Исследования разряда в газе первыми предприняли Плюккер и Гитторф в Германии и Уильям Крукс в Англии. Все трое обратили внимание на одно и то же явление, однако Круксу удалось наиболее подробно его исследовать.
Для изучения разряда использовалась трубка Гейслера — баллон, представляющий собой удлиненную стеклянную колбу с запаянными концами, названный так в честь искусного стеклодува Генриха Гейслера. Внутрь трубки вводились две металлические пластины, два электрода — анод и катод. К аноду присоединялся положительный, а к катоду — отрицательный полюс источника электрического напряжения. Помимо этого, трубка имела стеклянный отросток, через который откачивали газ, заполнявший внутренность трубки.
При нормальном давлении газа электрический разряд не наблюдался. Лишь после того, как начиналась откачка и давление понижалось, возникал разряд. Газ начинал светиться, причем картина свечения непрерывно менялась, по мере того как давление падало. Сперва свечение сосредоточивалось возле анода, затем светящийся столб удлинялся и трубка заполнялась светом: фиолетовым, если в ней находился воздух, лиловым в атмосфере азота и розоватым, когда в ней находился водород. При дальнейшей откачке свечение постепенно меркло и вовсе исчезало.
Тем не менее любознательность, свойственная ученым, заставила их продолжать откачку даже после полного исчезновения свечения газа. И именно благодаря этому они столкнулись с новым, непонятным явлением. Свечение возникало вновь, но на этот раз светились не ничтожные остатки газа. Желто-зеленое свечение исходило с поверхности стекла трубки, но не со всей, а только с той ее части, которая находилась против катода.
Крукс, исследуя это свечение, пришел к выводу, что оно вызывается некиими лучами, испускаемыми катодом. Он так и назвал их — «катодные лучи». Им было установлено, что эти лучи движутся с огромной скоростью по прямой линии, но отклоняются от нее под воздействием магнитного поля. Действие этих лучей проявлялось также и в заметном нагревании места падения лучей. Когда же Крукс изготовил легкую металлическую крыльчатку и поместил ее внутри трубки, на пути неведомых лучей, она начала вращаться подобно крыльям мельницы в ветреный день. В 1897 году Крукс доложил о своих опытах и наблюдениях ученым.
Хотя Крукс и назвал исследованное им явление катодными лучами, он был убежден, что фактически ему приходилось иметь дело с потоком частиц, до тех пор не известных науке. Это убеждение разделял и физик Джонстон Стоней, который первым назвал их электронами. Вскоре правильность предложений Крукса подтвердилась — электрон действительно оказался частицей, имеющей наименьший возможный отрицательный заряд и очень малую массу. Но все-таки их удалось точно измерить. Хотя столь малые цифры ничего не говорят воображению человека, их все же стоит привести. Вот они: заряд отрицательный и равен 0,000 000 000 000 000 000 160 100 кулона, а масса выражается числом с еще большим количеством нулей: 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 910 600 грамма, то есть примерно в 1850 раз меньшая, чем у атома водорода.
Открытие электрона показало, что атом вовсе не является неделимой частицей материи, а состоит из еще более мелких частиц. Практическим следствием открытия электрона явилось рождение атомной физики и электроники.
В ноябре 1895 года в исследование разряда в газе включился скромный и уже немолодой профессор физики в Вюрцбурге Конрад Рентген. Приступая к новым опытам, Рентген не знал, что буквально в первую же неделю работы с трубкой Гейслера он откроет новые удивительные лучи — «Х-лучи», как назвал их он сам, «лучи Рентгена», как называют их теперь все.
Свойства лучей оказались необыкновенными. Они свободно проникали через большинство непрозрачных для обычного света веществ; ослабить их могли только металлы, особенно свинец. Рентген говорил о том, что твердое тело для Х-лучей то же, что комната, наполненная табачным дымом, для обычного света. Под воздействием этих лучей электроскоп теряет свой заряд, фотоэмульсия чернеет, а некоторые химические соединения светятся, флуоресцируют. Именно такими соединениями покрывают экраны в рентгеновских аппаратах.
Этот красивый симметричный узор «нарисовали» рентгеновские лучи, продифрагировавшие на кристаллике льда.
И все же природа рентгеновских лучей, несмотря на их необычные свойства, та же, что и у видимого света. Они не несут заряда, не отклоняются ни в электростатическом, ни в магнитном поле, и все их отличия определяются и объясняются чрезвычайно малыми длинами волн, лежащими в пределах от 0,049 до 0,00001 микрона. Эти волны настолько коротки, что явление дифракции не удается наблюдать даже с помощью самых лучших дифракционных решеток, имеющих до 25 тысяч штрихов на сантиметре.
Рентгеновские лучи дифрагируют только на кристаллических структурах. В наше время эта их способность используется для изучения строения и внутренних свойств самых различных веществ.
Спектр электромагнитных колебаний
Теперь мы уже многое знаем о свете и можем подвести некоторые итоги, для того чтобы яснее понять, каково же место световых волн в общем спектре электромагнитных колебаний.
