Природа
Почему черные предметы могут светиться, и что общего между светом угля, лампы и Солнца
Угли

Цветовая температура

Автор

Альберт Берташев

Опубликовано

29 июля 2022

Опубликовано

29 июля 2022

Лето — время шашлыков. Вкусное мясо получается, когда черные угли тлеют, светясь красноватыми переливами. Но как черное может стать источником света? Ответ на этот вопрос сыграл ключевую роль в кардинальном изменении наших представлений об устройстве мира на микроскопическом уровне и положил начало эпохе, которую сегодня называют первой квантовой революцией. Благодаря ей обыденностью стали мобильные телефоны, быстрые компьютеры и лазеры.

Красное и белое каление черного тела

Люди издавна наблюдали свечение достаточно сильно нагретых тел. Но увидеть это свечение удавалось не у всех предметов: большинство из них разрушалось или плавилось, когда становилось слишком жарко.

Кузнецы и металлурги работали с тугоплавкими материалами и знали, что по мере нагрева цвет изделия меняется от тускло-красного (около 800 градусов Цельсия) и оранжевого (1500–2000 градусов) до ярко-белого цвета (около 6000 градусов). Наблюдение отразилось на языке: мы говорим «раскалилось докрасна» про очень горячие предметы, «дошел до белого каления» про крайне разозленных людей.

Закалка металла
В кузницах тепловая природа свечения раскаленных предметов проявлялась нагляднее всего: стоило опустить готовое изделие в воду и резко охладить его, оно тут же переставало светиться. Фото iStock

Дальнейшее изменение цвета с ростом температуры можно увидеть, глядя на звезды или плазму в лаборатории. Плазмой называют четвертое состояние вещества — сильно нагретый газ, температура которого настолько большая, что электроны отрываются от атомов. Цвет звезд и плазмы может быть даже голубым — более 15 тысяч градусов Цельсия.

Тепловое излучение испускают любые тела, обладающие температурой, в том числе и комнатной. Оно проистекает в инфракрасном диапазоне — к нему в наших глазах нет фоточувствительных элементов. Но мы можем зафиксировать его с помощью специальных приборов — тепловизоров и инфракрасных камер.

Именно тепловое излучения Солнца делает жизнь на Земле возможной. После приручения огня свет от него — тоже тепловой — многие века грел и освещал жилища людей, помогал готовить еду. Тепловым оставался и электрический свет первых лампочек накаливания.

В начале XX века свойства теплового света подсказали, как устроены мельчайшие частички — атомы, — из которых состоят все тела, начиная от угольков в костре, заканчивая Солнцем.

Гонки по кругу

Атомы состоят из крошечного, положительно заряженного ядра, вокруг которого носятся по орбитам отрицательные электроны. Их можно представить себе в виде гоночных машин, постоянно входящих в бесконечный крутой поворот. Если водитель поддаст газу, то скорость машины, а значит и ее энергия, возрастут. При этом ей станет сложнее поворачивать, поэтому радиус траектории увеличится.

Грузовик на ралли "Шелковый путь"
На крутых участках трасс для ралли водители тратят намного больше энергии, чтобы сохранить высокую скорость, радиус круговой траектории при этом увеличивается. Снимок сделан во время ралли «Шелковый путь». Фото «Газпром нефть»

Настоящие автомобили могут ехать с такой скоростью, с какой захотят, в пределах мощности двигателя и законов физики. Машины-электроны лишены таких привилегий. Их энергии могут принимать лишь несколько фиксированных значений. Условная стрелка спидометра таких машин была бы похожа на секундную стрелку механических часов, которая способна находиться только в определенных положениях на циферблате. Такие положения называются энергетическими уровнями электрона в атоме.

Атомы и молекулы в нагретом веществе колеблются или движутся быстрее, чем в холодном. Энергия движения передается электронам, и они переходят на более высокие энергетические уровни. Когда электроны спускаются обратно в положение с более низкой энергией, то испускают частицу света фотон, энергия которого равна разнице между энергетическими уровнями электрона. Из-за разрешенных квантовыми законами фиксированных энергетических положений электрона в атоме, энергии испускаемых и поглощаемых фотонов могут быть также строго определенными. Поэтому разные вещества при определенной температуре светятся своим цветом, зависящим как раз от энергии испускаемых фотонов.

Свечение звезд
По цвету лучей, дошедших до Земли от далеких звезд, астрономы определяют химический состав небесных тел, к которым физически прикоснуться и взять пробу на анализ невозможно. Фото iStock

Когда много-много атомов объединяются во что-то очень большое, например в кусочек угля, число энергетических уровней увеличивается и энергии испускаемых фотонов могут быть почти любыми. Конкретный набор энергетических уровней отдельного атома зависит от его положения в таблице Менделеева, а набор уровней составных веществ от того, как в них уложены атомы. Этот же набор определяет все возможные значения энергий испускаемых и поглощаемых фотонов, который называется спектром излучения.

Уголь черного цвета, потому что в его атомах электроны могут совершить практически все переходы, соответствующие поглощению фотонов, которые наши глаза способны увидеть. Спектр излучения и поглощения угля при этом — сплошная полоса определенной формы. Спектры излучения раскаленных угольков, нити накаливания лампочки и Солнца оказались очень похожи: все они обладают ярко выраженным максимумом энергии, который тем больше, чем выше температура тела.

От угля к квантовой механике

Способность разных тел поглощать свет похожим образом побудила физиков к рассуждениям об абсолютно черном теле — гипотетическом объекте, который поглощает вообще все падающее на него электромагнитное излучение и не выпускает ни одного фотона. В природе такого тела не существует, а угольки, Солнце и другие объекты лишь близки к нему. Например, частички черной сажи, в зависимости от своего размера, могут почти полностью поглощать излучение видимого диапазона, но в несколько раз хуже поглощают фотоны с меньшей энергией: инфракрасные и радиоволны.

Самый черный материал в мире

Рекордно черный материал был создан в 2019 году. Он состоит из пористой алюминиевой подложки с нанесенными на нее углеродными нанотрубками — плоскими листами из атомов углерода, свернутыми в трубочки нанометрового диаметра. Такая структура почти полностью поглощает свет в диапазоне от дальней инфракрасной области до ультрафиолета.

Объяснение оптических свойств абсолютно черного тела сыграло ключевую роль в рождении квантовой механики. Но, по мнению Алексея Калачева, директора ФИЦ КазНЦ РАН, это было лишь первым шагом:

Квантовой стала сама оптика. Сегодня мы изучаем и используем такие состояния света, которые невозможно получить с помощью привычных источников. Эти состояния помогли зафиксировать гравитационные волны, а также стали основой целого ряда протоколов квантовой криптографии.

Квантовый прогресс не обошел стороной и другие области науки: химию, информатику, электронику.

Глядя теперь на причудливую игру света, идущего от угольков в костре или мангале, мы можем видеть немного больше. Например, угольки не светятся равномерно, а мерцают. Это температурные волны, вызванные потоками воздуха или неравномерностью горения. До наших глаз донес эту информацию свет, состоящий их квантов, рожденных в переходах между энергетическими уровнями электронов в атомах углерода. Без понимания этих закономерностей человечество никогда не совершило бы прорыв в квантовой механике, плодами которого стали вещи, делающие нашу жизнь удобнее. Например, смартфоны.

0
Haha
Haha
0
0
Love
Love
0
0
0