17
В этом году исполнилиось девяност лет со дня рождения академика Сергея Ивановича Вавилова (12.3.1891—25.1.1951) — выдавшегося советского физика и организатора науки, председателя Академии наук СССР, директора физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР. С. И. Вавилов внес очень крупный вклад в развитие физической оптики, прежде всего — в изучение приоды ломинесценции. Вместе со своим ученком Павлом Алексеевичем Черенковым (воспел逮ии академик) С. И. Вавилов открыл знаменитый эфект «сверхветового электрона», получивший позднее имя авторов открытия.
С. И. Вавилов был активным пропагандистом естественного-научных знаний, автором несколько превосходных научно-популяриных книг. Мы помещаем здесь главу из его книги «О «теллом» и «холодном» свете», изданной в 1949 году. Текст дается с небольшими редактионными изменениями.
С. Вавилов
«Телый свет» и телловое излучение
«Надо подумать о безвредном свете биологических деревьев и светящих черней. Затем надо написать, что свет и теллота не всегда взaimно связываны и потому различствуют».
М. В. Ломоносов
«Удивительная это весть — свеча».
М. Фарадей. «История свечи»
Хорошо известно, что источник света, до его времени осталось господствующим, — электронской лампа накаливания — предшествовали многоные тысячи лет развития и совершенствования. И все же с принципиальной стороны лампа накаливания мало отличается от первобитного костра. На общих концах многоцычелетней эволюционной лестницы мы находим накаленное творое тело в качестве излучателя. Внача-
ле — это частицы твердого угля в пламени, в конце — накаеленный металл вольфрам. Различие заключится в температуре и в других важных и существенных, но не принципиальных подробности.
Разберем сначала привчные источники «теллого света». Вспышиваем спичка, давая на короткое время желтоватое пламя и свет. Температура пламя очень высокая, выше 1500°С. При этом, если следить за горением спички более внимательно, вначале (по крайней мере, в некоторых сортах спичек) ясно заметно своеобразное резкое желтое свечение, такое же, как при введении в беспсевенное газовое пламя поваренной соли. Когда пламя установливается, часть его, около ствола спички, имеет слабую голубую окраску. Однако основная часть пламя светится привчным для нас желто-оранжевым, «телым» светом, зависимости от накаливания пылинок сахки, находящихся в пламени. В стеариновой свече мы встречаемся с той же картиной — желто-оранжевым пламем и слабо светящейся синея часть у фитили; и здесь свет исходит, главным образом, от части угля, сосредоточенных в пламени и накаленных
18
до температуры выше 1500°С. Мало чем в этом отношении отличся керосиновая лампа и даже электронная лампа накаливания. В первых моделих ламп Лодыгина и Эдиссона светиласы угольная нить, накаливаемая током. В угольной лампе температура накала примерно на 100—200 градусов выше, чем в свечах и кострах. В современных волфрамовых лампах накал доводится при близительной до 2700°С. По качеству излучаемого света эти лампы все же ближе к костру, чем к Солнцу. Температура Солнца близка к 6000°С; до сих пор ни одно накаленное тело в практически примемых условиях не удалось довести до такого накала. Преятствием служит плавление металлов и их испарение. Волфрам в этом отношении подходит больше всего ( температура плавления 3380°С и малая испарением).
Далее при поверхностном наблюлении бросаются в глаза некоторые общие черты у самых разнообразных теплых источников света — спички, свечи, лампы накаливания, Солнца. Одана из таких особенностей состоит в следующем. Источник при одной и той же температуре светит тем ярче, чем темнее, чернее светящая тело. Например, при одной и той же температуре произное кварцевое стекло почти не светит, а кусок черного угля излучает весма сильно. Чернота, так же как и белизна, конечно, не может возрастать безгранично; для нее существует предел, когда весь свет, какого угодно цвета, падающий на тело, без остатка в нем поглощается. Тело с таким свойством называют «абсолотно черным телом». Осуществить такое тело с большим приближением к требуемым условиям не очень трудно. Всем хорошо известно, что если в яркий солнечный день, когда кругом все светится и блестит, посмотреть изделка через открытое окно или дверь вглубь закрытого помещения, то внутренние части каждой угольно-черными, несмотря на то, что комнаты могут быть побелены или оклеены светлыми обоями. Происходит это потому, что лучи света, произнув внутреннюю светлую черную чернее окно, неизбежно там поглощается вследствие многохрассе ней и отражений и нарушку невыходят.
Отсюда становится понятным, как постройть абсолотно черное тело: его можно изготовить из любого материала — угля, железа, белого фарфора и пр., если устройть некоторое замкнутое пространство с маленьким отверстием.
