Текст книги "Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 24 страниц)

Что же такое комбинационное рассеяние света?

Подробные исследования обнаружили следующие основные черты этого явления. При прохождении пучка монохроматического (одноцветного) света через совершенно чистое, лишенное всяческих загрязнений вещество часть света рассеивается в стороны. Рассеянный свет содержит, кроме света первоначальной частоты, также свет измененных (комбинированных) частот. Разность этих частот и частоты падающего света зависит от свойств рассеивающего вещества и не зависит от частоты падающего света.

В результате на фотографии спектра рассеянного света каждая спектральная линия, излучаемая источником света, сопровождается группой линий измененной частоты – спутниками или сателлитами этой линии. Сателлиты расположены по обе стороны от основной линии, они появляются парами, расположенными симметрично на одинаковых расстояниях от основной линии. Как сказано выше, эти расстояния составляют характерную особенность рассеивающего вещества и не зависят от частоты основной линии. Число видимых сателлитов также зависит от свойств рассеивающего вещества. Характерно, что сателлиты, обладающие меньшей частотой, то есть расположенные с той стороны основной линии, которая ближе к красному участку спектра («красные» сателлиты), обычно ярче, чем те, которые расположены ближе к фиолетовому участку спектра («фиолетовые» сателлиты). Обнаружено, что разность частот основной линии и соответствующих сателлитов, которая является характеристикой рассеивающего вещества, обычно совпадает с частотами линий, наблюдаемых при изучении спектров этого же вещества в инфракрасных лучах.

Линии комбинационного рассеяния являются, таким образом, тем отпечатком, который молекулы рассеивающего вещества накладывают на спектр света источника. Именно это дало право Л. И. Мандельштаму назвать комбинационное рассеяние света языком молекул. Для тех, кто сумеет расшифровать и понять фотографии спектра комбинационного рассеяния, молекулы, пользуясь этим языком, раскроют тайны своего строения.

Для объяснения деталей этого интересного явления необходимо привлечь квантовую теорию и хотя бы бегло проследить путь, пройденный Смекалем, Гейзенбергом, Шредингером, Дираком и другими физиками-теоретиками.

Основой квантовой теории является положение о том, что энергия, в любом ее виде, может передаваться только вполне определенными порциями. В каждой системе микромира – атоме, молекуле и т. п. – существует минимальная порция энергии. Меньшая порция энергии уже не может передаваться. Квантовая теория света, созданная А. Эйнштейном, заключается в том, что обмен энергией между частицами вещества и светом происходит путем уничтожения одних и рождения других квантов света (фотонов). Количество энергии, заключающейся в каждом из них, зависит от частоты света, то есть от его цвета.

При обычном рассеянии, рассмотренном еще Релеем, когда частота света не изменяется, энергия каждого из рассеянных фотонов совпадает с энергией падающих. При комбинационном рассеянии частота рассеянного света отличается от частоты падающего. Следовательно, энергия рассеянных фотонов отличается от энергии падающих. За счет чего же возникает это различие в энергии падающих и рассеянных фотонов? Теория отвечает на этот вопрос так: атомы, образующие молекулы, совершают периодические колебания. Если свет взаимодействует с колеблющимся атомом, то энергия фотона, рассеянного при взаимодействии (для простоты и наглядности можно образно называть процесс его взаимодействия с атомом столкновением) с колеблющимся атомом, может отличаться от энергии падающего фотона. Если часть энергии падающего фотона будет затрачена на увеличение колебаний атома, то энергия рассеянного фотона окажется меньшей, чем энергия падающего. Если же часть энергии атома перейдет к свету, энергия рассеянного фотона увеличится. Теория говорит, что первый процесс происходит при обычных температурах чаще, чем второй. Поэтому при обычных температурах «красные» сателлиты, соответствующие уменьшению энергии рассеянного света по сравнению с падающим, оказываются более яркими, чем «фиолетовые» сателлиты, соответствующие увеличению энергии фотонов в результате процесса рассеяния.

По мере повышения температуры вещества рассеяние с возрастанием энергии происходит все более часто. Поэтому с ростом температуры яркость «фиолетовых» сателлитов приближается к яркости «красных» сателлитов.

