Валерий Чолаков
Нобеловите награди (7) (Учени и открития (1901–1982))

Закони на излъчването

Към края на 17 век Нютон успя да разложи бялата светлина на лъчи с различни цветове. Този ефектен експеримент положи началото на изследвания върху светлинното излъчване, които две столетия по-късно доведоха до забележителни последствия във физиката. В началото на 19 век, с усъвършенствуването на оптическите прибори, бяха получени доста добри спектри на светлина от различни източници. Постепенното натрупване на данни бе обобщено в 1859 г. от Кирхоф и Бунзен, които изказаха идеята за наличието на връзка между спектрите и свойствата на атомите.

В 1868 г. Мичерлих предположи, че спектрите носят информация за процесите вътре в самия атом. Впоследствие закономерностите, открити в спектрите, все по-убедително потвърждаваха това мнение. В 1885 г. Йохан Балмер установи, че между някои линии от спектъра на водорода съществува връзка, която той изрази с математическа формула. По-нататък, в 1890 г., Йоханес Ридберг въведе в спектроскопията своята добре известна константа, която изразява връзката между различните серии спектрални линии.

Класическата физика не можеше да обясни тези закономерности, тъй като учените не бяха наясно как точно се осъществява излъчването. В края на миналия век тези процеси се разглеждаха от позициите на термодинамиката. Най-напред, в 1879 г., Йозеф Стефан експериментално откри, че енергията, която се излъчва от нагрято тяло, е пропорционална на неговата температура. Този резултат бе интерпретиран теоретически в 1884 г. от Лудвиг Болцман. По същото време върху проблема за излъчването работеше и немският физик Вилхелм Вин, асистент на Хелмхолц във Физикотехническия институт в Берлин. В 1893 г. той публикува своите изследвания за разпределението на излъчването на нагрято тяло по протежение на спектъра. С точния език на науката Вин описа общоизвестния факт, че с нажежаването телата променят цвета си от червено към синкаво бяло. В науката неговите изводи останаха известни като закона за преместването на Вин.

Тези експериментално открити закономерности бяха връх на постиженията на класическата физика в теорията за излъчването на нагретите тела. Изследванията на немския учен подготвиха почвата за революционните промени, които настъпиха в началото на века във физиката, и в знак на признание за тези заслуги през 1911 г. на Вилхелм Вин бе дадена Нобеловата награда по физика за откриване на закономерности в топлинното излъчване.

Със законите на излъчването в края на миналия век се занимаваше и един друг известен учен — Джон Уилиам Страт, лорд Рейли, който в 1900 г. публикува свои резултати за разпределението на енергията в спектъра на излъчването. Неговите данни обаче никак не се съгласуваха с изводите на Вин, направени в друга част на спектъра. В науката се заговори за т.нар. „ултравиолетова катастрофа“, тъй като точно в този диапазон се получаваше конфликтът между двата експеримента. Това бе едно от тези „малки облачета“, които разваляха ясния хоризонт на класическата физика в края на 19 век.

За да примири противоречивите изводи, най-крупният германски физик-теоретик от онова време — Макс Планк, се реши на смело допускане. В 1900 г., след шест години работа над проблема за излъчването на абсолютно черното тяло, той предположи, че енергията се отделя на определени порции — кванти, като енергията на всеки квант е пропорционална на честотата на вълната, т.е. на цвета на излъчваната светлина. Благодарение на това допущане Планк успя теоретически да изведе закон за разпределението на енергията по целия спектър на излъчващото тяло.

Експериментаторите веднага приеха новата теория и скоро намериха многобройни потвърждения. За теоретиците обаче това бе голям удар. Още от работата на Нютон и Лайбниц, създатели на диференциалното смятане, което оперира с безкрайно малките величини, всички физици се възпитаваха в дух на безпределна делимост на предметите и явленията. И изведнъж се оказваше, че излъчването има атомистичен характер и не може да става по произволен начин. Дори самият Планк приемаше с резерви откритието си като продиктувано от неизбежна необходимост.

Следващата стъпка в утвърждаването на идеята за квантите бе направена през 1905 г. от Алберт Айнщайн. Докато Планк приемаше, че само излъчването става на порции, Айнщайн показа, че и самата светлина има квантова структура и представлява поток от светлинни частици — фотони, това всъщност бе възраждане на старата корпускулярна теория за светлината на Нютон. С помощта на тези представи Айнщайн успя да обясни редица явления, между които и фотоелектричния ефект.

Това явление на взаимодействие между светлината и материята бе открито през 1887 г. от Хайнрих Херц. Скоро след това експериментално описание бе дадено от руския физик Александър Столетов. Тези двама учени всъщност наблюдаваха т.нар. външен фотоефект, при който фотоните избиват електрони извън веществото. Освен него съществува и вътрешен фотоефект, открит още в 1873 г. от американския физик У. Смит, при който електроните остават вътре във веществото и се регистрират като повишение на електропроводимостта.

Представите на Айнщайн за светлината като поток от частици дадоха възможност да се обясни фотоефектът като процес на предаване на енергия от фотона към електроните на атома. Трябваше обаче да мине време, докато тези нови възгледи се наложат в науката. Планк стана Нобелов лауреат за откриването на елементарните „количества“ на излъчването — квантите едва през 1918 г., почти две десетилетия, след като бе разработил тази идея. Алберт Айнщайн получи през 1922 г. наградата по физика за 1921 г. По това време той беше вече световноизвестен физик, автор на знаменитата теория на относителността и затова в мотивацията на наградата се споменава за заслуги в теоретичната физика наред с откриването на законите на фотоефекта.

Идеите на Айнщайн за фотоефекта в началото имаха малко привърженици, тъй като липсваха експериментални данни в тяхна подкрепа. Едва през есента на 1912 г. американският физик Робърт Миликан извърши в Чикагския университет първите опити, които потвърждаваха новите схващания за светлината. Лабораторната работа продължи почти три години. През това време Миликан създаде оригинален апарат, в който можеха да се поставят различни метали, да се осветяват със светлина от определен цвят и да се измерва количеството на отделните електрони и тяхната енергия. Този интересен уред даде възможност да се изчисли най-напред т.нар. константа на Планк, която се определя от съотношението на енергията и честотата на кванта. Другият резултат беше, че експерименталните данни потвърждаваха фотоелектричното уравнение на Айнщайн.

Талантливият експериментатор Робърт Миликан има и още едно голямо постижение, с което е известен на науката. С помощта на оригинална апаратура той успя да измери електрическия заряд на електрона — атома на електричеството. За това откритие, а също и за изследванията си върху фотоефекта той получи Нобеловата награда по физика за 1923 г.

През 60-те години на 19 век във физиката бе осъществен един забележителен синтез. Английският физик Джеймс Кларк Максуел обедини явленията на електричеството, магнетизма и светлината в теория за електромагнитното поле. Така се оформи нов раздел на физиката, наречен електродинамика. Идеите на Максуел бяха доразвити и поставени на нова основа от холандския физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц. Той свърза електромагнитната теория на Максуел с представите за атомистичния характер на електричеството. Според неговите представи електрическите, магнитните и оптическите явления се обясняваха като движения на дискретни електрически заряди.

Основите на своята „електронна теория“ Лоренц постави в 1880 г. Според нея атомите се състоят от електрони и положително заредени частици, които ги неутрализират. При движението на тези заряди се появяват електрични и магнитни полета. С помощта на подобни представи Лоренц успя да обясни редица електрически и оптически явления и дори да предскаже такива феномени, които още не бяха наблюдавани. По-специално той посочи, че спектралните линии в излъчването — резултат от движението на електроните, ще се променят под действието на електрични и магнитни полета, тъй като тези полета влияят на електроните. Предсказанието на Лоренц бе потвърдено през август 1896 г. от неговия сънародник, младия холандски физик Питер Зееман.

В експеримента на Зееман пламъкът на газова горелка бе поставен между полюсите на електромагнит. Чрез добавяне на обикновена сол в пламъка се получаваше спектралното излъчване на натрия. При включване на магнитното поле спектралните линии се разширяваха в точно съответствие с теорията на Лоренц. По същото време Томсън изследваше електроните с други методи и данните за тези частици, получени от независими експерименти, бяха сериозно доказателство за тяхното реално съществуване.

Идеите на Хендрик Лоренц и откритията на Питер Зееман бяха голяма крачка напред в изучаването на механизма на излъчването. Още в 1902 г. те намериха признание в решението на Нобеловия комитет за удостояването на двамата холандци с наградата за физика.

От теорията на Лоренц следваше, че електричното поле също трябва да оказва влияние върху светлинното излъчване. Експерименталното доказателство на този извод се забави значително поради чисто технически причини.

Ако се постави пламък между два електрода, електрично поле не може да се създаде, тъй като пламъкът провежда ток. Едва в 1913 г. Йоханес Щарк избягна този проблем, като създаде друга експериментална постановка, базираща се на каналните лъчи. Това излъчване е своеобразен антипод на катодното. Ако в катода на вакуумна тръба се пробият канали, през тях минават частици, представляващи положително заредени йони, които излъчват светлина. Поставяйки каналните лъчи в електрично поле, Щарк откри предсказаното от теорията въздействие върху излъчването на светлината. Това явление бе наречено „ефект на Щарк“ по подобие на известния вече ефект на Зееман. Откритието донесе на Йоханес Щарк Нобеловата награда по физика за 1919 г.

Изследванията върху закономерностите на излъчването дадоха много ценна информация за вътрешното устройство на атома. За да се избере обаче между различните модели, трябваше да се приложат и други експериментални методи, което стана възможно едва в началото на нашия век.