Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

служить моделью поляризованной световой волны. Моделью естественной световой волны служит веревка, плоскость колебаний которой быстро меняется, принимая за короткий срок разнообразные ориентации. Две доски, разделенные узким зазором (щель), играют роль модели турмалина: колебания веревки, направленные вдоль зазора, легко проходят через щель, колебания, перпендикулярные к зазору, задерживаются. Опыты, изображенные на рис. 296, вполне соответствуют описанным выше оптическим опытам. Они показывают, что «естественные» колебания веревки пропускаются в одинаковой степени при лю-

Рис. 296. Механическая модель явления прохождения световой волны через две пластинки турмалина

бой ориентации щели. Две последовательно поставленные щели пропускают колебания большей или меньшей амплитуды в зависимости от в з а и м н о й ориентации щелей. При перпендикулярности щелей колебание веревки сквозь них не проходит. Опыты показывают также, что щель поляризует «естественные» колебания веревки.

§ 147. Поляроиды. Кристалл турмалина далеко не единственный кристалл, который поляризует проходящий через него свет. Очень многие кристаллы обладают подобными свойствами. Но большинство из них, например исландский шпат, пропускает одновременно д в а л у ч а, п о л я р и з о в а н н ы х в д в у х в з а и м н о п е р п е н д и к у л я р н ы х н а п р а в л е н и я х. Это нередко затрудняет наблюдение поляризованного света и требует специальных приспособлений для отделения одного из этих лучей от другого. Некоторые кристаллы, в том числе и турмалин, п о г л о щ а ю т один из двух поляризованных лучей настолько сильно, что сквозь пластинку толщиной около миллиметра практически проходит только один луч, поляризованный в определенном направлении. Такие кристаллы называют дихроичными.

Существуют кристаллы, еще сильнее задерживающие один из поляризованных лучей, чем это происходит в турмалине (например, кристаллы йодистого хинина), так что кристаллическая пленка толщиной в десятую долю миллиметра и даже тоньше

Электромагнитная теория света устранила все трудности, связанные с гипотезой упругого твердого эфира. Для понимания процесса распространения электромагнитных волн нет надобности предполагать мировое пространство заполненным каким-ли- бо веществом. Электромагнитные волны (в том числе и свет) могут распространяться и в вакууме (ср. § 33). Электромагнитная волна представляет собой (см. §§ 54 и 59) распространение переменного электромагнитного поля, причем напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны друг к другу и к линии распространения волны: электромагнитные волны поперечны. Таким образом, поперечность световых волн, доказанная опытами по поляризации света, естественно объясняется электромагнитной теорией света. В световой волне, как и во всякой электромагнитной волне, имеются одновременно два взаимно перпендикулярных направления колебаний: направления колебаний напряженностей электрического и магнитного полей. Все, что мы говорили о направлении световых колебаний, относится к направлению колебаний напряженности электрического поля. В частности, специальные опыты позволили установить, что в волне, прошедшей через турмалин, колебание напряженности электрического поля направлено вдоль оптической оси турмалина.

Г л а в а XVII. ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ВОЛН

§ 149. Способы исследования электромагнитных волн различной длины. Электромагнитные волны, применяемые в радиотехнике, имеют длину от нескольких километров до нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, представляющие собой свет, характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление показывает, что к о л и- ч е с т в е н н о е р а з л и ч и е в длине волны приводит к глубокому к а ч е с т в е н н о м у р а з л и ч и ю во многих свойствах и особенностях электромагнитных волн. Возникает важная задача ближе ознакомиться со свойствами электромагнитных волн разной длины. Для разделения волн различной длины обычно применяют какой-либо способ разложения сложного излучения

вс п е к т р. В случае видимого света для этой цели можно воспользоваться дифракционной решеткой (см. § 136) или призмой (см. § 86).

Рассматривая полученный на экране спектр, мы убеждаемся

ввозможности по цвету различать глазом волны различной длины. Однако, как уже неоднократно указывалось, глаз воспринимает только те электромагнитные волны, длина которых лежит в пределах (приблизительно) от 400 до 760 нм. Границы эти, конечно, довольно неопределенны, и отдельные наблюдатели способны «видеть» волны и несколько более короткие (примерно до 370 нм) и несколько более длинные (около 800 нм). Необходимо поэтому найти более общий способ обнаружения электромагнитных волн, чем наблюдение при помощи глаза.

Так как распространяющаяся электромагнитная волна любой длины несет энергию, то таким более общим способом может явиться измерение энергии волны. Наиболее удобный для этой цели прием заключается в превращении электромагнитной энергии волны во внутреннюю энергию вещества, возрастание которой сопровождается нагреванием тела. Нагревание тел обнаруживается очень хорошо при помощи чувствительных термометров, например термоэлементов (см. т. II, § 83). Частичное превращение энергии электромагнитных волн во внутреннюю

энергию происходит всякий раз, когда эти волны падают на какое-либо вещество и более или менее сильно поглощаются им. Опыт обнаружил, что некоторые черные вещества, например сажа, практически п о л н о с т ь ю поглощают энергию, приносимую световыми волнами р а з л и ч н о й длины. Именно поэтому они и представляются ч е р н ы м и, т. е. не отражающими свет.

Покрыв налетом сажи чувствительную часть термоэлемента, можно, передвигая его по спектру, изучать электромагнитные волны в широком интервале длин волн. На рис. 297 изображено расположение элементов оптической системы, пригодное для указанной цели. Измерив нагревание термоэлемента, можно вычислить энергию, приходящуюся на соответствующую область спектра, т. е. судить о распределении энергии по спектру. Такие энергетические измерения дают результаты, отличные

Рис. 297. Схема опыта по исследованию распределения энергии в спектре: 1, 2, 3, 4 — части спектрального аппарата, дающего спектр источника в плоскости 5, 6 — термоэлемент, могущий перемещаться вдоль спектра, 7 — гальванометр, Ф — фиолетовая граница спектра, Кр — красная граница спектра

от заключений, которые делает глаз. Действительно, человеку, воспринимающему свет глазом, желтая или зеленая часть спектра света дугового фонаря кажется гораздо ярче, чем красная, тогда как термоэлемент обнаруживает в красной части большее нагревание. Причина лежит в особенностях глаза, чувствительность которого к разным цветам различна (см. § 68) и который поэтому не дает правильных показаний относительно распределения энергии по спектру. Термоэлемент же — вполне

«беспристрастный» прибор, ибо для всех длин волн он дает возможность судить о внутренней энергии, в которую переходит энергия света при поглощении.

§ 150. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Проводя наблюдения за распределением энергии в спектре, мы обнаружим, что показания термоэлемента не обращаются в нуль, когда он передвигается в ту область, где глаз ничего не видит, т. е. когда он помещен за к р а с н о й или ф и о л е т о в о й границами спектра (см. рис. 297). Показания термоэлемента меняются при переходе в эти невидимые области спектра постепенно. При этом для многих источников (например, дугового фонаря) показания термоэлемента при продвижении в область, расположенную за красной границей спектра, вначале даже увеличиваются, несмотря на то, что глаз в этом месте не обнаруживает никакого света. При перемещении в еще более длинноволновую часть спектра показания термоэлемента начинают убывать. Волны, имеющие б´ольшую длину, чем красные, принято называть инфракрасными. Они были открыты английским астрономом и физиком Джоном Гершелем (1792–1871) в 1830 г. при исследовании распределения энергии в спектре с помощью очень чувствительного термометра. Волны, длины которых меньше фиолетовых, называют ультрафиолетовыми 1). Так как энергия, приходящаяся на фиолетовую и ультрафиолетовую части спектра обычных источников, невелика, то исследование этой области спектра при помощи термоэлемента довольно затруднительно, хотя для точных определений энергии всегда пользуются этим приемом.

