О чем рассказывает свет

Сергей Георгиевич Суворов

О чем рассказывает свет

Введение

В конце прошлого века в журнале Русского физико-химического общества были напечатаны подробные сведения о том, из каких веществ состоит Солнце и ряд других звезд. Как перед человеком раскрылись бесконечно далекие кладовые мира? Как ученые узнали о составе звезд, которые ведь не положишь на стол лаборатории?

Об этом им рассказали лучи света, пришедшие от звезд.

В девяностых годах прошлого века русский астроном Белопольский определил, куда и с какой скоростью движутся звезды. Как ему удалось определить распорядок движения небесных светил в космосе, как будто речь шла о графике движения пригородных поездов?

Об этом ему рассказали те же лучи света.

Современные физики отыскивают пути высвобождения огромных запасов атомной энергии и в этих целях раскрывают тончайшие детали строения атомов. Как они этого достигают, ведь внутрь атомов не залезешь ни с пинцетом, ни с лупой?

И об этом им говорят лучи света, испускаемые атомами.

В заводских лабораториях в одну-две минуты определяют качество стали, из которой построена машина; находят, какие металлы («присадки») и в какой доле добавлены к обычному составу стали. Что дает возможность инженерам так быстро контролировать качество металлических сплавов, не разрушая конструкции?

Те же лучи света, испускаемые парами металла при накале.

Советские ученые впервые в мировой истории доставили на Луну вымпел; а за рубежом нашлись злобствующие политиканы, которые шипели: это, мол, не факт; доказать, что попали в Луну, нельзя, это мистика коммунистов. Но английские ученые посрамили политиканов, заявив, что они зарегистрировали момент прилунения вымпела документально. Что дало английским ученым возможность получить в руки надежный документ о прилунении советского вымпела?

Опять те же лучи света в широком значении этого слова.

Подумать только, какой широкий круг знаний дает нам свет, какой необъятный мир он раскрывает: от атома до космоса!

Свет рождается в веществе. Именно поэтому он может рассказать, из каких веществ состоят звезды, какие металлы входят в состав сплавов, каково строение атомов и многое другое. Вот этим рассказам света о веществе и посвящена настоящая книжка.

«О чем рассказывает свет» — это, конечно, только образное выражение, подходящее для названия книжки. Тому, кто не знает свойств света, он ничего не скажет. Для того чтобы понимать «язык» света, человек должен был упорно изучать, как возникает свет, как он распространяется, как ведет себя в различных условиях, как связан с веществом, как преобразуется, словом, надо было исследовать природу света, его свойства. Об этом «языке» света книжка обязана рассказать читателю.

И еще одно узнает читатель из книжки.

На пути познания встречаются немалые трудности. Ничто в природе не лежит в виде готовой истины: пришел удачник, взглянул мимоходом, сразу постиг. Каждый шаг познания дается настойчивым трудом. Ученый знает радости успеха и горечи неудач. Его усилия заслуживают глубокого уважения, сколь бы мало он ни продвинулся вперед. Но что еще замечательно: упорный труд неизменно преодолевает любые трудности, сколько бы их ни вставало на пути. Этому учит история науки, и автор хотел рассказать об ее поучительных уроках.

Именно эти захватывающие идеи привлекли его к написанию популярной книжки, мысль о которой внушил ему выдающийся ученый и замечательный человек Сергей Иванович Вавилов.

Цветной язык света

Цветные сигналы металлов

Сто лет тому назад, в конце 50-х годов прошлого века, химики заинтересовались вопросом: как светятся различные химические вещества при очень высоких температурах? В то время высокую температуру научились получать в особо устроенной газовой горелке — горелке Бунзена (Роберт Бунзен — немецкий физик и химик, 1811 —1899). В ней бесцветным пламенем горел обычный светильный газ; он давал температуру около 1800 градусов.

Первой была испробована поваренная соль. Когда кусочек поваренной соли был введен на проволочке в пламя горелки, бесцветное пламя стало ярко-желтым.

Отчего бы это могло быть?

