38302 (660638), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотности энергии электромагнитного поля. (При полном отражении давление будет в два раза больше.) Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерении. И Лебедев создает свою знаменитую установку – систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью. Во-вторых, серьезной помехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температура теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во много раз превосходящая его. Кроме того, при наличии разности температур возникаю конвекционные потоки газа. Все это надо было устранить. П.Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наивысший достижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П.Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась и давление оставшихся ртутных паров резко уменьшалось (ртутные пары, как говорят, замораживались).

Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение о давление света было сделано Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков , а в 1901 г. в немецком журнале «Анналы физики» была напечатана его работа «Опытное исследование светового давления». Работа получила высочайшую оценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждением теории Максвелла. В. Томсон, например, узнав о результатах опытов Лебедева, в беседе с К.А, Тимирязевым сказал: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами». Ф. Пашен писал Лебедеву: «Я считаю Ваш результат одним из важнейших достижений физики за последние годы».

К впечатляющим словам этих физиков можно добавить еще то, что доказательство существования светового давления имело огромное философское и мировоззренческое значение. Ведь из факта существования давления электромагнитных волн следовал очень важный вывод о том, что они обладают механическим импульсом, а значит, и массой. Итак, электромагнитное поле обладает импульсом и массой, т.е. оно материально, значит, материя существует не только в форме вещества, но и в форме поля.

1. ПОЛЯРИЗАЦИЯ.

В свободно распространяющихся электромагнитных волнах происходят как электрические, так и магнитные колебания. Колебания всегда направлены строго перпендикулярно лучу, указывающему направление распространения волны. В свою очередь векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу. Таким образом, электромагнитные волны являются волнами поперечными. Во всех случаях первоначальное направление колебаний сохраняется неизменным для всего цуга волн. Образно выражаясь, электрическая компонента волны как бы «прибита» к стенке, которая перемещается в пространстве параллельно самой себе со скоростью света. Ввиду наличия строго определенного и неизменного направления колебаний такие волны называют линейно поляризованными. Однако говорить о поляризации имеет смысл лишь в случае поперечных волн. Например, в воздушных звуковых волнах, где частицы движутся лишь вдоль направления распространения, возможно лишь одно-единственное направление колебаний.

Сегодня ясен механизм возникновения поперечных волн и связанное с ним явление поляризации, но раньше все это представляло очень серьезную проблему. Особенно долго ученые ломали голову над явлением поляризации света, и только открытия Максвелла и Герца дали ему соответствующее объяснение. Причина заложена в природе любого реального источника света. Начиная с Солнца и заканчивая современными ртутными лампами высокого давления, все без исключения источники света содержат бесчисленное множество совершенно беспорядочно колеблющихся друг относительно друга атомов. Согласно изложенной выше теории, свет, излучаемый каждым отдельным атомом, строго поляризован. Однако в целом направления векторов поляризации света от всех атомов определяется чисто случайными причинами и потому не имеют выделенной ориентации в пространстве. В плоскости, перпендикулярной лучу, они образуют друг с другом всевозможные углы. Таким образом, луч можно уподобить нити , состоящей из множества свитых волнистых волокон.

Если мы хотим поляризовать световой луч, мы должны внести порядок в этот хаос. Для нити с этой целью можно было бы использовать гребень; для доказательства наличия поляризации исследуемых им волн Генрих Герц использовал решетку из параллельных проволочек. Если, как это теперь общепринято, под направлением поляризации понимать направление колебаний именно электрического вектора волны, то волна лишь тогда пройдет сквозь решетку, если колебания происходят перпендикулярно проволочкам; в противном случае волна отразится.

В настоящее время для исследования света применяется преимущественно поляризованные фильтры. По строению составляющих их молекул они принадлежат к группе так называемых веществ с двойным лучепреломлением (к их числу относятся, например, естественные кристаллы исландского шпата, кварца и др.). принцип действия этих фильтров основан на том, что произвольно ориентированный вектор колебаний в световой волне можно разложить на две взаимно перпендикулярные компоненты. В двоякопреломляющем кристалле каждая из двух взаимно перпендикулярных компонент имеет свой показатель преломления, а следовательно, и свою скорость распространения. В некоторых веществах (в частности, в уже упоминавшихся фильтрах) одна из компонент полностью поглощается и пропускается лишь вторая, которая оказывается таким образом поляризованной в строго определенном направлении.

При входе в кристалл оба компоненты находятся в одинаковой фазе, однако по мере продвижения по кристаллу они все более сдвигаются относительно друг друга. Выйдя с противоположной стороны кристалла, волны снова приобретают прежнюю дину, соответствующую воздуху, однако возникший сдвиг фаз сохраняется. Таким образом, совершенно незаметно для человеческого глаза свет внутри кристалла существенно изменяется.

В любой точке луча две взаимно перпендикулярные компоненты дают результирующую.

Несмотря на такое серьезное отличие от обычного света, циркулярно поляризованный свет при прохождении через кристалл не обнаруживает никаких особенностей. Вектор электрической напряженности вращается с частотой света, то есть с такой скоростью, что заметить это вращение простым глазом невозможно.

10. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА.

Несмотря на блестящие успехи электродинамики Максвелла- Герца, в конце прошлого столетия оставалась неразрешенной еще одна проблема. Речь идет об излучении, испускаемом нагретым телом, - мы можем наблюдать его, например находясь возле горячей печи или раскаленного куска железа не останавливаясь на частностях, связанных со свойствами материалов, рассмотрим тепловое излучение черного тела. Под этим термином понимают тело, полностью поглощающее все длины волн падающего на него излучения. Однако черное тело обладает также способностью к самостоятельному излучению. Как и любое другое тело (и даже в большей степени), оно испускает в окружающее пространство непрерывный спектр волн, определяемый температурой тела. Абсолютно черное тело обладает также наибольшей по сравнению со всеми другими телами излучательной способностью.

Полная энергия излучения черного тела зависит прежде всего от его температуры. Однако, не останавливаясь на этом, мы поставим следующий вопрос: каким образом при данной температуре распределяется интенсивность излучения черного тела между волнами различной длины? Это можно исследовать с помощью спектрального прибора, который разлагает излучение на отдельные линии. Излучение в каждой узкой области спектра направляют на чувствительный приемник и измеряют его интенсивность. Оказывается, что каждая область длин волн характеризуется определенной интенсивностью, причем для каждой температуры наблюдается свое особое распределение. Графически оно выглядит как колоколообразная асимметричная кривая и напоминает картину распределения молекул газа по скоростям. Сходство между кривыми столь велико, что следует ожидать аналогии и в формулах, описывающих эти кривые.

К этой мысли пришли два английских ученых – Джон В. Рэлей (1842-1919) и Джеймс Джинс (1877-1946). Они рассмотрели ящик кубической формы с «зеркальными» внутренними стенками, в который через отверстие впускается небольшое количество лучистой энергии любой длины волны. Внутри ящика это излучение начинает «метаться», отражаясь то от одной стенки; при этом возникают стоячие электромагнитные волны. С помощью дополнительного «хитрого трюка» подобный мысленный эксперимент можно сделать очень интересным, если поместить в ящик Джинса небольшой кусочек угля, который практически является абсолютно черным телом и поэтому жадно поглощает падающее на него излучение, а затем, нагреваясь, излучает сам. Излучение этого уголька состоит из волн различной длины; в конце концов устанавливается равновесие между волнами, допустимыми в кубическом ящике, и излучением черного тела, моделируемого кусочком угля.

Какие же длины волн могут «существовать» в ящике? Какую энергию они несут?

Но когда Рэлей и Джинс вычислили энергию, приходящуюся на определенный интервал частот, они получили неожиданный результат: плотность энергии излучения полости должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Но в этом случае заключенная в ящике Джинса энергия должна была бы почти полностью сосредоточиться в коротковолновой части спектра. Тогда любая комнатная печь, которая с физической точки зрения достаточно точно моделируется ящиком Джинса, была бы накопителем смертоносного коротковолнового излучения. Мимолетного взгляда в приоткрытую дверцу печи было бы достаточно, чтобы излишне любознательный отправился бы к праотцам: он попал бы под действие опасных для жизини ультрафиолетовых, рентгеновских и γ- лучей. Разумеется, подобный этому вывод резко противоречит всему жизненному опыту. Он и по сей день носит название «ультрафиолетовой катастрофы» и служит напоминанием о фиаско, которое потерпела наука, признававшаяся всеми физиками того времени совершенно непоколебимой.

Но вот положение изменилось: это произошло после того достопамятного дня 14 декабря 1900 г., когда Макс Планк выступил на собрании Немецкого общества выдвинул совершенно новую идею. Он рассматривал внутренние стенки излучающей полости как содержащие бесчисленное множество крошечных «осцилляторов», которые действуют как источники излучения. Однако в отличие, например, от колеблющегося маятника, который может иметь любые возможные значения энергии, подобный элементарный осциллятор может обладать лишь энергией, строго равной целому числу квантов; если число квантов энергии равно нулю, осциллятор покоится.

Каждый квант представляет собой, таким образом, как бы элементарный пакет, дающий строго определенный вклад в энергию.

Энергия квантов излучения, введенных Планком, зависит только от одной величины – частоты осциллятора (точнее, частоты испускаемого им излучения). Вычислить ее можно по простой формуле E=hf

Где под h понимается введенная Планком постоянная (квант действия), равная h=6,626 х 10^-34 Вт х с^2.

Постоянная Планка относится к числу фундаментальных физических констант. На основе своей гипотезы Планку удалось вынести искомую функцию распределения, столь долго «не дававшуюся в руки». Если, согласно закону Рэлея – Джинса, интенсивность излучения с ростом частоты неограниченно возрастает, то кривая, полученная Планком по достижении максимума, загибается вниз, принимая, таким образом, колоколообразную форму, точно совпадающую с экспериментальной кривой.

Если бы успех новой идеи сводился только к этому, вряд ли стоило бы придавать ей особое значение. Она была бы гипотезой, предложенной только для объяснения одного явления. Но гипотеза квантов все же привела к единственно правильному решению очень важной проблемы и сразу попала в «горячую точку» дискуссий. Однако никто уже не удивился, когда на смену этой идеи пришла новая, более общая.

Для окончательного решения проблемы необходимо было получить прямое доказательство существования квантов и установить численное значение постоянной Планка другими методами. В 1905 г. Эйнштейн опубликовал свои три знаменитые работы; одна из них относилась к внешнему фотоэлектрическому эффекту (кратко – фотоэффект) – явлению, которое ему удалось убедительно объяснить на основе гипотезы квантов.

Работа, необходимая для удаления электрона из атома калия, без труда определяется из экспериментов другого типа; она равна 2,24 эВ, или 3,6 х 10^19 Вт х с. однако на поперечное сечение атома приходятся ежесекундно всего лишь две миллионных необходимой энергии! Для того чтобы приобрести достаточную энергию, атом должен был бы накапливать ее в течение полумиллиона секунд. Таким образом, должно миновать шесть дней, прежде чем фотоэлемент «выдаст» первые электроны, и весьма сомнительно, чтобы при таких условиях вообще удалось открыть фотоэффект.

Как же объяснить, что в действительности фотоэффект наблюдается спустя не более 10^-7с после действия облучения? Если человек зарабатывает 200 марок в месяц и в один прекрасный день выкладывает на прилавок 8000 марок на покупку автомашины, то здесь все более или менее ясно. Он мог копить эту сумму в течение долгих месяцев или одолжить ее у щедрого дядюшки. Обе возможности не так просто вообразить себе, если речь идет об атомах. Эйнштейн первым выдвинул верную идею о том, что волновая теория в этом случае «отказывает». Ее следует заменить квантовой теорией. Энергия излучения распространяется не непрерывным потоком, а отдельными дискретными порциями. Подобно каплям града, бомбардируют они атом калия. Если такая частица попадает точно в атом и если она обладает достаточной энергией, то из атома выбивается электрон. Энергию такой частицы легко подсчитать с помощью соотношения E = hf. Для зеленого света с длиной волны 540 нм Е= 3,68 х 10^19 Вт х с, или 2 эВ. Остается даже небольшой избыток энергии, который эмиттированный электрон уносит с собой в виде кинетической энергии.

Планк предложил свою гипотезу квантов исключительно для объяснения характерного для абсолютного черного тела распределения излучения. Он был достаточно осторожен и не стремился распространить ее на другие явления.

1. ФОТОНЫ

Именно Эйнштейн впервые высказал мысль о том, что световое излучение всегда имеет квантовую структуру; он впервые применил термин фотоны. На съезде физиков в 1909 г. Эйнштейн выразил существо своей теории в следующих словах: «И все же пока мне представляется естественным, что электромагнитные поля света так же возникают в отдельных точках пространства, как и электростатические поля, согласно электронной теории. Не исключено, что в подобной теории полная энергия электромагнитного поля может рассматриваться как всецело локализованная в этих дискретных точках».

Как показывает уравнение E=hf, существуют не фотоны вообще, а высоко- и низкоэнергетические фотоны – соответственно частоте света. И только одно невозможно: существование половины (или какой-либо другой дробной части) фотона. Каждый фотон представляет собой единое и неделимое целое. Становится понятным еще одно явление, необъяснимое на основе волновой теории. Если частота излучения меньше определенного порогового значения, энергия фотона оказывается недостаточной для ионизации атома. Произойдет фотоэффект или нет, зависит лишь от частоты отельного фотона, но совершенно не зависит от числа световых квантов.

Характеристики

Список файлов реферата