Начнем с самых длинных волн (самых медленных колебаний) и постепенно перейдем ко все более коротким волнам.
Но прежде читателю рекомендуется запомнить название и смысл одной чрезвычайно часто употребляемой единицы. Она называется герц по имени физика Генриха Герца. Эта единица применяется для измерения частоты колебаний. Так, 1 герц соответствует одному колебанию в секунду или одному периоду в секунду. 1000 герц, или 1 килогерц, соответствует 1000 периодов в секунду. 1 000 000 герц = 1000 килогерц = 1 мегагерцу = 1 000 000 периодов в секунду.
Одним из самых длинноволновых является переменный ток, вырабатываемый электростанциями. В СССР и других странах Европы его частота равна 50 герцам[5]. Длина волны промышленного переменного тока равна 6000 километров. В настоящее время самые протяженные линии электропередач не превысили еще 2000 километров, и, следовательно, на всей такой линии уложится не более 1/3 волны.
Более высокие частоты содержатся в телефонных сигналах и в сигналах вещательных передач, передаваемых по проводам. Они занимают довольно широкий диапазон: от 20–60 герц до 20·103 герц. Этот диапазон называется диапазоном звуковых частот, так как наше ухо воспринимает звуковые колебания (но не электромагнитные, о которых идет речь!) с теми же самыми частотами. Длина волны в этом диапазоне находится в пределах от 15 тысяч до 150 километров. Для сравнения можно сказать, что звуковые колебания с теми же частотами, распространяясь в воздухе при нормальном атмосферном давлении, вызовут волны (звуковые, а не электромагнитные!) длиной от 17 метров до 1,7 сантиметра. Это и понятно — ведь скорость распространения электромагнитных колебаний примерно равна 300 тысячам километров в секунду, а скорость звуковых колебаний — 340 метрам в секунду. За диапазоном звуковых следует диапазон инфранизких радиочастот. Такое название он получил по аналогии с лучами света, более длинноволновыми, чем видимые. Диапазон этот занимает полосу частот от 20·103 до 100·103 герц. Длины волн в пределах от 150 до 3 километров.
Инфранизкие частоты широко используются техникой. На них работают промышленные установки для нагрева и плавки металлов токами высокой частоты и даже некоторые системы дальней радионавигации и радиосвязи.
Затем идут волны, которые мы привыкли считать радиоволнами: длинные — от 3000 до 600 метров; средние — от 600 до 150 метров; промежуточные— от 150 до 75 метров и короткие — от 75 до 10 метров. Низкочастотная граница длинных волн соответствует 100·103 герц, а высокочастотная граница коротких волн — 30·106 герц. Весь этот диапазон используется главным образом для радиовещания и различных видов радиосвязи на дальних расстояниях. В этом же диапазоне работают и некоторые медицинские установки.
Радиоспектр идет и дальше. Но для радиоволн с длиной порядка единиц метров и короче линия горизонта является почти непреодолимой преградой. Поэтому телевидение, радиовещание и радиосвязь на таких волнах ведутся только в пределах прямой видимости. Для того чтобы увеличивать зону прямой видимости, телевизионные антенны устанавливаются на очень высоких башнях. Длины волн метрового диапазона от 10 до 1 метра, а частоты — от 3·107 до 3·108 герц.
За метровыми следуют дециметровые волны длиной от 1 метра до 10 сантиметров; граничные частоты этого диапазона равны 3·108 и 3·109 герц. В этом диапазоне волн работают самые разнообразные радиотехнические устройства и, в частности, радиотелескопы, о которых дальше будет рассказано. Радиоволны, длина которых измеряется дециметрами, и еще более короткие волны имеют одну очень интересную особенность. Они могут распространяться не только в пустоте (в воздухе), но и в трубах, в так называемых волноводах.
Сантиметровые волны имеют длину от 10 до 1 сантиметра (частоты 3 ·109 до 3·1010 герц). Этот диапазон принципиально не отличается от предыдущего. В нем, в частности, работают метеорологические радиолокаторы.
Граничные частоты диапазона миллиметровых радиоволн соответствуют 3·1010 и 3·1011 герц. Миллиметровые волны являются в настоящее время самыми короткими из тех, которые умеет генерировать радиотехника. В наши дни еще только приступили к их практическому освоению. Пока же они используются только для экспериментальных целей.
За диапазоном радиоволн простирается спектр световых волн.
Самым близким к радиоспектру является инфракрасный. Он ограничен волнами длиной 400 микронов и 760 миллимикронов, что соответствует частотам от 7,5·1011 до 3,87·1014 герц. Получать волны в этом диапазоне можно с помощью некоторых специальных устройств, но наиболее простой способ заключается в нагревании каких-либо тел. Обычные лампы накаливания имеют очень интенсивное излучение в области коротковолнового инфракрасного излучения. Инфракрасные лучи широко используют в науке, технике и быту. С их помощью приготовляют пищу, обогревают помещения; сушат различные виды продукции. В этих лучах удается делать фотографии и с помощью особых приборов видеть ночью.