Текст книги "История лазера"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 31 страниц)

ГЛАВА 2
СПЕКТРОСКОПИЯ: АКТ I

Если свет, испускаемый Солнцем или лампой накаливания, направляется на стеклянную призму, то мы увидим (так же как и Ньютон) цвета, расположенные в последовательности от фиолетового до красного. Ньютон назвал это «спектром». Это слово остается для обозначения изображения, которое получается в результате разложения любого света с помощью призмы или другой более сложной аппаратуры. Когда интенсивность постепенно изменяется от одного цвета до другого, мы говорим о «непрерывном спектре». В общем случае свет, получающийся путем электрического разряда в газе (неоновая реклама), состоит из очень ярких линий на темном фоне; в этом случае спектр обозначается как «линейчатый спектр».

В спектроскопах, инструментах, используемых в настоящее время для изучения таких спектров, свет проходит через тонкую щель, установленную на входе в инструмент, а в плоскости наблюдения каждая линия является изображением входной щели в соответствии с той монохроматической (т.е. одного цвета) компонентой исследуемого излучения. Каждая из этих линий имеет хорошо определенное положение и интенсивность, что и является характеристикой спектра. Это положение определяется длиной волны и соответственно, частотой монохроматического излучения, которое и составляет линию.

Если мы рассматриваем субстанцию свободных атомов одного и того же сорта, т.е. элементы в газовой фазе обнаруживаем, что их спектры являются, в значительной степени, линейными. Точнее говоря, эти спектры содержат линии с последовательно уменьшающимися длинами волн, причем интервал между линиями становится все меньше и меньше, и, начиная с некоторой длины волны, они сливаются в непрерывный спектр.

Истоки спектроскопии

Изучение состава света, испускаемого раскаленными телами, является предметом спектроскопии. Эта дисциплина родилась в XIX в. и сыграла фундаментальную роль в изучении света и строения атомов, являясь совершенной необходимостью для понимания принципов работы мазеров и лазеров. Мы можем сказать, что она возникла в 1802 г. с открытием английским физиком Вильямом Волластоном (1766—1828) присутствия темных линий в спектре солнечного света.

Волластон стал богатым человеком, когда в 1804 г. изобрел процесс получения чистой ковкой платины, пригодной для изготовления сосудов. Он также выделил два новых элемента, палладиума (в 1804 г.) и родия (в 1805 г.). Первый был назван в честь астероида Паллас, который был открыт в 1804 г., а второй – за розовый цвет его соединений. В 1807 г. Волластон запатентовал особую камеру, в которой призма отражала свет от объекта, который хотели зарисовать, на бумагу и в глаз художника. Тем самым у художника создавалась иллюзия, что изображение уже на бумаге, и он мог просто зарисовать его, обводя контуры. Волластон был другом Томаса Юнга и был приверженцем волновой теории света. В 1802 г. он наблюдал темные линии в спектре Солнца, он не понял их важности и полагал, что они просто естественные контуры цветных линий.

Рис. 8. Солнечный спектр с темными линиями Фраунгофера. Некоторые из них снабжены буквами, использованными Фраунгофером.

Двенадцатью годами позже Джозеф Фраунгофер (1787—1826), сотрудник Бенидиктинского оптомеханического института в Баварии, снова открыл темные линии в солнечном спектре, когда измерял дисперсионную силу разных стекол, и стал изучать эти линии. Он установил их положение в спектре, для большого числа (576, если говорить точно), и обозначил наиболее заметные из них буквами от А в крайней красной области до Н в фиолетовой (рис. 8). Эти темные линии указывают, что определенные длины волн отсутствуют в солнечном свете, достигающем Землю. В то же самое время Фраунгофер открыл, что яркая желтая линия (на самом деле две тесно расположенные линии), которая присутствует в свете всех пламен, наблюдаемых в спектроскоп, занимает то же положение, что и темная линия, которую он обозначил буквой D, в солнечном спектре.

Фраунгофер был сыном бедного стекольщика. Сперва он работал подмастерьем в гранильной мастерской, а затем рабочим на фабрике зеркал. Случилось так, что здание фабрики рухнуло, и 15-летний мальчишка оказался под обломками. Он чудом выжил, и в честь его чудесного спасения и король дал ему 18 дукатов. Для мальчика это было настоящим сокровищем, на эти деньги он купил инструменты и книги. Позднее Фраунгофер станет знаменитым оптиком.

Он хотел улучшить ахроматические линзы (линзы, свободные от эффектов дисперсии), которые изучал английский оптик Джон Доллонд (1706—1761). В 1756 г. Доллонд сложил вместе два стекла с почти противоположными силами дисперсии, с целью исключить хроматическую аберрацию. Большой трудностью было измерить силу дисперсии разных стекол, используемых для изготовления линз. Фраунгофер, занимаясь измерениями с призмами из различных стекол, и открыл темные линии в солнечном спектре.

Его открытие явилось предшественником того, что позднее было названо «спектральным химическим анализом». Началом можно считать 1826 г., когда Вильям Тальбот (1800—1877) обнаружил точную связь между спектром свечения пламени и вещества, содержащегося в нем. Он предположил, что цвет пламени можно использовать вместо продолжительного химического анализа для установления природы горящего вещества.

К началу XIX в. века были успешно разработаны инструменты (спектроскопы), нужные для измерения структуры спектров с необходимой точностью и методы измерения длин волн. Это произошло в значительной мере благодаря работам Фраунгофера и Френеля. Таким образом, предположение Тальбота могло быть практически реализовано.

Рис. 9 показывает простейший спектроскоп, подобный тем, что все еще используются в школах. Основной частью прибора является стеклянная призма, помещенная между двумя небольшими телескопами. Один из них снабжен узкой (регулируемой) щелью, через которую исследуемый свет (пламя на рисунке) попадает на призму. Второй телескоп собирает разложенный свет. Используется еще и третий телескоп, который является просто трубкой, на конце которой располагается штрихи шкалы, подсвечиваемой извне. Штрихи шкалы проектируются на спектр, что позволяет определять положение линий.

Рис. 9. Старинная модель спектроскопа с бунзеновской горелкой

Решающий, заключительный шаг, в отношении спектрального химического анализа приписывается ученым из Гейдельбергского университета химику Роберту Бунзену (1811—1899) и физику Густаву Кирхгофу (1824—1887), которые вместе работали над этой проблемой в 1860—1861 гг. Они построили стандартный прибор для анализа спектров элементов, входящих в состав солей, которые вносились в пламя (использовалась горелка Бунзена – газовая горелка, в которой сжигалось исследуемое вещество). Они открыли, что яркие линии спектра раскаленных солей металлов являются характерными для определенного металла. Первым практическим доказательством огромных возможностей спектрального анализа для изучения химического состава веществ было открытие новых элементов: цезия и рубидия. Используя эту экспериментальную методику, Кирхгоф идентифицировал многие темные линии Фраунгофера. Например, D-линия принадлежит натрию (рис. 10). Давид Брюстер (1781—1868) в 1832 г. уже объяснял происхождение темных линий солнечного спектра тем, что свет, испускаемый горячей поверхностью Солнца, прежде, чем достигнуть Земли, проходит через внешнюю более холодную атмосферу Солнца, компоненты которой поглощают практически на тех же длинах волн, которые испускаются при более высокой температуре. Таким образом, темная линия появляется там, где должна была бы быть яркая линия, если бы не было атмосферы. Например, пары натрия (легко получаемые добавлением   в  пламя  горелки  обычной   поваренной  соли)   испускают характерный желтый свет, образуемый двумя узкими и близкими друг к другу линиями (D -линия). Где бы ни появлялись в спектре эти линии, мы можем с уверенностью утверждать, что в источнике спектра содержится натрий. Этот мощнейший метод химического анализа позволяет обнаруживать минимальные следы вещества и не зависит от расстояния до исследуемого объекта, позволяя, например, исследовать звезды.

