Научная деятельность Густава Роберта Кирхгофа, крупнейшего физика прошлого века, связана с важнейшими этапами развития ряда областей современной физики. Теоретические и экспериментальные исследования Кирхгофа не только сыграли огромную роль в развитии физических наук, но и привели к созданию таких важных отраслей физики, как астрофизика и спектроскопия. Вместе с тем сделанные им научные открытия нашли серьезное практическое применение.
*
Биография Кирхгофа довольно типична для большинства германских ученых середины прошлого века. Детство и обучение в гимназии — в тихом провинциальном городке, экзамен на аттестат зрелости, поступление в университет, получение первой ученой степени, преподавание в средней и высшей школах, наконец, научная работа, трудолюбиво ведущаяся изо дня в день вплоть до конца жизни.
Кирхгоф учился в городской гимназии. 18 лет он блестяще сдал на аттестат зрелости и поступил в Кенигсбергский университет. Здесь Кирхгоф, между прочим, слушал лекции крупнейшего ученого того времени Франца Неймана, создавшего в Германии научную физико-математическую школу и известного своими работами в области теории света и электричества. Кроме Неймана, большое влияние на Кирхгофа имели лекции математика Фридриха Ришело.
Еще студентом Кирхгоф провел свою первую самостоятельную работу о прохождении электрических токов в пластинках. Эта работа, а также блестящее окончание университетского курса, доставили 23-летнему Кирхгофу ученую степень и премию на научную поездку в Париж. Однако Кирхгофу не удалось совершить эту поездку и познакомиться с зарубежной наукой. «Помешала» революция 1848 г.
В 1848 же году Кирхгоф получил в Берлине доцентуру, а в 1850 г. был приглашен в качестве профессора в Бреславский университет. В Бреславе Кирхгоф пробыл около четырех лет. Здесь он в 1851 г. встретился с знаменитым химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном. С Бунзеном у Кирхгофа установились чрезвычайно близкие отношения, положившие начало не только совместной работе обоих ученых, но и никогда на ослабевавшей тесной и искренней дружбе.
В 1852 г. Бунзен был вынужден покинуть Бреслав и переселиться в Гейдельберг. За ним последовал и Кирхгоф, получивший в 1854 г. приглашение занять в университете кафедру теоретической и экспериментальной физики.
Более чем двадцатилетнее пребывание в Гейдельберге было для Кирхгофа самым плодотворным периодом в его научной деятельности. К этому времени относятся его известные работы в области магнитной индукции и увековечившее его имя открытие спектрального анализа.
С конца 70-х годов здоровье Кирхгофа стало заметно ухудшаться. Это препятствовало успешному продолжению экспериментальных работ и интенсивной преподавательской деятельности. Кирхгоф принимает поэтому приглашение занять в Берлинском университете кафедру теоретический физики. Впоследствии его выдвигали на место ректора университета, но из-за болезненного состояния Кирхгофу пришлось отказаться от этого предложения, а в 1884 г. он по настоянию врачей вынужден был прервать и преподавательскую деятельность.
После непродолжительного отдыха, не принесшего заметного улучшения, Кирхгоф с большим трудом возобновил зимой 1885/86 г. чтение лекций, но это были его последние выступления перед аудиторией. Непрерывно ухудшающееся состояние здоровья не позволило Кирхгофу более вернуться к преподавательской деятельности. 17 октября 1887 г. Кирхгоф умер.
*
Кирхгоф представлял собой необыкновенно удачное сочетание выдающегося теоретика-мыслителя, в совершенстве владеющего математическим аппаратом, и талантливого, оригинального экспериментатора. Свои глубокие и необычайно плодотворные обобщения и теоретические построения в самых разнообразных отраслях физики Кирхгоф всегда старался подтвердить опытами, многие из которых производились с непревзойденным остроумием и находчивостью. Кирхгоф часто пользовался многочисленными, им самим придуманными приборами, проявляя при этом незаурядный изобретательский талант.
Столь же блестяще Кирхгоф проявил себя как педагог и популяризатор науки. Его лекции по теоретической и экспериментальной физике пользовались огромным успехом у студентов и являлись блестящим образцом научной популяризации. Кирхгоф обладал удивительной способностью в немногих словах излагать самые трудные проблемы. Трудно указать область физики, где бы Кирхгоф не дал свежих и оригинальных работ.
