Áèáëèîòåêà
Òåîëîãèÿ
Êîíôåññèè
Èíîñòðàííûå ÿçûêè
Äðóãèå ïðîåêòû
|
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå
Äóáíèùåâà Ò. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ó÷åáíîå ïîñîáèå
Ãëàâà 5 ÊÎÍÖÅÏÖÈÈ ÑÒÐÎÅÍÈß È ÊÎÐÏÓÑÊÓËßÐÍÎ-ÂÎËÍÎÂÎÉ ÄÓÀËÈÇÌ ÌÀÒÅÐÈÈ
5.1. Îãðàíè÷åííîñòü çàêîíîâ êëàññè÷åñêîé îïòèêè. Èçìåðåíèå ñêîðîñòè ñâåòà
Îïòèêà — ýòî ó÷åíèå î ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèÿõ, ñâÿçàííûõ ñ ðàñïðîñòðàíåíèåì ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí. Äëèíà ÷àñòîòà è ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ ëþáîé âîëíû â ëþáîé ñðåäå ñâÿçàíû ñîîòíîøåíèåì â ïóñòîòå
Ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèÿìè Ìàêñâåëëà. Ìíîãèå ÿâëåíèÿ — äèôðàêöèÿ, èíòåðôåðåíöèÿ, ïîëÿðèçàöèÿ — ìîæíî ïîíÿòü (ñì. ãë. 3) òîëüêî íà îñíîâå ïðåäñòàâëåíèé î ïîïåðå÷íûõ âîëíàõ íåçàâèñèìî îò èõ ýëåêòðîìàãíèòíîé ïðèðîäû. Èõ îòíîñÿò êâîëíîâîé îïòèêå. ×àñòü ÿâëåíèé ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà ìîæåò áûòü îáúÿñíåíà çàêîíàìè îòðàæåíèÿ è ïðåëîìëåíèÿ ñâåòà íà ãðàíèöå ñðåä. Îíè — ïðåäìåò ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè. Êâàíòîâàÿ ïðèðîäà ñâåòà ïðîÿâëÿåòñÿ òåì ðåç÷å, ÷åì ìåíüøå äëèíà åãî âîëíû. Òàêîâ ðÿä äåéñòâèé ñâåòà — ëþìèíåñöåíöèÿ, äàâëåíèå ñâåòà, ôîòîõèìè÷åñêèå ðåàêöèè è äð. Ñâåò — ýòî ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå (ñì. ðèñ. 2.7, â), êîòîðîå èñòîðè÷åñêè ðàññìàòðèâàëè â íàãëÿäíûõ ìîäåëÿõ èëè êàê âîëíó, èëè êàê ïîòîê ÷àñòèö.
Îñíîâíóþ èíôîðìàöèþ î âíåøíåì ìèðå ÷åëîâåê ïîëó÷àåò ÷åðåç çðåíèå. Ñâåò Ñîëíöà — èñòî÷íèê æèçíè íà Çåìëå. Âèäèìàÿ ÷àñòü ñîëíå÷íîãî èçëó÷åíèÿ çàíèìàåò ó÷àñòîê ñïåêòðà (0,38... 0,77) • 10-8 ì (îò ôèîëåòîâîãî äî êðàñíîãî). Îïòè÷åñêèé äèàïàçîí — ýòî èíôðàêðàñíûå, âèäèìûå è óëüòðàôèîëåòîâûå ëó÷è, íî ãðàíèöû äèàïàçîíîâ íå÷åòêèå. Ñâåò ïåðåñåêàåò îãðîìíûå ïðîñòðàíñòâà, äîñòàâëÿÿ íàì ñâåäåíèÿ î Ñîëíöå è çâåçäàõ, è ýòèì îí îòëè÷àåòñÿ îò çâóêà, êîòîðîìó îáÿçàòåëüíî íóæíà ñðåäà îò èñòî÷íèêà äî íàøåãî óõà, ÷òîáû áûòü «óñëûøàííûì». Òåíü íå îòñòàåò îò íàñ ïðè õîäüáå, ò.å. ñêîðîñòü ñâåòà ìíîãî áîëüøå ñêîðîñòè íàøåãî ïåðåäâèæåíèÿ. Åñëè ìûñëåííî ñîåäèíèòü âñå òî÷êè òåíè ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè òî÷êàìè ïðåäìåòà, òî, ïðîäîëæåííûå â ïðîñòðàíñòâå, îíè ñîéäóòñÿ â òî÷êå ðàñïîëîæåíèÿ èñòî÷íèêà ñâåòà, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î åãî ïðÿìîëèíåéíîì ðàñïðîñòðàíåíèè.
Çàêîí ïðÿìîëèíåéíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà â îäíîðîäíîé ñðåäå îáùåïðèíÿò, íî äîêàçàòü åãî äîñòàòî÷íî òðóäíî. Åâêëèä ïîñòðîèë ãåîìåòðè÷åñêóþ îïòèêó ïî àíàëîãèè ñ ãåîìåòðèåé, ñ÷èòàÿ, ÷òî ÷åëîâåê âèäèò ïðåäìåòû ïðè ïîìîùè «çðèòåëüíûõ ëó÷åé», èñõîäÿùèõ èç ãëàç.
169
Çàêîí îòðàæåíèÿ îò ïëîñêèõ, âîãíóòûõ è âûïóêëûõ çåðêàë, ñôîðìóëèðîâàííûé Åâêëèäîì, — ýòî ðàâåíñòâî óãëà îòðàæåíèÿ óãëó ïàäåíèÿ. Ëåãåíäà î òîì, ÷òî Àðõèìåä ñæåã ôëîò ïðîòèâíèêà ñ ïîìîùüþ âîãíóòûõ çåðêàë, îòðàæàåò çíàíèå ãðåêàìè â III â. äî í. ý. ñâîéñòâà âîãíóòûõ çåðêàë äàâàòü ñõîäÿùèåñÿ ïó÷êè ñâåòà (òîãäà êàê âûïóêëûå çåðêàëà äàþò òîëüêî ðàñõîäÿùèéñÿ ïó÷îê ëó÷åé). Ó Åâêëèäà â åãî «Êàòîïòðèêå» ãîâîðèòñÿ: «Ñ ïîìîùüþ âîãíóòûõ çåðêàë ìîæíî çàæå÷ü êîñòåð».
Çàêîí ïðåëîìëåíèÿ ñâåòà òîæå áûë èçâåñòåí â äðåâíîñòè. Òàê, â êîìåäèè Àðèñòîôàíà íåêòî ñîâåòóåò äîëæíèêó ðàñïëàâèòü âîñêîâóþ äîëãîâóþ òàáëè÷êó ñ ïîìîùüþ çàæèãàòåëüíîãî ñòåêëà, äà è Àðèñòîòåëü ðàññóæäàë î êàæóùåìñÿ ïðåëîìëåíèè ïàëêè, ÷àñòè÷íî îïóùåííîé â âîäó.
Âåëèêèé àñòðîíîì Ïòîëåìåé èíòåðåñîâàëñÿ íå òîëüêî ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêîé, íî è ïðîöåññàìè, ëåæàùèìè â îñíîâå çðåíèÿ, è ñâÿçàííûìè ñ íèìè îïòè÷åñêèìè èëëþçèÿìè. Îí îïèñàë ïðèáîð äëÿ èçó÷åíèÿ ïðåëîìëåíèÿ: îïóñòèòü â âîäó ðàçãðàôëåííûé íà 360° äèñê, ê öåíòðó êîòîðîãî ïðèêðåïëåíû äâå ëèíåéêè. Êîãäà äèñê îïóùåí íàïîëîâèíó â âîäó, ëèíåéêè óñòàíîâèòü òàê, ÷òîáû ïðè âçãëÿäå âäîëü âåðõíåé êàçàëîñü, ÷òî îíè îáðàçóþò ïðÿìóþ. Ïòîëåìåé â ïðåëîìëåíèè âèäåë ïðè÷èíó òîãî, ÷òî îêîëîïîëþñíûå çâåçäû îïèñûâàþò íå ïðàâèëüíûå, à ñëåãêà ñïëþùåííûå îêîëî ïîëþñà êðóãè. Ïîëîæåíèå çâåçä èç-çà ðåôðàêöèè íàì êàæåòñÿ âûøå èñòèííîãî, òàê ÷òî íà ãîðèçîíòå áûâàþò âèäíû çâåçäû, êîòîðûå èëè åùå íå âçîøëè, èëè óæå óøëè. Àðàáñêèé ó÷åíûé Àëüõàçåí íàðèñîâàë õîä ëó÷åé â ãëàçó, íî íå ðèñêíóë äîâåñòè èçîáðàæåíèå äî ñåò÷àòêè, òàê êàê îíî ïåðåâîðà÷èâàëîñü, íî «íèêòî íå âèäèò ìèð ïåðåâåðíóòûì»! Îí ïèñàë: «Çðèòåëüíûé îáðàç ïîëó÷àåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïèðàìèäû, âåðøèíà êîòîðîé íàõîäèòñÿ â ãëàçó, à îñíîâàíèå — íà âèäèìîì òåëå». Àëüõàçåí óñîâåðøåíñòâîâàë ïðèáîð Ïòîëåìåÿ, íà÷àë ñòàâèòü îïûòû ïî ïàäåíèþ òåë è ðàçëàãàòü ñêîðîñòü íà äâå ñîñòàâëÿþùèå, ïîñëå ÷åãî çàêëþ÷èë, ÷òî ïðè ïåðåõîäå ñâåòà èç ìåíåå ïëîòíîãî òåëà â áîëåå ïëîòíîå óìåíüøàåòñÿ òîëüêî íîðìàëüíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ åãî ñêîðîñòè (X â.).  XVII â. Êåïëåð îñâîáîäèë çàêîí ïðåëîìëåíèÿ îò ôèçèîëîãè÷åñêèõ íàñëîåíèé, ââåë ïîíÿòèå ôîêóñà çåðêàë è ïðîäîëæèë õîä ëó÷à ñâåòà äî ñåò÷àòêè. Îí ïîñòðîèë ïðîñòóþ è ÿñíóþ òåîðèþ êàìåðû îáñêóðû (ðèñ. 5.1). Òàê ïðîèçîøåë ïåðåõîä îò ôèçèîëîãè÷åñêîé îïòèêè ê ñîâðåìåííîé ãåîìåòðè÷åñêîé.
Çàêîí ïðåëîìëåíèÿ áûë îòêðûò ýêñïåðèìåíòàëüíî Â.Ñíåëëèóñîì (1620). Îáñóæäàÿ åãî, Äåêàðò èñïîëüçîâàë àíàëîãèþ Àëüõàçåíà ñ ìÿ÷îì, áðîøåííûì íà ñëàáóþ ñåòêó, è óæå ðàñêëàäûâàë ñêîðîñòè íà ñîñòàâëÿþùèå. Îí çàïèñàë (1637) çàêîí: îòíîøåíèå ñèíóñà óãëà ïàäåíèÿ ê ñèíóñó óãëà ïðåëîìëåíèÿ åñòü âåëè÷èíà ïîñòîÿííàÿ. Íüþòîíîâû êîðïóñêóëû ñâåòà îáúÿñíÿëè è îòðàæåíèå, è ïðåëîìëåíèå, êàæäîå â îòäåëüíîñòè, íî íå ìîãëè îáúÿñíèòü èõ îäíîâðåìåííîå âîçíèêíîâåíèå ïðè ïàäåíèè ëó÷à íà ïîâåðõíîñòü: âåäü äëÿ ïîëó÷åíèÿ çåðêàëüíîãî îòðàæåíèÿ ïîâåðõíîñòü äîëæíà òîëêàòü ÷àñòèöû â îäíîì íàïðàâëåíèè, à äëÿ ïðåëîìëåíèÿ — â ïðîòèâîïîëîæíîì! Êàêèå æå ïðè÷èíû «çàñòàâëÿþò» ïîâåðõíîñòü òîëêàòü ÷àñòèöû â òîì èëè èíîì íàïðàâëåíèè? Íüþòîí äëÿ îáúÿñíåíèÿ ñâåòî-
170
âûõ ÿâëåíèé âûíóæäåí áûë ââîäèòü ïåðèîäè÷åñêè ìåíÿþùèåñÿ ñâîéñòâà êîðïóñêóë. Ïîêàçàòåëüíî, ÷òî áîëüøóþ ÷àñòü ñâîåé «Îïòèêè» îí íàïèñàë â âèäå âîïðîñîâ. Íüþòîí íå ïðèíèìàë âîëíîâûõ ïðåäñòàâëåíèé, íå ïîíèìàë, êàê ìîæíî îáúÿñíèòü ïðÿìîëèíåéíîå ðàñïðîñòðàíåíèå âîëíû, è òî, ÷òî ñêîðîñòü ñâåòà â ïðåëîìëÿþùåé ñðåäå äîëæíà áûòü ìåíüøå, ÷åì â ïóñòîòå.
Èç ïðèíöèïà íàèìåíüøåãî âðåìåíè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà âûâåë ñâîé çàêîí ïðåëîìëåíèÿ ôðàíöóçñêèé ìàòåìàòèê Ï. Ôåðìà. Åñëè ñêîðîñòü ñâåòà áåñêîíå÷íà, òî ýêñòðåìàëüíûì äîëæåí áûòü ïóòü ëó÷à. Ïðè îòêàçå îò áåñêîíå÷íîñòè ñêîðîñòè ìîæíî ãîâîðèòü î ïðèíöèïå íàèìåíüøåãî âðåìåíè, ñ÷èòàÿ ñêîðîñòè ñâåòà â ðàçíûõ ñðåäàõ ðàçëè÷íûìè, íî ïîñòîÿííûìè äëÿ êàæäîé ñðåäû. Ýòîò çàêîí ìíîãèå íå ïðèíÿëè, òàê êàê âûõîäèëî, ÷òî ñâåò íàäåëÿåòñÿ «ñâîáîäîé âîëè» â âûáîðå ñâîåãî ïóòè â ñðåäå.
Çàêîíû ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè ñôîðìóëèðîâàë Äåêàðò — çàêîí ïðÿìîëèíåéíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà, ïðîõîæäåíèå ñâåòà ÷åðåç ïðîçðà÷íûå òåëà, îòðàæåíèå è ðàññåÿíèå.
Çàêîí ïðÿìîëèíåéíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà áûë èçâåñòåí äàâíî, íî ñâåò ìîæåò è îáîãíóòü íåáîëüøîå ïðåïÿòñòâèå. Ýòî ÿâëåíèå, âûõîäÿùåå çà ðàìêè ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè, ïåðâûì èçó÷èë èòàëüÿíñêèé ôèçèê è àñòðîíîì Ô. Ãðèìàëüäè è íàçâàë äèôðàêöèåé (1665).  êíèãå Ð.Ãóêà «Ìèêðîãðàôèÿ» îïèñàíû öâåòà òîíêèõ ïëåíîê è îáúÿñíåíû ñ òî÷êè çðåíèÿ âîëíîâîé ïðèðîäû ñâåòà.
Äëÿ Ãóêà ñâåò — áûñòðîå êîëåáàòåëüíîå äâèæåíèå, ïðè÷åì îí «ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñ îäèíàêîâîé ñêîðîñòüþ â îäíîðîäíîé ñðåäå, îòêóäà íåîáõîäèìî, ÷òîáû êàæäûé èìïóëüñ èëè êîëåáàíèå ñâåòÿùåãîñÿ òåëà âîçáóæäàëè ñôåðó, êîòîðàÿ íåïðåðûâíî óâåëè÷èâàëàñü áû òàê æå, õîòÿ áû è íàìíîãî áûñòðåå, êàê âîëíû èëè êðóãè íà ïîâåðõíîñòè âîäû ðàñõîäÿòñÿ âîêðóã óïàâøåãî êàìíÿ. Èç ýòîãî ñëåäóåò, ÷òî ÷àñòè ýòèõ ñôåð âîëíîîáðàçíî ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ ÷åðåç îäíîðîäíóþ ñôåðó, ïåðåñåêàÿ ëó÷è ïîä ïðÿìûìè óãëàìè». Ïðè ïðåëîìëåíèè ìîãóò ïðîèñõîäèòü èçìåíåíèÿ, à öâåò îïðåäåëÿåòñÿ óãëîì ïàäåíèÿ ëó÷à è ñâÿçàí ñ âîñïðèÿòèåì íà ñåò÷àòêå ãëàçà. Ïî âûðàæåíèþ Ã. Þíãà, àâòîðà ïðèíöèïà èíòåðôåðåíöèè, â îáúÿñíåíèÿõ Ãóêîì öâåòîâ òîíêèõ ïëåíîê ìîæíî íàéòè çà÷àòêè èíòåð-
171
ôåðåíöèîííûõ ïîëîñ. X. Ãþéãåíñ èç àíàëîãèè ñâåòà ñî çâóêîì ðàññìàòðèâàë ñâåò êàê ðàñïðîñòðàíÿþùèåñÿ â ýôèðå óïðóãèå èìïóëüñû — âîçìóùåíèÿ. Îí ïîä÷åðêèâàë: «Íå íóæíî ïðåäñòàâëÿòü ñåáå, ÷òî ýòè âîëíû ñëåäóþò äðóã çà äðóãîì íà îäèíàêîâûõ ðàññòîÿíèÿõ».
Ïðèíöèï Ãþéãåíñà ïîçâîëÿë òåîðåòè÷åñêè îïðåäåëèòü è íàïðàâëåíèå ñâåòîâîãî ëó÷à: «Ëþáàÿ òî÷êà, äî êîòîðîé äîøëî âîëíîâîå âîçáóæäåíèå, ÿâëÿåòñÿ öåíòðîì âòîðè÷íûõ ýëåìåíòàðíûõ ñôåðè÷åñêèõ âîëí. Ïîâåðõíîñòü, îãèáàþùàÿ âòîðè÷íûå âîëíû, åñëè âî âñåõ åå òî÷êàõ ôàçà âîçáóæäåíèÿ îäíà è òà æå, åñòü ôðîíò âîëíû» (ñì. ðèñ. 3.5). Ïðè ýòîì «îáðàòíûå» ýëåìåíòàðíûå âîëíû, íàïðàâëåííûå ê èñòî÷íèêó, íå ïðèíèìàþòñÿ âî âíèìàíèå êàê íå èìåþùèå ôèçè÷åñêîãî ñìûñëà. Ãþéãåíñ îáúÿñíèë âñå èçâåñòíûå òîãäà ÿâëåíèÿ îïòèêè.  äàëüíåéøåì ýòîò ïðèíöèï áûë äîïîëíåí Ôðåíåëåì (ïðèíöèï Ãþéãåíñà—Ôðåíåëÿ). Âîëíîâàÿ òåîðèÿ Ãþéãåíñà íå ïîëó÷àëà ïîääåðæêè åùå ïî÷òè ñòî ëåò (òîëüêî Ì. Â.Ëîìîíîñîâ è Ýéëåð ðàçâèâàëè èäåè Ãþéãåíñà). Àâòîðèòåò Íüþòîíà áûë ñòîëü âåëèê, ÷òî åãî ïîñëåäîâàòåëè íå îáðàùàëè âíèìàíèÿ íà ïîñòàâëåííûå èì ñàìèì âîïðîñû, âûõîëàùèâàÿ ñîäåðæàíèå åãî ðàáîò è íå çàìå÷àÿ èíûõ îáúÿñíåíèé. Ëèøü â XIX â. âîëíîâàÿ òåîðèÿ ïîëó÷èëà âñåîáùåå ïðèçíàíèå. Ê òîìó âðåìåíè íà åå îñíîâå áûëè îáúÿñíåíû ÿâëåíèÿ èíòåðôåðåíöèè (Ò. Þíã, 1801), ïîëÿðèçàöèè è äèôðàêöèè (Î.Ôðåíåëü, 1818), ïðåäñêàçàí òîíêèé ýôôåêò êîíè÷åñêîé ðåôðàêöèè (Ó.Ãàìèëüòîí, 1832), îáíàðóæåíî, ÷òî ñêîðîñòü ñâåòà â âîäå ìåíüøå, ÷åì â âîçäóõå, ÷òî ïðîòèâîðå÷èëî êîðïóñêóëÿðíîé òåîðèè (Ë.Ôóêî, 1852).
ßâëåíèÿ äèôðàêöèè è èíòåðôåðåíöèè íàøëè ìíîãî÷èñëåííûå ïðèìåíåíèÿ â ïðèêëàäíîé îïòèêå. Äèôðàêöèÿ ñâåòà íà êðàÿõ ëèíç, îïðàâ è äèàôðàãì îãðàíè÷èâàåò âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ òî÷å÷íûõ èçîáðàæåíèé. Ðàçðàáîòàíî ìíîãî ðàçíûõ óñîâåðøåíñòâîâàíèé äëÿ óâåëè÷åíèÿ ðàçðåøàþùåé ñèëû îïòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ. Äèôðàêöèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû íà íåïðàâèëüíîé ïëîñêîé èëè òðåõìåðíîé ñòðóêòóðå âåäåò ê îòêëîíåíèþ ÷àñòè ïîòîêà ýíåðãèè îò ïåðâîíà÷àëüíîãî íàïðàâëåíèÿ èëè ê ÿâëåíèþ ðàññåÿíèÿ ñâåòà. Ïðè ýòîì èíòåðôåðåíöèè òàêèõ îòêëîíèâøèõñÿ ïó÷êîâ íå ïðîèñõîäèò, à ýôôåêò ðàññåÿíèÿ îêàçûâàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíûì êîíöåíòðàöèè ðàññåèâàþùèõ ÷àñòèö. Íàèáîëüøèé ýôôåêò ïðîèñõîäèò â ìóòíûõ ñðåäàõ (òóìàí, äûì, âçâåñü íåðàñòâîðèìûõ æèäêîñòåé), êîòîðûå äåòàëüíî íà îïûòå èññëåäîâàë àíãëèéñêèé ôèçèê Äæ.Òèíäàëü, à òåîðèþ ðàññåÿíèÿ ïîñòðîèë Äæ. Ðýëåé.
Àíãëèéñêèé ôèçèê Ä. Ãàáîð ñôîðìóëèðîâàë èäåþ íîâîãî ìåòîäà ôèêñèðîâàíèÿ è ïîñëåäóþùåãî âîññòàíîâëåíèÿ âîëíîâîãî ôðîíòà, êîòîðûé ïîëó÷àåòñÿ ïðè ðàññåÿíèè ñâåòîâîé âîëíû (1948). Èäåÿ Ãàáîðà — èñïîëüçîâàòü ôîòîïëàñòèíêè äëÿ ðåãèñòðàöèè ôàçû âîëíû (ðèñ. 5.2, à). Ïîòîì ïîÿâèëèñü êîíêðåòíûå ñõåìû íàáëþäåíèÿ, ïðåäëîæåííûå Þ.Í.Äåíèñþêîì (1962) (ðèñ. 5.2, á), à òàêæå
172
Ëåéòîì è Óïàòíèåêñîì (1963). Ñ ñîçäàíèåì ëàçåðîâ — ìîùíûõ èñòî÷íèêîâ êîãåðåíòíîãî èçëó÷åíèÿ — ýòè ìåòîäû èíòåíñèâíî ðàçâèâàëèñü è ïîëó÷èëè íàçâàíèå ãîëîãðàôè÷åñêèõ (îò ãðå÷. holos— âåñü, ïîëíûé), ò.å. äàþùèå ïîëíóþ èíôîðìàöèåþ. Îáúåêò îñâåùàþò ïó÷êîì ñâåòà îò ëàçåðà, ïðåäâàðèòåëüíî óøèðåííûì ïðîñòûì îïòè÷åñêèì óñòðîéñòâîì. Ðàññåÿííàÿ âîëíà è èñõîäíàÿ (îïîðíàÿ), îòðàæåííàÿ îò çåðêàëà, ïîïàäàþò íà ôîòîïëàñòèíêó, ðåãèñòðèðóþùóþ èíòåðôåðåíöèîííóþ êàðòèíó. Ýòà ïëàñòèíêà ñîäåðæèò âñþ èíôîðìàöèþ îá îáúåêòå, ïðè åå ðàññìîòðåíèè âèäíà ìèêðîñòðóêòóðà èíòåðôåðåíöèè äâóõ âîëí. Îñâåùàÿ ãîëîãðàììó ñâåòîì òîãî æå ëàçåðà, ìîæíî èçó÷àòü âîññòàíîâëåííîå èçîáðàæåíèå, êîòîðîå ñîõðàíÿåò òî æå ðàñïðåäåëåíèå îñâåùåííîñòè, êàê è ó îáúåêòà. Ïðè ýòîì êàæäûé ó÷àñòîê ãîëîãðàììû ñïîñîáåí âîññòàíîâèòü èçîáðàæåíèå âñåãî îáúåêòà, íî êà÷åñòâî èçîáðàæåíèÿ ïðè óìåíüøåíèè ïëîùàäè ãîëîãðàììû ñíèæàåòñÿ. Êà÷åñòâåííûå ãîëîãðàììû òðåáóþò èñïîëüçîâàíèÿ ôîòîìàòåðèàëîâ ñ áîëüøèì ðàçðåøåíèåì, ÷åì îáû÷íûå.
Ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí — îäíà èç ôóíäàìåíòàëüíûõ êîíñòàíò. Îíà ïðèîáðåëà îñîáóþ ðîëü, êîãäà ðàñøèôðîâàëè ñìûñë êîíñòàíòû ñ â óðàâíåíèÿõ Ìàêñâåëëà è â ÑÒÎ. Ñâåò îáëàäàåò óäèâèòåëüíûì ñâîéñòâîì: åãî
173
ñêîðîñòü íå çàâèñèò îò ñêîðîñòè äâèæåíèÿ èñòî÷íèêà. Ýòî áûëî óñòàíîâëåíî îïûòàìè À. Ìàéêåëüñîíà è ñòàëî îñíîâíûì ïðèíöèïîì ÑÒÎ.
