Файл: Кляус, Е. М. Гендрик Антон Лоренц, 1853-1928.pdf

величина C t = ІѴДДАІ постоянна. Тогда формулу Зельмейера можно написать в виде:

ломления увеличивается, но вблизи полос поглощения (Я ä ; Ä Я;) он становится аномально большим слева и аномаль­ но малым справа. Бесконечные значения появляются вследствие того, что Зельмейер не учитывал затухания колебаний частиц. Кеттелер и Гельмгольц учли это об­ стоятельство и ввели в уравнения колебания частиц член, характеризующий затухание вследствие трения, обуслов­ ливающего поглощение света. Теория Гельмгольца была вершиной того, что могла дать упругая теория света.

После создания электродинамики Максвелла необхо­ димо было перевести и теорию дисперсии на язык электро­ магнитных явлений. Для этого необходимо было прежде всего решить фундаментальную задачу о взаимодействии между эфиром, теперь уже электромагнитным, и веще­ ством. Первую попытку в этом направлении сделал Колачек в 1887 г. Он принял, что электромагнитные волны, падающие на вещество, вызывают в молекулах последнего появление токов, которые в свою очередь благодаря ин­ дукции воздействуют на колебания, происходящие в эфи­ ре. Успеху этой теории препятствовало отсутствие четких представлений о том, что на самом деле происходит в ато­ мах и молекулах вещества под влиянием электромагнит­ ной волны.

4

Основная идея о роли колебаний электронов в диспер­ сии света и других родственных явлениях была выдвинута Лоренцем в 1892 г. еще в первом варианте его электрон­ ной теории, изложенном в работе «Электромагнитная тео­ рия Максвелла и ее приложение к движущимся телам».

159

Более полная разработка, близкая по форме к обычно излагаемой в современных учебниках под названием «Классическая электронная теория дисперсии», была дана им в статье «Оптические явления, обусловленные зарядом и массой иона» (1898), а затем в больпіой статье в «Эн­ циклопедии математических наук» (1904) и в лекциях, прочитанных в 1906 г. в Колумбийском университете и опубликованных в 1909 г. под названием «Теория элек­ тронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения».

Характерно, что в период 1880—1892 гг. Лоренца зани­ мали главным образом три проблемы: основные уравне­ ния электродинамики, оптика движущихся тел и кинети­ ческая теория газов. Работа 1892 г. была в какой-то мере результатом синтеза идей, почерпнутых из этих трех на­ правлений. После того как Герц опубликовал в 1890 г. свои исследования по электродинамике, в которых на первый план выдвигались уравнения поля, а эфир принимался неподвижным, Лоренц счел необходимым вернуться к та­ кой теории, в основе которой лежало бы введение атоми­ стики в теорию электромагнитного поля и выяснение мик­ роскопического механизма явлений. Это было выполнение все той же программы, выдвинутой им в начале научной деятельности. - ; . . . -

Лоренц получает уравнения, определяющие распро­ странение света в прозрачных телах, рассматривая си­ стему молекул, каждая из которых содержит один подвиж­ ный заряд (ион). Ион (позже Лоренц принял! термин «электрон») выводится из состояния равновесия прохо­ дящей электромагнитной волной. Существуют четыре вида сил, действующих на электрон. Первая — это возвра­ щающая квазиупругая сила, пропорциональная смеще­ нию и направленная к положению равновесия. Вторая — сила трения, пропорциональная скорости электрона и обусловливающая поглощение. Третья — вынуждающая сила, действующая со стороны светового поля. Четвертая сила вводится в рассмотрение, если тело помещено во внешнее магнитное поле. Составив соответствующее урав­ нение движения электрона, Лоренц получает известную формулу дисперсии. Аналогичные соображения позволили Лоренцу дать электронную теорию таких магнитоопти­ ческих явлений, как эффект Фарадея (магнитное враще­ ние плоскости поляризации) и магнитный^эффект Керра

160

(изменение состояния поляризации света при отражении от полюсов магнита).

