Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

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.

Ну, а что произойдет, если в атом врежется фотон очень высокой энергии — большей, чем нужно для прыжка электрона на самую далекую орбиту? Проглотит ли атом такой фотон?

Да, может проглотить, но ценой потери электрона. Получив слишком большую энергию, электрон выпрыгнет прочь из атома и обретет свободу.

Уяснив эти своеобразные особенности взаимодействия атомов -и света, мы сумеем понять наконец, как получается шифрованная солнечная депеша.

Поверхность солнечного шара представляется нам состоящей из ослепительно сверкающей материи. Кажется, зачерпнешь каким-нибудь фокусом ковшик солнечного вещества, донесешь до Земли — и будет сиять эта капля Солнца, расточая вокруг свет и тепло.

Нет, не будет, даже если вы доставите ее в фантастически нетеплопроводном и герметическом термосе.

Вещество наружных слоев солнечной фотосферы — внешней светящейся оболочки светила—гораздо разреженнее и прозрачнее, чем наш земной воздух. А светится фотосфера потому, что уж очень она обширна. Непрозрачным и сверкающим слой ее становится при огромной толщине.

Как же ведут себя атомы фотосферы, как сказывается в ней это сочетание прозрачности и непрозрачности?

Из глубин светила к фотосферным атомам идет могучий лучистый поток. Его составляют главным образом фотоны очень высоких энергий — настолько высоких, что каждый поглощающий их атом лишается одного, а то и нескольких электронов.

И вот летают взад-вперед свободные электроны и лишенные части электронов атомы—ионы. Но разлука их длится недолго. При первой возможности ион пополняет свой поредевший электронный отряд — втягивает на опустевшие орбиты встречные свободные электроны. Происходит, как говорят физики, рекомбинация ионов,

Как всегда, переход физической системы в устойчивое состояние сопровождается выделением энергии. При воссоединении электронов с ионами испускаются фотоны, причем самые разнообразные. Ведь энергия излученного таким способом фотона в большой мере зависит от скорости относительного движения электрона и иона, а она меняется в широких пределах. Сильнее удар соединившихся частиц—выше энергия фотона; слабее удар— и возникает менее энергичный фотон.

Добавим еще, что излучение фотонов разнообразных энергий происходит и помимо рекомбинации ионов—при простом торможении быстро летящих электронов, когда они сталкиваются между собой или с атомными ядрами.

Нам остается вспомнить, что фотоны разных энергий соответствуют свету разных длин волн, то есть разных цветов. Стало быть, при бесчисленных рекомбинациях и торможениях электронов в фотосфере должно возникать яркое свечение, обладающее набором всех цветов— непрерывным спектром. А это и есть та самая радужная полоска солнечного спектра, что помогла нам узнать температуру поверхности светила.

Но радужная полоска пересечена фраунгоферовыми линиями.

Теперь нетрудно разгадать и их сущность.

Фраунгоферовы линии — тоже результат поглощения атомами фотонов, но только не слишком высоких энергий, а тех сравнительно слабеньких световых пуль, которые возникают в основном при рекомбинациях ионов.

Из бесчисленного обилия разнообразных фотонов атомы выбирают подходящие для себя и поглощают их. Правда, они тут же стреляют точно такими же фотонами. Но вот что важно: «выстрелы» эти направлены не вперед, а куда угодно — в любую сторону.

Что же получается?

Благодаря значительной прозрачности фотосфера к нам доходит световой луч, зародившийся далеко в ее глубине. По пути встречные атомы фотосферы выдергивают из него фотоны определенных энергий и «выстреливают» их в сторону. Поэтому к нам солнечный луч добирается уже порядочно выщипанным. Разложив его в спектр, мы видим провалы — недостаток фотонов тех энергий, которые поглощены встречными атомами. Эти провалы и есть темные фраунгоферовы линии.

Если бы люди ели только те блюда, которые готовит их национальная кухня, то по обеденному меню было бы легко определить национальность человека.

Скажем, вы попросили в столовой суп харчо — значит, вы грузин. Ваш приятель заказал кофе по-варшавски — значит, он поляк.

В нашем мире так бывает, разумеется, далеко не всегда. Азербайджанцы с удовольствием едят украинский борщ, а украинцы — азербайджанский суп пити.

Другое дело — в мире атомов.

Где бы ни находились атомы — на Земле, на Солнце, в межзвездном пространстве — они строго придерживаются своей «национальной кухни». «Питаясь» светом, они поглощают всегда один и тот же ассортимент фотонов. А зависит этот ассортимент от внутреннего строения атома, от размещения электронных орбит.

В атомах разных химических элементов размещение таких орбит неодинаково. Стало быть, и фотонное «меню» у них разное. Например, водородный атом не проглотит того фотона, который жадно схватит атом лития. Наоборот, водород может не отказаться от фотона, «несъедобного» для лития.

В физических лабораториях ученые в совершенстве исследовали фотонный «рацион» различных элементов. И теперь по световому «меню» вещества можно достоверно узнать его химический состав. На этом основан мощный метод научной разведки — знаменитый спектральный анализ, зародившийся еще 100 лет назад.

Фраунгоферовы линии спектра Солнца — это протокол трапезы атомов, фотосферы.

Наложение линий точно показывает, какие фотоны «высосаны» из светового луча, а следовательно, какие химические элементы это сделали. Интенсивность же фраунгоферовых линий дает некоторое представление и о том, сколько тех или иных атомов участвовало в солнечном пиршестве, или, другими словами, каково относительное содержание различных элементов в наружной оболочке светила.