Текст книги "История науки"

Электричество и магнетизм

МАГНИТНЫЕ явления были известны достаточно давно. Ещё в первом тысячелетии нашей эры в Китае был изобретен компас, указывавший, где север и где юг.

В 1600 году английский врач Уильям Гилберт (1544–1603) выпустил книгу «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», в которых попытался создать теорию магнетизма. Он установил, что любые магниты имеют два полюса, при этом разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются. Проводя опыты с железным шаром, который взаимодействовал со стрелкой компаса, он предположил, что Земля является гигантским магнитом. По мнению Гилберта, полюса этого магнита совпадали с полюсами Земли. Именно этим он объяснил способность компаса указывать направление на север и на юг.

У. Гилберт обратил внимание на то, что некоторые тела (например, куски янтаря) после натирания могут притягивать к себе маленькие предметы. Это свойство Гилберт назвал ЭЛЕКТРИЧЕСТВОМ (от слова electricus – янтарь). Никаких связей между электрическими и магнитными явлениями Гилберт не видел.

Серьезное исследование электрических явлений началось только в XVIII веке.

В 1733 году французский физик (и, по совместительству, директор Ботанического сада) Шарль Франсуа Дюфе (1698–1739) обнаружил, что существует два типа электричества. Один тип накапливается на стекле при его натирании, а другой – на янтаре. Дюфе обнаружил, что два тела, несущие стекольное электричество, отталкиваются друг от друга, так же, как и два тела, несущие янтарное электричество. А если одно тело несет стекольное электричество, а другое – янтарное, то эти тела притягиваются друг к другу. Так были открыты ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ и ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ. Эти термины ввел в 1749 году Бенджамин Франклин (1706–1790). В этом же году он впервые сформулировал гипотезу о СОХРАНЕНИИ СУММАРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА, согласно которому появление или исчезновение заряда одного знака обязательно сопровождается появлением или исчезновением такого же заряда противоположного знака.

В 1843 году Майкл Фарадей (1791–1867) экспериментально проверил выполнимость этого гипотезы в разных ситуациях. Его вывод был однозначен: гипотеза верна и её следует считать фундаментальным ЗАКОНОМ ПРИРОДЫ.

В своей работе, опубликованной в 1737 году, Ш. Ф. Дюфе прозорливо писал: «Электричество является универсальным свойством, распространенным по всей известной нам материи и оно, вероятно, играет значительно большую роль в мировом механизме, чем мы предполагаем».

В 1745 году голландский физик Питер ван Мушенбрук (1692–1761) изобрел Лейденскую банку – первый конденсатор, позволяющий накапливать электрические заряды. При разряде банки протекал кратковременный ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. Лейденская банка позволила обнаружить, что существуют вещества, хорошо проводящие электричество, и существуют вещества, которые проводят электричество плохо.

Вскоре Б. Франклин показал, что разряд Лейденской банки и молния во время грозы – это, в принципе, одно и то же. В России исследованием атмосферного электричества активно занимался Георг Вильгельм Рихман (1711–1753), погибший во время эксперимента 6 августа 1753 года.

В 1749 американский физик и философ Бенджамин Франклин (1706–1790) выдвинул гипотезу о том, что электричество представляет собой своеобразную материальную субстанцию и высказал идею о существовании «атомов электричества» – мельчайших, ДАЛЕЕ НЕДЕЛИМЫХ, ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ зарядов. Никаких экспериментальных обоснований этой идеи он не дал и не мог дать.

В Европейской науке идею о дискретности элементарных электрических зарядов выдвинул в 1801 году Иоганн Риттер (1776–1810) и развил в своей работе 1848 года Вильгельм Вебер (1804–1891).

В 1780 году итальянский физик Алессандро Вольта (1745–1827) изобрел ЭЛЕКТРОСКОП – прибор, позволяющий измерить величину электрического заряда. В основе прибора лежали две соединенные друг с другом узкие металлические пластинки. При соприкосновении с заряженным телом эти пластинки приобретали электрических заряд и начинали отталкиваться друг от друга. По углу расхождения этих пластинок и определялась величина заряда тела.

В 1785 году Шарль Огюстен Кулон (1736–1806) с помощью тонких измерений показал, что сила, с которой взаимодействуют два малых заряженных тела, пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Этот закон получил название ЗАКОН КУЛОНА.

