Страница 21 из 77
Линии комбинационного рассеяния являются, таким образом, тем отпечатком, который молекулы рассеивающего вещества накладывают на спектр света источника. Именно это дало право Л. И. Мандельштаму назвать комбинационное рассеяние света языком молекул. Для тех, кто сумеет расшифровать и понять фотографии спектра комбинационного рассеяния, молекулы, пользуясь этим языком, раскроют тайны своего строения.
Для объяснения деталей этого интересного явления необходимо привлечь квантовую теорию и хотя бы бегло проследить путь, пройденный Смекалем, Гейзенбергом, Шредингером, Дираком и другими физиками-теоретиками.
Основой квантовой теории является положение о том, что энергия, в любом ее виде, может передаваться только вполне определенными порциями. В каждой системе микромира — атоме, молекуле и т. п. — существует минимальная порция энергии. Меньшая порция энергии уже не может передаваться. Квантовая теория света, созданная А. Эйнштейном, заключается в том, что обмен энергией между частицами вещества и светом происходит путем уничтожения одних и рождения других квантов света (фотонов). Количество энергии, заключающейся в каждом из них, зависит от частоты света, то есть от его цвета.
При обычном рассеянии, рассмотренном еще Релеем, когда частота света не изменяется, энергия каждого из рассеянных фотонов совпадает с энергией падающих. При комбинационном рассеянии частота рассеянного света отличается от частоты падающего. Следовательно, энергия рассеянных фотонов отличается от энергии падающих. За счет чего же возникает это различие в энергии падающих и рассеянных фотонов? Теория отвечает на этот вопрос так: атомы, образующие молекулы, совершают периодические колебания. Если свет взаимодействует с колеблющимся атомом, то энергия фотона, рассеянного при взаимодействии (для простоты и наглядности можно образно называть процесс его взаимодействия с атомом столкновением) с колеблющимся атомом, может отличаться от энергии падающего фотона. Если часть энергии падающего фотона будет затрачена на увеличение колебаний атома, то энергия рассеянного фотона окажется меньшей, чем энергия падающего. Если же часть энергии атома перейдет к свету, энергия рассеянного фотона увеличится. Теория говорит, что первый процесс происходит при обычных температурах чаще, чем второй. Поэтому при обычных температурах «красные» сателлиты, соответствующие уменьшению энергии рассеянного света по сравнению с падающим, оказываются более яркими, чем «фиолетовые» сателлиты, соответствующие увеличению энергии фотонов в результате процесса рассеяния.
По мере повышения температуры вещества рассеяние с возрастанием энергии происходит все более часто. Поэтому с ростом температуры яркость «фиолетовых» сателлитов приближается к яркости «красных» сателлитов.
Как мы уже говорили, переходы энергии могут осуществляться только вполне определенными характерными для данного вещества порциями, следовательно, разности энергий между рассеянными и падающими фотонами тоже могут быть только вполне определенными. А так как разность энергии фотонов определяет разность частот спектральных линий, то это объясняет, почему расстояния между линиями комбинационного рассеяния и основными линиями падающего света имеют вполне определенную величину, характерную для рассеивающего вещества. Можно понять механизм комбинационного рассеяния света и не прибегая к квантовой теории. Действительно, основные черты его хорошо описываются обычной электромагнитной теорией. Чтобы наглядно представить себе этот процесс, удобно сравнить его с процессами, происходящими при передаче и приеме сигналов по радио.
Мы уже говорили о том, что ртутная лампа испускает свет, состоящий из ряда линий, имеющих вполне определенную частоту. Это значит, что, пройдя через призму, свет такой лампы не образует непрерывной радужной полоски, подобной той, которую образует при прохождении через призму белый цвет (свет Солнца, вольтовой дуги, электрической лампы накаливания и т. п.). Призма преобразует свет ртутной лампы не в сплошную радужную полоску, а в ряд отдельных разноцветных линий, расположенных в порядке следования радужных цветов на различных расстояниях одна от другой. Таким образом получается спектр паров ртути.
