Глеб Анфилов - Искусственное Солнце
1. СВЕРКАЮЩИЙ ПОКРОВ
РОЖДЕНИЕ СВЕТА
Солнце — прежде всего необозримый океан света.
А что такое свет?
Не ищите легкого объяснения.
- Природа света на редкость сложна и противоречива. Кстати сказать, в конце XIX века это послужило одной из причин «кризиса» физики.
Вы никогда не поставите знак равенства между морской зыбью и брошенным камнем. Волны и частицы — вещи разные.
А вот свет одновременно несет в себе свойства и того и другого.
С одной стороны, он ведет себя, как электромагнитные волны, но только очень короткие. Волны длиной 0,4 микрона дают красный свет, 0,5 микрона — сине-зеленый и т. д. Как подобает волнам, свет проходит сквозь узкие щели, огибает препятствия, преломляется и отражается.
Но вместе с тем он рождается, гибнет и взаимодействует с веществом не как волны, а как частицы — фотоны, дискретные порции (кванты) электромагнитного поля. Свету разных цветов соответствуют фотоны неодинаковых энергий: наименее энергичные — красному, наиболее энергичные — фиолетовому. Энергия фотонов связана с частотой световых колебаний простеньким соотношением:
Здесь Е — энергия фотона в эргах, v — частота (число полных колебаний в секунду), h — величина, называемая постоянной Планка, или квантом действия, которая равна 6,62377 . 10-27 эрг. секунду.
Излучая свет, атомы «стреляют» световыми «пулями».
Посмотрим, как это происходит.
Вот атом движется среди своих собратьев. Неожиданно он сталкивается с соседом и переходит в менее устойчивое состояние. Один из его электронов срывается со своей орбиты (пути движения вокруг ядра) и перескакивает на другую орбиту, расположенную от ядра подальше. В таком состоянии частички атома могут находиться разное время. Если электрону легко вернуться на прежнюю орбиту, он это делает сразу же, а излишек энергии освобождается в виде порции света — фотона. Тут и происходит «стрельба световыми пулями».
Именно такова сущность свечения тел из-за нагревания; ведь в этом случае атомы обладают большой энергией и могут при столкновениях передавать ее крупными «порциями».
Столкновения атомов создают и свет пламени лучины, и вспышку спички, и сверкание расплавленной стали. Чем сильнее нагрето тело, тем интенсивнее беспорядочное движение его атомов. При высокой температуре столкновения атомов чаще, чем при низкой. Поэтому, раскаляя тело, мы заставляем его светиться ярче.
Вы наверняка замечали и другое: кусок железа в печи ведет себя, как хамелеон — сначала краснеет, потом делается оранжевым и, наконец, желто-белым.
Это тоже понятно. Повышается температура—и не только чаще, но и сильнее становятся атомные столкновения. Естественно, что при этом «выбиваются» все более энергичные фотоны — на смену излишку красных лучей идет излишек желтых, зеленых и т. д. Соотношение количества разных лучей меняется, а это и влечет за собой изменение цвета.
ФАРФОР И САЖА
Теперь мы знаем, как определить издалека температуру нагретого предмета: можно по яркости его излучения и по цвету. Оба способа широко используются на практике. Кузнец, глядя на раскаленный кусок металла, прикидывает по цвету, не пора ли его вынуть из горна и ковать. Сталевар, оценивая яркость жидкой стали, принимает меры, чтобы не поджечь свод мартена. Изобретены и действуют разнообразные приборы, которые заменяют в таких измерениях человеческий глаз и довольно точно фиксируют температуру нагретых тел.
А нельзя ли этими способами узнать, как раскалена поверхность Солнца?
Можно, но только при соблюдении некоторых предосторожностей.
Дело вот в чем: тела разного цвета неодинаково излучают свет при нагревании. Раскаленный кусочек фарфора сияет слабее и как бы краснее, чем доведенная до той же температуры крупинка сажи. С чем же правильнее сравнить Солнце — с фарфором или с сажей?
Не будем спешить с ответом. Прежде разберемся в том, что такое «черное тело».
«Черное» — значит поглощающее свет. В большой мере таким свойством обладает сажа. Однако и сажа, вопреки поговорке, чуть-чуть бела, ибо небольшую долю света она отражает. Ее хоть и с трудом, но можно осветить.
А есть что-нибудь чернее сажи?