Abсолотно черное тело можно нагреть до высокой температуры, например, до накаливания, и подерживать нагрев постоянным. Внутри постити тела со стенок будет излучаться свет, который должен вновь поглощаться на стенках. Наше тело — абсолотно черное, поэтому поглощение у него, по условиям, максимальное, то есть полное. Но в то же время мы приняли меры к тому, чтобы температура тела была постояной, поэтому возможно поглощение большей мощностью максимальной излучением, иначе температурное равновесие нарушится, тело нагреется.
Таким образом, мы приходим к выводу, что не только поглощение, но и излучение абсолотно черного тела должно быть максимальным. Вместе с тем, из этого же рассуждания следует, что излучение, поскольку оно максимальное, так же как и поглощение, не может зависят от материала, из которого сделано тело. Заключение это имеет огромное теоретическое значение. В нем и кроется причина большого сходства самых разнообразных тепловых источников света. Костер, спичка, Солнце, лампочка накаливания по своим свойствам — достаточно «черные», они близки к абсолотно черному телу. Разница в значительной мере свойства к тому, что температура Солнца равна примерно 6000°С, а спички — около 1500°С. Если температура низкая, тело не может светиться за счет нагревазания затемным видимым светом, оно будет излучать, главным образом, невидимые инфракрасные лучи с длиными волнами. При повышении нагрева тела начинает испускать темно-красный цвет. При дальнейшем возрастании температуры излучение становится оранжевым, желтым и, наконец, белым. С качеством стороны этого одинакового справадливого как абсолотно черного
20
так как поглощаемая энергия равна ; в этом важном законе необходимо помнить, что все входящие в него величины ( и ) относятся к определенной длине волны света и к определенной температуре .
Иными словами, написанный закон можно выразить так: относение тепловой излучательной способности любого тела к его поглощательной способности (для данных и ) равно излучательной способности абсолотного черного тела (для тех же и ).
Исходя, таким образом, из самых общих представлений о телах (именно — предполагая, что они в той или иной степени могут поглощать свет и находиться при этом при постоянной температуре), мы приходим к выводу, что любое тело — твердое, жидкое, газообразное — обязаательно должно испускать тепловое излучение, если только оно находится в тепловом равновесии при температуре выше абсолотного нуля. В зависимости от степени нагрева этот свет будет видимым или невидимым.
Как уже указавалось выше, можно легко доказать, что не может существовать тела, излучение которого превышает бы излучение абсолотного черного тела при той же температуре.
В этом смысле абсолотно черное тело — лучший, самый совершенный тепловой излучатель, и Фарадей в приведенных в начале главы словах имел основание удивляться общий свече, свойства которого довольно близки к свойством абсолотного черного тела, не говоря о ее практических применениях.
Такое «совершенство» абсолотно черного тела и близких к нему свечей и ламп накаливания, впрочем, очень относительно и условно. Дело в том, что все «тепловые излучатели» крайне неэкономичны в обычном техническом смысле слова; они превращают в видимый свет только ничтожную часть потребляемой ими энергии. Для абсолотно черного тела, находящeres при 2000°С, всего лишь 0,3% энергии переходит в видимый свет; при температуре в 3000°С коэффициент полезного действия поднимается до 3%. Выгоднее всего абсолотно черное тело должно быть около 6000°С, то есть при температуре Солнца. Причина этого, на первый взгляд удивительного совпадения состоит в том, что человекский глаз биологически, в процессе развития, присособыся к солнечному свету, и поэтому свет от теплового излучателя с солнечной температурой наиболее экономичен. Однако экономичность даже этого самого высокого абсолотного черного тела не велика; коэффициент полезного свечего договора действия приблизительно 13%, то есть 87% всей потребляемой источником энергии для глаза бесполезны. Для наиболее экономичных современных ламп накаливания мощностью 100 Вт коэффициент полезного свечего договора действия составляет 2—3%.
Естественное воздействие вопрос: почему нельзя превращать всю энергию, сообщаемую абсолотно черному телу, или, во всяком случае, значительная ее часть в видимый свет?
Ответ на этот вопрос физикам удалось получить не легко; для этого пришлось произвести, в существии, целую революцию в науке, потребовалось откладаться от многого общеприятного, считавшегося непреложной истинной.
Если абсолотно черное тело остается постоянной при однород и той же температуре и в то же время излучает свет, то, следовательно, все перерывно подводимая к телу энергия превращается в излучение. Только ничтожная доля этого излучения видима, остальная часть сосредоточена, главным образом, в области невидимых инфракрасных лучей с меньшим частотами световых колебаний (с бóльшим длинами волны), чем у видимого света. Подводимая энергия, превращается в свет, распределяется между различными волнами, создавая непрерывный спектр теплового излучения. Процесс производства превращения механической или электрической энергии в тепло. При этом молекулы вещества приходят в поступательные, колебательные ивращательные движения с разнообразными скоростями, распределясь по непрерывному закону. Такое рас-
21
пределенное осуществляется посредством беспорядочных столковей молекул друг с другом. Число молекул в данной объеме конечное, и, применяя обычные правила статистического расчета, можно определить наиболее вероятную среднюю энергию молекул и закон распределения энергии по молекулам.
До конца XIX века общеприятным в науке было мение, что свет есть волновое движение среды, заполняющей пространство. Но если свет действительно таков, то, в отличие от частиц вещества, число которых в ограниченном объеме конечно, должно существовать бесконечное число возможностей распределения световой энергии по световым волнам при условии равновесия в тепловом излучении.
В самом деле, поскольку излучение абсолотно черного для всех волн тела не может зависят от природы вещества, из которого изготовлено тело, вспектре его не может быть никаких характеристих линей или полос, должны присутствовать все части только колбаний, от очень малых до очень больших в непрерывном черездании. При этом, с точки зрения старой, классический волновой теории света, все части правоправны и не имеют никаких преимуществодана приед другой. А это значит, что на каждый бесконечно малый участок частив вспектре в среднем должа в условиях равновесия приходится одна и та же бесконечно малая доля энергии.
Ясно, с другой стороны, что, по мере того как мы будем переходить от малых частиот к большим, принимающим к бесконечно большим, мы будем встречать все большие число бесконечно малых участков частиот, на каждый из которых приходится одна и та же бесконечно малая доля энергии. Иными словами, с точки зрения классического волнового учения о свете в условиях теплового равновесия, энергия излучения обязательно должна непрерывно расти при передвижении по спектру от красной к фиолетовой части. Этот вывод, между тем, самым решительным образом расходится с опитом. В действительности во всех тепловых источниках, начиная с абсолотно черного тела, имеется максимум излучения, который в случае температур ниже 4000°С находится в инфракрасной области спектра и только при дальнейшем нагревании передвигается постепенно в видимую (желтую, зеленью и т. д.) часть. В физевой области, волреки теоретическому выводу, энергия при привченных для нас температуре не возрастает, а, наоборот, резко падает. Такое противоречение опыта самим общим представлениям о веществе и свете было справедливо навано физики в своей время «фиолетовой катстрофой»; оно действительно обозначает необходимость полного отказа от многих установившихся воззрения, намечало цель переворот в естествознании.
На опите получалось, что энергия распределяется по световым частотам примерно так же, как тепловая энергия распределяется по молекулам, то есть имеет отсутствий максимум. Единственное возможность объяснение опыта (до известной степени подсказываемое аналогий с молекулами) состоит в следующем. Вопреки всем приходим воззрения и несомненный волновой характеристике света в пространстве, приходится принять, что его энергия сосредоточена в некоторых центрах, что свет поглощается и излучается молекулами только в виде целых порций энергии, называемых квантами. Величина энергии кванта не постоянна; она пропорциональна частоте световых колбаний v. Коэффициент пропорциональности h всегда один и тот же; он составляет веса малую, но точно известную теперь величину, равную 6,62 × 10⁻²⁷ эрг·с.
Энергия кванта hν совершенноеничтожна для радиоволн, где поэтому перевенное строение излучения практически не заменено; но квант приобретает все более ощутимые значения при переходе через видимый свет к лучам Рентгена. Здесь «зернистость» световой энергии проявляется в полне ясно и резко.
Почти за полвека после открытия квантов энергии были найдены бесписленные другие доказательства их
22
существования. В настоящее время это твердо установленная истина.
Представление о квантах световой энергии вполне обьясило свойства теплового излучения и дало возможность расчитывать спектр излучения абсолотно черного излучателя для любых температур. На рисунке 1 изображено вычисленное таким образом распределение энергии в спектре теплового излучения абсолотно черного тела для солнечной температуры 6000°С. Максимум изображенной кривой соответствуют длине волны 0,483 мк, то есть сине-зеленой области спектра.
На рисунке 2 в скатом логарифмическом виде представлено распределение энергии в спектре абсолотно черного тела для громадного интервала температур, начиная от абсолотного нуля до 50 000 К. По оси абсцисс отложены логарифмы длины волн в сантиметрах, по ordinатам — логарифмы величины, пропорциональной интенсивности излучения. Действительные линии волн указаны на нижней шкале в микронах. При таком изображении максимы спектра излучения располагаются на прямой линии, как отмечено пунктиром на рисунке. Из этого рисунка сразу видно, например, что при температуре человекаского тела (около 310 К) максимум излучения абсолотно черного тела соответствует длине волны около 10 мк в дальнейшем инфракрасной части спектра. Максимум свечения при привчных для нас температуре тепловых ис-
Рис. 2. По оси абсцисс отложены значения lg λ([λ] = cm), по оси ordinат — значения lg 2I_λ ([I] = Bt/cm³). I — интенсивность излучения, то есть мощность излучения, приходящая на единицу объема абсолотно черного тела.
Каждая кривая соответствует определенной температуре черного тела (числа у кривых — значения T, K).