Kvant. Излучение

А так ли хорошо знакомо вам излучение? // Квант. — 2005. — №5. — С. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Необходимо признать, что существуют два вида тепла,
одно светящееся,... другое темное.
Жорж Бюффон

Тепло, которое излучается поверхностью всех тел...,
подчиняется специальным законам и вызывает самые различные явления.
Жан Фурье

... моя формула излучения до сих пор удовлетворительно оправдывалась
даже при очень точных систематических измерениях.
Макс Планк

... опыты, касающиеся «излучения черного тела», фотолюминесценции, возникновения катодных лучей,...
лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно.
Альберт Эйнштейн

Собственно, говоря об излучении, мы должны были бы перечислить столько его видов, что не хватило бы и целого выпуска нашей рубрики. Ведь излучение включает световые волны и вылетающие из атомного ядра фрагменты, тормозное излучение заряженных частиц и космические лучи, один из видов теплопередачи и перенос информации с помощью теле- и радиоантенн... Если объединить все одним определением, то излучение — это распространение энергии в форме волн и частиц. Необъятная тема!

Однако в истории исследований разного рода излучений четко просматривается один «драматичный» сюжет. К концу XIX века в фундаменте крепко выстроенного величественного здания классической физики возникла небольшая вроде бы трещинка, и ее появление было связано с особенностями теплового излучения. Попытки найти им объяснение в рамках сложившихся представлений приводили к невероятным результатам — так называемой ультрафиолетовой катастрофе, когда любое тело из-за теплового излучения должно было остывать до абсолютного нуля! И лишь введение в физику совершенно непривычного, чуждого ей понятия кванта позволило найти выход из сложной ситуации. Вместе с тем, это понятие дало начало новому витку прогресса науки, беспрецедентный вклад в который внесла квантовая механика.

Нынешний, 2005 год объявлен «Всемирным годом физики» — в ознаменование столетия выхода в свет революционных эйнштейновских работ, одна из которых развивала идеи квантовой теории. В меру наших скромных сил, этим выпуском «Калейдоскопа» мы тоже хотим отметить сей славный юбилей.

Вопросы и задачи

1. Когда чайник излучает больше: когда в нем кипяток или когда в нем вода комнатной температуры?
2. Какой объект чернее всего?
3. Почему зрачок кажется черным?
4. Внутрь замкнутой оболочки, поддерживаемой при постоянной температуре, помещают несколько тел, одно из них с абсолютно зеркальной поверхностью. Установится ли в такой системе тепловое равновесие?
5. Солнечные лучи с помощью вогнутого зеркала направляются через маленькое отверстие в замкнутую полость, стенки которой не проводят тепло. Можно ли, увеличивая размеры зеркала, неограниченно повышать температуру внутри полости?
6. От чего зависит показание термометра, прикрепленного снаружи к спутнику с его теневой стороны?
7. Казалось бы, одежда металлургов, пожарных и спасателей должна обладать низкой теплопроводностью, чтобы не пропускать внутрь обжигающий жар. Однако их костюмы снаружи покрывают тонким слоем металлической фольги — прекрасного проводника тепла. Для чего?
8. Почему мел среди раскаленных углей выглядит темным?
9. Картофель собираются запечь в фольге, одна сторона которой матовая, а другая блестящая. Какая сторона должна быть снаружи?
10. Если черный предмет поглощает падающие на него видимые лучи, то почему он виден?
11. Может ли золото иметь цвет серебра?
12. Одни звезды кажутся белыми, другие — красными, третьи — голубыми. А почему не бывает зеленых звезд?
13. Монохроматический свет какого цвета — красного или фиолетового — оказывает при одинаковой интенсивности потока фотонов большее давление на поверхность тела?
14. Лазерный луч красного цвета направляют поочередно на красное и зеленое стекла. Какое стекло будет испытывать большее давление? А если вместо стекол взять красную и зеленую бумагу?
15. Почему на снимках, сделанных в инфракрасных лучах, зеленая растительность кажется белой?
16. В стеклянный сосуд, из которого частично откачали воздух, помещена легкая крестовина с четырьмя лепестками, свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси. Поверхность каждого лепестка с одной стороны зеркальная, с другой — зачерненная, как показано на рисунке. В ярко освещенном помещении крестовина начинает вращаться по часовой стрелке. Объясняется ли этот опыт световым давлением?

