Страница 29 из 161
�злучение и температура
Если РјС‹ трогаем тело СЂСѓРєРѕР№, РјС‹ ощущаем тепло, если РѕРЅРѕ имеет высокую температуру. Такое же ощущение РјС‹ испытываем, если РјС‹ РЅРµ касаемся тела, РЅРѕ находимся близко РѕС‚ него. Рто получается благодаря передаче тепла через РІРѕР·РґСѓС…. Однако, даже если РјС‹ удалим РІРѕР·РґСѓС…, окружающий тело, передача тепла РІСЃРµ равно имеет место.
Сейчас РјС‹ знаем, что тело передает СЃРІРѕРµ тепло, С‚.Рµ. СЃРІРѕСЋ энергию, частично РІ РІРёРґРµ электромагнитных волн. Волны, которые переносят наибольшую часть этой энергии Рё которые ответственны Р·Р° ощущение тепла, обозначаются как инфракрасное излучение. Длины этих волн простираются почти РїРѕ всей области между миллиметром Рё тысячной долей миллиметра (РјРёРєСЂРѕРЅ), Рё РѕРЅРё невидимы глазом. Однако энергия, передаваемая видимым излучением РѕС‚ Солнца через миллионы километров, также может преобразовываться РІ тепло. Рто хорошо известно всем, кто загорает летом.
Фридрих Вильгельм Гершель (17381822), родившийся РІ Ганновере, Р° затем натурализовавшийся РІ Англии, РЅР° заре XIX РІ. продемонстрировал эффект нагрева, С‚.Рµ. увеличение температуры тела, инфракрасным излучением. Ркспериментальная регистрация инфракрасного излучения была существенно улучшена РІ 1881 Рі., РєРѕРіРґР° РЎ.Рџ. Лангли (18341906) изобрел С‚.РЅ. болометр. Ртот инструмент, состоящий РёР· платиновой проволоки, покрытой черным слоем сажи, способен измерять температуру благодаря изменению электрического сопротивления проволоки.
�так, мы можем сказать, что горячее тело испускает энергию в окружающее пространство частично в виде излучения. При увеличении температуры увеличивается испускаемая энергия, а длина волны излучения уменьшается от инфракрасной области до видимой. При температуре около тысячи градусов тело представляется красным; при дальнейшем увеличении температуры интенсивный цвет последовательно изменяется от красного к оранжевому и далее к голубому.
Точное соотношение между цветом тела и его температурой было установлено в XIX в. с помощью серии измерений и вычислений, первоначально основанных на термодинамике. Термодинамика часть физики, имеющая дело с соотношением между работой и теплом, испускаемым или поглощаемым телами. В ее основе два фундаментальных принципа. Один утверждает, что невозможно построить машину, которая непрерывно (т.е. циклично) совершает только работу, т.е. устанавливается принцип сохранения энергии, и невозможность создания вечного двигателя первого рода.
Другой утверждает, что невозможно иметь машину, которая забирает тепло от источника с постоянной температурой и превращает его в работу (т.е. невозможность создания вечного двигателя второго рода). Отметим, что все тепловые машины забирают тепло от источника с высокой температурой для совершения работы; однако они выделяют часть этого тепла при низкой температуре, например в окружающую среду, и таким образом не все тепло, но только его часть трансформируется в работу. �з этих двух принципов (первое и второе начала термодинамики) можно получить далеко идущие заключения путем чисто логических рассуждений, строгим и безупречным способом, поскольку они не требуют какой бы то ни было особой модели явления, к которому они применимы.
В начале XIX в. целый ряд причин заставлял исследователей интересоваться вопросом, почему нагретое тело испускает излучение. �сследования двигало в том числе и желание создать эффективные источники света в то время только начиналось освещение городов с помощью газа и электричества. Более того, изучение света, испускаемого звездами, было на тот момент единственным способом получить информацию об их природе.
Однако никто не мог вообразить, что из этой проблемы возникнет одна из наиболее глубоких и потрясающих революций в физике революции, которая привела к квантовой теории. Окончательное решение было результатом усилий многих ученых в разных областях. Здесь мы ограничимся обсуждениями рассмотрений, нужных для понимания лазеров.
Черное тело
Мы можем начать с рассмотрения некоторых результатов, полученных немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом.
Кирхгоф родился 12 марта 1824 г. в Кенигсберге, там же он проходил обучение в университете под руководством физика Франца Неймана (17981895). В 1847 г. после получения докторской степени он перебрался в Берлин, где годом позже стал приват-доцентом (звание, которое давало ему право преподавать в университете, но без жалования; студенты прямо платили небольшие суммы преподавателю за лекции). В 1850 г. он был назначен профессором в Бреслау, где он встретился с химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном (1811 1899), который некоторое время спустя выдвинул его на должность профессора физики в Гейдельберге. В 1875 г. он стал заведующим кафедрой физики Университета в Берлине, где и скончался в 17 октября 1887 г. Он был номинирован в члены �тальянской Академии Линчей в 1883 г.