Фотоны

Известны всем опыты с интерфенции и дифракции доказывают, что свет - это волна. Ньютон, пытаясь объяснить конечную скорость распространения света, предположил, что раскаленное тело излучает частицы - корпускулы, которые передают свет. Но при этом ему не удалось объяснить явления интерференции и дифракции, и корпускулярную теорию было надолго забыто.

Волновая природа света, которую всесторонне исследовал Френеля, казалась абсолютно убедительной. В 1873 году Джемс Клерк Максвелл предсказал, что свет, как и любая другая волна, попадая на поверхность, должна оказывать на нее давление. Световое давление очень мал и измерить его экспериментальным путем чрезвычайно трудно. Но этот блестящий эксперимент осуществил Петр Лебедев. Он измерил световое давление не только на поверхности твердого тела, но и на газы, и после его опытов казалось, что любые другие дополнительные доказательства волновой природы света лишены смысла - настолько убедительными были проявления того, что свет - это волновой процесс. Генрих Герц, который экспериментально доказал волновую природу электромагнитного излучения и справедливость теории Максвелла, писал через два года после своего открытия: "Со времен Юнга и Френеля мы знаем, что свет - это волновое движение. Сомневаться в этих фактах больше невозможно: опровергнуть эти факты физик состоянии. С точки зрения рода человеческого волновая теория является очевидностью ». Торжество волновой теории было очевидным, а теория световых корпускул Ньютона была надолго забыта.

Напомним, что Планк, объясняя закономерности теплового излучения, вынужден был ввести квантования энергии излучающего осциллятора (например, электрона, колеблется относительно положения равновесия в атоме). Но на распространение света его идеи дискретности не распространялись и считалось, что излучение и распространение света происходит в виде электромагнитной волны. Планк ввел свой квант действия так, чтобы не повредить волновой оптике, созданной и апробированной в течение двух веков. Но, как писал Эйнштейн, "Планк посадил в ухо физикам блоху». В 1905 году Эйнштейн опубликовал работу "О эвристической точке зрения на возникновение и преобразования света", в которой впервые было выдвинуто гипотезу световых квантов и открыто следующую важную страницу в квантовой физике. В этой работе он писал: "... Напрашивается вопрос: не является ли законы возникновения и превращения света такими, как будто свет состоит из таких же квантов энергии?». Таким образом, Эйнштейн распространил планковских идею квантования осцилляторов на электромагнитное излучение. С этой точки зрения, планковских осциллятор изменяет свою энергию, излучая или поглощая соответствующий квант света. Эти кванты света позже получили название "фотонов". Термин "фотон" предложил Дж. Льюис в 1926 году, и этот срок сразу прижился. Фотон стал полноправной элементарной частицей.

Выдвинутую идею световых квантов-фотонов Эйнштейн сначала применил для объяснения явления фотоэффекта.

Впервые фотоэффект наблюдал Генрих Герц, исследуя результаты приема электромагнитных волн. Он обнаружил, что при освещении разрядного промежутка приемного резонатора светом электрической дуги (он содержит большую долю ультрафиолетового излучения) пробой возникает гораздо легче, что может быть связано с ионизацией воздуха. Фотоэффект, как и рентгеновские лучи и радиоактивность, было открыто случайно. Но история науки показывает, что подобные "случаи" выпадают на долю только первоклассных экспериментаторов.

В 1887 году А. Г. Столетов исследовал фотоэффект более детально и обнаружил, что освещение металлической пластины вызвано потоком отрицательно заряженных частиц (электрон еще не был известен - его открыл Томсон только в 1897 году), причем величина электрического тока пропорциональна интенсивности облучения.


Позже фотоэффект изучали многие исследователи. Описание явления начал в 1902 году Филипп Ленард. У1905 году он получил Нобелевскую премию за исследования катодных лучей. Он установил удивительный факт: энергия электронов, вылетающих при фотоэффекте, совершенно не зависит от интенсивности излучения, однако в значительной степени зависит от его частоты: с уменьшением частоты (увеличением длины волны) энергия электронов уменьшалась, а если длина волны превышала определенное критическое значение - фотоэффект вообще прекращалось. Это был тот самый Ленард, который позже получил славу Герострата, став официальным главой физики в гитлеровской Германии и возглавив борьбу с теорией относительности.

