Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 52 страниц)
Влияние магнитного поля на спектральные линии
В то время, когда были объяснены главные черты спектральных линий. В 1896 г. Питер Зееман (18651943) живший в Лейдене (Голландия) открыл, что магнитное поле способно воздействовать на частоты спектральных линий, испускаемых газом, помещенным в это поле.
Зееман РїСЂРѕРІРѕРґРёР» РІ Лейденском университете РІ 1893 Рі. исследования РїРѕ изучению эффекта Керра, которые были предметом его докторской диссертации. Ртот эффект касается действия магнитного поля РЅР° поляризацию света. Р’ 1896 Рі., обсуждая СЃРІРѕР№ первый эксперимент РІ работе, опубликованной РІ трудах Королевской академии РІ Амстердаме, РѕРЅ указывал, что его открытие было отталкивалось РѕС‚ результатов Фарадея, РІ 1854 Рі., открывшего влияние магнитного поля РЅР° плоскость поляризации линейно поляризованного света (этот эффект Фарадея сходен СЃ эффектом Керра). Уже РІ то время Фарадей осознал, что свет Рё магнитное поле тесно связаны. Максвелл РіРѕРІРѕСЂРёР», что Фарадей посвящал СЃРІРѕРё последние эксперименты изучению влияния магнитного поля РЅР° свет, испускаемый источником, помещенным РІ магнитное поле, РЅРѕ ничего РЅРµ сообщил Рѕ результатах. Позднее РґСЂСѓРіРёРµ исследователи пытались повторить этот эксперимент, РЅРѕ безуспешно.
Зееман был очень дотошным экспериментатором и полагал, что Фарадей не пришел к определенным результатам, потому что эффект был очень слабым. Поэтому он тщательно спланировал эксперимент и в 1896 г. получил положительный результат. Как это уже делалось Фарадеем, Зееман поместил пламя бунзеновской горелки с хлористым натрием в поле электромагнита и изучал спектр с помощью дифракционной решетки высокого разрешения. Он наблюдал D-линию натрия (которая на самом деле дублет тесно расположенных линий) и увидел, что когда электромагнит включался, линия уширялась. Первоначально он думал, что это эффект влияния магнитного поля на температуру и плотность паров в пламени. Но последующие эксперименты показали влияние магнитного поля на D-линию натрия.
�спользуя улучшенное спектральное разрешение, он позднее установил, что эффект заключается в разделении линии испускания цинка или кадмия на две или три линии, в зависимости от направления наблюдения по отношению к ориентации магнитного поля (рис. 12).
Рис. 12. Примеры аномального (для цинка) и аномального (для дублета натрия) эффекта Зеемана
Как раз перед этим открытием Г.А. Лоренц (18531928) начал создавать теорию свойств электронов, которая позднее была опубликована в его знаменитой книге Теория электронов (Лейпциг, 1909). Он сразу же объяснил этот эффект, рассматривая электроны, связанные в атомах квазиупругим образом.
Лоренц также работал в Лейденском университете, где он получил докторскую степень в 1875 г. В возрасте двадцати четырех лет, в 1877 г., он был назначен заведующим кафедрой теоретической физики в Голландии.
Лоренц имел обширные интересы РІ физике Рё математике, РЅРѕ его наиболее значительным достижением было развитие электромагнитной теории Максвелла РґРѕ этапа, РіРґРµ стала очевидной необходимость радикального изменения РѕСЃРЅРѕРІ физики, что инспирировало теорию относительности Рйнштейна. РћРЅ РѕР±СЉСЏСЃРЅРёР» отрицательный результат 1887 Рі. опыта Альберта Рђ. Майкельсона (18521931) Рё Рдварда Р’. Морли (1838 1923). Р’ этом эксперименте пытались увидеть, РЅРµ распространяется ли свет СЃ разной скоростью РІ направлениях РїРѕ движению Земли РІ пространстве Рё перпендикулярном ему. Лоренц предположил, что материальные тела сокращаются РІ размере РїРѕ направлению своего движения. Р’ 1904 Рі. РѕРЅ формализовал эту гипотезу, известную как лоренцовское сокращение, дав математическую форму этого преобразования. Рти преобразования Лоренца сыграли очень важную роль РІ теории Рйнштейна, которая теоретически укрепила РёС… РѕСЃРЅРѕРІСѓ.
В серии работ, опубликованных в период 18921904 гг., Лоренц построил электронную теорию, которая позволила ему объяснить ряд явлений. Он использовал свою теорию для объяснения эффекта, открытого Зееманом, и оба эти исследователя разделили Нобелевскую премию в 1902 г. за открытие и объяснение этого важного эффекта.
Согласно теории Лоренца, свет испускается атомными заряженными частицами (электронами), на движение которых влияет магнитное поле согласно законам классического электромагнетизма. �з изменения частоты, получаемого из-за магнитного поля, Лоренц и Зееман смогли определить отношение между зарядом и массой частицы, которая испускает свет, а также знак и значение заряда. Первоначально они допустили ошибку в расчетах и сочли, что знак положителен, но затем исправили расчет и получили отрицательный знак. В это же время в Кембридже Дж. Дж. Томсон в экспериментах 1897 года, измерил отношение между зарядом и массой свободного электрона, а позднее, в 1899 г., измерил знак заряда. Полученные данные были идентичны тем, что были найдены Зееманом и Лоренцем и доказывали, что электроны независимо от их происхождения являются идентичными.
РќРµ следует недооценивать важность эффекта Лоренца РІ теории строения атома. Успех, достигнутый теорией Лоренца эффекта Зеемана, показал, что частицы СЃ РѕРґРЅРёРј Рё тем же отношением заряд/масса, что Рё электрон, присутствуют РІ атоме Рё ответственны Р·Р° испускание спектральных линий. Рто было прямым доказательством, что испускание света производится электронами.
После этих первых экспериментов СЂСЏРґ РґСЂСѓРіРёС… физиков, Престон, Р СѓРЅРіРµ Рё Пашен, Рё Ланде, изучили магнитное расщепление спектральных линий. Принципиальным результатом этих исследований было то, что РјРЅРѕРіРёРµ линии, среди которых Рё D-дублет натрия, расщепляются РЅРµ РЅР° три линии, как предсказывала теория Лоренца, Р° РЅР° большее число компонент (СЃРј. СЂРёСЃ. 12). Ртот эффект был назван аномальным эффектом Зеемана Рё получил объяснение только РІ 1925 Рі., РєРѕРіРґР° Уленбек Рё Гоудсмит ввели СЃРїРёРЅ электрона.
Первая модель атома
В заключение, мы можем сказать, что в первые годы XX в. был дан первый, может быть не полный, ответ на вопрос как излучается свет, а атомы с их электрическими зарядами были сочтены ответственными за это. Однако, как устроены атомы и, соответственно, каковы процессы испускания света, никто не знал.
РћРґРЅР° РёР· проблем касалась числа электронов РІ атоме. Первые модели атома предполагали, что это число велико. Рта гипотеза поддерживалась спектроскопическими наблюдениями. Поскольку предполагалось, что спектральные линии производятся колебаниями электронов, Р° наблюдались тысячи линий, то полагали, что РѕРЅРё испускаются тысячами электронов.
РўРѕРјСЃРѕРЅ, который благодаря открытию электрона считался признанным авторитетом, выдвинул РІ 19031904 РіРі. СЃРІРѕСЋ модель атома. Р’ соответствие СЃ ней, атом представляет РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕ заряженную сферу СЃ положительным зарядом, РІ которой помещаются электроны, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ изюминкам РІ РїСѓРґРёРЅРіРµ. Положительный заряд Рё отрицательная СЃСѓРјРјР° всех электронов равны РїРѕ абсолютной величине. Рлектроны притягиваются Рє центру сферы Рё отталкиваются РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°, согласно закону Кулона электрического взаимодействия. Нормальное состояние атома получается, РєРѕРіРґР° система этих противоположных СЃРёР» уравновешена. Если атом подвергается возмущению (или, как РіРѕРІРѕСЂСЏС‚ физики, возбуждается) РїСЂРё столкновении СЃ РґСЂСѓРіРёРј атомом или РїСЂРё прохождении электрона, его внутренние электроны начинают колебаться РІРѕРєСЂСѓРі положения равновесия Рё излучается свет РЅР° тех частотах, которые измеряются спектроскопически. РџРѕ физическим законам можно рассчитать эти частоты. РўРѕРјСЃРѕРЅ Рё его ученики сделали сложные вычисления, чтобы найти такие конфигурации, которые дали Р±С‹ правильные частоты. Рти вычисления РЅРµ привели Рє успеху. Как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј, эта модель совершенно неверная.