Длины волн излучения, которое испускается веществом, может также и поглощаться им на тех длинах волн. Если, например, мы посылаем интенсивный свет, содержащий все видимые длины волн (непрерывный спектр излучения), через пламя в котором сгорает натрий, то в пропущенном свете обнаружится отсутствие длин волн, соответствующих двум желтым линиям D-линии натрия. В спектре две темные линии появляются в тех местах, в которых наблюдаются две яркие линии в спектре излучения. Это объяснение применимо не только для нашего Солнца, но и для любой звезды. Действительно, темные линии, подобные тем, что Фраунгофер наблюдал в солнечном спектре, наблюдаются и в спектрах звезд, и положение этих линий указывает, какие длины волн поглощаются веществами в звездных атмосферах, что позволяет определить эти вещества.

Рис. 10. Обращенные линии. На верхней части показаны D-линии натрия (дублет), которые проявляются как черные линии в солнечном спектре. На нижней части показаны яркие D-линии натрия, которые получаются в лаборатории в парах пламени

Фундаментальные открытия новой науки спектроскопии были сделаны Кирхгофом, Брюстером, Дж. Гершелем (1792—1871), Тальботом, Чарльзом Уитстоном (1802—1875), А. Ангстремом (1814—1874) и Вильямом Сваном.

Тот факт, что спектры веществ иногда состоят из набора дискретных линий, а иногда представляют полосы, был, наконец, после многих дискуссий, объяснен Джорджем Сале (1875) путем сопоставления линейчатых спектров с атомами, а спектров полос – с молекулами.

Атомы

Уже Демокрит и Лесипс в V в. до н.э. говорили об атомах. Римский поэт Лукреций (98—55 до н.э.) в De rerum natura, объясняя теорию Демокрита, говорил, что воздух, земля и все другие вещи мира сделаны из набора частиц или корпускул – атомов, находящихся в безостановочном и очень быстром движении, которые столь малы, что не видимы человеческим глазом. Атомы предполагались быть крайним результатом последовательного разделения вещества на все меньшие части. Слово «атом» по-гречески означает «неделимый».

Однако идеи Демокрита и Лукреция далеки от нашего понимания атомов, поскольку они не рассматривали существования многих сортов атомов и того, что атомы определенного вещества одинаковы.

Выраженная смутным и неконкретным образом атомистическая теория Демокрита теряла свое значение, и слово «атом» стало употребляться для обозначения объекта крайне малого размера. Лукреций имел успех совсем в другой области, высказав гипотезу, что заразные болезни распространяются очень малыми частицами. В эпоху Возрождения итальянский философ и врач Джироламо Фракасторо (1483—1553) возродил эту теорию. Однако эта идея бактериологии оставалась секретом, пока Луи Пастер (1822—1895) вновь не обратился к ней.

Во всяком случае, атомистическая гипотеза Демокрита и Лесипса была принята священником Гассенди (1592—1655), который активно провозглашал, что даже если эта гипотеза находит подтверждение у «развратных» Эпикура и Лукреция, но она не имеет прямой связи с религиозными философиями их античных последователей – и может быть принята христианами. Идеи Гассенди оказали глубокое влияние на химика Роберта Бойля, которому мы обязаны обозначениями химических элементов. Эти обозначения стали более точными, когда А.-Л. Лавуазье (1743—1794) открыл, что определенные химические соединения содержат элементы в определенных пропорциях и что масса веществ остается постоянной до и после протекания химической реакции. Эти исследования получили завершение в работе Джона Дальтона (1766—1844), который изложил их в своей книге A New System of Chemical Philosophy (опубликованной в Манчестере в 1808 г.) концепцию, что существует много сортов атомов, каждый из которых характеризует разные вещества и что атомы в определенном веществе идентичны. Дальтон доказал, что каждому химическому элементу можно приписать число, которое представляет вес одного атома данного элемента.

Атомный вес

В настоящее время атомный или молекулярный вес измеряется сравнением веса атома данного вещества с атомом водорода. Вес атома водорода удобно считать приблизительно одной единицей атомной массы (вес одной атомной массы 1,66∙10 ^—24г), так, вес атома углерода 12. Атомный вес кислорода почти 16 (точно 15,9994) и поскольку молекула кислорода состоит из двух атомов, один моль молекулы кислорода весит около 32 г. Из определения моля следует, что моль всегда содержит одно и то же число атомов и молекул (так, называемое число Авагадро N _А= 6,022∙10 ²²).

