Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 52 страниц)
Черное тело
Мы можем начать с рассмотрения некоторых результатов, полученных немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом.
Кирхгоф родился 12 марта 1824 г. в Кенигсберге, там же он проходил обучение в университете под руководством физика Франца Неймана (17981895). В 1847 г. после получения докторской степени он перебрался в Берлин, где годом позже стал приват-доцентом (звание, которое давало ему право преподавать в университете, но без жалования; студенты прямо платили небольшие суммы преподавателю за лекции). В 1850 г. он был назначен профессором в Бреслау, где он встретился с химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном (1811 1899), который некоторое время спустя выдвинул его на должность профессора физики в Гейдельберге. В 1875 г. он стал заведующим кафедрой физики Университета в Берлине, где и скончался в 17 октября 1887 г. Он был номинирован в члены �тальянской Академии Линчей в 1883 г.
Кирхгоф работал почти во всех областях экспериментальной и теоретической физики, получая результаты фундаментальной важности. Кроме тех, которые мы будем здесь обсуждать, он описал законы, которые позволяют получать распределение токов в электрических цепях; дал замечательную формулировку двух принципов термодинамики, решил строгим и полным способом уравнения электромагнетизма Максвелла и постарался дать математическую формулировку принципа Гюйгенса.
В 1859 г. Кирхгоф обратился к собранию Берлинской Академии со словами:
Несколько недель тому назад я имел честь представить Академии сообщение о некоторых наблюдениях, которые, как кажется мне, являются весьма интересными, т. к. позволяют нам сделать заключения о химическом составе солнечной атмосферы. Отталкиваясь от этих наблюдений, я теперь вывел на основе довольно простых теоретических соображений общую теорему, которую ввиду ее большой важности я осмеливаюсь представить Академии. Она касается свойств всех тел и относится к испусканию и поглощению тепла и света.
Кирхгоф не скромничал, представляя свои результаты! Он продолжил свою лекцию, показав, что тела, которые испускают излучение на некоторой длине волны, способны поглощать это же излучение, и для лучей одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение способности испускать излучение (технический термин сила испускания) к способности поглощать его (поглощаемость) является одним и тем же для всех тел и не зависит от их природы и формы,
Кроме этого общего результата, который казался ему очень важным, он подчеркнул важность проведения точных экспериментальных измерений с целью проверки его предположения и выразил надежду, что при этом не возникнут особые трудности, так как все функции, не зависящие от природы тел, с которыми до сих пор имели дело, просты по структуре.
Он предложил для этих экспериментов использовать тело, названное им черным телом, которое способно поглощать все излучение, падающее на него. Для этого тела поглощательная способность равна единице, а сила испускания становится идентичной универсальной функции, которую он ввел.
Хотя идеальное черное тело является абстракцией, РљРёСЂС…РіРѕС„ дал указания для практической реализации его, если изготовить полость СЃ отверстием, диаметр которого РјРЅРѕРіРѕ меньше размеров полости. Рто отверстие РїРѕ существу Рё является черным телом. Действительно, любое излучение, попадающее РІ отверстие, будет полностью поглощено стенками полости. Через некоторое время внутреннее излучение достигает равновесия СЃРѕ стенками полости, имеющей температуру T, Рё РІ этот момент излучение (которое мало РїРѕ сравнению СЃ тем, что содержится внутри) станет выходить РёР· отверстия, представляя СЃРѕР±РѕР№ характеристическое излучение РІ полости.
Немного позднее, в 1865 г., Дж. Тиндаль (18201893) опубликовал результаты некоторых измерений способности тела, нагретого до двух разных температур, испускать излучение. Он нагревал зачерненную платиновую проволоку, которая не была в точности черным телом. Однако, несмотря на это несовершенство, эти измерения были использованы в 1879 г. австрийским физиком Йозефом Стефаном (18351893) для установления эмпирического закона, согласно которому энергия, испускаемая с единицы площади поверхности нагретого тела, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.