В 1800 года Алессандро Вольта (1745–1827) впервые получил длительно протекающий ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. Он опустил в раствор серной кислоты и медного купороса пластины из меди и цинка. Если пластину из цинка соединяли металлическим проводом с пластиной из меди, то на цинковой пластине происходило растворение цинка, а на медной – оседание меди.

В том же 1800 году английские исследователи Уильям Никольсон (1753–1815) и Энтони Карлайл (1768–1842), соединив последовательно 17 элементов А. Вольта, создали БАТАРЕЮ, с помощью которой осуществили ЭЛЕКТРОЛИЗ воды, получив при этом газообразный водород и кислород. А в 1802 году русский физик Василий Владимирович Петров (1761–1834) соединил последовательно более 2 тысяч (!!!) элементов Вольта создал гигантскую батарею, дающую напряжение 1700 вольт. Используя эту батарею, Петров получил дуговой разряд.

В 1803 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776–1810) изобрел АККУМУЛЯТОР, который не только давал электрический ток, но и заряжался от других источников тока.

В 1800 году химик и Министр просвещения Франции Антуан де Фуркруа (1755–1809) обнаружил, что проводник, по которому течет электрический ток, нагревается.

В 1819 году Ханс Эрстед (1777–1851) показал, что проводник, по которому течет электрический ток, вызывает отклонение стрелки компаса. Это означало, что электрические и магнитные явления тесно связаны между собой.

В 1820 году Иоганн Швайггер (1779–1857) сконструировал прибор, позволяющий измерять силу тока по величине отклонения магнитной стрелки. Вначале этот прибор назвали мультипликатором, а в 1836 году он получил современное название ГАЛЬВАНОМЕТР.

Представления о принципиальном единстве электрических и магнитных явлений были сформулированы и систематизированы в работах Андре Мари Ампера (1775–1836).

В 1824 году А. М. Ампер показал, что два параллельно расположенных проводника, по которым течет электрический ток, взаимодействуют друг с другом. Если ток течет в одном направлении, то проводники притягиваются друг к другу, если в разных, то отталкиваются. Этот эффект очень удобно наблюдать, когда проводники располагаются в виде замкнутых колец друг над другом. На основании своих наблюдений Ампер сделал далеко идущие выводы.

В конце XVIII и начале XIX веков считалось, что существуют «магнитные заряды», подобные электрическим зарядам. Предполагали, что существует два типа зарядов: «северный» и «южный», одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные заряды притягиваются. Ампер предположил, что магнитных зарядов не существует, а магнитные силы связаны с протеканием КРУГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ.

В том же 1824 году А. М. Ампер изобрел ЭЛЕКТРОМАГНИТ. На катушку наматывался медный провод, а в полость внутри катушки вставлялся железный стержень. При пропускании электрического тока такое устройство превращалось в сильный магнит.

А. М. Ампер ввел понятия: ЭЛЕКТРОСТАТИКА, ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, ЭДС, НАПРЯЖЕНИЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.

В конце жизни Ампер высказывался в пользу теории биологической эволюции и животного происхождения человека.

В 1826 году Георг Ом (1789–1854) открыл закон Ома. Как мы помним из школьной программы, этот закон утверждает, что I = U/R, где I – сила тока, U – напряжение на концах проводника, а R – сопротивление. Однако в 1826 году таких понятий, как напряжение и сопротивление в науке не было. Ом подсоединял к электрической батарее провода разной длины и измерял отклонение стрелки гальванометра. В результате у него появилась зависимость I = a/(b + k*l), где I – отклонение стрелки, а, b и k – константы, l – длина проводов. Ом сообразил, что за величиной а стоит некоторая сила, создаваемая батареей, за величинами b и k – своеобразное «трение», которое мешает электричеству идти по батарее и проводам. Для величины а Ом ввел понятие НАПРЯЖЕНИЯ, а для величины b + k*l – сопротивление.

В дальнейшем было обнаружено, что величина k обратно пропорциональна площади поперечного сечения провода и зависит от того, из какого металла был сделан провод. А если последовательно соединить n одинаковых батарей, то в n раз возрастет и величина а и величина b. Если же n одинаковых батарей соединить параллельно, то величина а не измениться, а величина b уменьшится в n раз.

