ХОЛОДНЫЙ СВЕТ

КАК РОЖДАЕТСЯ СВЕТ

Тобы понять природу холодного свечения, надо знать, что такое свет вообще. Откуда в природе берется свет? Где и как он возникает? Ответить на эти вопросы помо­гает нам знание строения вещества.

Все окружающие нас тела построены из очень мелких частиц — атомов и молекул.

В природе существуют различные виды атомов: атомы водорода, железа, серы и т. д. В настоящее время известно более 100 различных химических элементов. Каждый эле­мент состоит из атомов, обладающих одинаковыми хими­ческими свойствами.

Все свойства различных веществ зависят от того, из каких атомов они состоят и как эти атомы расположены в молекуле один относительно другого.

Долгое время атом считали неделимой и неизменяе­мой частицей материи. Теперь мы знаем, что атомы всех элементов устроены сложно, они состоят из еще меньших частиц.

По современным представлениям в центре каждого атома находится ядро, которое состоит из протонов — ча­стиц, несущих положительные электрические заряды, и нейтронов — частиц, не имеющих электрического заряда. Вокруг ядра, на сравнительно больших расстояниях от него, обращаются очень легкие по сравнению с ядром мельчайшие частички — электроны, заряженные отрицатель­ными электрическими зарядами. Каждый электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества. Положительный заряд протона по величине равен отрица­тельному заряду электрона.

В нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Отсюда легко сделать вывод, что число протонов в атом­ном ядре должно равняться числу обращающихся вокруг этого ядра электронов.

Сколько же зарядов несет ядро атома и сколько вокруг него обращается электронов? На этот вопрос можно отве­тить с помощью периодической системы Д. И. Менделеева. В ней все элементы расположены в известной последова­тельности. Эта последовательность такова, что число про­тонов в атомном ядре какого-нибудь элемента равно по­рядковому номеру элемента в периодической таблице. Число электронов также равно порядковому номеру. На­пример, олово имеет порядковый номер 50; значит, ядро атохма олова содержит 50 протонов, а вокруг этого ядра обращаются 50 электронов.

Проще всего строение атома водорода. Порядковый номер этого элемента равен 1. Следовательно, ядро атома водорода имеет один протон, а вокруг него по пути, назы­ваемому орбитой, обращается один электрон. Расстояние между ядром и электроном в нормальном атоме водорода равно 53 десятимиллиардным долям сантиметра, или
0,53 ангстрема[13]). Такое расстояние сохраняется только тогда, когда атом находится в нормальном, или, как гово­рят, невозбужденном состоянии.

Если водород нагреть или пропускать через него элек­трические искры, то его атомы возбуждаются: электрон, обращавшийся вокруг ядра по орбите с радиусом в 0,53 А, перескакивает на новую орбиту, более удаленную от ядра (рис. 3). Радиус этой новой орбиты в четыре раза больше радиуса первой, он равен уже 2,12 А. При возбуж­дении электрон захватывает извне некоторое количество энергии (теплота горения, электрическая энергия разрядов и т. д.). Чем больше он захватит энер­гии, тем дальше будет на­ходиться от ядра. Можно заставить электрон пере­скочить на третью от ядра орбиту, ее радиус в девять раз больше радиуса пер­вой орбиты. Удаляясь от ядра, электрон как бы пе­рескакивает со ступеньки на ступеньку, причем вы­сота этих «ступенек» не­одинакова, они относятся друг к другу, как квадраты последовательных целых чисел 12:22:32:42 и т. д.

Находясь на одной из орбит, электрон сохраняет всю ту энергию, которую он захватил при перескоке на эту ор­биту, и до тех пор, пока он будет на ней находиться, запас его энергии будет неизменным.

Однако электрон почти никогда не задерживается долго на отдаленных от ядра орбитах. Попав на такую ор­биту, он может удержаться на ней только миллиардные доли секунды, затем он падает на более близкую к ядру орбиту и при этом отдает захваченную им ранее порцию энергии в виде световой энергии. Так рождается свет.

Каким будет этот свет: желтым, зеленым, синим, фио­летовым или совсем невидимым для глаз? Это зависит от того, с какой «ступеньки» и на какую перескакивает наш электрон, то есть от того, как изменится его рас­стояние от атомного ядра.

Ученые выяснили, что каждый электрон в атоме мо­жет совершать перескоки только с одних определенных

Орбит на другие определенные орбиты; поэтому атомы после их возбуждения в состоянии излучать только вполне определенные световые лучи (рис. 4), характерные для атомов данных элементов.

Атомы тех элементов, у которых много электронов, будучи возбуждены, испускают много разных световых лучей.

Ветовые лучи, испускаемые возбужденными атомами, могут быть видимы или невидимы для наших глаз. Чем же отличаются друг от друга видимые и невидимые световые лучи?

Наукой установлено, что свет представляет собой по­ток электромагнитных волн.

Образование волн легче всего наблюдать на воде. От упавшего в воду камня во все стороны расходятся кру­гами волны. Они образовались потому, что камень при­вел в движение частицы воды. Колебание одних частиц передается соседним частицам. В результате на поверхно­сти воды распространяется во все стороны волна.

Возбужденные атомы, в которых электроны переска­кивают с более далеких орбит на более близкие к ядру орбиты, тоже создают вокруг себя колебания среды — электромагнитные волны. Разумеется, эти волны отли­чаются по своей природе от тех волн, что бывают на воде.

Волны отличаются друг от друга своей природой и дли­ной. Как волны, создаваемые на воде, так и электромаг­нитные волны бывают длинными и короткими. У каждой волны мы различаем ее гребень и впадину. Расстояние между вершинами соседних гребней называется длиной волны.

Если бросать в воду мелкие камни один за другим, то на поверхности воды возникнет много коротких волн, расстояния между их гребнями будут невелики. Если же бросить в воду большой камень, то от места его падения пойдут длинные волны с большими расстояниями между соседними гребнями. Понятно, что на одном и том же участке может поместиться гораздо больше коротких волн, чем длинных. Понятно также, что длинные волны имеют меньшую частоту колебаний, чем короткие. Во сколько раз одна волна длиннее другой, во столько же раз частота ее колебаний будет меньше частоты колебаний короткой волны.

Хотя электромагнитные волны и сильно отличаются по своей природе от волн на воде, они также различаются между собой длиной и частотой колебаний.

Солнечный свет, который нам кажется белым, пред­ставляет собой поток электромагнитных волн разной длины.

Электромагнитные волны, которые мы можем обнаружить глазом, имеют длины от 0,4 микрона, или, что то же самое, 4000 ангстремов (один микрон — одна тысячная доля миллиметра), до 0,8 микрона, или 8000 ангстремов. Все волны дли­ной более 0,8 микрона и менее 0,4 микрона уже недоступны для глаза.

Обнаружить сложность солнечного света легко. Для этого надо узкий пучок света пропустить через сте­клянную призму.

Тогда солнечный свет разложится на составляющие его части — цвет­ные лучи, среди которых можно вы­делить красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Если эти цветные лучи упадут на белую бумагу, на ней у нас полу­чится цветная полоска, в которой один цвет сменяется другим. Такая полоска называется спектром.

Спектр солнечного света можцо увидеть и тогда, когда на небе появ­ляется радуга. Радуга получается от­того, что солнечные лучи разлага­ются в спектр в мельчайших дожде­вых каплях, которые играют в дан­ном случае роль естественных призм.

На рис. 5 показана шкала лучей, видимых и невидимых глазом. На этой шкале выше видимых лучей рас­полагаются коротковолновые, а ни­же — длинноволновые невидимые лучи. За фиолетовыми лучами распо­ложены еще более коротковолновое невидимые лучи — ультрафиолетовые. Человеческий глаз воспринимает толь­ко те лучи Солнца, которые имеют

4

Длины волн от щ-щ ДО уродок) сантиметРа> т0 есть от 4000 до 8000 ангстремов.

В природе существуют лучи еще более коротковолно­вые, чем ультрафиолетовые; это рентгеновы лучи и гамма-лучи. Они невидимы для глаз, но легко восприни­маются фотопластинками и специальными пленками. В спектре солнечного света рентгеновых лучей и гамма - лучей нет.

За красными лучами расположены еще более длинно­волновые невидимые лучи — инфракрасные.

Инфракрасные лучи не действуют на обычную фото­пластинку, но их можно обнаружить, поместив в эту не­видимую часть спектра термометр: ртуть в нем тотчас же начнет подниматься. Инфракрасные лучи раньше даже называли «тепловыми», так как они испускаются всеми нагретыми телами. Наше тело тоже излучает инфракрас­ные лучи. В настоящее время существуют специальные пластинки, на которых можно заснять предметы в «свете» инфракрасных лучей.

В природе существуют электромагнитные колебания с длинами волн, еще большими, чем у инфракрасных лучей; это электромагнитные колебания, используемые радиотех­никой: ультракороткие волны, применяемые для телеви­зионных передач, короткие волны, на которых особенно хорошо «ловятся» дальние радиостанции, средние волны, на которых идет радиопередача большей части советских радиостанций, и, наконец, длинные волны в тысячи метров.