Сергей Суворов - О чем рассказывает свет
Длина волны электромагнитных волн
Но там, где есть периодическое колебание, которое распространяется в пространстве, там можно говорить и о длине волны. У водяных волн мы называли длиной волны расстояние между двумя ближайшими гребнями. А что такое гребень водяной волны? Это наибольшее отклонение частиц воды в одну сторону — вверх.
У электромагнитных волн мы можем называть длиной волны расстояние между двумя ближайшими точками, в которых электрическое (или магнитное, это безразлично) напряжение имеет наибольшее значение и направлено в одну сторону. Здесь полная аналогия с определением длины волны на воде. Ту роль, которую для определения длины водяной волны играет гребень, у электромагнитной волны выполняет максимум электрического (или магнитного) напряжения.
Теория электромагнитного поля Максвелла
Заслуга Максвелла состоит в том, что он нашел математическую форму уравнений, в которых связаны воедино значения электрической и магнитной напряженностей, которые создают электромагнитные волны, со скоростью распространения их в средах, обладающих определенными электрическими и магнитными характеристиками. Короче говоря, заслуга Максвелла состоит в создании теории электромагнитного поля.
Создание этой теории позволило Максвеллу высказать еще одну замечательную идею.
В конкретном случае взаимодействия токов и зарядов он измерил электрические и магнитные напряжения, учел величины, характеризующие электрические и магнитные свойства пространства, лишенного вещественной среды («пустоты»). Подставив все эти данные в свои уравнения, он вычислил скорость распространения электромагнитной волны. По его подсчетам, она оказалась равной 300 тысячам километров в секунду, т. е. равной скорости света! А ведь в свое время скорость света определяли чисто оптически: расстояние, пройденное световым сигналом от источника до приемника, делили на время его движения; никто при этом и думать не мог ни об электрических и магнитных напряженностях, ни об электрических и магнитных свойствах среды.
Случайно ли такое совпадение скоростей?
Максвелл сделал смелое предположение: скорость света и скорость электромагнитных волн одинаковы потому, что свет имеет ту же природу — электромагнитную.
Электромагнитная природа света
Теория Максвелла была разработана в 60-х годах. В 1888 году немецкий физик Генрих Герц (1857—1894) получил электромагнитные волны длиной в 9 метров. Они были получены с помощью искрового разрядника, схема которого как раз и была показана на рис. 24.
Теория Максвелла была практически доказана: электромагнитные волны действительно существуют, и их можно возбуждать чисто техническими средствами.
В 1895 году русский физик Александр Попов (1859— 1906) изобрел радио — одно из величайших достижений науки и техники нашего времени. Попов особое внимание обратил на разработку приемника электромагнитных волн, на усиление посылаемых и принимаемых сигналов, для чего он впервые применил антенны, на использование электромагнитных волн в качестве сигналов для связи; с помощью электромагнитных волн он послал первую в мире радиограмму, на которой зрители могли прочитать имя Генриха Герца.
Изучая свойства световых волн и электромагнитных волн, физики пришли к выводу, что Максвелл был прав: природа их, действительно, одинакова. И те и другие волны распространяются с одинаковой скоростью, отражаются и преломляются по одним и тем же законам, дают такие же тени и огибания краев препятствий. Пожалуй, наиболее важным было установление того, что скорость распространения световых волн в различных средах совершенно так же зависит от электрических и магнитных свойств этих сред, как от этих свойств зависит и скорость распространения в них электромагнитных волн. В частности, для любых электромагнитных волн, как и для света, скорость в среде уменьшается по мере укорочения длины волны. Вот поэтому-то когда белый свет падает на грань стеклянной призмы под углом, он расщепляется на составные части; каждая волна, входящая в состав белого света, движется в стекле со своей скоростью: красное излучение быстрее, чем желтое, желтое— быстрее, чем зеленое и т. д., поэтому фронт волны каждого излучения по-своему меняет направление.
Свет — это те же электромагнитные волны, как и волны, получаемые от искрового разряда или каким-либо иным техническим путем. Оба типа волн отличаются лишь тем, что у них различна длина волны или частота. Световые волны, действия которых воспринимаются глазом, имеют длину от 4000 до 7500Å, а радиоволны, с которыми работал Попов, — около 10 метров, т. е. в десятки миллионов раз больше.
