Текст книги "Девять цветов радуги"

Автор книги: Александр Штейнгауз

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 23 страниц)

Спектр электромагнитных колебаний

Теперь мы уже многое знаем о свете и можем подвести некоторые итоги, для того чтобы яснее понять, каково же место световых волн в общем спектре электромагнитных колебаний.

Начнем с самых длинных волн (самых медленных колебаний) и постепенно перейдем ко все более коротким волнам.

Но прежде читателю рекомендуется запомнить название и смысл одной чрезвычайно часто употребляемой единицы. Она называется герц по имени физика Генриха Герца. Эта единица применяется для измерения частоты колебаний. Так, 1 герц соответствует одному колебанию в секунду или одному периоду в секунду. 1000 герц, или 1 килогерц, соответствует 1000 периодов в секунду. 1 000 000 герц = 1000 килогерц = 1 мегагерцу = 1 000 000 периодов в секунду.

Одним из самых длинноволновых является переменный ток, вырабатываемый электростанциями. В СССР и других странах Европы его частота равна 50 герцам[5]5
  В США и других странах американского континента частота в сети переменного тока равна 60 герцам.


[Закрыть]. Длина волны промышленного переменного тока равна 6000 километров. В настоящее время самые протяженные линии электропередач не превысили еще 2000 километров, и, следовательно, на всей такой линии уложится не более 1/3 волны.

Более высокие частоты содержатся в телефонных сигналах и в сигналах вещательных передач, передаваемых по проводам. Они занимают довольно широкий диапазон: от 20–60 герц до 20·10³ герц. Этот диапазон называется диапазоном звуковых частот, так как наше ухо воспринимает звуковые колебания (но не электромагнитные, о которых идет речь!) с теми же самыми частотами. Длина волны в этом диапазоне находится в пределах от 15 тысяч до 150 километров. Для сравнения можно сказать, что звуковые колебания с теми же частотами, распространяясь в воздухе при нормальном атмосферном давлении, вызовут волны (звуковые, а не электромагнитные!) длиной от 17 метров до 1,7 сантиметра. Это и понятно – ведь скорость распространения электромагнитных колебаний примерно равна 300 тысячам километров в секунду, а скорость звуковых колебаний – 340 метрам в секунду. За диапазоном звуковых следует диапазон инфранизких радиочастот. Такое название он получил по аналогии с лучами света, более длинноволновыми, чем видимые. Диапазон этот занимает полосу частот от 20·10³ до 100·10³ герц. Длины волн в пределах от 150 до 3 километров.

Инфранизкие частоты широко используются техникой. На них работают промышленные установки для нагрева и плавки металлов токами высокой частоты и даже некоторые системы дальней радионавигации и радиосвязи.

Затем идут волны, которые мы привыкли считать радиоволнами: длинные – от 3000 до 600 метров; средние – от 600 до 150 метров; промежуточные– от 150 до 75 метров и короткие – от 75 до 10 метров. Низкочастотная граница длинных волн соответствует 100·10³ герц, а высокочастотная граница коротких волн – 30·10⁶ герц. Весь этот диапазон используется главным образом для радиовещания и различных видов радиосвязи на дальних расстояниях. В этом же диапазоне работают и некоторые медицинские установки.

Радиоспектр идет и дальше. Но для радиоволн с длиной порядка единиц метров и короче линия горизонта является почти непреодолимой преградой. Поэтому телевидение, радиовещание и радиосвязь на таких волнах ведутся только в пределах прямой видимости. Для того чтобы увеличивать зону прямой видимости, телевизионные антенны устанавливаются на очень высоких башнях. Длины волн метрового диапазона от 10 до 1 метра, а частоты – от 3·10⁷ до 3·10⁸ герц.

За метровыми следуют дециметровые волны длиной от 1 метра до 10 сантиметров; граничные частоты этого диапазона равны 3·10⁸ и 3·10⁹ герц. В этом диапазоне волн работают самые разнообразные радиотехнические устройства и, в частности, радиотелескопы, о которых дальше будет рассказано. Радиоволны, длина которых измеряется дециметрами, и еще более короткие волны имеют одну очень интересную особенность. Они могут распространяться не только в пустоте (в воздухе), но и в трубах, в так называемых волноводах.

