Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Предисловие

Этой 4-й книгой серии «Физика для всех» заканчивается рассмотрение основ физики.

Что понимать под этим неопределенным словом «основы»?

Прежде всего те фундаментальные законы, на которых покоится все здание физики. Их не так много, так что можно даже перечислить: законы движения классической механики; законы термодинамики; законы, содержащиеся в уравнениях Максвелла и командующие над зарядами, токами и электромагнитными полями; законы квантовой физики и теория относительности.

Законы физики, как и всего естествознания, имеют эмпирическую природу. Мы приходим к ним путем наблюдения и эксперимента. Опытом устанавливается множество первичных фактов: строение вещества из атомов и молекул, ядерная модель атома, волново-корпускулярный аспект материи… Как число фундаментальных законов, так и число основных фактов и понятий, которые нужны для их описания, не так уж велико и во всяком случае ограничено.

За последние десятилетия физика разрослась настолько, что лица, работающие в разных ее областях, перестают понимать друг друга, как только разговор выходит за рамки того, что их объединяет в одну семью, — за пределы законов и понятий, лежащих в основе всех разделов физики. Отдельные главы физики тесно переплелись с техникой, с другими частями естествознание, с медициной и даже с гуманитарными науками. Неудивительно, что они оформились в самостоятельные дисциплины.

Вряд ли кто-либо будет спорить, что изложению областей прикладной физики должно предшествовать обсуждение основных законов и фактов. Но столь же очевидно, что разные авторы, в зависимости от своего индивидуального вкуса и узкой специальности, будут отбирать и компоновать материал, нужный для построения фундамента физики, каждый по-своему. На суд читателя выносится один из возможных вариантов изложения основ физики.

О круге читателей серии «Физика для всех» уже говорилось в предисловии к первым выпускам. Эти книги написаны для представителей всех профессий, желающих вспомнить физику, представить себе ее современный облик, оценить влияние на научно-технический прогресс и значение для формирования материалистического взгляда на мир. Многие страницы книг заинтересуют учителей физики и школьников, которые полюбили физику. Надо думать, что кое-что интересное для себя найдут в этих книгах и те читатели, которых отпугивают алгебраические формулы.

Разумеется, эта серия книг не имеет в виду, что кто-либо будет с их помощью изучать предмет. Для этого существуют учебники.

Книга «Фотоны и ядра» должна, по мысли автора, показать читателю, как работают законы электромагнитного поля и квантовой физики при рассмотрении поведения электромагнитных волн разной длины. Перед тем как перейти к разговору об атомных ядрах, читатель получит представление о волновой механике и специальной теории относительности. После изложения основных фактов, касающихся строения атомного ядра, мы перейдем к разговору о волнующей человечество теме об источниках энергии на Земле. И, наконец, закончим повествование кратким рассказом о физике Вселенной.

Малый объем книги не позволил остановиться на многих традиционных темах. Старому пришлось уступить место новому.

А. И. Китайгородский

Глава 1

Мягкое электромагнитное излучение

Мягким мы называем то электромагнитное излучение, длины волн которого лежат примерно в интервале от 0,1 до 100 мкм. При этом надо сделать еще одну оговорку. Говоря о мягком излучении, мы будем иметь в виду электромагнитные волны, которые создаются не радиотехническими способами. Эта оговорка необходима, ибо чисто радиотехническими методами можно «залезть» в область мягкого излучения.

Довольно часто мягкое излучение называют также световым. Пользуясь этим термином, надо не забывать, что видимый свет занимает лишь узкий участок длин волн, который для «среднего» человеческого глаза лежит в пределах от 380 до 780 нм (0,38—0,78 мкм).

Если дальше мы будем пользоваться термином «свет», то только в широком смысле слова, ибо законы, справедливые для видимого участка спектра, верны и для всех остальных представителей мягкого излучения.

Напомним также, что излучение более коротковолновое, чем видимый свет, носит название ультрафиолетового, а более длинноволновое — инфракрасного.

Теперь мы можем перейти к теме параграфа.

Как нам известно, существуют три способа обмена теплом. Явления носят названия теплопроводности, тепловой конвекции и теплового излучения. Для того чтобы исследовать обмен энергией, происходящий за счет теплового излучения, надо посмотреть, как ведут себя тела, находящиеся в вакууме (исключена конвекция) на некотором расстоянии друг от друга (исключена теплопроводность).

Опыт показывает, что если два или много тел образуют замкнутую систему (читатель помнит, что это означает отсутствие обмена энергией с предметами, которые в систему не входят), то температуры этих тел выравниваются. Каждое из тел системы является одновременно и излучателем, и поглотителем. Происходят бесчисленные акты переходов атомов и молекул с более высокого уровня на низкий (при этом испускается соответствующий фотон) и с более низкого уровня на высокий (фотон поглощается). В обмене энергией участвуют фотоны всех энергий, или, что то же самое, электромагнитные волны всех длин.

Разумеется, тело не поглощает всю энергию, которая на него падает. Могут быть такие тела, которые в большей степени рассеивают или пропускают через себя те или иные лучи. Но это дела не меняет: тепловое равновесие все равно наступает рано или поздно.

Условие теплового равновесия требует, чтобы отношение энергии поглощения к энергии испускания волны определенной длины было одинаковым для всех тел. Эту теорему строго доказал в 1860 г. немецкий физик Густав Кирхгоф (1824–1887). Для разных температур отношение может меняться, но если температура задана, оно будет одинаковым для фотонов заданной энергии.

Теорема в достаточной степени ясная. Можно сказать, что и в доказательстве она не нуждается. Смысл закона состоит в том, что число поглощенных фотонов данного сорта (т. е. данной энергии) при тепловом равновесии равно числу излученных фотонов того же сорта.

Отсюда следует такое правило: если предмет сильно поглощает какие-либо лучи, то эти же лучи он сильно излучает.

Это правило помогает предсказать условия, при которых наступит тепловое равновесие. Почему мало нагреется под действием солнечных лучей вода, заключенная в бутыль с посеребренными стенками, и сильно нагреется вода в фляжке из черного стекла? Объяснение очевидно: тело черного цвета сильно поглощает лучи, их энергия пойдет на повышение температуры, тепловое равновесие установится после сильного нагрева. Напротив, посеребренная поверхность является превосходным отражателем. Предмет поглощает мало энергии, нагревание будет идти лишь медленным темпом, равновесие установится при низкой температуре.

А теперь, так сказать, «переверните» опыт. Налейте горячую воду в обе фляжки и поставьте их в холодильник. В каком случае охлаждение произойдет быстрее? Быстрее нагрев, быстрее и охлаждение. Больше энергии поглощается, больше и отдается.

Очень эффектны опыты с цветной керамикой. Если предмет окрашен в зеленый цвет, то это значит, что черепок поглощает все цвета, кроме зеленого. Ведь глаз видит те световые лучи, которые отражаются или рассеиваются веществом. Теперь раскалим черепок. Каким мы его увидим? Ответ у вас уже на кончике языка: он нам представится фиолетовым, ибо фиолетовый — цвет, дополнительный к желто-зеленому. Про цвет говорят, что он дополнительный к такому-то, если в смеси эти два цвета дают белый.

Термин «дополнительные цвета» ввел в науку еще Ньютон, когда он с помощью стеклянной призмы разложил белый свет в спектр.

Хорошо известно, что кусок металла, который начинают греть, сначала раскаляется докрасна, потом добела. Большинство химических веществ раскалить не удается. Они либо плавятся, либо разлагаются. Так что все сказанное ниже в основном относится к металлам.