Настоящим триумфом электронной теории было от­ крытие в 1896 г. П. Зееманом расщепления спектральных линий в магнитном поле. Вместе с тем именно исследова­ ния эффекта Зеемана оказали существенное влияние на ее дальнейшее развитие, вскрыв ограниченность этой тео­ рии, ибо свое настоящее объяснение эффект мог получить только на квантовой основе. После открытия Зеемана идея отрицательно заряженного колеблющегося электрона ста­ ла одной из ведущих. «Сколько линий в спектре — столько частот колебаний» — это утверждение доминировало в физике, на нем строилась теория электрических и опти­ ческих явлений. Неудачи в объяснении сложного эффекта Зеемана воспринимались как результат недостаточного знания разнообразных движений электрона. В 1902 г. в своей Нобелевской речи Лоренц говорил: «Я убежден, что теория лишь тогда добьется значительных успехов, когда со своей стороны обратит внимание не только на отдельную спектральную линию, а на всю совокупность линий химического элемента. За различные формы эффек­ та Зеемана только тогда можно будет плодотворно браться, когда удастся наконец теоретически обосновать строение спектров; тогда и ни в коем случае раньше. Скажу даже больше: в будущем исследования закономерностей в спек­ трах и эффекта Зеемана должны идти рука об руку. Так они смогут привести к теории излучения света, достиже­ ние которой является одной из благороднейших целей сов­ ременной физики» 8.

И когда атомная теория Бора указала направление, идя по которому можно надеяться решить эту задачу, именно вопрос о частотах оказался наиболее трудно вос­ принимаемым.

История магнитооптики (раздела оптики, изучающего испускание, распространение и поглощение света в телах, находящихся в магнитном поле) начинается с 1845 г., когда Фарадей открыл явление вращения плоскости поля­ ризации при прохождении света через вещество, помещен­ ное в магнитное поле. В 1877 г. Керр обнаружил, что при отражении от намагниченного железного зеркала линейно-

8 Лоренц. Старые и новые проблемы физики, стр. 25.

поляризованный свет становится эллиптически поля­ ризованным.

Начав свою деятельность в лаборатории КамерлингаОннеса в Лейдене, Зееман занялся детальным изучением магнитооптического эффекта Керра как раз в годы, когда в Лейдене же Лоренц создал свою электронную теорию. При этом речь часто шла о влиянии магнитного поля па распространение света. Естественно, что в подобной об­ становке Зееману пришла мысль проверить, не меняется ли свет пламени, если поместить пламя между полюсами достаточно сильного магнита. Но первые опыты дали отрицательный результат, и Зееман отказался от своей затеи. Примерно через два года ему в руки попала статья Максвелла о жизни и деятельности Фарадея. Из нее он узнал, что в последние годы жизни (1862—1865) Фарадей все свои усилия направил на выявление связи между светом и магнетизмом, в частности пытался обнаружить воздействие магнита на спектр пламени.

Тогда Зееман решил, как он об этом пишет в своей первой статье, что если такой человек, как Фарадей, считал нужным тратить время на подобные опыты, то есть смысл их повторить через 30 лет со значительно усовершенствованным спектральным прибором.

31 октября 1896 г. Камерлинг-Оннес доложил Амстер­ дамской академии наук результаты первых исследований своего сотрудника. Оказалось, что при помещении пла­ мени, окрашенного солями натрия, в магнитное поле D-линия натрия уширяется при наблюдении как перпен­ дикулярно силовым линиям поля, так и вдоль линий. На этом заседании Академии наук присутствовал и Ло­ ренц. Через несколько дней ему удалось не только дать объяснение нового эффекта, но и предсказать ряд важных его характеристик. Он обратил внимание Зеемана на то, что края уширенной линии должны быть поляризованы: при . продольном наблюдении — по кругу в плоскости, перпендикулярной полю, при поперечном — линейно. Кроме того, при усилении поля и применении спектро­ скопа с лучшей разрешающей силой уширенная линия должна на самом деле оказаться дублетом при продоль­ ном наблюдении и триплетом при поперечном. То об­ стоятельство, что Лоренц мог очень рано ознакомиться с результатами опытов и сразу же дал им теоретическое истолкование, помогло Зееману направить свое исследо-

162

Фанйе по правильному руслу. Уже 28 ноября того же 1896 г. он доложил Академии, что предсказания Лоренца относительно поляризации краев линии полностью оп­ равдались; более того, по характеру поляризации можно было точно сказать, что излучающий ион Лоренца имеет отрицательный заряд. Применив более сильный магнит и перейдя к более удобной для измерений линии кадмия с К = 4678 Â, Зееман в 1897 г. действительно обнаружил лоренцевские дублет и триплет.

Лоренцевское объяснение эффекта Зеемана основы­ валось на следующих соображениях. Колебания иона, происходящие под действием квазиупругой силы под некоторым углом к направлению поля, можно разложить на колебания вдоль направления поля и в плоскости, перпендикулярной полю. На продольное колебание маг­ нитное поле не действует, и частоты ѵ0 не меняются. Такой линейный осциллятор дает максимальное излучение (несмещенное) перпендикулярно полю (так называемая я-компонента), а в направлении поля излучение отсутству­ ет. Линейное колебание, перпендикулярное полю, можно опять разложить на два круговых колебания половин­ ной амплитуды с противоположными направлениями вращения. Влияние магнитного поля выражается в том, что при одном направлении вращения движение иона ускоряется, а при противоположном — замедляется. Бла­ годаря этому частота обращения (а значит, и излучения) в одном случае уменьшается, в другом — увеличивается на некоторую величину Дѵ (так называемая а-компонеита). При продольном наблюдении видны только две а-ком- поненты, поляризованные по кругу (дублет), а при по­ перечном — все три линейно-поляризованные компонен­ ты. Лоренцу нетрудно было определить и величину сме­ щения.

где Н — напряженность магнитного поля, т — масса иона, е — заряд иона, с — скорость света в пустоте.

Когда Зееман подтвердил все эти рассуждения, он смог, с одной стороны, найти знак заряда, с другой — определить величину удельного заряда elm. иона. Знак оказался отрицательным, а значение elm было того же порядка, что и найденное другими методами для катод­

ных частиц и частиц, получающихся при ß-радиоактив- ности. Таким образом, выяснилось, что излучающий ион, содержащийся в атомах всех веществ, является электроном. G тех пор Лоренц стал применять в своих работах вместо «нон» название «электрон», а его теория получила название элект ронной.

Исследования Зеемана вызвали огромный интерес именно благодаря их связи с электронной теорией Лорен­ ца, ибо тут раскрывалась область, обещавшая дать важ­ ные сведения о строении атома.

Об открытии Зеемана Бор писал: «Оно не только дало наиболее решительное подтверждение той теорети­ ческой точке зрения, развитой в основном на базе работ Фарадея и Максвелла, согласно которой электрические и оптические свойства веществ определяются движением внутриатомных заряженных частиц, но и впервые предо­ ставило в наше распоряжение источник прямой информа­

темп роста для конца XIX в. огромный! И тут произошло нечто совершенно непредвиденное; уже в 1898 г. сам Зе­ еман, затем французский физик Корню обнаружили в D-лішіпі натрия смещения, не предусмотренные теорией Лоренца. Нарушения картины расщеплений, нарисован­ ной Лоренцем, касались как общего вида получаемого спектра (вместо дублетов и триплетов спектральные линии расщеплялись на значительно большее число компонент), так и деталей расщепления в различных спектральных сериях и у разных элементов. Поскольку это явление

но даже казались противоречивыми, поскольку не было ведущей теоретической нити. Постепенно в самом ходе «аномалий» выявились определенные закономерности. Особенно существенно было обнаружение того факта, что простое лоренцевское расщепление наблюдается только у синглетных спектральных линий, тогда как

164