Исследования Кирхгофа в области механики, электричества (электрофизика, электрический ток, электромагнетизм), теплоты (упругость пара, распространение теплоты), акустики (распространение звука в узких трубках), света (явления отражения и преломления, исследования спектра) касались наиболее жгучих вопросов физики того времени.
Настойчивость и упорство, с которыми Кирхгоф производил свои исследования, граничат с подлинным самопожертвованием. Так, например, несмотря на самые энергичные протесты врачей, он продолжал свои исследования солнечного спектра, сильно расстроившие его зрение и угрожавшие слепотой,
*
В то время физика относилась с огромным интересом к изучению электричества. Электрический ток получает применение для телеграфной связи, одной из наиболее ранних областей современной электротехники; он применяется в области гальванотехники; делает свои первые шаги электрическое освещение; идут упорные попытки построить электрический двигатель. Наконец, в 60-х годах изобретение динамомашины, разрешившее проблему экономически выгодного превращения механической энергии в электрическую, явилось началом победоносного вторжения электричества во все области промышленности, транспорта и быта.
Кирхгоф тоже обращается к этой области и делает в ней ряд замечательных открытий. В 1845 г. он устанавливает два знаменитых закона, названных его именем. Ко времени Кирхгофа был уже известен закон Ома о том, что сила тока в цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Закон Ома устанавливает связь между силой тока и электродвижущей силой в простой, не разветвленной цепи. На практике, однако, часто приходится иметь дело с цепями разветвленными, в которых ток может течь от одной точки к другой по различным направлениям, ряд проводов может сходиться в одной точке и снова расходиться и т. д.
Рассмотрение таких разветвленных цепей сильно упрощается при применении установленных Кирхгофом законов, или, вернее, правил, носящих его имя. Правила Кирхгофа дают возможность рассчитать распределение токов в сети, если известны отдельные сопротивления и электродвижущие силы. Первое правило Кирхгофа устанавливает, что сумма всех токов, притекающих в какой-либо момент к данной точке в цепи, равна сумме всех токов, текущих от этой точки. Это правило устанавливает, что ни в какой точке проводника, в котором течет постоянный ток, не происходит накопления электричества.
 |
| Первое правило Кирхгофа устанавливает, что сумма всех токов, притекающих в какой-либо момент к данной точке в цепи, равна сумме всех токов, текущих от этой точки. |
Второе правило Кирхгофа относится к замкнутому контуру тока, состоящему из системы разветвленных проводников. Это правило говорит, что в замкнутом контуре тока сумма электродвижущих сил равна сумме произведений соответствующих сил токов на сопротивление.
 |
| Второе правило Кирхгофа относится к замкнутому контуру тока, состоящему из системы разветвленных проводников. Это правило говорит, что в замкнутом контуре тока сумма электродвижущих сил равна сумме произведений соответствующих сил токов на сопротивления. |
Закон Ома и правила Кирхгофа дают возможность производить все необходимые расчеты распределения токов в цепи. Но это можно определить в такой простой форме только в том случае, когда по цепи идет постоянный ток. При переменном токе все расчеты осложняются. В области же постоянного тока закон Ома и правила Кирхгофа являются основным орудием расчета различных практических задач электротехники.
*
Более подробно мы остановимся на работах Кирхгофа в области света. Свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью 300 000 км/сек. Основной характеристикой электромагнитных волн является их длина. Длина волны есть расстояние между двумя впадинами, или между двумя пучностями волны. Даже в обыкновенном тазе с водой легко получить волны и наблюдать картину волновых явлений. Видимые нами лучи света — не единственные из существующих в природе электромагнитных волн. И волны, употребляемые в радиотехнике, и рентгеновы лучи имеют такую же электромагнитную природу, как лучи видимого света. Отличие состоит в длине волны, которая очень велика у радиоволн (порядка километров, метров, сантиметров) и очень мала у рентгеновых лучей (порядка 1/100 см), а у видимых, т. е. воспринимаемых нашим глазом, лучей длина волны равна 10—5 см (одной стотысячной).
