65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Наверняка вы видели (хотя бы по телевизору или в интернете), как работает кузнец. Он погружает кусок железа в огонь, хорошенько там его разогревает, а потом, когда металл будет достаточно горячий и пластичный, вытаскивает его из огня, чтобы молотом придать ему нужную форму. При этом горячий кусок металла всегда светится. И чем горячее будет металл, тем ярче он будет светиться.

На этом же принципе основана работа всех ламп накаливания.

Через тонкую вольфрамовую проволочку пропускается электрический ток, из-за чего эта проволочка сильно разогревается и начинает светиться. Но что заставляет горячие металлы светиться? Почему они не светятся при комнатной температуре?

На самом деле металлы светятся и при комнатной температуре, и даже в самый лютый мороз. Просто мы не можем увидеть это излучение нашими глазами, потому что оно находится за пределами видимой части электромагнитного спектра, в области инфракрасных волн[45]. Это так называемое тепловое излучение, которое испускают любые нагретые тела с температурой выше абсолютного нуля (т. е. все тела во Вселенной). И чтобы увидеть это излучение, нужны специальные приборы – тепловизоры. Они способны регистрировать инфракрасные волны и превращать их в изображение на экране, которое мы можем уже увидеть.

Кстати, хоть мы и не можем видеть инфракрасные волны своими глазами, мы можем их ощутить своей кожей. Например, когда костер потух, а угли еще догорают, вы можете к ним поднести свои руки и ощутить инфракрасное излучение, идущее от них. Мы чувствуем его как тепло или даже жар. Точно такое же излучение мы чувствуем, когда приближаемся к любому другому раскаленному предмету, например горячей духовке. Примерно 50 % излучения Солнца – это тоже инфракрасное излучение.

Открыл этот вид излучения в 1800 году английский физик и астроном Уильям Гершель (1738–1822). Он изучал тепловое воздействие разных цветов. Для этого Гершель пропускал через призму солнечный свет, разложив его в спектр, и измерял при помощи термометра температуру каждого участка спектра.

Рис. Разложение белого света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму

Оказалось, что по мере продвижения к красному участку спектра тепловое воздействие света усиливалось. Причем максимальное воздействие оказывала область, находящаяся еще дальше, за видимым красным светом. Так были открыты лучи, не видимые глазом, но несущие тепло. Гершель назвал их инфракрасными, поскольку в спектре они располагались за красным светом.

Дальнейшие исследования показали, что инфракрасные волны испускаются вообще любыми нагретыми телами (а не только Солнцем). А раз это настолько распространенное излучение, физики-теоретики попытались построить описывающую его теорию, а физики-экспериментаторы стали проверять эти теории на практике. Все эти исследования привели сначала к ультрафиолетовой катастрофе, а затем – к настоящей революции в физике, которая перевернула все наши представления о природе света и элементарных частиц.

Вопрос 31. В чем заключалась ультрафиолетовая катастрофа?

Эксперименты по изучению свойств теплового излучения показали, что нагретые тела испускают электромагнитные волны непрерывного спектра (т. е. всех длин волн). Причем максимум излучения приходится на область инфракрасных волн – в этой области излучение происходит наиболее интенсивно. Однако при последующем нагревании тела этот максимум смещается в область более коротких волн и больших частот. Таким образом, при достижении определенной температуры максимум излучения переходит уже в область видимого света, и мы можем видеть его своими глазами. Поэтому при нагревании металлы[46] начинают светиться.

А что на этот счет говорит теория? К концу XIX века уже были известны уравнения Максвелла для электромагнитного поля[47]. Так что два британских физика, Джон Уильям Стретт (1842–1919), более известный как Рэлей, и Джеймс Хопвуд Джинс (1877–1946), решили применить эти уравнения классической электродинамики для описания теплового излучения. Они получили формулу, описывающую закон распределения энергии теплового излучения по частотам в зависимости от температуры источника излучения. Согласно закону Рэлея – Джинса, нагретые тела должны излучать электромагнитные волны всех частот. Причем наибольшая энергия излучения приходится на область самых больших частот, т. е. ультрафиолет, рентген и даже гамма-излучение. Мощность излучения неограниченно возрастает при увеличении частоты / уменьшении длины волны. Получается, что каждое нагретое тело должно, подобно звезде, чрезвычайно ярко светиться, излучая всю свою тепловую энергию, и за очень короткое время остыть до абсолютного нуля. Чего мы, конечно же, не наблюдаем в реальности.