Äðåâíèå ñ÷èòàëè ýòó ñêîðîñòü áåñêîíå÷íî áîëüøîé. Ïðåäïîëîæåíèå î êîíå÷íîñòè âåëè÷èíû ñêîðîñòè ñâåòà âñòðå÷àåòñÿ ó Àëüõàçåíà. Ãàëèëåé ïåðâûì ïîñòàâèë âîïðîñ îá îïðåäåëåíèè ñêîðîñòè ñâåòà â ñâîåé êíèãå «Áåñåäû...» (1638). Ïî ïðåäëîæåíèþ åãî ãåðîÿ Ñàëüâèàòè, äâà ÷åëîâåêà ñ ôîíàðÿìè âñòàâàëè íà îïðåäåëåííîì ðàññòîÿíèè äðóã îò äðóãà è äîãîâàðèâàëèñü, ÷òî ïåðâûé îòêðûâàåò ôîíàðü, êàê òîëüêî óâèäèò îòêðûòûì ôîíàðü äðóãîãî. Ñèãíàë âòîðîãî âåðíåòñÿ ê íåìó ÷åðåç óäâîåííîå âðåìÿ. Âîçìîæíîñòè òàê èçìåðèòü ñêîðîñòü ñâåòà áûëè ïî÷òè íóëåâûå, è ðàñïðîñòðàíèëîñü ìíåíèå, ÷òî îíà áåñêîíå÷íà. Òàê ñ÷èòàëè Êåïëåð è Äåêàðò, õîòÿ Äåêàðò îáñóæäàë âîçìîæíîñòü ïðîâåðêè ýòîãî âûâîäà. Ôèçî ïðîâåë ñâîé îïûò, çàìåíèâ îäíîãî èç íàáëþäàòåëåé çåðêàëîì, è îïðåäåëèë çíà÷åíèå ñêîðîñòè ñâåòà.
Àñòðîíîì Æàí Äîìèíèê Êàññèíè, ïðèãëàøåííûé â Ïàðèæñêóþ îáñåðâàòîðèþ Ëþäîâèêîì XIV, èçó÷àÿ äâèæåíèÿ ñïóòíèêîâ Þïèòåðà (1672), îòìåòèë íåêîòîðîå çàïàçäûâàíèå â ìîìåíòàõ âõîæäåíèÿ ñïóòíèêà Èî â êîíóñ òåíè ïëàíåòû è âûõîäà èç íåå. Êàçàëîñü, áóäòî âðåìÿ îáðàùåíèÿ ñïóòíèêà áûëî áîëüøå, êîãäà Þïèòåð íàõîäèëñÿ äàëüøå îò Çåìëè. Äàòñêèé ó÷åíûé Îëå Ðåìåð îáúÿñíèë ýòî çàïàçäûâàíèå êîíå÷íîñòüþ ñêîðîñòè ñâåòà.
Èî âðàùàåòñÿ âîêðóã Þïèòåðà ñ ïîñòîÿííûì ïåðèîäîì ïî÷òè â 7 ñóò, èñïûòûâàÿ îäíî çàòìåíèå çà îäèí îáîðîò. Ðåìåð óñòàíîâèë, ÷òî çàòìåíèÿ ïðîèñõîäÿò íà 11 ìèí ðàíüøå ñðîêà, åñëè Çåìëÿ íàõîäèòñÿ íà êðàò÷àéøåì ðàññòîÿíèè îò Þïèòåðà, è îïàçäûâàþò íà 11 ìèí ïðè íàèáîëüøåì óäàëåíèè. Îòìåòèâ ìîìåíò âõîæäåíèÿ ñïóòíèêà â òåíü Þïèòåðà ïðè ìèíèìàëüíîì ðàññòîÿíèè Þïèòåðà îò Çåìëè, ìîæíî âû÷èñëèòü ìîìåíò, ñîîòâåòñòâóþùèé åãî âõîæäåíèþ â òåíü ïðèìåðíî ÷åðåç ïîëãîäà, êîãäà Çåìëÿ è Þïèòåð áóäóò íàõîäèòüñÿ íà áîëüøåì ðàññòîÿíèè äðóã îò äðóãà. Çíà÷èò, çàïàçäûâàíèå âûçâàíî êîíå÷íîñòüþ ñêîðîñòè ñâåòà, ïîñêîëüêó ñâåò äîëæåí ïðîéòè äîïîëíèòåëüíûé ïóòü (ðèñ. 5.3). Îñåíüþ 1676 ã. Ðåìåð ïðåäñêàçàë çàïàçäûâàíèå âõîæäåíèÿ ñïóòíèêà â òåíü íà 22 ìèí (òî÷íåå — íà 16 ìèí 36 ñ; ðàñõîæäåíèå ñâÿçàíî ñ íåòî÷íî îïðåäåëåííûìè â òî âðåìÿ ðàçìåðàìè çåìíîé îðáèòû). Ïîñëåäîâàòåëè Äåêàðòà íå ïîâåðèëè ðåçóëüòàòó Ðåìåðà, ïðîäîëæàÿ ñ÷èòàòü ñêîðîñòü ñâåòà áåñêîíå÷íîé, ëèøü Êàññèíè è Ãàëëåé ïîääåðæàëè åãî.
Âûâîä Ðåìåðà áûë ïîäòâåðæäåí Äæ. Áðåäëååì, èññëåäîâàòåëåì ïàðàëëàêñà çâåçä. Îí îáíàðóæèë â 1725 ã., ÷òî â ñâîåé êóëüìèíàöèè çâåçäû îòêëîíÿþòñÿ ê þãó îò îæèäàåìîé òî÷êè, è îáúÿñíèë ýòî ÿâëåíèå òåì, ÷òî ñêîðîñòü ñâåòà ñêëàäûâàåòñÿ ñ îðáèòàëüíîé ñêîðîñòüþ Çåìëè. È êîíå÷íîñòü ñêîðîñòè ñâåòà â ïóñòîòå áûëà ïðèçíàíà êàê ôàêò. Îïðåäåëåíèå ñêîðîñòè ñâåòà è ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå ñâÿçàíû ñ åãî ïðÿìîëèíåéíûì ðàñïðîñòðàíåíèåì.
Íî êàêîâà ñêîðîñòü ñâåòà â ïðåëîìëÿþùåé ñðå-ä å? Çàêîí ïðåëîìëåíèÿ èìååò âèä ãäå — óãëû
ïàäåíèÿ è ïðåëîìëåíèÿ. Ïî êîðïóñêóëÿðíîé òåîðèè ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ äîëæåí âûðàæàòüñÿ òàê: — ñêîðîñòü
174
ñâåòà â ïåðâîé ñðåäå, â êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ óãîë ïàäåíèÿ, à — âî âòîðîé, â êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ óãîë ïðåëîìëåíèÿ, ïî âîëíîâîé òåîðèè — îáðàòíîå îòíîøåíèå ñêîðîñòåé â ôîðìóëå äëÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû:
Ä.Àðàãî èññëåäîâàë ïðåëîìëåíèå ñâåòà, èäóùåãî îò çâåçä è îò çåìíîãî èñòî÷íèêà, â ïðèçìå, ïîêîÿùåéñÿ îòíîñèòåëüíî Çåìëè, â ïðåäåëàõ òî÷íîñòè îïûòà äâèæåíèå Çåìëè íå îêàçûâàëî âëèÿíèÿ íà ïðåëîìëåíèå ñâåòà. Ôðåíåëü îáúÿñíèë ýòî òåì, ÷òî ÷àñòü ýôèðà, ïðîíèçûâàþùåãî òåëà, óâëåêàåòñÿ ïðè äâèæåíèè Çåìëè. Òàêîå îáúÿñíåíèå íå âñåõ óäîâëåòâîðèëî, è áûëè ïðåäïðèíÿòû íîâûå ýêñïåðèìåíòû. Ïåðâûå îïûòû èçìåðåíèÿ ñêîðîñòè ñâåòà íà óæå èçâåñòíîì ðàññòîÿíèè íà Çåìëå áûëè ïðîâåäåíû Ôèçî ñ èñïîëüçîâàíèåì ñòðîáîñêîïà (1849). Èõ âûñîêî îöåíèëè íà Ìåæäóíàðîäíîì ôèçè÷åñêîì êîíãðåññå (1900) â Ïàðèæå: «Ýòî — ïåðâîñòåïåííîå îòêðûòèå íå òîëüêî ïî òðóäíîñòè ðåøåííîé çàäà÷è, íî òàêæå áëàãîäàðÿ îñóùåñòâëåíèþ îïòè÷åñêîé óñòàíîâêè, èçóìèòåëüíîé ïî òîíêîñòè è òî÷íîñòè... Ñîçäàòü ñâåòÿùóþñÿ ïî÷òè ìèêðîñêîïè÷åñêóþ òî÷êó ìåæäó çóáöàìè êîëåñà, íàïðàâèòü âûõîäÿùèé èç íåå ðàñõîäÿùèéñÿ ïó÷îê íà íåñêîëüêî äåñÿòêîâ êèëîìåòðîâ, çàñòàâèòü åãî òàì îòðàçèòüñÿ îò çåðêàëà è âåðíóòü ê èñõîäíîé òî÷êå — ýòî ðåçóëüòàò, êîòîðûé áûë áû ïðèçíàí íåâîçìîæíûì, âåðîÿòíî, äàæå àáñóðäíûì, åñëè áû îí áûë ïðåäëîæåí äî ñâîåé ðåàëèçàöèè».
Æ.Ôóêî ïðîâåë èçìåðåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì âðàùàþùåãîñÿ çåðêàëà. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ íóæíîãî ÷èñëà îáîðîòîâ îí âïåðâûå ïðèìåíèë ìèíèàòþðíóþ ïàðîâóþ òóðáèíó, ñêîíñòðóèðîâàííóþ ïî ïðèíöèïó ñèðåíû.  1862 ã. Ôóêî èçìåðèë ñêîðîñòü ñâåòà â âîäå è ïîëó÷èë ðåçóëüòàò îêîëî 2,23 • 108 ì/ñ (ïðèìåðíî 3/4 ñ â âîçäóõå). Ìàéêåëüñîí ïîâûñèë òî÷íîñòü èçìåðåíèé ñêîðîñòè ñâåòà äî 3 êì/ ñ, èëè äî 0,001 %, çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ ðàññòîÿíèÿ, è ïîëó÷èë, ÷òî ñêîðîñòü ñâåòà â ñåðîóãëåðîäå 1,71 • 108 ì/ñ. Ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ñåðîóãëåðîäà = 1,63, ñêîðîñòè ñâåòà â ñðåäå è â âàêóóìå ñ ñâÿçàíû ñîîòíîøåíèåì çíà÷èò, êîðïóñêóëÿðíàÿ òåîðèÿ
175
ñâåòà îêàçàëàñü íåñîñòîÿòåëüíîé. Îïûòû À. Ìàéêåëüñîíà (1881) è Ý.Ìîðëè (1887), ñâÿçàííûå ñ èçìåðåíèåì ñêîðîñòè ñâåòà íà Çåìëå, ñûãðàëè äëÿ ÑÒÎ òàêóþ æå ðîëü, êàê ïîïûòêè ñîçäàòü âåðíûé äâèãàòåëü äëÿ óñòàíîâëåíèÿ ïðèíöèïà ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè, Îíè æå ñëóæèëè äëÿ èçìåðåíèÿ àáñîëþòíîé ñêîðîñòè Çåìëè âî Âñåëåííîé. Ïðîâåäåííûå ïîâòîðíî â 1904 ã. îïûòû âíîâü óáåäèòåëüíî ïîêàçàëè îòñóòñòâèå âñÿêèõ ïðèçíàêîâ ýôèðíîãî âåòðà — ñêîðîñòü ñâåòà íåçàâèñèìî îò íàïðàâëåíèÿ áûëà îäèíàêîâà è ðàâíà 300 000 êì/ñ.
Ïîñòîÿíñòâî ñêîðîñòè ñâåòà â ïóñòîòå Ýéíøòåéí âîçâåë â ðàíã åñòåñòâåííîãî çàêîíà è ïîñòàâèë åãî êàê ôóíäàìåíòàëüíîå ïîëîæåíèå â ÑÒÎ: ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå åñòü íàèáîëüøàÿ âîçìîæíàÿ ñêîðîñòü â ïðèðîäå.
Òî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ çíà÷åíèÿ ñêîðîñòè ñâåòà îïðåäåëÿåòñÿ òî÷íîñòüþ îïðåäåëåíèÿ ìîìåíòà âûõîäà è âîçâðàùåíèÿ ñèãíàëîâ, ïîýòîìó âàæíî èñïîëüçîâàòü â ýòèõ èçìåðåíèÿõ áûñòðîäåéñòâóþùèå îïòè÷åñêèå çàòâîðû.  íàñòîÿùåå âðåìÿ èñïîëüçóþò «ÿ÷åéêó Êåððà». Ýòî óñòðîéñòâî, íîñÿùåå èìÿ øîòëàíäñêîãî ôèçèêà Äæîíà Êåððà, îòëè÷àåòñÿ áûñòðîäåéñòâèåì (ñêîðîñòü ñðàáàòûâàíèÿ 10-9—10-12 ñ), ÷òî ïîçâîëÿåò äåëàòü èçìåðåíèÿ íà ëàáîðàòîðíîì ñòîëå.  1967 ã. ñ ïîìîùüþ He-Ne-ëàçåðà, èñïîëüçóåìîãî â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà ñâåòà, ïîëó÷åíî çíà÷åíèå ñêîðîñòè ñâåòà (299792,5 0,15) êì/ñ.
5.2. Âîëíîâûå ñâîéñòâà ñâåòà. Ñïåêòð ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ
Äâîéíîå ëó÷åïðåëîìëåíèå — ÿâëåíèå â íåêîòîðûõ êðèñòàëëè÷åñêèõ âåùåñòâàõ, êîãäà ïðè ðàñùåïëåíèè ëó÷à ñâåòà íà äâà ïîÿâëÿëèñü äâà èçîáðàæåíèÿ âìåñòî îäíîãî. Ýòî ÿâëåíèå âïåðâûå îòìåòèë Áàðòîëèíèóñ â 1669 ã. â êðèñòàëëå êàðáîíàòà êàëüöèÿ (èëè èñëàíäñêîãî øïàòà). Ïîëó÷àëîñü, áóäòî ýòîò êðèñòàëë èìååò äâà ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ: îäíà ÷àñòü ñâåòà ïðåëîìëÿåòñÿ ïî îäíîìó çàêîíó, äðóãàÿ ïî äðóãîìó. Íî èçìåðåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî îäèí èç ëó÷åé âîîáùå íå ïîä÷èíÿåòñÿ çàêîíó ïðåëîìëåíèÿ — ïðè íóëåâîì óãëå ïàäåíèÿ óãîë ïðåëîìëåíèÿ îòëè÷åí îò íóëÿ. Ýòîò ëó÷ íàçâàëè «íåîáûêíîâåííûì», à âòîðîé, óäîâëåòâîðÿþùèé çàêîíó Ñíåëëèóñà, — «îáûêíîâåííûì».
Ïî Íüþòîíó, «êàæäûé ëó÷ ñâåòà èìååò ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû, íàäåëåííûå íåêèì ñâîéñòâîì, îò êîòîðîãî çàâèñèò íåîáûêíîâåííîå ïðåëîìëåíèå, è äðóãèå, íå îáëàäàþùèå ýòèì ñâîéñòâîì». Ïî àíàëîãèè ñ ìàãíèòîì ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî Íüþòîíó ïðèøëîñü ñ÷èòàòü, ÷òî êîðïóñêóëû ïîëÿðèçîâàíû. Íî íè Íüþòîí, íè Ãþéãåíñ íå ïðåäïîëàãàëè, ÷òî ñâåò ìîæíî ïðåäñòàâèòü ïîïåðå÷íûìè êîëåáàíèÿìè.
176
ßâëåíèÿ äâîéíîãî ëó÷åïðåëîìëåíèÿ è ïîëÿðèçàöèè ñâåòà ñ âîëíîâîé òî÷êè çðåíèÿ îáúÿñíèë Ôðåíåëü (1821), ñ êîðïóñêóëÿðíîé — ïûòàëèñü îáúÿñíèòü Áèî è Ëàïëàñ, èõ ïîääåðæèâàëè Ïóàññîí è øîòëàíäñêèé ôèçèê Áðþñòåð, èçâåñòíûé èçîáðåòåíèåì êàëåéäîñêîïà (1817). Íî îíè íå ìîãëè îáúÿñíèòü ÿâëåíèå äèôðàêöèè è îäíîâðåìåííîå îòðàæåíèå è ïðåëîìëåíèå ñâåòà ïîâåðõíîñòüþ, êàê è Íüþòîí. Ôðåíåëü îïèñûâàë äèôðàêöèþ è èíòåðôåðåíöèþ ñ ïîìîùüþ ïðèíöèïà Ãþéãåíñà (ñì. ãë. 3).  îïûòå ñ äâóìÿ çåðêàëàìè, ðàñïîëîæåííûìè ïîä óãëîì, îí ïîëó÷àë ñ ïîìîùüþ îäíîãî èñòî÷íèêà äâà ìíèìûõ è âñåãäà êîãåðåíòíûõ (îò ëàò. cohaerentia— ñöåïëåíèå, ñâÿçü) èñòî÷íèêà ñâåòà. Ïî åãî òåîðèè äèôðàêöèè ïîëó÷àëîñü, ÷òî âíóòðè òåíè îò íåïðîçðà÷íîãî äèñêà äîëæíî áûòü ñâåòëîå ïÿòíî. Íà çàìå÷àíèå Ïóàññîíà, ÷òî ýòî ïðîòèâîðå÷èò çäðàâîìó ñìûñëó, Ôðåíåëü îòâåòèë, ÷òî çäðàâûé ñìûñë ïîä÷àñ îøèáàåòñÿ, è ïðîäåìîíñòðèðîâàë ñâåòëîå ïÿòíî âíóòðè òåíè.
Âîëíîâàÿ òåîðèÿ äîëæíà îáúÿñíèòü è ÿâëåíèå èíòåðôåðåíöèè. Ò. Þíã, ïîñòàâèâ îïûò ñ äâóìÿ ùåëÿìè (1807), çàêëþ÷èë, ÷òî äâå âîëíû ìîãóò èíòåðôåðèðîâàòü, åñëè îíè êîãåðåíòíû, è ïîêàçàë, ÷òî âñå ÷àñòè ôðîíòà âîëíû, âûõîäÿùåé èç ìàëîãî îòâåðñòèÿ, ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ïî÷òè êîãåðåíòíûå. Èññëåäîâàíèåì èíòåðôåðåíöèè ïîëÿðèçîâàííûõ âîëí çàíÿëèñü Ôðåíåëü ñ Àðàãî. Îíè óñòàíîâèëè, ÷òî äâà ëó÷à, ïîëÿðèçîâàííûå â ïàðàëëåëüíûõ ïëîñêîñòÿõ, èíòåðôåðèðóþò, à â ïåðïåíäèêóëÿðíûõ — íåò. Àíàëîãèè ñ àêóñòèêîé òóò íå ìîãëî áûòü. Ôðåíåëü ïðåäïîëîæèë, ÷òî ñâåòîâûå âîëíû ïîïåðå÷íû, òàê êàê ÿâëåíèå ïîëÿðèçàöèè ñâîéñòâåííî ëèøü ïîïåðå÷íûì âîëíàì. Íî òîãäà òîí÷àéøèé è íåâåñîìûé ýôèð äîëæåí áûòü òâåðäûì, òàê êàê ïîïåðå÷íûå âîëíû ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ ëèøü â òâåðäûõ òåëàõ. Ãèïîòåçà áûëà ñòîëü ñìåëîé, ÷òî Àðàãî îòêàçàëñÿ ïîäïèñàòüñÿ ïîä ñòàòüåé, â êîòîðîé îíà èçëàãàëàñü. È Ôðåíåëü îäèí ñòðîèë òåîðèþ.
Ôðåíåëåì ñîçäàíà ìåõàíè÷åñêàÿ ìîäåëü ñâåòà. Îí ñ÷èòàë, ÷òî ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ êîëåáàíèé â ñðåäå çàâèñèò îò äëèíû âîëíû, è ïðè îïðåäåëåííîé äëèíå âîëíû îíà òåì ìåíüøå, ÷åì áîëüøå ïðåëîìëåíèå ñðåäû. Îòñþäà — ïðåëîìëåíèå ñâåòà è äèñïåðñèÿ. Âñå ÿâëåíèÿ ïîëÿðèçàöèè â òåîðèè Ôðåíåëÿ ïðåäñòàâëÿëè ÷àñòíûé ñëó÷àé çàêîíà ñëîæåíèÿ ñêîðîñòåé è ïðåêðàñíî ñîîòâåòñòâîâàëè ýêñïåðèìåíòó. Èññëåäîâàíèå äâîéíîãî ëó÷åïðåëîìëåíèÿ ïðèâåëî ê àíàëèçó ñèë, âîçíèêàþùèõ â óïðóãîé ñðåäå èç-çà ìàëûõ ìîëåêóëÿðíûõ ïåðåìåùåíèé. Ýòî äàëî îñíîâíóþ èäåþ äëÿ ðàçâèòèÿ òåîðèè óïðóãîñòè, ñîçäàííîé ìàòåìàòèêàìè Êîøè, Ãðèíîì, Ïóàññîíîì è Ã. Ëàìå. Óïðóãèé ýôèð íå óâëåêàåòñÿ äâèæóùèìèñÿ òåëàìè, à ïðîõîäèò ñêâîçü íèõ, è êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ, ïî Ôðåíåëþ, êàê êâàäðàòíûé êîðåíü èç îòíîøåíèÿ ïëîòíîñòè ýôèðà â âåùåñòâå ê åãî ïëîòíîñòè âíå âåùåñòâà. Ïî àíàëîãèè ñ ýëåêòðè÷åñêèìè è ìàãíèòíûìè ïîëþñàìè Ìàëþñ íà-
177
çâàë ÿâëåíèå ïîëÿðèçàöèåé ñâåòà (ñòîðîíû ñâåòà — åãî ïîëþñà). Ïðîáëåìà óâëå÷åíèÿ ýôèðà ïðè äâèæåíèè â íåì òåë äîëãîå âðåìÿ íàõîäèëàñü â öåíòðå âñåõ ïðîáëåì ïîíèìàíèÿ ïðîöåññîâ âî Âñåëåííîé.
ßâëåíèå àáåððàöèè (îò ëàò. aberratio — óêëîíåíèå), êîãäà êîîðäèíàòû âñåõ çâåçä â òå÷åíèå ãîäà ñìåùàþòñÿ è îïèñûâàþò ýëëèïñû ðàçíîé âû-òÿíóòîñòè â çàâèñèìîñòè îò óãëîâîãî ðàññòîÿíèÿ äî ïëîñêîñòè ýêëèïòèêè, áûëî îòêðûòî àíãëèéñêèì àñòðîíîìîì Äæ.Áðàäëååì (1728) è îáúÿñíÿëîñü ñîãëàñíî ýìèññèîííîé òåîðèè ñâåòà äâèæåíèåì Çåìëè ïî îðáèòå. Ñ ïðèíÿòèåì âîëíîâîé òåîðèè òðåáîâàëîñü ââåñòè ãèïîòåçó î ïîêîÿùåìñÿ ýôèðå, ïðîõîäÿùåì ñêâîçü äâèæóùèåñÿ òåëà. Ôðåíåëü ïðèíÿë, ÷òî ìåíÿåòñÿ íå óïðóãîñòü ýôèðà, à åãî ïëîòíîñòü.  1823 ã. íà îñíîâå çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè è ñâîåé ãèïîòåçû îí îáúÿñíèë, ÷òî äâèæåíèå, ïàðàëëåëüíîå ãðàíèöå ðàçäåëà, â îáåèõ âîëíàõ îäèíàêîâî, è âûâåë âñå ôîðìóëû ôèçè÷åñêîé îïòèêè. Ïðè ïîëíîì îòðàæåíèè ñâåòà îí èñïîëüçîâàë ìíèìûå âåëè÷èíû, ÷òî ñîîòâåòñòâîâàëî èçìåíåíèþ ôàçû â îòðàæåííîé âîëíå.
Èòàê, íà÷àëî ñîâðåìåííîé ôèçè÷åñêîé îïòèêå ïîëîæèë Ôðåíåëü, îíà îñíîâàíà íà ïðåäñòàâëåíèè î ñâåòå êàê î ïîïåðå÷íîé, ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíå.
 ýëåêòðîííîé òåîðèè Ã.Ëîðåíö ñèíòåçèðîâàë èäåè òåîðèè ïîëÿ è àòîìèñòèêè. Îí îáîáùèë ôîðìóëó Ôðåíåëÿ äëÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñâåòà, âûðàæàþùåãîñÿ ÷åðåç îòíîøåíèå ñêîðîñòåé ñâåòà â ñðåäàõ, äëÿ ÷àñòè÷íî óâëå÷åííîãî òåëîì ýôèðà. Ýòà ñêîðîñòü â äâèæóùåìñÿ òåëå ïîëó÷àëàñü ðàâíîé ãäå
— ñêîðîñòü ñâåòà â ïîêîÿùåìñÿ òåëå, — ñêîðîñòü äâèæåíèÿ òåëà, — êîýôôèöèåíò óâëå÷åíèÿ, ââåäåííûé Ôðåíåëåì â
òåîðèè àáåððàöèè è ïîäòâåðæäåííûé îïûòàìè Ôèçî, Ìàéêåëü-ñîíà è Ìîðëè. Ïðîáëåìà óâëå÷åíèÿ ýôèðà äâèæåíèåì, ïðîáëåìà åãî ñòðàííûõ ñâîéñòâ ïðèâåëè ê îòêàçó îò ýôèðà è ñîçäàíèþ ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè.
Ñïåêòð — ýòî ñîâîêóïíîñòü çíà÷åíèé êàêîé-ëèáî âåëè÷èíû, õàðàêòåðèçóþùåé ñèñòåìó èëè ïðîöåññ.  ôèçèêå èñïîëüçóþò ÷àñòîòíûé ñïåêòð êîëåáàíèé — ýëåêòðîìàãíèòíûõ èëè àêóñòè÷åñêèõ. Ñïåêòð ýíåðãèé, èìïóëüñîâ èëè ìàññ òàêæå øèðîêî ðàñïðîñòðàíåí. Îí ìîæåò áûòü äèñêðåòíûì èëè íåïðåðûâíûì (ñïëîøíûì). Ñïåêòð ýëåêòðîìàãíèòíûõ êîëåáàíèé ñïëîøíîé.
Ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû äëèíîé îò 10 äî 100ì çàðåãèñòðèðîâàë Ã.Ãåðö ñ ïîìîùüþ èñêðîâîãî ðàçðÿäà. Îí ñêîíñòðóèðîâàë ïåðåäàò÷èê (òàê íàçûâàåìûé äèïîëü Ãåðöà), â êîòîðîì ìåæäó øàðèêàìè ïðîñêàêèâàëà èñêðà. Íî èñêðà — âûñîêî÷àñòîòíûé ðàçðÿä ïåðåìåííîãî òîêà, è â ïðîìåæóòêå ìåæäó øàðèêàìè óñòàíàâëèâàëîñü ïåðåìåííîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå. Ãåðö èññëåäîâàë ñâîéñòâà ïîëÿ — ïðÿìîëèíåéíîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ, îòðàæåíèå, ïðåëîìëåíèå âîçíèêàþùèõ âîëí, ñêîðîñòü, êîòîðàÿ áûëà ðàâíà ñêî-
178
ðîñòè ñâåòà. Ýêñïåðèìåíòû ïîêàçàëè, ÷òî âîëíû ìîãóò áûòü è äðóãèõ ÷àñòîò, ÷òî îïðåäåëèòñÿ ñïîñîáîì âîçáóæäåíèÿ êîëåáàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ ðàçíûõ ÷àñòîò.
Ïðåäïîëîæåíèÿ î ñâÿçè òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ è ñâåòà âûñêàçûâàëèñü äàâíî. Þíã îòìåòèë, ÷òî «òåïëîâûå êîëåáàíèÿ ïðîèñõîäÿò ìåäëåííåå ñâåòîâûõ». È.Ëàìáåðò ïîêàçàë, ÷òî òåïëîâûå ëó÷è ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ òîæå ïðÿìîëèíåéíî. Øâåäñêèé õèìèê Ê. Øååëå óñòàíîâèë, ÷òî îíè ïðîõîäÿò ÷åðåç âåùåñòâî, íî îòðàæàþòñÿ îò çåðêàë. Øâåéöàðñêèé õèìèê À. Ïèòêå èñïîëüçîâàë äâà âîãíóòûõ ñôåðè÷åñêèõ ìåòàëëè÷åñêèõ çåðêàëà. Îí ïîìåùàë â ôîêóñå îäíîãî çåðêàëà òåëî íàãðåòîå èëè îõëàæäåííîå, à â ôîêóñå äðóãîãî — òåðìîìåòð, è îáíàðóæèâàë èçìåíåíèå ïîêàçàíèé òåðìîìåòðà. Åãî ñîîòå÷åñòâåííèê Ï. Ïðåâî ïîñòðîèë íà ýòîì òåîðèþ «ðàâíîâåñèÿ îãíÿ», ñ÷èòàÿ, ÷òî îíî äîñòèãàåòñÿ ïðè «ðàâíîâåñèè îáìåíîâ, ïðîèçâåäåííûõ ïóòåì èçëó÷åíèÿ». Ðàññóæäåíèÿ Ïðåâî î äèñêðåòíîé ïðèðîäå «ëó÷èñòîãî òåïëîðîäà» îêàçàëèñü ïëîäîòâîðíûìè â ýëåêòðîííîé òåîðèè ìåòàëëîâ, â ôèçè÷åñêîé è õèìè÷åñêîé êèíåòèêå, â çàêîíàõ òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ. Ââåäåííîå èì ïîíÿòèå ïîäâèæíîãî ðàâíîâåñèÿ ïîçâîëèëî ïîíÿòü ìíîãèå ïðîöåññû ïðèðîäû. Òàê, ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî ëó÷åèñïóñêàíèå è ëó÷åïîãëîùåíèå ïðîòåêàþò îäíîâðåìåííî è íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà, à òåìïåðàòóðà òîëüêî îòðàæàåò ñâÿçü ìåæäó ýòèìè ïðîöåññàìè. Ñïóñòÿ âåê ýòè èäåè «ïðîðîñëè» â çàêîíàõ òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ Êèðõãîôà, Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà, ñïîñîáñòâîâàëè èäåå Ïëàíêà î ââåäåíèè êâàíòà äåéñòâèÿ.
Èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå îòêðûë Ó. Ãåðøåëü, èññëåäóÿ ðàâíîìåðíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ òåïëîòû ïî ñîëíå÷íîìó ñïåêòðó (1800). Ïåðåìåùàÿ òåðìîìåòð âäîëü ñïåêòðà, îí îáíàðóæèë, ÷òî ìàêñèìóì òåìïåðàòóðû ïðèõîäèòñÿ íà îáëàñòü äàëåå êðàñíîãî êðàÿ âèäèìîãî èçëó÷åíèÿ (îòñþäà è íàçâàíèå). Ñðàâíèâ ñîëíå÷íîå èçëó÷åíèå ñ èçëó÷åíèåì íàãðåòîãî, íî íå ñâåòÿùåãîñÿ öèëèíäðà, Ãåðøåëü ïîêàçàë ïðåëîìëåíèå íåâèäèìîãî òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ â ëèíçàõ. Þíã íàçâàë ýòî îòêðûòèå Ãåðøåëÿ ñàìûì êðóïíûì îòêðûòèåì ñî âðåìåí Íüþòîíà. Èòàëüÿíñêèé ýêñïåðèìåíòàòîð Ì.Ìåëëîíè óñòàíîâèë, ÷òî ýòè íåâèäèìûå ëó÷è âåäóò ñåáÿ òàê æå, êàê è ñâåò, è ïðèñòóïèë ê èçó÷åíèþ ïîãëîùàòåëüíîé è èçëó-÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòåé ðàçíûõ òåë. Åãî ðàáîòû â ýòîé îáëàñòè ïðîäîëæèë Äæ.Òèíäàëü, îáíàðóæèâ ñèëüíîå ïîãëîùåíèå òåïëîâûõ ëó÷åé âîäÿíûì ïàðîì, ÷òî îêàçàëîñü âàæíûì äëÿ ìåòåîðîëîãèè. Ñ ïîìîùüþ íîâîãî ïðèáîðà — áîëîìåòðà, ñîçäàííîãî ïîñëå ðàáîò Ìåëëîíè, áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ìàêñèìóì ñîëíå÷íîé òåïëîòû ïðèõîäèòñÿ ñêîðåå íà îðàíæåâóþ îáëàñòü ñïåêòðà, à íå íà èíôðàêðàñíóþ, ÷òî èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå äîñòàòî÷íî ëåãêî ïðîõîäèò ÷åðåç çåìíóþ àòìîñôåðó è ò.ä.
Óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå (ÓÔ), ïðåëîìëÿåìîå ïðèçìîé ñèëüíåå ôèîëåòîâîãî, îòêðûë íåìåöêèé ôèçèê È.Ðèòòåð. Ðåøèâ â 1802 ã. ïîâòîðèòü îïûòû Ãåðøåëÿ, îí èññëåäîâàë õèìè÷åñêîå äåéñòâèå ðàçíûõ ó÷àñòêîâ ñïåêòðà ñîëíå÷íîãî ñâåòà. Ñ ïîìîùüþ õëîðèñòîãî ñåðåáðà îí îáíàðóæèë, ÷òî õèìè÷åñêîå äåéñòâèå ñâåòà
179
óñèëèâàåòñÿ ïðè ïåðåìåùåíèè â îáëàñòü áîëåå êîðîòêèõ âîëí è ñòàíîâèòñÿ ìàêñèìàëüíûì çà ñèíå-ôèîëåòîâîé îáëàñòüþ. Íîâûå îòêðûòèÿ ñïîñîáñòâîâàëè ïîÿâëåíèþ ôîòîãðàôèè. ×åðåç ãîä ïîñëå ñîîáùåíèÿ Äàãåðà î ïîëó÷åíèè èì èçîáðàæåíèé íà ìåòàëëå (1839) Äðåéïåð ñôîòîãðàôèðîâàë Ëóíó, à â 1842 ã. — ôðàóíãîôå-ðîâû ëèíèè, ÷òî äàëî âîçìîæíîñòü ñîçäàòü áîëåå ïîëíóþ êàðòèíó î ñîñòàâå çåìíîé è ñîëíå÷íîé àòìîñôåð.
Ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû ñ ÷àñòîòàìè äî 1012 Ãö ïîëó÷àþò ýëåêòðîííûìè ìåòîäàìè.  äèàïàçîíå ðàäèîâîëí ðàáîòàþò ðàäèîâåùàíèå, òåëåâèäåíèå, âîçäóøíàÿ è ìîðñêàÿ ñâÿçü, ëþáèòåëüñêèå ðàäèîñòàíöèè. Ðàäèîëîêàöèÿ èñïîëüçóåò ìèêðîâîëíîâûé äèàïàçîí.
×àñòîòû ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ ëåæàò âûøå ÓÔ-äèàïàçîíà. Â. Ê. Ðåíòãåí ïðèñòóïèë ê èçó÷åíèþ êàòîäíûõ ëó÷åé, ÷òîáû äîêàçàòü èõ âîëíîâóþ ïðèðîäó. Íî îí çàìåòèë, ÷òî ôîòîïëàñòèíêè, íàõîäèâøèåñÿ âáëèçè ðàçðÿäíîé òðóáêè è çàùèùåííûå ÷åðíîé áóìàãîé, îêàçàëèñü çàñâå÷åííûìè. Ýòî íå ìîãëî áûòü äåéñòâèåì êàòîäíûõ ëó÷åé, ïîñêîëüêó îíè íå ìîãëè âûéòè íàðóæó. Ïðè çàìåíå áóìàãè ÷åðíûì êàðòîíîì êàêîå-òî èçëó÷åíèå âñå ðàâíî ïðîõîäèëî, õîòÿ åãî ïðîíèöàåìîñòü óáûâàëà ñ óâåëè÷åíèåì òîëùèíû çàùèòíîãî ìàòåðèàëà. «Åñëè äåðæàòü ðóêó ìåæäó ðàçðÿäíîé òðóáêîé è ýêðàíîì, òî âèäíû òåìíûå òåíè êîñòåé íà ôîíå áîëåå ñâåòëûõ î÷åðòàíèé ðóêè», — íàïèøåò Ðåíòãåí â 1895 ã. Ýòî áûëî ïåðâîå â ìèðå ðåíòãåíîñêîïè÷åñêîå èññëåäîâàíèå.
Íîâîå èçëó÷åíèå, êîòîðîå Ðåíòãåí íàçâàë Õ-ëó÷àìè, íå ïðåëîìëÿëîñü, íå èñïûòûâàëî îòðàæåíèÿ, íå ôîêóñèðîâàëîñü ëèíçàìè è ðàñïðîñòðàíÿëîñü ïðÿìîëèíåéíî. Êàê è êàòîäíûå, Õ-ëó÷è âûçûâàëè ôëóîðåñöåíöèþ, íî íå îòêëîíÿëèñü ìàãíèòíûì ïîëåì; îíè âîçíèêàëè â òî÷êå, êóäà ïîïàäàëè êàòîäíûå ëó÷è. Ðåíòãåí àêòèâíî ðàñïðîñòðàíÿë èíôîðìàöèþ îá Õ-ëó÷àõ; èõ ñòàëè ïðèìåíÿòü â ìåäèöèíå è õèðóðãèè, õîòÿ òîãäà ýêñïîçèöèÿ çàíèìàëà ïî÷òè 20 ìèí. Çà ñâîå îòêðûòèå Ðåíòãåí ñòàë ïåðâûì ëàóðåàòîì Íîáåëåâñêîé ïðåìèè ïî ôèçèêå (1901).  1899 ã. íèäåðëàíäñêèå ôèçèêè Ã. Õàãà è Ê. X. Âèíä, îáíàðóæèâ ñëàáóþ äèôðàêöèþ Õ-ëó÷åé ïðè ïðîïóñêàíèè ÷åðåç óçêóþ ùåëü, îöåíèëè äëèíó èõ âîëíû â 10-10 ì. Ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå — ïîïåðå÷íàÿ âîëíà — äîêàçàë, óñòàíîâèâ ïîëÿðèçàöèþ ëó÷åé (1904), àíãëèéñêèé ôèçèê ×. Áàðêëà. Ó÷åíèê Ïëàíêà Ì.Ëàóý ðåøèë èñïîëüçîâàòü àòîìû â êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå òâåðäîãî òåëà â êà÷åñòâå ùåëè äëÿ íàáëþäåíèÿ çà ÿâëåíèåì äèôðàêöèè. Îí ðàññ÷èòàë ìíîãèå èõ ñâîéñòâà è ïîñòàâèë ýêñïåðèìåíò, â êîòîðîì îïðåäåëèë äëèíó âîëíû èçëó÷åíèÿ. Îíà áûëà â 1000 ðàç ìåíüøå ñðåäíåé äëèíû âèäèìîãî ñâåòà. Îïûòû ïî ðàññåÿíèþ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé íà ïðîñòðàíñòâåííûõ ðåøåòêàõ êðèñòàëëîâ äîêàçàëè èõ âîëíîâóþ ïðèðîäó è ãèïîòåçó î ñòðîåíèè êðèñòàëëîâ ôðàíöóçñêîãî êðèñòàëëîãðàôà Î. Áðàâå. Ðóññêèé êðèñòàëëîãðàô Ã. Â. Âóëüô è Ó. Áðýãã-ñûí, íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà, ðàñøèôðîâàâ äèôðàêöèîííóþ êàðòèíó, äàëè ôîðìóëó,
180
ñâÿçûâàþùóþ äëèíó âîëíû è ïåðèîä êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè (óñëîâèå Âóëüôà—Áðýããà).
Îáû÷íî ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå èìååò íåïðåðûâíûé ñïåêòð è âîçíèêàåò ïðè ðåçêîì ñîóäàðåíèè ïó÷êà áûñòðûõ ýëåêòðîíîâ ñ ìèøåíüþ. ×. Áàðêëà îòêðûë õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå, âîçíèêàþùåå òîëüêî ïðè î÷åíü âûñîêîì íàïðÿæåíèè è èìåþùåå óçêèé ñïåêòð îïðåäåëåííîé äëèíû âîëíû, êîòîðûé çàâèñèò îò âåùåñòâà ìèøåíè (1906). Ïîñëå ñîçäàíèÿ Í. Áîðîì ìîäåëè àòîìà ýòî èçëó÷åíèå ñòàëè îáúÿñíÿòü êâàíòîâûìè ïåðåõîäàìè ýëåêòðîíîâ ñ âíåøíèõ îáîëî÷åê àòîìà íà âíóòðåííèå. Îòêðûòèå Áàðêëà ïîëîæèëî íà÷àëî ðåíòãåíîñòðóêòóðíîé ñïåêòðîñêîïèè.
Ñ ïåðåõîäàìè àòîìîâ èç âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ ñâÿçàíû âñå ðàññìîòðåííûå òèïû âîëí — îò îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ äî ðåíòãåíîâñêîãî. Âåðõíèé ïðåäåë, êîòîðûé ìîãóò ãåíåðèðîâàòü àòîìíûå ñèñòåìû, ñîñòàâëÿåò 1020 Ãö. Èçëó÷åíèå áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîò — ó-èçëó÷åíèå — èñïóñêàåòñÿ àòîìíûìè ÿäðàìè. Ðàçëè÷íûå îáëàñòè ñïåêòðà ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ èññëåäîâàíû ìíîãèìè ìåòîäàìè, èìåþò íåîäèíàêîâûå íàçâàíèÿ è èñòî÷íèêè, íî âñå èìåþò åäèíóþ ïðèðîäó, îòëè÷àÿñü òîëüêî ÷àñòîòàìè (ðèñ. 5.4).
5.3. ßâëåíèå äèñïåðñèè ñðåä è äîêàçàòåëüñòâî ìàòåðèàëüíîãî åäèíñòâà ìèðà
Äèñïåðñèåé íàçûâàåòñÿ çàâèñèìîñòü ôàçîâîé ñêîðîñòè ãàðìîíè÷åñêèõ âîëí â ñðåäå îò ÷àñòîòû èõ êîëåáàíèé (îò ëàò. dispersus— ðàññåÿííûé, ðàññûïàííûé). Âñå ñðåäû îáëàäàþò äèñïåðñèåé — çàâèñèìîñòüþ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ âîëí è îò ÷àñòîòû (êðîìå àáñîëþòíîãî âàêóóìà). Îáû÷íî ï ðàñòåò ñ óâåëè÷åíèåì ñî, íî áûâàåò è íàîáîðîò, òîãäà äèñïåðñèþ íàçûâàþò àíîìàëüíîé. Äèñïåðñèÿ èñêàæàåò ôîðìó ñèãíàëà ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè â ñðåäå.
181
Äèñïåðñèÿ ñâåòà íàáëþäàåòñÿ â âèäå ðàçâåðòûâàíèÿ ñâåòà â ñïåêòð, íàïðèìåð ïðè ïðîõîæäåíèè åãî ÷åðåç ïðèçìó. Íüþòîí ïðîâåë ìíîãî îïûòîâ ñ ïðèçìîé, âîñõèùàÿñü ÿðêèìè öâåòàìè ñïåêòðà. Îí âûäåëèë äèàôðàãìîé çåëåíûé ëó÷ è íàïðàâèë åãî íà äðóãóþ ïðèçìó, íî ëó÷ óæå íå ðàçëîæèëñÿ íà ñîñòàâëÿþùèå. Òàêèå ëó÷è Íüþòîí íàçâàë ìîíîõðîìàòè÷åñêèìè (îò ãðå÷. monochromatos— îäíîöâåòíûé). Îòêëîíåíèå, âûçûâàåìîå ïðèçìîé, çàâèñèò îò óãëà ìåæäó ãðàíÿìè, ÷åðåç êîòîðûå ïðîõîäèò ñâåò, îò íàïðàâëåíèÿ ëó÷à, ïàäàþùåãî íà ïåðâóþ ãðàíü, îò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ïðèçìû. Êðîìå òîãî, ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ìîæåò çàâèñåòü îò ÷àñòîòû ñâåòà è ñîðòà ñòåêëà.
Íàáëþäåíèÿ çà çàòìåíèÿìè äâîéíûõ çâåçä ïîêàçûâàþò, ÷òî ìåæçâåçäíîå ïðîñòðàíñòâî íå îáëàäàåò äèñïåðñèåé. Åùå Àðàãî ïðè íàáëþäåíèÿõ çà äâîéíîé çâåçäîé Àëüãîëü — ãëàç Ìåäóçû èç ñîçâåçäèÿ Ïåðñåÿ (äëÿ çåìíîãî íàáëþäàòåëÿ ãëàç Ìåäóçû ìîðãàåò) — îòìåòèë, ÷òî ðàçíîñòü ìåæäó ñêîðîñòÿìè êðàñíûõ è ñèíèõ ëó÷åé âî âñÿêîì ñëó÷àå íå ìîæåò ïðåâûøàòü 10-5 ñêîðîñòè ñâåòà. Êîíå÷íî, ýòîò âûâîä ñîîòâåòñòâóåò òî÷íîñòè ýêñïåðèìåíòîâ.  ïîñëåäíåå âðåìÿ íàáëþäåíèÿ çà ïóëüñàðàìè ïîêàçàëè, ÷òî ñîâðåìåííûå ðàäèîïðèåìíûå óñòðîéñòâà ïîçâîëÿþò îáíàðóæèòü íàëè÷èå äèñïåðñèè ìåæçâåçäíîãî ïðîñòðàíñòâà â ðàäèîäèàïàçîíå.
Òåîðèÿ ïîëÿ è àòîìèñòè÷åñêèå ïðåäñòàâëåíèÿ íåîáõîäèìû äëÿ ïîíèìàíèÿ äèñïåðñèè, êîòîðàÿ âîçíèêàåò â ðåçóëüòàòå âûíóæäåííûõ êîëåáàíèé çàðÿæåííûõ ÷àñòèö â âåùåñòâå ïîä äåéñòâèåì ïåðåìåííîãî ïîëÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû. Ðàñ÷åòû Ëîðåíöà áûëè ïîñòðîåíû íà îñíîâå êëàññè÷åñêîé òåîðèè êîëåáàíèé àòîìîâ è ìîëåêóë âåùåñòâà. Òàêàÿ ýëåêòðîííàÿ òåîðèÿ ãîäèòñÿ äëÿ îáúÿñíåíèÿ äèñïåðñèè â ãàçàõ, à â áîëåå ñëîæíûõ ñðåäàõ ïðèõîäèòñÿ ó÷èòûâàòü âçàèìîäåéñòâèÿ âíóòðè ñðåäû, è çäåñü íóæíà êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà.
Áîëüøîé âêëàä â èçó÷åíèå äèñïåðñèè è ñîçäàíèå àõðîìàòè÷åñêèõ (îò ãðå÷. achromatos— áåñöâåòíûé) ëèíç âíåñ íåìåöêèé ôèçèê É. Ôðàóíãîôåð — âëàäåëåö êðóïíåéøåé â ìèðå îïòè÷åñêîé ôèðìû. Èñïîëüçóÿ äëÿ èçó÷åíèÿ äèñïåðñèè ñâåòà â ïðèçìàõ ñâå÷ó è ëàìïó, îí îáíàðóæèë æåëòóþ ëèíèþ â ñïåêòðå (D-ëèíèÿ íàòðèÿ) è çàìåòèë, ÷òî îíà íàõîäèòñÿ âñåãäà â îäíîì è òîì æå ìåñòå ñïåêòðà è ïîòîìó óäîáíà äëÿ èçìåðåíèé ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ.  1815 ã. Ôðàóíãîôåð îáðàòèëñÿ ê èçó÷åíèþ ñïåêòðà Ñîëíöà, êîòîðûì ðàíåå çàíèìàëñÿ Ó. Âîëëàñòîí. Ïðîïóñêàÿ ñîëíå÷íûé ñâåò ÷åðåç ùåëü â êàìåðå îáñêóðå è ïðèçìó, Âîëëàñòîí âûäåëèë â ñïåêòðå Ñîëíöà ñåìü ëèíèé (êîòîðûå îí ïîñ÷èòàë ðàçãðàíè÷èòåëÿìè îáëàñòåé ñïåêòðà). Ó Ôðàóíãîôåðà òàêèõ ëèíèé îêàçàëîñü ìíîãî. Îí îáîçíà÷èë èõ ëàòèíñêèìè áóêâàìè è îáðàòèë âíèìàíèå íà òî, ÷òî D-ëèíèÿ íàõîäèòñÿ â òîì æå ïîëîæåíèè, ÷òî è ÿðêàÿ ëèíèÿ íàòðèÿ â ñïåêòðå ëàìïû. Êîãäà Ôðàóíãîôåð íàïðàâèë ñâîé ñïåêòðîñêîï íà Âåíåðó, òî îáíàðóæèë òàêèå æå òåìíûå ëèíèè, ÷òî è íà Ñîëíöå.
 1857 ã. Ã.Êèðõãîô è Ð.Áóíçåí, ðåøèâ âûÿñíèòü, êàêàÿ æå ñâÿçü ìåæäó D-ëèíèåé íà Ñîëíöå è ÿðêîé æåëòîé ëèíèåé â ñïåêòðå ëàìïû, îáíàðóæèëè, ÷òî âñå ôðàóíãîôåðîâû ëèíèè ïîãëîùå-
182
íèÿ â ñïåêòðå Ñîëíöà ñîâïàäàþò ñ ëèíèÿìè èñïóñêàíèÿ íåêîòîðûõ ãàçîâ è ïàðîâ. Êèðõãîô ðàñöåíèë ýòî êàê äîêàçàòåëüñòâî òîãî, ÷òî ìàòåðèÿ è âíå Çåìëè ïðåäñòàâëåíà òåìè æå ýëåìåíòàìè.
Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñïåêòðîâ Ôðàóíãîôåð íà÷àë èçãîòîâëÿòü òàêæå äèôðàêöèîííûå ðåøåòêè. Îí íàíîñèë àëìàçîì ïàðàëëåëüíûå øòðèõè íà ñòåêëÿííûå ïëàñòèíêè èëè èçãîòîâëÿë èõ èç òîí÷àéøèõ áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ íèòåé, ÷òî òðåáîâàëî áîëüøîãî èñêóññòâà, — èõ ÷èñëî íà 1 ìì äîõîäèëî äî 300. Ýòîò ðåçóëüòàò áûë ïðåâçîéäåí òîëüêî â 1883 ã. Ã.Ðîóëàíäîì — 800 øòðèõîâ (ñåé÷àñ — äî 1800 øòðèõîâ). Åñëè â òåìíîé êàìåðå íà òàêóþ ïëàñòèíêó íàïðàâèòü òîíêèé ïó÷îê ñâåòà, òî íà áåëîì ýêðàíå îáðàçóåòñÿ ñïåêòð.
Ñïåêòðû ñòàëè èíòåíñèâíî èññëåäîâàòü Ä. Áðþñòåð, Ó. Ãåðøåëü è Ó. Òîëüáîò. Ïðè ýòèõ èññëåäîâàíèÿõ Ãåðøåëü îòêðûë èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå, à Áðþñòåð — çàêîí ïîëÿðèçàöèè îòðàæåííîãî ëó÷à: îíà ìàêñèìàëüíà, åñëè îòðàæåííûé è ïðåëîìëåííûé ëó÷è ïåðïåíäèêóëÿðíû äðóã äðóãó. Îíè òàêæå ñôîðìóëèðîâàëè îñíîâíûå èäåè êà÷åñòâåííîãî ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà.
Èçîáðåòåííàÿ Áóíçåíîì ãîðåëêà (1855) äàâàëà íåñâåòÿùååñÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíîå ïëàìÿ, ÷òî ïîçâîëÿëî ïåðåâîäèòü ðàçíûå õèìè÷åñêèå âåùåñòâà â ïàðîîáðàçíîå ñîñòîÿíèå è íàáëþäàòü èõ ñïåêòðû. Çàíèìàÿñü ñïåêòðàìè â 1854—1859 ãã., Áóíçåí è Êèðõãîô ýêñïåðèìåíòàëüíûì ïóòåì ïîëó÷èëè ïðàâèëî (çàêîí Êèðõãîôà) î ïîãëîùåíèè ãàçàìè âîëí òî÷íî òàêîé æå äëèíû, êàêîé îíè ìîãóò èçëó÷àòü. Ïðè èññëåäîâàíèè çåìíûõ èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ îíè îòêðûëè äâà íîâûõ ìåòàëëà, íàçâàííûõ ïî õàðàêòåðíûì äëÿ íèõ êðàñíîé è ãîëóáîé ëèíèÿì ñïåêòðà ðóáèäèåì è öåçèåì (1861). Çàòåì Ó.Êðóêñ îòêðûë òàëëèé (1865), Ô.Ðàéõ è È.Ðèõòåð — èíäèé.