В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, показав, что изменение магнитного поля порождает разность электрических потенциалов на концах помещенного в переменное магнитное поле проводника. Замкнув проводник, эту разность потенциалов можно использовать для получения электрического тока. Это открытие позволило увязать в единое целое механические, электрические и магнитные явления и открыло перед Человечеством новые технические возможности.

В том же 1831 году Фарадей построил устройство для преобразования механического движения в электрическую. Оно представляло собой вращающийся медный диск, часть которого находилась между полюсами постоянного магнита. Это устройство создавало небольшую разность электрических потенциалов между осью и краем диска. Замкнув их с помощью проводника, можно было получить достаточно большой ток. Вскоре было показано, что при замене медного диска катушкой с плотно намотанным на неё медным проводом, можно значительно увеличить разность электрических потенциалов.

Эти наблюдения позволили создать ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСТВА, превращающий механическую энергию в электрическую, а также решить обратную задачу, создав ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, превращающий энергию электрического тока в энергию механического движения. В 1833 году русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) сформулировал представление о том, что одно и то же устройство может, в принципе, работать и как генератор и как электродвигатель.

В 1850-х годах английское правительство предложило Фарадею принять участие в разработке химического оружия, которое хотели использовать против русской армии. Исследователь с негодованием отверг это предложение как глубоко безнравственное.

В 1834 году Мориц Герман Якоби (1801–1874) сконструировал первый электродвигатель, превращающий электрическую энергию в движение. М. Г. Якоби родился и вырос в Германии и там же изобрел электродвигатель. В середине 1830-х годов он переехал в Россию, где жил и работал до конца своей жизни. В России он стал Борисом Семеновичем. Так же, как Екатерина II, Якоби считал Россию своей второй родиной.

Широкомасштабное внедрение электродвигателей началось только в 1870-х годах после того, как был изобретен способ передачи электроэнергии без значительных потерь на далекие расстояния.

Важное практическое значение имела и обратная задача: превращение энергии механического движения в энергию электрического поля. Такое устройство, пригодное для практического применения. в начале 1830 годов изобрели независимо друг от друга словак Аньош Йедлик (1800–1895) и француз Ипполит Пикси (1808–1835).

Такие устройства, в основе конструкции которой лежит вращение, генерируют переменный ток, периодически меняющий направление. Но располагая определенным образом устройства для съема электроэнергии, можно превратить снимаемый ток в пульсирующий, но не меняющий направление, а затем искусственно сгладить его колебания. Такие устройства получили названия динамомашин. Первую динамо-машину изобрел итальянский физик Антонио Пачинотти (1841–1912) в 1860 году в возрасте 19 лет. Пригодную для широкого промышленного использования динамомашину изобрел в 1870 году Зеноб Теофил Грамм (1826–1901). В дальнейшем динамомашины были вытеснены генераторами переменного тока.

В 1864 году, обобщив все известные данные по электричеству и магнетизму, Джеймс Максвелл (1831–1879) создает теорию электромагнитного поля. Это поле он описывает в виде громоздкой системы из 20 дифференциальных уравнений. В 1880 году, уже после смерти Максвелла Оливер Хевисайд (1850–1925) упрощает теорию Максвелла, сведя её всего к 4-м уравнениям, записанным в векторном виде. Эти уравнения, созданные Хевисайдом, получили в физике название УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА.

Одним из следствий теории Максвелла являлась возможность существования и распространения электромагнитных волн. Эти волны были открыты в 1887 году Генрихом Герцем (1857–1894).

Вопросы:

**. Кем, когда и как было обнаружено, что электрические заряды бывают положительными и отрицательными?

**. Кем и когда был сформулирован закон сохранения электрического заряда?

**. В чем заключается закон Кулона?

**. Чем отличается аккумулятор от обычной батареи?

**. Когда и кем была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями?

**. В чем заключается закон Ома?

**. Кто придумал уравнения Максвелла в современной форме?

Вопросы для любителей подумать:

**. Как люди могли определить, где север, а где юг до изобретения компаса?

**. Как могли получать электрические заряды в 1750 году? В 1820 году?

**. Можно ли с помощью электроскопа определить не только абсолютную величину, но и знак заряда (положительный или отрицательный)?

