Для любознательных

ФОТОНЫ

Излучение возникает в результате процессов, происходящих в атоме, однако за его пределами существует независимо. Иногда оно состоит из волн одинаковой длины — такое излучение называют монохроматическим. Линейчатый спектр атома состоит из набора монохроматических волн, и наборы эти различны для разных атомов.

До сих пор нас большей частью интересовала только одна характеристика волн — их частота. Однако излучение — сложное явление, и его свойства нельзя свести только к час­тоте. Солнечный луч прозрачен, но вполне материален, он даже имеет массу: каждую секунду на квадратный метр освещенной поверхности Земли падает 7,3×10 ^-12 г света.

Действие излучения легче всего сопоставлять с морскими волнами, набегающими на берег: после работ Христиана Гюй­генса (1629—1695) и Опостена Жана Френеля (1788—1827) такая аналогия стала бесспорной. Каждый год приносил этому новые доказательства в явлениях интерференции и дифракции света. В 1873 г. Джемс Клерк Максвелл (1831 — 1879) теоретически предсказал, что свет, падая на поверх­ность тел, должен оказывать на них давление (также в пол­ном согласии с нашей аналогией). Световое давление — очень тонкий эффект, но Петр Николаевич Лебедев (1866— 1912) в 1899 г. все-таки обнаружил его экспериментально. Казалось, теперь волновая природа света доказана настолько надежно, что всякие дальнейшие опыты для ее проверки не имеют смысла. «Со времен Юнга и Френеля мы знаем, что свет — это волновое движение. Сомневаться в этих фактах больше невозможно; опровергать эти взгляды непостижимо для физика. С точки зрения рода человеческого волновая теория является очевидностью»,— писал в 1889 г. Генрих Рудольф Герц (1857—1894), трудами которого была экспери­ментально доказана волновая природа электромагнитного излучения и тем самым — справедливость уравнений Мак­свелла.

К счастью, опыты в физике ставят не только для проверки теорий. В 1887 г., за два года до того, как Генрих Герц написал приведенные строки, он сам же обнаружил явление, которое можно объяснить только корпускулярной природой излучения. Суть этого явления, которое впоследствии назо­вут фотоэффектом, пересказать довольно просто.

Если свет ртутной лампы (теперь мы такие лампы на­зываем кварцевыми) направить на металл натрий, то с его поверхности полетят электроны. В конце века большая часть

физиков уже ясно сознавала, что атом сложен, и потому само по себе это явление особенно никого не удивило. Довольно быстро все согласились с тем, что электроны в опыте Герца вылетают из атомов натрия под действием излучения квар­цевой лампы. Странно и непонятно было другое — законы этого явления. Установлены они были Александром Гри­горьевичем Столетовым (1839—1896) и Филиппом Ленардом (1862—1947) на рубеже XX века. Эти ученые измеряли число выбитых электронов и их энергию в зависимости от интен­сивности и частоты падающего излучения.

Мы уже знаем, что лучи, возникающие внутри атомов, раз­личаются между собой не только длиной волны l (или, что то же, частотой n = с/l), но также интенсивностью. Это ясно видно на спектрограммах: некоторые линии там значительно ярче других, например в желтом дублете натрия линия D₂ вдвое ярче линии D₁. Наш предыдущий опыт и знания о волнах подсказывают нам, что действие волн тем заметнее, чем больше их амплитуда, то есть увеличивая амплитуду световых волн, мы тем самым повышаем их интенсивность. Интенсивность излучения можно поднять и по-другому, а именно, увеличивая число излучающих атомов. Поэтому если вместо одной ртутной лампы взять две, три, десять, то ин­тенсивность излучения возрастет во столько же раз. Естест­венно было бы ожидать, что и энергия выбитых электронов вырастет в такой же пропорции.

Но энергия электронов оставалась прежней, менялось лишь их число. Такова первая несообразность, которая ожи­дала ученых в конце опытов. Зато энергия электронов за­висела от частоты падающего излучения, и притом сильно. Кварцевая лампа излучает фиолетовые и ультрафиолетовые лучи. Оказалось, что если вместо них на поверхность натрия направить пучок красных лучей, то электроны не вылетят вообще, как бы много ламп мы ни взяли.

«Если излучение — волновой процесс (а это строго дока­зано), такого не может быть»,— утверждали одни.

«Но ведь это происходит!» — возражали другие.

Если бы несколько прибрежных утесов неожиданно обру­шились на ваших глазах, почти наверное вы бы стали искать внешние причины такой катастрофы. Конечно, волны моря постепенно размывают берег, и время от времени утесы ру­шатся, но все знают, как редко это бывает. Однако если, обернувшись к морю, вы обнаружите там военный корабль, который ведет по берегу пальбу из орудий главного калибра, то вы сразу догадаетесь, что причина внезапных разруше­ний — не волны, а снаряды, хотя их энергия и меньше, чем общая энергия морских волн. Но энер­гия волн равномерно распределена по всему побережью, и нужны века, чтобы мы увидели результаты их ежедневной работы. По сравнению с этой работой энергия снаряда ничтожна, зато она со­средоточена в малом объеме и выделяется мгновенно. Если к тому же снаряд nдостаточно велик, он разрушит утес. Последнее важно: действительно, все свойства снаряда, кроме размеров, присущи и пуле, однако сокрушить скалу ей не под силу.

Примерно так рассуждал Эйнштейн, когда предложил свое объяснение явления фотоэффекта. Он знал об открытии и сомнениях Планка, но для Эйнштейна с его непредвзятой манерой мышления гипотеза о квантах света не казалась столь ужасной, как самому Планку. Поэтому он был первый, кто не только поверил в нее, но и применил для объяснения новых опытов. Эйнштейн утверждал: свет не только ис­пускается квантами, как того требовала гипотеза Планка, но и распространяется так же — квантами. (Кстати, сам термин «квант» принадлежит ему же: Планк говорил об «элемен­тах энергии»). Поэтому свет, падающий на поверхность ме­талла, подобен не морским волнам, а артиллерийским сна­рядам. Причем каждый такой снаряд-квант (в 1926 г. Дж. Льюис назовет их фотонами) может выбить из атома только один электрон.

Согласно Планку, энергия кванта равна hn. По мысли Эйнштейна, какая-то часть ее (назовем ее А ) расходуется на то, чтобы вырвать электрон из атома, а остальная часть — на то, чтобы разогнать его до скорости u, то есть сообщить ему кинетическую энергию Т = тu²/2. Оба эти утверждения мож­но коротко записать в виде простого уравнения

hn = А + тu²/2

Стоит принять эту гипотезу — и явление фотоэффекта проясняется. Действительно, пока снаряды малы (красный свет), они не могут выбить электрон из атома ( hn <А), как бы много мы их ни посылали. Если же мы начнем увеличивать их величину (то есть частоту излучения, фио­летовый свет), то в конце концов их энергия станет до­статочной для выбивания электронов (hn > А ). Но по-преж­нему энергия каждого «снаряда-кванта» будет зависеть только от их величины (то есть от их частоты n), а не от их числа.

Шестнадцать лет спустя классическую простоту уравне­ния Эйнштейна Шведская академия наук отметит Нобелев­ской премией. Но в 1905 г., когда уравнение было напи­сано впервые, на него ополчились все, даже Планк. Он вы­соко ценил Эйнштейна, искренне хотел ему помочь и потому, убеждая прусское министерство просвещения пригласить его на работу в Берлин, просил «не слишком сильно ставить ему в упрек» гипотезу относительно явлений фотоэффекта.

Планка можно понять: совсем недавно вопреки общепри­нятым традициям (и даже своему желанию) он ввел в физику квант действия h. Лишь постепенно пришло к нему осознание неизбежности этого шага. Даже в 1909 г. он признавался Эйнштейну: «Я еще плохо верю в реальность световых квантов. Однако дело было сделано: «...Планк посадил в ухо физикам блоху»,— говорил Эйнштейн двадцать лет спустя, и она не давала им покоя, хотя они и пытались ее не заме­чать. Во всяком случае, Планк постарался ввести квант действия так, чтобы не пострадала волновая оптика — зда­ние чрезвычайной красоты, созданное в течение двух столе­тий. Поэтому, согласно Планку, свет только испускается квантами, но распространяется по-прежнему, как волна: лишь в этом случае удавалось сохранить все результаты волновой оптики.

А. Эйнштейн поступал так, как будто до него вообще не существовало физики, или, по крайней мере, как человек, ничего не знающий об истинной природе света. Здесь ска­залась замечательная особенность Эйнштейна: в совершен­стве владея логикой, он больше доверял интуиции и фактам, причем случайных фактов в физике для него не существо­вало. Поэтому в явлениях фотоэффекта он видел не досадное исключение из правил волновой оптики, а сигнал природы о существовании еще неизвестных, но глубоких законов. Так уж случилось, что исторически сначала были изучены волновые свойства света. Только в явлениях фотоэффекта физики впервые столкнулись с его корпускулярными свой­ствами. У большинства из них инерция мышления была на­столько велика, что они отказались этому верить. «Не может быть!» — повторяли они подобно фермеру, впервые в жизни увидевшему жирафа.

Эйнштейн, конечно, знал историю оптики не хуже дру­гих. Но его независимый ум равнодушно относился к ее солидному авторитету. Все прежние заслуги оптики для него не имели значения, если они не могли объяснить единственный, но бесспорный опыт. Он глубоко, религиозно, верил в единство природы, и один такой опыт значил для него не меньше, чем вся история оптики. А его честность не позволила ему пройти мимо неугодного факта.

В науке по-настоящему опасны только неверные опыты: опытам принято верить. Но любую гипотезу — какой бы при­влекательной она ни была — всегда тщательно проверяют. Даже если она окажется ложной, опыты, которые ее опро­вергли, часто приводят к результатам более ценным, чем сама гипотеза. Проверили и гипотезу Эйнштейна — она оказалась истинной.

В 1911 г. Милликен, экспериментально проверяя уравне­ние Эйнштейна, определил из него значение постоянной Планка h. Она совпала с тем значением, которое получил Планк из теории теплового излучения. А вскоре поставили опыт, идея которого в точности аналогична картине разру­шения утесов на берегу моря. И снова оказался прав Эйн­штейн, а не признанный авторитет волновой оптики.

Конечно, Эйнштейн не отрицал, что волновая оптика все-таки существует. И не оспаривал опытов, доказавших волновую природу света. Просто он довел возникшее противо­речие до логического конца и предоставил разрешать его следующему поколению физиков. В 1909 г., выступая в Зальц­бурге на собрании Общества немецких естествоиспытателей, он высказывал надежду, что «следующая фаза развития теоретической физики даст нам теорию света, которая будет в каком-то смысле слиянием волновой теории с теорией истечения». Двадцать лет спустя его предвидение сбылось.

Несмотря на единодушные протесты современников, мысль о квантах света не погибла и вскоре дала могучие всходы. Это произошло в 1913 г., когда в лабораторию Резерфорда в Манчестере пришел застенчивый и неторопли­вый датчанин Нильс Бор.