Êèðõãîô îáúÿñíèë ïðîèñõîæäåíèå ôðàóíãîôåðîâûõ ëèíèé êàê ëèíèé ïîãëîùåíèÿ àòìîñôåðû. Ïî âûðàæåíèþ Ãåëüìãîëüöà, ýòî îòêðûòèå âûçâàëî âîñõèùåíèå âñåõ ëþäåé è âîçáóäèëî èõ ôàíòàçèþ â áîëüøåé ìåðå, ÷åì êàêîå-ëèáî äðóãîå, ïîñêîëüêó ïîçâîëèëî çàãëÿíóòü â íåäîñòóïíûå ðàíåå ìèðû. Âèäèìàÿ ïîâåðõíîñòü Ñîëíöà (Ò = 6000 Ê) äàåò ñïëîøíîé íåïðåðûâíûé ñïåêòð. Íàä íåé ðàñïîëîæåíû ìåíåå ïëîòíûå ñëîè ôîòîñôåðû (Ò = 4000 Ê). Àòîìû ãàçîâ, ðàñïîëîæåííûå â áîëåå õîëîäíûõ îáëàñòÿõ, ñîçäàþò â ñïëîøíîì ñïåêòðå ëèíèè ïîãëîùåíèÿ. Âî âðåìÿ ïîëíîãî ñîëíå÷íîãî çàòìåíèÿ äî íàáëþäàòåëÿ íà Çåìëå äîõîäèò ñâåò, èçëó÷àåìûé òîëüêî àòìîñôåðîé Ñîëíöà, è ñïëîøíîé ñïåêòð èñ÷åçàåò.  ýòî âðåìÿ îñòàþòñÿ òîëüêî ôðàóíãîôåðîâû ëèíèè, ïðè ýòîì îíè èç òåìíûõ ñòàíîâÿòñÿ ñâåòëûìè (çàêîí Êèðõãîôà).
Êàòàëîãè ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé âñåõ ýëåìåíòîâ (äëèíû âîëí ëèíèé è èõ îòíîñèòåëüíûå èíòåíñèâíîñòè) áûëè ñîñòàâëåíû óæå ïîñëå Êèðõãîôà è Áóíçåíà. Ñïåêòðû íåñóò â ñåáå èíôîðìàöèþ íå òîëüêî î êà÷åñòâåííîì ñîñòàâå èññëåäóåìîãî òåëà, íî è îá óñëîâèÿõ, â êîòîðûõ ïðîèñõîäèò èçëó÷åíèå. Îñîáîå çíà÷åíèå äëÿ ðàçâèòèÿ íàóêè èìåëî îáîñíîâàíèå ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà, ïðîâå-
183
äåííîãî Êèðõãîôîì, êîòîðîå ïðèâåëî åãî ê îòêðûòèþ çàêîíà òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ, ñâÿçàâøåãî îïòèêó è òåðìîäèíàìèêó.
Èäåÿ î ñâÿçè ñïåêòðîâ ñî ñòðîåíèåì àòîìà ôîðìèðîâàëàñü â íàó÷íîì ñîçíàíèè ïîñòåïåííî.  1885 ã. È. Áàëüìåð îáíàðóæèë çàêîíîìåðíîñòè â ñïåêòðàëüíûõ ëèíèÿõ âîäîðîäà, à È. Ðèäáåðã ïðåäëîæèë ôîðìóëó, îïèñûâàþùóþ ñïåêòðàëüíóþ ëèíèþ ëþáîãî ýëåìåíòà. Ðèäáåðã îòìå÷àë, ÷òî èç èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðîâ ìîæíî ïîëó÷èòü èíôîðìàöèþ î âíóòðåííèõ äâèæåíèÿõ â àòîìàõ. Îí ââåë ïîíÿòèå ñïåêòðàëüíûõ òåðìîâ, êîòîðûå âìåñòå ñ åãî ôîðìóëîé, îáîáùåííîé Ðèòöåì â ïðèíöèï Ðèäáåðãà—Ðèòöà, ñòàëè îñíîâîé äëÿ ïîñòðîåíèÿ òåîðèè àòîìà Áîðà.
Èçìåíåíèå ñïåêòðîâ â ðàçíûõ óñëîâèÿõ áûëî äåòàëüíî èçó÷åíî â ýëåêòðè÷åñêîì (ýôôåêò Øòàðêà) è ìàãíèòíîì (ýôôåêò Çååìàíà) ïîëÿõ. Îíî ïðèâîäèò ê ðàñùåïëåíèþ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ïðè ðàçíûõ òåìïåðàòóðàõ è äàâëåíèÿõ (óøèðåíèå ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé) è ò.ä.  ñïåêòðàõ ïðîÿâëÿåòñÿ è ýôôåêò Äîïëåðà. Âî-ïåðâûõ, òåïëîâîå äâèæåíèå èçëó÷àþùèõ ÷àñòèö ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî êàæäûé àòîì èçëó÷àåò íà ÷àñòîòå, ñìåùåííîé èç-çà ýôôåêòà Äîïëåðà. Ïðè ýòîì íàáëþäàåòñÿ óøèðåíèå ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Âî-âòîðûõ, ýôôåêò ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè äâèæåíèè âñåãî èçëó÷àþùåãî òåëà îòíîñèòåëüíî íàáëþäàòåëÿ. Òàê, âî âðåìÿ ñîëíå÷íîãî çàòìåíèÿ âèäíî, êàê äèñê Ëóíû ïîñòåïåííî çàêðûâàåò Ñîëíöå è âîçíèêàåò óçêèé ñåðï èç âîñòî÷íîãî êðàÿ äèñêà Ñîëíöà. Íà ñïåêòðîãðàììå, ïîëó÷åííîé èç ýòîãî êðàÿ, ôðàóíãîôåðîâû ëèíèè ñìåùåíû ê ôèîëåòîâîìó êðàþ ñïåêòðà.  êîíöå çàòìåíèÿ âîçíèêàåò ñåðï îò çàïàäíîãî êðàÿ äèñêà, è ëèíèè ñìåùåíû â êðàñíóþ ñòîðîíó.  îáîèõ ñëó÷àÿõ ïàðàìåòð ñìåùåíèÿ îäèíàêîâ è ðàâåí 6,7 10-6. Ýòî ñìåùåíèå îáúÿñíÿåòñÿ âðàùåíèåì Ñîëíöà. Ïî íàáëþäåíèÿì ñîëíå÷íûõ ïÿòåí óñòàíîâëåíî, ÷òî ýêâàòîðèàëüíûé ïîÿñ Ñîëíöà âðàùàåòñÿ ñ ïåðèîäîì 25 ñóòîê. Òàê êàê ðàäèóñ Ñîëíöà ðàâåí 7 • 108 ì, ñêîðîñòü åãî âðàùåíèÿ ðàâíà ïðèìåðíî 2 • 103 ì/ñ, è åå îòíîøåíèå ê ïàðàìåòðó ñìåùåíèÿ ëèíèé ñîñòàâëÿåò 3 • 108, ò.å. ýòî îòíîøåíèå ðàâíî ñêîðîñòè ñâåòà. Âðàùåíèå Ñîëíöà ñ çàïàäà íà âîñòîê ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî âîñòî÷íûé êðàé äâèæåòñÿ ê íàáëþäàòåëþ, à çàïàäíûé — îò íåãî.  1848 ã. À. Ôèçî óêàçàë íà âîçìîæíîñòü îïðåäåëåíèÿ ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé çâåçä ñ ïîìîùüþ ýôôåêòà Äîïëåðà, è ýòîò ìåòîä øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ â àñòðîíîìèè. Âåëè÷àéøèì îòêðûòèåì XX â. ÿâèëîñü îáíàðóæåíèå êðàñíîãî ñìåùåíèÿ ëèíèé â ñïåêòðàõ äàëåêèõ ãàëàêòèê, îáúÿñíÿåìîãî ðàñøèðåíèåì Âñåëåííîé.
Ñïåêòðîñêîïèÿ — íàóêà, îñíîâàííàÿ íà èçó÷åíèè ñïåêòðîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ.  çàâèñèìîñòè îò äèàïàçîíà äëèí âîëí ðàçëè÷àþò ðàäèîñïåêòðîñêîïèþ, èíôðàêðàñíóþ, îïòè÷åñêóþ, óëüòðàôèîëåòîâóþ, ðåíòãåíîâñêóþ è ãàììà-ñïåêòðîñêîïèþ, â êàæäîé — ñâîè ìåòîäû. Ðàçëè÷àþò ñïåêòðîñêîïèþ è ïî èñòî÷íèêàì èçëó÷åíèÿ — òâåðäîãî òåëà, àòîìíàÿ, ìîëåêóëÿðíàÿ. Ñïåêòðîñêîïèÿ — îñíîâà ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà, ïðèìåíÿåìîãî â õèìè÷åñêîé è ïèùåâîé ïðîìûøëåííîñòÿõ, ìåòàëëóðãèè è äðóãèõ îáëàñòÿõ òåõíèêè. Òàê, â ìàðòåíîâñêîé ïå÷è â ðàñïëàâëåííîé ñòàëè ðàçëè÷íûå ïðèìåñè âûãîðàþò ïîñòåïåííî, ñîäåðæàíèå èõ ñó-
184
ùåñòâåííî äëÿ êà÷åñòâà ìåòàëëà. Ïî ýìèññèîííîìó ñïåêòðó ìîæíî íåïðåðûâíî ñëåäèòü çà èçìåíåíèåì ñîñòàâà ìåòàëëà. Îñîáîå çíà÷åíèå èìååò ñïåêòðàëüíûé àíàëèç â àñòðîôèçèêå. Òàê, ýëåìåíò ãåëèé áûë îòêðûò ñíà÷àëà íà Ñîëíöå (ïîýòîìó òàê è íàçâàí), à íà Çåìëå òîëüêî ÷åðåç 20 ëåò. Ñ ïîìîùüþ ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà óñòàíîâèëè, ÷òî Ñîëíöå ñîñòîèò íà 70 % èç àòîìîâ âîäîðîäà, íà 28 % — èç àòîìîâ ãåëèÿ è òîëüêî íà 2 % — èç äðóãèõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Ïî ñïåêòðàì Ñîëíöà è çâåçä îïðåäåëÿþò íå òîëüêî õèìè÷åñêèé ñîñòàâ, íî è ìíîãèå äðóãèå õàðàêòåðèñòèêè, êîòîðûå ëåãëè â îñíîâó êëàññèôèêàöèè çâåçä.
Ñ ïîÿâëåíèåì ëàçåðîâ âîçíèêëè íîâûå âîçìîæíîñòè ñïåêòðîñêîïèè. Ëàçåðíîå èçëó÷åíèå ìîíîõðîìàòè÷íî, øèðèíà ëèíèè ÷ðåçâû÷àéíî ìàëà. Ïîÿâèëàñü âîçìîæíîñòü ðàáîòàòü ïîä øèðîêèì äîïëåðîâñêèì óøèðåíè-åì ëèíèè è èçâëåêàòü óíèêàëüíóþ èíôîðìàöèþ î ïðîèñõîäÿùèõ â èçëó÷àþùèõ ñðåäàõ ïðîöåññàõ. Ëàçåð êîíöåíòðèðóåò ýíåðãèþ íå òîëüêî â óçêèé ñïåêòðàëüíûé èíòåðâàë, íî è ïî èíòåíñèâíîñòè. Ìîùíîå ëàçåðíîå èçëó÷åíèå ñïîñîáíî âûçâàòü â ñðåäå íåëèíåéíûå è ìíîãîôîòîííûå ïðîöåññû. Áûëà ñîçäàíà íîâàÿ íàóêà — íåëèíåéíàÿ ëàçåðíàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ, êîòîðàÿ äàëà âîçìîæíîñòü èçó÷àòü ãëóáèííóþ ñòðóêòóðó ìàòåðèè è ïðîöåññû òîíêèìè è òî÷íåéøèìè ìåòîäàìè, íå âîçìóùàþùèìè èññëåäóåìóþ ñðåäó.
5.4. Çàêîíû òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ, êðèçèñ êëàññè÷åñêîé òåîðèè è ïîÿâëåíèå êâàíòîâîé ãèïîòåçû
Òåïëîâîå èçëó÷åíèå — íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûé â ïðèðîäå âèä ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Îíî ñîâåðøàåòñÿ çà ñ÷åò ýíåðãèè òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ìîëåêóë â âåùåñòâå, ïîýòîìó ïîíèæàåò òåìïåðàòóðó òåëà. Íàðÿäó ñ èçëó÷åíèåì ïðîèñõîäèò è ïîãëîùåíèå òåïëîòû, â ðåçóëüòàòå òåìïåðàòóðà òåëà ïîääåðæèâàåòñÿ ïîñòîÿííîé.  ýòîì ñëó÷àå ãîâîðÿò, ÷òî òåëî íàõîäèòñÿ â òåïëîâîì ðàâíîâåñèè. Èññëåäóÿ òåïëîâîå èçëó÷åíèå, Ì. Ïèòêå è Ï. Ïðåâî çàêëþ÷èëè, ÷òî îíî èìååò ñïëîøíîé ñïåêòð, à êàæäîå òåëî èçëó÷àåò òåïëîòó íåçàâèñèìî îò îêðóæàþùåé ñðåäû. Ïðè ñðàâíåíèè ñïåêòðîâ èñïóñêàíèÿ ñî ñïåêòðàìè ïîãëîùåíèÿ îêàçàëîñü, ÷òî â ñïåêòðàõ ïîãëîùåíèÿ îñëàáëåíû èëè îòñóòñòâóþò ó÷àñòêè, ïðåäñòàâëåííûå â ñïåêòðàõ èñïóñêàíèÿ. Êëàññè÷åñêàÿ òåîðèÿ ïîëÿ íå ìîãëà îáúÿñíèòü ýòîãî.
Ìîäåëü àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà, ïîãëîùàþùåãî âñå ïàäàþùåå íà íåãî èçëó÷åíèå íå îòðàæàÿ, ïðåäëîæèë Ã. Êèðõãîô (1862). Åñëè, íàïðèìåð, â ÿùèêå ñ íåïðîíèöàåìûìè íàãðåòûìè ñòåíêàìè â ðåçóëüòàòå ìíîãîêðàòíûõ èñïóñêàíèé è ïîãëîùåíèé ñâåòà óñòàíîâèòñÿ ðàâíîâåñíîå èçëó÷åíèå, òî ýòî è åñòü èçëó÷åíèå àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà. Èçëó÷åíèå ÷åðíîãî òåëà ìîæíî íàáëþäàòü ÷åðåç íåáîëüøîå îòâåðñòèå. Åñëè òåëî îòðàæàåò âñå ïàäàþùåå íà íåãî èç-
185
ëó÷åíèå, åãî íàçûâàþò áåëûì. Âñå ðåàëüíûå òåëà íàçûâàþò ñåðûìè. Ê èçëó÷åíèþ ÷åðíîãî òåëà áëèçêè ïîâåðõíîñòè çâåçä è ñàæà, à ê áåëîìó — ñâåæèé ñíåã. Èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ ëþáîãî òåëà ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà èñõîäÿ èç èçëó÷åíèÿ ÷åðíîãî òåëà, åñëè èçâåñòíû ïîãëîùåíèå è ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ äàííîãî òåëà (1859). Òåì ñàìûì ïðîáëåìà ñâåëàñü ê èññëåäîâàíèþ ðàâíîâåñíîãî èçëó÷åíèÿ, è ïðîáëåìà èçëó÷åíèÿ ÷åðíîãî òåëà ñòàëà îäíîé èç öåíòðàëüíûõ â ôèçèêå è ïðèâåëà ê ñîçäàíèþ êâàíòîâîé òåîðèè èçëó÷åíèÿ.
Çàêîí ðàâíîâåñíîãî òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ óñòàíîâèë Êèðõãîô: îòíîøåíèå èñïóñêàòåëüíîé ñïîñîáíîñòè òåëà ê ïîãëîùàòåëüíîé íå çàâèñèò îò ïðèðîäû èçëó÷àþùåãî òåëà, à ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé îò òåìïåðàòóðû è ÷àñòîòû — ôóíêöèÿ Êèðõãîôà Ê(v, Ò). Ýòà ôóíêöèÿ óíèâåðñàëüíà äëÿ âñåõ òåë. Äëÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà îíà ðàâíà åãî èñïóñêàòåëüíîé ñïîñîáíîñòè. Îí âûâåë ýòîò çàêîí èç âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè è ïîêàçàë, ÷òî ñîñòîÿíèå ðàâíîâåñèÿ åäèíñòâåííî è õàðàêòåðèçóåòñÿ âïîëíå îïðåäåëåííûì ðàñïðåäåëåíèåì ïëîòíîñòè ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ, çàêëþ÷åííîé â ýòîé ïîëîñòè.
Èçìåðÿòü òåïëîâîå èçëó÷åíèå íàãðåòûõ òåë íà÷àëè â êîíöå ïðîøëîãî âåêà â ñâÿçè ñ ðàçâèòèåì ëàìïîâîé ïðîìûøëåííîñòè. Ëîðä Ðýëåé (Ó. Ñòðåòò) è Äæ. Äæèíc, îáúÿñíÿÿ ÿâëåíèÿ íà îñíîâå êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîìàãíèòíîé òåîðèè, ïîëó÷èëè, ÷òî ïðè ðàñïðåäåëåíèè ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ ïî äëèíàì âîëí íà äîëþ äëèííûõ âîëí ïðèõîäèòñÿ ëèøü íåáîëüøàÿ ÷àñòü ýíåðãèè, íî îíà áûñòðî ðàñòåò ñ óìåíüøåíèåì äëèíû âîëíû. Ýòà çàâèñèìîñòü ÷àñòè÷íî ñîâïàäàëà ñ äàííûìè, ïîëó÷åííûìè âûäàþùèìèñÿ îïòèêàìè Ëóììåðîì è Ïðèíãñãåéìîì, íî ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ êðèâàÿ èìåëà ãîðá, êîòîðûé ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû ïîäíèìàëñÿ è ñäâèãàëñÿ âëåâî. Ýòî îçíà÷àëî, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå èçëó÷àåìîé ýíåðãèè èìååò ìàêñèìóì íà íåêîòîðîé äëèíå âîëíû, è ÷åì ãîðÿ÷åå òåëî, òåì äàëüøå ìàêñèìóì ñäâèãàåòñÿ â âèäèìóþ îáëàñòü ê ñèíåìó êîíöó ñïåêòðà.
 1884 ã. Ë. Áîëüöìàí èç òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàñ÷åòà ïîëó÷èë, ÷òî ýíåðãèÿ ÷åðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà Ò4, à äàâëåíèå — 1/3 îáúåìíîé ïëîòíîñòè ýíåðãèè (ïðè îöåíêå íà îñíîâå êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêè). Òàê âïåðâûå ê òåïëîâîìó èçëó÷åíèþ ïðèìåíèëè ïîíÿòèÿ òåðìîäèíàìèêè — äàâëåíèå è òåìïåðàòóðó. Ýòîò ðàñ÷åò ïîäòâåðäèëè îöåíêè Äæ. Ñòåôàíà. Çàêîí Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà ãîâîðèò î ñóììàðíîé ýíåðãèè ñïåêòðà (ðèñ. 5.5) è èìååò âèä:
Ïðîáëåìà ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè â ñïåêòðàõ ÿâëÿëàñü îäíîé èç ñàìûõ âàæíûõ çàäà÷, ñòîÿâøèõ ïåðåä íàóêîé. Øàã â åå ðåøåíèè ñäåëàë Â. Âèí, îáúåäèíèâ ïðèíöèïû òåðìîäèíàìèêè è ýôôåêò Äîïëåðà.  1893 ã. Âèí ðàñïðîñòðàíèë çàêîíû è ïîíÿòèÿ òåðìîäèíàìèêè (Ò è S) íà òåïëîâîå èçëó÷åíèå è íà ñëåäóþùèé ãîä âûâåë èç ðàñ÷åòîâ äëÿ ìîäåëè àáñîëþòíî ÷åðíîãî èçëó÷åíèÿ âàæíûé çàêîí —
186
çàêîí ñìåùåíèÿ, ñîãëàñíî êîòîðîìó ì • Ê — ïîñòîÿííàÿ Âèíà.
Ìàêñèìóì èçëó÷åíèÿ äîëæåí ñìåùàòüñÿ â ñèíþþ ñòîðîíó ñ ðîñòîì òåìïåðàòóðû òåëà, à ïî êëàññè÷åñêîé òåîðèè ñ óìåíüøåíèåì äëèíû âîëíû ýíåðãèÿ äîëæíà ðàñòè äî áåñêîíå÷íîñòè.  1896 ã. Âèí èç êëàññè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé ïîëó÷èë çàêîí ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè â ñïåêòðå ÷åðíîãî òåëà, íî ïîçæå âûÿñíèëîñü, ÷òî îí ñïðàâåäëèâ òîëüêî äëÿ êîðîòêèõ äëèí âîëí.
Èòàê, ïî çàêîíó ñìåùåíèÿ Âèíà ïîêàçàòåëü öâåòà çâåçäû õàðàêòåðèçóåò òåìïåðàòóðó åå ôîòîñôåðû. È çâåçäû äåëÿò íà ñïåêòðàëüíûå êëàññû ïî öâåòó (äëèíå âîëíû), ÷åì âûäåëÿþò äèàïàçîíû òåìïåðàòóð èõ ôîòîñôåðû. Òàê, ãîëóáîìó êëàññó «Î» ñîîòâåòñòâóåò òåìïåðàòóðà 50000—25 000 Ê, à æåëòîìó — 7000—4500 Ê (ñì. ãë. 9).
Êàê ïèñàë Ëàóý, Âèí «äîâåë ôèçèêó íåïîñðåäñòâåííî äî âîðîò êâàíòîâîé ôèçèêè, à óæå ñëåäóþùèé øàã, êîòîðûé ïðåäïðèíÿë Ïëàíê, ïðîâåë åå ÷åðåç ýòè âîðîòà». Ðýëåé ñ÷èòàë ðàñïðåäåëåíèå ýíåðãèè ïî ñòåïåíÿì ñâîáîäû ñèñòåìû ðàâíîìåðíûì, íî ïîëó÷èë ôîðìóëó, â êîòîðîé óäåëüíàÿ èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ îêàçàëàñü ïðîïîðöèîíàëüíîé êâàäðàòó ÷àñòîòû è àáñîëþòíîé òåìïåðàòóðå (1900). Ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ðîñëà ñ ÷àñòîòîé, è âîçíèêàë ïàðàäîêñ — ïîëíàÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè ÷åðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðè âñåõ òåìïåðàòóðàõ áåñêîíå÷íà! Äëÿ ìàëûõ ÷àñòîò (èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà) ôîðìóëà Ðýëåÿ îòâå÷àëà ýêñïåðèìåíòó, íî ñ óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû îíà íå äàâàëà «êî-ëîêîëîîáðàçíîé» çàâèñèìîñòè (ðèñ. 5.6).
Ïîëíàÿ ýíåðãèÿ, èçëó÷àåìàÿ ÷åðíûì òåëîì, ïîëó÷àëàñü ó Ðýëåÿ áåñêîíå÷íîé, òîãäà êàê çàêîí Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà ïîêàçûâàë ïðîïîðöèîíàëüíîñòü ÷åòâåðòîé ñòåïåíè òåìïåðàòóðû. Äæèíc ïûòàëñÿ óñòðàíèòü ýòè ïðîòèâîðå÷èÿ, èñïîëüçóÿ ñòàòèñòè÷åñêèå ðàñ÷åòû äëÿ âîëí â ïîëîñòè, íî â 1905 ã. âíîâü ïðèøåë ê ôîðìóëå Ðýëåÿ. Òàê ôîðìóëà Ðýëåÿ—Äæèíñà, ïîñòðîåííàÿ íà ôóíäàìåíòå êëàññè÷åñêîé ôèçèêè, íå òîëüêî îêàçàëàñü íåïðèãîäíîé äëÿ âñåãî äèàïàçîíà äëèí âîëí, êðîìå äëèííûõ, îíà èìåëà êàòàñòðîôè÷åñêîå çíà÷åíèå äëÿ âñåé êëàññè÷åñêîé ôèçèêè.
 òî æå âðåìÿ ïðè èçó÷åíèè çàâèñèìîñòè óäåëüíîé òåïëîåìêîñòè òåë îò òåìïåðàòóðû âûÿñíèëè, ÷òî ñ ïîíèæåíèåì òåìïåðàòóðû óìåíüøàåòñÿ è óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü, êîòîðàÿ íå äîëæíà çà-
187
âèñåòü îò íåå. Ýòà çàãàäêà, ñâÿçàííàÿ ñ ïîãëîùåíèåì òåïëîòû, òîæå íå ïîëó÷àëà îáúÿñíåíèÿ â ðàìêàõ êëàññè÷åñêîé íàóêè. Ìíîãèå ó÷åíûå èñêàëè âûõîä èç ñëîæèâøèõñÿ ïðîòèâîðå÷èé.
Ïîñêîëüêó çàêîí Âèíà ãîäèëñÿ òîëüêî äëÿ êîðîòêèõ âîëí, à ôîðìóëà Ðýëåÿ — äëÿ äëèííûõ, ó÷åíèê Áîëüöìàíà Ì.Ïëàíê ïîñòàâèë äîñòàòî÷íî ñêðîìíóþ öåëü — ïîëó÷èòü ýìïèðè÷åñêóþ ôîðìóëó, êîòîðàÿ áû ïåðåõîäèëà â ïðåäåëüíûõ äëèíàõ âîëí â ôîðìóëû Ðýëåÿ è Âèíà. Îí ñ÷èòàë âåùåñòâî ñîâîêóïíîñòüþ ýëåêòðîííûõ îñöèëëÿòîðîâ, ñ ïîìîùüþ êîòîðûõ ïðîèñõîäèò îáìåí ýíåðãèåé ìåæäó âåùåñòâîì è èçëó÷åíèåì. Îñöèëëÿòîð — ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà, óäåðæèâàåìàÿ îêîëî ñâîåãî ïîëîæåíèÿ ðàâíîâåñèÿ ñèëîé, ïðîïîðöèîíàëüíîé îòêëîíåíèþ îò ðàâíîâåñèÿ, à ÷àñòîòà åãî êîëåáàíèé íå çàâèñèò îò âåëè÷èíû àìïëèòóäû.
