интенсивный цвет последовательно изменяется РѕС‚ красного Рє оранжевому Рё далее Рє голубому.
Точное соотношение между цветом тела и его температурой было установлено в XIX в. с помощью серии измерений и вычислений, первоначально основанных на термодинамике. Термодинамика часть физики, имеющая дело с соотношением между работой и теплом, испускаемым или поглощаемым телами. В ее основе два фундаментальных принципа. Один утверждает, что невозможно построить машину, которая непрерывно (т.е. циклично) совершает только работу, т.е. устанавливается принцип сохранения энергии, и невозможность создания вечного двигателя первого рода.
Другой утверждает, что невозможно иметь машину, которая забирает тепло РѕС‚ источника СЃ постоянной температурой Рё превращает его РІ работу (С‚.Рµ. невозможность создания вечного двигателя второго СЂРѕРґР°). Отметим, что РІСЃРµ тепловые машины забирают тепло РѕС‚ источника СЃ высокой температурой для совершения работы; однако РѕРЅРё выделяют часть этого тепла РїСЂРё РЅРёР·РєРѕР№ температуре, например РІ окружающую среду, Рё таким образом РЅРµ РІСЃРµ тепло, РЅРѕ только его часть трансформируется РІ работу. РР· этих РґРІСѓС… принципов (первое Рё второе начала термодинамики) можно получить далеко идущие заключения путем чисто логических рассуждений, строгим Рё безупречным СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј, поскольку РѕРЅРё РЅРµ требуют какой Р±С‹ то РЅРё было РѕСЃРѕР±РѕР№ модели явления, Рє которому РѕРЅРё применимы.
Р’ начале XIX РІ. целый СЂСЏРґ причин заставлял исследователей интересоваться РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј, почему нагретое тело испускает излучение. Рсследования двигало РІ том числе Рё желание создать эффективные источники света РІ то время только начиналось освещение РіРѕСЂРѕРґРѕРІ СЃ помощью газа Рё электричества. Более того, изучение света, испускаемого звездами, было РЅР° тот момент единственным СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј получить информацию РѕР± РёС… РїСЂРёСЂРѕРґРµ.
Однако никто не мог вообразить, что из этой проблемы возникнет одна из наиболее глубоких и потрясающих революций в физике революции, которая привела к квантовой теории. Окончательное решение было результатом усилий многих ученых в разных областях. Здесь мы ограничимся обсуждениями рассмотрений, нужных для понимания лазеров.
Черное тело
Мы можем начать с рассмотрения некоторых результатов, полученных немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом.
РљРёСЂС…РіРѕС„ родился 12 марта 1824 Рі. РІ Кенигсберге, там же РѕРЅ РїСЂРѕС…РѕРґРёР» обучение РІ университете РїРѕРґ руководством физика Франца Неймана (17981895). Р’ 1847 Рі. после получения докторской степени РѕРЅ перебрался РІ Берлин, РіРґРµ РіРѕРґРѕРј позже стал приват-доцентом (звание, которое давало ему право преподавать РІ университете, РЅРѕ без жалования; студенты РїСЂСЏРјРѕ платили небольшие СЃСѓРјРјС‹ преподавателю Р·Р° лекции). Р’ 1850 Рі. РѕРЅ был назначен профессором РІ Бреслау, РіРґРµ РѕРЅ встретился СЃ С…РёРјРёРєРѕРј Робертом Вильгельмом Бунзеном (1811 1899), который некоторое время спустя выдвинул его РЅР° должность профессора физики РІ Гейдельберге. Р’ 1875 Рі. РѕРЅ стал заведующим кафедрой физики Университета РІ Берлине, РіРґРµ Рё скончался РІ 17 октября 1887 Рі. РћРЅ был номинирован РІ члены Ртальянской Академии Линчей РІ 1883 Рі.
Кирхгоф работал почти во всех областях экспериментальной и теоретической физики, получая результаты фундаментальной важности. Кроме тех, которые мы будем здесь обсуждать, он описал законы, которые позволяют получать распределение токов в электрических цепях; дал замечательную формулировку двух принципов термодинамики, решил строгим и полным способом уравнения электромагнетизма Максвелла и постарался дать математическую формулировку принципа Гюйгенса.
В 1859 г. Кирхгоф обратился к собранию Берлинской Академии со словами:
Несколько недель тому назад я имел честь представить Академии сообщение о некоторых наблюдениях, которые, как кажется мне, являются весьма интересными, т. к. позволяют нам сделать заключения о химическом составе солнечной атмосферы. Отталкиваясь от этих наблюдений, я теперь вывел на основе довольно простых теоретических соображений общую теорему, которую ввиду ее большой важности я осмеливаюсь представить Академии. Она касается свойств всех тел и относится к испусканию и поглощению тепла и света.
Кирхгоф не скромничал, представляя свои результаты! Он продолжил свою лекцию, показав, что тела, которые испускают излучение на некоторой длине волны, способны поглощать это же излучение, и для лучей одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение способности испускать излучение (технический термин сила испускания) к способности поглощать его (поглощаемость) является одним и тем же для всех тел и не зависит от их природы и формы,
Кроме этого общего результата, который казался ему очень важным, он подчеркнул важность проведения точных экспериментальных измерений с целью проверки его предположения и выразил надежду, что при этом не возникнут особые трудности, так как все функции, не зависящие от природы тел, с которыми до сих пор имели дело, просты по структуре.
Он предложил для этих экспериментов использовать тело, названное им черным телом, которое способно поглощать все излучение, падающее на него. Для этого тела поглощательная способность равна единице, а сила испускания становится идентичной универсальной функции, которую он ввел.