Об активном отношении человека к природе

Могущество разума человека состоит в его активном отношении к природе. Человек не только созерцает, но и преобразует природу. Если бы он только пассивно созерцал свет, как нечто найденное в природе, без всякой попытки по-своему видоизменить (модулировать) характеризующие его величины (параметры), он сильно ограничил бы возможности использования законов природы для господства над ней. Его производительные силы, его техника оставались бы на низком уровне.

Кто в наше время может представить себе жизнь без радиосвязи, без телевидения? А ведь развитие радиотехники обязано тому, что человек не только открыл радиоизлучения, но и научился целенаправленно модулировать их амплитуды, частоты и другие параметры. Именно это позволило передавать по радио любые сигналы, музыку, пение и т. п.

В самом деле, про гармоническую волну с неизменными параметрами можно сказать, что она либо есть либо ее нет. С ее помощью можно передать азбуку Морзе — чередование коротких и длинных по времени импульсов, но, например, голос человека передать нельзя. Следует учесть, что природа звука и радиоизлучений различна, их отличает также и частота колебаний: для радиоизлучений она порядка сотен тысяч и миллионов циклов, а для звука — в тысячи и десятки тысяч раз меньше.

Но техническая мысль нашла возможным передавать по радио даже звуки, изображения и другие сигналы Достигается это посредством модуляции параметров радиоизлучений, в частности посредством модуляции амплитуды. Посмотрим, как это делается.

Рис. 38. Схема телефонной модуляции амплитуды радиоизлучения

 

Передача звука по радио

Ламповый генератор, схема которого представлена на рис. 24, генерирует радиоизлучения с неизменными параметрами. Сделаем к нему небольшое дополнение: к контуру, подающему напряжение на сетку электронной лампы, присоединим через индукционную катушку добавочный контур с обычным угольным микрофоном (рис.38). Допустим, что перед микрофоном скрипач взял определенную ноту. Скрипичный звук, падая на мембрану микрофона М, будет через нее оказывать переменное давление на угольный порошок в телефонной капсуле. Электрическое сопротивление порошка будет меняться с той же частотой, что и частота скрипичного звука. Сила тока в первичной обмотке катушки ИК 3 будет меняться с той же частотой. Природа колебаний изменилась (вместо звука — электроток), но частота колебаний сохранилась. Теперь на переменное напряжение на сетке С лампы будет накладываться через вторичную обмотку катушки ИК 4 еще дополнительное напряжение, колеблющееся с частотой скрипичного звука.

В результате амплитуда высокочастотных колебаний, генерируемых в контуре КК, не останется постоянной. Она будет меняться по закону низкочастотного звукового колебания, наложенного дополнительно на сетку лампы. Так же будет колебаться и интенсивность радиоволн, излучаемых антенной.

Если мы изобразим эти колебания графически, то получим следующую картину (рис. 39). Здесь а — высокочастотные радиоколебания до модуляции; амплитуда их неизменна; б — звуковое низкочастотное колебание, изображающее скрипичную ноту, преобразованное затем в дополнительное колебание напряжения на сетке лампы; в — модулированное радиоизлучение в контуре и антенне.

Радиоизлучение, будучи само высокочастотным, понесло теперь в пространство, благодаря модуляции амплитуды, также и низкочастотное колебание, соответствующее частоте скрипичной ноты, взятой перед микрофоном.

Рис. 39. Графическое изображение амплитуды радиоизлучений: а — высокочастотные радиоколебания до модуляции; б — модулирующее звуковое колебание; в — модулированное радиоизлучение в антенне

Задача состоит теперь в том, чтобы в приемнике разделить эти две частоты, которые несут радиоволны, превратить частоту колебаний амплитуды в соответствующую частоту электротока, а эту последнюю — в звуковое колебание мембраны. Это разделение частот осуществляется опять-таки с помощью электронной лампы или же кристаллического детектора. Как это реализуется технически, мы не можем здесь описывать. Для нас важно лишь в принципе показать необходимость и возможность модуляции радиоизлучений для передачи по радио звуковой частоты и других сигналов.

Передавать сигналы по радио можно посредством модуляции не только амплитуды, но и частоты, а также фазы.

 

Естественные преобразователи света

Большую роль в технике играет преобразование света одной частоты в свет другой частоты. Мы рассмотрим сначала случаи, в которых преобразователями света выступает сама природа.

Мы уже рассказывали, что некоторые вещества можно заставить светиться, возбуждая их атомы нагреванием или обстреливая их из электронной пушки. Но оказывается, что и сам свет может возбуждать атомы и молекулы у ряда веществ. Так, под влиянием падающего невидимого света светятся молекулы бензола, антрацена и составных веществ, в которые они входят. Светятся также и многие красители. Существует целый класс твердых веществ, светящихся под действием невидимого света. Их называют фосфорами. Например, одним из таких фосфоров является вещество, состоящее из сернистого цинка с примесью незначительных количеств солей меди.