Сантиметровые волны имеют длину от 10 до 1 сантиметра (частоты 3 ·10⁹ до 3·10¹⁰ герц). Этот диапазон принципиально не отличается от предыдущего. В нем, в частности, работают метеорологические радиолокаторы.

Граничные частоты диапазона миллиметровых радиоволн соответствуют 3·10¹⁰ и 3·10¹¹ герц. Миллиметровые волны являются в настоящее время самыми короткими из тех, которые умеет генерировать радиотехника. В наши дни еще только приступили к их практическому освоению. Пока же они используются только для экспериментальных целей.

За диапазоном радиоволн простирается спектр световых волн.

Самым близким к радиоспектру является инфракрасный. Он ограничен волнами длиной 400 микронов и 760 миллимикронов, что соответствует частотам от 7,5·10¹¹ до 3,87·10¹⁴ герц. Получать волны в этом диапазоне можно с помощью некоторых специальных устройств, но наиболее простой способ заключается в нагревании каких-либо тел. Обычные лампы накаливания имеют очень интенсивное излучение в области коротковолнового инфракрасного излучения. Инфракрасные лучи широко используют в науке, технике и быту. С их помощью приготовляют пищу, обогревают помещения; сушат различные виды продукции. В этих лучах удается делать фотографии и с помощью особых приборов видеть ночью.

Видимые лучи света не требуют особого пояснения. Стоит лишь напомнить, что диапазон волн лежит в пределах от 780 до 380 миллимикронов, что соответствует частотам от 3,87·10¹⁴ до 8·10¹⁴ герц. Из этих цифр видно, какую узкую полоску из всего спектра электромагнитных колебаний могут непосредственно ощущать наши органы чувств.

Диапазон ультрафиолетовых лучей начинается с волны 380 миллимикронов, что соответствует частоте 8·10¹⁴ герц, и простирается до волн длиной 40 ангстрем[6]6
  Ангстрем – единица длины, употребляемая в спектроскопии и названная в честь физика Ангстрема. 1 А равен 0,0001 микрона.


[Закрыть] и даже короче. Частота на волне 40 ангстрем равна 7,5·10¹⁶ герц.

Ультрафиолетовые лучи, как и инфракрасные, широко применяются в науке и технике наших дней. С их помощью обнаруживают различные минералы, делают точнейшие химические анализы, стерилизацию пищи и лекарств.

Они используются в фотографии, судебной экспертизе, в светотехнике для возбуждения свечения люминесцентных красок. Ими широко пользуются и в медицине.

Шкала спектра электромагнитных колебаний.

Кстати, ультрафиолетовые лучи хоть и неправильно, но и не случайно называют кварцевыми. Дело в том, что обычные сорта оптического стекла становятся непрозрачными для ультрафиолетовых лучей уже на волнах порядка 2500 ангстрем. А стекла из чистого кварца пропускают эти лучи, поэтому баллоны ламп ультрафиолетовых источников света делаются из кварцевого стекла.

Но и кварц не может пропустить всего спектра ультрафиолетовых лучей: для волн короче 1800 ангстрем он тоже оказывается непрозрачным. В настоящее время наилучшим в этом смысле материалом считается флюорит, или плавиковый шпат, – он пропускает лучи с длиной волны 1200 ангстрем.

Рентгеновский участок спектра соседствует с ультрафиолетовым. Частоты рентгеновских излучений лежат в пределах от 6·10¹⁵ до 3·10¹⁹ герц, что соответствует волнам от 493 до 0,1 ангстрема. Некоторые области применения рентгеновских лучей вам хорошо известны. Они используются во всех случаях, когда надо посмотреть сквозь что-то, непрозрачное для других лучей. Поэтому их применяют для обнаружения внутренних дефектов в металлах, для различных исследований, основанных на явлениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах различных веществ.

К сожалению, в природе не существует таких материалов, которые могли бы преломлять рентгеновские лучи так, как стекловидимые. Поэтому оптические устройства типа объективов не могут быть для них созданы.

И, наконец, последний из известных в настоящее время науке участков спектра электромагнитных колебаний – участок гамма-лучей. Их испускают атомы радиоактивных элементов; гамма-лучи возникают и при некоторых видах взаимодействия элементарных частиц. Частота гамма-излучения начинается от 6·10¹⁸ герц, чему соответствует длина волны 0,428 ангстрема.