Обнаружить ультрафиолетовые волны гораздо проще по их действию на фотографическую пластинку или бумагу. Направив свет от фонаря, разложенный на спектральные составляющие, на полоску фотографической бумаги 2), мы обнаружим, что бумага быстро темнеет в тех местах, где располагаются синие и особенно фиолетовые волны, оставаясь белой под действием зеленой, желтой и красной частей спектра. Еще более сильное почернение обнаруживается за фиолетовой областью. Подобными опытами

1) Инфракрасным излучением называется излучение, частота которого меньше частоты видимого света; частота ультрафиолетового излучения выше частоты видимого излучения.

2) Для опыта надо взять, конечно, так называемую дневную бумагу, темнеющую на свету без всякой обработки (проявления).

с AgCl в 1801 г. были обнаружены ультрафиолетовые волны 1) английским физиком Вильямом Волластоном (1766–1828). Удобный метод обнаружения ультрафиолетовых волн основывается на явлении флюоресценции и фосфоресценции (см. § 189).

§151. Открытие рентгеновских лучей. Ренгеновские лучи были открыты в 1895 г. Способ их получения с особой наглядностью обнаруживает их электромагнитную природу.

Немецкий физик Рентген (1845–1923) обнаружил этот вид излучения случайно, при исследовании катодных лучей (см. т. II,

§102). Наблюдение Рентгена состояло в следующем. Трубка для получения катодных лучей имела вид, подобный изображенному на рис. 298. При пропускании разряда через такую трубку Рентген наблюдал явление, которое он описывает следующим

образом: «Кусок бумаги, покрытый платиносинеродистым барием 2), при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно

Рис. 298. К открытию лучей Рентгена. Газоразрядная трубка 1 для опытов с катодными лучами 2 прикрыта черным картонным чехлом 3; на фосфоресцирующем экране 4 наблюдается свечение

прилегающим к ней чехлом из черного картона, при каждом разряде через трубку вспыхивает ярким светом: начинает фосфоресцировать. По поводу этого явления проще всего предположить, что черный картон, непрозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей Солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим интенсивную фосфоресценцию...» Рентген в ряде опытов установил, что этот

1) В этих опытах применялась, конечно, не фотографическая бумага, тогда еще неизвестная, а раствор хлористого серебра, также темнеющий под действием света.

2) Слой платиносинеродистого бария способен светиться, если его предварительно облучить видимым или ультрафиолетовым светом. Это свечение носит название фосфоресценции.

ф о т о г р а ф и и, детали которых соответствуют различию в способности рентгеновских лучей проходить через тела различной плотности (рис. 300, 301).

Эти особенности рентгеновских лучей имеют огромное практическое значение для применения их в медицине и технике. При помощи рентгеновских лучей можно на фосфоресцирующем экране или на фотографической пластинке обнаруживать дефекты

изменения в организме и т. д.). Пользуясь способностью рентгеновских лучей вызывать химические изменения, их применяют для лечения органов, пораженных некоторыми болезнями (например, раком), причем особенно важна возможность подвергать воздействию рентгеновских лучей внутренности живого организма.

Интересно отметить, что некоторые стекла, вполне прозрачные для види-

мых лучей, но содержащие свинцовые соединения, сильно задерживают рентгеновские лучи (рис. 300), тогда как обычное стекло (с солями натрия) хорошо прозрачно как для видимых, так и для рентгеновских лучей.

§ 153. Устройство рентгеновской трубки. Открыв «Х-лучи», Рентген тщательными опытами выяснил условия их образования. Он установил, что эти лучи возникают в том месте трубки, где летящие электроны, составляющие катодный пучок, задерживаются, ударяясь о стенку трубки. Исходя из этого обстоятельства, Рентген сконструировал и построил специальную трубку, удобную для получения рентгеновских лучей. В своих существенных чертах конструкция трубки Рентгена сохранилась и до нашего времени.

На рис. 302 изображена современная рентгеновская трубка. Катодом служит толстая накаливаемая вольфрамовая нить, испускающая интенсивный поток электронов (см. т. II, § 100), которые ускоряются приложенным электрическим напряжением. Катод снабжен колпачком из тантала, фокусирующим электроны,