Однако существование атомов все еще было спорным, поскольку никто не мог сказать, что видел их, и в ходу были различные идеи. В 1860 г. на Химическом конгрессе в Карлсруе, первом международном собрании, участники продолжительно обсуждали различия между атомами и молекулами и не пришли к определенному заключению. Сегодня мы определяем молекулу как химическую комбинацию двух или более идентичных или различных атомов, которая может стабильно существовать и которая представляет наименьшее количество вещества и обладает характеристическими свойствами данного вещества.

Электрон появляется

В то время, как развивались атомные и молекулярные теории в химии, в исследованиях в области электрической проводимости в жидкостях и электрических разрядов в газах при низком давлении обнаружилось, что атом вовсе не «неделимый», но содержит в себе электрические заряды. Г. Дж. Стони (1826—1911) в 1874 г., пытаясь простым способом объяснить законы электролиза, установленные Фарадеем в 1833 г., ввел «атом» электричества, который он позднее (1891 г.) назвал «электроном». До этого Г. Гельмгольц (1821 – 1894) говорил: «Если мы принимаем гипотезу, что элементарные субстанции состоят из атомов, мы не можем избежать заключения, что электричество также, положительное и отрицательное, разделяется на элементарные порции, которые ведут себя подобно атомам электричества».

Таким образом, умозрительный электрон допускался только как свойство, относящееся к электрическому разряду. Однако английский физик Дж. Дж. Томсон (1856—1940) открыл в 1897 г., что в электрических разрядах в газах присутствуют очень маленькие частицы с отрицательным зарядом, которые испускаются атомами. Томсон измерил их удельный заряд (e/m), т.е. отношение заряда к массе. Поскольку атом сам по себе нейтрален, открытие электрона – за это Томсон в 1906 г. получил Нобелевскую премию по физике – означает, что атом должен включать в себя как отрицательные заряды (электроны), так и положительные заряды.

Нобелевская премия

Поскольку многие из упоминаемых здесь исследователей были удостоены этой престижной премии, уместно несколько отвлечься, и сообщить, как она возникла и как присуждается.

10 декабря 1896 г. шведский химик Альфред Нобель скончался в возрасте 63 лет, в своем доме в Сан Ремо. Он сделал возможным практическое применение нитроглицерина, создав динамит. Нитроглицерин был синтезирован в 1846 г. А. Собреро (1812—1888), а Альфред Нобель применил для его стабилизации некоторые инертные вещества. В результате в 1875 г. был получен первый динамит, представляющий собой желатинообразную смесь нитроглицерина с клетчаткой. В 1889 г., смешивая в различных пропорциях коллоидную клетчатку с нитроглицерином, он сумел создать баллистит, который до сих пор используется, как бездымное взрывчатое вещество. Изготавливался динамит на фабрике вблизи г. Турина (Италия). Благодаря своим патентам, а также эксплуатации нефтяных месторождений в Баку, Нобель стал обладателем огромного состояния, исчислявшимся на современные деньги в несколько сотен миллионов евро. Это состояние, желая сгладить возможное разрушительное использование людьми его изобретений, он завещал использовать как фонд для премий. Уместно процитировать отрывок из его завещания:

«Все, что останется от моего состояния должно быть распределено следующим образом: капитал, сохраняемыми моими душеприказчиками, должен составлять фонд, цель которого – быть распределяемым в виде ежегодных премий, которые присуждаются тем, кто в предыдущий год принес великую пользу человечеству Выше упомянутый капитал следует распределить пятью равными частями следующим образом: одна часть тому, кто сделал наиболее важное открытие или изобретение в области физике, одна часть тому, кто сделал наиболее важное открытие или улучшение в химии, одна часть тому, кто сделал наиболее важное открытие в области физиологии и медицины, одна часть тому, кто проявил себя выдающимся образом в литературе, одна часть тому, кто наилучшим образом способствовал установлению братства между народами, отмене или сокращению армий, и проведением конгрессов мира. Премии по физике и химии должны быть присуждаемы Шведской академией наук; премии по работам в области медицины и физиологии – Каролинским институтом в Стокгольме; по литературе – Академией в Стокгольме, а для поборников мира – комитетом пяти членов, выбираемых Норвежским Стортингом. Я желаю, чтобы присуждение этих премий не связывалось с национальностью кандидатов, но чтобы эти премии присуждались наиболее достойным, независимо от того скандинавы они или нет».

Каждая премия составляет в наше время около 50 000 евро, и она, безусловно, самая высокая.

Правила отбора победителей примерно сходные в разных областях. В случае физики ученая группа, образованная из нобелевских лауреатов, и других хорошо известных персон, членов Шведской академии наук, профессоров шведских университетов, а также университетов Копенгагена, Хельсинки, Осло, и еще других шести университетов, причем состав группы меняется ежегодно, делает предложения. Эти предложения оцениваются комитетом из пяти членов, формируемым президентом Нобелевского Института по физики, и четырьмя членами, избираемыми физическим отделением Академии. Предложения этих комитетов в конечном счете, рассматриваются собранием Академии. Члены Академии получают памятную золотую медаль всякий раз, когда они собираются для голосования, кроме того, все члены комитетов щедро награждаются. Никаких протоколов заседания не ведется и участникам запрещено разглашать обсуждения. Окончательное решение должно выноситься до 15 ноября. Премии вручаются в Стокгольме и Осло (для премии мира), на официальной церемонии 10 декабря, в годовщину смерти основателя. Лауреат читает публичную лекцию и получает награду их рук короля Швеции.

Согласно желанию Альфреда Нобиля премия должна предназначаться человеку, который своим открытием или изобретением принес пользу человечеству. Вначале это создало определенные трудности предоставления премии за теоретические исследования. Первым лауреатом по физике был в 1901 г. Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923) «за особые заслуги, которые он оказал открытием замечательных лучей, впоследствии названных его именем».

Формула Бальмера

Гипотеза Сале, что спектры являются характерными для атомов и молекул, была полностью подтверждена электромагнитной теорией Максвелла, согласно которой колеблющиеся электрические заряды испускают излучение. Начались исследования с целью выяснить, существует ли соотношение между спектральными линиями одного и того же вещества или между линиями разных веществ.

Рис. 11. Спектр атома водорода. На верхнем спектре показаны линии Бальмера в видимой области; нижний спектр – увеличенная область конца правой части спектра с линиями Бальмера в ультрафиолете

25 июня 1884 г. швейцарец Иоганн Якоб Бальмер (1825-1898) представил   Научному   Сообществу   Базеля   работу   на   эту  тему.   Бальмер, шестидесятилетний преподаватель женской школы, особый интерес уделял числами. Он создал реконструкцию Иерусалимского храма на основании измерений, сделанных исходя из данных видения библейского персонажа Иезекииля. Его интересовало число ступеней великих пирамид и т.д. Однажды, беседуя с приятелем, он пожаловался, что ему нечего делать, на что приятель ответил: «Ну, раз ты так интересуешься числами, то почему бы тебе не заняться числами, которые получаются из спектра простейшего элемента, водорода? Он дал ему длины волн трех линий, известных в то время в видимой области спектра. Занимаясь этой проблемой, Бальмер установил, что последовательность этих трех линий можно выразить аналитически

λ = 3,36∙10 ^-5n/(n ²—4)

где λ – длина волны, см; n – целое число, принимающее значения 3, 4 и 5. Соответственно, эту формулу можно записать, используя волновые числа v ₀ , т.е. величиной обратной длине волны и представляющее число волн, которые укладываются в сантиметре. Это волновое число, умноженное на скорость света, обозначаемое буквой с, дает частоту f или число колебаний в секунду. При использовании волнового числа формулу Бальмера можно записать как

v ₀= 1/λ= 109678∙(1/4—1/n ²) ,

где λ – по-прежнему длина волны, см, а число 109 678, которое позднее было обозначено буквой R, получило название «константы Ридберга». Эта формула дает волновые числа и длины волн не только для трех известных в то время линий, но и для новых, открытых позднее линий (рис. 11).

Во время затмения Солнца в 1898 г. были измерены 29 линий серии Бальмера: значения всех их получались этой формулой при изменении n от 3 до 31.