Законы черного тела
Закон Стефана привлек внимание его ученика Людвига Больцмана (18441906), который в 1884 г. вывел его, основываясь на принципах термодинамики и электромагнетизма. Он использовал соотношение между давлением излучения и вторым началом термодинамики, которое было открыто несколькими годами ранее итальянским физиком Адольфо Бартоли (1851-1896).
Людвиг Рдвард Больцман родился РІ Вене РІ ночь между Р�споведальным вторником Рё Бренной средой. Ртим фактом, что РѕРЅ родился как раз РІ момент смерти РІ веселом танце Р�споведального вторника РѕРЅ, шутя, РѕР±СЉСЏСЃРЅСЏР» внезапные перемены своего настроения РѕС‚ большой радости Рє глубокой депрессии. РќРёР·РєРѕРіРѕ роста СЃ курчавыми волосами, РѕРЅ был типичным человеком, испытывающим маниакально-депрессивный РїСЃРёС…РѕР·. Его РїРѕРґСЂСѓРіР° называла его милый РґРѕСЂРѕРіРѕР№ толстячок. После защиты докторской диссертации РІ Вене РІ 1866 Рі. выполненной РїРѕРґ руководством Стефана, РІ которой была построена кинетическая теория газов, Больцман стал ассистентом Стефана, Рё РїРѕ его рекомендации был назначен заведующим кафедрой математической физики РІ университете Граца РІ возрасте всего лишь 25 лет.
Во время работы над диссертацией, Стефан дал ему статьи Максвелла по электромагнетизму и английскую грамматику, рекомендуя выучить английский, чтобы прочесть работы Максвелла в оригинале. В результате Больцман написал работу по одной из проблем электромагнетизма. Во время своего пребывания в Граце он написал четыре фундаментальных работы по статистической теории газов, введя все концепции, которые мы будем использовать в этой книге. Но наиболее важным результатом этого периода было введение уравнения, которое относится к явлениям переноса в газах (например, перенос тепла или массы, т.е. теплопроводность и диффуция и др.), используя статистическую теорию.
Независимо друг от друга, Больцман и американский физик Виллард Гиббс (18391903) разработали статистическую механику, науку, которая устанавливает связь между микроскопическим миром атомов и молекул и макроскопическим миром. В то время химики и физики уделяли огромное внимание проблеме реальности атомов и молекул. Для Больцмана они были столь же реальны, как материальные объекты, которые можно видеть и ощущать, но многие люди рассматривали их лишь как полезную концепцию, которая позволяет сделать вычисления. Среди видных оппонентов был Вильгельм Оствальд (18531932), автор системы, названной энергетикой и основанной на термодинамике. Он утверждал, что все проблемы можно решить, путем сведения физики лишь к изучению трансформации энергии. В 1895 г. Больцман, который был бескомпромиссным противником этих воззрений, организовал для Оствальда и его последователя математика Г. Хелма (1851-1923) приглашение на собрание Немецкого Научного сообщества. В своей лекции Хелм утверждал, что механические модели, а лучше и всю механику, следует исключить: законы движений, а также поведение точечных масс следует вывести на основе простых энергетических соображений. Больцман и другие атаковали его столь сильно, что Хелм просил извинений у публики. Даже Оствальда бойкотировали на этом собрании. В конце концов антиатомизм был отвергнут, и даже Оствальд изменил свои взгляды.
В 1873 г. Больцман получил кафедру математики в Вене, но в 1876 г. он вернулся в Грац, где оставался до 1890 г. В эти годы он сконцентрировался на законе излучения. В то время он был очень несчастен в личной жизни: в 1885 г. умерла его мать, а в 1890 г. первый из его пяти сыновей. Как декан университета, он сталкивался с политическими проблемами, которые возникли из-за студенческих протестов против Габсбургов. В 1890 г. он занял кафедру его любимой дисциплины теоретической физики в Мюнхене.
После смерти Стефана, в 1893 г., Больцмана пригласили вернуться в Венский университет, где он оставался до самой смерти. В течение этого времени, как указывалось, его теории газов критиковались, и он энергично боролся, отстаивая их. Тем не менее, этот период был очень продуктивным. Он написал четыре тома по механике, электродинамике и теории газов. Он также путешествовал, включая США, выступая с докладами и участвуя в конференциях. К концу его карьеры, его здоровье ухудшилось, и он все чаще впадал в депрессию. Летом 1906 г., будучи на отдыхе вблизи Триеста, он повесился в то время, когда его жена и дочь купались в море.
