Спектр излучения

Спорщики разделились чуть ли не по национальному признаку: большинство немецких физиков утверждали, что эти излучения являются волной, а английские физики уверяли, что это поток заряженных частиц.

Впрочем, такое разделение было вполне обоснованно, так как именно в Германии в конце XIX века были обнаружены новые виды волн, несмотря на то что первое такое открытие было сделано англичанином Джеймсом Клерком Максвеллом.

Изучая феномен электрического и магнитного излучения, Максвелл пришел к выводу, что благодаря тесной связи между двумя явлениями можно говорить о электромагнетизме. В дальнейшем он выявил, что переменный электрический заряд приводит к появлению волнообразного электромагнитного излучения, распространяющегося со скоростью света. А раз скорость распространения такого излучения равняется огромной скорости распространения света, то получается, что сам свет является всего лишь частным случаем электромагнитного излучения.

Но если Максвелл прав, то человек, изменяя частоту переменного тока, может сам вызывать различные электромагнитные излучения. Для получения света необходим квадрильон колебаний в секунду. На практике невозможно достичь такой частоты, однако, согласно Максвеллу, теоретически никаких ограничений не существовало. Например, колебания электрического тока довольно низкой частоты — 1000 раз в секунду — порождают 1000 электромагнитных волн в секунду. Если цуг волн распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду, то каждая волна будет иметь длину 300 километров (что значительно превышает длину световой волны), но тем не менее существовать такие волны будут.

Первые попытки генерировать длинноволновое излучение были предприняты в 1997 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем (1857–1894). Он создал электромагнитную цепь, где сквозь небольшой воздушный промежуток проходила электрическая искра, которая и являлась тем вызывающим излучение переменным зарядом, о котором говорит Максвелл. Чтобы обнаружить, существует излучение или нет, Герц использовал специальный «приемник» — маленький прямоугольный кусок проволоки с небольшим разрывом на одной из сторон. Электромагнитное излучение, проходящее сквозь проволоку, должно было вызывать в ней электрический ток, под действием которого в воздушном промежутке должна была появиться электрическая искра.

И она появилась. Герц знал, что он обнаружил предсказанное Максвеллом электромагнитное излучение и тем самым доказал его теорию. Сначала излучение назвали волнами Герца, однако впоследствии его стали называть радиоволнами («волны, которые излучают»).

Открытие радиоволн показало физикам, насколько широк спектр электромагнитного излучения. Длина волны видимого спектра колеблется от 380 до 760 миллимикрон, т. е. одна октава. (Один миллимикрон — это миллиардная часть метра, а длина волны внутри одной октавы удваивается.)

В 1800 году немецкий астроном Уильям Гершель (1738–1822) открыл волны за пределами видимого спектра. Он изучал спектр солнечного света с помощью термометра и обнаружил, что наиболее сильно термометр нагревается лучами, находящимися ниже красного спектра. Гершель абсолютно верно заключил, что человеческий глаз не в состоянии увидеть весь спектр солнечного света.

Вначале лучи, столь быстро поднимающие столбик термометра, получили название «тепловые», но затем ученые стали использовать более научный термин инфракрасное излучение (т. е. «выше красного»). С развитием волновой теории света (см. ч. II) стало ясно, что волны этого излучения длиннее, чем волны видимого света.

Сегодня за нижнюю границу инфракрасного спектра принята точка в 760 миллимикрон, а за верхнюю — произвольная точка в 3 000 000 миллимикрон. Впрочем, для инфракрасного излучения удобнее пользоваться еще одной счетной единицей — микроном (мк = 1000 миллимикрон). Таким образом, границами спектра инфракрасного излучения являются 0,76 и 3000 микрон, т. е. около 12 октав.

Далее начинаются уже радиоволны. Сразу за отметкой в 3000 мк начинаются ставшие «известными» в последние годы микроволны («микро» — означает «среди радиоволн»), их спектр — от 3000 до 300 000 мк. Здесь уже удобнее пользоваться миллиметрами (в миллиметре — 1000 микрон). То есть спектр микроволн — от 3 до 300 мм (30 см).

За микроволнами начинаются уже «настоящие» радиоволны. Верхней границы у радиоволн нет. Можно генерировать радиоволны все более и более высокой частоты, пока уровень их энергии не станет настолько низким, что их просто нельзя будет обнаружить современными средствами. (Чем больше длина волны, тем меньше ее энергия. См. «Квантовая теория», ч. II.) В технике используются радиоволны длиной до 30 000 000 мм, то есть можно сказать, что спектр полезного радиоволнового излучения — от 300 до 30 000 000 мм (или 0,3–30 000 м).

