Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 25 (всего у книги 52 страниц)

Радар в других странах

Р’Рѕ время РІРѕР№РЅС‹ радар также разрабатывался РІ Германии для противовоздушной РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹ Рё РІ Р�талии для целей навигации. Немцы уже начали исследования РїРѕ магнетронам Рё микроволновым системам РІ 1930-С… РіРі. Фирма Телефункен РІ Берлине экспериментировала СЃ системой овладения таинственными лучами для обнаружения самолетов, которая была РІ 1935 Рі. описана РІ статье американского журнала Electronics. Рта фирма разработала Wirzburg, систему противовоздушного радара, используемого Люфтваффе РІ течение всей РІРѕР№РЅС‹.

Однако оказалось, что предложение оборудовать истребители радаром встречает сопротивление Геринга, который утверждал, что немецкие пилоты настолько умелые, что им не нужны кинематографические инструменты.

Первый работающий радар был построен в 1935 г. и был продемонстрирован Гитлеру, Герингу и сопровождающим их лицам. Соперничество между немецкими министерствами, недостаточное привлечение университетов и стремление к секретности были причиной неполного использования радара в Германии.

В �талии в 1924 г, профессор Н. Каррара (19001993) был назначен заведующим кафедрой физики в Военно-морской академии. Здесь проводились исследования по генерации и приему сантиметровых волн. Вначале 1930-х гг. разные авторы писали о возможности использовать микроволны, чтобы получать эхо от неподвижных или движущихся объектов, и в 1933 г. Маркони выполнил успешный эксперимент, используя моторный экипаж, движущийся рядом с микроволновым пучком. Новость была подхвачена СМ�, которые заговорили о лучах смерти, с помощью которых Маркони выключал двигатели автомобилей и самолетов.

В 1935 г. профессор Тиберио (19041980), офицер флота, представил комиссии Министерства лекцию, в которой продемонстрировал возможность использовать микроволн для ночного обнаружения (так тогда писали), и на следующий год Флот начал секретные исследования. Тиберио проводил эти исследования с целью разработки радиодальномера. С 1936 по 1941 г. несколько прототипов было реализовано, а в 1942 г. были созданы 50 систем для Флота и для обнаружения самолетов. Одной из этих систем было обнаружено соединение американских самолетов, которые в мае 1943 г. провели сильную бомбардировку Ливорно. На стадии изготовления аппаратуры возникли значительные трудности, поскольку нельзя было получать нужные материалы из США, а Германия требовала невыполнимых условий. Были попытки организовать нужное производство в �талии, но они оказались неудачными. Хорошо известным результатом было сражение у мыса Матапан, в котором итальянские корабли были лишены радаров.

В Японии, несмотря на интенсивные исследования в области магнетронов и микроволн, разработка радаров тормозилась из-за разногласий между Армией и Флотом и отсутствием централизованных усилий, подобных тем, что были в США.

В Советском Союзе были активные исследования в области магнетронов, но, по-видимому, решающий шаг в сторону использования импульсов, а не непрерывного режима, не был сделан.

В течение войны лучшие английские и американские ученые были вовлечены в исследования по микроволнам и радарам, и в конце войны микроволновые системы легко перешли в исследовательские институты с целью продолжения фундаментальных исследований в этой области. Поэтому в конце войны эти исследования естественным образом оказались связанными с микроволнами.

Взаимодействие микроволн СЃ веществом может привести Рє переходам между энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё молекул, лежащими близко РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°. Малая энергия соответствует энергии микроволновых фотонов. Также микроволны РјРѕРіСѓС‚ взаимодействовать СЃ магнитным моментом электрона (СЃРїРёРЅ) или атомных ядер. Р’ этих случаях магнитное поле волн воздействует РЅР° магнитный момент частицы (электрона или СЏРґСЂР°) Рё ориентируют его путем соответствующего изменения энергии. Рти явления взаимодействий между микроволнами Рё веществом составляют предмет радиоспектроскопии. Радиоспектроскопия естественным образом возникла РёР· разработок радаров Рё генераторов микроволн РІРѕ время Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹. После РІРѕР№РЅС‹ эти генераторы стали использовать РІ спектроскопических исследованиях, которые позволяли выявить малые детали молекулярных структур Рё атомных ядер. Единственным измерением, выполненным РґРѕ РІРѕР№РЅС‹ СЃ помощью микроволн, было измерение частоты инвертированного перехода РІ молекуле аммиака, лежащей РІ сантиметровом диапазоне. Как РјС‹ уже говорили, это измерение было выполнено Клитоном Рё Вильямсом РІ 1934 Рі.

�з-за научного интереса эти работы быстро перешли из промышленных лабораторий, где проводились исследования, в университеты, где добывалась информация, относящаяся к фундаментальным проблемам физики и химии. Для этих исследований частотная чистота или когерентность излучения была очень важным свойством. Было необходимым иметь источники, которые испускают одиночную частоту, или, если это невозможно, то, по крайней мере, иметь частоты в очень ограниченном диапазоне, которые не подвержены сильным флуктуациям.

Для лучшего понимания взаимодействий микроволн с веществом нам следует обратиться к дальнейшему развитию спектроскопии.

ГЛАВА 8

СПЕКТРОСКОП�Я: АКТ II

После основополагающей работы Бора в 1913 г. атомы и молекулы были в центре внимания физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. В то же время возросли знания об атомных ядрах благодаря изучению радиоактивности и ядерных реакций, осуществляемых бомбардировкой ядрами водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы) более тяжелых ядер.

Если до Бора спектроскопия была, по существу, эмпирической наукой, которая мало продвигалась от составления каталогов длин волн, то новая теория атома стала руководящим принципом интерпретации экспериментальных результатов и, как часто случается, сочетание теории и эксперимента привело к объяснению самых различных наблюдаемых явлений.

Первое доказательство существования дискретных энергетических состояний атомов

Центр тяжести исследований теперь переместился в Германию. Один из наиболее значительных результатов был получен Джеймсом Франком (1882-1964) и Густавом Герцем (1887-1975) в 1913-1914 гг., как раз накануне войны.

Франк был сыном гамбургского банкира. Он получил образование в Гейдельберге и в Берлине и стал заведующим кафедрой экспериментальной физики в Геттингене, которую он оставил в 1933 г. после прихода Гитлера к власти и эмигрировал в США, где стал работать в Чикагском университете. Во время Второй мировой войны принимал участие в атомном проекте, выступая позднее против военного применения.

Густав Герц, также РёР· Гамбурга, был племянником Генриха Герца. РћРЅ был тяжело ранен РІРѕ время РІРѕР№РЅС‹, Рё РєРѕРіРґР° возвратился РІ 1917 Рі. РІ Берлин, единственной возможностью для него было бесплатное чтение лекций РІ университете. Р’ начале 1920-С… РіРі. РѕРЅ поступил РІРѕ РІРЅРѕРІСЊ созданную исследовательскую лабораторию Компании Филипс РІ Голландии. Рто была РѕРґРЅР° РёР· первых промышленных лабораторий, проводивших фундаментальные исследования. Р’ 1925 Рі. ему было предложено партнерство СЃ университетом Рі. Галле, Р° затем стал профессором экспериментальной физики РІ Берлине СЃ 1928 РїРѕ 1935 Рі. Будучи евреем, РЅРѕ был вынужден уйти РёР· университета. РЎ 1928 РїРѕ 1945 Рі. РѕРЅ работал РІ компании Сименс, пережил РІРѕР№РЅСѓ Рё был интернирован СЂСѓСЃСЃРєРёРјРё. Р’ 1955 Рі. РѕРЅ стал директором Р�нститута Физики РІ Лейпциге РІ ГДР.

Рти РґРІР° физика задумали остроумный эксперимент, РІ котором, РїРѕ РёС… замыслу, можно было определить энергию ионизации атома, С‚.Рµ. величину той энергии, которую нужно сообщить атому, чтобы освободить его внешние электроны. Сущность эксперимента заключалась РІ том, чтобы возбуждать атомы ударами электронов, Р° затем, измеряя энергию, которую электроны теряют РїСЂРё столкновениях, вычислять измененную энергию. РћРЅРё обнаружили, что получаются последовательные изменения энергии, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 27, РіРґРµ РјРёРЅРёРјСѓРјС‹ тока, зарегистрированные РїСЂРё увеличении энергии электрона, соответствуют энергии, которая передается РѕС‚ электронов атомам. Бор дал правильную интерпретацию этим значениям. РћРЅРё определяют энергии ионизации, которые РІ его интерпретации соответствуют энергиям разных возможных РѕСЂР±РёС‚ электронов РІ атоме. Таким образом, энергия атома РЅРµ изменяется электроном, чья энергия недостаточна, чтобы ионизовать его, Рё орбиты электронов РІ атоме РјРѕРіСѓС‚ иметь вполне определенные значения энергии. Рксперименты Франка Рё Герца Рё РёС… интерпретация Бором убедительно продемонстрировали РЅРµ только существование стационарных состояний, которые постулировались Бором, РЅРѕ также возможность возбуждать РёС… ударами электронов, причем скачки между РЅРёРјРё подчиняются фундаментальным законам, выдвинутым Бором.

За эту работу Франк и Герц получили Нобелевскую премию по физике в 1925 г.

Рис. 27. Результат эксперимента Франка и Герца с парами ртути. На графике показана зависимость тока от приложенного напряжения. �з значений напряжений, при которых ток имеет минимумы, можно определить энергии возбуждения электронов в атоме

Дальнейшее развитие теории Бора

Несмотря на эти результаты и заявленную цель работы Бора 1913 г. разработать общую теорию строения атома, эта теория давала строгое и адекватное объяснение только для атомов водорода и водородно-подобных атомов. Все попытки распространить ее на системы с более чем одним электроном были безуспешными. Даже спектр нейтрального гелия, который, как мы говорили, состоит из ядра, вокруг которого вращаются два электрона, не удавалось объяснить.

РћРґРЅРёРј РёР· достижений теории Бора было объяснение серии линий, которые американский астроном Р’. Пикеринг (18581938) наблюдал РІ спектрах звезд. Предполагалось, что эти линии принадлежат РІРѕРґРѕСЂРѕРґСѓ, поскольку РёС… расположение очень напоминало серию Бальмера, РЅРѕ Бор показал, что РЅР° самом деле эти линии принадлежат ионизованному гелию, РІ котором одиночный электрон связан СЃ СЏРґСЂРѕРј, имеющим заряд +2. Рйнштейн был РЅР° конференции РІ Вене РІ сентябре 1913 Рі., Рё РєРѕРіРґР° ему сообщили РѕР± этом результате, воскликнул: РўРѕРіРґР° частота света РІРѕРІСЃРµ РЅРµ зависит РѕС‚ частоты электрона (С‚.Рµ. РѕС‚ частоты его обращений РІРѕРєСЂСѓРі СЏРґСЂР°). Рто РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ достижение. Теория Бора должна быть верной.

В своих исследованиях в 1913 г., немедленно после обсуждений теории атома водорода, Бор занялся атомами, содержащими несколько электронов. Он представлял эти атомы в виде системы, состоящей из положительно заряженного ядра, окруженного электронами, движущимися по круговым орбитам, и писал: Мы будем предполагать, что электроны располагаются... в коаксиальных кольцах, вращающихся вокруг ядра. Проблема была в том, чтобы знать, сколько электронов могло находиться в каждом кольце, так, чтобы конфигурация оставалась стабильной, несмотря на расталкивающие электрические силы между электронами. Бор старался решить эту проблему с помощью классической динамики и начал с выяснения конфигураций простейших атомов. Для гелия, который имеет два электрона, он, справедливо, предположил, что они находятся на одной и той же орбите. Для лития (три электрона) он предположил, все еще справедливо, что два электрона располагаются на внутренней орбите (кольце), а третий располагается на большей орбите (новое кольцо). Для бериллия, который имеет четыре электрона, он предположил, что два электрона располагаются на одном кольце, а два на другом (эта гипотеза также впоследствии оказалась верной). Для атомов с большим числом электронов эти рассмотрения становились очень громоздкими. Наконец, он произвольно установил, что число электронов, располагающихся на внешних кольцах, должно быть равным числу, которым химики определяют валентность элемента.

Атом предполагался плоским, С‚.Рµ. предполагалось, что СЏРґСЂРѕ Рё РІСЃРµ электроны лежат РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости. Гипотеза Бора была правдоподобна, РЅРѕ неэффективна, чтобы недвусмысленно определить распределение электронов РїРѕ разным кольцам РІРѕРєСЂСѓРі СЏРґСЂР°. Рта неопределенность затрудняла РїРѕРґС…РѕРґ Рє пониманию химических Рё физических свойств элементов, РІ стремлении получить периодичность, демонстрируемую таблицей Менделеева. Результат, Рє которому пришел Бор, состоял РІ том, что число электронов РЅР° внутренних кольцах должно увеличиваться СЃ увеличением атомного номера. Рто был ошибочный результат, который, однако, РІ 1913 Рі. РЅРµ РјРѕРі считаться таковым.

Затем Бор направил свое внимание на молекулы и получил правильных результаты для молекулы водорода, но, к удивлению, не такие, как для атома гелия, который также имеет два электрона.

Даже если в начале своей работы Бор и ссылался на эллиптические орбиты, он затем сконцентрировался исключительно на круговых орбитах. Он также ограничил свои обсуждения нерелятивистским случаем, полагая, что скорость электрона мала по сравнению со скоростью света. Когда в 1914 г. американский астроном Г. Куртис (18721942) обнаружил малые систематические расхождения между теоретическими значениями длин волн линий водорода, рассчитанными по теории Бора, и экспериментальными значениями, Бор переделал расчеты, введя релятивистское изменение массы электрона. �справление было в правильном направлении, но поправки были слишком малы, чтобы объяснить наблюдаемые отклонения.

Рис. 28. Некоторые примеры орбит электронов вокруг ядра. Наряду с круговой показаны эллиптические орбиты с разными эксцентриситетами

Получилось так, что РїСЂСѓСЃСЃРєРёР№ физик Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), который работал РІ Гёттингене вместе СЃ знаменитым математиком Давидом Гильбертом (18621943) Рё блестяще владел математикой, попробовал РІ 1915 Рі. улучшить модель, распространив вычисления РЅР° более общий случай, РІ котором электроны вращаются орбитой РІРѕРєСЂСѓРі ядер РїРѕ эллиптическим, Р° РЅРµ РїРѕ круговым орбитам, совсем как планеты РІРѕРєСЂСѓРі Солнца (СЂРёСЃ. 28). РџСЂРё этом состояние каждого электрона РІ атоме дается тремя числами, называемыми атомными числами. Рти числа были взаимно связанными простыми правилами, характеризовали энергию электрона РЅР° орбите Рё определяли параметры орбиты, РёР· которых получались РёС… формы Рё ориентации. Устанавливались критерии квантования, которыми могли быть только целые числа. РЎ помощью математического приема решения проблемы получалось, что даже если орбиты электронов были СЃ огромным увеличением числа, РёС… возможные энергетические состояния оставались теми же самыми. РџРѕ РјРЅРѕРіРёРј орбитам СЃ разными параметрами двигались электроны СЃ РѕРґРЅРѕР№ Рё той же энергией, Рё это свойство, названное вырождением, обусловливало возможность, что энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё электрона были РІСЃРµ тем же РѕРґРЅРёРј уровнем, который Бор вычислял, рассматривая только круговые орбиты.

Зоммерфельд рассматривал проблему релятивистски Рё нашел, что энергия электрона зависит РІ этом случае также Рё РѕС‚ формы орбиты. Таким образом, вырождение снималось, Рё результат оказывался РІ согласии СЃ экспериментальными наблюдениями, которые уже были проведены Рђ. Рђ. Майкельсоном, который обнаружил, что каждая линия РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ серии Бальмера РЅР° самом деле представляет несколько очень тесно расположенных линий (тонкая структура). Ртот факт РЅРµ согласовывался СЃ теорией Бора, РЅРѕ первоначально РёРј пренебрегали РёР·-Р·Р° его исключительной малости.

Кроме того, был еще ряд эффектов, которые нужно было объяснить. Кроме эффекта Зеемана, который уже был нами обсужден, в 1913 г. �оганн Штарк открыл в своей лаборатории в Технической Высшей Школе г. Аахена, что электрическое поле может расщеплять спектральные линии серии Бальмера на несколько компонент (линий), и это явление не ограничивается только водородом.

Р�оганн Штарк (18741957) между 1906 Рі. Рё 1922 Рі. преподавал РІ университетах Гёттингена, Ганновера, Аахена, Грифсвальда Рё Вюрцбурга. РќР° этом этапе его академическая карьера была прервана Рё РѕРЅ, несмотря РЅР° то, что получил Нобелевскую премию РїРѕ физике РІ 1919 Рі. Р·Р° его открытие, был отвергнут шестью германскими университетами. РћРЅ был непопулярен РёР·-Р·Р° своего антисемитизма, который привел его Рє отрицанию квантовых теорий Рё теории относительности Рйнштейна как порочный РїСЂРѕРґСѓРєС‚ еврейской науки. Вступив РІ нацистскую партию РІ 1930 Рі. Рё будучи, отвергнут РџСЂСѓСЃСЃРєРѕР№ Академией наук, РѕРЅ РІ 1933 Рі. преуспел, став президентом Р�мперского Р�нститута Физики Рё Технологии. Здесь РѕРЅ старался использовать СЃРІРѕСЋ власть для того, чтобы усилить контроль над германской физикой, РЅРѕ вступил РІ конфликт СЃ политиками Рё администраторами министерства образования Рейха. РћРЅРё, решив, что РѕРЅ слишком деструктивен Рё ненадежен, вынудили его уйти РІ отставку РІ 1937 Рі. Окончательное унижение пришло РІ 1947 Рі., РєРѕРіРґР° РѕРЅ был осужден Рє четырем годам принудительных работ Германским СЃСѓРґРѕРј РІ процессе денацификации.

Воздействие электрического поля на спектральные линии было также независимо открыто во Флоренции Антонио Ло Сурдо (18801949). �з-за того, что его экспериментальная установка была намного проще, чем та, что использовалась Штарком, он получил лишь качественные результаты, не имея возможности провести точные измерения. Штарк сильно возражал против того, чтобы назвать открытие эффектом ШтаркаЛо Сурдо, и не хотел оказывать Ло Сурдо какое-либо доверие.