Закон СтефанаБольцмана, связывающий температуру тела и величину энергии, которую оно способно испустить в виде волн, стал важным шагом в основании современной теории теплового излучения.
Р’ это же время будущий лауреат Нобелевской премии Вильгельм Р’РёРЅ работал РІ Физико-техническом институте РІ Берлине. Ртот институт был основан РІ 1857 Рі. РїСЂРё существенной помощи промышленника Рё изобретателя Вернера фон Сименса. Директором был Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (18211894), великий немецкий физиолог Рё физик-теоретик. РћРЅ изобрел офтальмоскоп (1851) РїСЂРёР±РѕСЂ для исследования глаза. Как физик-теоретик РѕРЅ внес важный вклад РІ термодинамику, введя понятие СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕР№ энергии (энергия, способная совершать работу), Рё СЃРІРѕРёРј участием РІ открытии принципа сохранения энергии.
Вильгельм Вин родился 13 января 1864 г. в Восточной Пруссии. После изучения математики и физики в Гёттингене, Берлине, Гейдельберге и снова в Берлине защитил докторскую диссертацию под руководством Гельмгольца по теме, относящейся к проблемам дифракции. Затем в течение нескольких лет работал на ферме своего отца, пока в 1890 г. Гельмгольц не позвал его в Физико-технический институт. Его яркая академическая карьера продолжалась в университетах Аахена, Гиссена, Вюрцбурга и Мюнхена. Он скончался в Мюнхене 30 августа 1928 г. Он был одним из немногих физиков 20 столетия, которые были специалистами как в экспериментальной, так и в теоретической физике. Его исследования в области черного тела обеспечили ему Нобелевскую премию по физике в 1911 г. за его открытия, относящиеся к законам, управляющие излучением тепла. Он работал в области термодинамики и выполнил пионерские экспериментальные исследования по электрическому и магнитному отклонению каналовых и катодных лучей (лучи, получающиеся при электрических разрядах в газах), которые способствовали открытию электрона.
Ркспериментальные исследования распределения частот, излучаемых черным телом РїСЂРё заданной температуре, показали, что имеется максимум интенсивности РЅР° длине волны, которая изменяется РїСЂРё изменении температуры Рё становится РІСЃРµ короче Рё короче РїРѕ мере увеличения температуры (СЂРёСЃ. 13). Р’ 1893 Рі. Р’РёРЅ представил объяснение этого результата РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ термодинамики.
Рис. 13. Кривые, данные для указанных температур (в К), показывают (в произвольных единицах) интенсивность испускаемого излучения, как функцию длины волны (к), выраженной в микрометрах (мкм). Простой взгляд показывает, что при увеличении температуры увеличивается испускаемая интенсивность, и ее максимальное значение сдвигается в сторону более коротких длин волн
Ртот закон, названный законом смещения Р’РёРЅР°, гласит, что произведение длины волны, РЅР° которую приходится максимум излучения, Рё абсолютной температуры тела является константой. Путем введения некоторых, очень общих предположений, относительно того, как тело СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕ испускать излучение, гипотез, основанных РЅР° идеи СЂСѓСЃСЃРєРѕРіРѕ ученого Владимира Рђ. Михельсона (18601927), который РІ 1887 Рі. предложил объяснение непрерывности распределения энергии РІ спектрах твердых тел РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ атомных колебаний Р’РёРЅ предположил, что излучение черного тела производится осцилляторами атомных размеров. Рто Рё позволило ему сформулировать закон распределения излучения черного тела. Ртот закон давал некоторые указания РЅР° зависимость интенсивности РѕС‚ длины волны для заданной температуры, Рё давал адекватное согласие СЃРѕ всеми экспериментальными данными, полученными Рє этому времени. Однако эти данные РЅРµ простирались РІ область длин волн, длиннее нескольких РјРёРєСЂРѕРЅ, РёР·-Р·Р° отсутствия хороших приемников длинноволнового излучения.
