В 1868 г. было солнечное затмение. Наилучшие условия для наблюдения солнечной короны были, по вычислениям астрономов, в Индии. Именно туда поехал французский астроном Жюль Жансен. Кроме обычных оптических приборов, он решил использовать для наблюдений и спектроскоп, изобретенный еще в 1859 г. С помощью спектроскопа Жансен исследовал протуберанцы — оранжево-красные языки пламени, вырывающиеся с поверхности Солнца. В них он обнаружил неизвестный на Земле элемент — «солнечное вещество». Одновременно с Жансеном тот же элемент открыл в солнечной короне и англичанин Норман Локьер.
Новый элемент был открыт на расстоянии 150 млн. км от наблюдателей! Назвали его гелием (от греческого слова «гелиос» — солнце). Лишь спустя 27 лет этот элемент был найден и на Земле. Его получил из минерала клевеита английский химик Уильям Рамзай.
Поставим перед щелью А коллиматора газовую горелку. Введем на платиновой проволочке в ее почти бесцветное пламя поваренную соль — соединение натрия с хлором (NaCl). В окуляре спектроскопа мы увидим две очень близкие друг к другу желтые линии — два изображения щели А. Эти же линии и точно на том же месте появятся, если в пламя вводить другие соединения натрия. Такое совпадение доказывает, что эти линии принадлежат именно натрию.
Поставим перед щелью разрядную ртутную лампу. В поле зрения окуляра появится множество разноцветных линий, из них две особенно яркие: зеленая (=0,546 мк) и желтая (=0,577 мк). Эти линии принадлежат ртути. Внесем в пламя горелки соль калия, пламя окрасится в фиолетовый цвет, а в спектроскопе мы увидим красную и фиолетовую линии. Светящиеся пары каждого химического элемента излучают только ему одному присущий свет, который состоит из набора монохроматических излучений. Такое монохроматическое излучение мы в дальнейшем будем называть спектральной линией. Итак, светящиеся пары каждого элемента излучают серию вполне определенных спектральных линий — линейчатый спектр.
Спектральные линии всех элементов собраны в таблицы, где указаны длины всех волн соответствующих им серий. Если в пламя горелки внести неизвестное химическое соединение, то по спектральным линиям, появившимся в поле зрения спектроскопа, мы, пользуясь таблицами, безошибочно определим химический состав этого соединения. Такой способ анализа веществ оказался очень быстрым и, главное, весьма чувствительным. Одной десятимиллиардной грамма соли калия достаточно, чтобы обнаружить его среди других элементов.
С помощью спектроскопа немецкие ученые Кирхгоф и Бунзен обнаружили в минерале карналлите красную и синюю спектральные линии. Их нельзя было приписать ни одному из изученных к тому времени элементов. Исследователи предположили, что имеют дело с какими-то еще неизвестными элементами. И действительно, Бунзену удалось выделить из карналлита новые элементы: рубидий (красная линия) и цезий (голубая линия).
Каждое тело, даже светящееся, в той или иной мере поглощает свет. Наибольшей способностью поглощения обладают тела, окрашенные в черный цвет. Почти полностью поглощает свет сажа. От поверхности, покрытой сажей, отражается только сотая доля света, упавшего на нее.
Тело, которое поглощает целиком все падающие на него лучи, называется абсолютно черным телом. Скажем сразу: в природе таких тел не бывает. Однако можно создать прибор, излучательные свойства которого очень близко подходят к абсолютно черному телу. Этот прибор представляет собой полость с отверстием. Попав в отверстие а, луч света многократно отражается от черных стенок полости и практически полностью поглотится. Отверстие а и есть абсолютно черное тело.
Но если черное тело, в том числе и абсолютно черное, не отражает падающие на него лучи, это совсем не значит, что оно вообще не излучает никаких лучей. Происходит как раз обратное: единица поверхности абсолютно черного тела излучает энергии больше, чем такая же единица поверхности любого другого тела, нагретого до такой же температуры.
Чтобы понять, как излучают энергию раскаленные тела, нужно знать, как ее излучает абсолютно черное тело.
В конце XIX века считалось твердо установленным, что нагретое твердое тело излучает непрерывные световые волны, теоретические расчеты показывали: в этом случае излучательная способность нагретого твердого тела в ультрафиолетовой части его спектра должна была бы беспредельно возрастать. Это резко противоречило опыту. Не могла классическая физика объяснить, например, и такой простой факт: почему остывающая печь не светится желтым светом? К концу прошлого века ученые стали в тупик перед явлениями, связанными с изучением нагретых твердых тел. Такое положение было образно названо «ультрафиолетовой катастрофой».
Опытную зависимость от длины волн и температуры удалось объяснить в 1900 г. немецкому физику Максу Планку. Для этого ему пришлось допустить, что свет излучается не как непрерывная волна, а отдельными порциями, которые он назвал квантами. Энергия кванта равна h, где h — постоянная Планка, величина, равная 6,62•10-27 эрг/сек, a — частота излучения. Ни одно тело не может передать другому телу энергию меньше кванта.
Гипотеза Планка положила начало квантовой механике, которая стала основой современной теоретической физики. Кстати, только очень сложная квантовая теория Планка объяснила, как излучает нагретая печь.
Линейчатый спектр состоит из серий полосок разного цвета. Физики тщательно зарегистрировали все эти серии, составили из них каталоги и, взглянув на спектр, легко находят, какому элементу он принадлежит. Но очень долго ученые не могли найти закономерности, по которым эти серии построены.
Поставим, например, перед щелью спектрографа колбу, наполненную водородом, заставим этот газ светиться. Сделать это не так уж трудно. В колбу впаяны металлические электроды, и достаточно подвести к ним электрическое напряжение, как водород засветится голубоватым цветом. Если в плоскости В-В установить при этом фотопластинку, а потом проявить ее, обнаружится ряд линий линейчатого спектра: Н, Н , Н, , H ... Волны, соответствующие этим линиям, имеют длину 0,656; 0,486; 0,434 и 0,410 мк.
Ученые искали: существует ли зависимость между этими величинами? Существует ли зависимость в системе линий линейчатого спектра любого другого химического элемента?
Швейцарский учитель Бальмер был убежден, что во всем в природе царит порядок и гармония. Поэтому он считал, что спектральные линии не могут располагаться хаотично. После долголетних поисков он в 1885 г. эмпирически нашел связь между спектральными линиями. Он вывел формулу для линий водорода.
В 1960 г. появился необычайный источник света — квантовый световой генератор. Он
может испускать лучи в миллиарды раз ярче солнечных. Назван он лазером. Это слово составлено из первых букв английского названия генератора: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский означает — усиление света с помощью вынужденного излучения.Длина волны света, генерируемого в лазерах различного типа, лежит между 0,25 мк и несколькими микронами.
Сначала были созданы лазеры, в которых основной деталью — излучающим телом — был искусственный рубин, размерами и формой напоминающий обычный карандаш. Рубин — это прозрачный, розоватый кристалл Аl2O3 с примесью Cr2O3. Чтобы понять, почему рубин может быть излучающим телом, надо разобраться в энергетических уровнях его атомов.
Задолго до того, как было установлено, что свет — это электромагнитные колебания, ученые знали, что свет обладает волновыми свойствами. Но что именно колеблется в световой волне, стало ясным только после того, как появилась теория Максвелла. Однако физикам удалось создать, по аналогии с волнами механическими и звуковыми, стройную теорию, которая позволила не только изучать волновые свойства света, но и измерить длину световой волны.
Волновое движение характеризуется длиной волны или частотой колебаний. Сложение волн называется интерференцией.
Осветим лампой накаливания экран YX через две очень узкие параллельные щели, которые расположены друг от друга на расстоянии 0,05 мм. На экране свет распределится равномерно. Освещенность экрана будет просто суммой освещенностей, даваемых каждой щелью в отдельности.
Если же через эти щели будет идти свет лазера, то на экране появятся светлые и темные полосы. Получится так называемая интерференционная картина — результат сложения гармонических колебаний. Освещенность в любой точке экрана уже не будет суммой освещенностей.
Объясняя, как излучают нагретые твердые предметы, Планку пришлось ввести в науку понятие о квантах света — фотонах.
Чтобы понять, как действуют фотоны на вещество, поставим опыт. В вакууме помещены две металлические пластины. Соединим их извне проводом с включенным в него гальванометром. На одну из пластин направим свет. В гальванометре появится ток. Его создадут электроны за счет энергии, полученной ими от фотонов. Если в цепь включить батарею Б так, чтобы освещенная пластина была положительным электродом, промежуток между электродами станет проводящим. Фотоны выбивают из положительно заряженной и освещенной пластины отрицательные заряды. С увеличением напряжения между пластинами ток начнет падать и при некотором напряжении станет равным нулю. Это происходит потому, что не у всех отрицательных зарядов, выбитых фотонами из пластины, достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение положительного электрода.
Когда напряжение на положительном электроде достигнет такой величины, что даже самый «быстрый» электрон, выбитый из него фотоном, не дойдет до отрицательного электрода, ток в цепи гальванометра прекратится.
Одна из самых крупных звезд в созвездии Ориона — Бетельгейзе. Ее диаметр —390 млн. км, т. е. больше, чем диаметр орбиты, по которой Земля движется вокруг Солнца. Солнце по сравнению с этой звездой — карлик: его диаметр в 278 раз меньше, чем диаметр Бетельгейзе. Но долгое время астрономы знали только, что Бетельгейзе — звезда первой величины. Измерить ее они не могли, так как никакие телескопы не позволяли определить угол, под которым видна эта звезда с Земли. (Угол этот называется угловым диаметром звезды.)
Измерить диаметр Бетельгейзе удалось только в 1920 г. Американские ученые физик А. Майкельсон и астроном Ф. Пиз применили для этого интерферометр — прибор, принцип действия которого основан на законах интерференции световых волн.
Чтобы понять действие интерферометра, проследим, как распространяется параллельный пучок света, пройдя через узкую щель. Разобьем щель на ряд параллельных полосок равной площади. Фазы волн, проходящих через эти полоски, одинаковы, так как лучи параллельного пучка доходят до щели одновременно. Амплитуды волн также одинаковы, потому что площади полосок равны. Линза, установленная за щелью, сводит параллельные лучи в фокальной плоскости ММ в одну точку. В этой плоскости установлен экран.Все лучи в точку В0 приходят в одной фазе, когда =0. Если угол не равен нулю, то волны от разных участков щели придут в точку B с разными фазами и могут ослабить друг друга. Так, если угол удовлетворяет условию b•sin=, то в точке B свет будет ослаблен.
Каковы бы ни были оптические устройства, все они рассчитаны на глаз человека. Это тоже оптический прибор. Его оптическую систему можно сравнить с оптической системой фотоаппарата. С помощью простейшего объектива (двояковыпуклой одиночной линзы) предмет, светящийся или отражающий лучи других источников света, может быть изображен в любой плоскости.
Объектив фотоаппарата передает изображение на фотопластинку, а оптика глаза — на глазную сетчатку, своего рода светочувствительный слой, передающий изображение в мозг. Объектив фотоаппарата, как правило, подвижен, так как изображения предметов, находящихся на разном расстоянии от аппарата, можно передать на фотопластинку, только перемещая объектив вдоль его оптической оси. Глазная линза — хрусталик — изменяет с помощью особых мышц кривизну своей поверхности. Это дает возможность хрусталику, оставаясь неподвижным относительно сетчатки, изображать на ней по-разному удаленные от глаза предметы.