О коротковолновой границе гамма-излучения говорить трудно. С каждым годом она отодвигается в область все более коротких волн. Так, в излучениях, приходящих из космического пространства, обнаружены гамма-лучи с длиной волны порядка 0,0001 ангстрема.

Проникающая способность гамма-лучей еще более высокая, чем у рентгеновских. Поэтому их часто используют в тех случаях, когда рентгеновские лучи не в состоянии «пробить» исследуемый образец. Кроме того, для получения гамма-лучей достаточно иметь лишь радиоактивный изотоп, хранящийся для безопасности в контейнере, в то время как для получения рентгеновских лучей требуется весьма сложный и громоздкий рентгеновский аппарат. Гамма-лучи применяются также при некоторых химических процессах.

Необыкновенные хвосты

Библейских пророков более всего привлекали ужасы. Мор, голод, разграбление городов, гибель народов были любимейшими темами их прорицаний.

Пророки ссылались на божьи «знамения»: радуги, солнечные затмения и на другие небесные явления как на вестников несчастья. Не мудрено, что и «хвостатые звезды» – кометы, напоминающие суеверным людям карающий меч, – были зачислены «в штат» зловещих вестников, И их появление действительно наводило ужас на религиозных людей. И даже по сей день еще встречаются люди, верящие, что комета – предвестница войны.

Небесная странница – комета. Ее хвост всегда направлен в сторону от Солнца.

Необычный вид и сравнительно редкое появление на нашем небосводе этих небесных странниц издавна привлекали внимание ученых к кометам. Предметом особого изучения явились их необыкновенные хвосты. Тем более, что их поведение казалось наблюдателям очень странным. Дело в том, что хвост кометы не тянется за ней, оставаясь постоянно сзади головной части, а всегда находится на прямой, соединяющей головную часть кометы и Солнце, и направлен в сторону, противоположную ему.

Знаменитый астроном Кеплер еще в начале XVIII века высказал предположение, что подобная ориентация кометных хвостов может быть объяснена тем, что солнечные лучи оказывают давление на освещенные тела.

Максвелл в своих теоретических исследованиях пришел к такому же выводу. Но на сей раз это была не просто блестящая догадка, а теоретическое положение, подкрепленное точными вычислениями. По расчетам Максвелла получалось, что отвесные лучи солнечного света давят на 1 квадратный метр абсолютно черной (совершенно неотражающей) поверхности с силой 0,4 миллиграмма, а на зеркальную поверхность – с силой 0,8 миллиграмма. Разумеется, сила светового давления зависит от мощности светового излучения и от расстояния между источниками света и поверхностью, на которую падают лучи. Чем мощнее источник, гем больше давление; чем больше расстояние, тем давление меньше. Поэтому цифры, приведенные выше, не являются абсолютными. Они вычислены для случая, когда источником света является Солнце, а расстояние равно тому, на которое Земля отстоит от него.

Факт светового давления имеет принципиальное значение для науки: он открывает завесу еще над одним очень важным свойством света. Поэтому экспериментальное доказательство правильности теоретических выкладок было бы чрезвычайно существенным вкладом в физику. Но такой эксперимент оказался до крайности сложным и трудоемким – ведь измерять приходилось ничтожные по величине усилия.

Первым, кому удалось провести эти тончайшие измерения, был профессор Московского университета Π. Н. Лебедев. В 1899 году он измерил давление света на твердые тела, а в 1909 году разрешил еще более трудную задачу – измерение давления света на газы.

Схема установки Π. Н. Лебедева. Ось с лопастями, нарисованная отдельно, подвешивалась в стеклянном цилиндре. На лопасти направляли свет яркой лампы. Под давлением света ось с лопастями поворачивалась на некоторый угол.

Эти работы принесли Лебедеву мировое признание; многие университеты и научные общества избрали его своим почетным членом.

Результаты исследований подтвердили факт светового давления и точность расчетов Максвелла. Основываясь на этом факте и исследованиях Лебедева, астрономы смогли точно изучать влияние солнечного света на хвосты комет и даже определять массу частиц, образующих хвосты. Не менее интересным и важным для науки явился вывод, сделанный астрономами, о том, что световое давление, возможно, устанавливает естественный предел для размеров звезд. Масса звезды не может превышать некоторой, хотя и громадной, но конечной величины, так как в противном случае световое давление раскаленных внутренних областей звезды взорвет ее изнутри.