Длина электромагнитных волн выходит и за пределы фиолетовой части видимого спектра. Впервые это обнаружил немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) в 1801 году. Он занимался изучением влияния света на нитрат серебра. Нитрат серебра белого цвета, однако под влиянием света из него высвобождаются частицы серебра черного цвета, вследствие чего сам нитрат приобретает сероватый оттенок. Эффект наиболее ярко выражен в тех участках, куда попадают короткие световые волны. (Впрочем, для современных ученых это вовсе не удивительно, так как известно, что короткие волны передают больше энергии, соответственно энергопотребляющая реакция протекает интенсивнее.) Риттер также обнаружил, что реакция идет еще быстрее под действием невидимого излучения, спектр которого лежит ниже фиолетовой части видимого спектра.

Как и Гершель, Риттер сделал вывод о том, что существует невидимое излучение, которое, вследствие своего действия на нитрат серебра, сначала получило название «химические лучи», но потом все чаще и чаще его стали называть ультрафиолетовым («ниже фиолетового»). Позже ученые определили, что длина волн у этого излучения была короче, чем у видимого света.

Сегодня любое излучение называется ультрафиолетовым, если длина его волны колеблется от 360 до 1 миллимикрона (чуть более 8 октав). Как выяснилось в 1890-х годах, общая длина электромагнитного спектра от ультрафиолетового излучения до радиоволн составляет 44 октавы, из которых лишь одна является спектром видимого света.

Тем не менее в электромагнитном спектре еще оставались «белые пятна». Следующий шаг на пути изучения электромагнитных волн сделал немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923). Он занимался изучением катодных лучей, и в частности свечения, которое возникало под воздействием этих лучей на определенные химические соединения.

Это свечение очень слабое, поэтому для наблюдения за ним Рентген затемнил комнату и поместил трубку в коробку из тонкого картона черного цвета. 5 ноября 1895 года ученый заметил в комнате свет, исходящий не из коробки с трубкой. На некотором расстоянии от прибора находился листок бумаги, покрытый цианоплатинитом бария (веществом, которое под действием электромагнитного излучения светится). Если бы трубка не была полностью закрыта картоном, то ученый вряд ли бы уделил свечению бумаги особое внимание.

Рентген выключил трубку, и свечение прекратилось. Он снова включил аппарат, и бумага вновь начала светиться. Тогда он занавесил окна в соседей комнате и положил листок туда. При включенной трубке листок продолжал светиться.

Рентген решил, что катодная трубка испускала какие-то лучи, которые ударялись о картон, и при столкновении этих лучей с твердым материалом их кинетическая энергия преобразовывалась в новую форму излучения. Это излучение было настолько сильным, что могло проникать сквозь толстую бумагу и даже сквозь тонкие листы металла. Свой первый отчет об этом Рентген опубликовал 28 декабря 1895 года.

Это излучение называют рентгеновским, по имени открывателя, однако сам Рентген называл его Х-лучами (X — знак неизвестности в математике, а Рентген ничего не знал о природе этого излучения). Хотя сегодня природа лучей, открытых Рентгеном, не представляет никакой загадки, определенного названия они так и не получили. (В русском языке используются наименования «рентгеновы лучи», «рентгеновские лучи» и «рентгеновское излучение». — Пер.)

Я так подробно описываю опыты Рентгена, потому что открытие рентгеновского излучения ознаменовало начало второй научной революции (первая началась с экспериментов Галилея — см. ч. I).

В принципе такое название слишком драматично, поскольку опыты Рентгена не привели к перелому в ходе развития науки. Многие физики того времени занимались изучением катодного излучения, а Крукс и Герц обнаружили новое излучение даже раньше, чем Рентген, хотя и не смогли правильно оценить значение своего открытия, так что открытие рентгеновского излучения были лишь делом времени. Если бы его не открыл Рентген, то открыл бы еще кто-нибудь, может быть, даже в течение нескольких недель. Более того, существование рентгеновского излучения подразумевалось еще в теории Максвелла. Восемью годами ранее были обнаружены радиоволны, и именно это важное открытие подтвердило верность теории Максвелла.

Тем не менее оба ученых приступили к изучению рентгеновского излучения с огромным энтузиазмом, способность рентгеновских лучей проникать сквозь материю просто заворожила их. 23 января 1896 года Рентген во время лекции сделал рентгеновский снимок руки добровольца — немецкого биолога Рудольфа Альберта фон Кёлликера (1817–1905). На снимке были четко видны кости, поскольку они, в отличие от плоти и крови, задерживали рентгеновские лучи. То есть там, где была плоть, рентгеновские лучи засвечивали пленку, расположенную под рукой, а там, где были кости, — нет. Поэтому на снимки кости были белыми, а все остальное — серым.

Польза рентгеновского излучения для медицины и стоматологии была очевидна. В этих областях рентгеновские лучи используются и по сей день. (О том, что эти лучи вызывают рак, ученые узнали лишь спустя несколько лет.) За открытием последовала целая волна экспериментов, с помощью которых человек смог лучше понять природу и Вселенную. Это действительно стало настоящей научной революцией.