Полученные результаты, однако, никак не согласовывались с общепризнанной волновой теории света. Металл, как известно, содержит электроны, на которые должна действовать сила со стороны электрического поля волны. Если эта сила достаточно велика, она с успехом могла бы вырывать электроны из металла. Но с этой точки зрения следует, что этот так называемый фотоэлектрический эффект не состоится без источника сильного света. Если бы свет был очень слабым, то и электрическое поле, связанное с ним, было бы тоже слабым, и слабых электрических сил было бы недостаточно, чтобы преодолеть силы притяжения, которые обычно содержат электроны внутри металла. Мы могли 6 также предположить, что если увеличивать интенсивность света, то скорость, с которой вылетают электроны, возрастет, поскольку они вырываются большей силой. Наконец, эта зависимость могла 6 Не быть простой, но в целом мы могли бы предположить, что свет большей частоты должно быть менее эффективным. Если сила меняет свое направление по очень короткий период, то прежде чем электрон выйдет из металла, сила изменит свое направление и будет толкать его обратно.

Эксперимент дал, однако, совсем другие результаты.

Это противоречие и решил А. Эйнштейн. Здесь оказалась замечательная особенность Эйнштейна - он больше доверял интуиции и фактам, а не общепринятому мнению. В явлении фотоэффекта он увидел не досадное исключение из правила, а сигнал природы о существовании еще неизвестных законов. Просто сначала были изучены волновые свойства света, а в явлении фотоэффекта проявились новые, ранее неизвестные свойства.

Внедрив представление о кванты света, Эйнштейн применяет его к явлению фотоэффекта. Он обратил внимание на то, что результаты исследования фотоэффекта полностью совпадают с гипотезой о световых квантах. Если свет состоит из световых квантов, имеют энергию (h - постоянная Планка), то, если такой квант попадает на поверхность металла, он может быть поглощенным, т.е. выбыть из светового пучка, таким образом энергия кванта становится активной. Если это количество энергии h • попадает на электрон, электрон может благодаря этому высвободиться из металла (на это тратится энергия А, получившую название работы выхода электрона), и вступит к тому же некоторую скорость, то есть электрон получит кинетическую энергию:


Это утверждение можно записать в виде простого уравнения:

Если принять шо гипотезу, то явление фотоэффекта сразу станет ясно. Если частота света (и соответственно энергия кванта) мала (), то электроны не могут выбиваться из металла. Если мы перейдем в зону высоких частот (с красной части спектра в фиолетовую или ультрафиолетовую), то энергия кванта возрастет настолько, что ее будет достаточно для выбивания электронов (). При этом скорость выбитых электронов будет зависеть только от энергии кванта (частоты света) и не будет зависеть от их количества (интенсивности света).

Применив свою теорию световых квантов к явлению фотоэффекта, Эйнштейн не сразу нашел сторонников. Даже Планк, рекомендуя пригласить Эйнштейна на работу в Берлин, просил »не слишком сильно упрекать" ему гипотезой относительно явления фотоэффекта. Даже после экспериментов Милликена, целью которых была проверка уравнения Эйнштейна, гипотеза световых квантов не вызывала у физиков доверия. В 1913 году Планк, Нернст, Рубенс и Варбург выдвинули Эйнштейна в члены Прусской академии наук. В заключительной части рекомендации они писали: "В целом можно сказать, что вряд ли существует какая-либо из важных проблем современной физики, в решение которой Эйнштейн не сделал бы весомого вклада. То, что он иногда не попадает в цель, как, например, в случае с гипотезой световых квантов, нельзя считать отрицательным аргументом, поскольку невозможно выдвинуть новую идею, даже в наиболее точной науке, без некоторой доли риска ".

Негативное отношение физиков гипотезе световых квантов сказалось даже на формулировке Нобелевского комитета. Эйнштейн получил Нобелевскую премию 1921 (она была вручена ему в 1922 году) "за вклад в теоретическую физику и особенно за открытие закона фотоэффекта". Об открытии квантов електромагнитгиого поля - ни слова!

Как объяснить такое упорное неприятие этой гипотезы? На это есть две причины. Первая - очевидная - невозможность в то время согласовать гипотезу квантов с хорошо проверенными свойствами света - интерференцией и дифракцией. Вторая связана с тем, что, в отличие от открытий Планка и Бора, эта гипотеза не приводила к столь подробных и точных предсказаний.