Мы помним, что волновая теория победила корпускулярную только после того, как опытным путем были установлены такие факты, как дифракция и интерференция. Эти факты невозможно объяснить с точки зрения корпускулярной теории, зато волновая теория великолепно с ними согласуется. Что же в этом смысле можно сказать о световом давлении? Оно было выведено и исчислено Максвеллом, создавшим свою электромагнитную теорию на основе волновых представлений о природе света, и, следовательно, полностью подтверждает их справедливость. Однако факт светового давления относится к числу тех, которые не противоречат и корпускулярным представлениям. Более того, на основании опытов Лебедева сторонник корпускулярной теории может сделать вывод, что свет имеет массу, и даже определить ее величину!

Мельчайшие из мельчайших

Наука никогда не заняла бы подобающего ей места, если бы с самого зарождения не требовала глубокого осмысления и точного определения даже самых простейших, кажущихся совершенно очевидными понятий. Вот, например, определения[7]7
  Здесь не приводятся определения в строгой научной формулировке.


[Закрыть] белого, прозрачного и черного тел, приемлемые для науки:

Тело, отражающее все лучи света, падающие на него, называется идеально белым.

Тело, пропускающее без поглощения все лучи проходящего сквозь него света, называется идеально прозрачным.

Тело, целиком поглощающее падающие на него лучи света, называется идеально черным.

В природе не существует ничего идеального. Нет и таких тел, которые полностью отвечали бы приведенным определениям, но зато есть очень много тел, которые довольно близки к ним. Так, некоторые химические соединения отражают до 98 процентов света; не слишком толстые слои стекла или горного хрусталя в широком диапазоне световых волн почти идеально прозрачны; некоторые сорта черного бархата поглощают до 99,7 процента падающего света.

Приведенные определения вряд ли у кого вызовут возражения, хотя бы потому, что они нисколько не противоречат повседневному опыту. Основываясь на этом опыте, мы привыкли считать белым то тело, которое излучает много света, а черным – не излучающее вовсе.

Солнце – ослепительно белое, а отверстие в закопченной печной трубе – ослепительно черное.

На первый взгляд кажется, что наше житейское понимание белого и черного нисколько не отличается от физического. Но на самом деле такое противоречие есть. В обиходе мы не замечаем его потому, что не совсем правильно пользуемся глаголами «отражать» и «излучать». Часто подменяем один из них другим, не видя особой разницы. А она с точки зрения физики имеет принципиальное значение.

И каждому из этих слов физика приписывает совершенно определенное действие.

Отражать – значит отбрасывать назад, вовне, лучи некоторого постороннего источника света, падающие на поверхность тела. При идеальном отражении температура тела не изменяется, не изменяется и запасенная в этом теле тепловая энергия.

Излучать – означает отдавать вовне путем испускания лучей собственную энергию. При излучении температура тела, его запасы тепловой энергии уменьшаются. Для того чтобы излучение не прекращалось, необходимо восполнять эту убыль энергии, а для этого требуются какие-то источники энергии. Например, электрическая батарея для лампочки в карманном фонаре или ядерные реакции на Солнце.

Что же в таком случае означает глагол «поглощать»?

С точки зрения энергетической поглощение следует понимать как действие, обратное излучению.

При поглощении энергия тела увеличивается, а при излучении, наоборот, уменьшается.

Таким образом, идеально белое тело в определенных условиях не поглощает и не излучает энергии. То же можно сказать и об идеально прозрачном теле. Зато идеально черное тело, являясь наилучшим поглотителем лучистой энергии, оказывается в то же самое время и наилучшим ее излучателем.

С непривычки такое утверждение может показаться ошибочным. Но это твердо установленный наукой факт. Еще более странным покажется читателю утверждение, что Солнце тоже черное тело. Но, если вдуматься в точное определение черного тела, такое утверждение постепенно перестанет казаться парадоксальным. Ведь оно в понимании физиков означает лишь одно: если на Солнце попадают лучи от каких-либо внешних источников света, то есть от всех других звезд, эти лучи не отразятся от него, а будут полностью им поглощены.

Почему же все мы не видим Солнце черным, но в то же время не можем вынести его ослепительных лучей?

Только потому, что в солнечной массе выделяется фантастически большое количество энергии и эта энергия излучается Солнцем вовне.