Рис. 40. Явление люминесценции. Под влиянием невидимого ультрафиолетового излучения раствор (Р) светится видимым светом

На рис. 40 приведена схема опыта по возбуждению видимого света невидимыми ультрафиолетовыми лучами в растворах. Как показали исследования, одни растворы светятся голубым, другие — зеленым, третьи — оранжевым светом. Цвета свечения различных растворов различны.

Явление свечения веществ под действием падающего света называется люминесценцией, или, точнее, фотолюминесценцией, а светящиеся вещества — люминесцирующими. Люминесцирующие вещества — это и есть преобразователи света.

Что же происходит в таких преобразователях?

Кванты падающего света поглощаются молекулярными структурами люминесцирующего вещества, вследствие чего последние возбуждаются. Затем поглощенная веществом энергия вновь отдается в виде энергии излучаемого света. Этому процессу поглощения и излучения энергии присущи две следующие черты.

Рис. 41. Кривая АБВ показывает, как распределяется световая энергия но частотам излучения

Люминесцирующим веществом излучается не вся поглощенная энергия; часть ее растрачивается на какие-то внутримолекулярные процессы. Вследствие этого свет, испускаемый люминесцирующим веществом, имеет иной состав, а именно, спектр излучения будет сдвинут по сравнению со спектром поглощения в сторону более длинных волн (меньшей частоты). Может случиться так, что люминесцирующее вещество будет облучаться невидимым ультрафиолетовым светом, а испускать оно будет видимый свет. В этом сдвиге спектра излучения как раз и отражен процесс преобразования света. В температурных спектрах, которые получаются от раскаленных паров металла, такого сдвига не наблюдается; в них спектры поглощения и испускания одинаковы, никакого преобразования света не происходит.

Для большей наглядности начертим кривые распределения поглощенной и излученной световой энергии по спектру. Эти кривые вычерчиваются так. Вдоль горизонтали ОП откладываются частоты излучений, а вдоль вертикали ОР — величины соответствующей энергии (рис. 41). Тогда линии КА, ЛБ, MB и другие будут показывать, какая энергия приходится на долю излучения соответствующей частоты. Соединив точки А, Б, В и другие между собой, мы получим кривую, которая характеризует распределение общей энергии по частотам излучения. Обычно такие кривые имеют максимум— вершину (точка Б на рисунке): на долю излучений соответствующих частот приходится наибольшее количество энергии.

Рис. 42. Спектры поглощения и последующего испускания у люминесцирующего вещества. Максимум энергии спектра испускания сдвинут в сторону меньших частот (больших длин волн)

Теперь мы можем проследить различие между спектрами поглощения и спектрами испускания люминесцирующих веществ. На рис. 42 изображены два таких спектра люминесцирующего раствора красителя родомина в ацетоне. Правая кривая характеризует спектр поглощения в таком растворе, а левая — спектр его испускания. Максимум (вершина) спектра испускания сдвинут по отношению к максимуму спектра поглощения влево, в сторону более низких частот (более длинных волн). Такой сдвиг характерен для процессов люминесценции. Вторая черта процесса состоит в том, что спектр люминесценции однозначно определяется только молекулярной структурой люминесцирующего вещества. Подобную же черту мы наблюдали и в температурных спектрах испускания. И там определенному веществу был присущ определенный спектр излучения. Мы видели, как много пользы извлек человек из этого факта. Ниже мы увидим, что столь же плодотворным оказывается исследование люминесцентных спектров. Большую работу по исследованию законов преобразования света в явлениях люминесценции проделал коллектив советских ученых под руководством академика С. И. Вавилова, неоднократно удостоенного государственной премии.

Практические применения люминесцентных преобразований света. Таких применений множество. Мы имеем возможность только упомянуть некоторые из них, не входя в подробности.

В настоящее время в городах находят широкое применение лампы дневного света. Это трубки, наполненные парами ртути, со впаянными электродами на концах. Когда к электродам лампы подводится напряжение, в парах ртути происходит разряд и испускается ультрафиолетовое излучение. Под его действием начинают светиться видимым светом фосфоры (окись цинка, кадмия), нанесенные на внутреннюю стенку лампы. Состав фосфоров подбирается так, чтобы свет по своему спектру был близок к дневному. Такие лампы очень экономичны, так как видимый свет в них получается не за счет накала волоска и поэтому в них нет тепловых потерь.