 |
| Длина волны — это расстояние между двумя впадинами или между двумя пучностями волны. |
Большинство читателей, вероятно, знакомо с цветной полоской, получаемой при прохождении солнечного света через обыкновенную призму. Свет солнца или какого-либо другого светящегося источника проходит через щель и падает на экран, образуя окрашенную в цвета радуги полоску, называемую спектром. Простая установка такого опыта была осуществлена впервые Ньютоном. Стеклянная призма отклоняет световые лучи от их прямолинейного направления (так называемое преломление света). Но различные лучи преломляются различным образом. Опыт показывает, что красные лучи отклоняются всего меньше, фиолетовые, наоборот, — всего сильнее. Если бросить на призму белый свет, состоящий из лучей семи основных цветов и, следовательно, различной преломляемости, то лучи разойдутся, и белый луч разложится на составные лучи (дисперсия). На экране, поставленном на пути этого расходящегося пучка, мы получим радужную полоску, в которой цвета расположены в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
 |
| Если свет солнца, или какого-нибудь другого светящегося источника, проходит через щель и призму, а затем падает на экран, то образуется окрашенная в цвета радуги полоска, называемая спектром. |
С каждой стороны видимого спектра (получающегося разложением белого цвета) лежат невидимые лучи. За красным концом видимого спектра лежат так называемые инфракрасные лучи, а за фиолетовым концом видимого спектра — ультрафиолетовые лучи. Инфракрасные лучи обнаруживаются обычно по своему тепловому действию, а ультрафиолетовые — по химическим действиям. Если располагать известные нам электромагнитные войны в порядке убывающей длины волны, то получим следующую схему: радиоволны, инфракрасные лучи, видимые лучи, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи, гамма-лучи (выходящие из распадающихся радиоактивных элементов).
Известный немецкий оптик Фраунгофер получил чистый яркий спектр следующим образом. Через узкую щель, возможно сильнее освещенную солнечным светом, лучи падают на собирающую чечевицу (обозначена на чертеже на стр. 71 буквою L). После преломления лучи делаются сходящимися, и мы получаем в М изображение щели. Но если за чечевицей поместить призму Р так, как показано на чертеже, то каждый луч испытывает в призме преломление, и солнечный луч будет разложен. На чертеже показаны крайние лучи спектра: красные и фиолетовые. Все красные лучи дадут одно изображение щели К, все фиолетовые — одно изображение щели Ф. Все остальные лучи располагаются между К и Ф. Таким образом получится спектр, состоящий из отдельных чистых изображений щели.
 |
| Схема установки Фраунгофера для получения чистого яркого спектра. |
Усовершенствовав установку Фраунгофера и соединив все ее отдельные части в один прибор, Кирхгоф и Бунзен получили спектроскоп, ставший с того времени основным инструментом во всех исследованиях излучения и поглощения света. Схема этого прибора показана на чертеже: свет от некоторого источника попадает в трубку ВА (так называемый коллиматор), которая на конце имеет чечевицу. Дальше свет падает на призму N и по выходе из нее попадает в зрительную трубу CD. Обыкновенно на установке монтируется второй коллиматор CF, который имеет горизонтальную стеклянную шкалу с делениями, за ним ставится лампа, свет которой, отразившись от поверхности призмы N, дает изображение шкалы в том же месте трубы CD, где образуется спектр. Таким образом наблюдатель одновременно видит в окуляре параллельные друг другу спектр и изображение шкалы. Благодаря этому можно определить относительное местоположение той или другой части спектра.
 |
| Схема спектроскопа Кирхгофа—Бунзена. |
Если заменить в спектроскопе окуляр фотографической камерой, то спектр будет получаться прямо на фотографической пластинке. Это во многих отношениях удобнее и также допускает наблюдения, невозможные для глаза. Такой спектроскоп с фотографической камерой называется спектрографом.
 |
| Первый спектроскоп, построенный Кирхгофом п Бунзеном. |
Мы уже говорили, что Ньютон первый разложил при помощи призмы белый цвет солнца на составляющие его цвета. Однако Ньютонова призма разделяла эти цвета недостаточно резко. Большой резкости добился английский физик Волластон, перdый заметивший в спектре солнца черные линии. Эти черные линии были подробно исследованы известным оптиком Фраунгофером и получили название фраунгоферовых линий. Если воспользоваться спектроскопом, в котором свет падает на призму через узкую щель, то можно увидеть, что спектр солнца пересечен множеством темных линий, параллельных направлению щели. Эти линии занимают всегда одно и то же неизменное положение. Сам Фраунгофер насчитал их до 600. Некоторые из них были обозначены им буквами, начиная с красной части спектра. Наиболее легко наблюдаемой является линия D, расположенная в ярком (желтом) участке спектра.
С усовершенствованием оптических приборов число известных фраунгоферовых линий возросло до нескольких тысяч.
Кроме солнца, в призму рассматривали и другие источники света и заметили в спектре некоторых из них (паров и газов) поразительное сходство с темными линиями солнечного спектра. При внесения в пламя горелки некоторого количества соли в спектре появляется светлая желтая линия, указывающая на присутствие натрия. Линия эта находилась в той же области спектра, что при разложении солнечного света и казалась почти совпадающей с фраунгоферовской линией D.
Кирхгоф давно интересовался этим явлением, но не имел хорошей призмы. Только в 1857 г. он получил хорошую, отшлифованную самим Фраунгофером призму. Немедленно он в сотрудничестве с Бунзеном принялся за исследование, выясняя связь желтой линии натрия с линией D солнечного, спектра. Получив солнечный спектр, он ввел затем в поле зрения пламя, содержащее поваренную соль, и думал, что прежнюю темную линию он увидит теперь светлой. Однако при ярком солнечном свете темная линия сделалась еще ярче и чернее. Но уже на следующий день причина этого явления была им найдена. Кирхгоф понял, что яркий солнечный свет испытывает в желтом пламени натрия частичное поглощение и именно в той части спектра, которую испускает сам натрий. Исходя из этого, он сформулировал такой закон: газы и пары поглощают как раз те же лучи спектра, которые они сами испускают.
Кирхгоф повторил свой опыт с парами железа, дающими очень сложный спектр, и получил опять такой же результат, как и в опыте с парами натрия. Целый ряд опытов как его собственных, так и других ученых, показал далее, что этот закон Кирхгофа применим во всех случаях так называемого теплового излучения, т. е. излучения, получающегося в силу высокой температуры тела.
Еще до исследований Кирхгофа, Бунзен обратил внимание на тот факт, что большинство веществ, которые раскаляются и улетучиваются в пламени паяльной трубки, сообщают ему характерный цвет: натрий — желтый, литий — красный, медь — зеленый. Он воспользовался этим для определения состава различных веществ. Но если надо было исследовать смесь веществ, которая вводилась в пламя, то этот метод терпел крах, так как глаз не в состоянии различать в смеси цветов составные части. Кирхгоф сразу понял, какой шаг вперед будет сделан, если воспользоваться для этих исследований спектром. Он составил вместе с Бунзеном рисунки ряда спектров важнейших элементов. Исследуя спектры, они открыли этим методом ряд неизвестных элементов и химических соединений. Этим было положено начало спектральному анализу — методу, позволяющему по характеру спектра испускания определить химическую природу раскаленного тела. Метод этот крайне чувствителен, так как уже мельчайшие примеси какого-либо вещества дают о себе знать соответствующей линией в спектре (с помощью спектрального анализа можно обнаружить присутствие одной тридцатимиллионной миллиграмма натрия и одной десятимиллионной миллиграмма лития). Спектральный анализ стал теперь мощным орудием не только научного исследования, но и заводской лабораторной практики.
Применив спектроскоп к исследованию спектра солнца, Кирхгоф получил возможность подойти к решению задачи о химическом составе солнца. Таинственные темные фраунгоферовы линии получили простое объяснение. Кирхгоф показал, что эти темные линии есть не что иное, как линии поглощения, и что спектр солнца есть, следовательно, спектр поглощения. Солнце состоит из ядра, имеющего очень высокую температуру, поверхность этого ядра испускает непрерывный спектр. Над этим ядром находятся выделившиеся из солнца пары различных элементов, образующие атмосферу солнца. Эти пары холодны сравнительно с самим солнцем, но все же их температура настолько велика, что они светятся, и поэтому солнце представляется нам окруженным цветной оболочкой (так называемой хромосферой). Этот слой раскаленных газов поглощает (согласно закону Кирхгофа) отчасти как раз те лучи, которые он может испускать. Результатом этого поглощения и являются темные фраунгоферовы линии, перерезающие непрерывный спектр ядра солнца. Отсюда ясно, что над поверхностью солнца должны находиться в раскаленном газообразном состоянии все вещества, спектры испускания которых совпадают с теми или другими фраунгоферовыми линиями солнечного спектра. Таким образом оказалось возможным в той части, которая непосредственно прилегает к поверхности солнца, определить химический состав внешних слоев солнца, удаленного от нас на 1 500 000 000 км.