ГЛАВА 3
�ЗЛУЧЕН�Е ЧЕРНОГО ТЕЛА
Как мы видели, к концу XIX в. ученые пришли к убеждению, что свет является электромагнитной волной. Однако в то же самое время, когда волновая теория получала все большую поддержку, были открыты новые явления, которые противоречили ей. Среди этих явлений было изучение того, как физическое тело поглощает или испускает тепло. Ожидалось, что эта проблема получит простое и немедленное решение. Однако этого не получилось, и когда в конце концов решение было найдено, оно нанесло первый удар по волновой теории света.
�злучение и температура
Если РјС‹ трогаем тело СЂСѓРєРѕР№, РјС‹ ощущаем тепло, если РѕРЅРѕ имеет высокую температуру. Такое же ощущение РјС‹ испытываем, если РјС‹ РЅРµ касаемся тела, РЅРѕ находимся близко РѕС‚ него. Рто получается благодаря передаче тепла через РІРѕР·РґСѓС…. Однако, даже если РјС‹ удалим РІРѕР·РґСѓС…, окружающий тело, передача тепла РІСЃРµ равно имеет место.
Сейчас РјС‹ знаем, что тело передает СЃРІРѕРµ тепло, С‚.Рµ. СЃРІРѕСЋ энергию, частично РІ РІРёРґРµ электромагнитных волн. Волны, которые переносят наибольшую часть этой энергии Рё которые ответственны Р·Р° ощущение тепла, обозначаются как инфракрасное излучение. Длины этих волн простираются почти РїРѕ всей области между миллиметром Рё тысячной долей миллиметра (РјРёРєСЂРѕРЅ), Рё РѕРЅРё невидимы глазом. Однако энергия, передаваемая видимым излучением РѕС‚ Солнца через миллионы километров, также может преобразовываться РІ тепло. Рто хорошо известно всем, кто загорает летом.
Фридрих Вильгельм Гершель (17381822), родившийся РІ Ганновере, Р° затем натурализовавшийся РІ Англии, РЅР° заре XIX РІ. продемонстрировал эффект нагрева, С‚.Рµ. увеличение температуры тела, инфракрасным излучением. Ркспериментальная регистрация инфракрасного излучения была существенно улучшена РІ 1881 Рі., РєРѕРіРґР° РЎ.Рџ. Лангли (18341906) изобрел С‚.РЅ. болометр. Ртот инструмент, состоящий РёР· платиновой проволоки, покрытой черным слоем сажи, способен измерять температуру благодаря изменению электрического сопротивления проволоки.
�так, мы можем сказать, что горячее тело испускает энергию в окружающее пространство частично в виде излучения. При увеличении температуры увеличивается испускаемая энергия, а длина волны излучения уменьшается от инфракрасной области до видимой. При температуре около тысячи градусов тело представляется красным; при дальнейшем увеличении температуры интенсивный цвет последовательно изменяется от красного к оранжевому и далее к голубому.
Точное соотношение между цветом тела и его температурой было установлено в XIX в. с помощью серии измерений и вычислений, первоначально основанных на термодинамике. Термодинамика часть физики, имеющая дело с соотношением между работой и теплом, испускаемым или поглощаемым телами. В ее основе два фундаментальных принципа. Один утверждает, что невозможно построить машину, которая непрерывно (т.е. циклично) совершает только работу, т.е. устанавливается принцип сохранения энергии, и невозможность создания вечного двигателя первого рода.
Другой утверждает, что невозможно иметь машину, которая забирает тепло от источника с постоянной температурой и превращает его в работу (т.е. невозможность создания вечного двигателя второго рода). Отметим, что все тепловые машины забирают тепло от источника с высокой температурой для совершения работы; однако они выделяют часть этого тепла при низкой температуре, например в окружающую среду, и таким образом не все тепло, но только его часть трансформируется в работу. �з этих двух принципов (первое и второе начала термодинамики) можно получить далеко идущие заключения путем чисто логических рассуждений, строгим и безупречным способом, поскольку они не требуют какой бы то ни было особой модели явления, к которому они применимы.
В начале XIX в. целый ряд причин заставлял исследователей интересоваться вопросом, почему нагретое тело испускает излучение. �сследования двигало в том числе и желание создать эффективные источники света в то время только начиналось освещение городов с помощью газа и электричества. Более того, изучение света, испускаемого звездами, было на тот момент единственным способом получить информацию об их природе.
Однако никто не мог вообразить, что из этой проблемы возникнет одна из наиболее глубоких и потрясающих революций в физике революции, которая привела к квантовой теории. Окончательное решение было результатом усилий многих ученых в разных областях. Здесь мы ограничимся обсуждениями рассмотрений, нужных для понимания лазеров.