Как мы уже говорили, переходы энергии могут осуществляться только вполне определенными характерными для данного вещества порциями, следовательно, разности энергий между рассеянными и падающими фотонами тоже могут быть только вполне определенными. А так как разность энергии фотонов определяет разность частот спектральных линий, то это объясняет, почему расстояния между линиями комбинационного рассеяния и основными линиями падающего света имеют вполне определенную величину, характерную для рассеивающего вещества. Можно понять механизм комбинационного рассеяния света и не прибегая к квантовой теории. Действительно, основные черты его хорошо описываются обычной электромагнитной теорией. Чтобы наглядно представить себе этот процесс, удобно сравнить его с процессами, происходящими при передаче и приеме сигналов по радио.

Мы уже говорили о том, что ртутная лампа испускает свет, состоящий из ряда линий, имеющих вполне определенную частоту. Это значит, что, пройдя через призму, свет такой лампы не образует непрерывной радужной полоски, подобной той, которую образует при прохождении через призму белый цвет (свет Солнца, вольтовой дуги, электрической лампы накаливания и т. п.). Призма преобразует свет ртутной лампы не в сплошную радужную полоску, а в ряд отдельных разноцветных линий, расположенных в порядке следования радужных цветов на различных расстояниях одна от другой. Таким образом получается спектр паров ртути.

Аналогией этому явлению в области радио может служить любой радиопередающий центр. В нем одновременно работают несколько радиопередатчиков, каждый на одной вполне определенной частоте. Если вращать ручку настройки приемника, то каждая станция будет слышна только при одном определенном положении указателя на шкале приемника. Отметив эти положения, мы получим спектр частот, излучаемых данным радиопередающим центром.

Если радиостанции включены, но на микрофон не попадает никаких звуков, то в приемнике, настроенном на любую из этих станций, тоже не будет слышно никаких звуков. В этом случае с помощью индикатора настройки мы сможем только определить, что станции включены и работают.

Если на микрофон, соединенный одновременно со всеми радиостанциями, попадают какие-либо звуки, то эти звуки будут одновременно слышны в приемниках, настроенных на любую из этих радиостанций. Обычные радиоприемники при этом будут принимать звуковую программу. В приемнике будут появляться различные по высоте тона и по силе звуки, совершенно похожие на те, которые падают на микрофон.

Если же мы сконструируем радиоприемники со слишком острым резонансом, то уже не сможем получить с их помощью обычного радиоприема. Они не смогут воспроизвести звуки, совпадающие с теми, которые воздействуют на микрофоны передатчиков. Вместо этого такие приемники с чрезмерно острым резонансом обнаружат присутствие новых «действующих радиостанций» вблизи тех мест шкалы, на которых обычные приемники принимают радиостанции нашего радиопередающего центра. Появление этих новых частот в спектре радиопередающего центра есть результат восприятия нашими весьма резонансными приемниками передачи, модулированной звуковой программой. Это аналогично комбинационному рассеянию. В результате модуляции в спектре возникли новые линии.

Из примера с модуляцией силы звука камертона можно понять, что рассмотренное различие в радиоприеме является следствием конструктивных особенностей приемников. В опыте с камертонами наше ухо воспринимало только изменения силы звука. В отличие от уха, камертоны, настроенные на соседние близкие частоты, легко обнаружили их реальное присутствие. Это объясняется тем, что камертоны обладают очень острым резонансом. Они легко различают частоты, отличающиеся между собой всего на несколько периодов. Но при этом величина колебаний ножек камертонов остается постоянной. Это значит, что камертоны не воспринимают модуляцию как изменение силы звука. Они воспринимают ее только как появление новых тонов постоянной силы, которые отсутствовали в звуке, испускаемом немодулированным источником.

Вернемся снова к примеру с радиоцентром. Количество и сила новых (так называемых боковых) частот, а также их расположение будут одинаковыми для всех передатчиков нашего радиоцентра и зависят только от характера модулирующих звуков. Если передатчики модулируются чистым звуком одной определенной частоты (например, звуком струны или свистка), то рядом с частотой каждого передатчика возникнут по две новых боковых частоты, симметрично расположенных вокруг несущей. Расстояние между боковой частотой и несущей в точности равно частоте модулирующего звука и не зависит от того, какова частота радиостанции.

