Текст книги "Солнечный луч"

Автор книги: Вилен Барабой

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 18 страниц)

Итак, стало ясно, что атомы разных элементов испускают и поглощают энергию сообразно законам, одинаковым для всех условий. Линии атомных спектров дали возможность установить существование определенной закономерной зависимости между ними.

На рис. 10 показана серия спектральных линий самого простого химического элемента – водорода (так называемая серия Бальмера), относящихся к видимой области спектра. Расположение отдельных линий таково, что даже без математического анализа дает основание предположить существование какой-то скрытой закономерности. Анализ этой, а также других серий водорода (Лаймана и Пашена), расположенных соответственно в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, позволил вывести общую формулу частоты спектральных линий

где R – постоянный коэффициент; n и m – последовательные целые числа, имеющие значение m >= n+1; для серии Лаймана n = 1, для серии Бальмера n = 2 и для серии Пашена n = 3.

Спектры других элементов труднее поддавались анализу, но и для них были установлены соответствующие закономерности. Объяснить законы излучения и поглощения света веществом с помощью волновой теории не представлялось возможным. Зато в рамках квантовой теории эти явления получили естественное объяснение и их открытие способствовало торжеству квантовомеханических представлений.

Рис. 11. Схема энергетических уровней атома водорода, иллюстрирующая образование спектральных серий (n = 1 – основной стабильный уровень электрона)

Атомы каждого элемента могут иметь только определенные энергетические состояния, квантовые уровни, переходы между которыми совершаются благодаря излучению и поглощению энергии строго определенными порциями – квантами. Из многих квантов света, падающих на данный атом, поглощаются только те, которые по величине своей энергии соответствуют разности энергий его квантовых уровней. Поглотив такой квант, атом переходит на высший энергетический уровень. Но в этом состоянии он неустойчив, поэтому мгновенно совершается обратный процесс – высвечивание поглощенного кванта энергии и возвращение атома в исходное, невозбужденное, состояние. Перейти на более высокий энергетический уровень атом может также в результате нагрева. Высвечивание и в этом случае происходит по описанному выше закону. Низшее энергетическое состояние атомов, в котором газ не светится, является наиболее устойчивым, основным (рис. 11).

Что же это за гипотетические уровни энергии? Существуют ли они только в нашем представлении или внутри атомов действительно есть какие-то энергетические ступеньки?

Чем ближе к ядру расположен электрон, тем ниже его собственная энергия и тем больше нужно приложить усилий, чтобы выбить его или перевести на более далекую орбиту. Превращения, происходящие с внешними электронами атома, требуют меньшего количества энергии, т. е. квантов меньших энергий. Испускание же рентгеновских лучей связано с внутренними электронными оболочками атомов.

В ходе развития атомной физики гипотеза энергетических квантовых уровней, как и гипотеза существования квантов, нашла полное подтверждение. Новейшие открытия позволили проникнуть во многие сокровенные тайны строения вещества, раскрыли физическую природу света. Волновая теория отлично объясняет явления дифракции и интерференции. Возрожденная корпускулярная теория дает объяснение законам испускания и поглощения света. Выходит, как это ни удивительно, что свету присущи и волновые, и корпускулярные свойства. Природа вещества, состоящего из атомов, которые, в свою очередь, построены из протонов, нейтронов и электронов, казалась более понятной, чем двойственная природа света, соединяющего в себе свойства волны и материальной частицы.

Фотоны обладают удивительными свойствами. В сильном электрическом и гравитационном поле атомных ядер квант света может распадаться на две элементарные частицы, несущие противоположные заряды – электрон и позитрон. А при других условиях возможен и обратный процесс. Ученые сумели получить мощные потоки быстро летящих элементарных частиц (электронов, протонов) и установили, что при встрече с небольшими преградами или отверстиями частицы вещества дают такую же дифракционную картину, как и свет, т. е. они обладают волновыми свойствами.

Свет исходит из вещества, рождается в нем и, поглощаясь, исчезает в веществе. Их встреча всегда приводит к взаимодействию. С одной стороны, вещество отражает, преломляет, поглощает свет. С другой стороны, свет, встречаясь с веществом, может оказывать на пего разнообразное действие. Фотоны – снаряды солнечной артиллерии – давят на материальные тела. Механическое давление света Солнца на перпендикулярно поставленную и абсолютно поглощающую поверхность составляет около 0,5 мг/м ². Лучистая энергия может вызывать химические изменения в веществе: процесс фотосинтеза, почернение фотографической пластинки, ощущение света в сетчатке глаза, образование загара. Под действием излучения происходит фотоэлектрический эффект. Нередко при прохождении светового потока через вещество последнее начинает светиться (явление фотолюминесценции). Наконец, поглощаясь веществом, свет нагревает его.

