Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 52 страниц)
Атомный вес
Р’ настоящее время атомный или молекулярный вес измеряется сравнением веса атома данного вещества СЃ атомом РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°. Вес атома РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° СѓРґРѕР±РЅРѕ считать приблизительно РѕРґРЅРѕР№ единицей атомной массы (вес РѕРґРЅРѕР№ атомной массы 1,66∙1024 Рі), так, вес атома углерода 12. Атомный вес кислорода почти 16 (точно 15,9994) Рё поскольку молекула кислорода состоит РёР· РґРІСѓС… атомов, РѕРґРёРЅ моль молекулы кислорода весит около 32 Рі. Р�Р· определения моля следует, что моль всегда содержит РѕРґРЅРѕ Рё то же число атомов Рё молекул (так, называемое число Авагадро NРђ = 6,022∙1022).
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.
Рлектрон 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 (18261911) 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 (18561940) 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 Рі. шведский С…РёРјРёРє Альфред Нобель скончался РІ возрасте 63 лет, РІ своем РґРѕРјРµ РІ Сан Ремо. РћРЅ сделал возможным практическое применение нитроглицерина, создав динамит. Нитроглицерин был синтезирован РІ 1846 Рі. Рђ. Собреро (18121888), Р° Альфред Нобель применил для его стабилизации некоторые инертные вещества. Р’ результате РІ 1875 Рі. был получен первый динамит, представляющий СЃРѕР±РѕР№ желатинообразную смесь нитроглицерина СЃ клетчаткой. Р’ 1889 Рі., смешивая РІ различных пропорциях коллоидную клетчатку СЃ нитроглицерином, РѕРЅ сумел создать баллистит, который РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ используется, как бездымное взрывчатое вещество. Р�зготавливался динамит РЅР° фабрике вблизи Рі. РўСѓСЂРёРЅР° (Р�талия). Благодаря СЃРІРѕРёРј патентам, Р° также эксплуатации нефтяных месторождений РІ Баку, Нобель стал обладателем РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРіРѕ состояния, исчислявшимся РЅР° современные деньги РІ несколько сотен миллионов евро. Рто состояние, желая сгладить возможное разрушительное использование людьми его изобретений, РѕРЅ завещал использовать как фонд для премий. Уместно процитировать отрывок РёР· 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 РІ разных областях. Р’ случае физики ученая РіСЂСѓРїРїР°, образованная РёР· нобелевских лауреатов, Рё РґСЂСѓРіРёС… хорошо известных персон, членов Шведской академии наук, профессоров шведских университетов, Р° также университетов Копенгагена, Хельсинки, Осло, Рё еще РґСЂСѓРіРёС… шести университетов, причем состав РіСЂСѓРїРїС‹ меняется ежегодно, делает предложения. Рти предложения оцениваются комитетом РёР· пяти членов, формируемым президентом Нобелевского Р�нститута РїРѕ физики, Рё четырьмя членами, избираемыми физическим отделением Академии. Предложения этих комитетов РІ конечном счете, рассматриваются собранием Академии. Члены Академии получают памятную золотую медаль РІСЃСЏРєРёР№ раз, РєРѕРіРґР° РѕРЅРё собираются для голосования, РєСЂРѕРјРµ того, РІСЃРµ члены комитетов щедро награждаются. Никаких протоколов заседания РЅРµ ведется Рё участникам запрещено разглашать обсуждения. Окончательное решение должно выноситься РґРѕ 15 РЅРѕСЏР±СЂСЏ. Премии вручаются РІ Стокгольме Рё Осло (для премии РјРёСЂР°), РЅР° официальной церемонии 10 декабря, РІ годовщину смерти основателя. Лауреат читает публичную лекцию Рё получает награду РёС… СЂСѓРє 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 (18451923) 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 �оганн Якоб Бальмер (1825-1898) представил Научному Сообществу Базеля работу на эту тему. Бальмер, шестидесятилетний преподаватель женской школы, особый интерес уделял числами. Он создал реконструкцию �ерусалимского храма на основании измерений, сделанных исходя из данных видения библейского персонажа �езекииля. 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/(n24)
РіРґРµ λ длина волны, СЃРј; n целое число, принимающее значения 3, 4 Рё 5. Соответственно, эту формулу можно записать, используя волновые числа v0, С‚.Рµ. величиной обратной длине волны Рё представляющее число волн, которые укладываются РІ сантиметре. Рто волновое число, умноженное РЅР° скорость света, обозначаемое Р±СѓРєРІРѕР№ СЃ, дает частоту f или число колебаний РІ секунду. РџСЂРё использовании волнового числа формулу Бальмера можно записать как
v0 = 1/λ= 109678∙(1/41/n2),
РіРґРµ λ РїРѕ-прежнему длина волны, СЃРј, Р° число 109 678, которое позднее было обозначено Р±СѓРєРІРѕР№ R, получило название константы Ридберга. Рта формула дает волновые числа Рё длины волн РЅРµ только для трех известных РІ то время линий, РЅРѕ Рё для новых, открытых позднее линий (СЂРёСЃ. 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.
Ридберг и комбинационный принцип
Р’ 1886 Рі. Александ РЎ. Гершель, сын великого астронома Джона Гершеля, Рё Генри Десландрес (18531948) нашли математические описания различных полосатых спектров. Более того, шведский физик теоретик Р�оганн Роберт Ридберг (18541919) опубликовал результаты анализа спектров, который РѕРЅ провел РІ 1890 РіРѕРґСѓ. Ртот анализ показал, что спектральные серии Бальмера, Р° также РґСЂСѓРіРёРµ серии линий РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ ультрафиолетовой Рё инфракрасной областях спектра можно представить общим выражением, которое сегодня РЅРѕСЃРёС‚ его РёРјСЏ.
Ридберг интересовался вопросами спектров и начал свои исследования задолго до того, как Бальмер опубликовал свою формулу. Он также интересовался периодической классификацией элементов, которую дал русский химик Дмитрий Менделеев (18341907). Менделеев установил, что единственный метод классификации элементов заключается в рассмотрении их атомных весов. Когда элементы располагаются в порядке увеличения атомных весов, обнаруживается явная периодичность их свойств. Таким образом, в рядах увеличивающихся атомных весов получаются колонки химических элементов со сходными свойствами (таблица Менделеева). �нтуиция Ридберга привела его к осознанию, что эта периодичность является результатом атомной структуры.
В период между 1882 г. и 1887 г., когда он был ассистентом физического факультета университета Лунда, Ридберг изучал зависимость физических и химических свойств элементов от их атомных весов, рассматривая атомный вес как принципиальный параметр, от которого зависят эти свойства. Он начал с изучения соотношений, имеющих место среди спектральных линий элементов. Проблема, которую он хотел решить, требовала систематического изучения имеющегося спектроскопического материала, для того, чтобы получить полуэмпирическую формулу, которая универсально моделировала бы эти данные.
�стория науки показывает, что любая область физики проходит фазу, в которой накопленный эмпирический материал обусловливает активность предварительной обработки, в результате которой возникают общие законы, даже если изучаемое явление не имеет теоретической основы. Примерами являются законы Кеплера небесной механики и закон БойляМариотта для газов.
Такие предварительные теоретические модели выполняют двойную функцию. Во-первых, они дают определенную обобщенную основу для систематизации экспериментальных данных, играя роль эмпирических законов. Во-вторых, они играют важную роль в создании более фундаментальных теорий, являясь конструктивным посредником между теоретическими знаниями и эмпиризмом. Так, например, Максвелл в процессе построения теории электромагнетизма не рассматривал непосредственно экспериментальные данные, но использовал теоретические знания предыдущего уровня (закон БиоСавара, который определяет магнитное поле проводника с током, закон индукции Фарадея и др.) в качестве отобранного эмпирического материала.
Если мы с этой точки зрения рассмотрим положение, достигнутое в спектроскопии в 1880-х гг. мы увидим, что поиски законов, определяющихся спектральными линиями, были важнейшей проблемой того времени. В таких случаях ситуация приводит к результатам, что часто случается в развитии науки. Различные исследователи пытаются независимо решить одну и ту же проблему и находят одновременно одинаковые решения. Так и было в этом случае. Независимо от Ридберга, в 1890 г. два хорошо известных спектроскописта, Генрих Кайзер (18531940) и Карл Рунге (18561927), старались установить общие математические уравнения законов спектроскопии и предложили решения, которые горячо обсуждались, пока не стал превалирующим взгляд Ридберга, который и получил всеобщее признание к концу века.
Согласно Ридбергу, аналитическое выражение для спектров должно быть функцией целых чисел. Он стремился узнать, каков должен быть вид этой функции, и нашел одну, в которой обратные волновые числа зависели от обратных квадратов целых чисел. Когда Бальмер опубликовал свою формулу для атома водорода, оказалось, что она соответствует частному случаю выражения Ридберга.
С другой стороны, Кайзер и Рунге искали алгебраическое выражение, которое могло бы предсказать с высокой точностью обратные волновые числа в сериях, и нашли одно, в котором использовались обратные квадраты целых чисел и обратные четвертые степени целого числа. Хотя они и признавали, что Ридберг прав, утверждая, что их выражение просто одно из многих, которые можно выписать, они возражали, что их выражение наиболее точное. Тот факт, что Ридберг утверждал, что его соотношение имеет универсальную значимость для всех атомов, их не интересовал.
Ридберговское представление давало обратную величину длины волны атомного спектра в конкретных сериях в виде разницы между двумя спектральными термами (как их позднее стали называть). Каждый из них представляет универсальную константу (позднее названную константой Ридберга), деленную на квадрат суммы целого числа и константы, типичной для каждой серии. В этой формулировке был уже представлен комбинационный принцип, позднее выраженный шведским ученым Вальтером Ритцем (1878-1909).
В то время предполагалось, что световые колебания, представляемые линиями спектра, производятся все вместе в атоме. В конце концов, в 1907 г. Артур Вильям Конвей (18751950), профессор математической физики в Дублине, дал правильное объяснение, согласно которому атом производит спектральные линии по одной во времени, так что получение полного спектра происходит от большого числа атомов. Согласно Конвею, испускание спектральной линии атомом должно происходить в ненормальном или возмущенном состоянии. Ситуация, при которой одиночный электрон в атоме стимулируется для получения колебаний с частотой, соответствующей спектральной линии, не продолжается бесконечно, но лишь то время, которое нужно электрону, чтобы испустить цуг колебаний.
Рти идеи были заново высказаны РІ 1910 Рі. Рџ. Р’. Беваном (18751913), который также пришел Рє заключению, что спектральные явления следует объяснять участием большого числа атомов. РћРЅРё РІ определенный момент времени находятся РІ разных состояниях, Рё каждый РёР· атомов ответственен РЅРµ Р·Р° весь спектр, только Р·Р° РѕРґРЅСѓ линию РІ нем.
Комбинационный принцип, сформулированный В. Ритцем в 1908 г., был выведен из большого спектроскопического материала. Согласно ему, частоту каждой спектральной линии можно получить как разность между двумя термами т.н. спектральных термов, каждый из которых зависит от некоторого целого числа. С помощью этого принципа все линии в сериях можно было классифицировать систематическим образом.
Регулярности, открытые Бальмером в видимом спектре водорода, были обнаружены и в других областях спектра. Теодор Лайман (18741954), исследуя излучение водорода в ультрафиолетовой области, нашел в 1906 г., что серии линий, испускаемых в этой области, могут быть представлены формулой, подобной формуле Бальмера. Фридрих Пашен (1865-1947) получил в 1908 г. подобные результаты в инфракрасной области спектра. Позднее эти результаты были подтверждены и дополнены в 1922 г. американским астрономом Фрэнком П. Брэкеттом (18651953) и в 1924 г. Августом Г. Пфундом (1879-1948).
Все частоты f различных серий можно выразить универсальной формулой:
СЃ/λ = f = const (l/m2 1/n2)
где с скорость света в вакууме; n и m два целых числа, которые удовлетворяют следующим условиям:
m = 1, n = 2,3,4, серия Лаймана в УФ;
m =2, n = 3,4,5, ... серия Бальмера в видимой области;
m =3, n = 4,5,6, ... серия Пашена в �К;
m =4, n = 5,6,7, ... серия Брэкетта в �К;
m =5, n = 6,7,8, ... серия Пфунда в �К.