**. Как можно экспериментально доказать закон Ома?

**. Может ли батарея давать переменный ток?

**. Почему электродвигатели начали применять только через 40 лет после их изобретения?

Свет, спектры, спектральный анализ, поляризация света

Большой интерес у исследователей вызывал вопрос о природе света. По этому поводу в науке сформировались две точки зрения. Первая точка зрения заключалась в том, что свет – это поток каких-то частиц, вторая – что свет – это волны, распространяющиеся в таинственной субстанции – эфире. Сторонником первой точки зрения был Исаак Ньютон (1643–1727), сторонником второй – Христиан Гюйгенс (1629–1695). В пользу представления о свете, как о потоке частиц, свидетельствовало прямолинейное распространение светового луча, в пользу волновых представлений – открытые в середине XVII века явления интерференции (открыли независимо Роберт Бойль (1627–1691) и Роберт Гук (1635–1703)) и дифракции (открыл Франческо Гримальди (1618–1663)) света.

Уже в XX веке стало понятно, что обе точки зрения верны: свет можно рассматривать и как поток частиц, и как распространяющиеся волны. Но только волны эти распространяются не в эфире, а в пустоте.

Дискуссии на эту тему мы подробно рассмотрим в разделе, посвященном науке XX века. Отметим, однако, что отсутствие единства взглядов на природу света не мешало успешным экспериментальным исследованиям.

Очень давно исследователи обратили внимание на способность света отражаться от разных предметов и преломляться при переходе из одной среды в другую.

О том, что свет отражается от поверхности под тем же углом, под которым падает, знал ещё Евклид (365–300 до н. э.).

Изучая преломление света при переходе из одной среды в другую, голландский физик Виллеброд Снеллиус (1580–1626) сформулировал основной закон преломления. Согласно этому закону, любая среда характеризуется определенной величиной – ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ и когда световой луч падает на границу между средами под каким-то углом, то, перейдя границу, он изменяет свое направление так, что произведение показателя преломления на синус угла между направлением луча и перпендикуляром к поверхности остается постоянным.

Показатель преломления для вакуума равен единице, для воздуха – очень близок к единице, для реальных веществ – больше единицы, но не очень намного.

Среды с большим показателем преломления называются оптически более плотными.

Теоретические расчеты показали, что этот закон справедлив не только для световых, но и для любых волн, и за показателями преломления стоят разные скорости распространения волны в разных средах. При этом коэффициент преломления той или иной среды будет обратно пропорциональным скорости распространения света в ней.

Из закона Снеллиуса (или, как для краткости предпочитают говорить, закона Снелла) следует очень неожиданный вывод. Когда свет падает на границу раздела под малым углом к поверхности раздела сред, то он не может выйти в оптически менее плотную среду. Ибо в этом случае соотношение n₁*sin(a₁) = n₂*sin(a₂) выполняться не будет, поскольку величина (n₁/n₂)*sin(a₁) окажется больше единицы (n₁ и n₂ – показатели преломления сред, a₁ и a₂ – углы падения и преломления). Этот эффект (он называется ПОЛНЫМ ВНУТРЕННИМ ОТРАЖЕНИЕМ) экспериментально обнаружил Джон Тиндаль (1820–1893) в 1870 году. Полное внутренне отражение широко используется в наши дни для передачи световых сигналов по длинным световодам.

Было также показано, что коэффициент преломления зависит от длины волны света. Чем меньше длина волны, тем выше коэффициент преломления света для оптически плотной среды. На этом факте основано разложение с помощью призмы белого света на свет разных цветов.

Такое разложение впервые осуществил Исаак Ньютон (1643–1727) в 1671 году. Самая левая линия была фиолетовой, затем шла синяя линия, затем – голубая, затем – зеленая, затем – желтая, затем оранжевая и затем красная. Из этого результата Ньютон сделал вывод о том, что белый свет – это смесь световых лучей, имеющих разную окраску.

Полученные им световые полосы И. Ньютон назвал СПЕКТРОМ.

Для того, чтобы запомнить последовательность отдельных цветов в спектре от красного к синему было придумано множество запоминалок. Например:

Как Однажды Жак Звонарь Городской Сломал Фонарь.

Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан

Кот Ослу Жирафу Зайке Голубые Сшил Фуфайки

Как Отлична Жизнь Земная Гадок Сам Финал

Сегодня мы знаем, что по-разному окрашенный свет имеет разную длину волны и разную энергию отдельный частичек света – фотонов. Чем более лучи той или иной окраски сдвинуты влево, тем меньше длина волны и тем больше энергия фотона, Самой маленькой длиной волны и самой большой энергией фотона обладают лучи фиолетовой окраски, самой большой длиной волны и самой маленькой энергией фотона – лучи красной окраски. Но во времена И. Ньютона об этом никто не знал.

В начале XIX века было обнаружено существование не только видимого, но и невидимого света.

Инфракрасное излучение открыл в 1800 году астроном Уильям Гершель (1738–1822). Он наблюдал за Солнцем с помощью телескопа и при этом телескоп сильно нагревался. Желая понять, какое именно излучение вносит наибольший вклад в нагрев телескопа, Гершель разложил солнечные лучи с помощью призмы и пустил излучение разных цветов на экран. Температуру разных точек на экране У. Гершель измерял с помощью чувствительных термометров.

На левую сторону экрана падали фиолетовые и синие лучи, немного правее – зеленые, ещё правее – желтые, и, наконец, красные.

К своему удивлению У. Гершель увидел, что сильнее всего экран нагревался… справа от красный лучей! То есть в тех местах, куда никакой видимый свет не падал.

У. Гершель сделал логическое предположение, что справа от красных лучей на экран падают невидимые глазу лучи, которые позже были названы ИНФРАКРАСНЫМИ ЛУЧАМИ. Именно инфракрасные лучи вносят самый большой вклад в нагревании тел.

Чуть позже, в 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776–1810) обнаружил другие невидимые лучи – те, которые падают на экран слева от фиолетовых лучей. Он исследовал почернение хлорида серебра под влиянием фиолетового излучения. Смазав экран хлоридом серебра, И. Риттер обнаружил, что быстрее всего экран темнее слева от фиолетовых лучей, там, где никакого света не видно.

Так же, как и Гершель, Риттер сделал вывод о том, что слева от фиолетовых лучей на экран падают невидимые глазу УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ЛУЧИ. В том же 1801 году ультрафиолетовые лучи независимо обнаружил и английский исследователь Уильям Волластон (1766–1828).

Удивительно, но ещё в XIII веке о фиолетовом свете, невидимом обычным глазом, писал индийский мудрец Шри Мадхвачарья (1238–1317).

Длительное время считалось, что ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения имеют различную природу. Лишь в 1840 г. Александром Беккерелем (1820–1891) и Мачедонио Меллони (1798–1854) было показано, что инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение по своей природе принципиально не отличаются. Они отличаются лишь ДЛИНОЙ ВОЛНЫ. Самую большую длину волны имеет инфракрасное излучение, меньшую – видимый свет и ещё меньшую – ультрафиолетовое излучение.

В 1802 году Уильям Волластон (1766–1828) обнаружил в спектре солнечного излучения узкие темные линии, однако значения своим наблюдениям не придал. В 1814 году эти темные линии подробно изучил немецкий физик Йозеф Фраунгофер (1787–1826). Он показал, что эти линии располагаются всегда в одних и тех же местах. В спектре Солнца Фраунгофер насчитал более 500 линий. В том, какова природа Фраунгоферовых линий, физики разобрались только в середине XIX века.

В 1854 году Густав Кирхгоф (1824–1887) и Роберт Бунзен (1811–1899) начали изучать спектры пламени, в которых помещались различные соли металлов и обнаружили ряд очень интересных фактов. Во-первых, оказалось, что спектр излучения солей не непрерывен, а дискретен, то есть состоит из отдельных, очень узких линий. При этом каждый металл, входивший в состав соли (термина «катион» тогда ещё не было), давал свой набор линий. Этот набор не зависел от того, в состав какой соли входил металл. Последний вывод имел очень важное значение, ибо позволял обнаруживать одни и те же элементы в самых разных соединениях.