Возьмите какую-нибудь полость — к примеру, бочку из-под бензина —и проделайте в стенке маленькую дырочку. Эта дырочка — чемпион черноты. Осветить ее практически невозможно. Любой луч, направленный в бочку, исчезает в ней, полностью поглощается. Мы получили то, что в физике именуют «абсолютно черным телом».
Начнем теперь любым способом нагревать внутреннюю полость нашей бочки, позаботившись о том, чтобы она не передавала тепло наружу.
Вот температура достаточно высока. Стенки начали изнутри светиться. В полости появилось надежно плененное излучение. Количество его при каждой температуре наибольшее — ведь оно никуда не уходит (то, что выходит из маленькой дырочки, очень мало). В соответствии с температурой меняется при нагреве качество излучения — грубо говоря, его цвет. И яркость и спектр нетрудно исследовать по световому лучу, выходящему из маленького отверстия.
После многочисленных опытов и сложных теоретических изысканий физики раскрыли закон излучения такого абсолютно черного тела. Была выведена точная формула зависимости плотности излучения (количества энергии в кубическом сантиметре) от температуры и цвета, точнее, местоположения максимума энергии в спектре.
Выяснил эту закономерность в начале нашего столетия немецкий ученый Макс Планк, и она послужила первой ласточкой последующего развития науки, называемой квантовой механикой, которой суждено было смести прочь гнетущее наследие «кризиса науки» и о которой нам еще предстоит говорить впереди.
ЧЕРНОЕ СОЛНЦЕ
Мы однажды чуть было не обиделись на астрономов, прозвавших грандиозное Солнце «желтым карликом».
Пожалуй, еще обиднее назвать сверкающее золотом светило черным и даже абсолютно черным.
Но ничего не поделаешь. Физики выяснили, что ряд свойств Солнца заставляет для решения некоторых проблем считать его очень похожим на абсолютно черное тело.
Дело тут вот в чем.
Оказывается, наружные солнечные слои поглощают все излучение, падающее на них изнутри (почему это происходит, вы узнаете позднее). А ведь также вели себя и стенки нашей бочки. Кроме того, как ни велик поток лучистой энергии, уходящей с солнечной поверхности в окружающее пространство, он все же совершенно ничтожен по сравнению с невообразимо огромным количеством излучения, спрятанного внутри светила. Атмосфера Солнца — это как бы гигантское непрозрачное одеяло. Свет и тепло, льющиеся из нее наружу, равносильны тоненькому лучику, который выходил из крошечной дырочки в стенке бочки — модели абсолютно черного тела.
В общем, мы вынуждены, попросив извинения у Солнца, признать его черным.
А теперь приступим к измерению температуры поверхности Солнца.
На пути пучка солнечных лучей поместим трехгранную стеклянную призму. Выйдя из нее, пучок вытягивается в радужную полоску спектра. Волны разной длины, составляющие лучи солнечного света, в нем как бы расставлены «по росту». Самые «рослые» волны — носители красных лучей — оказались на одном фланге, самые коротенькие — фиолетовые — на другом. Почему так происходит? Потому что лучи разного цвета по-разному преломляются в стекле: сильнее всего — фиолетовые, слабее всего—красные.
Теперь «поставим градусник» солнечному спектру.
Возьмем чувствительный термометр и выкрасим черной тушью его шарик с ртутью. Получится прибор, называемый болометром.
Внесем шарик болометра в радужную полоску. Ртутный столбик чуть-чуть поднимется. Это понятно: ведь черная краска поглотила световую энергию, нагрелась, передала тепло ртути, а та расширилась и поднялась вверх по тоненькой трубочке.
Теперь медленно проведем шарик вдоль радужной полоски и будем зорко следить за подъемом ртутного столбика. Мы заметим, что, выше всего столбик поднимается тогда, когда шарик будет находиться в сине-зеленой части спектра. Если для измерения применить не ртутный, а исключительно чуткий электрический болометр, то удастся весьма точно определить место наибольшей энергии солнечного спектра. Оно находится там, где лежат сине-зеленые световые волны длиной 0,47 микрона.
Остается по формуле, выведенной для равновесного излучения абсолютно черного тела, вычислить, какой температуре соответствует найденное положение максимума энергии в спектре. Подсчет приведет нас к ответу: 5700 градусов. Вот как нагрето солнечное «одеяло»!