Поваренная соль — это химическое соединение двух простых веществ — натрия и хлора. В горячем пламени горелки поваренная соль разлагается на составные части. Об этом можно судить по удушливому запаху выделяющегося газа — хлора. Металл натрий плавится уже при 97 градусах; при температуре около 750 градусов натрий превращается в пар. Следовательно, поваренная соль в пламени газовой горелки разлагается на газ хлор и пары металла натрия. Какой же из них окрашивает бесцветное пламя горелки в желтый цвет?

Проделав опыты с хлором и натрием порознь, химики убедились в том, что пламя окрашивается в желтый цвет парами натрия.

Но, может быть, свойством окрашивать пламя обладают пары не только натрия, но и других металлов?

Вводя в пламя газовой горелки один металл за другим, химики обнаружили, что это действительно так. Например, калий дает фиолетовую окраску пламени, литий — красную, медь — зеленую.

Если пары металла и в самом деле окрашивают пламя каждый в свой цвет, то это прекрасная находка для химиков! Ведь по окраске пламени можно было бы быстро узнавать, какие металлы есть в том или другом сложном веществе. До сих пор для решения этого вопроса нужно было проделывать кропотливую работу: химики растворяли сложное вещество, процеживали раствор сквозь тончайшие сита — фильтры, выпаривали раствор и производили другие операции; они повторяли эти кропотливые операции с одним и тем же веществом иногда десятки и сотни раз.

При новом способе вся эта кропотливая работа отпала бы. Химики хорошо понимали выгоду нового способа. Но прежде надо было проверить, действительно ли каждый металл окрашивает пламя в свой цвет.

Однако скоро перед химиками возникло затруднение. Раскаленные пары металла лития окрашивают пламя горелки в малиново-красный цвет. Но в такой же цвет окрашивают пламя и пары металла стронция. Значит, новый способ непригоден? Или, может быть, разница в окраске пламени литием и стронцием есть, но ее нельзя заметить простым глазом? В таком случае глаз нужно вооружить!

Тут на помощь ученым пришел спектроскоп. Прообраз этого прибора дал английский ученый Ньютон (1643—1727) еще в XVII веке. Но только сто лет назад спектроскоп начали широко применять в научных и технических исследованиях. С тех пор он сыграл огромную роль в развитии современной науки и техники и до сих пор безотказно служит человеку.

Что же это за прибор и на чем основано его устройство? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется сначала рассказать кое-что о свойствах света.

Белый луч — семья цветных лучей.

В XVII веке астрономия достигла блестящих успехов. Галилей, Ньютон и другие ученые усиленно изучали звездное небо и небесные явления.

Тогда же были изобретены первые телескопы. Изображения в первых телескопах были неясные, они имели много недостатков. Стремясь усовершенствовать телескопы, Ньютон изучал, как проходят лучи света сквозь различные стекла. Он затемнил комнату ставней, а в ставне прорезал узкое отверстие для солнечного луча.

На пути этого луча ученый поставил стеклянную трехгранную призму (см. рис. 1) вершиной вниз и стал наблюдать дальнейший путь луча. Узкая полоска солнечного света до выходе из призмы отклонилась к ее основанию и упала на стену (рис. 2). В ней ясно различались красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя и фиолетовая полосы, непрерывно переходящие друг в друга (см. приложение 1).

Ученые и раньше наблюдали такие цветные полосы. Они думали, что солнечный луч становится цветным потому, что его окрашивает призма. Ньютон решил исследовать это явление детально.

Каждый из цветных лучей, полученных с помощью призмы, он пропустил через вторую призму. Оказалось, что каждый цветной луч, пройдя вторую призму, сохранял свой цвет.

Рис. 1. Стеклянная призма — толстый брусок стекла, отлитый в форме клина. Она расщепляет белый луч света на цветные и отклоняет их к своему основанию. Ф — фиолетовый луч, 3 — зеленый, К — красный

Значит, призма лучей не окрашивает, заключил ученый, а все дело в самом солнечном луче, в его составе. Выходит, что солнечный луч не простой, а сложный, он состоит из цветных лучей, а стеклянная призма разделяет их друг от друга. Лучи различного цвета призма отклоняет по-разному. Меньше всего она отклоняет красные лучи, больше всего фиолетовые.

