Раздел II. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ, ИЛИ ФОТОНЫ

Первая серия экспериментальных фактов привела к радикальному пересмотру теории излучения Максвелла — Лоренца и частичному возврату к старой корпускулярной теории; имеются в виду фотоэлектрический эффект и эффект Комптона.

§ 4. Фотоэлектрический эффект

Первый шаг в этом направлении был сделан Эйнштейном в его знаменитой статье 1905 г., посвященной фотоэлектрическому эффекту. Общее отношение к теории Планка в то время можно было выразить словами, что «все происходит так, как если бы обмен энергией между излучением и абсолютно черным телом происходил отдельными квантами энергии, но задача состоит в том, чтобы согласовать эту гипотезу, сделанную с волновой теорией». Приняв прямо противоположную точку зрения и пойдя далее Планка, который ограничился введением дискретности только в самый механизм поглощения и испускания излучения, Эйнштейн постулировал, что само световое излучение представляет собой поток корпускул, фотонов, обладающих энергией и скоростью с (с — скорость света в пустоте см/сек). Далее он показал, каким образом эта удивительная гипотеза позволяет понять целый ряд явлений, до того времени остававшихся необъяснимыми; среди них фигурирует и фотоэлектрический эффект.

Под этим названием известно явление, которое состоит в испускании электронов при облучении щелочного металла в пустоте ультрафиолетовым излучением. Интенсивность возникающего электрического тока пропорциональна интенсивности излучения, падающего на металл. Однако скорость испускаемых электронов не зависит от интенсивности излучения, она зависит только от частоты света (Ленард, 1902 г.), независимо от того, на каком расстоянии находится источник света; только число электронов, испускаемых в секунду, пропорционально интенсивности, т. е. обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Объяснение этих фактов Эйнштейном очень просто. Каким бы ни было расстояние, пройденное светом после его испускания, он представляет собой поток корпускул с энергией Когда один из этих фотонов встречает электрон металла, фотон полностью поглощается и электрон получает энергию покидая металл, электрон должен совершить работу, равную его энергии связи в металле так что наблюдаемая кинетическая анергия электронов оказывается равной

Количественные предсказания теории полностью подтверждаются экспериментом. Постоянная согласно предсказаниям теории, есть некоторая константа, характерная для облучаемого металла. Что касается постоянной то она имеет то же численное

значение, что и постоянная, фигурирующая в законе спектрального распределения излучения абсолютно черного тела.

Имея в виду успех корпускулярной теории, следует выяснить, может ли классическая волновая теория также объяснить фотоэлектрический эффект. A priori это не кажется невозможным. Действительно, световая волна переносит некоторое количество энергии, пропорциональное ее интенсивности, и может передать всю или часть этой энергии при проникновении в металл; энергия, аккумулируемая в металле, может сконцентрироваться на некоторых электронах, которые таким образом получают возможность покинуть металл; можно представить себе, что в результате действия некоторого механизма, который следует, конечно, уточнить, электрон не может покинуть металл, пока не получит энергию, равную . Основное различие между таким объяснением и корпускулярной теорией заключено в непрерывном характере накопления энергии в металле; вследствие этого фотоэлектрическая эмиссия происходит не мгновенно, а спустя некоторый промежуток времени, необходимый для накопления энергии . Это запаздывание эмиссии может быть зарегистрировано экспериментально.

Опыты по этой схеме были поставлены Мейером и Герлахом в 1914 г. на распыленных металлах. Зная интенсивность излучения и размеры частичек «пыли», они могли вычислить минимальное время облучения, необходимое для того, чтобы пылевидные частицы металла поглотили энергию которая нужна для эмиссии электрона; в условиях их эксперимента это время равнялось нескольким секундам. Однако во всех случаях они наблюдали испускание электронов одновременно с началом облучения.

Следует сделать заключение, что волновая теория света, во всяком случае в своей классической форме, неспособна дать объяснение фотоэлектрическому эффекту.