Аналогией этому явлению в области радио может служить любой радиопередающий центр. В нем одновременно работают несколько радиопередатчиков, каждый на одной вполне определенной частоте. Если вращать ручку настройки приемника, то каждая станция будет слышна только при одном определенном положении указателя на шкале приемника. Отметив эти положения, мы получим спектр частот, излучаемых данным радиопередающим центром.
Если радиостанции включены, но на микрофон не попадает никаких звуков, то в приемнике, настроенном на любую из этих станций, тоже не будет слышно никаких звуков. В этом случае с помощью индикатора настройки мы сможем только определить, что станции включены и работают.
Если на микрофон, соединенный одновременно со всеми радиостанциями, попадают какие-либо звуки, то эти звуки будут одновременно слышны в приемниках, настроенных на любую из этих радиостанций. Обычные радиоприемники при этом будут принимать звуковую программу. В приемнике будут появляться различные по высоте тона и по силе звуки, совершенно похожие на те, которые падают на микрофон.
Если же мы сконструируем радиоприемники со слишком острым резонансом, то уже не сможем получить с их помощью обычного радиоприема. Они не смогут воспроизвести звуки, совпадающие с теми, которые воздействуют на микрофоны передатчиков. Вместо этого такие приемники с чрезмерно острым резонансом обнаружат присутствие новых «действующих радиостанций» вблизи тех мест шкалы, на которых обычные приемники принимают радиостанции нашего радиопередающего центра. Появление этих новых частот в спектре радиопередающего центра есть результат восприятия нашими весьма резонансными приемниками передачи, модулированной звуковой программой. Это аналогично комбинационному рассеянию. В результате модуляции в спектре возникли новые линии.
Из примера с модуляцией силы звука камертона можно понять, что рассмотренное различие в радиоприеме является следствием конструктивных особенностей приемников. В опыте с камертонами наше ухо воспринимало только изменения силы звука. В отличие от уха, камертоны, настроенные на соседние близкие частоты, легко обнаружили их реальное присутствие. Это объясняется тем, что камертоны обладают очень острым резонансом. Они легко различают частоты, отличающиеся между собой всего на несколько периодов. Но при этом величина колебаний ножек камертонов остается постоянной. Это значит, что камертоны не воспринимают модуляцию как изменение силы звука. Они воспринимают ее только как появление новых тонов постоянной силы, которые отсутствовали в звуке, испускаемом немодулированным источником.
Вернемся снова к примеру с радиоцентром. Количество и сила новых (так называемых боковых) частот, а также их расположение будут одинаковыми для всех передатчиков нашего радиоцентра и зависят только от характера модулирующих звуков. Если передатчики модулируются чистым звуком одной определенной частоты (например, звуком струны или свистка), то рядом с частотой каждого передатчика возникнут по две новых боковых частоты, симметрично расположенных вокруг несущей. Расстояние между боковой частотой и несущей в точности равно частоте модулирующего звука и не зависит от того, какова частота радиостанции.
При наблюдении рассеянного света дело обстоит совершенно так же. В спектре ртутной лампы можно обнаружить ряд отдельных спектральных линий. Эти линии аналогичны отдельным радиостанциям передающего центра в нашем примере. Каждой спектральной линии, как и каждой радиостанции, соответствует своя частота колебаний. При прохождении света через вещество он рассеивается в стороны, но простые спектральные аппараты не обнаруживают появления при этом новых боковых частот, вызванных колебательными движениями атомов в молекулах. Так как атомы, образующие молекулы, колеблются с гораздо меньшими частотами, чем те, которые соответствуют видимому свету, то боковые частоты очень близки к основным частотам источника света. Вместе с тем эти частоты все же настолько велики, что наш глаз не в состоянии воспринять модуляцию как периодическое изменение силы света. Глаз не успевает следить за столь быстрыми изменениями, и мы ощущаем некоторую среднюю силу света.