МИР АТОМА

ЧТО ТАКОЕ СВЕТ

Каждый из вас может проделать такой опыт. Завесьте получше окно, на которое падают яркие солнечные лучи, оставив только одну узенькую щёлочку. Поставьте на пути проходящей через щёлочку полоски света треуголь­ную стеклянную призмочку. Вы увидите на стене разно­цветную полоску. Эта полоска называется спектром сол­нечного света. Значит, белый солнечный свет — неодно­родный, он состоит из света различных цветов. Стеклян­ная призма разделила их.

Чем объясняется способность призмы разделять свет на составляющие его части? Световой луч, проходящий через призму, отклоняется в сторону её основания. Для световых лучей различных цветов это отклонение раз­лично. Меньше всего отклоняются красные лучи, немного больше — оранжевые, ещё больше — жёлтые, затем зелё­ные, голубые, синие, фиолетовые. Поэтому, когда на призму падает луч не одного определённого цвета, а со­стоящий из лучей различных цветов, они, отклонившись по-разному, разделятся.

Этим свойством призмы воспользовались для построе­ния специального прибора — спектроскопа, с помощью которого исследуют состав света. Спектроскоп имеет не только научное, но и большое практическое значение. Так, например, было установлено, что с увеличением темпера­туры всё большая часть излучения приходится на долю фиолетовых лучей, меньшая — на долю красных. Это дало возможность, исследуя состав света, быстро опре­делять температуру светящегося тела. Таким способом можно определять температуру расплавленного металла, температуру поверхности Солнца и звёзд и т. д.

Свет распространяется в пространстве с огромной ско­ростью — триста тысяч километров в секунду. Это самая большая скорость из всех, какие только возможны в природе.

Но не только свет распространяется с этой скоростью. С такой же скоростью передаются радиосигналы, рас­пространяются рентгеновы лучи, гамма-излучение ато­мов. Теперь установлено, что все эти лучи обладают оди­наковой природой. Какова же природа излучения? Раз­берёмся в этом на примере радиоволн.

Чтобы послать в пространство радиосигнал, необхо­димо пропустить через металлический провод— антенну— переменный электрический ток большой частоты, то-есть ток, меняющий своё направление очень много раз в се­кунду.

Мы знаем уже, что электрические заряды создают во­круг себя в пространстве электрические силы, а движу­щиеся заряды создают, кроме того, и магнитные силы. Эти «электромагнитные силы» будут меняться в соответствии с изменениями движения зарядов в антенне. Таким обра­зом, электромагнитные силы в любом месте пространства изменяются столько же раз в секунду, то-есть с такой же частотой, с какой изменяется движение зарядов в антенне. Сразу ли во всём пространстве происходят эти изменения? Нет. Раньше всего эти изменения происходят в непосред­ственной близости от антенны и затем распространяются всё дальше и дальше со скоростью света.

Радиосигнал — это и есть изменения, или колебания электромагнитных сил, распространяющиеся от антенны во все стороны со скоростью света. Их называют электро­магнитным излучением (электромагнитное излучение можно характеризовать не только его частотой, но и дли­ной волны. Для нас это не существенно и мы об этом го­ворить не будем).

Все перечисленные выше излучения — радиосигналы, видимый свет, рентгеновы лучи, гамма-лучи — это и есть электромагнитные излучения. Они отличаются друг от друга своей частотой (или длиной волны), определяе­мой, как мы выяснили, частотой колебания излучающих зарядов. Так, частота (число колебаний в секунду) радиоизлучения — сотни тысяч, видимого света — сот­ни тысяч миллиардов (например, красного света 400 ООО ООО ООО ООО, фиолетового — 800 ООО ООО ООО ООО); частоты рентгеновского и гамма-излучения ещё в десятки тысяч и десятки миллионов раз больше.

Не только в случае невидимого излучения:, но и в слу­чае обычного видимого света учёные предпочитают гово­рить о его частоте, а не о цвете. Причина этого очень проста. В спектре глаз различает только небольшое число различных цветов, не различая бесчисленного множества оттенков. А учёные, измеряя частоту, мо-гут разбить спектр на десятки миллионов полосок — линий различных «оттенков», отличающихся частотой, ш глазом совер­шенно неразличимых.

Электромагнитное излучение, или, как мы будем в дальнейшем говорить для краткости, просто излучение, обладает одной очень важной особенностью. Эта особен­ность была открыта после того, как учёные установили, что падающий на металл свет может вырывать из него электроны. Особенно большие заслуги в изучении этого явления принадлежат известному русскому физику А. Г. Столетову.

Электроны в металлах, как мы уже знаем, могут легко двигаться. Однако вырваться из металла они сами не мо­гут— для этого у них нехватает энергии.

Электронам можно передать недостающую энергию, освещая металл. Электроны будут поглощать энергию световых лучей и начнут вырываться из металла.

Казалось бы, не всё равно, какова частота излуче­ния, которым мы пользуемся для освещения металла? Было бы оно только достаточно мощным. Однако опыт показывает другое. Самый яркий свет от лампы красного цвета не способен вырвать из многих металлов ни один электрон, а свет от едва заметной крохотной лампочки фиолетового цвета мгновенно начинает их вырывать!

Опыты показали, что энергия каждого вырванного из металла электрона никак не зависит от мощности источ­ника света. Эта энергия определяется только частотой падающего света. Измеряется она так.

Свет от источника света (рис. 14) проходит через «фильтр» — цветное стекло, пропускающее свет только определённого цвета (определённой частоты). Чем больше частота света, тем больше оказываются скорость и энер­гия вырываемых из металла электронов. Электрические силы заряженных пластинок стремятся вернуть электрон обратно на нижнюю пластинку. Чем больше энергия вы­рываемых электронов, тем больший заряд должен быть

На пластинках для того, чтобы ни один из электронов с нижней пластинки не добрался до верхней. Так, меняя заряд на пластинках, мы узнаём, с какой скоростью вы­рываются электроны из металла под действием лучей различных частот. Если частота света достаточна, чтобы вырвать электроны из металла, то мощность источника света будет определять число вырываемых в секунду электронов, и только. В сто раз более сильный поток света вырвет за секунду ровно в сто раз больше электро­нов той же самой энергии.

Чем можно объяснить эти закономерности? Только одним: свет может поглощаться и излучаться лишь опре­делёнными порциями. Энергия каждой такой порции или, как её называют, «кванта света» или «фотона» тем больше, чем больше частота света. Так, например, энер­гия кванта фиолетового света, обладающего частотой 800 ООО ООО ООО ООО, ровно вдвое больше энергии кванта красного света, обладающего частотой 400 ООО ООО ООО ООО.

Электрон в металле может поглотить сразу только один квант. Если энергия этого кванта достаточна, чтобы вырвать электрон из металла, то он может вырваться; если энергия недостаточна — электрон вырваться не мо­жет. Энергия вырванного электрона определяется только энергией поглощённого им фотона. Понятно, что она не зависит от числа других фотонов, падающих на металл.

Мощность источника света определяет только число падающих на металл фотонов, а значит, и число вырывае­мых из металла электронов, но не их энергию. Всё ска­занное относится, конечно, не только к видимому свету, но и к любому излучению. Ультрафиолетовые и рентге­новские кванты, обладая большей энергией, вырывают электроны из вещества гораздо лучше, чем кванты види­мого света. Но есть сплавы металлов, у которых даже невидимые инфракрасные лучи (испускаемые слабо нагре­тыми телами), фотоны которых обладают меньшей энер­гией, чем фотоны видимого света, вырывают электроны!).

Таким образом, «зернистым» строением обладает не только кажущееся нам сплошным вещество, но и свет.

Сказанного о природе света достаточно, чтобы разо­браться в том, что рассказывает об атоме излучаемый им свет.