Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Другими словами, слабый фиолетовый свет приведет к испусканию немногих электронов с высокой энергией; интенсивный оранжевый свет приведет к испусканию большого количества электронов с низкой энергией, а красный свет даже чрезвычайной интенсивности вообще не приведет к испусканию электронов.

В рамках физических теорий XIX века просчитать это было невозможно, но в 1905 году Эйнштейн разработал объяснение, в котором использовалась квантовая теория Планка, которой было уже пять лет, но которая еще не получила признания.

Эйнштейн решил, что свет не только излучается в виде квантов, как установил Планк, но и поглощается в виде квантов. Когда свет падает на поверхность, электроны, закрепленные на поверхности, поглощают энергию по кванту за раз. Если энергии одного кванта оказывалось достаточно для преодоления сил, удерживающих его на поверхности, он высвобождался, иначе — нет.

Конечно, электрон может предположительно набрать достаточно энергии, чтобы оторваться и поглотить второй квант, если не хватило первого. Однако это маловероятно. Чрезмерно велика вероятность, что до того, как он успеет поглотить второй квант, он уже излучит первый. Следовательно, один квант должен проделать работу самостоятельно; если это не так, просто умножается количество квантов (которые сами по себе не могут проделать эту работу) и ничего не получается. То же самое, как если человек недостаточно силен, чтобы поднять камень в одиночку, то даже миллион человек такой же силы не смогут поднять его, подходя по очереди. Камень останется на месте.

Однако размер кванта возрастает с повышением частоты. На пороговой частоте квант является лишь достаточно большим, чтобы преодолеть силу, удерживающую электрон на конкретной поверхности. По мере того как возрастает частота (и энергетическое содержание кванта), все больше и больше энергии будет оставаться после высвобождения электрона для перевода в кинетическую энергию.

Для каждого вещества имеется отдельная характеризующая его пороговая частота, зависящая от того, насколько сильно электроны удерживаются своим веществом. Для такого металла, как цезий, в котором электроны привязаны очень слабо, пороговая частота находится в инфракрасном спектре. Даже небольшие кванты инфракрасного света несут достаточно энергии, чтобы разорвать эту слабую связь. Для такого металла, как серебро, в котором электроны держатся сильнее, пороговая частота лежит в ультрафиолетовой части спектра.

Тогда Эйнштейн предложил следующее отношение:

½mv2 = hν – w, (Уравнение 8.3)

где ½mv2 — кинетическая энергия испускаемого электрона; hν (постоянная Планка на частоту) — энергетическое содержимое кванта, поглощаемого поверхностью; а w — энергия, требуемая для того, чтобы электрон оторвался от поверхности. На пороговой частоте электроны только-только могут отрываться и обладать кинетической энергией не будут. По этой причине уравнение 8.3 примет вид 0 = hν — w; а это будет означать, что hν = w. Другими словами, w будет представлять энергию светового кванта на пороговой частоте.

Предложенное Эйнштейном объяснение фотоэлектрического эффекта было таким элегантным и так хорошо соответствовало наблюдениям, что квантовая теория внезапно обрела популярность. Изначально она была разработана для того, чтобы объяснять факты излучения, а теперь внезапно оказалось, что она без изменений может объяснять фотоэлектрический эффект — совершенно иное явление. Это больше всего впечатляло.

Еще большее впечатление это произвело в 1916 году, когда американский физик Роберт Эндрус Милликен (1868–1953) провел тщательные эксперименты, в ходе которых измерил энергию электронов, испускаемых светом различных частот, и обнаружил, что энергии, которые он измерял, в точности соответствовали уравнениям Эйнштейна. Более того, измеряя энергию электронов (½mv2), частоту используемого света (ν) и пороговую частоту для используемой поверхности (w), он смог вывести значение h (постоянной Планка) из уравнения 8.3. Он получил значение, очень близкое к тому, которое получил Планк в своем уравнении излучения.

С 1916 года квантовая теория получила среди физиков всеобщее признание. Теперь стало принято считать, что энергия может излучаться и поглощаться только целым числом квантов и фактически что вся энергия во всех своих формах «квантизирована», то есть может рассматриваться только как состоящая из неделимых квантов. В дальнейшем из этой концепции был выдвинут самый полезный взгляд на строение атома, как мы увидим в III части этой книги.

Эйнштейн довел понятие квантов до логического завершения. Квант казался аналогичным «атому энергии», или «частице энергии», поэтому почему бы не посчитать такие частицы именно частицами? Тогда свет будет состоять из частиц, которые в конце концов назвали фотонами (от греческого слова, означающего «свет»).

Это представление повергло физиков в шок. Волновая теория света установилась всего за 100 лет до этого и на протяжении столетия одерживали победу за победой, пока теория частиц Ньютона не была похоронена и предана полному забвению. Если же свет в конце концов состоял из частиц, то что же делать со всеми свидетельствами, которые неопровержимо говорили о его волновой природе? Что же теперь делать с экспериментами интерференции, поляризации и т. д.?

Ответ не имеет с этим ничего общего. Просто неверно считать, что объект может быть или частицей, или волной. Совершенно так же можно спорить и о том, что или мы находимся вверх головой, а австралийцы вниз головой, или мы вниз головой, а австралийцы — вверх. Фотон является и частицей, и волной в зависимости от точки зрения. (Некоторые физики полушутя говорят о «волночастицах».) Фактически можно выйти за рамки этого противопоставления (как я объясню в дальнейшем, в III части этой книги) и настаивать на том, что все фундаментальные единицы Вселенной одновременно являются и волнами, и частицами.

Трудно принять подобное утверждение, потому что почти неизбежно возникает вопрос: «Но как один и тот же объект может быть одновременно и волной и частицей?»

Проблема здесь в том, что мы автоматически рассуждаем о незнакомых объектах как о знакомых; мы описываем новые явления, говоря «атом похож на бильярдный шар», или «световые волны — это как волны на воде». Но на самом деле это значит только, что некоторые конкретные свойства атомов или световых волн напоминают аналогичные свойства бильярдных шаров или волн на воде. Не все свойства соответствуют: атом не такой большой, как бильярдный шар; световая волна не такая мокрая, как волна на воде.

У бильярдного шара есть свойства и волны, и частицы. Однако свойства частицы в нем так очевидны, а свойства волны так неприметны и неопределимы, что мы думаем о бильярдном шаре только как о частице. Волны на воде тоже имеют свойства и волны, и частицы, но именно свойства волны очевидны, а свойства частицы незаметны. Фактически все обычные предметы чрезвычайно разбалансированы в этом отношении, поэтому мы и пришли к выводу, что предмет может быть либо частицей, либо волной.