ФОТОН АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА

Но стала ли ситуация более ясной с появлением гипотезы Планка? С ее помощью можно было получить теоретическую кривую, согласующуюся с экспериментом, однако ее суть была непонятна. Можно сказать, что соотношение Планка висело в воздухе и казалось бельмом на глазу классической физики, которое, как надеялся сам Планк и другие, каким-то образом исчезнет.

Планк писал, что он

«...пытался как-то ввести в рамки классической теории. Однако вопреки всем таким попыткам эта величина оказалась весьма строптивой» [5].

Далее:

«Провал всех попыток перекинуть мост через эту пропасть вскоре не оставил более никаких сомнений в том, что квант действия играет фундаментальную роль в атомной физике...» [6].

И наконец:

«Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов. Некоторые из моих коллег усматривали в этом своего рода трагедию. Но я был другого мнения об этом, потому что польза, которую я извлекал из этого углубленного анализа, была весьма значительной. Ведь теперь я точно знал, что квант действия играет в физике гораздо большую роль, чем я вначале был склонен считать...» [7].

В 1905 г., помимо работы «К электродинамике движущихся тел», Эйнштейн опубликовал статью, в которой он показал, что если рассматривать свет, заключенный внутри абсолютно черной полости, как газ, частицы которого обладают энергиями то можно получить результат Планка. Кроме того, на этом пути Эйнштейну удалось объяснить явление так называемого фотоэффекта. Здесь снова возникла проблема, связанная с особенностью поглощения и испускания электромагнитного излучения веществом.

Исследуя в 1887 г. природу электромагнитных волн, Генрих Герц обнаружил, что разряд между электродами проще «зажечь», если облучать их ультрафиолетовым светом. При демонстрации этого явления

катод, помещенный в откачанную трубку, облучают светом, в результате чего из катода начинают вылетать электроны (фиг. 83). Эти электроны движутся в сторону положительного электрода — анода, создавая слабый электрический ток. Связь между этим током и интенсивностью и цветом падающего излучения представляет особый интерес. Энергию и число испущенных электронов можно определить, как на фиг. 83, измеряя ток и напряжение. Можно ожидать, скажем на основании теории Максвелла, что чем мощнее источник света, тем большей энергией будут обладать испущенные электроны. В эксперименте же наблюдается совсем иное.

Фиг. 83. а) Метод наблюдения фотоэффекта. Фотоэлектроны, выходящие из металлической пластины под действием падающего света, притягиваются электродом, расположенным в другом конце трубки, и создают ток, который измеряется с помощью амперметра, б) Метод определения максимальной энергии фотоэлектронов. При увеличении отрицательного потенциала на тормозящем электроде число фотоэлектронов, достигающих его, уменьшается. Наконец, при определенном напряжении ни один электрон не попадет на тормозящий электрод, о чем будет свидетельствовать нулевой ток; это напряжение и отвечает максимальной энергии фотоэлектронов (взято из [8]).

Величина суммарного тока, характеризующая полное число испущенных электронов, зависит от интенсивности падающего света. Но максимальная энергия отдельных электронов для данного катода зависит только от цвета этого излучения, т. е. от его частоты. В результате даже очень слабый источник света может вызвать испускание электронов, обладающих большой энергией, если частота света достаточно высока. Вместе с тем свет низкой частоты никогда не вызывает испускание электронов, каким бы мощным ни был его источник. Эти результаты никак не согласуются с теорией Максвелла, так как в соответствии с ней свет, или вектор электрического поля, или колеблющаяся электромагнитная волна, передает свою энергию благодаря силе, действующей на заряженный электрон со стороны электрического

поля. Если источник света слабый, то и вектор электрического поля, распределенного по всему пространству, тоже будет слабым. Для выбивания энергичного электрона такому слабому электрическому полю потребуется много времени. На опыте же наблюдается практически мгновенное испускание фотоэлектронов, как только свет, независимо от его интенсивности, попадает на катод.

Фиг. 84.

Развивая идею Планка, Эйнштейн предположил в 1905 г., что свет не только испускается в виде порций энергии но и поглощается такими же порциями (позднее эти порции стали называть фотонами). И снова энергия поглощения равнялась произведению таинственной величины постоянной Планка, на частоту.

Ничто так не противоречило классическому представлению о том, как волна передает энергию. Рассмотрим, например, пробку, плавающую на поверхности озера. Если волны на озере небольшие, то и пробка колышется слабо, так же слабо, как вода в озере. Эйнштейн же предположил, что свет, считавшийся волной, передает свою энергию частицам совсем не так. Каким бы слабым ни был свет, если он вообще достигает частицы, он доходит до нее в виде отдельных порций, энергия которых а если он все-таки передает энергию частице, то такими же порциями. Следовательно, величина энергии, переданной светом отдельному электрону, не имеет ничего общего с интенсивностью падающего света, а определяется лишь его частотой, что согласуется с наблюдениями. Если частота слишком мала, электрон не получает достаточной порции энергии, способной выбить его с поверхности катода, каким бы интенсивным ни был падающий свет. (Конечно, сохраняется возможность, что электрон получит несколько порций энергии одновременно, однако такое событие, как покажет будущая теория, происходит крайне редко.) Далее, поскольку эти порции достигают электронов одновременно с приходом света (так как они сами являются частицами света), излучение фотоэлектронов происходит одновременно с приходом света, какой бы слабой ни была его интенсивность (фиг. 84).

Предположение Эйнштейна позволило прекрасно объяснить наблюдаемые свойства фотоэффекта. Но оно тоже было совершенно чуждо идеям классической физики. С одной стороны возвышалось здание классических традиций, а с другой стороны подобно строптивому актеру стояло соотношение Планка и Эйнштейна, согласно которому электромагнитная энергия поглощается и излучается порциями

Пример. Какова наинизшая частота света, способного вызвать эмиссию фотоэлектронов с поверхности, если для выбивания электрона

требуется энергия 1,9 эВ?

Поэтому

Этой частоте соответствует свет в красном участке спектра. Свет с более высокими частотами тоже вызовет фотоэмиссию электронов.