|
Но вернемся к фотонам. До 1800 г. человеку были известны только фотоны видимого света, которые он мог ощущать непосредственно. Длины волн такого света составляют от 0,000 076 см на красном конце видимого спектра до половины этой величины, т.д. до 0,000 038 см, на его фиолетовом конце. Энергии фотонов света обратно пропорциональна длине световой волны. Поскольку волна фиолетового света на пределе видимости вдвое короче волны красного света на пределе видимости, значит, фотоны фиолетового света обладают вдвое большей энергией, чем фотоны красного света. Энергия фотонов видимого света составляет от 1,5 электронвольт (эв) на красном конце спектра до 3,0 эв на фиолетовом его конце.
В начале XIX в. было открыто инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Энергия инфракрасных фотонов была, разумеется, ниже 1,5 эв, а ультрафиолетовых фотонов — выше 3,0 эв.
Но как далеко простирается инфракрасная область спектра в направлении убывания энергии, а ультрафиолетовая— в направлении ее возрастания, оставалось неизвестным.
Однако в 1861 г. шотландский физик Джеймс Кларк Максвелл (1831 —1879) разработал общую теорию электричества и магнетизма, в которой показал тесную и нерасторжимую связь этих двух видов энергии (поэтому можно говорить об электромагнитном поле, объединяя эти два вида энергии). Он, кроме того, доказал, что периодические колебания напряженности такого поля порождают нечто вроде волны, удаляющейся от источника колебаний со скоростью света. Более того, и самый свет он считал формой такого электромагнитного излучения.
Поскольку электромагнитное поле может обладать любым периодом колебании, длина волны электромагнитного излучения тоже может быть любой. Следовательно, должны существовать электромагнитные излучения с волнами, намного более длинными, чем волны инфракрасного света, и намного более короткими, чем волны ультрафиолетового света.
Подтверждения этого предсказания ждать долго не пришлось. В 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857—1894) получил электромагнитные волны колоссальной по сравнению со световыми длины. Такое излучение (названное сначала волнами Герца) стало служить для радиотелеграфного сообщения, т.е. для передачи сообщений не с помощью электрического тока, идущего по проводам, а с помощью волн, излучаемых в пространство. Естественно было бы ожидать, что подобное излучение получит название «радиотелеграфные волны», но в употребление вошла сокращенная форма «радиоволны».
В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923) обнаружил излучение, которое оказалось по своей природе электромагнитным, но имело чрезвычайно короткую длину волны. Поскольку его природа сначала была неясна, его назвали икс-лучами, но позже эти лучи были названы рентгеновскими.
Три разновидности излучения радиоактивных веществ (открытые в 1896 г. Беккерелем) Резерфорд назвал по первым трем буквам греческого алфавита альфа-лучами, бета-лучами и гамма-лучами. Как оказалось, гамма-лучи тоже имели электромагнитную природу — это была форма излучения с длиной волны даже еще меньшей, чем у рентгеновских лучей.
Итак, к началу XX в. в распоряжении физиков оказался колоссальный электромагнитный спектр, охватывающий около 60 октав, т.е. длина волны от самой малой из известных до самой большой удваивалась 60 раз. Таким образом, самые длинные волны были длиннее самых коротких в 260 раз, т.е. примерно в 1 000 000 000 000 000 000 (миллиард миллиардов) раз. Видимый свет занимал всего лишь одну октаву этого огромного диапазона.
Электромагнитный спектр непрерывен, и между соседними видами излучения нет никаких разрывов. Границы, установленные человеком, чисто условны и зависят от его способности непосредственно воспринимать лишь незначительную часть спектра, а также от случайного порядка, в котором делались открытия за пределами этой части. Обычно эти произвольные границы выражаются в длине волны или в частоте (количестве волн данной длины, производимых за секунду). Я же определю их здесь через энергию составляющих их фотонов — величину, прямо пропорциональную частоте.
Электромагнитное излучение с самыми длинными волнами (и, следовательно, состоящее из фотонов с наиболее низкими энергиями) —это радиоволны. Радиоволны в широком смысле охватывают фотоны с энергией 0,001 эв и меньше. Этот диапазон оказался чрезмерно большим, и для удобства его часто делят на три области: длинные, короткие и ультракороткие радиоволны. Последние часто называются микрорадиоволнами. Энергия их фотонов такова:
длинные радиоволны от 0 до 0,000 000 001 эв,
короткие радиоволны от 0,000 000 001 до 0,000 01 эв, ультракороткие волны от 0,000 01 до 0,001 эв Инфракрасную область в свою очередь можно подразделить на дальнюю, среднюю и ближнюю — в порядке уменьшения длины волны и возрастания энергии фотонов
дальняя инфракрасная область от 0,001 до 0,03 эв, средняя инфракрасная область от 0,03 до 0,3 эв, ближняя инфракрасная область от 0,3 до 1,5 эв Видимая область, как указывалось выше, лежит в диапазоне от 1,5 до 3,0 эв В соответствии с цветом энергия распределяется так (в среднем), красный 1,6 эв,
оранжевый 1,8 эв, желтый 2,0 эв,
зеленый 2,2 эв, синий 2,4 эв,
фиолетовый 2,7 эв. Электромагнитное излучение, фотоны которого обладают большей энергией, чем фотоны видимого света, включает ближнюю ультрафиолетовую область, далекую ультрафиолетовую область, рентгеновские лучи и гамма-лучи:
ближняя ультрафиолетовая область от 3 до 6 эв, дальняя ультрафиолетовая область от 6 до 100 эв, рентгеновские лучи от 100 до 100 000 эв,
гамма-лучи более 100 000 эв.
|
