Несколько лет назад удалось создать фотоэлементы, способные преобразовывать в электрический ток до 13% энергии падающего света. Элементы эти состоят из тонких пластинок, вырезанных из крупных, специально выращенных кристаллов полупроводника кремния. Квадратный метр поверхности прибора, освещенной солнцем, способен дать до 120 вт электроэнергии. В солнечный день батарея кремниевых фотоэлементов площадью в половину газетной страницы может питать, например, электромотор стандартной швейной машины.
Несмотря на трудность очистки и обработки кристаллов кремния, такие фотоэлементы уже внедряются в технику. Созданы приемники, передатчики и другие приборы, питающиеся от солнечных батарей. Выпускаются даже часы, «заводящиеся» светом, фото- и киноаппараты, которые не только сами угадывают экспозицию, но и «солнечной силой» устанавливают нужную диафрагму.
Солнечные батареи дают энергию телефонным подстанциям. Построены модели механизмов оросительных систем, «солнцемобилей» и судов, использующих энергию солнечных лучей. Представьте себе экипаж, который движется без всякого горючего лишь потому, что освещен солнцем. Правда, наземные транспортные средства такого рода едва ли получат сколько-нибудь заметное распространение.
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.
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.
В 1818 г. в Париже на одном из заседаний французской Академии наук рассматривался мемуар (так назывались доклады ученых, представляемые в академию) Френеля. В докладе Френеля была изложена теория, которая объясняла прямолинейное распространение света, исходя из предположения, что свет — это волны. Известный ученый Пуассон, присутствовавший на заседании, сразу же указал на ошибочность рассуждений Френеля. Ведь из них следовало, что если перед очень небольшим источником света поставить непрозрачный экран с весьма ровными краями, то в центре тени от экрана, в точке Б, появится светлое пятно. Это, по мнению Пуассона, противоречило здравому смыслу. Тотчас же перед членами Академии был поставлен опыт. К удивлению ученых, в центре теневого круга появилось светлое пятнышко.
Проследим за рассуждениями Френеля. В точке А, центре сферы, находится точечный источник света. Световые волны от него дойдут одновременно до каждой точки поверхности сферы S. Действие источника А можно заменить действием воображаемых источников света, находящихся на поверхности сферы S, от которых в точку В распространяются световые волны. В точке В эти волны складываются по законам интерференции волн.
Ньютон применил для анализа света призму. Метод анализа спектров усовершенствовал в прошлом столетии немецкий физик Густав Кирхгоф. Он создал первый спектроскоп. С помощью этого прибора было совершено немало выдающихся открытий. Главной деталью спектроскопа осталась призма.
Если световой луч падает на плоскую грань призмы, т. е. на границу раздела двух сред (воздуха и стекла), под углом , то какая-то часть света отразится, а другая часть войдет
в стекло и преломится в нем, т. е. изменит свое первоначальное направление. При этом все три луча — падающий А-А, отраженный Б-Б и преломленный В-В — лежат в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным на грань призмы в точку падения луча А-А. Углы и связаны зависимостью:
sin=nsin.
Преломляемость лучей света характеризуется показателем преломления п. Для лучей с разной длиной волны преломляемость разная. Этим законом определяется ход лучей в призме.
Лучи света с разной длиной волны призма спектроскопа отклоняет на разные углы. Если на призму падает луч, представляющий собою смесь желтого и зеленого монохроматических излучений, то желтая часть луча будет отклонена призмой меньше, чем синяя. При этом цвет падающего луча будет зеленым. У каждого сорта стекла свой показатель преломления для лучей с волнами определенной длины. На основании этого рассчитывается ход лучей в призме спектроскопа.
Например, у сорта стекла К-8 показатель преломления для лучей синего цвета n=1,522 (=0,486 мк), для лучей желтого цвета nD=1,516 (=0,589 мк). На рисунке 4 цветной таблицы у страницы 176 показана оптическая схема простейшего спектроскопа. Труба D называется коллиматором. Перед ее щелью А установлен источник света, спектр которого должен быть изучен. Свет пламени будет выходить из коллиматора почти параллельным пучком, или, как говорят, пучком малой расходимости. На расстоянии / от щели А расположена двояковыпуклая линза L — кусок стекла, поверхность которого образована частями сферы. В просторечии такую линзу называют увеличительным стеклом.