Примерно 14 процентов всей солнечной радиации приходится на долю видимого света. Он-то и ослепляет нас. Именно благодаря ему Солнце воспринимается нами как белое. Но это нисколько не противоречит определению, данному физикой для черного тела, ведь в нем говорится лишь о поглощении падающих лучей, но не об излучении собственных. Вот и получается, что черное тело может ярко светиться и быть белым, но при этом оно обязательно должно поглощать все лучи, падающие на него от посторонних источников света.

Разницу в излучениях нагретых тел – белого, прозрачного и довольно темного – вы можете проверить сами. Для этого разогрейте в пламени газовой горелки стальной гвоздь, кусок алюминиевой проволоки и кусок стекла. Ярче всего будет светиться сталь, а алюминий и стекло – едва заметно.

Мы уже говорили, что в природе не существует ни идеально черного, ни идеально белого. Но ученые для научных целей все же создали прибор, обладающий свойствами идеально черного тела. Он так и называется в физике – «черное тело». Его конструкция представляет собой металлический полый шар или цилиндр с небольшим отверстием. В промежутках между двойными стенками шара или цилиндра заложены электронагревательные элементы. Поверхность внутренней полости черного тела для лучшего поглощения падающих лучей иногда чернят и делают шероховатой.

Роль собственно черного тела играет отверстие в шаре. Как известно, черное тело поглощает все падающие на него лучи. Именно такое же действие производит отверстие. Посмотрите на чертеж прибора, и вы убедитесь в том, что луч, прошедший в отверстие извне, уже не вернется назад. Он «запутается» во внутренней полости шара. Претерпевая многократные отражения от стенок шара, он при каждом из них будет частично поглощаться и в конечном счете поглотится ими полностью.

Ход луча света в полости «черного тела». При каждом отражении от внутренней стенки часть света поглощается, и в конце концов стенки поглощают весь свет.

Зрачок нашего глаза кажется черным именно по этой же причине. Тем же объясняется и то, что днем окна домов кажутся снаружи черными.

Мы не зря уделили столько времени объяснению свойств черного тела. Это было необходимо потому, что исследование законов его излучения привело ученых к чрезвычайно важным открытиям. Эти и некоторые другие факты заставили ученых снова (в который раз!) пересмотреть свои воззрения на природу света.

Во-первых, стало известно, что спектр излучения черного тела непрерывный, то есть содержит колебания со всеми возможными длинами волн.

Во-вторых, эти опыты показали, что, хотя спектр излучения и непрерывный, мощность, излучаемая на разных частотах (длинах волн), различна: она максимальна внутри диапазона частот (волн) и практически падает до нуля к его краям. При этом частота, на которой имеется максимум излучения, тем больше, чем выше абсолютная температура.

В-третьих, оказалось, что суммарная мощность излучения черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры.

Экспериментальные данные были многократно проверены и ни у кого не вызывали сомнения. Однако, когда были сделаны попытки теоретически объяснить эти явления и найти формулу для их количественного выражения, ученые столкнулись с непредвиденными и, как оказалось, принципиальными трудностями. Все эти трудности сводились к тому, что теоретические выкладки, сделанные на основе столь хорошо зарекомендовавшей себя классической теории, совершенно не соответствовали фактам. Из этих выкладок следовало, что вся энергия черного тела должна была бы излучаться в виде коротковолнового излучения.

Из несоответствия практики и теории приходилось делать выводы. Первым, кто сумел объяснить законы излучения черного тела, оказался немецкий физик Макс Планк (1858–1947). Это было в 1900 году, три года спустя после открытия электрона.

Но, пожалуй, главной заслугой Планка было не само по себе объяснение законов излучения черного тела, а совершенно новое для физики предположение, которое ему пришлось сделать в ходе работы.

Для того чтобы понять всю необычность этого предположения, стоит провести один очень простой умозрительный опыт. Но читателю следует запомнить, что условия, в которых он будет проводиться, реально неосуществимы, а поэтому практически неосуществим и сам эксперимент. Проводить его можно лишь умозрительно.

Прежде всего предположим, что в нашем распоряжении имеется столь точный измерительный инструмент, с помощью которого мы можем измерять расстояние абсолютно точно и регистрировать даже самые незначительные его изменения. Вторым идеальным прибором, которым нам предстоит воспользоваться, будет простейший блок, отличающийся от реального лишь тем, что в нем полностью отсутствует трение.

