Сергей Вавилов - Глаз и Солнце

Мы знаем, что впервые Ньютон ввел это важнейшее понятие о спектральном составе света. Опыт Ньютона с призматическим разложением солнечного света стал прообразом всех разнообразных спектроскопов , применявшихся и применяемых в науке. На рисунке 8, сделанном по чертежу самого Ньютона, ясна идея простейшего ньютоновского спектроскопа. Свет падает на узкую щель, за ней помещается линза так, что щель находится почти в фокусе последней. Из линзы пучок света падает на призму, здесь – преломляется и попадает в зрительную трубу, установленную «на бесконечность». В окуляр трубы видно изображение щели спектроскопа в каждом из цветов, из которых состоит исследуемый сложный цвет. Если бы щель была очень широкой, изображения накладывались бы друг на друга, спектр был бы нечистым, цвета в нем были несколько смешанными.

Если перед щелью спектроскопа поставить керосиновую или электрическую лампу, мы увидим в зрительную трубу непрерывное чередование цветов, от красного до фиолетового. Вместо глаза можно поместить фотографическую пластинку, тогда за фиолетовым концом обнаружится короткое ультрафиолетовое продолжение. Но и глаз и пластинка не пригодны для суждения о распределении энергии в спектре; они имеют свои узкие области особенной чувствительности и почти не отвечают на соседние участки. Глаз особенно чувствителен к зеленой части спектра, обыкновенная пластинка – к синей и фиолетовой. Чтобы судить об энергии, лучше всего воспользоваться тепловым прибором, в котором поглощаются полностью любые лучи, превращаясь в тепло (термоэлемент). К несчастью, такие приборы, даже при самом тщательном выполнении, чрезвычайно мало чувствительны по сравнению с глазом или фотографической пластинкой. На рисунке 9 показано распределение энергии, измеренное таким способом для некоторых источников света. По горизонтальной оси отложены длины волн в микронах (напоминаем, что 0,4 µ соответствуют фиолетовому краю видимого спектра, а 0,7 µ – красному краю). По вертикальный оси нанесена энергия в относительных единицах, так что для каждого источника энергия при 0,59 µ приравнена условно к 100. Кривая 2 дает распределение энергии в видимой части солнечного спектра, кривая 1 – в голубом свете неба; мы видим, что благодаря рассеянию максимум энергии перекочевал в синюю часть. Кривая 3 дает распределение энергии в электрической лампочке.

Рис. 9

Распределение энергии в спектре разных источников

Если накаливать различные твердые тела, например металлы, до одной и той же высокой температуры, то распределение энергии у них будет несколько разным. Различие вызывается неодинаковостью отражательной способности поверхности накаливаемого тела. Если поверхность сделать совершенно черной, т. е. поглощающей полностью все лучи и ничего не отражающей, то распределение энергии при одной и той же температуре будет одно и то же для любого тела.

В нагретом теле энергия движения молекул переходит в свет и, обратно, свет поглощается молекулами. Для каждой данной температуры устанавливается равновесие между поглощением и излучением света.

В главе о свете мы пришли к выводу, что излучение и поглощение света не может происходить иначе как целыми квантами hγ. Рассматривая равновесие между излучением и поглощением в теле с совершенно черной поверхностью и учитывая квантовый характер обоих процессов, можно довольно легко и вполне строго вывести закон распределения энергии света, испускаемого черным телом. Исторически решение задачи протекало как раз наоборот. В поисках правильного, соответствующего опыту, спектрального закона излучения черного тела М. Планк впервые убедился, что этот закон нельзя вывести иначе, как сделав предположение о квантовом характере излучения и поглощения света. На этом пути и произошло чреватое последствиями открытие квантовых законов природы.

На рисунке 10 изображен закон «черного излучения» для нескольких температур. По горизонтальной оси чертежа отложены длины световых волн в микронах (1 µ = 1000 mµ), по вертикальной – интенсивность, или энергия, в относительных единицах. Из рисунка видно, что по мере повышения температуры максимум спектральной кривой перемещается в сторону коротких волн. Это отвечает искони известному постепенному переходу накаливаемого металла от красного каления к белому. Теоретический закон распределения энергии в спектре черного тела подтверждается на опыте со всей доступной в наше время точностью. Частное следствие этого закона состоит в том, что произведение длины волны λ, соответствующей максимуму спектральной кривой, на абсолютную температуру (т. е. температуру Цельсия +273°) Т есть величина постоянная

λ max T = K = 2897,18 микрон × град.

Зная величину λ mах(в микронах), можно на основании этой формулы по спектру определить температуру тела.

Мы обратились к спектральному распределению света в связи с вопросом о качестве солнечного света. Солнце, несомненно, есть накаленное тело, поэтому его спектр должен быть близок к спектрам, получаемым на Земле от наших ламп и свечей. В плохой спектроскоп с широкой щелью солнечный спектр действительно кажется непрерывным. При грубом измерении распределения энергии в этом спектре получается кривая, похожая на одну из кривых для черного излучения (рис. 10). По виду этой кривой, а также из положения ее максимума можно вычислить приближенно температуру солнечной поверхности, если только предположить, что Солнце похоже на накаленное тело с черной поверхностью. Вычисление дает около 6000°. Установление более точной цифры имеет мало смысла, так как разные области солнечного диска различаются по накалу.

Рис. 10

Распределение энергии в спектре излучения черного тела при разных температурах

По оси абсцисс – длина волны в микронах, по оси ординат – интенсивность в относительных единицах. (Ввиду огромной разности в интенсивностях кривая для 6000° К на рис. 10 а не может быть полностью изображена в выбранном масштабе. На рис. 10 б приведена полная кривая для 6000° К в другом масштабе.)

Заштрихованная часть отмечает область видимого спектра

Наш глаз в смысле различения качества света много хуже самого плохого спектроскопа. Поэтому приведенные грубые результаты будут достаточны, когда в следующей главе придется сравнивать свойства солнечного света и глаза.

Физик и астроном, изучая Солнце, пользуются телескопами, совершенными спектроскопами, постоянно применяют вместо глаза фотографию. Им открываются такие детали солнечного света и его распределения по Солнцу, которые совершенно ускользают от невооруженного глаза.