 ðàáîòå «Î ïîïðàâêå ê ñïåêòðàëüíîìó óðàâíåíèþ Âèíà» Ïëàíê (1900) ââåë ïîïðàâêó â òåîðèþ Ðýëåÿ: èíòåãðàë, êîòîðûé ñòàíîâèòñÿ áåñêîíå÷íûì ïî ìåðå óìåíüøåíèÿ äëèí âîëí, îí çàìåíèë ñóììîé ýëåìåíòîâ, êîòîðûå ñãðóïïèðîâàë òàê, ÷òî ñóììà îñòàâàëàñü êîíå÷íîé. Îí áûë äîâîëåí, ÷òî «óäà÷íî óãàäàë ïðîìåæóòî÷íóþ ôîðìó». Íî, êàê áûëî âûÿñíåíî ïîçæå, ýìïèðè÷åñêàÿ ôîðìóëà Âèíà ïðîòèâîðå÷èò ìîäåëÿì êëàññè÷åñêîé ôèçèêè: â ñòàòèñòè÷åñêîé ôèçèêå åñòü çàêîí ðàâíîìåðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè ïî ñòåïåíÿì ñâîáîäû — äëÿ òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ íà êàæäîå íåçàâèñèìîå ýëåêòðîìàãíèòíîå êîëåáàíèå âíóòðè ÷åðíîãî ÿùèêà ïðèõîäèòñÿ â ñðåäíåì ýíåðãèÿ kÒ. Íî, ìîæåò áûòü, íåïðàâèëüíîñòü çàêîíà Ðýëåÿ âîçíèêëà èç-çà òîãî, ÷òî ïðè îáìåíå ýíåðãèåé ìåæäó îñöèëëÿòîðàìè è èçëó÷åíèåì âûñîêî÷àñòîòíûå îñöèëëÿòîðû èãðàþò ñëèøêîì áîëüøóþ ðîëü, èìåííî èç-çà ýòîãî ïîëó÷àåòñÿ ìîíîòîííûé ðîñò ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ñ óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû. Äëÿ ïîäàâëåíèÿ çíà÷åíèÿ îñöèëëÿòîðîâ ñ âûñîêîé ÷àñòîòîé Ïëàíê ââåë ñâîé çíàìåíèòûé ïîñòóëàò: âåùåñòâî íå ìîæåò èñïóñêàòü ýíåðãèþ èçëó÷åíèÿ èíà÷å êàê êîíå÷íûìè ïîðöèÿìè, ïðîïîðöèîíàëüíûìè ÷àñòîòå èçëó÷åíèÿ: Å = hv.
Òàê Ïëàíê ñîâåðøèë øàã îò ôîðìóëû Ðýëåÿ ê ýìïèðè÷åñêîìó çàêîíó Âèíà è îãðîìíûé ñêà÷îê â ïîíèìàíèè íå òîëüêî ìèêðîìèðà, íî è âñåé, â òîì ÷èñëå è æèâîé, ïðèðîäû.
Âñå îñòàëüíîå â ðàáîòå Ïëàíêà âïîëíå ñîîòâåòñòâîâàëî êëàññè÷åñêîé ôèçèêå. Íî åìó ïðèøëîñü ââåñòè â ðàñ÷åòû äâå êîíñòàíòû.
188
Îäíà èìåëà òðèâèàëüíûé ñìûñë, à âòîðàÿ, íàçâàííàÿ èì êâàíòîì äåéñòâèÿ h, êàçàëàñü åìó «ëèáî ôèêòèâíîé âåëè÷èíîé, è òîãäà âåñü âûâîä çàêîíà èçëó÷åíèÿ áûë â ïðèíöèïå ëîæíûì è ïðåäñòàâëÿë ñîáîé ëèøü èãðó â ôîðìóëû, ëèøåííóþ ñìûñëà», ëèáî hèìååò ôóíäàìåíòàëüíûé ñìûñë, è çàêîí âåðåí. Íî òîãäà ýòîò çàêîí «îçíà÷àåò íå÷òî ñîâåðøåííî íîâîå è íåñëûõàííîå, ÷òî äîëæíî ïðîèçâåñòè ïåðåâîðîò â íàøåì ôèçè÷åñêîì ìûøëåíèè, îñíîâûâàâøåìñÿ ñî âðåìåí Ëåéáíèöà è Íüþòîíà, îòêðûâøèõ äèôôåðåíöèàëüíîå èñ÷èñëåíèå, íà ãèïîòåçå íåïðåðûâíîñòè âñåõ ïðè÷èííûõ ñîîòíîøåíèé».
Íàóêà XX â. ïîêàçàëà, ÷òî äåëî íå â îáúÿñíåíèè è ñïàñåíèè çàêîíà Âèíà, à ýíåðãèÿ ïðè èçëó÷åíèè ìåíÿåòñÿ äèñêðåòíûìè ïîðöèÿìè, ñêà÷êîîáðàçíî. Ýíåðãèÿ êàæäîãî êâàíòà ïðîïîðöèîíàëüíà ÷àñòîòå âîëíû, ò. å. öâåòó èçëó÷àåìîãî ñâåòà: E=hv. Oñâîåì ðåâîëþöèîííîì îòêðûòèè Ïëàíê äîëîæèë 14 äåêàáðÿ 1900 ã. íà çàñåäàíèè Íåìåöêîãî ôèçè÷åñêîãî îáùåñòâà, åãî âûâîäû ïîÿâèëèñü â ïå÷àòè ïîä çàãîëîâêîì «Ê òåîðèè çàêîíà ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè â íîðìàëüíîì ñïåêòðå». Ýòîò äåíü ñ÷èòàåòñÿ äíåì ñîçäàíèÿ êâàíòîâîé ôèçèêè. Ïîñêîëüêó ïîíÿòèå êâàíòà äåéñòâèÿ ïîñëóæèëî â äàëüíåéøåì êëþ÷îì ê ïîíèìàíèþ âñåõ ñâîéñòâ àòîìíîé îáîëî÷êè è àòîìíîãî ÿäðà, òî ýòîò äåíü ìîæíî ñ÷èòàòü íà÷àëîì âñåé àòîìíîé ôèçèêè, õèìèè è áèîëîãèè, íà÷àëîì íîâîé ýðû â åñòåñòâîçíàíèè. Êâàíò âûñòóïàë, ïî ñëîâàì Áðîéëÿ, êàê «âîçìóòèòåëü ñïîêîéñòâèÿ», îí ïðèíóæäàë ê ïåðåîñìûñëåíèþ îñíîâ íàóêè.
5.5. Îòêðûòèå ýëåêòðîíà è ðàäèîàêòèâíîñòè. Ðîæäåíèå ïðåäñòàâëåíèé î ñëîæíîì ñòðîåíèè àòîìà
Äèñêðåòíîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà îòðàæåíà â ðàáîòàõ Ôàðà-äåÿ ïî ýëåêòðîëèçó — îäèí è òîò æå òîê ïðèâîäèò ê âûäåëåíèþ íà ýëåêòðîäàõ ðàçíîãî êîëè÷åñòâà âåùåñòâà â çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàêîå âåùåñòâî ðàñòâîðåíî. Ïðè âûäåëåíèè îäíîãî ìîëÿ îäíîâàëåíòíîãî âåùåñòâà ÷åðåç ýëåêòðîëèò ïðîõîäèò çàðÿä â 96 500 Êë, à ïðè äâóõâàëåíòíîì — çàðÿä óäâàèâàåòñÿ. Ïîñëå îïðåäåëåíèÿ â êîíöå XIX â. ÷èñëà Àâîãàäðî ïîÿâèëàñü âîçìîæíîñòü îöåíèòü âåëè÷èíó ýëåìåíòàðíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà. Òàê êàê 6,02 • 1023 àòîìîâ ïåðåíîñÿò çàðÿä â 96 500 Êë, òî íà äîëþ îäíîãî ïðèõîäèòñÿ 1,2-10-19 Êë. Ñòàëî áûòü, ýòî — ìåëü÷àéøàÿ ïîðöèÿ ýëåêòðè÷åñòâà èëè «àòîìà ýëåêòðè÷åñòâà». Ãåîðã Ñòîíåé ïðåäëîæèë è íàçâàòü ýòîò «àòîì ýëåêòðè÷åñòâà» ýëåêòðîíîì.
Êàê èññëåäîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ òîêîâ â ìåòàëëàõ ïðèâåëè ê îòêðûòèþ òåðìîýëåêòðè÷åñòâà è çàêîíà Îìà, â ýëåêòðîëèòàõ — ê ðàçâèòèþ ôèçèêî-õèìè÷åñêîãî àòîìèçìà è ñîçäàíèþ ôèçè÷åñêîé õèìèè, òàê â ãàçàõ — ê îòêðûòèþ ýëåêòðîíà. Ðàáîòà ñ òîêàìè â ãàçàõ
189
îñëîæíåíà òðóäíîñòÿìè ïîëó÷åíèÿ ðàçðåæåííîé ãàçîâîé ñðåäû. Íåìåöêèé ìåõàíèê-ñòåêëîäóâ Ã. Ãåéñëåð èçãîòîâëÿë äëÿ ðàçâëå÷åíèé òðóáêè ñ ðàçðåæåííûì ãàçîì, ñâåòÿùèìñÿ ïðè ïðîïóñêàíèè ÷åðåç íåãî ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà.  íèõ Â. Ãèòòãîôô îáíàðóæèë âûçûâàþùåå ôëóîðåñöåíöèþ ñòåíîê òðóáêè èçëó÷åíèå èç êàòîäà, êîòîðîå íàçâàëè êàòîäíûìè ëó÷àìè. Êàê óñòàíîâèë àíãëèéñêèé ôèçèê Ó. Êðóêñ, ýòè ëó÷è ðàñïðîñòðàíÿëèñü ïî ïðÿìîé, îòêëîíÿëèñü ìàãíèòíûì ïîëåì è îêàçûâàëè ìåõàíè÷åñêîå âîçäåéñòâèå.
Ôðàíöóçñêèé ôèçèê Æ. Ïåððåí ïîìåñòèë âíóòðè òðóáêè ïåðåä êàòîäîì ìåòàëëè÷åñêèé öèëèíäð ñ îòâåðñòèåì ïðîòèâ êàòîäà è îáíàðóæèë, ÷òî öèëèíäð çàðÿæàåòñÿ îòðèöàòåëüíî. Êîãäà ëó÷è îòêëîíÿëèñü ìàãíèòíûì ïîëåì è íå ïîïàäàëè â öèëèíäð, îí îêàçûâàëñÿ íåçàðÿæåííûì. ×åðåç äâà ãîäà Äæ.Òîìñîí ïîìåñòèë öèëèíäð íå ïåðåä êàòîäîì, à ñáîêó: ïîäíåñåííûé ìàãíèò èñêðèâëÿë êàòîäíûå ëó÷è òàê, ÷òî îíè ïîïàäàëè â öèëèíäð è çàðÿæàëè åãî îòðèöàòåëüíî, íî ôëóîðåñöèðóþùåå ïÿòíî íà ñòåêëå ñìåùàëîñü. Çíà÷èò, ëó÷è — îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííûå ÷àñòèöû. Òàêîé èçìåðèòåëüíûé ïðèáîð íàçûâàþò ýëåêòðîííî-ëó÷åâîé òðóáêîé âûñîêîãî âàêóóìà. Ïîä äåéñòâèåì ñèëû Ëîðåíöà, âûçâàííîé ìàãíèòíûì ïîëåì, âêëþ÷åííûì â îáëàñòè êîíäåíñàòîðà, ñâåòÿùèéñÿ ñëåä ïàäåíèÿ ïó÷êà íà ýêðàíå ñìåùàåòñÿ. Òàê â 1895 ã. ðîäèëàñü íîâàÿ íàóêà — ýëåêòðîíèêà.
Äåéñòâóÿ îäíîâðåìåííî ýëåêòðè÷åñêèì è ìàãíèòíûì ïîëÿìè è ìåíÿÿ èõ âåëè÷èíó, Òîìñîí ïîäîáðàë èõ òàê, ÷òîáû îíè êîìïåíñèðîâàëèñü, êàòîäíûå ëó÷è íå îòêëîíÿëèñü, è ïÿòíî íà ñòåêëå íå ñìåùàëîñü. Îí ïîëó÷èë îòíîøåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà ê ìàññå ÷àñòèöû å/ò = 1,3 • 10-7 Êë/ã. Íåçàâèñèìî îò Òîìñîíà ýòî çíà÷åíèå èçìåðèë äëÿ êàòîäíûõ ëó÷åé Â. Êàóôìàí è ïîëó÷èë áëèçêîå çíà÷åíèå.  1901 ã. îí âïåðâûå ñóìåë èçìåðèòü çàâèñèìîñòü ýòîé âåëè÷èíû îò ñêîðîñòè.  áîëåå ðàííèõ îïûòàõ, ïðîâåäåííûõ èì ñ èñïîëüçîâàíèåì êàìåðû Âèëüñîíà, â êîòîðîé êàæäûé èîí ÿâëÿåòñÿ öåíòðîì êîíäåíñàöèè ïàðà è ïîñòåïåííî ñòàíîâèòñÿ âèäèìûì, áûëî ïîëó÷åíî çíà÷åíèå çàðÿäà ãàçîîáðàçíûõ èîíîâ 6,5-10-10 ýë.-ñò. åä. (1 Êë = 3 109 ýë.-ñò. åä.). Åñëè ïðèíÿòü, ÷òî çàðÿä èõ îäèíàêîâ, òî ìàññà ÷àñòèö îêàçûâàëàñü î÷åíü ìàëîé: ïîðÿäêà 10-27 ã. Òîìñîí íàçâàë ýòó ÷àñòèöó êîðïóñêóëîé, à ýëåêòðîíîì — òîëüêî åå çàðÿä, íî ïîòîì è ñàìó ÷àñòèöó êàòîäíûõ ëó÷åé íàçâàëè ýëåêòðîíîì (îò ãðå÷. elektron— ÿíòàðü).
Îòêðûòèå ýëåêòðîíà, èçó÷åíèå åãî óíèêàëüíûõ ñâîéñòâ ñòèìóëèðîâàëè èññëåäîâàíèÿ ñòðîåíèÿ àòîìà. Ñòàëè ïîíÿòíû ïðîöåññû ïîãëîùåíèÿ è èñïóñêàíèÿ ýíåðãèè âåùåñòâîì; ñõîäñòâà è îòëè÷èÿ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, èõ õèìè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü è èíåðòíîñòü; âíóòðåííèé ñìûñë Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ Ä. È. Ìåíäåëååâà, ïðèðîäà õèìè÷åñêîé ñâÿçè è ìåõàíèçìû õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé; ïîÿâèëèñü ñîâåðøåííî íîâûå ïðèáîðû, â êîòîðûõ äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ èãðàåò îïðåäåëÿþùóþ ðîëü. Èç-
190
ìåíÿëèñü âçãëÿäû íà ïðèðîäó ìàòåðèè. Ñ îòêðûòèÿ ýëåêòðîíà (1897) íà÷àëñÿ âåê àòîìíîé ôèçèêè.
Ìèëëèêåí ïîñòàâèë îïûò (1909): â ïðîñòðàíñòâî ìåæäó ïëàñòèíàìè êîíäåíñàòîðà âïðûñêèâàëîñü ìàñëî (îíî èñïàðÿåòñÿ ìåäëåííåå âîäû). Ïðîõîäÿ ÷åðåç ãîðëûøêî ïóëüâåðèçàòîðà, êàïåëüêè èç-çà òðåíèÿ íàýëåêòðèçîâûâàëèñü.  îòñóòñòâèå ýëåêòðè÷åñòâà îíè ïàäàëè ìåäëåííî è ðàâíîìåðíî; ñèëà òÿæåñòè óðàâíîâåøèâàëàñü ñèëîé ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà; åñëè íà ïëàñòèíû êîíäåíñàòîðà ïîäàòü ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ãäå d—
ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè êîíäåíñàòîðà. Îòñþäà è Ïî ýòîé ôîðìóëå ìîæíî âû÷èñëèòü çàðÿä êàïåëüêè qèç èçìåðåííûõ âåëè÷èí Ìàññó êàïåëüêè îïðåäåëÿëè ïî ïëîòíîñòè ìàñëà è ñêîðîñòè óñòàíîâèâøåãîñÿ òå÷åíèÿ, òàê êàê ñêîðîñòü òàêîãî òå÷åíèÿ â âÿçêîé ñðåäå çàâèñèò îò ðàçìåðà òåëà èëè êàïåëåê. Ïðè ïîäà÷å íàïðÿæåíèÿ äâèæåíèå êàïåëüêè ëèáî çàìåäëÿëîñü, ëèáî óñêîðÿëîñü â çàâèñèìîñòè îò íàïðàâëåíèÿ ïîëÿ. Äèàìåòð êàïåëåê èçìåðÿëè ìèêðîñêîïîì. Ìèëëèêåí èçó÷àë ïîâåäåíèå êàïåëåê è ïðè âîçäåéñòâèè íà íèõ ðåíòãåíîâñêèìè ëó÷àìè. Îí îáíàðóæèë, ÷òî çàðÿäû íà êàïåëüêàõ ðàâíû öåëîìó êðàòíîìó íåêîòîðîé îñíîâíîé åäèíèöû çàðÿäà, ò.å. è q= Ne, ãäå N = l, 2, 3... Åñëè ñóùåñòâóåò ýëåìåíòàðíûé ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä, òî èçìåðåííûå âåëè÷èíû äîëæíû áûòü ðàâíû åìó, êîãäà ê êàïëå ïðèñîåäèíÿåòñÿ îäèí îäíîâàëåíòíûé èîí, èëè áûòü â öåëîå ÷èñëî ðàç áîëüøå — ïðè ïðèñîåäèíåíèè íåñêîëüêèõ èîíîâ. Îí èçìåðèë âåëè÷èíó çàðÿäà íà êàïåëüêàõ ìàñëà, ãëèöåðèíà, ðòóòè è ïîëó÷èë 1,6-10-19 Êë, ÷òî ñîâïàäàëî ñ ïîëó÷åííûì çíà÷åíèåì ïî èññëåäîâàíèþ ýëåêòðîëèçà. Òàê îïðåäåëèëè óäåëüíûé çàðÿä ýëåêòðîíà — 1,7 • 1011 ë/êã, è çíà÷èò, ò = 9,107 • 10-31 êã, ò.å. ìàññà ýëåêòðîíà â 1840 ðàç ìåíüøå ìàññû àòîìà âîäîðîäà. Ýòà åäèíèöà çàðÿäà ôóíäàìåíòàëüíà è ðàâíà: å = 1,6 10-19 Êë.
Ïðèìåðíî â ýòî âðåìÿ òàêèå æå ðåçóëüòàòû ïîëó÷èë è îäèí èç ñîçäàòåëåé ðóññêîé ôèçè÷åñêîé øêîëû À. Ô. Èîôôå. Òîëüêî âìåñòî çàðÿäà, çàõâà÷åííîãî êàïëåé, îí èçìåðÿë çàðÿä ìåòàëëè÷åñêîé ïûëèíêè âî âíåøíåì ôîòîýôôåêòå. Îáíàðóæåíèå ýëåêòðîíîâ â ðàäèîàêòèâíîì èçëó÷åíèè óêàçûâàëî íà ôóíäàìåíòàëüíîñòü ýòèõ ÷àñòèö. Èòàê, ýëåêòðè÷åñòâî èìååò, êàê è âåùåñòâî, äèñêðåòíóþ ñòðóêòóðó, ïðè÷åì âî âñåõ ÿâëåíèÿõ àòîìû îòðèöàòåëüíîãî ýëåêòðè÷åñòâà èìåþò îäèíàêîâûå ìàññó è çàðÿä. Ìàãíèòíîå ïîëå êàòîäíûõ ëó÷åé îáíàðóæèë è èçìåðèë â 1913 ã. À. È. Èîôôå.
Èç ìíîãî÷èñëåííûõ îïûòîâ ñ ïðîïóñêàíèåì ýëåêòðîíîâ ÷åðåç âåùåñòâî Äæ.Òîìñîí çàêëþ÷èë, ÷òî ÷èñëî ýëåêòðîíîâ â àòîìå ñâÿçàíî ñ âåëè÷èíîé àòîìíîé ìàññû. Íî â íîðìàëüíîì ñîñòîÿíèè àòîì äîëæåí áûòü ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëåí, ïîñêîëüêó íåéòðàëüíî âåùåñòâî, ñîñòîÿùåå èç àòîìîâ, è ïîýòîìó â êàæäîì àòîìå êîëè÷åñòâà çàðÿäîâ ðàçíûõ çíàêîâ ðàâíû. Ïîñêîëüêó ìàññà ýëåêòðîíà ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 1/2000 ìàññû àòîìà âîäîðîäà, òî ìàññà ïîëîæè-
191
òåëüíîãî çàðÿäà äîëæíà áûòü â 2000 ðàç áîëüøå ìàññû ýëåêòðîíà. Íàïðèìåð, ó âîäîðîäà ïî÷òè âñÿ ìàññà ñâÿçàíà ñ ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì. Ñ îòêðûòèåì ýëåêòðîíà ñðàçó æå ïîÿâèëèñü íîâûå ïðîáëåìû. Àòîì íåéòðàëåí, çíà÷èò, â íåì äîëæíû áûòü äðóãèå ÷àñòèöû ñ ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì. Îíè åùå íå áûëè îòêðûòû.
Ôðàíöóçñêèé ôèçèê À. Áåêêåðåëü, èññëåäóÿ ëþìèíåñöåíöèþ, îòêðûë (1896) ÿâëåíèå ðàäèîàêòèâíîñòè. Åãî èíòåðåñîâàëà ñâÿçü ôëóîðåñöåíöèè îò êàòîäíûõ ëó÷åé íà ñòåíêàõ òðóáêè è ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èñïóñêàåìûå îò ýòîé ÷àñòè òðóáêè. Îáëó÷àÿ ðàçëè÷íûå âåùåñòâà, îí ïûòàëñÿ âûÿñíèòü, ìîãóò ëè ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è èñïóñêàòüñÿ ôîñôîðåñöèðóþùèìè òåëàìè, îáëó÷åííûìè ñîëíå÷íûì ñâåòîì. Ñîëè óðàíà (â îòëè÷èå îò äðóãèõ âåùåñòâ) âûçûâàëè ïî÷åðíåíèå ôîòîïëàñòèíêè è áåç ñîëíå÷íîãî îáëó÷åíèÿ. Èçëó÷åíèå óðàíà èîíèçèðîâàëî âîçäóõ, êàê è ðåíòãåíîâñêîå. Âñêîðå èì çàíÿëèñü ñóïðóãè Êþðè è îòêðûëè áîëåå àêòèâíûé ýëåìåíò, êîòîðûé íàçâàëè ïîëîíèåì â ÷åñòü Ïîëüøè — ðîäèíû Ìàðèè Êþðè. Èçìåðÿÿ âåëè÷èíó ýôôåêòà, Ñêëîäîâñêàÿ-Êþðè îòêðûëà íîâûé ýëåìåíò — ðàäèé, à ñàì ýôôåêò èçëó÷åíèÿ íàçâàëà ðàäèîàêòèâíîñòüþ (îò ëàò. radio— èñïóñêàþ ëó÷è). Èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ ðàäèÿ â ñîòíè òûñÿ÷ ðàç áîëüøå, ÷åì ó óðàíà. Çàòåì áûë îòêðûò òðåòèé ðàäèîàêòèâíûé ýëåìåíò — àêòèíèé. È ïðîèçîøåë íåêèé «áóì» â èçó÷åíèè ðàäèîàêòèâíîñòè.
Ê êîíöó 1899 ã. ñîòðóäíèê Äæ.Òîìñîíà Ý. Ðåçåðôîðä çàêëþ÷èë: «...îïûòû ïîêàçûâàþò, ÷òî èçëó÷åíèå óðàíà ÿâëÿåòñÿ ñëîæíûì è ñîñòîèò ïî êðàéíåé ìåðå èç äâóõ ðàçëè÷íûõ âèäîâ: îäíî, áûñòðî ïîãëîùàåìîå, íàçîâåì åãî à-èçëó÷åíèåì; äðóãîå, áîëåå ïðîíèêàþùåå, íàçîâåì åãî -èçëó÷åíèåì». ×åðåç òðè ãîäà Ï. Âèéÿð íàøåë åùå îäíó êîìïîíåíòó èçëó÷åíèÿ, êîòîðàÿ íå îòêëîíÿëàñü ìàãíèòíûì ïîëåì, åå íàçâàëè -ëó÷àìè. Áåêêåðåëü, ñóïðóãè Êþðè è Êàóôìàí èññëåäîâàëè ñâîéñòâà âûäåëåííûõ èçëó÷åíèé. Íåïðåðûâíîå âûäåëåíèå òåïëîòû ðàäèîàêòèâíûìè âåùåñòâàìè ïîðîäèëî ïðîáëåìó ïðîèñõîæäåíèÿ ýòîé ýíåðãèè — ïîëó÷àëîñü, ÷òî 1 ã ðàäèÿ âûäåëÿåò ïî÷òè 420 Äæ çà 1 ÷. Îñòðîòó ïðîáëåìå ïðèäàâàëè ïðåäñòàâëåíèÿ êëàññè÷åñêîé íàóêè, êàçàâøèåñÿ íåçûáëåìûìè, — ïîñòîÿíñòâî ìàññû, àòîìíîå ñòðîåíèå ìàòåðèè, íåèçìåííîñòü àòîìîâ, ñîõðàíåíèå ýíåðãèè. Ðàäèîàêòèâíîñòü áûñòðî íàõîäèëà ïðèìåíåíèå â åñòåñòâîçíàíèè è ìåäèöèíå. Íî óæå â ñâîåé Íîáåëåâñêîé ðå÷è (1903) Ïüåð Êþðè âûñêàçàë îïàñåíèå: «Â ïðåñòóïíûõ ðóêàõ ðàäèé ìîæåò ñòàòü âåñüìà îïàñíûì, è ìû ìîæåì çàäàòü ñåáå âîïðîñ, âûèãðûâàåò ëè ÷åëîâå÷åñòâî îò çíàíèÿ ñåêðåòîâ ïðèðîäû, äîñòàòî÷íî ëè îíî ñîçðåëî, ÷òîáû ïîëüçîâàòüñÿ èìè, íå ïðèíåñåò ëè åìó âðåä ýòî çíàíèå. Ïðèìåð îòêðûòèÿ Íîáåëÿ âåñüìà õàðàêòåðåí». Ýòîìó îïàñåíèþ óæå 100 ëåò.