Мысленно перекинем через блок веревку и к одному из ее концов прикрепим груз. Затем поднимем груз на высоту, равную 1 метру. Если вес груза был равен точно 1 килограмму, то при подъеме груза нам придется затратить работу против сил тяготения, точно равную 1 кГм. Но что это означает – затратить работу? Это означает отдать энергию, в данном случае 1 кГм энергии. Поднимая груз, мы отдаем энергию, она превращается в потенциальную энергию поднятого над землей груза. Следовательно, последний при этом получил энергию. И, так как условия эксперимента у нас идеальные, груз получил энергии ровно столько, сколько мы затратили, то есть 1 кГм.

Теперь приподнимем его еще на 0,000 001 метра. При этом мы отдадим, а груз получит 0,000 001 кГм. Поскольку измеритель расстояний абсолютно точен, можно изменять высоту подъема не только на одну миллионную долю метра, но и на одну миллиардную и на одну триллионную и любую другую как угодно малую долю метра. При этом величина затрачиваемой и приобретаемой энергии тоже будет уменьшаться до каких угодно малых долей.

До того как стала известной работа Планка, такой чисто умозрительный эксперимент приводил ученых к выводу, что энергия может делиться на любые малые, а в математическом смысле – на бесконечно малые доли. И на этом основании они считали, что энергия всегда и во всех случаях величина непрерывная.

Планк отказался от этого привычного и, казалось бы, вполне очевидного и доказанного представления, считая, что оно неприменимо при объяснении процессов излучения.

Он предположил, что при излучении энергия не может ни убывать, ни прибавляться бесконечно малыми долями и что все изменения энергии могут происходить только скачкообразно, то есть определенными порциями, очень небольшими, но конечными. Эти порции он назвал элементарными квантами или просто квантами.

Представим себе, что требуется наполнить стакан или мензурку определенным количеством жидкости. Естественно, что с первого раза мы не сумеем сделать это с достаточной точностью: либо не дольем жидкость до нужного деления, либо, наоборот, нальем чрезмерное количество. В обоих этих случаях можно или добавить, или убавить необходимое количество жидкости; причем это количество мы можем менять любыми, с точки зрения практики, произвольно малыми порциями.

Можно ли подобным образом изменять любые количества?

Мы знаем, что нельзя. Так, например, невозможно увеличить число учащихся в классе на 2,7 человека. Невозможно изменять произвольно малыми долями и сумму денег. Ее изменения всегда скачкообразны, причем наименьший «скачок» в нашей стране составит одну копейку, в ГДР – один пфенниг, в Англии – один фартинг.

Именно такое наименьшее возможное изменение, наименьший возможный скачок некоторой величины и называют квантом или элементарным квантом данной величины. Поэтому в равной степени правильно называть квантом человека, когда заходит речь о численном составе учащихся в школе, рабочих на заводе, населения в стране и тому подобное, и называть квантом копейку, когда говорят об исчислении денежной суммы в советских деньгах. Понятно, что названные кванты не имеют между собой ничего общего. Единственный признак, который дает право назвать квантом и то и другое, состоит в том, что обе эти величины являются наименьшими возможными изменениями соответствующих количеств. Есть элементарные кванты, величины которых можно сравнивать между собой. Таковы, например, элементарные кванты денег Советского Союза, ГДР и Англии – копейка, пфенниг и фартинг. Это сопоставимые кванты.

На практике многие прерывные величины вполне допустимо считать непрерывными. Взвешивая зерно, песок и другие сыпучие тела, разливая жидкости, мы не делаем сколько-нибудь заметной ошибки, считая, что их количества меняются непрерывно, то есть сколь угодно малыми порциями. На самом же деле это не так, и известно, что масса сыпучих тел может изменяться только прерывно, хотя величина скачка чрезвычайно мала. Мы пренебрегаем этой величиной во всех случаях, где она несущественна. Но мы будем поступать иначе, если придется взвешивать какие-либо драгоценные сыпучие тела. Для их взвешивания придется пользоваться весьма чувствительными и точными весами. И тогда мы уже не сможем пренебречь фактом скачкообразного изменения массы.