В современной науке и технике мы часто пользуемся невидимыми лучами потому, что видимые лучи совершенно непригодны для нужных целей. Так, видимые лучи сквозь тело человека не проходят. «Просветить» человека можно только рентгеновскими лучами. Но рентгеновские лучи невидимы, а хирургу подчас надо быстро определить, в каких органах, скажем, засела пуля и даже как именно она расположена. Словом, ему надо «осмотреть» засевшую пулю с разных сторон. Как же это сделать?

На помощь приходят опять преобразователи света — экраны с подходящими фосфорами. Изображения внутренних органов человека, полученные с помощью рентгеновского излучения, падают на экран и вызывают видимое свечение фосфора, преобразуются в видимые изображения. Пулю, засевшую в органах, можно осмотреть со всех сторон, как если бы она сидела в прозрачном желатине.

Современная техника предъявляет строгие требования к тому, чтобы отливка, из которой будет сделана работающая деталь механизма, была внутри однородна, не имела трещин, раковин, инородного вещества. «Осветить» внутренность металла можно только с помощью коротковолновых рентгеновских лучей. Если внутри металла есть трещины, они нарушат ход лучей, трещина будет изображена на фотопластинке. Однако фотографирование — процесс долгий, он непригоден при современных темпах производства. На помощь приходит умение человека преобразовывать свет. На место фотопластинки ставится экран из фосфоров. На нем изображение дефектов металла можно наблюдать визуально. Контроль за качеством металла становится удобным и, главное, быстрым.

 

Люминесцентный анализ на производстве

Подобно тому как существует множество марок металлических сплавов с разнообразными свойствами, так имеется и множество сортов масел и бензинов.

Возьмем, например, масла. Для различных условий работы требуются масла, различные по своим свойствам. Смазочные масла различаются по вязкости, удельному весу, температуре воспламенения и температуре застывания, по стойкости к окислению и по другим физико-химическим свойствам. Вырабатываются различные группы смазочных масел: индустриальные, судовые, турбинные, компрессорные, моторные, цилиндровые и другие. А каждая группа в свою очередь делится на ряд подгрупп (авиационные, швейные, оружейные и другие) и множество марок.

В производстве и эксплуатации масел важно быстро определять их сортность. Как это можно делать? Химический анализ с помощью обычных химических реакций занял бы слишком много времени.

На помощь опять приходит наука о свете. Но при анализе масел описанные выше приемы не пригодны. Масла представляют собой органические соединения; их нельзя сильно нагревать, при высокой температуре они либо распадаются на составные части, либо воспламеняются. Поэтому при спектральном анализе масел не нагревают, а используют их свойство светиться под действием падающего ультрафиолетового света, т. е. применяют люминесцентный анализ.

Люминесцентный анализ весьма чувствителен. Достаточно присутствия в одном кубическом сантиметре одной стомиллиардной доли грамма примеси другого масла, как это скажется на спектре люминесценции. В силу этого обнаруживаются малейшие различия в сортности исследуемых масел.

Точно так же сортируется оптическое стекло. Существует несколько десятков сортов оптического стекла. Каждый из них пригоден для одних оптических приборов и не годится для других. Но по внешнему виду они не отличаются друг от друга. Зато в ультрафиолетовых лучах они дают различное видимое свечение. Сортность стекол проверяется в ходе производства с помощью люминесцентного анализа.

Люминесцентный анализ широко применяется в советской промышленности. Методом люминесцентного анализа контролируют сортность и качество изделий в строительной, пищевой, резиновой промышленности и в ряде других. Это очень быстрый и надежный, простой и дешевый способ контроля.

 

Задача преобразования длинноволновых излучений в видимый свет

В естественных преобразователях света — люминесцентных веществах — преобразуется свет с длиной волны более короткой, чем у видимого, в свет видимый. Однако практические потребности выдвигают задачу преобразований иного рода, а именно, длинноволновых излучений — в видимый свет. Такая потребность возникает в тех случаях, в которых излучение используется как передатчик какой-либо информации, которую он несет издалека, проходя при этом сквозь толщу атмосферы, и которую надо в пункте приема превратить в зрительный образ. Ультрафиолетовое излучение в качестве передатчика информации в этом случае не годится, оно относительно быстро поглощается атмосферой. Напротив, инфракрасное (или же радио-) излучение атмосферой мало или вовсе не поглощается. Отсюда и возникает задача найти способ преобразования длинноволнового (малочастотного) света в свет видимый, с меньшей длиной волны.