Àòîì ïåðåñòàâàë ñ÷èòàòüñÿ íåäåëèìûì. Èäåÿ î ñòðîåíèè âñåõ àòîìîâ èç àòîìîâ âîäîðîäà áûëà âûñêàçàíà åùå â 1815 ã. àíãëèéñêèì âðà÷îì Ó. Ïðàóòîì. Ñîìíåíèÿ î íåäåëèìîñòè àòîìîâ ïîðî-
192
äèëè îòêðûòèå ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà è Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Ïîëó÷àëîñü, ÷òî ñàì àòîì — ýòî ñëîæíàÿ ñòðóêòóðà ñ âíóòðåííèìè äâèæåíèÿìè ñîñòàâíûõ ÷àñòåé, îòâåòñòâåííûõ çà õàðàêòåðíûå ñïåêòðû. Ñòàëè ïîÿâëÿòüñÿ è ìîäåëè åãî ñòðîåíèÿ.
Ìîäåëü àòîìà — ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä ðàñïðåäåëåí â ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîé äîñòàòî÷íî áîëüøîé îáëàñòè (âîçìîæíî, ñôåðè÷åñêîé ôîðìû), à ýëåêòðîíû âêðàïëåíû â íåãî, êàê «èçþì â ïóäèíã» — â 1902 ã. ïðåäëîæèë Êåëüâèí. Äæ.Òîìñîí ðàçâèë åãî èäåþ: àòîì — êàïëÿ ïóäèíãà ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîé ìàòåðèè, âíóòðè êîòîðîé ðàñïðåäåëåíû ýëåêòðîíû, íàõîäÿùèåñÿ â ñîñòîÿíèè êîëåáàòåëüíîãî ïðîöåññà. Èç-çà ýòèõ êîëåáàíèé àòîìû è èçëó÷àþò ýëåêòðîìàãíèòíóþ ýíåðãèþ; òàê îí ñìîã îáúÿñíèòü äèñïåðñèþ ñâåòà, íî âîçíèêëî è ìíîãî âîïðîñîâ. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ îí èññëåäîâàë ðàçíûå êîíôèãóðàöèè ýëåêòðîíîâ, ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî óñòîé÷èâûì êîíôèãóðàöèÿì ñîîòâåòñòâóåò óñòðîéñòâî íåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ òèïà áëàãîðîäíûõ ãàçîâ, à íåóñòîé÷èâûì — áîëåå àêòèâíûõ. Ïî äëèíàì âîëí èñïóñêàåìîãî àòîìàìè ñâåòà Òîìñîí îöåíèë îáëàñòü, çàíèìàåìóþ òàêèì àòîìîì, — îêîëî 10-10 ì. Îí äåëàë î÷åíü ìíîãî ïðåäïîëîæåíèé, óâëåêøèñü ðàñ÷åòîì õàðàêòåðèñòèê èçëó÷åíèÿ ïî òåîðèè Ìàêñâåëëà, òàê êàê ñ÷èòàë, ÷òî âíóòðè àòîìà äåéñòâóþò òîëüêî ýëåêòðîìàãíèòíûå ñèëû.  1903 ã. Òîìñîí ïîëó÷èë, ÷òî ýëåêòðîíû ïðè äâèæåíèè äîëæíû èçëó÷àòü ýëëèïòè÷åñêèå âîëíû, â 1904 ã. — ÷òî ïðè ÷èñëå ýëåêòðîíîâ áîëåå 8 îíè äîëæíû ðàñïîëàãàòüñÿ êîëüöàìè è ÷èñëî èõ â êàæäîì êîëüöå óìåíüøàòüñÿ ñ óìåíüøåíèåì ðàäèóñà êîëüöà. ×èñëî ýëåêòðîíîâ íå ïîçâîëÿåò áûòü óñòîé÷èâûìè ðàäèîàêòèâíûì àòîìàì, îíè âûáðàñûâàþò à-÷àñòè-öû, è óñòàíàâëèâàåòñÿ íîâàÿ ñòðóêòóðà àòîìà. Ýêñïåðèìåíò Ý. Ðå-çåðôîðäà, îäíîãî èç ó÷åíèêîâ Òîìñîíà, ïðèâåë ê ÿäåðíîé ìîäåëè ñòðîåíèÿ àòîìà.
Îòêðûòèÿ êîíöà XIX â. — ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé (1895), åñòåñòâåííîé ðàäèîàêòèâíîñòè (Áåêêåðåëü, 1896), ýëåêòðîíà (Äæ.Òîìñîí, 1897), ðàäèÿ (Ïüåð è Ìàðèÿ Êþðè, 1898), êâàíòîâîãî õàðàêòåðà èçëó÷åíèÿ (Ïëàíê, 1900) áûëè íà÷àëîì ðåâîëþöèè â íàóêå.
5.6. Ïëàíåòàðíàÿ ìîäåëü ñòðîåíèÿ àòîìà. Ñîâðåìåííàÿ íàóêà è ïîñòóëàòû Áîðà
Àâñòðèéñêèé ôèçèê À. Ãààç (1910) ïðèìåíèë ê ìîäåëè Òîìñîíà êâàíòîâûå èäåè Ïëàíêà: Å = hv. Íî èç-çà íåòî÷íîñòè èñïîëüçóåìûõ â îöåíêàõ âåëè÷èí ïîëó÷èë çíà÷åíèå êîíñòàíòû Ðèäáåðãà, áîëüøåå â 8 ðàç, ÷åì ïîëó÷åííîå âïîñëåäñòâèè Áîðîì. Åãî ðàáîòó, ïðåäñòàâëåííóþ â âèäå äèññåðòàöèè, ïîñ÷èòàëè ñëèøêîì íàèâíîé «êàðíàâàëüíîé øóòêîé» è «ïðîâàëèëè». Íî ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî ÷èñëî ýëåêòðîíîâ â àòîìå äîëæíî áûòü
193
ïðîïîðöèîíàëüíî àòîìíîìó âåñó, õîòÿ èç äàííûõ ïî ðàññåÿíèþ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé â ëåãêèõ àòîìàõ ñëåäîâàëî, ÷òî ýòî ÷èñëî â äâà ðàçà ìåíüøå, à ïî äðóãèì îïûòíûì äàííûì — âäâîå áîëüøå. Äàííûå î ïîëîæèòåëüíîì çàðÿäå áûëè íå ìåíåå ïðîòèâîðå÷èâû: èñïóñêàíèå à-÷àñòèö ñâèäåòåëüñòâîâàëî î òîì, ÷òî îíè íàõîäÿòñÿ âíóòðè ðàäèîàêòèâíûõ àòîìîâ. Òåîðèÿ ìîäåëè àòîìà Òîìñîíà (îí ðàáîòàë íàä íåé ïî÷òè 15 ëåò), îñíîâàííàÿ íà êëàññè÷åñêèõ çàêîíàõ ýëåêòðè÷åñòâà, íå óñòîÿëà ïåðåä îïûòíîé ïðîâåðêîé è êðèòèêîé.
Ïëàíåòàðíóþ ìîäåëü ñòðîåíèÿ àòîìà ïåðâûì ïðåäëîæèë Æ. Ïåððåí, ïûòàÿñü îáúÿñíèòü íàáëþäàåìûå ñâîéñòâà îðáèòàëüíûì äâèæåíèåì ýëåêòðîíîâ. Íî Â. Âèí ïîñ÷èòàë åå íåñîñòîÿòåëüíîé. Âî-ïåðâûõ, ýëåêòðîí ïðè âðàùåíèè ñîãëàñíî êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêå äîëæåí íåïðåðûâíî èçëó÷àòü ýíåðãèþ è, â êîíöå êîíöîâ, óïàñòü íà ÿäðî. Âî-âòîðûõ, èç-çà íåïðåðûâíîé ïîòåðè ýíåðãèè èçëó÷åíèå àòîìà äîëæíî èìåòü íåïðåðûâíûé ñïåêòð, à íàáëþäàåòñÿ ëèíåé÷àòûé ñïåêòð.
Îïûòû ïî ïðîõîæäåíèþ à-÷àñòèö ÷åðåç òîíêèå ïëàñòèíêè èç çîëîòà è äðóãèõ ìåòàëëîâ ïðîâåëè ñîòðóäíèêè Ý.Ðåçåðôîðäà Ý.Ìàðñäåí è Õ.Ãåéãåð (1908). Îíè îáíàðóæèëè, ÷òî ïî÷òè âñå ÷àñòèöû ïðîõîäÿò ÷åðåç ïëàñòèíêó ñâîáîäíî, è òîëüêî 1/10 000 èç íèõ èñïûòûâàåò ñèëüíîå îòêëîíåíèå — äî 150°. Ìîäåëü Òîìñîíà ýòî íå ìîãëà îáúÿñíèòü, íî Ðåçåðôîðä, åãî áûâøèé àññèñòåíò, ñäåëàë îöåíêè äîëè îòêëîíåíèé è ïðèøåë ê ïëàíåòàðíîé ìîäåëè: ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä ñîñðåäîòî÷åí â îáúåìå ïîðÿäêà 10-15ñî çíà÷èòåëüíîé ìàññîé.
Ñ÷èòàÿ îðáèòû ýëåêòðîíîâ â àòîìå çàêðåïëåííûìè, Òîìñîí â 1913 ã. òîæå ïðèøåë ê ïëàíåòàðíîé ìîäåëè ñòðîåíèÿ àòîìà. Íî, ðåøàÿ çàäà÷ó íà óñòîé÷èâîñòü òàêîãî àòîìà ñ èñïîëüçîâàíèåì çàêîíà Êóëîíà, îí íàøåë óñòîé÷èâóþ îðáèòó ëèøü äëÿ îäíîãî ýëåêòðîíà. Íè Òîìñîí, íè Ðåçåðôîðä íå ìîãëè îáúÿñíèòü èñïóñêàíèå à-÷àñòèö ïðè ðàäèîàêòèâíîì ðàñïàäå — âûõîäèëî, ÷òî â öåíòðå àòîìà äîëæíû áûòü è ýëåêòðîíû?! Îá ýòîì ãîâîðèëà è Ì. Ñêëîäîâñ-êàÿ-Êþðè. Ðåçåðôîðä ïðèíÿë ýòî, íî åìó ïðèøëîñü ïðèïèñàòü ýëåêòðîíàì ôóíêöèþ ñêëåèâàíèÿ ÿäåð, ÷òîáû êóëîíîâñêîå îòòàëêèâàíèå íå ðàçâàëèëî ÿäðî. Ýòè ìîäåëè íå ïîçâîëÿëè ïîëó÷èòü êîëè÷åñòâåííûå ðåçóëüòàòû, ñîîòâåòñòâóþùèå îïûòàì.  1913 ã. ïðèäàëè âåñ ìîäåëè Ðåçåðôîðäà íåêîòîðûå îïûòíûå äàííûå ïî ðàäèîàêòèâíûì ÿâëåíèÿì. Åãî àññèñòåíò Ã. Ìîçëè èçìåðèë ÷àñòîòó ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ðÿäà àòîìîâ Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû è óñòàíîâèë, ÷òî «àòîìó ïðèñóùà íåêàÿ õàðàêòåðíàÿ âåëè÷èíà, êîòîðàÿ ðåãóëÿðíî óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè ïåðåõîäå îò àòîìà ê àòîìó. Ýòî êîëè÷åñòâî íå ìîæåò áûòü íè ÷åì èíûì, êàê òîëüêî çàðÿäîì âíóòðåííåãî ÿäðà».
Ïîñòðîåíèå òåîðèè ñòðîåíèÿ àòîìà íà îñíîâå ïëàíåòàðíîé ìîäåëè íàòàëêèâàëîñü íà îáèëèå ïðîòèâîðå÷èé.
Ñíà÷àëà äàòñêèé ôèçèê Í. Áîð ïûòàëñÿ ïðèìåíèòü êëàññè÷åñêóþ ìåõàíèêó è ýëåêòðîäèíàìèêó ê çàäà÷å î òîðìîæåíèè çàðÿ-
194
æåííûõ ÷àñòèö ïðè äâèæåíèè ÷åðåç âåùåñòâî, íî ïðè çàäàííîì çíà÷åíèè ýíåðãèè ýëåêòðîíà ïîÿâëÿëàñü âîçìîæíîñòü ïðèïèñûâàòü åìó ïðîèçâîëüíûå ïàðàìåòðû îðáèòû (èëè ÷àñòîòû), ÷òî ïðèâîäèëî ê ïàðàäîêñàì. Ïëàíåòàðíàÿ ìîäåëü ñòðîåíèÿ àòîìà Ðå-çåðôîðäà îêàçûâàëàñü íåñîâìåñòèìîé ñ ýëåêòðîäèíàìèêîé Ìàêñâåëëà.
 ôåâðàëå 1913 ã. ïîÿâèëèñü ñòàòüè ïî èíòåðïðåòàöèè ñïåêòðîâ çâåçä Äæ. Íèêîëüñîíà. Îí, ðàñïðîñòðàíÿÿ èäåþ Ïëàíêà íà àòîìû, ïðåäëîæèë êâàíòîâàòü ïðîåêöèè ìîìåíòà ýëåêòðîíà. Òàê ïîÿâèëñÿ àòîì ñ äèñêðåòíûìè îðáèòàìè, ïî êîòîðûì âðàùàëèñü ãðóïïû ýëåêòðîíîâ, èçëó÷àþùèå ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû ñ ÷àñòîòîé, ðàâíîé ÷àñòîòå îáðàùåíèÿ. Òàêàÿ ìîäåëü ãîäèëàñü äëÿ ñèëüíî âîçáóæäåííûõ àòîìîâ, è Íèêîëüñîí îáúÿñíèë íåêîòîðûå îñîáåííîñòè â ñïåêòðàõ çâåçä è òóìàííîñòåé èñõîäÿ èç ìîäåëè àòîìà Íàãàîêà — ïðåäñòàâëåíèÿ îá ýëåêòðîííîì êîëüöå, âðàùàþùåìñÿ âîêðóã ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîãî ÿäðà. Àòîì õàðàêòåðèçîâàëñÿ, â ïåðâóþ î÷åðåäü, ñâîèì ñïåêòðîì èçëó÷åíèÿ. Îí ñâÿçàë ñî ñïåêòðàëüíûìè ÷àñòîòàìè ÷àñòîòû ñïåöèàëüíî ïîñòóëèðîâàííûõ ìåõàíè÷åñêèõ êîëåáàíèé ýëåêòðîíîâ, ïåðïåíäèêóëÿðíûõ ïëîñêîñòè êîëüöà. Íî òóò âîçíèêëè ïðîáëåìû óñòîé÷èâîñòè àòîìà, òàê êàê íóæíî áûëî ââîäèòü ñïåöèàëüíûå îãðàíè÷åíèÿ — âðàùàþùèéñÿ ýëåêòðîí äîëæåí äâèãàòüñÿ ãäå-òî áåç èçëó÷åíèÿ! (Íî Íèêîëüñîí äî ýòèõ ïðîáëåì åùå íå äîøåë.)
Òåîðèþ ñòðîåíèÿ àòîìà Áîð ñîãëàñîâàë ñ ïðîáëåìîé ïðîèñõîæäåíèÿ ñïåêòðîâ. Îí äîïîëíèë ìîäåëü Ðåçåðôîðäà ïîñòóëàòàìè, îáåñïå÷èâàþùèìè óñòîé÷èâîñòü àòîìà è ëèíåé÷àòûé ñïåêòð åãî èçëó÷åíèÿ, íå ñâîéñòâåííûìè êëàññè÷åñêîé íàóêå, â ñâîåé ðàáîòå «Î ñòðîåíèè àòîìîâ è ìîëåêóë». Áîð îòêàçàëñÿ îò ïðåäñòàâëåíèé êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè è îáðàòèëñÿ ê êâàíòîâîé ãèïîòåçå Ïëàíêà: îïðåäåëåííîå ñîîòíîøåíèå ìåæäó êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé â êîëüöå è ïåðèîäîì îáðàùåíèÿ — ýòî ïåðåíåñåíèå ñîîòíîøåíèÿ Å= hv, âûðàæàþùåãî ñâÿçü ìåæäó ýíåðãèåé è ÷àñòîòîé îñöèëëÿòîðà, äëÿ ñèñòåìû, ñîâåðøàþùåé ïåðèîäè÷åñêîå äâèæåíèå. Ñïåêòðàëüíûå ñåðèè àòîìà âîäîðîäà äàíû íà ðèñ. 5.7, à, á. Ñïåêòðàëüíûå ôîðìóëû Áàëüìåðà, Ðèäáåðãà è Ðèòöà ïîçâîëèëè ñôîðìóëèðîâàòü òðåáîâàíèÿ îáåñïå÷åíèÿ óñòîé÷èâîñòè àòîìà è ëèíåé÷àòîãî õàðàêòåðà ñïåêòðà àòîìà âîäîðîäà:
â àòîìå ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ñòàöèîíàðíûõ ñîñòîÿíèé (èëè îðáèò ýëåêòðîíîâ â ïëàíåòàðíîé ìîäåëè), íà êîòîðûõ àòîì íå èçëó÷àåò ýíåðãèè;
ïðè ïåðåõîäå ýëåêòðîíà ñ îäíîé ñòàöèîíàðíîé îðáèòû íà äðóãóþ àòîì èçëó÷àåò èëè ïîãëîùàåò ïîðöèþ ýíåðãèè, ïðîïîðöèîíàëüíóþ ÷àñòîòå, ñîãëàñóþùåéñÿ ñ ïðàâèëîì ÷àñòîò Ðèäáåðãà— Ðèòöà.
Èòàê, Áîð ïîñòóëèðîâàë ÷àñòîòû è ñóùåñòâîâàíèå ñòàöèîíàðíûõ ñîñòîÿíèé. Òî, ÷òî ýëåêòðîí ìîæåò íàõîäèòüñÿ òîëüêî íà îïðåäåëåííûõ îðáèòàõ, ñðàçó îáúÿñíÿëî ëèíåé÷àòûé ñïåêòð àòîìîâ — ýëåêòðîí èñïóñêàåò ñâåò òîëüêî ïðè ïåðåõîäå ñ îäíîé îðáèòû íà
195
äðóãóþ, ò.å. äèñêðåòíûìè ïîðöèÿìè, è íå èçëó÷àåò, íàõîäÿñü íà äîçâîëåííîé îðáèòå. Ïðàâèëüíîñòü ïðåäïîëîæåíèé Áîðà ìîãëî ïîäòâåðäèòü òîëüêî õîðîøåå ñîãëàñèå ñ ýêñïåðèìåíòîì. Ïîñòóëàòû Áîðà áûëè ðàäèêàëüíû, è äëÿ èõ âîñïðèÿòèÿ íàó÷íîìó ñîîáùåñòâó òðåáîâàëîñü ïðåîäîëåòü ïñèõîëîãè÷åñêèé áàðüåð (ðèñ. 5.8).
Ïðèìåíèâ ñâîþ òåîðèþ ê ñòðîåíèþ àòîìà âîäîðîäà, Áîð îáúÿñíèë äâå (èçâåñòíûå òîãäà) ñïåêòðàëüíûå ñåðèè è ïðåäñêàçàë åùå äâå, ïîêà íå îòêðûòûå. Îí äàë ðàöèîíàëüíîå îáúÿñíåíèå ñåðèÿì ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, îïðåäåëèë ðàäèóñ àòîìà è ïîäñ÷èòàë çíà÷åíèå ïîñòîÿííîé Ðèäáåðãà, âõîäèâøåé â êîìáèíàöèîííûé ïðèíöèï Ðèäáåðãà — Ðèòöà. Ýòî áûëî îãðîìíûì óñïåõîì. Íî ïðè ïåðåõîäå ê áîëåå ñëîæíûì àòîìàì Áîð ñòîëêíóëñÿ ñ òðóäíîñòÿìè: äëÿ àòîìà ãåëèÿ — òîëüêî ìàòåìàòè÷åñêèìè, à ïðè íåñêîëüêèõ ýëåêòðîíàõ çàäà÷à îêàçàëàñü ñëîæíåå, ÷åì çàäà÷à ìíîãèõ òåë â òåîðèè Íüþòîíà. È Áîð ñòàë ñòðîèòü âîäîðîäîïîäîáíûå ìîäåëè. Òåîðèþ óñîâåðøåíñòâîâàë íåìåöêèé ôèçèê À. Çîììåðôåëüä. Èç åãî ðàñ÷åòîâ ïîëó÷àëîñü, ÷òî îðáèòà — ïðåöåññèðóþùèé ýëëèïñ. Íî òàêîå èñêóññòâåííîå ñîåäèíåíèå êëàññè÷åñêèõ è êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé âåëî ê íåòî÷íûì ðåçóëüòàòàì äëÿ ñëîæíûõ àòîìîâ, íå îáúÿñíÿëî ðàçíóþ èíòåíñèâíîñòü ëèíèé â ñïåêòðàõ è ò.ä., õîòÿ äàííûå ïî ñïåêòðàì âîäîðîäà óæå â 1914 ã. áûëè ïîäòâåðæäåíû.
Èçìåðèòü îðáèòû ýëåêòðîíîâ ïûòàëèñü â òîì æå 1913 ã. Äæ. Ôðàíê è Ã. Ãåðö. Ýëåêòðîíû âûëåòàëè èç èñòî÷íèêà (ýëåêòðîííîé ïóøêè) ñ ýíåðãèåé, îïðåäåëÿåìîé óñêîðÿþùèì íàïðÿæåíèåì, ïðèëîæåííûì ê äâóì ïðîâîëî÷êàì, ïðîõîäèëè ÷åðåç ãàç èç ïàðîâ íàòðèÿ, ñòàëêèâàÿñü ñ íèìè è èñêàæàÿ ñâîè îðáèòû, òî÷íî òàê æå, êàê çâåçäà, ïðîõîäÿùàÿ âáëèçè ïëàíåòû, èñêàçèëà áû åå îð-
196
áèòó. Ïî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè ýòî âîçäåéñòâèå äîëæíî áûëî áû èçìåíèòü ñêîðîñòè ýëåêòðîíîâ â âûõîäÿùåì èç ãàçîâîé êàìåðû ïó÷êå. Îêàçàëîñü, ÷òî ñêîðîñòü ýëåêòðîíîâ â ïó÷êå ïî÷òè íå ìåíÿëàñü, åñëè èõ íà÷àëüíàÿ ýíåðãèÿ áûëà ìåíüøå íåêîòîðîé ìèíèìàëüíîé âåëè÷èíû (áîëüøåé â 1000 ðàç òåïëîâîé ýíåðãèè ïðè îáû÷íîé òåìïåðàòóðå), ò.å. ýíåðãèþ ýëåêòðîíà íåëüçÿ èçìåíèòü íà ïðîèçâîëüíóþ âåëè÷èíó, ÷åãî íå ìîæåò áûòü ïðè âîçäåéñòâèè íà ïëàíåòíóþ ñèñòåìó.
Ïîëó÷àëîñü, ÷òî àòîìó âîäîðîäà ìîæíî ñîîáùèòü òîëüêî 10; 12; 12,5; 12,9... ý ýíåðãèè, òîãäà êàê àòîìó íàòðèÿ — 2,1; 3,18; 3,6; 3,75... ý è ò.ä.* Êàæäàÿ âåëè÷èíà ýíåðãèè ñîîòâåòñòâóåò îïðåäåëåííîìó ñîñòîÿíèþ äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ, à êàæäàÿ ëèíèÿ — ñîñòîÿíèþ, êîòîðîå àòîìû ìîãóò ïðèíèìàòü (òàêèå ñîñòîÿíèÿ íàçâàëè ðàçðåøåííûìè êâàíòîâûìè ñîñòîÿíèÿìè, à îñòàëüíûå — çàïðåùåííûìè). Ñîñòîÿíèå ñ íàèìåíüøåé ýíåðãèåé îïðåäåëèëè êàê îñíîâíîå ñîñòîÿíèå, à îñòàëüíûå ðàçðåøåííûå — êàê âîçáóæäåííûå. Ïîðîãîâàÿ ýíåðãèÿ ðàâíà ðàçíîñòè ìåæäó ïåðâûì âîçáóæäåííûì è îñíîâíûì ñîñòîÿíèÿìè. Òàê âîçíèêëî ïðåäñòàâëåíèå î êâàíòàõ ýíåðãèè. Ðÿä ðàçðåøåííûõ çíà÷åíèé ýíåðãèè àòîìà îáû÷íî íàçûâàþò åãî ñïåêòðîì. Äàæå èç ïðèâåäåííûõ âûøå çíà÷åíèé ðàçðåøåííûõ ïîðöèé ýíåðãèè äëÿ àòîìîâ âèäíî, ÷òî ñ ðîñòîì ýíåðãèè âîçáóæäåíèÿ êâàíòîâûå ñîñòîÿíèÿ ñòàíîâÿòñÿ ñòîëü áëèçêèìè, ÷òî ïî÷òè ñëèâàþòñÿ, è êâàíòîâûå ýôôåêòû èñ÷åçàþò. Äæ. Ôðàíê è Ã. Ãåðö îïðåäåëèëè íåçàâèñèìûì îáðàçîì ïîñòîÿííóþ Ïëàíêà è äîêàçàëè äèñêðåòíîñòü óðîâíåé ýíåðãèè àòîìîâ, ò.å. è ìîäåëü Áîðà.