Точно так же обстоит дело с измерениями и других количеств. Повышение чувствительности и точности измерений часто показывает, что величины, считавшиеся непрерывными, на деле могут меняться только прерывно, скачками, причем величина наименьшего, мельчайшего из мельчайших скачков оказывается вполне определенной и неизменной. Скачками, квантами изменяется и масса воды. Квантом массы воды является масса одной ее молекулы. Разумеется, что в подавляющем большинстве случаев можно не принимать этот факт во внимание и считать массу воды величиной непрерывной.

Но есть и другие действительно непрерывные величины. И в этом случае повышение чувствительности и точности измерений не привело бы к обнаружению прерывности их изменения. К непрерывным величинам относятся расстояние и время.

Итак, известно, что некоторые величины могут изменяться сколь угодно малыми долями, а другие – только прерывно, скачками, и величину такого скачка уже нельзя уменьшить. Такой неделимый скачок количества, такую наименьшую из возможных порцию и называют элементарным квантом таких величин.

Электрон обладает наименьшим, мельчайшим из мельчайших отрицательным электрическим зарядом. Следовательно, заряд электрона можно назвать квантом электрического заряда или просто квантом электричества.

Зернистую, прерывистую структуру имеет и масса. Так, мельчайшей из мельчайших, наименьшей из возможных масс водорода (водорода как вполне определенного химического элемента) является масса одного его атома, равная примерно 0,000 000 000 000 000 000 000 001 7 грамма.

Итак, квант массы водорода равен 1,7·10^-24 грамма. Естественно, что квант массы кислорода будет отличаться от водородного кванта. Но величины их сопоставимы, потому что и та и другая выражаются в граммах массы.

Подобным образом обстоит дело и с квантами излучаемой энергии. Их численное значение оказывается различным для разных длин волн. По определению Планка, величина одного элементарного кванта излучаемой энергии выражается формулой ε = hν, где h – некоторая неизменная величина, названная в честь первооткрывателя постоянной Планка, a v – частота колебаний, на которых излучается энергия.

Если излучение нагретого черного тела разложить в спектр, то в нем будут присутствовать колебания с самыми различными частотами. Поэтому кванты энергии, излучаемой черным телом, также будут иметь самые разнообразные значения.

Объяснение законов излучения черного тела явилось той необходимой проверкой, которая подтвердила правильность новых теоретических положений, выдвинутых Планком. Они в равной мере справедливы для всех видов излучений – не только световых, но и для всего спектра электромагнитных волн, начиная от самых длинных радиоволн, кончая рентгеновскими и гамма-излучениями.

Однако в радиотехнике квантовыми представлениями практически не пользуются. Величина отдельного кванта на радиочастотах столь ничтожна, что излучаемую энергию радиоволн можно, с точки зрения практики, считать величиной непрерывной. Для примера стоит назвать численную величину кванта для радиоволн длиной 3000 метров (частота 100 тысяч колебаний в секунду); она равна 4,4·10^-10 электроновольт[8]8
  Энергию в 1 электроновольт приобретает электрон, пролетев между обкладками конденсатора, к которому приложено напряжение, равное 1 вольту.


[Закрыть]. Именно поэтому классическая электродинамика, созданная Максвеллом, остается полностью справедливой на радиочастотах.

Зернистая структура излучаемой энергии становится заметной на световых волнах. Так, на волне 1,2345 микрона (ближняя инфракрасная область спектра) энергия кванта точно равна 1 электроновольту. На красной границе видимого спектра она возрастает примерно до двух, а на фиолетовой границе – до 4 электроновольт. Но все же эти значения еще чрезвычайно малы в сравнении с 1 квантом энергии, излучаемой в области очень коротковолновых гамма-лучей. Так, на волне в 0,007 миллимикрона энергия кванта становится равной 1770 тысяч электроновольт. Такую энергию приобретает электрон, разгоняясь в электростатическом поле конденсатора, к которому приложено напряжение 1770 тысяч вольт.

Не следует забывать при этом, что эта энергия излучается черным телом либо такой огромной порцией, либо вовсе не излучается. То же происходит и при поглощении – либо всё, либо ничего.

Отказываясь от привычных, казавшихся незыблемыми представлений и формулируя новые идеи, Планк, возможно, не предполагал, что им суждено сыграть революционную роль в развитии основных физических представлений. По крайней мере, вначале он ставил перед собой совершенно конкретную задачу – теоретически обосновать законы излучения черного тела.