Заметим, кстати, что изобретение Попова внесло принципиально новое отношение человека к такой области природы, как свет в широком смысле слова: ранее человек мог только пассивно возбуждать свет, теперь он научился модулировать его параметры, т. е. величины, его характеризующие. Но об этом скажем несколько позже.
Невидимый свет
Теперь мы можем говорить о свете в широком смысле слова, включающем в себя и невидимый свет. Впрочем, фактически физики с ним познакомились уже давно. Давно они замечали, что по обе стороны видимого светового спектра имеются какие-то невидимые излучения. Если за красным краем солнечного спектра поставить термометр, он сильно нагревается. А за фиолетовым концом спектра термометр нагревается слабее, но зато сильно чернеют фотопластинки, более бурно протекают химические процессы.
Невидимые излучения за красным концом спектра назвали инфракрасными, а за фиолетовым концом — ультрафиолетовыми. После работ Максвелла, Герца, Лебедева и других стало ясно, что инфракрасные и ультрафиолетовые излучения — это также электромагнитные волны; длина волн у первых больше, чем у красного света, а у вторых меньше, чем у фиолетового.
Теория Максвелла по-новому осветила огромную область процессов природы — электромагнитных излучений. Конец XIX века ознаменован открытием многих групп излучений, составляющих по своей природе одну и ту же семью.
Выше было сказано, что Герц и Попов получали электромагнитные волны порядка 10 метров. Важно было установить, можно ли с помощью технических устройств получить излучения со все меньшей длиной волны и, наконец, сомкнуть их с теми излучениями, которые уже встречались в природе. В этом направлении шли исследования физиков.
В 90-х годах прошлого века русский физик П. Н. Лебедев (1866—1912) много работал над практическим доказательством электромагнитной природы света. Он создал вибратор, от которого получил самые короткие в то время волны—длиной в 6 миллиметров. Дальше техника получения коротких волн развивалась крайне медленно, встречались большие технические трудности. Это легко понять из следующих расчетов. Чтобы получить электромагнитные волны длиной в 10 метров (Герц, Попов), надо заставить электрические заряды колебаться с частотой в 30 миллионов циклов. Волны, полученные Лебедевым, уже требуют вибратора с частотой в 50 миллиардов циклов. Только в 1922 году советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева изобрела «массовый излучатель», который излучал волны порядка десятых долей миллиметра. Благодаря ее работам спектр электромагнитных волн, получаемых от технических вибраторов, сомкнулся с инфракрасными излучениями.
Что же является излучателем более коротких электромагнитных волн — инфракрасных и еще более коротких? Колебания зарядов внутри молекул и атомов и их ядер. Световые излучения нам известны от природы, так как они воспринимаются нашим глазом. Другие же — были открыты физиками при помощи различных приборов.
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген (1845—1923) обнаружил, что поток быстро летящих электронов, ударяясь о стекло или металлическую пластинку, вызывает появление невидимых излучений. Излучения были замечены случайно: они упали на бумагу, покрытую особым веществом — платино-цианистым барием, и бумага в темноте засветилась. Так были открыты «рентгеновские лучи», с помощью которых в настоящее время «просвечивают» внутренние органы человека. Длины волн рентгеновских излучений лежат в промежутке примерно от десятых долей до сотни ангстрем. По длине волны они следуют непосредственно за ультрафиолетовыми излучениями.
Вскоре после открытия рентгеновских излучений в природе были найдены излучения с еще более короткой длиной волны, так называемые гамма-излучения. Их испускают радиоактивные вещества.
Шкала электромагнитных излучений
Таким образом, шкала излучений, обнаруженных человеком в природе, оказалась очень широкой. Если идти от наиболее длинных волн к коротким, мы увидим следующую картину (рис. 27). Сначала идут радиоволны, они самые длинные. В их же число входят и излучения, открытые Лебедевым и Глаголевой-Аркадьевой; это — ультракороткие радиоволны. Далее последовательно идут инфракрасные излучения, видимый свет, ультрафиолетовые излучения, рентгеновские и, наконец, гамма-излучения.
