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

получения рентгеновских лучей ясно указывает, что образование их связано с о с т а н о в к о й (или т о р м о ж е н и е м) быстро летящих электронов. Летящий электрон окружен электрическим и магнитным полями, ибо движущийся электрон представляет собой ток. Остановка (торможение) электрона означает изменение магнитного поля вокруг него, а изменение магнитного или электрического поля вызывает (см. § 54) и з л у ч е н и е э л е к т р о м а г н и т н ы х в о л н. Эти электромагнитные волны и наблюдаются в виде р е н т г е н о в с к и х л у ч е й.

Такое представление о рентгеновских лучах имел уже Рентген (хотя более настойчиво его отстаивали другие исследователи). Для установления волновой природы рентгеновских лучей необходимо было произвести опыты по их интерференции или дифракции. Однако осуществление таких опытов оказалось очень трудной задачей, и решение вопроса было получено лишь в 1912 г., когда немецкий физик Макс Лауэ (1879–1960) в качестве дифракционной решетки предложил использовать естественный кристалл, в котором атомы расположены в правильном порядке на расстоянии порядка 10−10 м друг от друга (см. т. I, § 266).

Рис. 304. Схема расположения в первых опытах по наблюдению дифракции рентгеновских лучей: 1 — рентгеновская трубка, 2, 3 — свинцовые диафрагмы, выделяющие узкий пучок рентгеновских лучей, 4 — кристалл, в котором происходит дифракция, 5 — фотопластинка

Опыт, выполненный В. Фридрихом, П. Книппингом и Лауэ, был осуществлен следующим образом. Узкий пучок рентгеновских лучей, выделенный при помощи свинцовых диафрагм 2, 3 (рис. 304), падал на кристалл 4. На фотографической пластинке 5 получалось изображение следа пучка. При отсутствии кристалла изображение на пластинке представляло собой т е м н о е п я т н о — след пучка, пропущенного диафрагмами. Когда же на пути пучка помещался кристалл, то на пластинке получалась сложная картина (рис. 305), представляющая собой результат д и ф р а к ц и и р е н т г е н о в с к и х л у ч е й на кристаллической решетке. Полученная картина не только дала прямое

доказательство волновой природы рентгеновских лучей, но и позволила сделать важные заключения о строении кристаллов, которым определяется вид наблюдаемой дифракционной картины. В настоящее время применение рентгеновских лучей для изучения структуры кристаллов и других тел приобрело огромное практическое и научное значение.

Дальнейшие усовершенствования позволили при помощи тщательных опытов определять и д л и н ы в о л н р е н т г е н о в с к и х л у ч е й 1). Излучение обычной рентгеновской трубки оказалось, подобно белому свету, содержащим волны различной длины со средним значением от сотых до десятых долей нанометра в зависимости от напряжения между катодом и анодом трубки.

Впоследствии были получены рентгеновские волны с длиной несколько десятков нанометров, т. е. более длинные, чем кратчайшие из известных ультрафиолетовых волн. Удалось также получить и наблюдать очень короткие волны (длина которых — тысячные и десятитысячные доли нанометра).

Произведя определение длин волн рентгеновских лучей, можно было установить, что волны тем меньше поглощаются, чем они короче.

Рентген назвал слабо поглощающиеся лучи жесткими. Таким образом, увеличение жесткости 2) соответствует уменьшению длины волны.

§ 155. Шкала электромагнитных волн. Мы назвали ультрафиолетовыми волнами электромагнитные волны, длина которых

меньше 400 нм (4000 ˚), а инфракрасными — волны с длиной,

A

превышающей 760 нм (7600 ˚). Совершенно ясно, что границы

A

эти довольно произвольны, и нет никакого резкого изменения в свойствах при переходе от крайних фиолетовых волн к ультрафиолетовым или от крайних красных к инфракрасным. Поэтому указания, г д е н а ч и н а ю т с я ультрафиолетовые или инфракрасные волны, имеют лишь условный характер. Так же условно

1) Использование дифракции рентгеновских лучей на обычных дифракционных решетках (см. § 138) для точного определения длины волны было предложено значительно позже.

2) Способность излучения проникать через вещество называется жесткостью этого излучения.

и указание, г д е к о н ч а ю т с я ультрафиолетовые и инфракрасные области спектра.

При исследованиях этих областей серьезным затруднением является то обстоятельство, что большинство материалов, прозрачных для видимого света, сильно поглощает более короткие и более длинные волны. Улучшение техники эксперимента все же дало возможность получить и исследовать инфракрасные волны длиной до нескольких сот микрометров. С другой стороны, оказалось возможным электрическими способами получить радиоволны, длина которых также выражается сотнями микрометров. Таким образом, мы имеем непрерывный переход от видимого света через инфракрасные волны к радиоволнам.

Наши сведения о коротковолновой области спектра также пополнялись, так сказать, с двух концов. С одной стороны, улучшение техники работы с ультрафиолетовыми волнами поз-

волило спуститься приблизительно до 5 нм (50 ˚). С другой

A

стороны, с течением времени были найдены способы получать и исследовать рентгеновские волны (см. § 154) длиной в несколько десятков нанометров. Таким образом, и в области коротких электромагнитных волн мы имеем непрерывный переход от видимого света через ультрафиолетовые волны к рентгеновским сколь угодно малой длины. Весьма короткие электромагнитные волны наблюдаются в излучении радиоактивных веществ (так называемое γ-излучение, см. § 211) в космических лучах, а также при ударах очень быстрых электронов, разгоняемых ускорителями (см. § 216).

Вся шкала электромагнитных волн уже была приведена и описана в § 58 (см. рис. 125).

Г л а в а XVIII. СКОРОСТЬ СВЕТА

§ 156. Первые попытки определения скорости света. В § 65 были рассмотрены разнообразные проявления света, показывающие, что свет несет с собой энергию, и были указаны методы ее регистрации. Естественно встает вопрос, с какой скоростью распространяется световая энергия.

Попытки ответить на этот вопрос предпринимались уже давно. Так, еще Г. Галилей (1607 г.) пытался определить скорость распространения света с помощью следующего простого опыта. Представим себе двух наблюдателей A и B (рис. 306), находящихся на расстоянии l друг от друга и снабженных одинаковыми хорошо выверенными часами. Если наблюдатель A в некоторый момент пошлет световой сигнал (например, быстро откроет заслонку фонаря), а наблюдатель B отметит по своим часам тот момент, когда он увидит этот сигнал, то можно будет определить время τ , за которое свет прошел данный путь l, и, следовательно, определить скорость света c = l/τ .

Опыт можно значительно усовершенствовать и упростить, если вместо второго наблюдателя поместить зеркало. Наблюдатель, открывающий фонарь, отметит также и момент, когда световой сигнал, отразившийся от зеркала, вернется к нему, т. е. пройдет путь 2l. Таким образом удалось бы определить скорость света, располагая лишь одними часами. Однако опыт Галилея как в первом, так и во втором вариантах не дал определенных результатов. Естественно, что регистрация момента выхода и прихода сигнала делается с некоторыми ошибками. Скорость же света оказалась настолько большой, что время прохождения светом сравнительно небольших расстояний, на которые можно было отдалить пункты A и B, было значительно меньше указанных ошибок. Поэтому принципиально правильный опыт не дал удовлетворительного результата.

Для улучшения дела надо было или весьма значительно увеличить расстояние l, или очень сильно повысить точность измерения небольших промежутков времени. Оба эти усовершенствования и были внесены впоследствии и привели к благоприятным результатам.

Рис. 307. К определению скорости света по Р¨емеру: Ю1З1 — Земля З1 находится между Юпитером Ю1 и Солнцем С; Ю2З2 — Земля З2 и Юпитер Ю2 находятся по разные стороны Солнца; Ю3З3 — следующее взаимное расположение Земли З3 и Юпитера Ю3

Р¨емер дал простое объяснение этим явлениям: надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошел добавочное расстояние, равное поперечнику земной орбиты. Это добавочное расстояние по современным измерениям равно 2,99 · 108 км, добавочное время — 966,4 с, отсюда скорость света c приблизительно равна 300 000 км/с. Сам Р¨емер нашел для скорости света c значение 215 000 км/с.

§ 158. Определение скорости света по методу вращающегося зеркала. Французский физик Леон Фуко (1819–1868)

применил в 1862 г. очень точный способ определения времени прохождения света между двумя пунктами A и B, благодаря чему удалось надежно измерить скорость света, не прибегая к чрезмерно большим расстояниям между A и B.

Световой сигнал, вышедший по направлению SA (рис. 308), отражался вращающимся зеркалом A к неподвижному зеркалу B. Это последнее делалось сферическим с очень большим радиусом кривизны R, так что центр его совпадал с зеркалом A. Благодаря такому устройству свет при любом положении зеркала A распространялся вдоль радиуса зеркала B, падал перпендикулярно на его поверхность и после отражения шел вновь по радиусу зеркала B, т. е. возвращался к зеркалу A. Однако за время τ , в течение которого свет проходил путь от A до B и обратно (т. е. путь, равный 2R), зеркало A успевало повернуться на небольшой угол α, и свет отражался по направлению AS , составляющему угол 2α с направлением SA. Измерив угол 2α и зная угловую скорость вращения зеркала, можно определить время τ , а следовательно, и скорость света c = 2R/τ .

В одном из опытов Фуко расстояние AB = 4 м, частота вращения зеркала N = 800 с−1, угол поворота зеркала α = 27,3 ,

в вакууме принято считать равной

c = 299 792 458 ± 1,2 м/с.

Для всех практических расчетов мы будем принимать скорость света в вакууме равной 300 000 км/с (3 · 108 м/с).

Колоссальная с точки зрения наших земных масштабов скорость света не так уж велика в масштабах астрономических. Здесь время распространения света измеряется значительными числами. Так, свет идет от Солнца до Земли около 8 мин, а от ближайшей звезды — около 4 лет. За год свет проходит путь примерно в 1013 км. Эта величина оказывается удобной в качестве единицы длины для огромных астрономических расстояний; она называется световым годом.

Наряду с этой единицей астрономы пользуются парсеком. Парсек (т. е. параллакс-секунда) — это расстояние, с которого радиус земной орбиты (150 млн км) виден под углом 1 . Нетруд-

но подсчитать, что парсек равен примерно 314 светового года.

В настоящее время имеется возможность независимо измерять частоту ν и длину волны λ монохроматического света, поэтому скорость его c = λν может быть найдена и без кинематических измерений, осуществляемых прежними способами.

Г л а в а XIX. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА И ЦВЕТА ТЕЛ

§159. Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона. Вопрос о причине различной окраски тел естественно занимал ум человека уже давно. Очень большое количество наблюдений, и чисто житейских, и научных, было в распоряжении исследователей, но вплоть до работ Ньютона (начавшихся около 1666 г.) в этом вопросе царила полная неопределенность. Считалось, что цвет есть свойство самого тела, хотя внимательное наблюдение обнаруживало, что в завсимости от времени дня или условий освещения нередко наблюдается очень значительное изменение в цвете тел. Существовало мнение, что различные цвета получаются как «смесь» света и темноты, т. е. смешивались два существенно различных понятия — цвет и освещенность. С незапамятных времен наблюдались превосходные (радужные) цвета радуги и даже было известно, что образование радуги связано с освещением дождевых капель.Так, французский физик Рене Декарт (1596–1650) наблюдал искусственную радугу на водяной пыли фонтанов и производил опыты по получению радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. В 1637 г. Декарт объяснил форму и угловые размеры радуги на небесном своде, но причины цветов радуги и их последовательности ему оставались неясными.

Точно так же игра цветов в граненых алмазах и даже в стеклянных призмах была хорошо известна. На Востоке, в частности в Китае, украшения в виде стеклянных призм, дающих радужные блики, принадлежали к числу излюбленнейших. Европейцы неоднократно описывали эти китайские игрушки. И тем не менее никто не сопоставлял между собой эти многочисленные и разнообразные явления, и связь между великолепными красками радуги, играющей на небе, и цветом тел была открыта только в замечательных исследованиях Ньютона.

§160. Основное открытие Ньютона в оптике. Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с попытками усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений является