Александр Китайгородский - Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Схема опыта показана на рис. 1.2.

На оси моторчика вращалось крылышко, и оно действительно останавливалось, когда «маг» садился рядом с коробкой, в которую была выведена ось мотора. Я быстро выяснил, что любой человек, подсевший к коробке с моторчиком, оказывал на крылышко такое же влияние. Остановка крылышка происходила через 10–15 мин. Останавливался не мотор, как утверждал «маг», а именно крылышко. Таким образом, было очевидно, что силе сцепления оси мотора с крылышком препятствует какая-то другая сила, связанная с присутствием человека.

Я показал, что крылышко можно остановить почти мгновенно, если поднести к стенке коробки электрическую лампу. Стало ясным, что дело в тепле, которое излучает тело человека. Пустив в коробку струю табачного дыма, я продемонстрировал, что внутри коробки возникают конвекционные потоки воздуха, которые направлены именно таким образом, чтобы воспрепятствовать крылышку вращаться. Точные измерения показали, что на стороне коробки, обращенной к человеку, возникает температура примерно на один градус выше, чем на далекой от него стороне коробки.

Инфракрасные лучи, исходящие от тела, нагретого до 60–70 °C, каждый может почувствовать, поднося ладонь. Разумеется, надо устранить тепловую конвекцию. Нагретый воздух поднимается кверху, а вы поднесите ладонь снизу. В этом случае можете быть уверены в том, что ощутили именно тепловые лучи.

Прежде чем расстаться с тепловыми лучами, поясним, почему большим прогрессом явился переход от электрической лампы накаливания с угольной нитью к современной лампе с вольфрамовой питью. Все дело в том, что угольную нить можно довести до температуры; 2100 К, а вольфрамовую — до 2500 К. Почему эти 400 К так важны? Все дело в том; что цель лампы накаливания — не греть, а давать свет. Следовательно, надо добиться такого положения, чтобы максимум кривой приходился на видимое излучение. Как видно из графика, идеалом было бы располагать такой нитью, которая выдерживала бы температуру поверхности Солнца, 6000. К. Но даже переход от 2100 К к 2500 К повышает долю энергии, приходящейся на видимое излучение, от 0,5 до 1,6 %

Если система излучающих и поглощающих тел замкнута, то «газ» фотонов, с помощью которых тела обмениваются энергией, должен быть в равновесии с атомами, дающими жизнь этим фотонам. Число фотонов с энергией hv зависит от того, сколько атомов находится на уровне E 1 и сколько на уровне Е 2. Эти числа при равновесии неизменны.

Но равновесие носит динамический характер, поскольку одновременно идут процессы и возбуждения, и излучения. Каким-либо образом — то ли благодаря соударению с другой частицей, то ли из-за поглощения пришедшего извне фотона — атом или атомная система перебирается на высокий уровень. В этом возбужденном состоянии система существует некоторое неопределенное время (обычно измеряемое долями секунды), а затем возвращается на низкий уровень. Этот процесс называют самопроизвольным излучением. Атом ведет себя, как шарик, который с трудом удается удерживать на остроконечной вершине горки сложного профиля: ничтожное дуновение — и равновесие нарушено. Шарик скатывается в ямку, большей частью в самую глубокую, из которой его можно извлечь лишь сильным ударом. Про атом, спустившийся на самую низкую ступеньку, говорят: атом находится в стабильном состоянии.

Запомним, однако, что кроме положений «на вершине» и «в глубокой яме» существует еще и промежуточная ситуация: шарик может находиться в неглубокой ложбине, откуда его можно вызволить если не легким дуновением, то во всяком случае небольшим толчком. Такое положение (называется метастабильным. Так что кроме возбужденного и стабильного существует еще и третий вид уровней энергии — метастабильный.

Итак, переходы будут происходить в обе стороны. То один, те другой атом будут перебираться на верхний уровень. Через мгновение они будут спускаться на низкий уровень, излучая свет. Но в то же время другие атомы получат энергию и поднимутся на верхние уровни.

Закон сохранения энергии требует, чтобы число переходов сверху вниз равнялось числу переходов снизу вверх. Чем определяется число переходов вверх? Двумя факторами: во-первых, числом атомов, находящихся на нижнем этаже, и, во-вторых, числом ударов, которые поднимут их на верхний этаж. Ну, а число переходов вниз? Оно определяется, конечно, числом атомов, находящихся на верхнем этаже, и вроде бы больше ни от чего не зависит. Именно так сначала полагали физики-теоретики. Но концы с концами у них сходились плохо. Число переходов вверх, зависящее от двух множителей, росло с температурой куда быстрее, чем число переходов вниз, которое зависело только от одного фактора. Модель, казалось бы очевидная, приводила к нелепице. Получалось, что рано или поздно все атомы будут загнаны на верхний уровень: система атомов будет находиться в неустойчивом состоянии, а излучения не будет.

Вот этот невозможный вывод и выудил Эйнштейн в 1926 г. из рассуждений своих предшественников. Видимо, на переходы атомов с верхнего этажа на нижний влияет еще какое-то обстоятельство. Оставалось предположить, что кроме спонтанного (самопроизвольного) перехода на низкий уровень существует и переход вынужденный.

Что такое вынужденное излучение? Вот что это. Система находится на верхнем уровне. От нижнего уровня ее отделяет разность энергий E 2— E 1 = h∙ v. Оказывается, если на систему падает фотон с энергией, равной hv , то он заставит систему перейти на нижний уровень. Сам падающий фотон при этом не поглотится, а пойдет дальше в том же направлении в сопровождении нового, порожденного им, в точности такого же фотона.

Не надо искать логики в этом рассуждении. Было озарение, догадка… А о ее справедливости должен судить опыт. С помощью предположения о вынужденном (стимулированном) излучении удается вывести количественную формулу, дающую график излучения в функции длины волны для нагретого тела. Теория блестяще совпадает с опытом и поэтому оправдывает выдвинутую гипотезу.

Интересно, что практические выводы из факта существования вынужденного излучении, приведшие к открытию лазеров, были сделаны спустя много лет.

Вообще говоря, любое тело является источником мягкого электромагнитного излучения. С помощью спектрографа — прибора, основной частью которого является призма или дифракционная решетка, — свет разлагается в спектр. Спектр может оказаться сплошным, полосатым, линейчатым. Спектры раскаленных твердых тел очень похожи друг на друга. Да и раскалить до свечения можно лишь небольшое число веществ. Разумеется, редкостью является раскаленная жидкость. Весьма информативными являются спектры излучения газов. Таковы спектры лучей, приходящих к нам от далеких звезд.