Под знаком кванта.

«Волна» — одно из самых необходимых слов физики. Каждый представляет себе ее по-разному: один сразу же видит волны от брошенного в пруд камня, другой — синусоиду. Поскольку синусоиду рисовать проще — воспользуемся ею. У этой схематической волны четыре свойства: амплитуда А, длина волны λ, частота ν и скорость распространения υ. Амплитуда волны — это наибольшая ее высота. Что такое длина волны — понятно из рисунка. Скорость ее распространения, по-видимому, особых пояснений не требует.

Чтобы выяснить, что такое частота, проследим за движением волны в течение секунды. При скорости υ (см/с) она за это время пройдет расстояние υ (см). Подсчитав, сколько длин волн уместилось на этом отрезке, мы найдем частоту излучения: ν = υ/λ (с^-1).

Важнейшее свойство волн — их способность интерферировать, то есть способность волн уничтожать или усиливать друг друга, например, при отражении, и это именно то свойство, по которому волну всегда можно безошибочно отличить от потока частиц.

Еще одно свойство волны, которое отличает ее от частиц, — дифракция — состоит в ее способности огибать препятствия, если его размеры соизмеримы с длиной волны. Если препятствие невелико, то благодаря дифракции волна может разделиться, обойти его и, складываясь снова, усилить или погасить себя точно так же, как при сложении прямой и отраженной волн.

Именно таким способом, обнаружив интерференцию и дифракцию у рентгеновского и других видов излучения, установили, что все они — волны, только разной длины. Длина волны излучения и есть тот основной признак, по которому мы количественно различаем разные виды электромагнитного излучения. Наибольшая длина у радиоволн: от нескольких километров до нескольких сантиметров. У тепловых лучей она короче — от 1 до 10^-2 см. Еще короче волны видимого света, примерно 4∙10^-5—8∙0^-5 см. Наконец, у рентгеновских лучей длина волны составляет лишь 10^-7 — 10^-8 см. Все виды излучения распространяются с одной и той же скоростью — со скоростью света с = 3∙10¹⁰ см/с. Отсюда по формуле ν=c/λ очень просто вычислить частоту каждого вида излучения. Очевидно, для рентгеновского излучения она будет наибольшей, а для радиоволн — наименьшей.

Очень важно отдавать себе отчет в том, что, конечно, любое излучение — это не синусоида, изображенная на рисунке, а физический процесс, основные характеристики которого (например, периодичность), по счастью, можно выразить на языке таких простых моделей. У каждого вида излучения свои особенности. Сосредоточимся пока на том его виде, который для нас наиболее важен и привычен,— на солнечном излучении.

Когда вы греетесь на солнце, вы, наверное, не задумываетесь о сложном составе солнечного излучения, хотя иногда солнечные ожоги и напоминают вам об этом. Исаак Ньютон (1643—1727) жил в Англии, где солнце светит не так уж ярко, тем не менее он захотел узнать, из чего состоит солнечный свет. Чтобы выяснить это, Ньютон поставил в 1666 г. опыт, знакомый теперь каждому школьнику: пропуская луч солнца сквозь призму, он обнаружил позади нее на стене радугу — спектр солнечного света. Впоследствии его соотечественник Томас Юнг (1773—1829) выяснил, что каждому цвету радуги-спектра соответствует своя длина волны солнечного излучения: самые длинные волны у красного цвета — 650 нм; у зеленого короче — 520 нм; еще короче у фиолетового— 400 нм (1 нм = 10^-7 см).

Спектр излучения любого тела — будь то Солнце или раскаленный железный лом — полностью известен, если мы, во-первых, знаем, из каких волн он состоит и, во-вторых, какую долю они составляют в общем потоке излучения. В частности, цвет раскаленного тела определяют те волны, которых больше всего в спектре его излучения. При изменении температуры тела спектральный состав его излучения также меняется. Пока температура тела невысока, оно излучает, но не светится, то есть испускает только тепловые волны, невидимые для глаза. При повышении температуры оно начинает светиться: сначала красным, затем оранжевым, желтым и т. д. цветом. Например, при температуре 6000 °C больше всего излучается желтых лучей (именно по этому признаку определили температуру поверхности Солнца).

В конце прошлого века законы теплового излучения тел стали предметом пристального внимания ученых. В значительной мере это было обусловлено потребностями металлургии и, в частности, изобретением в 1856 г. Генрихом Бессемером (1813—1898) нового способа производства стали, получившего впоследствии название бессемеровского.

Спектральный состав излучения принято описывать с помощью спектральной функции u(v,T), которая показывает, чему равна доля излучения с частотой v в его общем потоке при заданной температуре тела Т. Типичная спектральная функция u(v,T) изображена на рисунке: примерно так выглядит спектральный состав излучения Солнца.