Освещение искусственное и естественное, светотехника. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ.
Электромагнитная волновая теория оказалась настолько эффективной как в объяснении известных явлений, так и в предсказании новых, что казалось невозможным даже и думать о каком-либо ином механизме распространения света. Тем не менее как раз в конце XIX в. появились сообщения об одном-двух любопытных наблюдениях, с малозначащими на первый взгляд выводами; однако они предопределили революцию не только в оптике, но и в самых фундаментальных основах физических наук.
Первые трудности выявились в 1897 г., когда в Германии Луммер и Прингсгейм сообщили о своих измерениях инфракрасного (теплового) излучения, испускаемого нагретыми телами. Немного ранее, чем они провели свои эксперименты, двумя английскими учеными, Релеем и Джинсом, была разработана теория теплового излучения, основанная, естественно, на признанной электромагнитной теории.
Если твердое тело нагреть, скажем, до красного каления, оно дает спектр излучения, простирающийся от красного до инфракрасного участков спектра. Очевидно, что кривая распределения инфракрасного излучения по спектру зависит от температуры излучающего тела. Что же сделали Релей и Джине? Они вычислили непосредственно из электромагнитной теории, как должна быть распределена энергия излучения между различными длинами волн при разных температурах излучателя.
Эти любопытные теоретические результаты схематически даны на рис. 6, где показано, каким образом энергия излучения распределяется по различным длинам волн. Из графика видно, что на долю длинных волн приходится лишь совсем небольшая часть энергии, однако энергия быстро растет с уменьшением длины волны то, что обнаружили Луммер и Прингсгейм. Пунктиром дана кривая, вычисленная Релеем — Джинсом. Эксперимент тальная кривая имеет горб и только частично совпавдает с вычисленной кривой. Луммер и Прингсгейм обнаружили, что при повышении температуры горб поднимается, а также сдвигается влево. По существу это означает, что распределение излучаемой нагретым телом энергии имеет максимум на некоторой длине волны и чем горячее тело, тем Дальше максимум сдвигается в видимую область к синему концу спектра. Это лишь более научное выражение веем известного явления, состоящего в том, что красное каление при повышении температуры становится белым, т. е. с повышением температуры в излучении появляется все большая и большая часть видимого спектра.
Максвелл и немецкий ученый Больцман
Конечно, самой существенной особенностью кривых Луммера — Прингсгейма является то, что они решительно противоречат однозначному предсказанию электромагнитной теории. Эта теория вступает здесь в явное противоречие с наблюдениями, ибо из нее следует, что по мере уменьшения длины волнц испускаемая энергия становится все больше, стремясь к бесконечно большой величине. Может быть, что-то не так в волновой теории?
Как раз в это же самее время был обнаружен особый эффект, относящийся к количеству тепла, необходимого для нагревания твердою тела. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы какого-либо вещества на один градус, называется удельной теплоемкостью, которая различна для разных веществ. Еще в 1818 г. французские ученые Дюлонг и Пти открыли, что количество тепла; необходимое для повышения. температуры одного и того же числа молекул на один градус, практически одинаково для всех элементов. Во второй половине XIX в. Максвелл и немецкий ученый Больцман заложили прочные основы кинетической теории газов —исследования свойств, возникающих вследствие движения составляющих их частиц. Согласно кинетической теории, молекулы газа находятся в состоянии непрерывного движения, причем интенсивность движения зависит от температуры. Молекулы газа быстро движутся и часто сталкиваются друг с другом. Например, в атмосфере на уровне моря каждая молекула газа испытывает столкновение не реже чем десять тысяч миллионов раз в секунду. В твердых телах молекулы не могут передвигаться свободно, они частично ограничены в своих движениях, и их тепловое движение — это в сущности быстрые колебания в некоторой фиксированной области, с которой они связаны.
Из теории молекулярного движения можно вычислить энергию, необходимую для повышения температуры тела, т. е. удельную теплоемкость, и к величайшему удовлетворению физиков XIX в. полученная из вычислений величина оказалась достаточно близкой к экспериментальным результатам, опубликованным почти на 100 лет раньше Дюлонгом и Пти. Это согласие рассматривалось всеми как достаточное подтверждение правильности кинетической теории молекулярных движений.
Тем не менее в конце столетия на пути этой теории появился камень преткновения. К тому времени была разработана техника получения низких температур. Было дбнаружено, что при измерении удельных теплоемкостей при очень низких температурах (а к 1895 г. при температуре ~-252 С был получен жидкий водород правило Дюлонга и Пти отказывает для всех веществ. Чем ниже была температура, тем меньше становилась удельная теплоемкость. Когда же после 1908 г. стал доступен жидкий гелий, стало ясно, что чем ближе температура к абсолютному нулю —273°С, тем больше удельная теплоемкость приближается к нулевому значению; эти сведения появились позднее, они соответствуют почти современному состоянию науки.