От чёрных облаков к чёрным дырам

Нарликар Джаиант

=(Е₂– Е₁)/h

Итак, мы приходим к картине того, как излучение, состоящее из фотонов, избирательно поглощается при дискретных значениях частот в результате взаимодействия с атомами. Если фотоны имеют нужную частоту, они перебрасывают атомные электроны наверх по энергетической лестнице. Следовательно, фотон, поглощённый в таком процессе, уменьшает интенсивность излучения на данной конкретной частоте. Отсюда, тёмные линии в солнечном спектре обязаны своим происхождением поглощению излучения атомами, находящимися

главным образом в атмосфере Солнца.

Например, оказывается, что линия, обнаруженная при длине волны 6563 A и обозначенная Фраунгофером как линия С, возникает, когда электрон в атоме водорода переходит со второго на третий энергетический уровень. На основе квантовой теории были выполнены теоретические расчёты возможных уровней энергии в разных атомах, и теоретики имеют в своём распоряжении списки длин волн спектральных линий, связанных с переходами в таких атомах. Опытный астроном может, таким образом, идентифицировать тёмную линию данной длины волны в спектре звезды с ответственным за поглощение атомом. Таким образом, было установлено, что первоначальные фраунгоферовы линии обязаны поглощению атомами водорода, натрия и кальция в атмосфере Солнца.

Яркие линии испускания возникают в результате обратного процесса. Когда электрон перепрыгивает вниз с уровня энергии Е₂ на уровень энергии Е₁ он испускает фотон частоты = (Е₂– Е₁)/h. Этот скачок вниз (в противоположность скачку вверх) может происходить спонтанно, в отсутствие излучения. Если же излучение «правильной» частоты присутствует, оно также способствует процессу перескока на нижний уровень. Испускание (или поглощение), сопровождаемое подходящим излучением, называется вынужденным испусканием (или поглощением). Скачок вниз в отсутствие внешнего излучения называется спонтанным

Мы приходим, таким образом, к важному выводу, что если определённый атом, действующий как поглотитель, обусловливает появление тёмных линий определённой частоты в спектре, то этот же атом, действуя как излучатель, будет давать яркие линии испускания той же частоты.

Как мы увидим далее, электроны в атомах, находящихся на горячей внешней поверхности звезды, приобретают большие энергии. Эти электроны затем перепрыгивают вниз по энергетической лестнице, приводя к появлению линий испускания в спектре звезды. Если нам удаётся идентифицировать эти линии, мы определяем, какие атомы находятся на внешней поверхности звезды.

Перейдём теперь от обсуждения ярких и тёмных линий в спектре к анализу непрерывного распределения света по волнам всех частот. В частности, рассмотрим распределение, которое имеет особое значение в фундаментальной физике и, как оказывается, существенно определяет тип спектра, получаемого от звезды.

ИЗЛУЧЕНИЕ ЧЕРНОГО ТЕЛА

Вообразите внутренность нагреваемой полости. Первоначально отдельные части полости будут горячее других частей. Эти более нагретые части испускают тепло в направлении более холодных частей, температура которых начинает при этом повышаться. Такой процесс продолжается до тех пор, пока все точки внутри полости не станут одинаково «горячими», т. е. будет отсутствовать поток тепла от одной точки к другой. В идеальной полости (стенки которой не пропускают тепло в. окружающее пространство) быстро достигается описанная равновесная ситуация.

Но «тепло» внутри такой полости есть не что иное, как электромагнитные волны, мечущиеся между стенками. В полости, нагретой, скажем, до 250 °С, волны принадлежат в основном микроволновой области. Если нагреть полость до 5000 °С, то волны окажутся в основном в видимой области.

Приведём другой пример. Допустим, мы нагреваем железный стержень. Сначала он доходит до «красного каления», т. е. его цвет приобретает красноватый оттенок. Если нагревать дальше, цвет меняется: кусок железа, доведённого до «белого каления», горячее куска железа, достигшего «красного каления». Если сравнить примеры с полостью и куском железа с данными табл. 1 и 2, можно заметить, что доминирующая длина волны излучения, испускаемого нагретым телом, связана с его температурой.

Наша идеализированная полость является «чёрным телом». Поскольку излучение через стенки не уходит наружу, тело «черно» для внешнего наблюдателя! Однако внутри оно нагрето, причём внутренняя поверхность достигла состояния равновесия, при котором поглощается столько же энергии в каждой точке, сколько испускается. Для вычисления того, сколько энергии переносится волнами разных частот, Макс Планк и ввёл квантовые представления.

Рис. 9. Кривые интенсивности излучения чёрного тела при разных температурах. Указан тип излучения в максимуме. Заметим, что частота, отвечающая максимуму излучения, растёт с ростом температуры. (Интенсивности и частоты даны в логарифмической шкале)

На рис. 9 представлены распределения интенсивности излучения для чёрных тел при разных температурах. Все кривые имеют общее свойство. Распределение интенсивности неодинаково для всех частот: энергия, уносимая на очень больших или очень малых частотах, сравнительно невелика, а где-то посередине имеется пик. Если сравнить кривые на рис. 9, видно, что частота, при которой достигается пик интенсивности, растёт с увеличением температуры. Это свойство, эмпирически установленное Вином в 1896 г., известно как закон Вина. Шкала температур, использованная на рис. 9, называется абсолютной шкалой.

Что такое абсолютная температура? Это температура, измеренная по шкале, которая наиболее естественным образом описывает физический смысл этого понятия. Температура есть мера внутренних микроскопических движений, происходящих внутри тела, т. е. движений составляющих тело атомов или молекул. Стоградусная шкала (или шкала Цельсия), используемая в повседневной жизни, берет за начало отсчёта 0°С точку замерзания воды, а 100 °С соответствуют точке кипения воды. Но даже во льду, как бы он ни был холоден, происходит внутреннее движение молекул. Таким образом, стоградусная шкала не отражает естественное положение дел внутри тела. Это делает абсолютная шкала. Нуль абсолютной шкалы температур действительно соответствует отсутствию каких бы то ни было внутренних движений любого сорта в любом типе вещества! Абсолютный нуль приблизительно равен —273 °С, а единица измерения этой шкалы 1 К соответствует 1 °С. Следовательно, по абсолютной шкале вода замерзает при 273 К и кипит при 373 К. Буква К означает — Кельвин. Лорду Кельвину (1824—1907 гг.) принадлежат пионерские работы в термодинамике, области физики, которая связывает природу и свойства теплоты с механическими движениями микроскопических составляющих физических систем.

Принимая во внимание всё изложенное, можно в отношении излучения чёрного тела установить следующую взаимозависимость:

Температура -> Частота -> Преобладающий тип излучения.

Чёрное тело температурой 3 К будет преимущественно излучать микроволны частотой 3 • 10¹¹ Гц. Чёрное тело температурой 6000 К будет преимущественно излучать зелёный свет в видимой области, а чёрное тело, нагретое до 10⁶ К, будет излучать в основном рентгеновское излучение и т. д. ...! Итак, измеряя длину волны в пике излучения чёрного тела, можно определить его температуру.