*  àòîìíîé ôèçèêå èç-çà ìàëîñòè âåëè÷èí è îáúåêòîâ èñïîëüçóåòñÿ åäèíèöà ýíåðãèè ýëåêòðîíâîëüò (ýÂ): 1 ý = 1,6 • 10-19 Äæ. Ýòó ýíåðãèþ ïðèîáðåòàåò ýëåêòðîí, ïðîéäÿ ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ â 1 Â.
197
Åñëè âîñïîëüçîâàòüñÿ ñðàâíåíèåì ýíåðãèè ñ áàíêîâñêèì ñ÷åòîì, ïðåäëîæåííûì Â. Âàéñêîïôîì, èçâåñòíûì ôèçèêîì è ïîïóëÿðèçàòîðîì, òî ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî «áàíê ðàçðåøàåò âíîñèòü âêëàäû íà ñ÷åò è ñíèìàòü ñ íåãî òîëüêî íåêîòîðûå îïðåäåëåííûå ñóììû, ÷òîáû äåðæàòü âåëè÷èíó âêëàäà íà îäíîì èç çàðàíåå ïðåäïèñàííûõ óðîâíåé... Íî ñòðàííûå ïðàâèëà, ðåãóëèðóþùèå áàíêîâñêèé ñ÷åò, íå ïðèìåíÿþòñÿ ê áîëüøèì âêëàäàì, ïîòîìó ÷òî ðàçìåðû äîçâîëåííûõ îïåðàöèé ïî âêëàäàì ñòàíîâÿòñÿ òåì ìåíüøå, ÷åì áîëüøå ñ÷åò».
Ìîäåëü Ðåçåðôîðäà—Áîðà — ïåðâàÿ êâàíòîâàÿ ìîäåëü ñòðîåíèÿ àòîìà. Îáúåäèíèâ â ñåáå ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå ïðè èññëåäîâàíèÿõ ðàäèîàêòèâíîñòè, îïòè÷åñêèõ è ýëåêòðîìàãíèòíûõ ÿâëåíèé, îíà ïîëîæèëà íà÷àëî íîâîé ýïîõå â ðàçâèòèè òåîðèè àòîìà è ñðàçó æå îáíàðóæèëà ñâîþ ïëîäîòâîðíîñòü â ñïåêòðîñêîïèè è òåîðèè õèìè÷åñêîé ñâÿçè. Ïðåäñêàçàíèå ñïåêòðà àòîìà âîäîðîäà — âûäàþùååñÿ äîñòèæåíèå òåîðèè è âåëè÷àéøèé òðèóìô ôèçèêè. Âïîñëåäñòâèè óñòàíîâèëè, ÷òî ýëåêòðîí íå ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà, îí îáëàäàåò âîëíîâûìè ñâîéñòâàìè, èìååò ñòðóêòóðó, çàâèñÿùóþ îò åãî ñîñòîÿíèÿ, à ñòàöèîíàðíûõ îðáèò íå ñóùåñòâóåò. Èç-çà âîëíîâîé ïðèðîäû ýëåêòðîíû è èõ çàðÿäû êàê áû ðàçìàçàíû ïî ïðîñòðàíñòâó àòîìà, ïðè÷åì òàê, ÷òî ýëåêòðîííàÿ ïëîòíîñòü íåîäíîðîäíà è èìååò ìàêñèìóìû â îïðåäåëåííûõ ìåñòàõ. Îïèñàíèå ïîâåäåíèÿ ýëåêòðîííîãî îáëàêà, äàííîå â êâàíòîâîé ìåõàíèêå, ñòàíîâèëîñü âñå áîëåå äàëåêèì îò íàãëÿäíîñòè. Ñïåöèôèêà êâàíòîâî-ïîëåâûõ ïðåäñòàâëåíèé çàêëþ÷àåòñÿ â âåðîÿòíîñòíîé ôîðìå çàêîíîâ.
Ïðè î÷åíü áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ ýíåðãèè, ñîîáùåííîé àòîìàì, îíè òåðÿþò ñâîè ñâîéñòâà, îáðàçóÿ ÷åòâåðòîå àãðåãàòíîå ñîñòîÿíèå — ïëàçìó.  ïëàçìå èñ÷åçàþò ïî÷òè âñå óïîðÿäî÷åíèÿ, îòëè÷àþùèå îäèí àòîì îò äðóãîãî, òàì öàðèò õàîñ. Ïëàçìà ãàçîîáðàçíîãî íåîíà (íà àòîì — 10 ýëåêòðîíîâ) èìååò òå æå ñâîéñòâà, ÷òî è ïëàçìà ãàçîîáðàçíîãî íàòðèÿ ñ 11 ýëåêòðîíàìè. Õàîñ òàêèõ âûñîêèõ òåìïåðàòóð íàáëþäàåì òîëüêî â ëàáîðàòîðèè, à äëÿ êîñìîñà — îáû÷íîå ÿâëåíèå. Áîð ïîêàçàë, ÷òî äëÿ áîëüøèõ äëèí âîëí ê ôîðìóëå Áàëüìåðà ìîæíî ïðèéòè ïî êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêå (â ýòîé îáëàñòè ñïåêòðà ñïðàâåäëèâà ôîðìóëà Ðýëåÿ—Äæèíñà). Ýòî ïîëîæåíèå, íàçâàííîå «ïðèíöèïîì ñîîòâåòñòâèÿ», ñòàëî ìåòîäîëîãè÷åñêèì îñíîâàíèåì ïåðâîíà÷àëüíîãî ðàçâèòèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè.  ïðåäåëå, êîãäà ñòàöèîíàðíûå ñîñòîÿíèÿ îêàçûâàþòñÿ áëèçêèìè è ìàëî îòëè÷èìûìè, ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ êëàññè÷åñêèìè ïðåäñòàâëåíèÿìè. Íî äëÿ ðàçâèòèÿ òåîðèè ýòîò ïðèíöèï íå îêàçàë êîíñòðóêòèâíîé ïîìîùè. Âàí-äåð-Âàðäåí íàçâàë âåñü ïåðèîä ñ 1919 ïî 1925 ã. ïåðèîäîì «ñèñòåìàòè÷åñêîãî óãàäûâàíèÿ» íà îñíîâå ïðèíöèïà ñîîòâåòñòâèÿ. Ñ.È.Âàâèëîâ ñ÷èòàë, ÷òî íåóäà÷à ñ ðàñ÷åòàìè àòîìà ãåëèÿ ëèøèëà Áîðà ìîùíîãî îðóäèÿ èññëåäîâàíèÿ — èñïîëüçîâàíèÿ êëàññè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé äëÿ «ïî÷òè èíòóèòèâíîãî óãàäûâàíèÿ èñòèííûõ îòíîøåíèé».
198
5.7. Êîðïóñêóëÿðíûå ñâîéñòâà ñâåòà. Ôîòîíû Ýéíøòåéíà è äîêàçàòåëüñòâî èõ ðåàëüíîñòè
Êîãäà óòâåðäèëàñü òåîðèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ Ìàêñâåëëà, îáíàðóæèëèñü ñâåòîâûå ÿâëåíèÿ, êîòîðûå íå ìîãëè áûòü îáúÿñíåíû ñ åå ïîìîùüþ. Òðóäíîñòè, âîçíèêøèå â ðàñïðåäåëåíèè ýíåðãèè ïî ñïåêòðó òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ è ïîëó÷èâøèå íàçâàíèå «óëüòðàôèîëåòîâîé êàòàñòðîôû», áûëè óñòðàíåíû òîëüêî ââåäåíèåì äèñêðåòíîñòè èçëó÷àåìîé ýíåðãèè: Å = hv, ãèïîòåçû êâàíòîâ ñâåòà. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ çàêîíîâ ôîòîýôôåêòà ïðèøëîñü ðàñøèðèòü ãèïîòåçó Ïëàíêà.
ßâëåíèå ôîòîýôôåêòà âïåðâûå íàáëþäàë Ã. Ãåðö (1887) è èññëåäîâàëè À. Ã. Ñòîëåòîâ, Â.Ãàëëüâàêñ è Ô.Ëåíàðä.  1902 ã. áûë îáíàðóæåí íèæíèé ïðåäåë ÷àñòîòû ñâåòà, äî êîòîðîãî òîê íå ïîÿâëÿåòñÿ è íà÷èíàÿ ñ êîòîðîãî âîçðàñòàëà ñ óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû ýíåðãèÿ îñâîáîæäåííûõ ýëåêòðîíîâ. Çàêîíû ôîòîýôôåêòà, ïîëó÷åííûå èç îïûòîâ, ïîêàçûâàëè, ÷òî ìåæäó ïëàñòèíàìè âîçíèêàåò ýëåêòðè÷åñêèé òîê, êîòîðûé ñíà÷àëà áûñòðî ðàñòåò, çàòåì ïåðåõîäèò ê íàñûùåíèþ, ïðè÷åì ôîòîòîê íàñûùåíèÿ çàâèñèò òîëüêî îò ìîùíîñòè ñâåòîâîãî ïîòîêà, ïàäàþùåãî íà ïëàñòèíó. Ýíåðãèÿ èñïóñêàåìûõ ýëåêòðîíîâ îïðåäåëÿëàñü ÷àñòîòîé ïàäàþùåãî ñâåòà è ïðèðîäîé âåùåñòâà, à íå çàâèñåëà îò èíòåíñèâíîñòè ïîãëîùàåìîãî èçëó÷åíèÿ (îò íåå çàâèñåëî ëèøü ïîëíîå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ). Ýòè çàêîíû íå ñîîòâåòñòâîâàëè ïðåäñòàâëåíèÿì âîëíîâîé òåîðèè ñâåòà — âîëíà íå ìîæåò âûáèâàòü ýëåêòðîíû èç êàòîäà. À. Ýéíøòåéí ïðèñïîñîáèë èäåþ Ïëàíêà ê îáúÿñíåíèþ ýòèõ çàêîíîâ.
Ôîòîýôôåêò óêàçûâàåò íà äèñêðåòíîå ñòðîåíèå ñâåòà, ñâÿçàííîå ñ ñóùåñòâîâàíèåì êâàíòîâ, — ðåøèë Ýéíøòåéí. Íàçâàâ êâàíòû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ôîòîíàìè, îí ñòàë ðàññìàòðèâàòü ñâåòîâîé ïîòîê êàê ïîòîê êâàíòîâ ñ ýíåðãèåé Å = hv, ïàäàþùèõ íà ïëàñòèíêó. Ýíåðãèÿ ïîðöèè ñâåòà çàòðà÷èâàåòñÿ íà ñîâåðøåíèå ðàáîòû ïî âûðûâàíèþ ýëåêòðîíà è ñîîáùåíèþ åìó êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè. Åñëè âåëè÷èíà Å = hvìåíüøå, ÷åì ðàáîòà âûõîäà À, ýôôåêò íå íàñòóïàåò; çíà÷èò, ñî ñòîðîíû áîëüøèõ âîëí ñóùåñòâóåò ïðåäåë, çàâèñÿùèé îò îáëó÷àåìîãî òåëà. Åñëè æå âåëè÷èíà Å = hváîëüøå ýòîãî ïðåäåëà, òî ýíåðãèÿ îñâîáîæäåííîãî ýëåêòðîíà ðàâíà ýíåðãèè êâàíòà, óìåíüøåííîé íà ðàáîòó âûõîäà. Ïðè ýòîì ñêîðîñòü ôîòîýëåêòðîíîâ óâåëè÷èâàåòñÿ ñ ÷àñòîòîé ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ è íå çàâèñèò îò åãî ïëîòíîñòè. Êðàñíàÿ ãðàíèöà ôîòîýôôåêòà — îïðåäåëåííàÿ äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ, íà÷èíàÿ ñ êîòîðîé íàáëþäàåòñÿ òîê, — ñâÿçàíà ñ ðàçíîé ðàáîòîé âûõîäà ôîòîýëåêòðîíà èç ðàçíûõ ìåòàëëîâ. ×àñòèöû ñâåòà â îòëè÷èå îò ÷àñòèö ýëåêòðè÷åñòâà — ýëåêòðîíîâ íå îäèíàêîâû, à îòëè÷àþòñÿ ýíåðãèåé, ðàâíîé hv. Îíè ðîæäàþòñÿ ïðè èñïóñêàíèè ñâåòà è èñ÷åçàþò ïðè ïîãëîùåíèè, ò. å. â îòëè÷èå îò êîðïóñêóë Íüþòîíà îáëàäàþò ìàòåðèàëüíîé ñóùíîñòüþ.
199
Ýéíøòåéí ðàñïðîñòðàíèë äèñêðåòíîñòü íå òîëüêî íà èñïóñêàíèå è ïîãëîùåíèå, íî è íà ñàìî èçëó÷åíèå: «Ìû äîëæíû ïðåäïîëîæèòü, ÷òî îäíîðîäíûé ñâåò ñîñòîèò èç çåðåí ýíåðãèè... «ñâåòîâûõ êâàíòîâ», ò. å. íåáîëüøèõ ïîðöèé ýíåðãèè, íåñóùèõñÿ â ïóñòîì ïðîñòðàíñòâå ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà». Ïðàâîòó âûâîäîâ ïîäòâåðäèë Ìèëëèêåí, îïðåäåëèâ ïîñòîÿííóþ Ïëàíêà h(1916).
 1912 ã. Ýéíøòåéí, èñõîäÿ èç òåõ æå ñîîáðàæåíèé, óñòàíîâèë îñíîâíîé ôîòîõèìè÷åñêèé çàêîí, ñîãëàñíî êîòîðîìó ïðè âñÿêîé ôîòîõèìè÷åñêîé ðåàêöèè ïðîèñõîäèò ñíà÷àëà ïîãëîùåíèå îäíîãî êâàíòà ñâåòà, à çàòåì âûçâàííîå èì ïðåâðàùåíèå (âîçáóæäåíèå èëè èîíèçàöèÿ ñ èñïóñêàíèåì ýëåêòðîíà) â îäíîì àòîìå èëè ìîëåêóëå.
Íàáëþäàåòñÿ ÿâëåíèå, îáðàòíîå ÿâëåíèþ ôîòîýôôåêòà, — âîçíèêàåò èçëó÷åíèå èç-çà çàõâàòà ýëåêòðîíà àòîìîì èëè ìîëåêóëîé. Çàõâàò ïðîèñõîäèò â îäíîì àêòå, ïîÿâëÿåòñÿ ôîòîí, ýíåðãèÿ êîòîðîãî ðàâíà êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ýëåêòðîíà (ñëîæåííîé ñ ðàáîòîé âûõîäà).  òðóáêå Ðåíòãåíà òîðìîæåíèå ýëåêòðîíîâ ïðîèñõîäèò íà àíòèêàòîäå âî ìíîãèõ ýëåìåíòàðíûõ àêòàõ. Íî íàèáîëüøàÿ âîçìîæíàÿ ÷àñòîòà âñåãäà ñîîòâåòñòâóåò êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ýëåêòðîíîâ. Ýòî óòâåðæäàåòñÿ â çàêîíå Äþàíå è Ãóíòà (1915).
Ýéíøòåéí, àíàëèçèðóÿ ñòàòèñòè÷åñêèå çàêîíîìåðíîñòè èçëó÷åíèÿ, êðîìå ýíåðãèè ôîòîíà Å = hv, óïîìèíàë èìïóëüñ ôîòîíà è ïîä÷åðêèâàë, ÷òî îí âàæåí, íåñìîòðÿ íà ñâîþ ìàëóþ âåëè÷èíó.  1923 ã. àìåðèêàíñêèé ôèçèê À.Êîìïòîí ïîêàçàë, ÷òî ïðè ðàññåÿíèè ëåãêèìè ýëåìåíòàìè æåñòêèõ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé â ðàññåÿííîì èçëó÷åíèè ïîÿâëÿþòñÿ ëó÷è ñ èçìåíåííîé äëèíîé âîëíû, êîòîðàÿ çàâèñèò îò óãëà ðàññåÿíèÿ (ðèñ. 5.9). Ýòîò ýôôåêò (ðàçíèöà ÷àñòîò èçëó÷åíèÿ) íå ìîã áûòü îáúÿñíåí â êëàññè÷åñêîé òåîðèè è ëåãêî îáúÿñíÿëñÿ â êâàíòîâîé, ïîñòðîåííîé íåçàâèñèìî Ï. Äåáàåì è À. Êîìïòîíîì. Îíà ÿâëÿåòñÿ ïî ñóùåñòâó ïðèìåíåíèåì çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè è èìïóëüñà ê âçàèìîäåéñòâèþ ìåæäó êâàíòîì ñâåòà è ñâîáîäíûì ýëåêòðîíîì. Ïîñëå óäàðà ÷àñòü ýíåðãèè è èìïóëüñà êâàíòà ïåðåõîäèò ê ýëåêòðîíó, à ôîòîí ëåòèò äàëüøå ñ äðóãîé ÷àñòîòîé (óìåíüøåííîé ýíåðãèåé) è â äðóãîì íàïðàâëåíèè. Ýòè ïðåäñòàâëåíèÿ ïîäòâåðäèëèñü îïûòàìè.
Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè
çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà — ÷àñòîòà ïàäàþùèõ
ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé, — ýíåðãèÿ ïîêîÿùåãîñÿ ýëåêòðîíà, v — ÷àñòîòà
ðàññåÿííûõ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé, — îòíîøåíèå ñêîðîñòè ýëåêòðîíà
ïîñëå ñîóäàðåíèÿ ñ ôîòîí ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ ê ñêîðîñòè ñâåòà ñ.
Èç ýòèõ óðàâíåíèé ìîæíî îïðåäåëèòü Óãîë
åñòü óãîë ìåæäó íàïðàâëåíèÿìè ïåðâîíà÷àëüíîãî è ðàññåÿííîãî ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèé. Ýôôåêò Êîìïòîíà ÿâëÿëñÿ ïðÿìûì ïîäòâåðæäåíèåì ãèïîòåçû ñâåòîâûõ êâàíòîâ.
Èç òðåõ êîíñòàíò ìîæíî ñîñòàâèòü êîìáèíàöèþ, èìåþùóþ
ðàçìåðíîñòü äëèíû , íàçûâàåìóþ êîìïòîíîâñêîé äëèíîé âîëíû,
200
êîòîðàÿ ðàâíà 2,42 • 10-12 ì. Çàâèñèìîñòü èçìåíåíèÿ äëèíû âîëíû ôîòîíà îò óãëà ðàññåÿíèÿ ìîæíî çàïèñàòü òàê:
Èòàê, êâàíòîâûå ñâîéñòâà ôîòîíà ïðîÿâëÿþòñÿ â ôîòîýôôåêòå, îñíîâíîì ôîòîõèìè÷åñêîì çàêîíå, â ýôôåêòå Êîìïòîíà (â ïåðâûõ ãëàâíóþ ðîëü èãðàåò ýíåðãèÿ ôîòîíà, â òðåòüåì — åãî èìïóëüñ). Êîìïòîí è Äåáàé íåçàâèñèìî óêàçàëè, ÷òî îñíîâíûå îñîáåííîñòè ýòèõ ÿâëåíèé îáúÿñíåíû, åñëè ðàññìàòðèâàòü âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ýëåêòðîíîì è ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíîé êàê ñîóäàðåíèå ýëåêòðîíà ñ ôîòîíîì. Òåì ñàìûì áûëà äîêàçàíà ñïðàâåäëèâîñòü êâàíòîâîé òåîðèè ñâåòà.
Îòêðûòèå êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ ñâåòà (âæèä-êîñòÿõ è êðèñòàëëàõ) ïîäòâåðäèëî ãèïîòåçó ñâåòîâûõ êâàíòîâ. Ñóòü ÿâëåíèÿ ñîñòîèò â ñëåäóþùåì. Êâàíòû îïòè÷åñêîãî äèàïàçîíà ïîãëîùàþòñÿ ìîëåêóëàìè âåùåñòâà è âûçûâàþò èõ âîçáóæäåíèå. Âîçáóæäåííàÿ ìîëåêóëà èçëó÷àåò êâàíò ñ ìåíüøåé ýíåðãèåé, è âòîðè÷íîå èçëó÷åíèå îêàçûâàåòñÿ ñìåùåííûì â êðàñíóþ ñòîðîíó ñïåêòðà. Íî ïðè ïîãëîùåíèè ôîòîíà ìîëåêóëîé, êîòîðàÿ â ýòîò ìîìåíò óæå íàõîäèòñÿ â âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè, âòîðè÷íîå èçëó÷åíèå ìîæåò èìåòü è áîëüøóþ ýíåðãèþ, ò.å. áóäåò ñìåùåíî â ôèîëåòîâóþ ñòîðîíó ñïåêòðà. Êîìáèíàöèîííîå èçëó÷åíèå îáúÿñíÿåò ìíîãèå ïðèðîäíûå ÿâëåíèÿ è øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èçó÷åíèÿ ñòðîåíèÿ ìîëåêóë, ìåæìîëåêóëÿðíûõ âçàèìîäåéñòâèé, ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, ïîâåðõíîñòíûõ ÿâëåíèé, ôàçîâûõ ïåðåõîäîâ.
 ïîñëåäíèå 30 ëåò â êà÷åñòâå èñòî÷íèêîâ ñâåòà ñòàëè øèðîêî ïðèìåíÿòü ëàçåðû, è áûëè ïîëó÷åíû ïðîñòî ôàíòàñòè÷åñêèå ïî òî÷íîñòè ðåçóëüòàòû. Åñëè ðàíüøå íóæíî áûëî ïîäáèðàòü ñëó÷àè, êîãäà ëèíèÿ êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ ïðèõîäèëàñü íà êðàé ïîëîñû ýëåêòðîííîãî ïîãëîùåíèÿ, ÷òî óäàâàëîñü ðåäêî, òî ñ èñïîëüçîâàíèåì ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ, ïåðåñòðàèâàåìûõ ïî ÷àñòîòå, ìîæíî ïîëó÷èòü óçêóþ ñïåêòðàëüíóþ ëèíèþ â ðàçíûõ îáëàñ-
201
òÿõ ñïåêòðà: ìîæíî èçó÷àòü ðåçîíàíñíîå ðàññåÿíèå, ðàíåå íåäîñòóïíóþ êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíóþ òîíêóþ ñòðóêòóðó ëèíèé, êîòîðàÿ âåñüìà èíôîðìàòèâíà.
5.8. Ïîãëîùåíèå è èñïóñêàíèå êâàíòîâ ñâåòà. Ñïîíòàííîå è âûíóæäåííîå èçëó÷åíèÿ
àññìàòðèâàÿ ïîãëîùåíèå è èñïóñêàíèå ôîòîíîâ, íàõîäÿùèõñÿ ïîä íåïðåðûâíûì âîçäåéñòâèåì èçëó÷åíèÿ, Ýéíøòåéí íàøåë, ÷òî ðàâíîâåñíîå âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó âåùåñòâîì è èçëó÷åíèåì íå ìîæåò ñîñòîÿòü òîëüêî èç àêòîâ ïåðåäà÷è ýíåðãèè îò èçëó÷åíèÿ âåùåñòâó (ïîãëîùåíèÿ) èëè îáðàòíîé ïåðåäà÷è îò âåùåñòâà ê èçëó÷åíèþ (ñïîíòàííîãî èñïóñêàíèÿ). Òîãäà íå ïîíÿòåí ïîñòóëàò Ïëàíêà î ðàâíîðàñïðåäåëåíèè ýíåðãèè â ñïåêòðå ðàâíîâåñíîãî èçëó÷åíèÿ (èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå, íàïðèìåð, Ñîëíöà, íåñåò ìíîãî ýíåðãèè — ïîòîìó ãðååò, à áîëåå êîðîòêîâîëíîâîå — ìåíüøå — îò íåãî ìû çàãîðàåì, íî íå ñîãðåâàåìñÿ). Íåîáõîäèìî ââåñòè åùå îäíî èçëó÷åíèå — âûíóæäåííîå, èëè èíäóöèðîâàííîå âíåøíèì ïîëåì è êîãåðåíòíîå ñ íèì. Òîãäà Ýéíøòåéí è íå ïîäîçðåâàë, ÷òî ïîÿâèòñÿ âîçìîæíîñòü óñèëåíèÿ ýòîãî ââåäåííîãî èì èçëó÷åíèÿ è òåì ñàìûì ïðîèçîéäåò íàñòîÿùàÿ ðåâîëþöèÿ â îïòèêå, ñâÿçàííàÿ ñ îòêðûòèåì è ñîçäàíèåì ìàçåðîâ è ëàçåðîâ.
Ýéíøòåéí ïðèìåíèë ê ìîäåëè àòîìà Áîðà ìåòîäû ñòàòèñòèêè è âûâåë ôîðìóëó Ïëàíêà äëÿ ðàâíîâåñíîãî èçëó÷åíèÿ. Òàê îí ñòàë ðàçðàáàòûâàòü ñòàòèñòè÷åñêóþ êâàíòîâóþ òåîðèþ èñïóñêàíèÿ è ïîãëîùåíèÿ ñâåòà îòäåëüíûì àòîìîì. Ñàìîå âàæíîå — ââåäåíèå âåðîÿòíîñòè äëÿ îïèñàíèÿ ìèêðîîáúåêòîâ. Êðîìå âåðîÿòíîñòåé ñïîíòàííîãî è èíäóöèðîâàííîãî èçëó÷åíèé, îí ïðåäïîëîæèë è ñëó÷àéíîå íàïðàâëåíèå âûëåòà êâàíòà èç ìîëåêóëû, êîòîðîå íåëüçÿ ïðåäñêàçàòü.