В 1859 году Г. Кирхгоф неожиданно обнаружил, что в спектре излучения некоторых металлов светлые линии находятся именно там, где в полученных И. Фраунгофером спектрах находились темные полосы. Этот факт позволил Кирхгофу сделать два предположения. Первое предположение заключалось в том, что химические элементы поглощают свет в той же области спектра, где и излучают его при нагревании. А второе предположение – в том, что атомы металлов в поверхностной оболочке Солнца поглощают идущий из солнечных недр свет, в результате чего и появляются темные полосы в спектрах Фраунгофера. Отсюда был сделан очень важный вывод о том, что по спектрам можно судить о том, из каких химических элементов состоят далеко расположенные тела.

Ещё в 1842 году философ Огюст Конт (1798–1857) писал о том, что мы никогда не сможем ничего узнать про химический состав Солнца и звезд. Но не прошло и 20 лет, как развитие науки опровергло его предсказание.

В настоящее время анализ спектров (или, как принято говорить в современной науке, СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ) играет очень важную роль как в научных исследованиях, как и в практической деятельности. При этом исследуются как спектры поглощения, так спектры излучения.

Спектральный анализ позволил обнаружить химические элементы, которые вообще не вступают ни в какие химические реакции и обнаружить их каким-либо иным путем невозможно.

В 1868 году независимо друг от друга французский астроном Пьер Жансен (1824–1907) и английский астроном Норман Локьер (1836–1920) обнаружили в спектре Солнца линию, не принадлежащую ни одному из известных химических элементов. Они пришли к выводу, что эта принадлежит химическому элементу, не встречающемуся на Земле. В 1870 году Н. Локьер назвал этот элемент ГЕЛИЕМ (Солнечным).

В 1881 году итальянский физик Луиджи Пальмиери (1807–1896) наблюдал линию гелия в вулканических газах, но этот факт прошел незамеченным.

В 1894 году сравнивая плотности атмосферного азота с плотностью эквивалентного количества азота, полученного химическим путем, английский физик Джон Стретт (лорд Рэлей) (1842–1919) обнаружил, что плотность атмосферного азота явно выше. Узнав об этом факте, химик Уильям Рамзай (1852–1916) предположил, что в атмосфере присутствует ещё какой-то газ, не вступающий в химические реакции и поэтому не выявляемый химическими методами. Этот газ, по мнению Рамзая, состоял из отдельных атомов ранее неизвестного химического элемента.

С помощью анализа спектров Рамзай установил наличие в атмосфере ранее неизвестного химического элемента, который он назвал АРГОНОМ. То же название получил и газ, состоящий из атомов этого элемента.

Рамзай четко осознал, что принципиальной особенностью аргона является его неспособность вступать в какие-либо химические реакции. Он назвал аргон ИНЕРТНЫМ ГАЗОМ (как газ) или ИНЕРТНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ (как элемент) и занялся поиском других таких же элементов.

Уже в 1895 году У. Рамзай обнаружил в одном из минералов спектральную линию гелия и сделал вывод о том, что гелий также является инертным элементом. И встречается не только на Солнце. В 1898 году У. Рамзай открыл ещё три инертных элемента: КРИПТОН, КСЕНОН и НЕОН, а в 1908 году – РАДОН.

Спектры можно снимать не только в области видимого света, но и в ультрафиолетовой и инфракрасной области.

Снимать инфракрасные спектры стало возможным после того, как в конце XIX века английский фотограф Уильям Эбней (1843–1920) изобрел эмульсию, чернеющую под действием инфракрасного излучения. После чего Великий американский физик-экспериментатор Роберт Вуд (1868–1955) создал инфракрасный спектрограф. Уже в начале XX века американский физик Уильям Кобленц (1873–1962) получил спектры большого числа веществ.

При прохождении пучка света через вещество с ним могут происходить разные изменения. Пучок может поглощаться, может рассеиваться. И даже может вызывать вторичное свечение самого вещества.

В 1729 году французский исследователь Пьер Бугер (1698–1758) показал, что количество света, поглощенного пластинкой, прямо пропорционально интенсивности светового пучка. А из этого с помощью несложных вычислений можно сделать вывод о том, что интенсивность светового пучка, проходящего через однородную пластинку определенной толщины, упадет в exp(– kl) раз (k – коэффициент, зависящий от длины волны света и материала пластинки, l – толщина пластинки). Этот вывод получил название закона Бугера-Ламберта-Бера.

В пустоте свет распространяется по прямой. Но проходя через определенные среды, свет может рассеиваться, причем свет с разной длиной волны рассеивается по-разному.

В 1868 году Джон Тиндаль (1820–1893) показал, что при пропускании пучка света через коллоидный раствор, свет рассеивается и пучок превращается в конус. Он установил, что более коротковолновый свет рассеивается сильнее, чем более длинноволновой.

В 1871 году Уильям Рэлей (1842–1919) объяснил рассеяние света его взаимодействием с частицами, размеры которых значительно меньше длины волны. При этом взаимодействии электромагнитные колебания световой волны поляризуют частицы, что приводит к изменению направления света. Он теоретически вывел формулу, связывающую интенсивность рассеяния с длиной волны. Оказалось, что интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Поэтому то голубой свет рассеивается гораздо сильнее, чем красный и мы видим небо голубым, а Солнце на закате красным.

Дальнейшие исследования показали, что существуют и другие, более сложные формы рассеяния. И при рассеянии может даже меняться длина волны.

А, собственно, почему тела светятся? В большинстве случаев потому, что они нагреты до высокой температуры. При этом, как стало понятным после появления Закона Сохранения энергии, энергия тепла переходит в энергию света.

Но есть и холодной свечение. О существовании жуков-светляков знали очень давно. А в 1669 году немецкий алхимик Хенниг Бранд (1630–1710) обнаружил холодное свечение и в неживой природе.

Х. Бранд мечтал получить золото… из мочи. С этой целью он договорился с военными, которые за небольшую плату регулярно привозили ему из казарм солдатскую мочу. Получить золото не удалось, но зато Бранд открыл новый химический элемент – фосфор. И обнаружил, что поверхность фосфора и пространство вокруг него светятся.

В 1801 году русский физик Василий Владимирович Петров (1761–1834) связал свечение фосфора с его окислением. Строго это было доказано только в середине XIX века. Свечение, происходящее за счет энергии, выделяющейся при химической реакции, получило название ХЕМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ.

В 1887 году французский исследователь Рафаэль Дюбуа (1849–1929) показал, что свечение светлячков тоже связано с химической реакцией. Он показал, что экстракт, полученный из ткани убитых светляков, может светиться. Однако свечение через некоторое время прекращается. Но после нагревания свечение прекращается о после охлаждения не восстанавливается.

Дюбуа провел очень изящный опыт. Он разделил экстракт на две части. Одну из них нагрел, а затем охладил, другую оставил при комнатной температуре. После того, как экстракт, оставленный при комнатной температуре, прекратил светиться, экспериментатор смешал обе части и смесь засветилась!

Исследователь предположил, что свечение связано с какой-то химической реакцией, ускоряемой катализатором, разрушающемся при нагревании. Горячая часть смеси прекращает светиться из-за разрушения катализатора, а холодная – из-за постепенного исчерпания реагента. В холодной части экстракта есть катализатор, но нет реагента, а в горячей есть реагент, но нет катализатора. А в смеси они снова встречаются.

Хемолюминесценция – не единственный способ люминесценции. Некоторые тела способны светиться под влиянием внешнего освещения. Это явление получило название ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ. Такое свечение происходит за счет энергии падающего света.

Фотолюминесценция была обнаружено достаточно давно, но всерьез его начал изучать английский физик Джордж Стокс (1819–1903) в начале 1850-х годов. Стокс показал, что длины волн такого свечения больше, чем длины волн падающего извне света. Этот вывод получил название «правила Стокса». Дальнейшие исследования показали, что это правило выполняется далеко не всегда, что объясняется современной квантовой физикой.

Давайте теперь поговорим об изучении ещё одного интересного явления: ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА.

В 1669 году датский физик Эразм Бартолин (1625–1698) показал, что после прохождения света через прозрачный кристалл исландского шпата изображение раздваивается. Бартолин сделал вывод о том, что луч света, падающий на кристалл, на самом деле состоит из двух лучей с разными показателями преломления в некоторых веществах, в частности, в том же исландском шпате. Эти лучи он назвал обыкновенным и необыкновенным (при падении на кристалл перпендикулярно его поверхности обыкновенный луч продолжает идти прямо, а необыкновенный отклоняется), а само явление – ДВОЙНЫМ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕМ. 20 лет спустя великий голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1695) вплотную занялся изучением двойного лучепреломления.