Задача эта существенно отличается от рассмотренной ранее. Ранее задача была проще. В самом деле, частота любых ультрафиолетовых (и тем более рентгеновских) излучений больше частоты видимого света. В силу этого и энергия фотона ультрафиолетового света больше энергии фотона видимого света. Энергии фотона ультрафиолетового света хватает с избытком для такого возбуждения молекулы люминесцентного вещества, которое в последующем приводит к испусканию фотонов видимого света (с меньшей энергией). Не то в случае задачи преобразования инфракрасного излучения в видимый свет. Частота, а стало быть, и энергия фотона инфракрасного излучения меньше частоты и энергии фотона видимого света. Энергии фотона инфракрасного излучения недостаточно для такого возбуждения молекулы вещества, которое привело бы в последующем к испусканию ею фотона видимого света. Значит, если мы хотим, чтобы инфракрасные излучения преобразовывались в видимый свет, необходимо создать источник добавочной энергии.

 

Электронно-оптические преобразователи света

Опишем кратко один из способов преобразования инфракрасного света в видимый, с помощью так называемых электронно-оптических преобразователей.

На рис. 43 дана простейшая схема такого преобразователя. Он представляет собой стеклянный стакан с двойными стенками и дном. На внутреннюю стенку наружного дна нанесен полупрозрачный серебряноцезиевый слой АА — это фотокатод. Напротив фотокатода на внутреннем донышке нанесен флуоресцирующий (светящийся под ударами электронов) экран ББ.

Рис. 43. Схема простейшего электронно-оптического преобразователя: АА — полупрозрачный серебряноцезиевый слой; ББ — флуоресцирующий экран

Когда на фотокатод АА упадет слева инфракрасное изображение предмета, из каждого его участка будут вырываться электроны. Иначе говоря, каждый участок фотокатода станет источником электронного луча. Интенсивность этого луча будет тем больше, чем интенсивнее («ярче») инфракрасный свет, падающий на этот участок, т. е. чем больше на него падает фотонов инфракрасного света. Вся же совокупность электронных лучей, испускаемых всей плоскостью фотокатода АА, будет в точности повторять световые контрасты инфракрасного изображения. Мы можем сказать, что с помощью фотокатода инфракрасное изображение преобразовалось в электронное изображение.

Чтобы получить из электронного изображения вновь оптическое, но уже видимое изображение, нужно все излученные фотокатодом электроны снабдить добавочной энергией и направить их на флуоресцирующий экран ББ, притом так, чтобы электронное изображение не искажалось при перелете электронов от АА к ББ, т. е. чтобы электроны летели не как попало, а параллельно, перенося изображение на экран ББ. Это достигается тем, что между фотокатодом АА и экраном ББ создается высокое напряжение, ускоряющее электроны в сторону экрана. Это и есть тот добавочный источник энергии, о необходимости которого говорилось выше.

Упав на экран ББ, каждый электронный луч создает на нем светящееся видимым светом пятно. Интенсивность каждого светящегося пятна будет соответствовать интенсивности падающего электронного луча, тем самым к интенсивности инфракрасного света того участка фотокатода, из которого вышел данный электронный луч. На флуоресцирующем экране в целом будет воспроизводиться оптическое изображение, но оно будет уже в видимом свете.

Так с помощью электронно-оптических преобразователей невидимые инфракрасные изображения предметов преобразуются в видимые.

 

Преобразование света и новейшая радиотехника

Создание электронно-оптических преобразователей показало возможность преобразовывать излучения не только в сторону меньшей частоты (меньшей энергии фотонов), но и в сторону большей частоты (большей энергии фотонов). Электронно-оптические преобразователи играют важную роль в использовании инфракрасных излучений для видения в ночное время (в военном деле), для наблюдений в инфракрасном свете астрономических объектов и органических систем (например, клеток), многие детали которых в видимом свете не могут быть наблюдаемы. Не менее важно и то, что они показали пути технического решения задачи передачи изображений с помощью радиоизлучений, т. е. телевидения.

В телевидении применяются так называемые электронно-лучевые трубки — кинескопы, в которых, как и в электронно-оптических преобразователях, используется в качестве звена преобразований электронный луч. Но только в кинескопах, на флуоресцирующий экран падает не множество параллельных электронных лучей, как в электронно-оптическом преобразователе, а только один луч, но зато подвижный. Интенсивность этого луча непрерывно изменяется; она управляется по радио с телевизионной станции и в каждый момент точно соответствует световой интенсивности того участка картины, который воспринимается телеаппаратурой. Электронный луч на экране кинескопа быстро рисует «строку за строкой», оставляя в каждом участке экрана световые пятна различной интенсивности. Эти световые пятна сохраняются в глазу все то время, пока электронный луч заполняет ими весь экран. В результате зритель воспринимает на экране телевизора целостную картину, соответствующую той картине, которую снимает съемочная аппаратура телепередатчика.

Электронно-лучевые трубки применяются также в радиолокации, в электронных микроскопах, с помощью которых можно наблюдать даже некоторые молекулы.

Овладев законами спектрального преобразования света, человек чрезвычайно расширил свою власть над природой.