Âåðîÿòíîñòü ñïîíòàííîãî èñïóñêàíèÿ âïåðâûå ââåë Ðåçåðôîðä äëÿ óðàâíåíèÿ ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà (1900). Ýéíøòåéí ñ÷èòàë òàêîé ïîäõîä ñâÿçàííûì ñ íåäîñòàòî÷íîñòüþ çíàíèé î ñèñòåìå. Ýòîìó ïîñâÿùåíû åãî ñïîðû ñ Áîðîì, èçâåñòíûå ïîä íàçâàíèåì: «Èãðàë ëè Áîã â êîñòè ïðè ñîòâîðåíèè ìèðà?» Íàó÷íîå ñîîáùåñòâî íå âîñïðèíèìàëî âåðîÿòíîñòíûé ïîäõîä è òåîðèþ ñâåòîâûõ êâàíòîâ, ÷òî, êàê îòìåòèë àêàäåìèê À. Á. Ìèã-äàë, îòðàçèëîñü â ôîðìóëèðîâêå Íîáåëåâñêîãî êîìèòåòà, ïðèñóäèâøåãî Ýéíøòåéíó ïðåìèþ ïî ôèçèêå (1922): «çà âêëàä â òåîðåòè÷åñêóþ ôèçèêó è îñîáåííî çà îòêðûòèå çàêîíîâ ôîòîýôôåêòà», íî îá îòêðûòèè êâàíòîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, êàê è î òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè, íå áûëî íè ñëîâà. Âîñïðèÿòèå íîâûõ èäåé ïðîèñõîäèëî ïîñòåïåííî.
Èñïîëüçóÿ â ñâîåé ðàáîòå (1926) òåðìèí «ôîòîí», Äæ.Ëûîèñ ðàññìàòðèâàë êâàíò ñâåòà êàê íåäåëèìûé àòîì. Â 1927 ã. ñîñòîÿëñÿ
202
î÷åðåäíîé Ñîëüâååâñêèé êîíãðåññ, â ïðîãðàììå êîòîðîãî óæå ñòîÿëè âîïðîñû îá ýëåêòðîíàõ è ôîòîíàõ. Ïîñòåïåííî ôîòîí áûë ïðèçíàí ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöåé ñ ìàññîé ïîêîÿ, ðàâíîé íóëþ, è ñî ñïèíîì, ðàâíûì åäèíèöå.
Èòàê, àòîì ìîæåò ïðåòåðïåòü ïåðåõîä ñ âåðõíåãî óðîâíÿ íà íèæíèé áëàãîäàðÿ ñïîíòàííîìó èñïóñêàíèþ. Âåðîÿòíîñòü òàêîãî ïåðåõîäà â åäèíèöó âðåìåíè íå çàâèñèò îò èíòåíñèâíîñòè ïîëÿ èçëó÷åíèÿ, à îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî ïàðàìåòðàìè óðîâíåé òèï,ó÷àñòâóþùèõ â ïåðåõîäå, è õàðàêòåðèçóåòñÿ êîýôôèöèåíòîì . Âåðîÿòíîñòü âûíóæäåííîãî ïðîöåññà â åäèíèöó âðåìåíè ïðîïîðöèîíàëüíà ïëîòíîñòè ýíåðãèè ïîëÿ èçëó÷åíèÿ íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå, êîòîðàÿ ñîîòâåòñòâóåò äâóì àòîìíûì ñîñòîÿíèÿì, ó÷àñòâóþùèì â ïåðåõîäå. Ñêîðîñòü òàêîãî âûíóæäåííîãî èñïóñêàíèÿ ðàâíà , ãäå èíäåêñ, îòíîñÿùèéñÿ ê ïëîòíîñòè èçëó÷åíèÿ, óêàçûâàåò, ÷òî çäåñü ðàññìàòðèâàåòñÿ ñëó÷àé òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ.
Àòîì â íèæíåì ñîñòîÿíèè ìîæåò ïîãëîùàòü ýíåðãèþ, ïåðåõîäÿ íà áîëåå âûñîêèé óðîâåíü, è ýòîò ïðîöåññ àíàëîãè÷åí ïðåäûäóùåìó. Ñêîðîñòü ïîãëîùåíèÿ ìîæåò áûòü çàïèñàíà â âèäå . Ïîñêîëüêó ðàâíîâåñèå åñòü ñòàöèîíàðíîå ñîñòîÿíèå, òî ìåæäó ïðîöåññàìè, îáóñëîâëèâàþùèìè çàñåëåíèå è îïóñòîøåíèå ðàçëè÷íûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé, äîëæíî ñóùåñòâîâàòü äåòàëüíîå ðàâíîâåñèå:
Èñïîëüçóÿ ðàñïðåäåëåíèå Áîëüöìàíà äëÿ îïðåäåëåíèÿ îòíîøåíèÿ çàñåëåííîñòè óðîâíåé è ôîðìóëó Ïëàíêà, ìîæíî ïîëó÷èòü îáúÿñíåíèå ðàñïðåäåëåíèé ïðè òåïëîâîì ðàâíîâåñèè. Åñëè óðîâåíü îò âûøå óðîâíÿ ë, òî ÷èñëî àòîìîâ íà óðîâíå îò ìíîãî ìåíüøå, ÷åì íà óðîâíå ï.
Âûíóæäåííîå èñïóñêàíèå äîëæíî èìåòü ìåñòî ïðè ñîâïàäåíèè ÷àñòîòû ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ ñ îäíîé èç âîçìîæíûõ ÷àñòîò àòîìîâ äàííîãî ñîðòà, — çàìåòèë â 1927 ã. Äèðàê.  ðåçóëüòàòå òàêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ âîçáóæäåííîãî àòîìà ñ ôîòîíîì ïîëó÷àþòñÿ äâà ñîâåðøåííî îäèíàêîâûõ ôîòîíà. Îñîáåííîñòè âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ — ìîíîõðîìàòè÷íîñòü è êîãåðåíòíîñòü.
 1939 ã. ñîâåòñêèé ôèçèê Â. À. Ôàáðèêàíò óêàçàë, ÷òî çà ñ÷åò íåðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ ìîæíî ñäåëàòü îòíîøåíèå ÷èñëà ÷àñòèö íà âîçáóæäåííîì óðîâíå ê ÷èñëó ÷àñòèö íà íåâîçáóæäåííîì áîëüøå åäèíèöû. Òàêàÿ ñðåäà, íàçûâàåìàÿ èíâåðñíî-çàñåëåííîé, âìåñòî ïîãëîùåíèÿ áóäåò óñèëèâàòü ñâåò.  1951 ã. îí âìåñòå ñ Ô. À.Áóãàåâîé è Ì.Ì.Âóäûíñêèì ïîëó÷èë àâòîðñêîå ñâèäåòåëüñòâî íà èçîáðåòåíèå ïðèíöèïèàëüíî íîâîãî ñïîñîáà óñèëåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ çà ñ÷åò âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ. Ñèñòåìà àòîìîâ (èëè ìîëåêóë) ñ èíâåðñíîé çàñåëåííîñòüþ óðîâíåé ïðè íàëè÷èè â ñèñòåìå îáðàòíîé ñâÿçè ñïîñîáíà íå òîëüêî óñèëèâàòü, íî è ãåíåðèðîâàòü êîãåðåíòíîå èçëó÷åíèå. Âñêîðå ýòîò ñïîñîá áûë ðåàëèçîâàí (ñíà÷àëà â äèàïàçîíå ÑÂ×).
Êîãåðåíòíîñòü ñàíòèìåòðîâûõ âîëí óñòàíîâèë À. Ì. Ïðîõîðîâ â òîì æå, 1951 ã. ïðè ðàçðàáîòêå ìîëåêóëÿðíûõ ñòàíäàðòîâ ÷àñòîòû è âðåìåíè.  1952 ã. îí âìåñòå ñ Í. Ã. Áàñîâûì ñîîáùèëè íà íàó÷íîé êîíôåðåíöèè î âîçìîæíîñòè ñîçäàíèÿ óñèëèòåëÿ è ãåíåðàòîðà èçëó÷åíèé â ÑÂ×-äè-
203
àïàçîíå íà ïó÷êå ìîëåêóë àììèàêà â êà÷åñòâå àêòèâíîé ñðåäû. Îíè íàçâàëè åãî «ìîëåêóëÿðíûì ãåíåðàòîðîì». Ñ àíàëîãè÷íûì ïðåäëîæåíèåì âûñòóïèë è àìåðèêàíñêèé ôèçèê ×.Òàóíñ.
Ïåðâûé êâàíòîâûé ãåíåðàòîð íà ïó÷êå ìîëåêóë àììèàêà áûë ñîçäàí â 1954 ã. Í.Ã.Áàñîâ, À.Ì.Ïðîõîðîâ è àìåðèêàíñêèé ôèçèê ×. Òà-óíñ â îäíî âðåìÿ ïðåäëîæèëè è îñóùåñòâèëè îáðàòíóþ ñâÿçü, ïîìåñòèâ àêòèâíóþ ñðåäó â ðåçîíàòîð ñ äâóìÿ ïàðàëëåëüíûìè çåðêàëàìè. Îí ðàáîòàë íà äëèíå âîëíû 1,25 • 10-6 ì. Êâàíòîâûå óñèëèòåëè ðàäèîäèàïàçîíà ñòàëè íàçûâàòü ìàçåðàìè, îïòè÷åñêîãî — ëàçåðàìè (àíãë. Microwave (Light) Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — óñèëåíèå ìèêðîâîëíîâîãî (ñâåòîâîãî) èçëó÷åíèÿ ïóòåì ñòèìóëèðîâàííîãî èëè èíäóöèðîâàííîãî èçëó÷åíèÿ (ðèñ. 5.10). Òðåõóðîâíåâûé ìåòîä ñîçäàíèÿ íåðàâíîâåñíûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì, øèðîêî èñïîëüçóåìûé â êâàíòîâîé ýëåêòðîíèêå, ïðåäëîæèë â 1955 ã. Í.Ã.Áàñîâ. Ïðèíöèïû ðàáîòû ëàçåðà ðàçðàáîòàë ×.Òàóíñ â 1958 ã. âìåñòå ñ À. Øàâ-ëîâûì. Îíè èñïîëüçîâàëè â äàëüíåéøåì ëàçåðû äëÿ ïðîâåðêè òîíêèõ ýôôåêòîâ òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè è â ïðèëîæåíèÿõ ê áèîëîãèè è ìåäèöèíå.  1969 ã. Òàóíñ îòêðûë êîñìè÷åñêèé ìàçåð.
Í. Ã. Áàñîâó ïðèíàäëåæàò ïåðñïåêòèâíûå èäåè ïî ðàçðàáîòêå è ñîçäàíèþ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ, ëàçåðíîãî òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà, õèìè÷åñêèõ ëàçåðîâ è ò. ä.
Ïåðâûé ëàçåð áûë ñîçäàí àìåðèêàíñêèì ôèçèêîì Ò. Ìåéìå-íîì â 1960 ã. íà êðèñòàëëå ðóáèíà.  òîì æå ãîäó áûë ñîçäàí ëàçåð â ýëåêòðè÷åñêîì ðàçðÿäå íà ñìåñè ãåëèÿ è íåîíà (À.Äæîâàí, Â.Áåííåòò, Ä. Ýëðèîò), êîòîðûé ïîëó÷èë íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå.  1966 ã. Ê. Ïàòåëð ïðåäñòàâèë ÑO2 — ëàçåð ñ áîëüøîé âûõîäíîé ìîùíîñòüþ.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ëàçåðû ñîçäàíû íà êðèñòàëëàõ, ãàçàõ, ïó÷êàõ ýëåêòðîíîâ è æèäêîñòÿõ. Îíè êîíöåíòðèðóþò èçëó÷åíèå ïî íàïðàâëåíèþ èñïóñêàíèÿ, ýíåðãèè, óãëó ðàñõîäèìîñòè è ñïåêòðàëüíîìó èíòåðâàëó. Ôàêòè÷åñêè ïîä ëþáóþ çàäà÷ó ìîæíî ïîäîáðàòü èñòî÷íèê èçëó÷åíèÿ ñ íóæíûìè ñâîéñòâàìè.
5.9. Êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâûå ñâîéñòâà âåùåñòâà è çíà÷åíèå èõ îòêðûòèÿ
Ñèíòåç êîðïóñêóëÿðíûõ è âîëíîâûõ ïðåäñòàâëåíèé ïðåäëîæèë â 1924 ã. ìîëîäîé ôðàíöóçñêèé ôèçèê Ëóè Âèêòîð äå Áðîéëü, ïðèïèñàâ ëþáîé ÷àñòèöå íåêèé âíóòðåííèé ïåðèîäè÷åñêèé ïðîöåññ è
204
ðàññìîòðåâ åäèíûì îáðàçîì ÷àñòèöû âåùåñòâà è ñâåòà. Îí ðàçâèë ïðåäñòàâëåíèÿ Ýéíøòåéíà î äâîéñòâåííîé ïðèðîäå ñâåòà, ðàñïðîñòðàíèâ èõ íà âåùåñòâî. Äëÿ ýòîãî îí îáúåäèíèë ôîðìóëó Ïëàíêà Å = hvè ôîðìóëó Ýéíøòåéíà Å = òñ2 è ïîëó÷èë ñîîòíîøåíèå, ïîêàçûâàþùåå, ÷òî ëþáîé ÷àñòèöå ïðè îïðåäåëåííûõ ìàññå è ñêîðîñòè ñîîòâåòñòâóåò ñâîÿ äëèíà âîëíû. Ñàìà âîëíà íå íåñåò ýíåðãèþ, à òîëüêî îòîáðàæàåò «ðàñïðåäåëåíèå ôàç» íåêîåãî ïåðèîäè÷åñêîãî ïðîöåññà â ïðîñòðàíñòâå. Ýòó ôèêòèâíóþ âîëíó äå Áðîéëü íàçâàë «ôàçîâîé âîëíîé», ôîðìà ëó÷åé êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ ïðèíöèïîì íàèìåíüøåãî âðåìåíè ðàñïðîñòðàíåíèÿ, âûäâèíóòîãî åùå Ôåðìà.
Âñëåä çà Ãàìèëüòîíîì äå Áðîéëü ñðàâíèë ïðèíöèï Ôåðìà â îïòèêå ñ ïðèíöèïîì íàèìåíüøåãî äåéñòâèÿ â êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå è ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî îáúåäèíåíèå ýòèõ ýêñòðåìàëüíûõ ïðèíöèïîâ äîëæíî ñòàòü îñíîâîé îáúåäèíåíèÿ âîëíîâûõ è êîðïóñêóëÿðíûõ ïðåäñòàâëåíèé, ñèíòåçà âîëí è êâàíòîâ. Ãàìèëüòîí ïîä÷åðêèâàë, ÷òî äåëî íå â òîì, ÷òîáû ïðåäñòàâèòü ñåáå ñâåò êàê ïîòîê ÷àñòèö èëè êàê âîëíó, à â òîì, ÷òîáû ñîçäàòü òåîðèþ, ñîãëàñóþùóþñÿ ñ îïûòîì. Óñòàíîâèâ ìàòåìàòè÷åñêóþ òîæäåñòâåííîñòü ïðîáëåì ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè è ìåõàíèêè, îí âîîáùå èãíîðèðîâàë âîïðîñ î ïðèðîäå ñâåòà, íî åãî îïòèêî-ìåõàíè÷åñêàÿ àíàëîãèÿ áûëà íà÷àëîì ñîïîñòàâëåíèÿ ïðåðûâíîñòè è íåïðåðûâíîñòè, «÷àñòèöû» è «âîëíû».
Áðîéëü ïîøåë äàëüøå íå òîëüêî Ãàìèëüòîíà, íî è Ïëàíêà, è Ýéíøòåéíà. Ñîîòíîøåíèÿ Ýéíøòåéíà äëÿ ñâåòîâûõ êâàíòîâ â îáúÿñíåíèè ôîòîýôôåêòà òðåáóþò ñîõðàíåíèÿ
ïîíÿòèÿ ÷àñòîòû, ïîýòîìó ñîõðàíÿþòñÿ è âîëíîâûå ñâîéñòâà ñâåòà êàê êîëåáàòåëüíîãî ïðîöåññà, ò. å. â ñâîéñòâàõ ñâåòà ïðèñóòñòâóåò äâîéñòâåííîñòü.  ñâîåé ãèïîòåçå äå Áðîéëü èñõîäèë èç àíàëîãèé, îñíîâàííûõ íà èäåå åäèíñòâà ïðèðîäû. Ýéíøòåéí ñðàçó ïîíÿë, ÷òî çäåñü ðå÷ü èäåò íå ïðîñòî îá àíàëîãèè ñâåòà è âåùåñòâà. Åñëè ýòà èäåÿ ñïðàâåäëèâà, òî ìîæíî îæèäàòü âîëíîâîãî ÿâëåíèÿ è äëÿ ÷àñòèö âåùåñòâà, íàïðèìåð, äèôðàêöèè ýëåêòðîíîâ.
Èäåÿ äå Áðîéëÿ áûëà íåîæèäàííà è îòêðûâàëà íîâûå ñâîéñòâà âåùåñòâà, î êîòîðûõ è íå ïîäîçðåâàëè. ×åðåç îïòèêî-ìåõàíè÷åñêóþ àíàëîãèþ Áðîéëü õîòåë âñêðûòü òàèíñòâåííûé ñìûñë êâàíòîâûõ óñëîâèé, ââåäåííûõ â ýëåìåíòàðíîé òåîðèè àòîìà Áîðîì, Âèëüñîíîì è Çîììåðôåëüäîì. Êîíêðåòíûé ñìûñë ñâÿçè ìåæäó âåëè÷èíàìè, õàðàêòåðèçóþùèìè ÷àñòèöó è âîëíó, ñîïîñòàâëÿåìóþ ñ ÷àñòèöåé, ñâÿçàí ñ êâàíòîâàíèåì ýíåðãèè òåëà, îïðåäåëÿåìîé ïî ôîðìóëå Ýéíøòåéíà Å= òñ2 è ïðåîáðàçîâàíèÿìè òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè.
Äëèíó âîëíû ìèêðî÷àñòèöû äå Áðîéëü îïðåäåëèë ïî àíàëîãèè ñ äëèíîé âîëíû ôîòîíà. Ïîñêîëüêó èìïóëüñ ôîòîíà ,
òî äëèíà åãî âîëíû . Ïî îïðåäåëåíèþ, èìïóëüñ åñòü ïðîèç-
âåäåíèå ìàññû íà ñêîðîñòü, ïîýòîìó ìîæíî ââåñòè äëèíó âîëíû äå Áðîéëÿ . Åñëè ýëåêòðîí åñòü âîëíà — ÷àñòèöà, òî
205
ñòàöèîíàðíàÿ îðáèòà â àòîìå Áîðà áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ òåì, ÷òî íà íåé äîëæíî óêëàäûâàòüñÿ öåëîå ÷èñëî äëèí âîëí ýëåêòðîíà. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî èëè ÷åðåç äëèíó âîëíû äå Áðîéëÿ ìîæíî
çàïèñàòü: . Ýòî è åñòü ïåðâûé ïîñòóëàò òåîðèè àòîìà
Áîðà.
Îöåíèì äëèíó âîëíû ýëåêòðîíà ñ ýíåðãèåé 10 ýÂ. Òàê êàê Å =
10-10 ì = 0,388 íì. Ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå äëèíû âîëíû ñðàâíèìî ñ ðàçìåðîì àòîìà è âìåñòî îðáèò Áîðà íûíå ãîâîðÿò îá îðáèòà-ëÿõ.
 1921 ã. àìåðèêàíñêèé ôèçèê Ê.Äæ.Äýâèññîí îáíàðóæèë, ÷òî ýëåêòðîíû, îòðàæàÿñü îò íèêåëåâîé ïëàñòèíêè, ðàññåèâàþòñÿ ïîä îïðåäåëåííûì óãëîì. Òîãäà îí íå ñóìåë íàéòè ïîäõîäÿùåãî îáúÿñíåíèÿ ýòîìó ÿâëåíèþ. Íî ïîñëå ïîÿâëåíèÿ ðàáîò Ëóè äå Áðîéëÿ îí ïðîâåë äîïîëíèòåëüíîå èññëåäîâàíèå è â 1927 ã. âìåñòå ñ àìåðèêàíñêèì ôèçèêîì Ë.Äæåðìåðîì ïîëó÷èë ÷åòêóþ êàðòèíó ðàññåÿíèÿ ýëåêòðîíîâ, ñîîòâåòñòâóþùóþ ïðîÿâëåíèþ âîëíîâûõ ñâîéñòâ, êàê è ïðåäñêàçûâàë äå Áðîéëü (1 ý = 1,6 • 10-19 Äæ).
ßâëåíèå äèôðàêöèè ýëåêòðîíîâ ñîâåðøåííî íåçàâèñèìî îòêðûë ïðèìåðíî â ýòî æå âðåìÿ Äæ. Ï.Òîìñîí, ñûí Äæ.Äæ.Òîìñîíà, ïðè ðàññåÿíèè áûñòðûõ ýëåêòðîíîâ ÷åðåç ìåòàëëè÷åñêóþ ôîëüãó. Ïî äèôðàêöèîííûì êàðòèíàì îí âû÷èñëèë äëèíó âîëíû äëÿ ýëåêòðîíîâ (àíàëîãè÷íûé îïûò ïî äèôðàêöèè ìåäëåííûõ ýëåêòðîíîâ ïðîâåë â 1932 ã. Ï. Ñ.Òàðòàêîâñêèé). Òàê áûë ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðæäåí êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâoé äóàëèçì ýëåêòðîíîâ.
 1949 ã. ñîâåòñêèå ó÷åíûå (Ë. À. Áèáåðìàí, Â. À. Ôàáðèêàíò, Ñ. À. Ñóøêîâ) çàôèêñèðîâàëè äèôðàêöèîííûå êàðòèíû, ïîëó÷åííûå îò î÷åíü ñëàáûõ ïîòîêîâ ýëåêòðîíîâ. Ôàêòè÷åñêè îò êàæäîãî èç íèõ.
Ïîñëå óñïåøíîãî îáíàðóæåíèÿ âîëíîâûõ ñâîéñòâ ó ýëåêòðîíîâ áûëè ïðîâåäåíû ñëîæíåéøèå îïûòû ïî èõ îáíàðóæåíèþ ó àòîìîâ è ìîëåêóë (Ãåðìàíèÿ). Òàê êàê äëèíà âîëíû äå Áðîéëÿ ðàâíà ,
òî ó áîëüøèõ ÷àñòèö îíà ñóùåñòâåííî ìåíüøå, íî Øòåðí åå èçìåðèë. Âïîñëåäñòâèè äèôðàêöèîííûå, à çíà÷èò, è âîëíîâûå ñâîéñòâà áûëè îáíàðóæåíû ó àòîìíûõ è ìîëåêóëÿðíûõ ïó÷êîâ.
Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè è ïîâòîðåíèÿ
- Îõàðàêòåðèçóéòå ðàçâèòèå ïðåäñòàâëåíèé î ñâåòå. Êàê è êåì áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ñâåò åñòü ýëåêòðîìàãíèòíàÿ âîëíà? Â êàêèõ ÿâëåíèÿõ ïðîÿâëÿþòñÿ âîëíîâûå ñâîéñòâà ñâåòà?
- Îõàðàêòåðèçóéòå äèñêðåòíîñòü è íåïðåðûâíîñòü ìàòåðèè. Â êàêèõ ÿâëåíèÿõ ïðîÿâëÿþòñÿ êîðïóñêóëÿðíûå ñâîéñòâà ñâåòà?
- Îïèøèòå ñïåêòð ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Êàê áûëè îòêðûòû è èçó÷åíû èíôðàêðàñíîå è óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèÿ, ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è?
206
- Êàê çàêîíû ôîòîýôôåêòà ïîêàçàëè ïðîòèâîðå÷èÿ è êðèçèñ êëàññè÷åñêîé íàóêè? Êàê îïðåäåëÿåòñÿ ôîòîí? Êàêîå äàâëåíèå ñîçäàåò èçëó÷åíèå ñ äëèíîé âîëíû 0,6 10-6 ì, åñëè íà êàæäûé êâàäðàòíûé ñàíòèìåòð ïîâåðõíîñòè, ïîëíîñòüþ åãî ïîãëîùàþùåé, ïàäàåò 3 • 1018 ôîòîíîâ çà 1 ñ?
- Êàêîâî çíà÷åíèå îòêðûòèÿ ýëåêòðîíà? Êàêèå ìîäåëè ñòðîåíèÿ àòîìîâ ïîÿâèëèñü â íà÷àëå XX â.?  êàêîé ñòåïåíè àòîì ïîõîæ íà Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó? Äàéòå ïðåäñòàâëåíèå îá ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíÿõ è ïåðåõîäàõ.
- ×òî òàêîå ðàâíîâåñíîå èçëó÷åíèå, êàê îíî ìîäåëèðóåòñÿ, êàêîâû åãî çàêîíû? Êàêèå ïðîáëåìû òåîðèè òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ ïðèâåëè ê «óëüòðàôèîëåòîâîé êàòàñòðîôå», ïðåäðåêàþùåé êðóøåíèå «êëàññè÷åñêîé» ôèçèêè? Êàêîé âûõîä áûë íàéäåí?
- Ïîÿñíèòå ñóòü ãèïîòåçû Ëóè äå Áðîéëÿ. Êàê îíà áûëà ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðæäåíà, êàêîå çíà÷åíèå äëÿ åñòåñòâîçíàíèÿ èìååò èñïîëüçîâàíèå êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâûõ ñâîéñòâ âåùåñòâà? ×òî óçíàëè î æèâîé ìàòåðèè ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà; íà êàêèõ ïðèíöèïàõ îí ðàáîòàåò?
- Ïîÿñíèòå ñìûñë ãèïîòåçû î äèñêðåòíîì õàðàêòåðå èñïóñêàíèÿ è ïîãëîùåíèÿ ñâåòà. Äàéòå ïðåäñòàâëåíèå î ïîÿâëåíèè âåðîÿòíîñòíûõ çàêîíîâ âûíóæäåííîãî è ñïîíòàííîãî èñïóñêàíèÿ ñâåòà.
- Ïîÿñíèòå ñìûñë ïîíÿòèÿ «ôîòîí». Êàêèå ÿâëåíèÿ è êàêèì îáðàçîì áûëè îáúÿñíåíû ñ ïîìîùüþ êâàíòîâîé òåîðèè ñâåòà? ×åì òàêîå îáúÿñíåíèå ïðîòèâîðå÷èò êëàññè÷åñêîìó îïèñàíèþ?
10. Êàê îïðåäåëÿþò òåìïåðàòóðó çâåçä? ×åì áûëî äîêàçàíî ìàòåðèàëüíîå åäèíñòâî ìèðà?
.
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå Îáðàòíî â ðàçäåë Íàóêà
|
|