При наблюдении рассеянного света дело обстоит совершенно так же. В спектре ртутной лампы можно обнаружить ряд отдельных спектральных линий. Эти линии аналогичны отдельным радиостанциям передающего центра в нашем примере. Каждой спектральной линии, как и каждой радиостанции, соответствует своя частота колебаний. При прохождении света через вещество он рассеивается в стороны, но простые спектральные аппараты не обнаруживают появления при этом новых боковых частот, вызванных колебательными движениями атомов в молекулах. Так как атомы, образующие молекулы, колеблются с гораздо меньшими частотами, чем те, которые соответствуют видимому свету, то боковые частоты очень близки к основным частотам источника света. Вместе с тем эти частоты все же настолько велики, что наш глаз не в состоянии воспринять модуляцию как периодическое изменение силы света. Глаз не успевает следить за столь быстрыми изменениями, и мы ощущаем некоторую среднюю силу света.

Но «достаточно резонансные» оптические приборы, то есть достаточно хорошие спектроскопы или специальные резонансные фильтры, как, например, сосуд с парами ртути, примененный московскими физиками, могут отделить основные линии ртутной лампы от боковых линий, появляющихся в результате комбинационного рассеяния. Сейчас мы знаем, что простые светофильтры, примененные в первой работе Рамана и Кришнана, не могли отделить линии комбинационного рассеяния от света основной линии.

Отдельные линии оптического спектра источника можно уподобить отдельным радиостанциям радиопередающего центра. Линии комбинационного рассеяния, то есть боковые линии, появляются вокруг каждой основной линии, так как все основные линии одновременно модулируются совокупным действием колебательных движений атомов, образующих молекулы рассеивающего вещества.

Итак, в 1928 году было открыто и объяснено замечательное явление комбинационного рассеяния света. Однако как же обстоит дело с теми малыми изменениями, которые искали в 1928 году и не сумели обнаружить Мандельштам и Ландсберг? Правильна ли теория 1918 года?

Окончательный ответ на этот вопрос был дан впоследствии как работами Ландсберга и Мандельштама, впервые обнаружившими такое рассеяние в 1930 году, так и главным образом прекрасными опытами советского ученого Е. Ф. Гросса. По предложению Мандельштама и Ландсберга в Государственном оптическом институте в Ленинграде им были поставлены тщательные опыты, которые привели к точному подтверждению теории Мандельштама. Гросс обнаружил это явление не только в твердых телах, но и в жидкостях, что дало в руки ученых еще одно средство для изучения сложного и интересного вопроса о строении жидкостей. Опыты Гросса вызвали дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования. Советский физик Л. Д. Ландау совместно с чешским физиком Г. Плачеком показали, что наряду с флуктуациями плотности следует учитывать флуктуации температуры. В то время как первые рассасываются путем распространения упругих волн, вторые выравниваются вследствие теплопроводимости.

Из лаборатории в промышленность

Исследования комбинационного рассеяния света не только создали новую главу в науке, но и дали важное оружие промышленности. Достаточно сказать, что за полвека, прошедших после открытия комбинационного рассеяния, опубликовано несколько тысяч научных работ в этой области. Значительное число этих работ принадлежит советским физикам, ученикам и сотрудникам академиков Мандельштама и Ландсберга, и индийским ученым школы Рамана.

Результаты этих работ сделали комбинационное рассеяние одним из наиболее мощных способов изучения свойств вещества. Физики пользуются этим методом для изучения природы и строения жидкостей, исследования кристаллов и стекловидных веществ. Химики используют его для изучения структуры химических соединений, природы сил, приводящих к объединению атомов в молекулы. Органическая химия приобрела в комбинационном рассеянии наиболее удобный метод изучения строения сложных органических соединений.

Сотрудники лаборатории Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР, которой руководил академик Ландсберг, разработали методы исследования вещества, использующие явление комбинационного рассеяния света. Они позволяют в условиях заводской лаборатории быстро и точно производить количественные и качественные анализы авиационных бензинов, других продуктов переработки нефти и синтетических органических жидкостей.

Для того чтобы стали понятны огромные трудности, которые пришлось преодолеть советским ученым при изучении комбинационного рассеяния света, достаточно привести следующие цифры. Из общего количества световой энергии, поступающей в изучаемое вещество, в спектральный аппарат попадает примерно одна десятимиллиардная часть. Но на долю линий комбинационного рассеяния редко приходится 2–3 % этой величины. Обычно эти линии еще более слабы, поэтому явление комбинационного рассеяния так долго оставалось незамеченным. Понадобилось огромное экспериментальное искусство, чтобы обнаружить это явление, и глубокое понимание физической природы взаимодействия между светом и веществом для того, чтобы его понять и не приписать появление неизвестных линий случайной ошибке.

При получении первых фотографий комбинационного рассеяния требовалась экспозиция в десятки часов. Аппаратура, созданная советскими учеными, позволяет теперь получить спектр чистых веществ в течение нескольких минут, а иногда и секунд. Даже для анализа сложных смесей, в которые отдельные вещества входят в количестве всего нескольких процентов, обычно достаточны экспозиции, не превышающие одного часа.

Итак, открытие и исследование комбинационного рассеяния света позволило ученым «бросить взгляд внутрь молекулы». Обычно спектральные линии, испускаемые газами при пропускании электрических искр или под влиянием высокой температуры, говорят о строении электронных оболочек атомов этих газов. Линии комбинационного рассеяния говорят о строении молекул, о силах, связывающих отдельные атомы в молекулы, об относительных движениях атомов, образующих молекулу. При расшифровке линий комбинационного рассеяния физики учились понимать своеобразный световой язык, которым молекулы рассказывают нам о своих тайнах.

Впервые этот язык, записанный на фотопластинках, проявленных в оптической лаборатории, был открыт, расшифрован и понят Мандельштамом и Ландсбергом, Раманом и Кришнаном. Они научили своих учеников разбирать этот язык. В течение полувека во всем мире ведется упорная работа по составлению словаря языка молекул, словаря, который оптики называют каталогом спектральных линий комбинационного рассеяния. Когда такой каталог будет составлен, процесс расшифровки спектрограмм значительно облегчится и не будет требовать той большой и трудоемкой работы, которая проводится сейчас при исследовании сложных веществ.

Новая жизнь

Крупное открытие, сделанное в одной из областей науки, неизбежно проявляется и в других областях, иногда кажущихся очень отдаленными. Обычно открытие оказывает воздействие и на технику, а через нее и на повседневную жизнь человечества. К таким крупным научным событиям принадлежит создание лазеров. Квантовая электроника родилась вместе с изобретением молекулярного генератора радиоволн, но ее расцвет начался после создания лазеров и освоения ею оптического диапазона. До появления лазеров наблюдение комбинационного рассеяния света требовало многочасовых экспозиций, что затрудняло применение этого метода в промышленности (впрочем, несмотря на трудности, этот метод и ранее применяли для контроля на некоторых химических предприятиях). Огромная, яркость излучения лазеров кардинально изменила ситуацию. Применение фотографической регистрации стало необязательным. Спектры комбинационного рассеяния теперь можно наблюдать непосредственно глазами. Более того, их удобно фиксировать фотоприемниками и включать эти фотоприемники в системы автоматического управления технологическими процессами. Хорошо разработанные методы наблюдения комбинационного рассеяния открыли один из путей применения лазеров в промышленности.

Создание лазеров привело к рождению новой области науки – нелинейной оптики, имеющей непосредственное отношение к проблеме рассеяния света. Нелинейная оптика пережила долгий период утробного развития. Еще в 1923 году С. И. Вавилов и В. Л. Левшин обнаружили уменьшение доли поглощенного света при увеличении интенсивности падающего света. До того никто не сомневался в независимости всех оптических явлений от интенсивности света. Но С. И. Вавилов сделал из своего частного наблюдения далеко идущие выводы. Он понял, что оптические явления не зависят от интенсивности света только тогда, когда эта интенсивность мала. Он знал, что такая ситуация встречается и в других областях науки, например в такой древней, как механика.

Даже открытое Галилеем постоянство периода колебаний маятника справедливо, только если размахи маятника малы. Стоит отклонить или толкнуть маятник сильнее, период его колебаний изменится. Это лишь простой пример. Аналогичные ситуации встречаются повсеместно.

Во всех случаях, когда главные особенности явлений не зависят от масштаба характеризующих их величин, исследования приводят к простейшим математическим уравнениям. Математики называют такие уравнения линейными потому, что одно из них описывает свойства прямой линии.

Когда закономерности какого-либо явления зависят от интенсивности (от величины) соответствующих процессов, для их изучения требуется применение более сложных – нелинейных уравнений. Поэтому, поняв, что при увеличении интенсивности света должны наблюдаться новые неведомые явления, зависящие от интенсивности света, Вавилов ввел новый термин. Он назвал нелинейной оптикой новый раздел оптики, открывшей ему свое присутствие слабой зависимостью величины поглощения света стеклом, содержащим соединения урана.

Следующий шаг в неведомую область сделал лишь через 30 лет Г. С. Горелик. Он теоретически доказал, что хорошие фотоэлектрические приемники света обладают достаточной чувствительностью, чтобы зарегистрировать нелинейные зависимости в целом ряде оптических явлений. Одно из таких явлений обнаружили в 1955 году американские исследователи.

Первые лазеры заработали в 1960 году. О лазерах мы поговорим позже. Сейчас большинство людей знает, что лазеры – новые источники света, испускающие свет несравненно более яркий, чем все другие известные источники света. Уже в 1961 году П. Франкен зафиксировал первый нелинейный лазерный эффект – удвоение частоты света, проходящего через прозрачный кристалл, а еще через год Е, Вудберн и В. Нг обнаружили вынужденное комбинационное рассеяние света.

Еще одна сказка

Каждый помнит восточного мудреца, попросившего о скромном вознаграждении. Он хотел, чтобы на первую клетку шахматной доски ему положили всего одно зернышко, а на вторую только два, на третью лишь четыре, и так, не запрашивая большего, он просил, чтобы на каждую следующую клетку ему клали всего вдвое больше зерен, чем на предыдущую. И каждый помнит, к чему это должно было привести. Скромное удвоение приводит к фантастически быстрому росту. Уже на восьмой клетке придется размещать 128 зерен…

Ученики и последователи Мандельштама и Ландсберга сумели извлечь пользу из ничтожных количеств света, преобразующегося в спектральные линии комбинационного рассеяния. Уже первые лазеры превратили наблюдение комбинационного рассеяния из изощренного эксперимента рутинную операцию. Но доля световой энергии, преобразующейся в излучение комбинационных частот, оставалась ничтожной. Однако ничтожная часть очень большой величины может оказаться достаточно крупной. Миллионная доля от миллиона тонн – это целая тонна!

Бурный рост лазеров привел физиков в область нелинейной оптики, путь в которую был указан Вавиловым. То, с чем им пришлось встретиться, ошеломляло не меньше, чем увеличение количества зерен в древней сказке.

Весь прежний опыт говорил о том, что по мере погружения луча света в рассеивающую среду интенсивность рассеянного света быстро уменьшается, даже если среда прозрачна и не поглощает свет. Никого это не удивляло. Ведь при рассеянии интенсивность первоначального света уменьшается за счет того, что часть энергии света рассеивается в стороны; уменьшается очень быстро, быстрее, чем увеличиваются кучки зерен на шахматной доске.

Но с лазерным лучом все выглядит сложнее. Конечно, и лазерный луч ослабевает по мере погружения в рассеивающую среду. Более того, его интенсивность убывает быстрее, чем убывала интенсивность в опытах с обычными источниками света. Удивительным оказалось, что интенсивность рассеянного света на начальном участке, там, где лазерный луч входит в рассеивающую среду, не убывает, а быстро возрастает. Такое может быть, только если доля рассеянного света не остается постоянной, а возрастает по мере продвижения лазерного излучения в среду.

