Фотоэффект. Кванты.

Фотоэффект – это явление, обнаруженное Герцем, которое имеет особую «заслугу» перед человечеством – именно оно дало толчок к пониманию того, что энергия в природе существует только в виде квантов, т.е. «кусочков».

Суть опыта очень проста: если свет направить на металлическую поверхность, то из нее начнут вылетать электроны. Само по себе это физиков не удивило, так как в 80-х годах XIX века уже понимали, что устройство атома сложно. Но удивило другое. Ученые стали измерять число вылетающих электронов и их энергию в зависимости от интенсивности и частоты падающего света.

Частота, как мы знаем, определяется количеством максимумов и минимумов амплитуды, происходящих за 1 секунду. А интенсивность определяется количеством света, то есть его яркостью.

И вот – сначала поверхность металла освещали одной лампой, а потом решили увеличить количество света – поставили две лампы, три, десять ламп. Свет стал ярче, и количество вылетающих из металла электронов тоже пропорционально увеличилось. А энергия вылетающих электронов не изменилась. И это было необъяснимо. Ну в самом деле – если мы заливаем поверхность металла все большими и большими потоками энергии, значит и электроны начнут запасать ее больше и больше, и не может такого быть, чтобы они по прежнему вылетали с одной и той же энергией. Представим себе, что некий идиот стал бросать в толпу монеты. Швырнул бочку монет. Началась, как водится, паника, кто-то схватил больше, кто-то меньше. А в нашем опыте – все не так. В нашем опыте даже при облучении одной лампой все вылетающие с поверхности металла электроны имеют одну и ту же энергию. Ну что ж, это можно объяснить – если в бочке тысяча монет, а в толпе миллион человек, понятно, что мало кому удалось ухватить сразу две монеты. Тогда мы напряглись, озадачили банки и в результате собрали десять миллионов, сто миллионов монет! И бухнули все это добро все в ту же толпу из миллиона человек. И что получилось? Да, с одной стороны опыт удался – теперь уже в сто раз больше людей сумели ухватить по монетке, но снова каждый человек имел лишь по одной монете, а все остальные просто втоптались в грязь. Не нашлось ни одного, кто имел бы две монеты! Нереально. Вот и с электронами тоже – нереально. Значит – неверно наше представление о том, что электрон может захватить разное количество энергии. Не получается.

В том эксперименте использовалась кварцевая лампа – она излучает фиолетовые и ультрафиолетовые лучи, то есть сравнительно коротковолновые и высокоэнергичные. А если мы заменим кварцевую лампу на другую, которая излучает красные волны, то электроны вообще перестают вылетать, хоть ты их залей этим светом по самые уши! Это совсем ни в какие ворота не лезет. Если излучение, если свет – это волновой процесс, то этого просто никак не может быть.

Эйнштейн объяснил фотоэффект. Ему помог в этом Макс Планк, который совсем недавно, решая совсем другую задачу, пришел к тому, что решается та задача при довольно дурацком допущении, состоящем в том, что свет состоит из частиц, которые назвали потом «фотонами», и что эти фотоны переносят с собой частички энергии. Удивительно, но сам Планк не верил в то, что такое на самом деле может быть, и относился к своему решению просто как к забавному чисто математическому методу, который дает правильный результат несмотря на явную абсурдность физической модели. А Эйнштейна осенило, что это не «просто математическая примочка» - это и есть модель, которая отражает существующую реальность .

Эйнштейн ввёл термин «квант» и пояснил, что свет, несомненно, проявляет себя как волна во многих опытах по дифракции и интерференции, но в опыте, когда свет облучает поверхность металла, он ведет себя как частица, как квант.

Согласно формуле, предложенной Планком, энергия кванта связана с частотой волны по формуле E=h×ν , где «h» - некая постоянная, которую впоследствии стали называть «постоянной Планка», а «ν» - частота световой волны. Эйнштейн предположил, что энергия, которую несет в себе квант, расходуется, во-первых, на выбивание электрона из атома металла, и во-вторых – на придание ему кинетической энергии. И теперь стало все ясно. До тех пор, пока частота света мала (то есть велика длина его волны), кванты света несут в себе слишком мало энергии, чтобы выбить электрон из ядра. Поэтому сколько не лей красного света на металл, электроны не вылетят – красный свет наносит слишком маломощные удары по металлу. Как только энергия квантов становится достаточной, как это случается при облучении металла ультрафиолетом, они начинают вылетать и приобретают определенную скорость. И снова – ты можешь хоть по уши залить металл ультрафиолетом, а вылетающие электроны будут иметь одну и ту же энергию, ведь кинетическая энергия вылетевшего электрона зависит только от того – сколько ее осталось после того, как часть энергии потратилась на выбивание электрона из ядра. То есть конечная кинетическая энергия электронов, и, соответственно, их скорость, зависит только от частоты падающего света, а не от его интенсивности. Одна или двадцать ультрафиолетовых ламп будет светить на металл – миллион (в случае одной лампы) или десять миллионов (в случае десяти ламп) электронов вылетит с поверхности металла, все они будут иметь одну и ту же скорость.

Так было доказано существование фотонов и квантов энергии, которые они с собой переносят.

Эйнштейн получил за объяснение фотоэффекта Нобелевскую премию, хотя откровенно говоря, оно того не стоит, и все это понимали. Да, идея клевая, но все-таки здесь первопроходцем был скорее Планк. Поэтому Нобелевскую премию Эйнштейн получил несправедливо? Нет, наоборот – это было восстановление попранной справедливости. Построенная Эйнштейном теория относительности – одно из самых великих творений в физике за всю историю человечества. Но идеи этой теории были ну такими уж супер-абсурдными, что почтенные руководители Нобелевского комитета никак не хотели всерьез признавать это открытием, а особенно председатель комитета, который испытывал личную неприязнь к Эйнштейну. В результате хитрого маневра, который был придуман старым Лоренцем, Эйнштейн был номинирован на премию именно за объяснение фотоэффекта, и часть колеблющихся членов комитета согласились в итоге присудить премию именно ему. Само собой разумеется, что свою Нобелевскую речь Эйнштейн посвятил именно теории относительности.

Интересно также, что еще в 1909 году Эйнштейн фактически заложил камень будущей теории корпускулярно-волнового дуализма, когда на своем выступлении заявил, что скоро должна наступить новая фаза в развитии физики, которая даст нам теорию, которая станет слиянием представлений о свете как о волне и как о частице.