Прохождение невидимых тепловых-лучей: Гипотеза о существовании невидимых тепловых лучей является весьма древней. Еще римский философ-материалист Тит Лукрецкий Кар, живший до нашей эры, в своем сочинении О природе вещей писал:

Может быть, также небес светильник розовый - Солнце Множеством жарких огней обладает, невидимых нами, Что окружает его совершенно без всякого блеска. Лишь умножая своей теплотою лучей его силу [8].

Систематическое исследование теплового излучения началось в последней четверти XVIII в., когда широкое применение паровых машин в металлургической и химической промышленности, тесно связанных с тепловыми процессами, стимулировало развитие учения о теплоте.

Впервые тюнятие о тепловом излучении было введено выдающимся шведским химиком Карлом Шееле, посвятившим свойствам лучистой теплоты отдельную главу в Химическом трактате о воздухе и огне (1777). В своих наблюдениях теплового излучения Шееле не применял термометрических измерений, поэтому его опыты носили чисто качественный характер.

Через два года после опубликования трактата Шееле посмертно вышла Пирометрия немецкого математика и физика Иоганна Ламберта. В ней были описаны опыты, согласующиеся с наблюдениями Шееле. Ламберт впервые экспериментально доказал, что тепловые лучи распространяются прямолинейно и что их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Понятие лучистая теплота продержалось в литературе в течение всего XIX в. Даже в первой четверти XX в. профессор О. Д. Хвольсон вел борьбу против этого укоренившегося в учебниках физики термина как устаревшего, не соответствующего новейшему развитию этой науки. Правда, Хвольсон отказывался не только от термина лучистая теплота , но и от принятого в новейшей литературе термина тепловое излучение .

И Шееле, и Ламберт видели и подчеркивали сходство между тепловыми и световыми лучами (прямолинейное распространение, отражение), но о тождестве их не могло быть и речи. Лишь дальнейшее развитие теории теплового излучения и ее подтверждение экспериментальными данными привело к более глубокому пониманию взаимосвязи теплового и светового излучений.

В 1790 г. появилось сочинение Опыт об огне профессора Женевской академии, а в дальнейшем и ее президента Марка Пикте, в котором описывался знаменитый опыт с отражением холода . Пикте установил два вогнутых зеркала из полированного олова диаметром 30,5 см и фокусным расстоянием 11,4 см на расстоянии 365 см друг от друга. Помещая в фокусе одного зеркала нагретый, но не раскаленный шар диаметром 5 см, Пикте обнаружил, что показания термометра, установленного в фокусе другого зеркала, на 10° превышают показания термометра, установленного рядом, но не в фокусе. Пикте пытался также измерить скорость распространения теплового излуче ния, помещая для этого стеклянную пластину между зеркалами, и затем .быстро удаляя ее, но, разумеется, безрезультатно.

При обсуждении своих опытов с другими учеными у Пикте возник вопрос, не может ли отражаться также и холод? Вначале это предположение

показалось Пикте нелепым. Холод - это только недостаток теплоты, а от-пицаяие ие может отражаться [54]. Для доказательства этого Пикте воспользовался своей установкой с вогнутыми зеркалами и поместил в фокус одного зеркала сосуд со снегом. Тотчас же показания термометра, установленного в фокусе другого зеркала, снизились на несколько градусов относительно температуры окружающего воздуха. После того, как снег был полит азотной кислотой, показания термометра уменьшились еще на 5...6°.

Результат опыта поразил Пикте. В дальнейшем он его объяснил тем, что если во взаимодействии находятся два тела неодинаковой температуры, то более теплое тело отдает теплоту и его температура понижается, а более холодное принимает теплоту и повышает свою температуру. Когда температура обоих тел одинакова, никакой отдачи и поглощения тепла не существует.

Объяснением Пикте устранялось понятие лучей холода и подчеркивалось, что отражение холода только кажущееся, что в действительности при замене теплого шара сосудом со снегом происходит отражение теплового излучения. Это объяснение исходило из позиции статического равновесия, одностороннего теплового излучения только в направлении от теплого тела к холодному.

Профессор Женевской Академии Пьер Прево в 1771 г. высказал мысль о том, что тела, имеющие одинаковую температуру, все же обмениваются излучением. Он первый показал, что энергетическое равновесное состояние носит динамический характер. Согласно Прево всякое нагретое тело испускает тепловые лучи, подобно тому, как всякое светящееся тело испускает световые лучи. Тепловые лучи представляют собой тепловые частицы, движущиеся в пространстве прямолинейно с большой скоростью. Все пространство пронизано этими лучами из тепловых частиц. Каждую точку на поверхности нагретого тела можно рассматривать как центр, из которого испускаются тепловые частицы во всех направлениях и к которому эти частицы притекают со всех сторон. Иными словами, каждое тело постоянно излучает теплоту и получает благодаря такому же излучению теплоту от окружающих тел. Отношение между этими количествами теплоты определяет температуру тела [57]. По образному выражению Прево, любое тело ведет себя как озеро, в котором от дождя прибывает столько же воды, сколько ее убывает благодаря происходящему в то же время испарению .

Вопрос о взаимодействии теплового и светового излучений приобрел особую остроту после открытия в 1800 г. Вильямом Гершелем невидимых инфракрасных лучей. Гершель родился в Ганновере в семье полкового музыканта; в 1757 г. эмигрировал в Англию, где после долгих лет лишений нашел работу в качестве музыканта. Занятия теорией музыки привели Гершеля к математике, а затем к оптике. Ознакомившись со шлифовкой зеркал, Гершель в 1774 г. построил свой первый телескоп диаметром 20 см и фокусным расстоянием 210 см, с помощью которого в 1781 г. открыл планету Уран. Около 1789 г. Гершель создал величайший в мире телескоп диаметром 1,2 м и фокусным расстоянием 12 м и сделал ряд важных открытий: обнаружил движение солнечной системы к созвездию Геркулеса, открыл спутники Сатурна и Урана, составил каталоги звездных скоплений и туманностей.

В начале 1800 г. Гершель заметил, что стекла различных цветов, употребляемые как светофильтры телескопов, по-разному поглощают свет и тепло солнечных лучей. Это показалось Гершелю любопытным и он провел серию опытов для того, чтобы уточнить распределение интенсивности теплового воздействия по спектру солнечных лучей, получаемому посредством стеклянной призмы. Помещая чувствительный термометр с зачерненным шариком и каждую цветную полосу солнечного спектра, Гершель обнаружил, что показания термометра увеличиваются по мере продвижения от фиолетовой полосы к красной. У него возникла мысль, что возрастающее тепловое действие лучей не должно оборваться на красных лучах, дающих максимум теплоты. Впервые в истории науки Гершель стал измерять температуру за пределами спектра и обнаружил существование невидимых лучей, обладающих наи-оольшей нагревательной силой [32].

о своем открытии Гершель сделал сообщение на заседании Лондонского Королевского общества 27 марта 1800 г. Спустя примерно месяц он сделал второе сообщение о проведенных двадцати экспериментах, которые показали, что невидимые тепловые лучи отражаются и преломляются так же, как и видимый свет- В этих экспериментах Гершель использовал металлическое зеркало, установленное под углом 45° за пределами красной полосы спектра, а также стальное вогнутое зеркало и стеклянную призму.

Придерживаясь корпускулярной теории света Ньютона, он утверждал, что лучистая теплота идентична со светом . В процессе дальнейших исследований свойств теплового излучения Гершель стал сомневаться в правильности этого вывода и уже в третьем сообщении (15 мая 1800 г.) пытался доказать поразительные существенные различия между светом и теплотой [34J. В частности, он отмечал различия в прохождении лучей через разные вещества. Оба вида лучей, - писал Гершель, - подчинены различным законам сродства, и, следовательно, они по своей лрироде различны, несмотря на то, что имеют большое подобие в отношении преломления и отражения [34].

Открытие Гершеля произвело сильное впечатление на его современников, однако недостаточная убедительность некоторых его опытов и сомнения самого Гершеля послужили поводом для противоречивых толкований его открытия. Наиболее рьяным противником идеи существования невидимого излучения, способного производить тепловые эффекты, выступил английский физик Джон Лесли - профессор Эдинбургского университета. Он утверждал, что понятие о невидимых лучах содержит в себе внутреннее противоречив (contradiction in adjecto) и считал, что воображаемые невидимые солнечные лучи являются ничем иным, как нагретым воздухом, окружающим светящееся тело [43].

Для проверки результатов Гершеля Лесли самостоятельно провел аналогичный эксперимент, разложив солнечный спектр с помощью призмы из флинтгласа. Измерение температуры производилось специально сконструированным для этого эксперимента дифференциальным ртутным термометром.

Лесли обнаружил увеличение показаний термометра по мере продвижения от голубой полосы спектра к красной, где температура была максимальной. За пределами же красной полосы не было замечено никакого увеличения температуры. Лесли утверждал, что опыты Гершеля выполнены недостаточно тщательно, подвержены многочисленным неточностям и вообще представляются неразумной затеей [43].

Лесли поддержал ректор Эдинбургского университета Давид Брюстер, который считал, что в опытах Гершеля нагревались сами призмы и испускали тепловые лучи. Критика Лесли, несмотря на ошибочное отрицание реального существования инфракрасных лучей, имела и положительное значение. Она вскрыла непоследовательность в рассуждениях Гершеля и явилась толчком для развязывания дискуссии, способствовавшей выяснению природы теплового излучения.

Одним из первых признал открытие Гершеля Пьер Прево. Он считал его решительным доказательством аналогии между световыми и тепловыми лучами. Различие между прохождением света и теплоты сквозь тела, - писал он, - не свидетельствуют о различии или тождестве света и теплоты [58]. Идеи Гершеля были поддержаны также английским физиком Томасом Юнгом, который уже в 1802 г. высказал предположение о том, что световые лучи отличаются от тепловых лишь частотой колебаний. По его мнению, открытие Гершеля о меньшей преломляемости невидимых лучей по сравнению с видимыми явилось крупнейшим со времен Ньютона [71].

Вслед за открытием Гершеля целая плеяда исследователей начала искать положение участка в спектре, соответствующего максимуму теплового эффекта. Среди них следует назвать Энглфилда [30], Вюнша [70], Берара [20] и Поуэла 56]. Большую ясность в противоречивые результаты, полученные ими, внес Зеебек, показав, что в призмах из флинтгласа такой максимум всегда обнаруживается за пределами красного конца спектра.

К 1830 г. опыты Гершеля были повторены в достаточном количестве для того, чтобы считать окончательно установленным факт существования