Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Вместе эти два факта, — безынерционность фототока и независимость энергии электронов от яркости, — означали, что вовсе не свет даёт энергию электронам. И, вот, Макс Планк предположил, что фотоэлектроны получают энергию от самого металла, а свет лишь включает спусковой механизм фотоэффекта, играя роль искры, вызывающей взрыв бочонка с порохом, выстрел кремневого ружья, — атома металла, стреляющего пулями-электронами [83]. Чем больше света, — запальных искр, тем чаще раздаются выстрелы: металл чаще стреляет электронами. Но эту идею Планка забыли и приняли другую его гипотезу, которую сам он не рассматривал всерьёз: гипотезу квантов, по которой свет состоит из малых порций, сгустков энергии hf (квантов, фотонов), которые разом отдают электронам свою энергию. Квантовая гипотеза объясняет безынерционность фотоэффекта и зависимость E=hf , но не объясняет других свойств фотоэффекта и не вяжется с волновой, электромагнитной природой света (§ 4.2).

Теоретически свет, будучи электромагнитной волной, мог бы, заставив электрон колебаться, придать ему скорость и "выбить" из металла. Но, в таком случае, неясно, почему скорость электрона не зависит от яркости света, а определяется лишь его частотой. Кроме того, в опытах выяснилось, что энергия вылетевшего электрона нередко больше энергии поглощённого им света, словно энергию электрону передала не распределённая в пространстве волна, а именно фотон, световой квант, — энергетический сгусток, в малом пространстве аккумулирующий всю энергию волны [134]. Вот и решили, что только фотонам по плечу выбивать электроны из металла, потому-то энергия электронов и зависит лишь от частоты света. И, всё же, фотоэффект можно объяснить без привлечения фотонов и квантов света, если принять, следуя Планку, что "источник энергии электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле". В самом деле, учёные признают, что фотоэффект возможен лишь в металле: никто ещё не наблюдал аналогичного фотоэффекту действия света на одиночный электрон в вакууме. А, раз энергию электрону даёт металл, то даже слабый свет, давя на спусковой крючок фотоэффекта, способен высвободить электроны с огромной энергией, независимо от яркости. Так же, и слабое нажатие на спусковой крючок арбалета, баллисты, — высвобождает запасённую в тетиве огромную энергию, приводящую к выбросу стрелы или снаряда.

Но где же источник этой скрытой энергии? Вероятно, в атоме. На эту мысль наводит явление внутреннего фотоэффекта, — процесса, в котором связанные электроны полупроводника, оторвавшись под действием света от атомов, уже не покидают его поверхность, но свободно движутся внутри, снижая сопротивление [74]. На этом явлении основана вся фотоэлектроника: цифровые камеры, фотоаппараты и сканеры. Так вот, похоже, и при внешнем фотоэффекте происходит, в действительности, не передача энергии свободным электронам металла, а лишь вылет электронов из атомов, о чём пишут многие учебники (Рис. 149). А электрон в атоме, двигаясь по своей орбите, уже изначально обладает энергией и скоростью. Всё что остаётся сделать свету — это снять электрон с орбиты. Тогда тот, словно камень, сорвавшийся с пращи, вылетит из атома, сохранив орбитальную скорость V .

Рис. 149. Природа фотоэффекта.

То, что электроны обладают энергией с самого начала, неопровержимо доказывает один малоизвестный, а, возможно, и намеренно замалчиваемый эффект, открытый ещё А.Г. Столетовым, отцом фотоэффекта. Столетов обнаружил, что при длительном облучении металла, тот как бы "устаёт" — выход электронов постепенно уменьшается и может совсем сойти на нет, хотя сила света не менялась [23, сс. 385, 392]. Как же так: свет есть, электроны есть, а фотоэффект ослабевает? Квантовая физика объяснить этого не может. Но, если электроны получают энергию не от света, а обладают ей изначально, то такое явление вполне закономерно, ибо, с течением времени, источник энергии истощается. Всё меньше остаётся способных "выстрелить" атомов, "заряженных" готовыми сорваться электронами, — вот и слабеет фототок. То же явление "утомляемости" обнаружилось у внутреннего фотоэффекта. С этим его проявлением знаком каждый, кто по неосторожности подверг фотоматрицу видеокамеры или "цифровика" действию слишком яркого света, отчего работа фотоэлементов матрицы ненадолго нарушилась. Подобно слепнущему на ярком свету человеку, временно "слепнет" и фотоприбор: картинка искажается "шумами", "мурашками" (эту аналогию фотоэлемента и глаза отмечала ещё С.В. Ковалевская, наш замечательный математик и физик, как следует из книги П. Кочиной). В момент яркой вспышки атомы вещества выбрасывают почти весь свой запас фотоэлектронов, и должно пройти некоторое время, прежде чем он восстановится.

Вполне закономерно и то, что свет заданной частоты выбивает из атомов электроны со строго определённой скоростью. Свет представляет собой переменное электромагнитное поле, эффективно воздействующее на электрон лишь в том случае, если частота света f , с которой меняется поле, совпадает с частотой f обращения электрона по орбите (так и на качелях для раскачки — надо махать ногами, в такт качаниям). Атом можно уподобить циклотрону, в котором для воздействия на электрон нужно переменное поле, синхронное с круговым движением частицы (Рис. 150). От такого воздействия электрон сходит со своей орбиты и вылетает из атома, сохранив орбитальную скорость. Понятно, что эта его скорость V тем больше, чем выше была частота обращения, равная частоте f выбившего электрон света: E = MV 2/2= hf . Именно такая зависимость энергии и скорости от частоты следует из магнитной модели атома Ритца (§ 3.3).

Рис. 150. Действие волны, синхронной с обращением электрона внутри атома.

Рассмотрим подробнее открытую Столетовым усталость фотоэффекта, — уменьшение фототока с течением времени, при постоянном уровне освещения [23]. Объяснить это можно, лишь признав, что источник энергии фотоэлектронов скрыт в металле. С течением времени этот источник истощается, как нашёл Столетов, — тем быстрее, чем сильней фототок. Квантовая теория объяснить этот эффект не может. Другой эффект, тоже проблемный для теории квант, и тоже открытый Столетовым, — это температурная зависимость фототока [23]. Оказалось, при постоянной освещённости, фототок заметно увеличивается с ростом температуры металла, причём, — задолго до того, как начинает сказываться термоэлектронная эмиссия. Если источник энергии фотоэлектронов не в свете, а в металле, то зависимость эта вполне понятна: чем выше температура металла, его энергия, тем больше электронов достаточной энергии накапливает металл.