Гипотеза о существовании невидимых тепловых лучей восходит к древности, однако систематические исследования теплового излучения начались с конца XVIII в. И хотя в «Пирометрии» Ламберта уже были описаны эксперименты, доказывающие прямолинейность распространения тепловых лучей и закон обратных квадратов для них, о подобии тепловых и световых лучей не могло быть и речи. Только после открытия Вильямом Гершелем (1738— 1822) невидимых инфракрасных лучей вопрос об общности свойств теплового и светового излучения приобрел особую остроту. В. Гершель родился в 1738 г. в Ганновере в семье полкового музыканта. К математике, а затем оптике и астрономии Гершель пришел от теории музыки и занятий музыкальной гармонией, поскольку, следуя стопам отца, он получил музыкальное образование и стал гобоистом. В 1757 г. В. Гершель эмигрировал в Англию и зарабатывал на жизнь уроками музыки, но свободное время отдавал оптике. В 1774 г., уже достаточно изучив способы шлифовки зеркал, Гершель построил свой первый телескоп с диаметром объектива 20 см и фокусным расстоянием 210 см. С этого времени началось серьезное увлечение Гершеля астрономией, принесшее ему мировую известность. Гершель был одним из самых выдающихся астрономов-наблюдателей, и успех в этой деятельности был обусловлен во многом высоким качеством телескопов, которые он сам изготавливал. С помощью своего первого телескопа Гершель в 1781 г. открыл планету Уран. В 1789 г. он построил крупнейший в мире телескоп с диаметром объектива 1,2 м и фокусным расстоянием 12 м, с помощью которого сделал ряд важнейших открытий: обнаружил движение Солнечной системы к созвездию Геркулеса, открыл спутники Урана и Сатурна, составил каталоги звездных скоплений и туманностей и т.д. Используя оригинальную методику, основанную на подсчете звезд в избранных участках небесной сферы («метод черпков»), Гершелю удалось представить форму Галактики и оценить ее размеры. Открытие теплового излучения было сделано Гершелем в 1800г., когда он уже был всемирно известным астрономом, членом Лондонского Королевского общества, почетным членом Петербургской Академии наук (1789г.) и членом ряда других научных организаций. Гершель искал способ уменьшения нагрева оптических инструментов при наблюдении Солнца и обнаружил, что стекла различных цветов, употребляемые как светофильтры, в различной степени поглощают свет и тепло солнечных лучей. Это показалось Гершелю любопытным, и он провел серию опытов с целью уточнить распределение интенсивности теплового воздействия по спектру солнечных лучей. Используя для получения спектра призму и помещая термометр с зачерненным шариком в различные зоны спектра, Гершель обнаружил, что показания термометра увеличиваются по мере продвижения от фиолетовой зоны к красной. Он предположил, что возрастающее тепловое действие лучей не должно оборваться на красном цвете, стал измерять температуру за пределами видимого спектра и обнаружил существование невидимых лучей, обладающих «наибольшей нагрева- 206 4. Оптика тельной силой». О своем открытии Гершель сообщил на заседании Лондонского Королевского общества, а затем продолжил эксперименты, которые показали, что тепловые лучи подчиняются законам отражения и преломления. Гершель сначала сделал вывод, что «лучистая теплота идентична со светом», однако вскоре пытался доказать «поразительные существенные различия между светом и теплотой», отмечая, в частности, эти различия в поглощении излучения веществами. Сомнения Гершеля послужили поводом для противоречивого толкования его открытия. Идею о единой природе световых и тепловых лучей поддержал Юнг, высказавший предположение, что световые лучи отличаются от тепловых только частотой колебаний. Опыты Гершеля были многократно повторены различными учеными, и было окончательно установлено существование невидимых лучей, расположенных за крайней частью видимого спектра и названных в связи с этим инфракрасными. Дальнейшие фундаментальные исследования свойств инфракрасного излучения были проведены итальянским физиком Мачедонио Меллони (1798— 1854), посвятившим всю свою научную деятельность этой проблеме. Меллони показал, что инфракрасные лучи неоднородны, в различной степени поглощаются материалами, интенсивность тепловых лучей зависит не только от температуры, но и от типа источника, исследовал поляризацию тепловых лучей. В своих опытах Меллони использовал изобретенный профессором физики из Флоренции Леопольдом Нобиле приемник инфракрасного излучения — термомультипликатор (висмут-сурьмянистый термостолбик), обладавший большей чувствительностью, чем термометр. Опыты Меллони окончательно утвердили мнение о единой природе световых и тепловых лучей в рамках волновой теории. В сороковые годы XIX в. были проведены опыты по двойному лучепреломлению, дифракции и интерференции инфракрасного излучения (Кноб- лаух, Физо, Фуко). Проводились многочисленные исследования по определению длины волны инфракрасного излучения и нахождению максимума