    

17. Может ли какое-нибудь тело покоиться в поле тяготения Солнца?
18. Свет падает на плоскую пластинку под некоторым углом. В каком направлении будет отталкиваться пластинка, если ее поверхность: а) поглощает весь свет; б) зеркально отражает свет?
19. Как будет ориентироваться относительно Солнца спутник сферической формы, одна сторона которого зеркальная, а другая покрыта черными термобатареями?

Микроопыт

Снимите с двух одинаковых пустых консервных банок наклейки. Закоптив или закрасив черной краской одну банку, другую оставьте светлой. Налейте в обе банки горячую воду и посмотрите, в какой из них вода остынет быстрее (опыт можно проводить и в темноте).

Любопытно, что...

... связь между световыми и тепловыми лучами была известна со времен античности. Более того, слово «фокус» означает на латинском языке «огонь», «очаг», что в применении к вогнутым зеркалам и линзам свидетельствует о первоочередном внимании к концентрации тепловых, а не световых лучей. Среди многих экспериментов XVI­-XVIII веков особо выделяется опыт, проведенный Эдмом Мариоттом, в котором порох воспламенялся тепловыми лучами, отраженными вогнутым зеркалом, изготовленным из... льда.

... Уильям Гершель, знаменитый открытием планеты Уран, обнаружив в спектре Солнца невидимые — инфракрасные — лучи, был так поражен, что двадцать лет хранил об этом опыте молчание. А вот в том, что Марс обитаем и населен людьми, он не сомневался...

... еще в 1830 году итальянский физик Леопольдо Нобили сумел создать термомультипликатор, реагировавший на тепловое излучение человека, находящегося от него в десяти метрах. В дальнейшем термопеленгация развилась настолько, что с помощью чувствительных полупроводниковых приборов — болометров — стало возможным уловить тепло от зажженной спички на расстоянии в несколько километров. С другой стороны, и сверхвысокие температуры в десятки миллионов градусов, характерные для термоядерных установок, измеряют также по тепловому излучению.

... модель абсолютно черного тела предложил в 1860 году Густав Кирхгоф. К тепловому излучению такого тела близко по спектральному составу Солнце. А из «земных» материалов больше всего соответствуют ему платина и плавленый оксид тория при температуре затвердевания платины.

... профессор Принстонского университета Эрик Роджерс, написавший изданную во многих странах «Физику для любознательных», дал своеобразное «описание» абсолютно черного тела: «никакая черная краска на собачьей конуре не выглядит чернее открытой для собаки дверцы».

... в своей диссертации, представленной в 1893 году, русский физик Борис Голицын впервые ввел понятие температуры теплового излучения и предвосхитил многие выводы будущей квантовой теории. Но резкий отзыв оппонентов, среди которых был открывший законы фотоэффекта Столетов, заставили Голицина отказаться от продолжения этой работы.

... автора закона теплового излучения Густав Кирхгофа, начавшего глубокий пересмотр основ классической физики, сменил на кафедре Берлинского университета Макс Планк, введший в науку неклассическое понятие кванта действия. В свою очередь, через сорок лет Планк передал кафедру Эрвину Шредингеру — одному из создателей новой, квантовой, механики.

... многие годы после опубликования основополагающей работы Эйнштейна по фотоэффекту его теория квантов света по иронии истории не находила понимания у самого «отца кванта» Планка и подвергалась критике, в том числе и на таком представительном собрании физиков, как Сольвеевский конгресс. Несколькими десятилетиями позже академик Сергей Вавилов пришел к выводу, что его опыты опровергают квантовую теорию, правда вскоре он преодолел заблуждения и разработал способ непосредственного зрительного наблюдения отдельных квантов света.

... так называемые черные дыры — космические объекты, обладающие столь большим притяжением, что даже кванты света не могут их покинуть, — тем не менее, способны излучать. Дело в том, что в окрестностях черной дыры под воздействием колоссального тяготения происходит рождение реальных частиц, в том числе фотонов, из ...вакуума. Причем спектр возникающего излучения, как установил знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг, оказывается в точности таким же, как и спектр абсолютно черного тела.

Что читать в «Кванте» об излучении

(публикации последних лет)

1. «Лазерная указка» — 2000, №3, с. 18;
2. «Волновая механика Эрвина Шредингера» — 2000, №3, с. 23;
3. «Хочешь общаться — излучай» — 2000, №5, с. 37;
4. «Как линейкой измерить длину волны лазерного излучения» — 2000, №6, с. 31;
5. «Альберт Эйнштейн» — 2001, №1, с. 11;
6. «Лебедевские крылышки» — 2001, №2, с. 11;
7. «Радиоволны на земле и в космосе» — 2002, №1, с. 2;
8. «Под давлением лунного света» — 2002, №4, с. 40;
9. «Небо синее, Солнце красное» — 2003, №1, с. 37;
10. «Калейдоскоп «Кванта» — 2004, №3, с. 32;
11. «Из глубин Вселенной» — 2004, Приложение №4, с. 122.

Ответы

1. Когда кипяток: чем выше температура тела, тем больше его излучательная способность.
2. Модель абсолютно черного тела — это отверстие в закрытом сосуде.
3. Зрачок представляет собой отверстие в радужной оболочке глаза, который поглощает практически все попадающие в него лучи.
4. Да, установится. При этом все тела приобретут температуру оболочки, кроме зеркального — его температура будет близка к абсолютному нулю.
5. Нет, нельзя. С повышением температуры будет расти излучение полости, пока она не станет терять столько энергии, сколько получает.
6. Показание термометра зависит от излучения спутника, звезд, планет и самого термометра и равно его «равновесной» температуре, при которой равны испускаемые и поглощаемые термометром количества теплоты.
7. Максимум энергии излучения при высокой температуре приходится на тепловые (инфракрасные) лучи, которые хорошо отражаются металлом.
8. Черный уголь почти полностью поглощает видимый свет и при нагревании так же сильно его излучает; белый мел хорошо отражает свет, а при нагревании его излучение значительно слабее.
9. Матовая — она лучше поглощает тепло, поэтому картофель испечется быстрее.
10. По контрасту с окружающими его более светлыми предметами.
11. Да, если рассматривать его в свете, из которого исключен желтый цвет (это на опыте проверил еще Ньютон).
12. Если звезда горячее Солнца, то максимум ее излучения смещается в ультрафиолетовую область, и она кажется голубой. Если холоднее — максимум приходится на инфракрасную область, и она кажется красной или желтоватой.
    Если же максимум приходится на зеленый свет, как у Солнца, то в спектре излучения звезды присутствуют и все остальные цвета, создающие вместе ощущение белого цвета.
13. Фиолетового, поскольку импульс фотона фиолетового цвета больше импульса фотона красного цвета.
14. Луч лазера окажет большее давление на зеленое стекло, поглощающее фотоны красного цвета, чем на красное стекло, пропускающее их. А вот на зеленую бумагу, поглощающую фотоны красного цвета, луч лазера окажет меньшее давление, чем на красную, отражающую их.
15. Зеленая растительность не поглощает инфракрасные лучи, а отражает и рассеивает их.
16. Нет, поскольку действие лишь светового давления создало бы вращение в противоположную сторону. Наблюдаемый эффект связан с тем, что остаточное давление разреженного газа на зачерченные пластинки несколько выше, чем на зеркальные (из-за более высокой температуры).
17. В принципе, может, если сила притяжения к Солнцу уравновесит силу светового давления.
18. В случае а) пластинка будет отталкиваться по направлению падения света; в случае б) — по направлению нормали к ее поверхности.
19. Момент силы светового давления на небольшой участок зеркальной поверхности равен нулю, в то время как момент силы светового давления на зачерненный участок стремится повернуть спутник зеркальной стороной к Солнцу.

Микроопыт

Темные поверхности лучше излучают инфракрасные лучи, поэтому в зачерненной банке вода остынет заметно быстрее.

Материал подготовил А.Леонович