Выявленное в ходе развития физики и оптики противоречие волновых и корпускулярных свойств световых явлений – проявление реально существующего единства противоположностей. С точки зрения классической физики представления о непрерывных волнах и прерывных частицах исключали друг друга. Физика XX в. для объяснения наблюдаемых фактов берет на вооружение диалектико-материалистическое представление о материи как о единстве прерывного и непрерывного, вещества и света, массы и поля, волн и частиц, рассматривая эти свойства как взаимно дополнительные.

Кванты и жизнь

Величина механического давления света на вещество настолько мала, что оно сказывается лишь на поведении мельчайших частиц космической пыли и газа, попадающих в сферу влияния Солнца, например на хвосты комет, приближающихся к Солнцу. Кометные хвосты состоят преимущественно из паров и газов, образующихся при испарении вещества ядра кометы. Пройдя точку наибольшего приближения к Солнцу, комета начинает удаляться от него. Хвост кометы и при приближении к светилу, и при удалении от него направлен радиально в сторону от Солнца. Есть все основания предполагать, что образование хвостов комет происходит в результате механического давления света на частицы паров, газов и пылинки кометного вещества.

Казалось бы, эффект светового давления не имеет и не может иметь значения для развития жизни на Земле. Однако по представлениям новой науки – экзобиологии, изучающей жизнь вне пределов Земли, существенную роль в переносе микроорганизмов может играть световое давление.

Выдающийся шведский ученый С. Аррениус почти 100 лет назад высказал мысль, что, возможно, простейшие живые организмы, возникшие на одной из планет, токами воздуха могут заноситься в очень высокие слои атмосферы, а затем переноситься на другие планеты. Предположение о населенности космического пространства живыми организмами, получившее название теории панспермии, подверглось суровой критике со стороны биологов-материалистов. Одни видели в ней попытку косвенно опровергнуть теорию возникновения жизни на Земле в ходе органической эволюции. Другие утверждали, что в космосе отсутствуют элементарные условия, необходимые для существования самых простых организмов: температура, близкая к абсолютному нулю (—273° С), космический вакуум, мощные потоки излучений мало благоприятствуют существованию даже простейших форм жизни. Кроме того, трудно представить, каким образом одноклеточные живые организмы могут преодолеть гигантские космические пространства, отделяющие одну планету от другой. Теория Аррениуса, не давшая ясных ответов на эти вопросы, постепенно потеряла значение.

Сейчас на новой научной основе вновь возникло предположение о принципиальной возможности переноса некоторых форм жизни через пространства космоса. В самом деле, споры некоторых грибков и бактерий, живущих в верхних слоях земной атмосферы, имеют достаточно толстую оболочку из веществ, поглощающих ультрафиолетовые лучи, и обладают удивительной устойчивостью к действию ионизирующей радиации в огромных дозах. Многие споры хорошо переносят отсутствие кислорода и температуру, близкую к абсолютному нулю, самые большие разрежения (до 10 ^-10– 10 ^-11мм рт. ст.), создаваемые в земных лабораториях.

Таким образом, существуют формы жизни, способные переносить воздействие факторов космического пространства, сохраняя жизнеспособность. Благодаря очень малым размерам споры грибков и бактерий могут заноситься восходящими токами воздуха в высокие слои атмосферы, а преодолеть притяжение планеты и просторы космоса им помогут кванты солнечного света. Солнечный ветер – поток протонов, выбрасываемых Солнцем, постоянно дующий сквозь орбиты планет – может, по расчетам американского астрофизика К. Сагана и некоторых других современных ученых, также способствовать переносу простейших форм жизни из внутренних областей солнечной системы к внешним.

В научной печати последних лет появились сообщения о том, что в некоторых падающих на Землю метеоритах (углистых хондритах) найдены образования, весьма напоминающие микроорганизмы. Неопровержимых доказательств космического, а не земного происхождения этих организмов пока нет. Если они будут получены, значит, существует еще один путь переноса живых существ через космическое пространство. Возможно, что, ступив на почву одной из ближайших к нам планет (например, Марса), человек найдет там некоторые знакомые формы жизни.

Принципиальная возможность путешествия некоторых живых существ с одних небесных тел на другие, по-видимому, обоснована. В реализации этой возможности не последнюю роль играет солнечное давление.

Сила светового давления в наши дни перекочевала из книг фантастов на страницы серьезных научных проектов. Нельзя ли использовать эту силу для разгона космических кораблей вместо ракетных двигателей? Оказалось, можно! Уже разрабатываются конструкции космических яхт с гигантскими парусами-отражателями. Их наполняет солнечный ветер. И гонимые этой неощутимой, но постоянно создающей ускорение силой, отважные космонавты полетят к Юпитеру, Сатурну, навстречу неведомому.

Что такое цвет

Свойство тел вызывать определенные ощущения в зависимости от спектрального состава отраженного или испускаемого телами света называется цветом. Ощущение цвета возникает в сетчатке глаза под влиянием световых волн, подобно тому, как ощущение звука возникает во внутреннем ухе под влиянием звуковых колебаний определенной частоты.

Наблюдаемые в природе и видимые глазом цвета разделяются на две группы: ахроматические и хроматические. К ахроматическим относятся белый, серый и черный цвета. Они различаются лишь количеством отраженного света – коэффициентом отражения. Средний человеческий глаз различает в гамме ахроматических цветов около 300 оттенков. Хроматические цвета – это цвета и оттенки, различаемые нами в спектре.

Границы видимого глазом спектра, так же как и границы отдельных цветов, люди воспринимают по-разному. Советский ученый Пинегин установил, что в определенных условиях глаз человека способен различать световое излучение в диапазоне от 3020 до 9500 А. Но все же на основании обследований сотен людей удалось установить,) что ощущению каждого цвета соответствуют волны определенной длины. Изменение цвета при изменении длины волны происходит неравномерно (табл. 1). Наиболее узкий спектральный пучок образуют желтые лучи.

Все хроматические лучи характеризуются тремя основными параметрами: цветовым тоном, насыщенностью и яркостью. Тон определяется длиной волны (обозначается греческой буквой ). Количество оттенков хроматического цвета, различаемых глазом, достигает 1000—1500. По длине волны в спектре видимого цвета выделяют три участка: длинноволновый (красный и оранжевый цвета), средневолновый (желтый и зеленый цвета) и коротковолновый (голубой, синий, фиолетовый цвета).

Таблица 1

Спектральные пределы видимых глазом цветов

Насыщенность, или чистота света (Р) зависит от степени «разбавления» спектрального цвета белым. Наконец, яркость хроматического цвета (В) связана с интенсивностью падающего на окрашенный объект общего светового потока.

Обычно в наш глаз поступает лучистый поток смешанного состава, содержащий лучи различной длины воли, разных цветов спектра. Глаз воспринимает смесь лучей как некий новый цвет, отличающийся от лучей, входящих в его состав. В этом состоит принципиальное отличие зрения от слуха: в сложном аккорде, состоящем из нескольких звуков разной высоты, отчетливо слышится каждый звук, и опытный музыкант точно назовет все ноты, прозвучавшие одновременно. Для глаза все волны видимой части спектра сливаются в единый цвет (белый), в котором не выделяются отдельные слагающие его цвета. Выделить их можно лишь с помощью призмы, развертывающей пучок белого солнечного света в разноцветную радужную полосу – спектр.

Смешение двух простых цветов может дать разные результаты. В одних случаях образуется белый цвет (при смешении оранжевого и голубого, желтого и синего); такие пары цветов называются дополнительными. В других случаях при смешении возникает третий простой цвет (например, зеленый из смеси голубого и желтого). Возможно появление также цвета, отсутствующего в спектре (например, пурпурного при смешении красного и фиолетового). Таким образом, с точки зрения различения лучей глаз – весьма несовершенное орудие познания окружающего нас мира, уступающее по своим способностям органу слуха и даже обоняния.

Лучи видимого света, дающие ощущение различных цветов, могут возникать и в процессе так называемого холодного свечения, или люминесценции. Но главным источником излучения служат нагретые тела.

Законы испускания света разработаны применительно к излучающему телу, полностью поглощающему лучи. В природе не существует абсолютно черного тела. Но представление о нем позволило математически осмыслить закономерности излучения света.

Согласно первому закону излучения (закону Стефана – Больцмана), мощность потока лучей, испускаемых абсолютно черной поверхностью,

E _т= T ⁴

где Т – температура поверхности в градусах Кельвина;  – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,7·10 ^-5эрг·см ²/град ^-4.

Таким образом, нагретое тело как бы «испаряет» световые кванты тем энергичнее, чем выше его температура. Количество излучаемых квантов пропорционально четвертой степени температуры тела.

Второй закон излучения (закон смещения Вина) характеризует спектральный состав излучения при изменении температуры излучающего тела. При повышении температуры высвечивание усиливается на всех длинах волн. Максимум излучения перемещается в сторону более коротких волн (рис. 12). Закон Вина гласит: произведение длины волны, лежащей в области максимумов излучения _макс, и температуры тела Т есть величина постоянная, т. е. _максT = A

Представим себе, что в кузнечном горне мы раскаляем кусок металла. Пока температура его не превысит 1000° С, максимум излучения лежит в далекой инфракрасной области. С повышением температуры в спектре последовательно появляются красные, оранжевые, желтые, зеленые лучи; максимум приближается к красной границе спектра. При 2000° С светится весь видимый спектр, а излучение приобретает белый цвет (белое каление). По мере достижения температуры 3500—7500° С максимум интенсивности излучения проходит через всю видимую часть спектра, удаляясь в ультрафиолетовую область.

Таким образом, экономически наиболее выгодным был бы источник видимого света с температурой 6000– 7000° С. Современная техника пока не в состоянии создать такой источник. Но в природе он существует – это Солнце. Глаз человека приспособился к восприятию определенного диапазона электромагнитных колебаний не случайно, а в силу того, что он лежит в зоне максимума солнечного излучения.

Спектр излучения Солнца воспринимается глазом как белый свет. Но окружающие нас предметы не кажутся нам однотонными. Значит, в природе действуют какие-то еще не рассмотренные нами факторы, которые в ясный солнечный день придают зеленую окраску листьям деревьев, желтую – головкам подсолнухов, красную – макам, хотя они собственного видимого света не излучают.

Рис. 12. Положение спектрального максимума излучения при различной температуре излучающего тела

Чем же объяснить существование столь разнообразной окраски у окружающих нас предметов? Вероятно, здесь существенное значение имеет состав света, освещающего предметы. При вечернем освещении синий цвет кажется черным, а желтый и зеленый выглядят более тусклыми, чем днем. Почему?

Если перед щелью, через которую на призму падает пучок белого света, поставить красное стекло, то красный участок спектра не усилится: зато все остальные цвета спектра, кроме красного, исчезнут. Таким образом, красное стекло лишь выделяет, сохраняет красный участок спектра, поглощая все другие лучи видимого света, а не превращает в красный остальные цвета спектра. Если вместо красного стекла поставить желтое, спектр почти не меняется; на месте остаются все лучи, за исключением крайнего синего и фиолетового участка. Керосиновая лампа и лампа накаливания дают желтоватый свет, в котором, как мы теперь знаем, практически отсутствуют синие и фиолетовые лучи: температура источника света слишком низка, чтобы излучать в этой коротковолновой области. Синее сукно на солнечном свету кажется синим потому, что поглощает все лучи, кроме синих; они-то и попадают в наш глаз, давая соответствующее ощущение. Свет же искусственных источников, лишенных синих лучей, сукно поглотит полностью и будет казаться поэтому черным. Желтых и зеленых лучей в спектре ламп накаливания также относительно меньше, чем в солнечном свете. Не удивительно, что соответствующие тона при вечернем освещении кажутся более тусклыми, чем днем.

Чтобы «дополнить» свет искусственных источников недостающим коротковолновым излучением, используют ртутные лампы, ультрафиолетовое излучение которых превращают в видимое с помощью смеси светящихся веществ – люминофоров. Так устроены, в частности, лампы дневного света, спектр которых почти повторяет солнечный.

Однако не только состав падающего света влияет на восприятие цвета глазами. Подавляющее большинство окружающих нас предметов собственного света не излучает. Лучи, которые достигают глаз и информируют нас о форме, величине, цвете предметов, расстоянии до них,– это отраженные лучи. Они возникли в источнике света, достигли предмета, отразились от него и попали на сетчатку глаза. Представим себе, что рассматриваемый нами предмет – абсолютно черное тело, что он полностью поглощает все падающие на него лучи. Очевидно, при этом ни один квант света не отразится от предмета и не попадет в глаз. Такое абсолютно черное тело мы попросту не увидим, оно будет казаться нам чем-то вроде черного провала в потоке света.

Рассмотрим противоположный случай. Предмет, попавший под лучи Солнца, не поглощает их. В этом случае, если предмет совершенно прозрачен, лучи проследуют своим путем, а предмет окажется невидимым для глаза (таковы воздух, вода, стекло в относительно тонких слоях). Когда же предмет окажется непрозрачным для лучей, но и не будет поглощать их, он полностью отразит лучи в окружающее пространство.

В реальной природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно прозрачных тел. Подавляющее большинство предметов на Земле одновременно и поглощает, и отражает, и рассеивает, и пропускает свет. По отношению к лучам с различными длинами волн одно и то же тело ведет себя по-разному. Зеленый лист, например, поглощает свет в красной и синей областях спектра, а в зеленой отражает. Отраженные лучи, попадая на сетчатку глаз, и дают ощущение зеленого цвета.

Предметы, особенно их поверхностные слои, избирательно поглощают из падающего лучистого потока определенные лучи, остальные отражают и рассеивают. Именно отраженные и рассеянные лучи в совокупности и дают ощущение цвета предмета. При этом вовсе не обязательно, чтобы отражался какой-то один чистый спектральный цвет. Ведь сочетание двух, трех и больше цветов дает ощущение одного цвета, которое мы и воспринимаем как цвет данного предмета. Если же предмет кажется нам белым или серым, значит, он отражает лучи разных длин волы более или менее равномерно.

Таким образом, состав вещества или во всяком случае состав поверхностных слоев предметов, обусловливая избирательное поглощение, отражение и рассеяние падающих на него лучей, оказывает значительное, нередко решающее влияние на цвет предмета. Предметам живой и неживой природы придают окраску, цвет особые химические вещества, обладающие свойством избирательного поглощения лучей, называемые красящими веществами – красителями, или пигментами. Таковы хлорофилл – пигмент, действующий в процессе фотосинтеза, родопсин и йодопсин – зрительные пигменты.

Наконец, остановимся на роли рассеяния света. В древние времена люди считали небо действительно существующим голубым куполом, опирающимся на плечи титана Атланта. Небесный свод фигурировал в качестве библейской «тверди» и «небесных сфер» в древних геоцентрических системах мира. Средневековые схоласты спорили о характере материала, из которого он изготовлен. Одни из них склонялись мыслью к стеклу и хрусталю, другие – к драгоценным камням синего цвета (сапфиру и др.).

Правильное представление о небе было дано великим ученым эпохи Возрождения Леонардо да Винчи: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху темнотой». Сейчас гениальное предвидение философа подтверждено экспериментально. Космонавты, пройдя плотные слои атмосферы, видели над собой абсолютно черное небо, на котором одновременно сияли Солнце, Луна и звезды.

Научное объяснение голубого цвета неба было дано в работах английского физика лорда Рэлея (Дж. У. Стретта) в 1871 г. Оказалось, что молекулы газов воздуха, точнее их конгломераты, рассеивают лучи Солнца. Чем короче волны лучей, тем сильнее они рассеиваются. Синие и фиолетовые лучи рассеиваются вдвое интенсивнее, чем красные. Поэтому, когда мы смотрим на небо, мы видим рассеянные лучи, среди которых преобладают голубые, синие и фиолетовые. Зато диск Солнца по мере приближения к закату становится все более красным: чем длиннее путь света в атмосфере, тем относительно больше в его составе красных и оранжевых лучей.

Чем выше поднимается человек над поверхностью Земли, тем гуще, синее становится окраска неба. Крупные частицы вещества (пылинки, капельки воды) рассеивают все лучи одинаково. В случае, когда этих частиц много, синий цвет неба становится бледным. Поэтому интенсивность окраски небесного свода может быть мерилом чистоты воздуха. Благодаря рассеянию солнечного света воздухом смена дня и ночи происходит не мгновенно, а постепенно. В пасмурные дни освещение создается рассеянной радиацией. Ее существование обеспечивает поступление света к растениям, находящимся в тени. Это явление играет немалую роль в жизни на Земле.