Приходится признать, что процесс рассеяния отсасывает энергию из лазерного пучка сильнее, чем из пучка света обычного источника, причем по законам, неведомым оптикам. Это законы нелинейной оптики.

Теперь, когда они изучены, они выглядят необыкновенно ясными. Впрочем, и в то время их удавалось уяснить сравнительно легко при помощи общей теории нелинейных процессов, которая к тому времени уже была хорошо разработана усилиями Мандельштама и Н. Д. Папалекси, Ю. Б. Кобзарева, Н. Н. Боголюбова и их учеников.

К школе Мандельштама и Папалекси принадлежал Рем Викторович Хохлов (молодой ректор МГУ, трагически погибший в альпинистском походе в 70-х годах). Он внес решающий вклад в становление нелинейной оптики, раздела оптики, имеющего дело с оптическими явлениями при высокой интенсивности оптического излучения.

Механизм нелинейного комбинационного рассеяния лишь немногим сложнее обычного. При обычном комбинационном рассеянии часть падающего света рассеивается в стороны атомами вещества и изменяет при этом частоту в соответствии с частотами колебаний атомов в молекулах рассеивающего вещества. Интенсивность света, рассеиваемого в процессе обычного комбинационного рассеяния, пропорциональна интенсивности падающего света и увеличивается вместе с интенсивностью колебаний молекул. При обычном комбинационном рассеянии колебания молекул остаются практически неизменными при их взаимодействии со светом.

Но при воздействии на вещество мощного излучения лазера ситуация изменяется. Этого нельзя было предвидеть исходя из многовекового опыта обычной линейной оптики. Конечно, явления, известные ранее, не исчезли. Лазерное излучение, взаимодействуя с атомами, точнее, с электронами атомов, входящих в молекулы вещества, рассеивается в стороны. При этом в рассеянном излучении содержатся не только частоты первоначального лазерного излучения, но и комбинационные частоты. Словом, при применении лазерного источника сохраняются все особенности рассеянного света, изученные Мандельштамом и Ландсбергом, Раманом и Кришнаном.

Новой является только большая интенсивность рассеянного света. Но в этом нет ничего неожиданного, это предвидел Вавилов, изучением этого занимался Хохлов. Ведь интенсивность излучения лазера очень велика, а интенсивность рассеянного излучения пропорциональна интенсивности падающего излучения. Коэффициентом пропорциональности при этом служит интенсивность внутримолекулярных колебаний. Неожиданным является то, что излучение, возникшее в процессе рассеяния, если оно достаточно интенсивно, способно в свою очередь увеличивать внутримолекулярные колебания. Сказанное нуждается в уточнении: рассеянное излучение может влиять на колебания молекул, только если оно действует совместно с породившим его излучением лазера. Это значит, что рассеянное излучение влияет только на колебания тех молекул, которые располагаются в пределах пучка лазерного излучения.

При этом излучение лазера, рассеянное атомами, входящими в молекулы, действуя на эти же атомы совместно с первоначальным лазерным излучением, раскачивает их.

Здесь начинается самое интересное: переход от линейной оптики к нелинейной. Линейная оптика говорит, что интенсивность колебаний атомов в молекулах вещества служит постоянным множителем пропорциональности между падающим и рассеянным излучением. Нелинейная оптика замечает: это справедливо только при малых мощностях. При больших мощностях постоянный множитель пропорциональности превращается в переменную величину, зависящую от мощности падающего и рассеянного излучения. Причем этот ранее постоянный множитель растет вместе с мощностью излучения. Так замыкается цепочка. Увеличение мощности рассеянного излучения приводит к дальнейшему увеличению рассеяния. Именно эта особенность отражена в названии «вынужденное рассеяние». Рассеяние мощного лазерного излучения, воздействуя на вещество, создает условия для возникновения все более мощного рассеяния. Пропорциональность, то есть простая линейная зависимость мощности рассеиваемого излучения от мощности падающего излучения, заменяется более сложной нелинейной зависимостью.