в спектре излучения. После изобретения известным математиком и физиком Адольфом Сванбергом эффективного приемника инфракрасного излучения — болометра спектральные исследования инфракрасного излучения вышли на новый качественный уровень, так как спектральные границы исследований значительно расширились. Одновременно с экспериментальными исследованиями развивалась теория инфракрасного излучения, огромное влияние на которую оказали исследования Г. Кирхгофа, в частности его закон инверсии спектра и введенное им понятие «черное тело». Кирхгоф допустил теоретическую возможность существования тела, полностью поглощающего весь падающий на 207 Раздел II. Основные направления классической науки \ i Кирхгоф допускал теоретическую возможность существования тела, полностью поглощающего весь падающий поток... Такое тело он назвал «черным». Рис. 2.16. Модель черного тела Кирхгофа него поток и являющегося по закону инверсии наилучшим излучателем. Такое тело он назвал «черным» (иногда говорят «абсолютно черное тело») и придумал его физическую модель в виде полости, например шара диаметром D, с малым отверстием d, прием D» d (рис.2.16). Гениальным предвидением Кирхгофа было указание на то, что общие законы теплового излучения могут быть получены только для черного тела. Поиск этих законов стал предметом исследований ряда выдающихся ученых XIX столетия. Закон, определяющий зависимость интенсивности (поверхностной плотности) излучения черного тела от температуры был найден профессором физики Венского университета Иозефом Стефаном (1835—1893). Стефан опирался на экспериментальные результаты, полученные им самим и другими исследователями. Теоретически этот закон был выведен в 1884 г. другим венским физиком — Л. Больцма- ном. Закон, по которому интенсивность теплового излучения (поверхностная плотность Мс) пропорциональна четвертой степени температуры Гпо шкале Кельвина, называется сегодня законом Стефана-Больцмана: где о — коэффициент пропорциональности, называется постоянной Больц- мана. Стефан стал учителем Больцмана, хотя был старше его только на десять лет. Одним из первых заданий, которое поручил Стефан своему ученику, было реферирование и анализ работ Максвелла по электродинамике. Больц- ман в растерянности заявил, что не знает английского языка. Тогда Стефан дал ему школьную грамматику, англо-немецкий словарь и установил срок 208 4. Оптика на выполнение задания — 3 недели. Через 3 недели Больцман должен был доложить о результатах анализа на научном семинаре в Венском университете. Задание было выполнено. Впоследствии Больцман читал лекции на английском языке в Соединенных Штатах. После смерти Кирхгофа Больцман был приглашен в качестве его преемника в Берлинский университет. Инициатива исходила от Г. Гельмгольца. Однако на приеме у Гельмгольца Анна фон Гельмгольц, супруга ученого, невзначай заметила, что вряд ли Больцман будет чувствовать себя в Берлине достаточно свободно. Поводом к такому замечанию было то, что Больцман не знал перемены блюд и не отдал слуге использованную ложку. Скромный и ранимый Больцман отказался от кафедры в Берлине и уехал работать в Мюнхен. Кафедру Кирхгофа занял М. Планк. После смерти Стефана Больцман вернулся в Вену, став преемником своего учителя. В конце XIX в. центральная задача теории теплового излучения заключалась в установлении распределения интенсивности излучения черного тела по длинам волн. В 1893 г. Вильгельму Вину (1864 — 1928) удалось показать, что длина волны Хт, соответствующая максимальному значению интенсивности излучения черного тела, обратно пропорциональна его температуре, то есть Ьт = 2898/7, мкм, а сама максимальная интенсивность пропорциональна пятой степени температуры. Первая попытка теоретического определения функции распределения интенсивности излучения черного тела по спектру принадлежит русскому физику Владимиру Александровичу Михельсону, затем последовали попытки Вебера, Борисова, Пашена, Вина, Рэлея, Джинса и других физиков. Формула, предложенная Вином, давала хорошее согласие с экспериментальными данными в области коротковолнового излучения, но была непригодна для длинноволновой области. Формула Рэлея (Уильям Стретт (1842—1919), лорд Рэлей) давала хорошее приближение в области длинных волн. Подобное приближение получил и Д. Джине (поэтому закон, найденный Рэлеем, называют распределением Рэлея — Джинса). Из распределения Рэлея — Джинса следовал абсурдный вывод: энергия излучения монотонно и неограниченно возрастает с уменьшением длины волны излучения. Это несоответствие теории и практики известно в науке как «ультрафиолетовая катастрофа». Все поиски функции распределения интенсивности излучения черного тела по длинам волн, осуществлявшиеся в рамках классической физики, потерпели неудачу. Проблема была решена М. Планком, имевшим смелость порвать с классическими представлениями.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Инфракрасное излучение. Гершель» з дисципліни «Історія науки»