Но если белый луч разлагается на цветные, но любопытно, что дадут цветные лучи, если их вновь собрать в одном месте? Ньютон установил на пути цветных лучей вслед за первой призмой вторую, но только вершиной вверх. Что же получилось? Пройдя первую призму, белый луч разложился на цветные лучи; пройдя вторую призму, цветные лучи собрались вместе и вновь образовали белый луч, такой же, какой проходил сквозь отверстие ставни! Догадка Ньютона о том, что белый луч состоит из цветных лучей, подтвердилась.

Эти опыты были проделаны в 1667—1668 годах. Они-то и положили начало спектроскопии — науке о составе света, о разложении его на составляющие цветные излучения — спектры.

Познать физические свойства — значит научиться измерять

Попробуйте при случае подсчитать, сколько цветов в радуге. Эту задачу выполнить невозможно. Между полосами красной и оранжевой, синей и голубой, как и между любыми соседними полосами, нет резких границ, между ними имеется много переходных тонов. Не все оттенки цветов способен различать глаз. Часто трудно и определить: то ли цвет «ближе к синему», то ли «ближе к голубому». Цвет — неточная характеристика лучей. Нельзя ли для каждого луча найти характеристику более точную, чем его цвет?

Рис. 2. Общий вид установки Ньютона, с помощью которой он наблюдал разложение белого луча на ряд цветных

Физики нашли такую точную характеристику, когда они научились выражать свойства света через числа, измерять и сравнивать, когда они лучше узнали свойства света, его природу.

Первые споры о природе света

Со времен глубокой древности человека занимал вопрос: что такое свет? Почему человек обладает таким чудесным свойством видеть окружающий мир во всем многообразии его форм, движения, красок?

Ньютон полагал, что свет — это какие-то световые частицы (корпускулы), летящие от источника во все стороны. Они попадают в глаз и создают в нем образ предмета. На что опирался Ньютон, утверждая, что свет — это поток частиц? Сведений о свойствах света в то время было мало. Ньютон рассуждал так. Частицы света распространяются по прямым линиям. Именно поэтому непрозрачные предметы дают тень, и контуры их очерчены этой тенью резко. Потому-то нельзя видеть, что делается за углом дома. А вот если бы свет был волнами, то он огибал бы угол дома. Предметы были бы видны, даже если бы они стояли за углом дома.

В самом деле, возьмем, например, звук. Мы хорошо, слышим разговор людей, стоящих за углом дома. Это потому, что звук — это волны, волны сгущений и разрежений воздуха, идущие от источника звука во все стороны. А волны способны огибать препятствия, менять свое направление.

Итак, Ньютон сделал вывод: поскольку свет распространяется прямолинейно, постольку он состоит из потока частиц (корпускул), а не волн. Эти взгляды Ньютона получили известность под именем корпускулярной гипотезы света.

Однако уже Ньютон открыл явление, толкование которого вызвало много споров о том, какова природа света. Однажды он положил очковое стекло с небольшой выпуклостью на стеклянную пластинку и направил на нее пучок одноцветных лучей: на пластинке вокруг точки прикосновения очкового стекла образовались цветные и темные кольца, вложенные друг в друга (рис. 3). Цветные кольца были очень яркими, в темных кольцах свет пропадал вовсе. Эти кольца были названы кольцами Ньютона.

Рис 3. Темные и цветные кольца, которые Ньютон наблюдал при пропускании лучей сквозь очковые стекла

Отчего возникают такие кольца?

Ньютон объяснял это так. Частицы света иногда проходят сквозь стекла — в этом случае образуются цветные кольца, иногда же они не в состоянии этого сделать — тогда образуются темные кольца. Частицы света обладают попеременно то свойством проходить сквозь стекло, то свойством задерживаться в стекле.

