Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - [34]
В 1883 году ученый получил от Королевского общества медаль Копли за открытие закона всеобщего рассеяния энергии, исследовательскую работу и выдающийся вклад в экспериментальную и математическую физику, особенно в области теорий электричества и термодинамики.
Все преимущества и недостатки Томсона в полной мере проявились в знаменитых Балтиморских лекциях (Baltimore Lectures), которые он прочитал в 1884 году в Америке, в Университете Джона Хопкинса, по завершении конгресса Британской ассоциации развития науки, который в этом году состоялся в Монреале (Канада). В предисловии к переизданию лекций, написанном самим Томсоном в 1904 году, отмечено:
«Когда ректор Гилман пригласил меня прочитать курс лекций на одну из тем физической науки по моему выбору, я с удовольствием принял это приглашение. Я выбрал в качестве темы волновую теорию света, имея целью в большей степени подчеркнуть ее ошибки, чем описать молодым студентам тот удивительный успех, с которым эта красивая теория объяснила все, что было известно о свете до Френеля и Томаса Юнга, что породило волны нового знания, обогатив всю физическую науку».
Это был второй визит ученого в США. В 1876 году он присутствовал здесь в качестве члена жюри секции технических инструментов на Всемирной выставке в Филадельфии, где смог познакомиться с молодым Томасом Эдисоном (18471931), представившим свой автоматический телеграфный приемник. Тогда Томсон также смог поэкспериментировать с другим средством связи на расстоянии — телефоном, который недавно запатентовал британский ученый Александр Грейам Белл (1847-1922), хотя само устройство изобрел в 1860 году итальянец Антонио Санти Джузеппе Меуччи (1808-1889).
Начиная с 1 октября Томсон прочитал 20 лекций под общим названием «О молекулярной динамике и волновой теории света». Как это происходило и на его университетских занятиях, ученый не готовил речи детально, а развивал их в форме дискуссии с аудиторией, ставя перед ней различные проблемы. Лорд Рэлей, присутствовавший на некоторых беседах, восхищался Томсоном: «какое это было поразительное выступление! Я часто выяснял, что утреннее занятие было основано на вопросах, возникших во время нашей с ним беседы за завтраком».
Как Томсон отметил в предисловии, он намеревался выявить ошибки волновой теории света, то есть теории, введенной Максвеллом за 20 лет до этого и все еще вызывавшей сомнения. Основное возражение Томсона было связано с самими абстрактными выводами Максвелла, который никогда не давал ответа на важные для этой теории вопросы: что такое свет? что такое электрические и магнитные поля? как они распространяются в вакууме? из чего состоит сам вакуум?
Электромагнитное излучение включает в себя целый набор волн, имеющих одно общее свойство: они распространяются в вакууме со скоростью с = = 299792, 458 км/с. Этот набор охватывает волны от радиочастот до гамма-излучения (характеристика некоторых ядерных процессов), включая инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи. Для каждого вида излучения характерна собственная энергия Е, представленная в электрон-вольтах на верхней оси прилагаемой шкалы (1 эВ = 1, 60217646 х 10>-19 Дж). Излучение энергии выше примерно 10>2эВ называется ионизирующим, оно используется, среди прочего, в радиотерапии и радиодиагностике. Как и любые другие волны, электромагнитное излучение характеризуется двумя свойствами, связанными с энергией. Одно из них — частота, υ = E/h, где h, значение которого равно 6, 62606896 х 10>-34 Дж х с, — это постоянная Планка. Она дает представление о числе колебаний волны в секунду. Значения частоты в Гц показаны на центральной оси шкалы. Другое свойство — это длина волны, равная λ= hc/E, где с — скорость света в вакууме. Значения, которые она может принимать для электромагнитного излучения, приведены в метрах на нижней оси. Видимый свет занимает лишь небольшой фрагмент электромагнитного спектра — приблизительно от 0, 38 мкм, что соответствует фиолетовому, до 0, 78 мкм, что соответствует красному.
Оптический спектрометр, или спектроскоп, — это аппарат, позволяющий изучать электромагнитное излучение. В случае с видимым светом в спектрометрах используется оптическая призма или дифракционная решетка - два оптических элемента, которые позволяют разделить луч света, падающий на прибор, на волны различной длины. Как видно на рисунке, когда поток белого света падает на призму, каждый цвет преломляется под разным углом, так что на выходе из призмы волны оказываются разделенными. В 1814 году фон Фраунгофер изучал свет, излучаемый Солнцем, с помощью одного из этих устройств и обнаружил, что на фоне из соответствующих цветов появляется ряд черных линий. Затем он проанализировал свет, испускаемый пламенем, и обнаружил противоположное: на темном фоне появляются цветные линии.
В течение XIX века было накоплено много спектроскопической информации, которая не поддавалась объяснениям с помощью существующих моделей. В 1885 году швейцарский математик и физик Иоганн Якоб Бальмер (1825-1898) нашел эмпирическую формулу, которая описывала длины волн видимого спектра водорода. В 1888 году шведский физик Йоханнес Роберт Ридберг (1854-1919) предложил более общее выражение, позволившее предсказать длины волн спектральных линий многих химических элементов как в видимой области, так и в инфракрасной и ультрафиолетовой. Окончательное объяснение пришло с появлением квантовой механики, согласно которой испускание и поглощение атомами и молекулами материи электромагнитного излучения вызвано тем, что некоторые их электроны переходят между квантовыми уровнями энергии.