Световые кванты перестали быть гипотетическими частицами только в 1923-1924 годах после исследований, которые выполнил А. Комптон. Он изучал прохождение рентгеновских лучей (то есть электромагнитного излучения с длиной волны порядка атомных размеров или короче) через вещество и проанализировал рассеянное излучение. Сам по себе процесс рассеяния волны - именно то, чего и следовало ожидать согласно старым представлений. Электромагнитная волна действует на электроны в атомах, заставляя их быстро колебаться; такие электрические заряды, которые быстро осиливают, действуют


как маленькие передатчики электромагнитных волн и потому вызывают излучение во всех направлениях. Однако мы должны были 6 надеяться, что частота рассеянного излучения будет такой же, как и частота пучка, попадающего на поверхность. Однако Комптон обнаружил, что длина волны рассеянного излучения больше, чем того излучения, которое попадает на поверхность, и увеличение длины волны зависит от угла, под которым наблюдается рассеянное излучение (рассеянные лучи "краснее" от первичных!).

Чудо это можно понять, если вспомнить гипотезу Эйнштейна о квантах света, которую он предложил для объяснения явлений фотоэффекта. "Фотон ударился о электрон" - такая идея теории Комптона для объяснения результатов, которые он наблюдал. Взяв за основу его утверждение, вместо рентгеновских лучей с длиной волны и частотой - нужно представить себе поток частиц-квантов с энергией и импульсом. Сталкиваясь с электронами атомов мишени, они упруго (как бильярдные шары) взаимодействуют с ними, отдают им часть своей первичной энергии и рассеиваются с меньшей энергией "и меньшей частотой (т.е. увеличивается длина волны). Результаты выполненных несложных вычислений хорошо согласуются с данными наблюдений; мы убеждаемся, что гипотеза световых квантов приобретает теперь еще более конкретной формы. Мы должны представлять их как некоторые частицы, переносят не только энергию, но и импульс, и способны сталкиваться с электронами, подобно тому, как один электрон может сталкиваться с другими электронами. Можно наблюдать не только рассеянное излучение, но также и электроны, которые должны выбрасываться при рассеянии рентгеновских или гамма-лучей; такие электроны (их называют электронами отдачи) были обнаружены на самом деле. Измерение скоростей этих электронов отдачи, вылетающих в данном направлении, снова полностью подтверждают предсказания теории.

Не следует считать, что эффект Комптона - это нечто искусственное, придуманное только для того, чтобы укрепить позиции теории световых квантов. Мы ежесекундно сталкиваемся с результатом подобного, но обратного эффекта - рассеяние быстрых электронов на фотонах малой энергии (обратный эффект Комптона). Электроны высоких энергий, которые генерируют звезды в процессе термоядерных реакций, происходящих в них, взаимодействуют с фотонами межзвездного пространства и, теряя энергию при упругих столкновениях с фотонами, передают им свою энергию. В результате возникает мощное космическое рентгеновское излучение, действия которого испытывает и Земля.

Подытожим некоторые наши размышлениям о световые кванты-фотоны.

Все факты, изложенные в этом разделе, является, казалось бы, убедительным доказательством справедливости квантовых (корпускулярных) представлений о природе света. Однако не следует забывать, что не менее веские аргументы в пользу того, что свет является волновым процессом (интерференция, дифракция света). Так что же такое свет?

В. Брэгг, один из тех, кто впервые совершил дифракцию рентгеновских лучей на кристалле, писал: "Неужели мы должны считать, что свет состоит из корпускул в понедельник, вторник и среду, пока мы проводим опыты с фотоэффектом и эффектом Комптона, и представлять себе его в виде волн в четверг, пятницу и субботу, когда мы работаем с явлениями дифракции и интерференции? " Этот вопрос можно перефразировать так: что такое свет - непрерывные электромагнитные волны, излучаемые источник, или поток дискретных фотонов? Необходимость прибегать в разных ситуациях в различных, вза-емовиключних понятий представляется искусственной.

Такие двойные свойства света, однако, является только одним из проявлений корпускулярно-волнового дуализма. Свет одновременно обладает свойствами и волны, и частицы. Просто в разных экспериментальных ситуациях мы фиксируем или волновые, или корпускулярные свойства света. В проявлении тех или иных свойств есть определенная закономерность.

По коротких волн (волн высоких частот), то более четко проявляются его корпускулярные свойства: с этим связано существование красной границы фотоэффекта и фотохимических реакций; волновые свойства коротковолнового излучения выражены слабо - дифракцию рентгеновских лучей удалась обнаружить только после того, когда и как дифракционные решетки были использованы природный кристалл. Для длинноволнового излучения квантовые свойства выражены слабо, а основную роль играют его волновые свойства. Именно в этой части спектра наблюдаются явления интерференции и дифракции.

Сейчас мы не будем подробно обсуждать ситуацию, связанную с неоднозначностью свойств света - с его корпускулярно-волновым дуализмом, и отложим обсуждение этого вопроса в более общем виде.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >