СВЕТЯЩИЕСЯ ТРУБКИ

КАК РОЖДАЮТСЯ И УМИРАЮТ КВАНТЫ

Ы вошли в комнату и повернули выключатель. За­жглась лампочка, освещая стены, потолок, пол и все находящиеся здесь предметы. Но вот вы выключили лам­почку, и комната снова погрузилась во мрак.

Откуда же взялись кванты света, когда горела лам­почка, и куда они исчезли, когда она погасла? Неужели кванты возникли «из ничего» и так же бесследно исчезли?

Но ещё М. В. Ломоносов писал: «Все перемены в на­туре случающиеся такого суть состояния* что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте»... «Сей всеобщей естествен­ной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своек? силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

В применении к рассматриваемому нами явлению это означает, что при испускании света светящееся тело «что-то» теряет, зато освещаемое «что-то» приобретает. Это «что-то», очевидно, и есть световые кванты. Возни­кает вполне естественный вопрос — откуда берутся все эти кванты, излучаемые светящимися телами.

Мы уже говорили, что электроны в атомах могут на­ходиться на различных энергетических уровнях. Если электрон окажется на одном из повышенных уровней, то, пробыв там очень недолго, он возвращается на какой-либо из нижележащих уровней, в частности, на самый низкий, так называемый нормальный уровень. Избыток энергии, освобождаемый при таких переходах, может излучиться в виде кванта света, энергия которого равна разности энергий электрона на верхнем и нижнем уровнях. Если же имеет место обратный процесс — попадание на атом света от постороннего источника, то квант, поглощаясь переведёт один из электронов на более высокий энерге­тический уровень, то есть вызовет возбуждение.

Было бы, однако, совершенно неверно представлять себе, что квант, поглотившись атомом, «сидит» в этом воз­буждённом атоме, а затем при излучении «выскакивает» из него. Правильнее сказать, что атом и квант, взаимо­действуя, превращаются в возбуждённый атом, а при об­ратном процессе, при излучении, возбуждённый атом пре­вращается в две другие частицы — нормальный атом и квант.

На первый взгляд может показаться, что здесь не соблюдается закон сохранения материи. Квант, якобы, может из ничего «рождаться» или исчезать. На самом деле это неверно. Доказано, что превращение возбуж­дённого атома в нормальный атом и квант или обратное превращение нормального атома и кванта в возбуждён­ный атом происходит при полном соблюдении закона со­хранения энергии.

Но по современным физическим представлениям меж­ду двумя основными величинами, которые характеризуют свойства движущейся материи, то есть между энергией и массой, всегда существует строгая пропорциональность. Если энергия какого-либо тела уменьшилась, то соответ­ственным образом уменьшилась и его масса. При этом «потерянная» энергия должна быть приобретена каким - нибудь другим телом или проявиться в возникновении новой частицы. При всех подобных превращениях, в част­ности и при превращении возбуждённого атома в нор­мальный атом и квант, незыблемо должны соблюдаться и закон сохранения энергии и закон сохранения массы.

Значит ли это, что возбуждённый атом должен быть немного «тяжелее» нормального? Да, так это и есть на самом деле. Только разница эта очень невелика. Если бы мы взяли килограмм какого-нибудь вещества и все его атомы возбудили до одного из первых повышенных энер­гетических уровней, то этот килограмм стал бы «тяже­лее» всего на десятитысячные или стотысячные доли мил­лиграмма.

При переходе возбуждённого атома в нормальное со­стояние улетающий квант уносит с собой маленькое количество массы. Можно ли отсюда заключить, что свет «весом»? Да, можно. «Весомость» света проявляется в том, что пучок его оказывает давление на всякое тело, на которое он падает. Это давление весьма невелико. По­надобилось всё замечательное экспериментальное ма­стерство такого великого физика, как П. Н. Лебедев, чтобы доказать опытным путём наличие светового дав­ления.

Из всего сказанного вытекают, на первый взгляд, странные следствия, а именно: нагретое тело должно быть немножко тяжелее холодного, летящий снаряд немножко тяжелее неподвижного и т. п. Конечно, безнадёжно пы­таться с помощью весов обнаружить эту разницу, так как она по нашим масштабам совершенно ничтожна. Но в ядерных процессах, при которых происходят превращения огромных количеств энергии, изменения массы более ощу­тительны и могут быть измерены.

Иногда о подобных процессах совершенно неверно го­ворят как о «превращении массы в энергию» или, что ещё ошибочнее, о «превращении материи в энергию». В действительности же здесь происходят ранее нам неиз­вестные превращения одних форм материи в другие при незыблемом соблюдении закона сохранения материи. При этом полностью соблюдаются как закон сохранения мас­сы, так и закон сохранения энергии вследствие строгой пропорциональности энергии и массы. В применении к процессу излучения возбуждённого атома эти законы можно представить в виде:

Энергия возбуждённого атома =>

= энергия нормального атома + энергия кванта

ИЛИ

Масса возбуждённого атома =

= масса нормального атома + масса кванта.

Все приведённые рассуждения относились к отдельным атомам. В такой же степени они применимы к сложным молекулам и к твёрдым и жидким телам. Необходимо только иметь в виду, что число различных энергетиче­ских уровней у отдельного, изолированного атома меньше, чем у молекулы, а у молекулы значительно меньше, чем у твёрдого или жидкого тела. Поэтому и число квантов, которые могут излучаться, зависит от того, являются ли источниками излучения отдельные атомы, молекулы или твёрдые и жидкие тела.

Некоторые газы (так называемые инертные газы: ге­лий, неон, аргон и т. п.) и пары металлов имеют моле­кулы, состоящие только из одного атома. В этом случае мы имеем излучение отдельных атомов.

Спектр излучения газов в этом случае состоит из яр­ких узких линий, разделённых широкими тёмными про­межутками (рис. 10).

Большинство других газов имеет молекулы, содержа­щие несколько атомов. Эти газы способны излучать го­раздо более разнообразные кванты. Их спектр — это ши­рокие полосы, которые только с помощью весьма совер­шенных приборов могут быть разделены на отдельные, очень близко расположенные линии (рис. 11).

Наконец, кванты любых энергий могут излучаться твёрдыми и жидкими телами. В этом случае получается сплошной спектр.

Для того чтобы твёрдое, жидкое или газообразное тело могло начать излучать, необходимо сообщить ему энергию, которая позволила бы перевести некоторые его электроны на более высокие энергетические уровни.

Мы знаем несколько способов, как сообщить эту энер­гию. Наиболее известный из них — нагревание тела до до­статочно высокой температуры. Всем известно, что любое тело, нагретое до температуры в несколько сот градусов, начинает светиться, причём с повышением температуры это свечение становится всё ярче и ярче. Рассмотрим, как это происходит.

При любых условиях молекулы находятся в непре­рывном движении. При этом среди огромного числа мо­лекул, входящих в состав всякого тела, имеются более быстрые и более медленные. При столкновении доста­точно быстрых молекул энергия их движения может перейти в энергию возбуждения одной или каждой из них. После этого при возвращении в нормальное со­стояние произойдёт испускание кванта.

Мы уже указывали, что при комнатной температуре средняя энергия молекул составляет около четырёх со­тых э-в, а энергия световых квантов от 1,6 до 3,2 э-в. По­этому при комнатной температуре ничтожно мало число столкновений, в результате которых происходит возбуж­дение молекул с последующим испусканием световых кван­тов, и тела почти не излучают видимого света.

Излучаются при этом только кванты с малой энергией, которые соответствуют инфракрасному свету, но и то в таком небольшом количестве, что для обнаружения их приходится пользоваться очень чувствительными прибо­рами. При повышении температуры средняя энергия мо­лекул увеличивается. Соответственно увеличивается и число быстрых молекул.

Общее число излучаемых квантов начнёт возрастать, причём так как чаще будут происходить возбуждения на более высокие энергетические уровни, то особенно возра­стёт число квантов больших энергий. Вот почему при до­статочно большом нагревании наряду с инфракрасными квантами начнут появляться в заметном количестве и кванты излучения, воспринимаемого глазом.

В первую очередь появятся «красные» кванты, затем, по мере повышения температуры, к ним добавятся «оран­жевые» и т. д., пока, наконец, не будут излучаться все кванты, способные действовать на наш глаз. Все вместе они будут вызывать у нас ощущение белого цвета, так как этот цвет, как мы уже видели раньше, может быть разложен с помощью призмы на составные цвета, а следо­вательно, и сложен из них же.

Из повседневного опыта мы знаем, как при нагрева­нии тел изменяется их свечение. Мы так и говорим, что тело нагрето «до красного каления», «до жёлтого кале­ния», и, наконец «до белого каления».

Следует, однако, не забывать, что при любых условиях наряду с видимым светом будет излучаться значительное количество энергии в виде невоспринимаемых глазом квантов инфракрасного и частично ультрафиолетового из­лучения.

При относительно низких температурах практически вся энергия излучается в виде квантов малых энергий, т. е. в виде инфракрасных лучей. Поэтому, хотя электри­ческая плитка и потребляет в шесть раз больше энергии, чем стоваттная лампочка, вряд ли кто-нибудь предложит использовать её для освещения. Ведь по сравнению со спиралью лампочки плитка из-за низкой температуры даёт ничтожное количество видимых лучей.

При очень высоких температурах преобладающим ста­новится излучение ультрафиолетовых квантов. Однако это становится заметно при очень высоких температурах, выше 5000—5500°. Солнце, температура поверхности ко­торого к этому близка, отдаёт в качестве видимого света относительно наибольшую долю своего излучения. Но даже и эта наибольшая доля составляет всего около 14% всего излучения солнца. Остальные 86% делятся между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением.

В электрических лампочках накаливания температура нити значительно ниже (около 2300° С), так что доля энергии, приходящаяся на видимый свет, совсем мала. Она составляет всего около 3—5%.

Полезное излучение лампочки можно было бы повы­сить, если нагреть нить до более высокой температуры, но в этом случае лампочка стала бы очень недолговечной, так как нить её быстро распылилась бы. Придуман ряд способов, позволяющих без заметного распыления не­сколько поднять температуру нити. Всё же очень далеко пойти по этому пути нельзя и лампочку по существу сле­довало бы назвать не осветительным, а нагревательным прибором, так как большую часть своей энергии она от­даёт в виде инфракрасного излучения, дающего нам в конечном счете только тепло.

Таким образом, получение света за счёт высокой тем­пературы источника весьма неэкономично, так как подав­ляющая часть энергии идёт на излучение квантов, не вос­принимаемых глазом. Иначе обстоит дело, если мы в ка­честве источника света возьмём газ, сквозь который про­ходит электрический ток.

Рассматривая прохождение электрического тока через газ, мы видели, что электроны, двигаясь в газе, испыты­вают различного рода столкновения с атомами или моле­кулами газа. Одни столкновения упруги, при них элек­трон только меняет направление своего движения, почти не теряя энергии, накопленной под действием электриче­ских сил, другие столкновения приводят к ионизации атомов, что обеспечивает электрическую проводимость' газа, наконец, бывают столкновения, которые вызывают возбуждение атомов. Возбуждённые атомы, возращаясь затем в нормальное состояние, излучают кванты света.

Именно в результате таких процессов и возникает све­чение газа, когда через него проходит электрический ток. При этом могут иметь место разнообразные и подчас до­вольно сложные явления. Например, переход электрона с нормального энергетического уровня на один из верхних и обратно может происходить не только непосредственно, но и через промежуточные уровни. Электрон как бы пере­скакивает с одной энергетической ступецьки на другую

(рис. 12). Большую роль играют такие факторы, как плот­ность газа, размеры трубки, сила протекающего тока и т. п.

Изучению условий излучения разрежённого газа при прохождении через него электрического тока посвящено много научных исследований. Среди них большое значе­ние имеют работы советских физиков: члена-корреспон - дента Академии наук СССР С. Э. Фриша, проф. Б. Н. Клярфельда, проф. В. А. Фабриканта и других.

При определении экономичности излучения, вызван­ного электрическим током в газе, весьма существенно, что при упругих столкновениях электроны теряют очень мало энергии. Поэтому значительная часть энергии, приобретае­мой ими под действием электрических сил, расходуется на возбуждение атомов газа, а следовательно, переходит в свет. В то же время нагревание газа очень невелико.

Таким образом, получение света при прохождении электрического тока через газ является очень экономич­ным способом превращения электриче-ской энергии в све­товую. Опыт подтверждает эти соображения. В некоторых

Случаях на. излучение света расходуется до 70% всей энергии, потребляемой трубкой, через которую протекает ток. К сожалению, несмотря на большую экономичность свечения при прохождении тока через газ, использовать его непосредственно для целей освещения затруднительно по причине, о которой мы скажем дальше.