На рисунке 7 изображена двояковыпуклая линза. Ось А-А, перпендикулярная к поверхностям линзы и проходящая через ее центр, называется главной оптической осью.
В 60-х годах прошлого столетия английский физик Джемс Клерк Максвелл предложил теорию электромагнитных колебаний (см. ст. «Электромагнитное поле»). На основании этой теории была вычислена скорость распространения таких колебаний в пустоте. Оказалось, что скорость электромагнитных колебаний не зависит от длины их волн и равна скорости света. Максвелл предположил, что свет — также электромагнитные колебания, т. е. периодические изменения электрического и магнитного полей в пространстве. А лучи различного цвета отличаются лишь частотой колебаний магнитного и электрического полей или длиной волны этих колебаний.
Частота колебаний световых волн зависит от их длины:
=c/.
В этой формуле — частота колебаний волны, — ее длина, а с — скорость света.
Предлагаем вам самим, пользуясь этой формулой, проверить, соответствует ли в нижеприведенной таблице длина волны ее частоте у каждого из цветов видимого спектра.
Еще в средние века было известно, что луч белого света, проходя через стеклянную призму, становится цветным. Считалось, что под действием стекла свет меняет свою окраску. Белый цвет казался тогда людям самым простым. Да и в наши дни человек, незнакомый со свойствами света, думает именно так.
В 1672 г. английский ученый Исаак Ньютон опроверг это ложное представление. На пути солнечного луча, проникающего в темную комнату через малое отверстие в ставне окна, он установил стеклянную призму. Пучок света в призме «переломился», и на экране появилась цветная полоса. Эту полосу ученый назвал спектром. С помощью второй призмы Ньютону удалось из цветного спектра получить опять белый свет.
В другом опыте Ньютон поставил между отверстием в ставне и стеклянной призмой экран с узкой щелью. Перемещая щель, можно было направлять на призму различные одноцветные пучки: синие, зеленые, желтые, красные. Оказалось, что больше всего отклоняются призмой фиолетовые лучи и меньше всего — красные. Одноцветный луч не разлагается призмой на другие цвета. Такой луч называется монохроматическим, т. е. одноцветным.
Вывод из этих опытов был ясен: белый свет состоит из множества цветных лучей.
Световые лучи преломляются призмой по-разному, в зависимости от цвета (точнее, в зависимости от длины волны).
Благодаря этому и возникает спектр.
Преломляясь в дождевых каплях, белый свет разлагается на лучи разных цветов спектра. Так была объяснена Ньютоном радуга.
Еще в 1676 г. датский астроном Рёмер, наблюдая спутники Юпитера, вычислил скорость света в пустом пространстве. Расстояние от Солнца до Земли в 150 млн. км свет проходит всего за 8 минут. По современным данным его скорость равна 299 792 км/сек. В формулах эта величина всегда обозначается буквой с.
С особой тщательностью скорость света в земных условиях измерил американский физик Альберт Майкельсон. Из его опытов оказалось, что скорость света не зависит от скорости его источника.
Представим себе, что на корабле, стоящем на якоре, стреляет по цели А пушка, установленная на его носу. Скорость снаряда — vc. [Если корабль снимется с якоря и пойдет вперед со скоростью vк, скорость снаряда относительно цели А будет уже равна vс+vк. А скорость снаряда относительно цели Б из пушки, установленной на корме корабля, будет равна vС-vк . Итак, при стрельбе в направлении движения корабля его скорость прибавляется к скорости снаряда, а при стрельбе в. противоположном направлении — вычитается.
Свет этому простому правилу не подчиняется, Если вместо пушек будет установлена на корабле лампа, то свет ее вспышки дойдет до равноотстоящих от корабля пунктов А и Б одновременно, какой бы ни была скорость корабля, даже если она сравнима со скоростью света.
Астрономы с помощью мощных телескопов обнаружили так называемые двойные звезды (см. в т. 2 ДЭ ст. «Звезды и глубины Вселенной»), которые находятся от нас на расстоянии многих световых лет. На рисунке 6 схематически изображена такая звезда. Она состоит из двух звезд: звезда 1 вращается вокруг звезды 2. Предположим, что звезда 2 неподвижна относительно Земли и что орбита звезды 1 лежит в одной плоскости с Землей. Величина скорости вращения звезды 1 постоянна и равна v. Тогда в положении А к скорости света, идущего от этой звезды к Земле, прибавилась бы скорость v, а в положении Б эта скорость вычиталась бы.