СВЕТЯЩИЕСЯ ТРУБКИ

НЕСКОЛЬКО СЛОВ О ВОЛНАХ И КВАНТАХ СВЕТА

Осле того, как мы познакомились с процессом про­хождения тока через газ, нам следует рассмотреть как при этом процессе возникает свечение. Для этого нам прежде всего необходимо хотя бы кратко ознако­миться с той частью учения о свете, знание которой наи­более существенно для понимания рассматриваемых нами явлений.

На протяжении многих лет шёл спор между двумя теориями о природе света. Согласно первой теории —> творцом её был великий Ньютон — свет представляет со­бой поток мельчайших частиц—«корпускул»[35]), быстро несущихся в пространстве и способных, как твёрдые ша­рики, отскакивать от стенки, менять направление своего движения при переходе из одной среды в другую и т. п. Почти одновременно с ньютоновской корпускулярной тео­рией света голландский учёный Гюйгенс выдвинул другую теорию, по которой свет можно уподобить волнам, распро­страняющимся на поверхности воды.

Долгое время среди учёных господствовала корпуску­лярная теория. Лишь в первой половине XIX века были произведены опыты, результаты которых определённым образом говорили в пользу волновой теории.

Дальнейшие исследования привели к чрезвычайно важным открытиям. Оказалось, что существует тесная связь между световыми явлениями, с одной стороны, и электрическими и магнитными, с другой.

При быстрых изменениях направления электрического тока вокруг проводника, по которому течёт ток, созда­ются распространяющиеся в пространстве электромагнит­ные волны. Примером таких электромагнитных волн яв­ляются волны радиостанций. Радиоволны от световых отличаются лишь длиной. Световые волны имеют дли­ну в несколько десятых долей микрона[36]), а длина ра­диоволн составляет от нескольких сантиметров до тысяч метров.

Электромагнитная теория света была разработана английским физиком Максвеллом и подтверждена опыт­ным путём многими учёными, в том числе русским учёным Лебедевым и немецким — Герцем. Огромное практическое значение радиоволн оценил наш великий со­отечественник, изобретатель радио А. С. Попов.

Несмотря на большие успехи электромагнитной волно­вой теории света, вскоре после её создания были обна­ружены такие факты, которые она не в состоянии была объяснить.

Для объяснения этих фактов немецкий учёный Планк высказал предположение, что свет поглощается и испус­кается телами не непрерывно, а отдельными порциями энергии, или, как их назвали, световыми квантами *). При этом каждая такая порция тем больше, чем меньше длина волны испускаемого или поглощаемого света. В дальнейшем оказалось, что световые кванты, или, как их иногда называют, фотоны, иногда ведут себя как ча­стицы, правда, существенно отличающиеся по своим свой­ствам от ньютоновских корпускул.

С помощью квантовой теории света удалось объяснить также много других явлений, которые не могли быть объ­яснены с точки зрения волновой электромагнитной теории.

Не следует, впрочем, думать, что квантовая теория света полностью вытеснила волновую.

Каждая из этих двух теорий лишь частично отражает природу света, оказываясь способной объяснить только часть известных нам световых явлений. Некоторые явле­ния одинаково хорошо объясняются обеими теориями, другие могут быть объяснены только с точки зрения вол­новой, а третьи — только с точки зрения квантовой тео­рии. Такое положение делает очень трудной задачу пред­ставить природу света в простых наглядных образах, удовлетворяющих и волновой и квантовой теории.

Вопрос о том, как современная физика пытается объ­единить эти столь противоречивые на первый взгляд пред­ставления, выходит за рамки нашей книжки. Заметим лишь, что в дальнейшем мы будем иметь дело с теми свойствами света, которые полностью могут быть объяс­нены квантовой теорией. Поэтому на ней мы остановимся несколько более подробно и рассмотрим, какими свой­ствами световых квантов объясняются известные нам свойства света.

Мы зйаем, что свет может быть более сильным и бо­лее слабым, кроме того, он может иметь разную окраску. По квантовой теории более сильный пучок света содер­жит большее число квантов, а разные по цвету лучи от­личаются различной энергией отдельных квантов. Вы, ве­роятно, замечали, как пучок белого света, проходя через кусочек гранёного стекла, распадается на разноцветные лучи, похожие на цвета радуги.

Пропустим узкий пучок белого света через прозрач­ную трёхгранную призму (рис. 9) и мы увидим, что пу -

Чок разлагается на лучи разных цветов. Лучи эти по-раз­ному отклоняются от первоначального своего направле­ния и образуют на экране цветную полосу, называемую спектром. Больше всего отклоняются фиолетовые лучи, затем синие, голубые, зелёные, жёлтые, оранжевые и, на­конец, меньше всего красные. Исследования показали, что наибольшей энергией обладают кванты фиолетовых лучей, а наименьшей — кванты красных[37]).

Энергия квантов фиолетовых лучей около 3,2 э-в, а красных 1,6 э-в. Однако этими значениями не ограничи­вается возможная энергия квантов. Оказывается, суще­ствуют кванты и с другими значениями энергии, но мы их не воспринимаем глазом.

Уже сравнительно давно были обнаружены невидимые лучи, энергия квантов которых меньше чем 1,6 э-в или больше чем 3,2 э-в. Первые были названы инфракрасными, а вторые — ультрафиолетовыми. И те и другие непосредственно глазом не воспринимаются и мо­гут быть обнаружены лишь по их различным действиям (тепловым, химическим и другим).

Точно так же не воспринимаются нашим глазом и от­крытые в конце прошлого столетия рентгеновские лучи, энергия квантов которых ещё больше, чем ультрафиоле­товых. Не вызывают ощущения света и излучения с энер­гией квантов, меньшей, чем у инфракрасных (например, излучения от радиостанций).