Но были ученые, которые считали объяснение Ньютона очень сложным. Отчего свойства частиц света (то проходить, то задерживаться в стекле) меняются, да еще с очень точной регулярностью? Не проще ли предположить, что свет — это волны? Ведь в самой природе волн есть строгая регулярность — колебание.

По вопросу о природе света среди ученых образовалось два направления. Большинство из них считало воззрения Ньютона на природу света правильными. Но отдельные ученые не соглашались с ними и полагали, что свет—это волны. К ним принадлежали голландский оптик Христиан Гюйгенс (1629—1695), петербургский академик, швейцарец по происхождению, Леонард Эйлер (1707—1783) и великий русский ученый Михаил Ломоносов (1711 —1765).

Почти полтораста лет шли споры о природе света. Появление колец Ньютона толковалось по-разному. Но обе спорящие стороны были вынуждены признать: чем бы ни был свет, он обладает замечательным свойством — свойством периодичности. Об этом говорят кольца Ньютона. И только долго оставалось неясным, как понять эту периодичность.

Лишь в XIX веке было дано правильное объяснение ньютоновых колец. Их происхождение можно понять только в том случае, если предположить, что свет распространяется волнами.

Волны обладают особыми свойствами, которые присущи только им и никаким другим образованиям. Эти особые свойства проявляются в характере их взаимодействия.

Чтобы лучше разобраться в этом, познакомимся с волнами на поверхности воды.

Волны на поверхности воды

Каждый знает, что водяные волны бывают разные. На поверхности пруда едва заметная зыбь слегка качает пробку рыболова, а на морских просторах огромные водяные валы раскачивают океанские пароходы. Чем же отличаются волны друг от друга?

Посмотрим, как возникают водяные волны.

Рис. 4. Прибор для ритмического возбуждения волн на поверхности воды

Для возбуждения волн на воде возьмем прибор, показанный на рис. 4. Когда моторчик А вращает эксцентрик Б, стерженек В движется вверх и вниз, погружаясь в воду на разную глубину. От него разбегаются круговые волны (рис. 5).

Они представляют собой ряд чередующихся гребней и впадин.

Расстояние между соседними гребнями (или впадинами) называется длиной волны и обычно обозначается греческой буквой λ (лямбда) (рис. 6).

Рис. 5. Волны, создаваемые ритмично колеблющимся стерженьком; буквой λ обозначена длина волны

Увеличим число оборотов моторчика, а стало быть, и частоту колебаний стерженька вдвое. Тогда число волн, появившихся за то же время, будет вдвое больше. Но при этом длина волн будет вдвое меньше.

Число волн, образующихся в одну секунду, называется частотой волн. Она обычно обозначается греческой буквой ν (ню).

Рис. 6. Поперечный разрез водяной волны. АБ — амплитуда а, БВ — длина волны λ

Пусть на воде плавает пробка. Под влиянием бегущей волны она будет совершать колебания. Подошедший к пробке гребень поднимет ее вверх, а следующая за ним впадина опустит вниз. За одну секунду пробку поднимет столько гребней (и опустит столько впадин), сколько за это время образуется волн. А это число и есть частота волны ν. Значит, пробка будет колебаться с частотой ν. Так, обнаруживая действие волн в любом месте их распространения, мы можем установить их частоту.

Рис. 7. Схема связи длины волны λ, скорости v и частоты ν. Из рисунка ясно, что v = νλ

Ради простоты мы будем считать, что волны не затухают. Частота и длина незатухающих волн связаны друг с другом простым законом. За секунду образуется ν волн. Все эти волны уложатся на некотором отрезке (рис. 7). Первая волна, образовавшаяся в начале секунды, дойдет до конца этого отрезка; она отстоит от источника на расстоянии, равном длине волны, умноженной на число образовавшихся волн, то есть на частоту ν. Но расстояние, пройденное волной за секунду, есть скорость волны v. Таким образом,

λ × ν = v

Длину волны и скорость распространения волн часто узнают из опыта, но тогда частоту v можно определить из вычисления, а именно: