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

И снова, оглядываясь назад, мы можем увидеть, что кванты могли бы объяснить множество фактов о поглощении света, которые не в силах объяснить классическая физика. Во времена Планка было хорошо известно, что фиолетовый свет гораздо действеннее, чем красный, производит химические реакции и что ультрафиолетовый свет еще действеннее в этом плане. Прекрасным примером была фотография, поскольку фотопленка, которую использовали в XIX веке, была очень чувствительна к фиолетовому краю спектра и довольно нечувствительна к красному.

На самом деле ультрафиолетовый свет был открыт за столетие до Планка по его явному воздействию на нитрат серебра (см. гл. 5). Разве не закономерно было бы предположить, что большие кванты ультрафиолетового света могут производить химические реакции с большей легкостью, чем маленькие кванты красного света? И разве нельзя сказать, что картина только прояснится, если посчитать, что энергия поглощается только целыми квантами?

Однако этот аргумент не был использован для того, чтобы квантовая теория стала применяться к поглощению. Вместо этого Эйнштейн использовал похожий аргумент в связи с открытым позже еще более впечатляющим явлением.

За два последних десятилетия XIX века было обнаружено, что некоторые металлы ведут себя так, как будто отдают электричество под воздействием света. В то время физики начали понимать, что электричество связано с движением субатомных частиц, именуемых электронами, и что воздействие света заключается в том, что он приводил к испусканию электронов из металлических поверхностей. Это фотоэлектрический эффект.

При дальнейшем изучении фотоэлектрический эффект предстал полной загадкой. Казалось очевидным, что в обычных условиях электроны закреплены в структуре металла и что для того, чтобы разорвать это закрепление и высвободить электроны, требуется затратить определенное количество энергии. Еще казалось, что по мере увеличения интенсивности света все больше и больше энергии передавалось металлической поверхности. Тогда электроны не только высвобождаются, но и вылетают с огромной скоростью. Чем интенсивнее свет, тем больше скорость. Представлялось, что частота света не влияет на этот эффект и важна только общая энергия света, каковой бы ни была его интенсивность.

Так казалось, но было не так.

Немецкий физик Филипп Ленард (1862–1947) после тщательного исследования в 1902 году обнаружил, что для каждой поверхности, на которой обнаруживался фотоэлектрический эффект, имелась ограничительная пороговая частота, выше которой, и только выше которой наблюдался эффект.

Предположим, например, что для конкретной поверхности эта пороговая частота — 500 квадриллионов колебаний в секунду (это частота оранжевого света с длиной волны 6000 Å). Если свет меньшей частоты, например красный свет 420 квадриллионов колебаний в секунду, падает на такую поверхность, ничего не происходит. Электроны не выпускаются. Не важно, насколько ярок или интенсивен свет и сколько энергии в нем содержится, — электроны не испускаются.

Однако, если частоту света поднять до 500 квадриллионов колебаний в секунду, электроны начинают испускаться, но практически лишенными кинетической энергии. Как будто полученной ими из света энергии только-только хватило, чтобы разорвать силу, удерживающую их на поверхности, но уже не хватило на то, чтобы снабдить их еще и кинетической энергией. Ленард обнаружил, что повышение интенсивности света на этой пороговой частоте никоим образом не добавляло электронам кинетической энергии. В результате возросшей интенсивности больше электронов испускается с поверхности в количестве, пропорциональном энергии оранжевого света, но всем им недостает кинетической энергии.

Если частоту увеличивать еще дальше и взять фиолетовый свет в 1000 квадриллионов колебаний в секунду, электроны будут испускаться с приличным количеством кинетической энергии. Количество испускаемых электронов будет изменяться пропорционально общей энергии света, но опять же они все будут иметь одинаковую кинетическую энергию.

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: