Рис. 12. Примеры аномального (для цинка) и аномального (для дублета натрия) эффекта Зеемана
Как раз перед этим открытием Г.А. Лоренц (1853—1928) начал создавать теорию свойств электронов, которая позднее была опубликована в его знаменитой книге «Теория электронов» (Лейпциг, 1909). Он сразу же объяснил этот эффект, рассматривая электроны, связанные в атомах квазиупругим образом.
Лоренц также работал в Лейденском университете, где он получил докторскую степень в 1875 г. В возрасте двадцати четырех лет, в 1877 г., он был назначен заведующим кафедрой теоретической физики в Голландии.
Лоренц имел обширные интересы в физике и математике, но его наиболее значительным достижением было развитие электромагнитной теории Максвелла до этапа, где стала очевидной необходимость радикального изменения основ физики, что инспирировало теорию относительности Эйнштейна. Он объяснил отрицательный результат 1887 г. опыта Альберта А. Майкельсона (1852—1931) и Эдварда В. Морли (1838— 1923). В этом эксперименте пытались «увидеть», не распространяется ли свет с разной скоростью в направлениях по движению Земли в пространстве и перпендикулярном ему. Лоренц предположил, что материальные тела сокращаются в размере по направлению своего движения. В 1904 г. он формализовал эту гипотезу, известную как «лоренцовское сокращение», дав математическую форму этого преобразования. Эти преобразования Лоренца сыграли очень важную роль в теории Эйнштейна, которая теоретически укрепила их основу.
В серии работ, опубликованных в период 1892—1904 гг., Лоренц построил «электронную» теорию, которая позволила ему объяснить ряд явлений. Он использовал свою теорию для объяснения эффекта, открытого Зееманом, и оба эти исследователя разделили Нобелевскую премию в 1902 г. за открытие и объяснение этого важного эффекта.
Согласно теории Лоренца, свет испускается атомными заряженными частицами (электронами), на движение которых влияет магнитное поле согласно законам классического электромагнетизма. Из изменения частоты, получаемого из-за магнитного поля, Лоренц и Зееман смогли определить отношение между зарядом и массой частицы, которая испускает свет, а также знак и значение заряда. Первоначально они допустили ошибку в расчетах и сочли, что знак положителен, но затем исправили расчет и получили отрицательный знак. В это же время в Кембридже Дж. Дж. Томсон в экспериментах 1897 года, измерил отношение между зарядом и массой свободного электрона, а позднее, в 1899 г., измерил знак заряда. Полученные данные были идентичны тем, что были найдены Зееманом и Лоренцем и доказывали, что электроны независимо от их происхождения являются идентичными.
Не следует недооценивать важность эффекта Лоренца в теории строения атома. Успех, достигнутый теорией Лоренца эффекта Зеемана, показал, что частицы с одним и тем же отношением заряд/масса, что и электрон, присутствуют в атоме и ответственны за испускание спектральных линий. Это было прямым доказательством, что испускание света производится электронами.
После этих первых экспериментов ряд других физиков, Престон, Рунге и Пашен, и Ланде, изучили магнитное расщепление спектральных линий. Принципиальным результатом этих исследований было то, что многие линии, среди которых и D-дублет натрия, расщепляются не на три линии, как предсказывала теория Лоренца, а на большее число компонент (см. рис. 12). Этот эффект был назван «аномальным эффектом Зеемана» и получил объяснение только в 1925 г., когда Уленбек и Гоудсмит ввели «спин электрона».
Первая модель атома
В заключение, мы можем сказать, что в первые годы XX в. был дан первый, может быть не полный, ответ на вопрос как излучается свет, а атомы с их электрическими зарядами были сочтены ответственными за это. Однако, как устроены атомы и, соответственно, каковы процессы испускания света, никто не знал.
Одна из проблем касалась числа электронов в атоме. Первые модели атома предполагали, что это число велико. Эта гипотеза поддерживалась спектроскопическими наблюдениями. Поскольку предполагалось, что спектральные линии производятся колебаниями электронов, а наблюдались тысячи линий, то полагали, что они испускаются тысячами электронов.
Томсон, который благодаря открытию электрона считался признанным авторитетом, выдвинул в 1903—1904 гг. свою модель атома. В соответствие с ней, атом представляет однородно заряженную сферу с положительным зарядом, в которой помещаются электроны, подобно изюминкам в пудинге. Положительный заряд и отрицательная сумма всех электронов равны по абсолютной величине. Электроны притягиваются к центру сферы и отталкиваются друг от друга, согласно закону Кулона электрического взаимодействия. Нормальное состояние атома получается, когда система этих противоположных сил уравновешена. Если атом подвергается возмущению (или, как говорят физики, «возбуждается») при столкновении с другим атомом или при прохождении электрона, его внутренние электроны начинают колебаться вокруг положения равновесия и излучается свет на тех частотах, которые измеряются спектроскопически. По физическим законам можно рассчитать эти частоты. Томсон и его ученики сделали сложные вычисления, чтобы найти такие конфигурации, которые дали бы правильные частоты. Эти вычисления не привели к успеху. Как мы увидим, эта модель совершенно неверная.
ГЛАВА 3
ИЗЛУЧЕНИЕ ЧЕРНОГО ТЕЛА
Как мы видели, к концу XIX в. ученые пришли к убеждению, что свет является электромагнитной волной. Однако в то же самое время, когда волновая теория получала все большую поддержку, были открыты новые явления, которые противоречили ей. Среди этих явлений было изучение того, как физическое тело поглощает или испускает тепло. Ожидалось, что эта проблема получит простое и немедленное решение. Однако этого не получилось, и когда в конце концов решение было найдено, оно нанесло первый удар по волновой теории света.
Излучение и температура
Если мы трогаем тело рукой, мы ощущаем тепло, если оно имеет высокую температуру. Такое же ощущение мы испытываем, если мы не касаемся тела, но находимся близко от него. Это получается благодаря передаче тепла через воздух. Однако, даже если мы удалим воздух, окружающий тело, передача тепла все равно имеет место.
Сейчас мы знаем, что тело передает свое тепло, т.е. свою энергию, частично в виде электромагнитных волн. Волны, которые переносят наибольшую часть этой энергии и которые ответственны за ощущение тепла, обозначаются как «инфракрасное излучение». Длины этих волн простираются почти по всей области между миллиметром и тысячной долей миллиметра (микрон), и они невидимы глазом. Однако энергия, передаваемая видимым излучением от Солнца через миллионы километров, также может преобразовываться в тепло. Это хорошо известно всем, кто загорает летом.
Фридрих Вильгельм Гершель (1738—1822), родившийся в Ганновере, а затем натурализовавшийся в Англии, на заре XIX в. продемонстрировал эффект нагрева, т.е. увеличение температуры тела, инфракрасным излучением. Экспериментальная регистрация инфракрасного излучения была существенно улучшена в 1881 г., когда С.П. Лангли (1834—1906) изобрел т.н. «болометр». Этот инструмент, состоящий из платиновой проволоки, покрытой черным слоем сажи, способен измерять температуру благодаря изменению электрического сопротивления проволоки.
Итак, мы можем сказать, что горячее тело испускает энергию в окружающее пространство частично в виде излучения. При увеличении температуры увеличивается испускаемая энергия, а длина волны излучения уменьшается от инфракрасной области до видимой. При температуре около тысячи градусов тело представляется красным; при дальнейшем увеличении температуры интенсивный цвет последовательно изменяется от красного к оранжевому и далее к голубому.
Точное соотношение между цветом тела и его температурой было установлено в XIX в. с помощью серии измерений и вычислений, первоначально основанных на термодинамике. Термодинамика — часть физики, имеющая дело с соотношением между работой и теплом, испускаемым или поглощаемым телами. В ее основе два фундаментальных принципа. Один утверждает, что невозможно построить машину, которая непрерывно (т.е. циклично) совершает только работу, т.е. устанавливается принцип сохранения энергии, и невозможность создания вечного двигателя первого рода.