Открытие Кирхгофа дало возможность изучать строение внешних оболочек небесных тел. В сущности с этого открытия и началось сильное развитие новой науки — физики небесных тел — астрофизики.
*
Замечательны работы Кирхгофа и в области теории излучения.
Когда поток лучистой энергии достигает поверхности какого-либо тела, то часть этого потока отражается, часть входит внутрь тела. Из последней части некоторая доля поглощается, т. е. переходит в другие виды энергии (например в тепловую — тело нагревается), а остальная часть продолжает распространяться внутри тела и, достигнув противоположной его поверхности, выходит наружу.
Тела, называемые прозрачными, обладают большой пропускной способностью для лучей видимого света, однако, они могут быть совершенно непрозрачны для невидимых лучей спектра (инфракрасных и ультрафиолетовых). Так, например, некоторые стекла при толщине в 1 см пропускают до 70% энергии видимых лучей, но эти стекла почти совершенно непрозрачны для ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. У полированных металлов, напротив, очень велика отражательная способность. Полированные серебряные зеркала отражают в среднем 98% падающей на них лучистой энергии. Пропускная же способность металлов очень мала, и они уже в тонких слоях совершенно непрозрачны для световых лучей.
Тела, имеющие темную окраску, очень сильно поглощают лучи видимого света. Так, например, слой сажи в несколько миллиметров поглощает почти весь упавший на него видимый свет. Поглощаемая световая энергия переходит в тепло, тело нагревается, и поэтому по повышению температуры тела можно измерять количество поглощенной лучистой энергии.
Однако можно себе представить такое тело, которое не отражало бы и не пропускало никаких лучей. Такое тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию, называют в науке абсолютно черным телом. Примером тел, очень близких к абсолютному черному телу, могут служить сажа, платиновая чернь, взятые в достаточном слое.
Понятие абсолютно черного тела впервые отчетливо было сформулировано Кирхгофом.
Не надо думать, что абсолютно черное тело должно быть обязательно черного цвета. Оно может быть и ярко раскалённым и светящимся; все дело в том, чтобы оно поглощало все падающие на него лучи.
Так, солнце, как это ни кажется с первого взгляда странным, очень близко к абсолютно черному телу, так как оно поглощает почти все падающие на него лучи.
Воспользовавшись понятием абсолютно черного тела, Кирхгоф установил основной закон при изучении явлений теплового лучеиспускания и поглощения. Кирхгоф установил, что излучательная способность абсолютно черного тела зависит только от длины волны испускаемого света и температуры тела. Это верно для всех абсолютно черных тел, каким бы образом и из какого бы вещества они ни были получены.
Как же практически осуществить абсолютно черное тело? Сам Кирхгоф указал, что всякий луч, проникающий снаружи в какое-либо замкнутое пространство с толстыми стенками, в конце концов вполне поглощается, а следовательно, внутренняя поверхность действует так, как будто бы она была абсолютно черной.
Представим себе полый металлический шар, покрытый внутри, для возможно более полного поглощения лучей, слоем сажи. Пусть в этом шаре имеется маленькое отверстие, через которое проникает пучок лучей. Этот пучок падает на поверхность шара в некоторой точке, частью поглощается, а частью отражается. Затем отраженная часть попадает на поверхность вторично, опять частью поглощается, а частью отражается и т. д. После многократного отражения луч дочти нацело поглотится.
 |
| Представим себе полый металлический шар, покрытый внутри слоем сажи. Пусть в этот шар проникает через маленькое отверстие пучок лучей. Этот пучок падает на поверхность шара в некоторой точке, частью поглощается, а частью отражается. Затем отраженная часть попадает на поверхность вторично, опять частью поглощается, а частью отражается и т. д. После многократного отражения луч почти нацело поглотится. |
Можно легко заметить разницу между чернотой тела, окрашенного черной краской, и чернотой такого искусственного абсолютно черного тела, если выкрасить деревянный ящик снаружи и внутри черной краской и проделать небольшое отверстие в его стенке. Отверстие будет казаться значительно более темным, чем наружные стены ящика.
Закон Кирхгофа об абсолютно черном теле лежит в основе современной теории излучения. Как и в других областях физики, Кирхгоф показал себя здесь замечательным ученым, теоретиком и экспериментатором.
Комментариев нет:
Отправить комментарий