История лазера. Научное издание
Шрифт:
В течение войны лучшие английские и американские ученые были вовлечены в исследования по микроволнам и радарам, и в конце войны микроволновые системы легко перешли в исследовательские институты с целью продолжения фундаментальных исследований в этой области. Поэтому в конце войны эти исследования естественным образом оказались связанными с микроволнами.
Взаимодействие микроволн СЃ веществом может привести Рє переходам между энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё молекул, лежащими близко РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°. Малая энергия соответствует энергии микроволновых фотонов. Также микроволны РјРѕРіСѓС‚ взаимодействовать СЃ магнитным моментом электрона (СЃРїРёРЅ) или атомных ядер. Р’ этих случаях магнитное поле волн воздействует РЅР° магнитный момент частицы (электрона или СЏРґСЂР°) Рё ориентируют его путем соответствующего изменения энергии. Рти явления взаимодействий между микроволнами Рё веществом составляют предмет радиоспектроскопии. Радиоспектроскопия естественным образом возникла РёР· разработок радаров Рё генераторов микроволн РІРѕ время Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹. После РІРѕР№РЅС‹ эти генераторы стали использовать РІ спектроскопических исследованиях, которые позволяли выявить малые детали молекулярных структур Рё атомных ядер. Единственным измерением, выполненным РґРѕ РІРѕР№РЅС‹ СЃ помощью микроволн, было измерение частоты инвертированного перехода РІ молекуле аммиака, лежащей РІ сантиметровом диапазоне. Как РјС‹ уже говорили, это измерение было выполнено Клитоном Рё Вильямсом РІ 1934 Рі.
РР·-Р·Р° научного интереса эти работы быстро перешли РёР· промышленных лабораторий, РіРґРµ проводились исследования, РІ университеты, РіРґРµ добывалась информация, относящаяся Рє фундаментальным проблемам физики Рё С…РёРјРёРё. Для этих исследований частотная чистота или когерентность излучения была очень важным свойством. Было необходимым иметь источники, которые испускают одиночную частоту, или, если это невозможно, то, РїРѕ крайней мере, иметь частоты РІ очень ограниченном диапазоне, которые РЅРµ подвержены сильным флуктуациям.
Для лучшего понимания взаимодействий микроволн с веществом нам следует обратиться к дальнейшему развитию спектроскопии.
ГЛАВА 8
СПЕКТРОСКОПРРЇ: РђРљРў II
После основополагающей работы Бора в 1913 г. атомы и молекулы были в центре внимания физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. В то же время возросли знания об атомных ядрах благодаря изучению радиоактивности и ядерных реакций, осуществляемых бомбардировкой ядрами водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы) более тяжелых ядер.
Если до Бора спектроскопия была, по существу, эмпирической наукой, которая мало продвигалась от составления каталогов длин волн, то новая теория атома стала руководящим принципом интерпретации экспериментальных результатов и, как часто случается, сочетание теории и эксперимента привело к объяснению самых различных наблюдаемых явлений.
Первое доказательство существования дискретных энергетических состояний атомов
Центр тяжести исследований теперь переместился в Германию. Один из наиболее значительных результатов был получен Джеймсом Франком (1882-1964) и Густавом Герцем (1887-1975) в 1913-1914 гг., как раз накануне войны.
Франк был сыном гамбургского банкира. Он получил образование в Гейдельберге и в Берлине и стал заведующим кафедрой экспериментальной физики в Геттингене, которую он оставил в 1933 г. после прихода Гитлера к власти и эмигрировал в США, где стал работать в Чикагском университете. Во время Второй мировой войны принимал участие в атомном проекте, выступая позднее против военного применения.
Густав Герц, также РёР· Гамбурга, был племянником Генриха Герца. РћРЅ был тяжело ранен РІРѕ время РІРѕР№РЅС‹, Рё РєРѕРіРґР° возвратился РІ 1917 Рі. РІ Берлин, единственной возможностью для него было бесплатное чтение лекций РІ университете. Р’ начале 1920-С… РіРі. РѕРЅ поступил РІРѕ РІРЅРѕРІСЊ созданную исследовательскую лабораторию Компании Филипс РІ Голландии. Рто была РѕРґРЅР° РёР· первых промышленных лабораторий, проводивших фундаментальные исследования. Р’ 1925 Рі. ему было предложено партнерство СЃ университетом Рі. Галле, Р° затем стал профессором экспериментальной физики РІ Берлине СЃ 1928 РїРѕ 1935 Рі. Будучи евреем, РЅРѕ был вынужден уйти РёР· университета. РЎ 1928 РїРѕ 1945 Рі. РѕРЅ работал РІ компании Сименс, пережил РІРѕР№РЅСѓ Рё был интернирован СЂСѓСЃСЃРєРёРјРё. Р’ 1955 Рі. РѕРЅ стал директором Рнститута Физики РІ Лейпциге РІ ГДР.
Рти РґРІР° физика задумали остроумный эксперимент, РІ котором, РїРѕ РёС… замыслу, можно было определить энергию ионизации атома, С‚.Рµ. величину той энергии, которую нужно сообщить атому, чтобы освободить его внешние электроны. Сущность эксперимента заключалась РІ том, чтобы возбуждать атомы ударами электронов, Р° затем, измеряя энергию, которую электроны теряют РїСЂРё столкновениях, вычислять измененную энергию. РћРЅРё обнаружили, что получаются последовательные изменения энергии, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 27, РіРґРµ РјРёРЅРёРјСѓРјС‹ тока, зарегистрированные РїСЂРё увеличении энергии электрона, соответствуют энергии, которая передается РѕС‚ электронов атомам. Бор дал правильную интерпретацию этим значениям. РћРЅРё определяют энергии ионизации, которые РІ его интерпретации соответствуют энергиям разных возможных РѕСЂР±РёС‚ электронов РІ атоме. Таким образом, энергия атома РЅРµ изменяется электроном, чья энергия недостаточна, чтобы ионизовать его, Рё орбиты электронов РІ атоме РјРѕРіСѓС‚ иметь вполне определенные значения энергии. Рксперименты Франка Рё Герца Рё РёС… интерпретация Бором убедительно продемонстрировали РЅРµ только существование стационарных состояний, которые постулировались Бором, РЅРѕ также возможность возбуждать РёС… ударами электронов, причем скачки между РЅРёРјРё подчиняются фундаментальным законам, выдвинутым Бором.
За эту работу Франк и Герц получили Нобелевскую премию по физике в 1925 г.
Р РёСЃ. 27. Результат эксперимента Франка Рё Герца СЃ парами ртути. РќР° графике показана зависимость тока РѕС‚ приложенного напряжения. РР· значений напряжений, РїСЂРё которых ток имеет РјРёРЅРёРјСѓРјС‹, можно определить энергии возбуждения электронов РІ атоме
Дальнейшее развитие теории Бора
Несмотря на эти результаты и заявленную цель работы Бора 1913 г. разработать общую теорию строения атома, эта теория давала строгое и адекватное объяснение только для атомов водорода и водородно-подобных атомов. Все попытки распространить ее на системы с более чем одним электроном были безуспешными. Даже спектр нейтрального гелия, который, как мы говорили, состоит из ядра, вокруг которого вращаются два электрона, не удавалось объяснить.