Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

После многочисленных опытов и сложных теоретических изысканий физики раскрыли закон излучения такого абсолютно черного тела. Была выведена точная формула зависимости плотности излучения (количества энергии в кубическом сантиметре) от температуры и цвета, точнее, местоположения максимума энергии в спектре.

Выяснил эту закономерность в начале нашего столетия немецкий ученый Макс Планк, и она послужила первой ласточкой последующего развития науки, называемой квантовой механикой, которой суждено было смести прочь гнетущее наследие «кризиса науки» и о которой нам еще предстоит говорить впереди.

Мы однажды чуть было не обиделись на астрономов, прозвавших грандиозное Солнце «желтым карликом».

Пожалуй, еще обиднее назвать сверкающее золотом светило черным и даже абсолютно черным.

Но ничего не поделаешь. Физики выяснили, что ряд свойств Солнца заставляет для решения некоторых проблем считать его очень похожим на абсолютно черное тело.

Дело тут вот в чем.

Оказывается, наружные солнечные слои поглощают все излучение, падающее на них изнутри (почему это происходит, вы узнаете позднее). А ведь также вели себя и стенки нашей бочки. Кроме того, как ни велик поток лучистой энергии, уходящей с солнечной поверхности в окружающее пространство, он все же совершенно ничтожен по сравнению с невообразимо огромным количеством излучения, спрятанного внутри светила. Атмосфера Солнца — это как бы гигантское непрозрачное одеяло. Свет и тепло, льющиеся из нее наружу, равносильны тоненькому лучику, который выходил из крошечной дырочки в стенке бочки — модели абсолютно черного тела.

В общем, мы вынуждены, попросив извинения у Солнца, признать его черным.

А теперь приступим к измерению температуры поверхности Солнца.

На пути пучка солнечных лучей поместим трехгранную стеклянную призму. Выйдя из нее, пучок вытягивается в радужную полоску спектра. Волны разной длины, составляющие лучи солнечного света, в нем как бы расставлены «по росту». Самые «рослые» волны — носители красных лучей — оказались на одном фланге, самые коротенькие — фиолетовые — на другом. Почему так происходит? Потому что лучи разного цвета по-разному преломляются в стекле: сильнее всего — фиолетовые, слабее всего—красные.

Теперь «поставим градусник» солнечному спектру.

Возьмем чувствительный термометр и выкрасим черной тушью его шарик с ртутью. Получится прибор, называемый болометром.

Внесем шарик болометра в радужную полоску. Ртутный столбик чуть-чуть поднимется. Это понятно: ведь черная краска поглотила световую энергию, нагрелась, передала тепло ртути, а та расширилась и поднялась вверх по тоненькой трубочке.

Теперь медленно проведем шарик вдоль радужной полоски и будем зорко следить за подъемом ртутного столбика. Мы заметим, что, выше всего столбик поднимается тогда, когда шарик будет находиться в сине-зеленой части спектра. Если для измерения применить не ртутный, а исключительно чуткий электрический болометр, то удастся весьма точно определить место наибольшей энергии солнечного спектра. Оно находится там, где лежат сине-зеленые световые волны длиной 0,47 микрона.

Остается по формуле, выведенной для равновесного излучения абсолютно черного тела, вычислить, какой температуре соответствует найденное положение максимума энергии в спектре. Подсчет приведет нас к ответу: 5700 градусов. Вот как нагрето солнечное «одеяло»!

Каждое мгновение Солнце шлет нам длинную, с великим множеством знаков, депешу. В ней — подробнейшие протоколы не только о температуре, но и о химическом составе поверхности светила, о движении раскаленных газов, о состоянии их атомов. Но депеша эта — шифрованная. Разгадать ее не так-то просто. Уже почти столетие ученые читают эту непрерывно продолжающуюся, бесконечно длинную телеграмму. Сперва читали ка ощупь, «по складам», потом разгадали секреты солнечного «языка» и научились читать быстро и уверенно.

Что же это за депеша?

Тот же солнечный спектр.

Приглядевшись к радужной полоске, мы убедимся, что она словно рассечена на множество кусочков—перерезана тонкими и толстыми, казалось бы, совершенно беспорядочно расположенными линиями. Их впервые заметил внимательный глаз немецкого оптика Фраунгофера, и с тех пор они носят имя фраунгоферовых. Эти линии и представляют собой знаки солнечной депеши.

Чтобы понять причины их возникновения, вернемся ненадолго в мир атомов.

Как атомы поглощают свет?

Так же, как и излучают: определенными порциями — фотонами.

Но атом улавливает далеко не всякие фотоны. Он способен «усвоить» лишь те из них, которые сам может излучить. «Питаюсь тем, что рождаю» — вот его правило, продиктованное своеобразием законов микромира.

Возьмем тот же атом водорода. Единственный его электрон может двигаться лишь по ограниченному числу путей — орбит, отстоящих на разных расстояниях от ядра. Движение электрона по определенной орбите соответствует определенному запасу энергии в системе атома. Чем дальше находится орбита от ядра, тем, естественно, больше этот запас. И меняется он не непрерывно, а скачками.

Одухотворим на минутку микромир.

Вот к атому подлетает фотон и предлагает проглотить себя.

«А какая у тебя энергия?» — осведомляется атом.

«Столько-то электроновольт».

«Слишком мало. Этого не хватит, чтобы мой электрон перескочил даже на самую близкую орбиту от основной».

Разочарованный фотон улетает. Но его вскоре сменяет другой — с энергией побольше. Однако и на этот раз атом отказывается от предложения проглотить порцию света:

«У тебя энергия слишком велика. Зарядившись ею, мой электрон перескочит через ближнюю орбиту, но не допрыгнет до следующей».

Наконец прилетает фотон с энергией, которая как раз подходит для перескока электрона на вторую орбиту. И атом проглатывает этот фотон. Энергия его передается электрону, тот «прыгает вверх», попадает точно на верхнюю орбиту и застревает там.

Но на «втором этаже» электрон обычно живет недолго. Вскоре стремление к устойчивости заставляет его соскользнуть «вниз», на «прочное» и «насиженное» место в «первом этаже». А освобождающуюся энергию атом излучает в виде точно такого же фотона, какой он только что поглотил.