Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

проходящие через одно отверстие, «знают», закрыто или открыто соседнее отверстие.

Этим и многими другими рассуждениями и опытами можно дока­ зать полную невозможность сведения электромагнитных явлений к одной лишь картине поля или к системе фотонов. Каждое из рас­ смотрений оказывается исключительно плодотворным в одной об­ ласти явлений и отказывает в другой.

Развитие физики последних десятилетий проходит под флагом

странства в данное мгновение. Электромагнитная материя объеди­ няет в себе эти противоречивые качества. В гл. 27 мы увидим, что сочетание таких противоречивых свойств характерно не только для электромагнитной материи, но и для вещества. Однако в познании вещества физика ушла значительно дальше, чем в учении об элек­ тромагнитном поле. Дуалистическая природа частиц вещества опи­ сывается уравнением Шредингера (стр. 441); взаимоотношения меж­ ду корпускулами и волнами для этих частиц в достаточной степени выяснены.

К сожалению, значительно хуже обстоит дело с созданием тео­ рии электромагнитного поля (материи), так называемой квантовой электродинамики (см. подробнее стр. 541). Такой законченной тео­ рии не существует. Ввиду принципиальных противоречий, имею­ щих место в квантовой электродинамике, ее отдельные успехи, вы­ ражающиеся в установлении новых закономерностей, связывающих поле и частицы, не могут быть обобщены и взаимоотношение между фотонами и электромагнитным полем не может считаться выяснен­ ным. Правила «перевода» с корпускулярного языка на волновой и обратно состоят в следующем: электромагнитная волна с длиной X и интенсивностью / может проявить себя как поток фотонов с ча­

Мы оставим в стороне весьма сложный вопрос о поляризацион­ ном состоянии света. Чтобы толковать его на языке корпускул, не­ обходимо принять существование у фотона некоторого избранного направления (спин, ср. стр. 462 о спине электрона).

§ 162. Фотоэлектрический эффект

Вырывание электронов под действием электромагнитных волн является одним из важнейших подтверждений неизбежности кор­ пускулярных представлений. Мы рассмотрим здесь это явление именно с этой стороны и вернемся к нему еще раз в § 274 для обсу­ ждения действия света на металлы и полупроводники.

=6000 А).

•Эйнштейн предложил рассматривать фотоэффект как явление соударения фотона с электроном. Фотон при этом отдает всю свою энергию и прекращает существование. Если А есть работа выхода электрона (т. е. работа преодоления сил связи электрона с веще­

ством), то закон сохранения энергий будет иметь вид

h\ = A-\—Y >

где mv2/2 — кинетическая энергия выбитого из вещества электрона (фотоэлектрона).

Первая проверка справедливости фотонной гипотезы заключа­ ется в проверке линейной зависимости кинетической энергии фото­ электрона от частоты падающего излучения.

Энергия фотоэлектронов определяется методом задерживающего потенциала. Если поверхность вещества, из которого вырываются электроны, является обкладкой конденсатора, то через цепь, в ко­ торую включен этот конденсатор, пойдет ток. Его можно прекратить, если подать на конденсатор задерживающее напряжение. Ток пре­ кратится, когда

eU3 = — .

Следует иметь в виду, что электроны имеют тем меньшую скорость, чем с большей глубины они вырваны. Поэтому прекращение тока

Рис. 186.

наступит тогда, когда будут задержаны электроны, наиболее близ­ кие к поверхности. Определяя на опыте eU3 для разных частот v электромагнитного излучения, можно построить кривые U3 в функции v. Идеальные прямые, полученные в таких опытах, пока­ заны на рис. 186. Тангенс угла наклона прямой eU3~hv— А,

равный hie, может быть вычислен из других данных, что дает еще одну независимую проверку теории.

Описанный опыт нельзя все же считать прямым доказательством фотонной гипотезы. Возможно возражение, состоящее в том, что фотоэлектрон постепенно накапливает энергию, передаваемую ему электромагнитной волной. Это возражение снимается классическим опытом А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова. Еще ранее А. Ф. Иоффе прибегнул к исследованию фотоэффекта на пылинке, взвешенной между обкладками конденсатора. Из-за неизбежного трения о воз­ дух пылинка несет заряд, и поэтому ее тяжесть может быть урав­ новешена электрическим полем. При равновесии qE=mg, где т, q — масса и заряд пылинки. При фотоэффекте пылинка теряет элек­ трон и, следовательно, в зависимости от знака q меняет свой заряд на q+e или q — е. Пылинка выходит при этом из равновесия и на­ чинает движение к одной из пластин конденсатора Чтобы уравно­ весить пылинку, надо изменить поле. Условия равновесия будут

(q ±е)Е1 = mg.

Этим способом Иоффе определял заряд электрона. Возвращаемся к опыту Иоффе и Добронравова. Они также на­

блюдали за поведением пылинки, взвешенной между обкладками конденсатора, но цель была теперь другая. Одной из обкладок кон­ денсатора служил анод рентгеновской трубки. На трубку наклады­ валось напряжение 12 ООО В, а рентгеновские лучи создавались исключительно слабым потоком электронов, составлявшим около 1000 электронов в секунду.

Как известно, рентгеновские лучи возникают при соударении электрона с анодом. Однако, что излучается анодом: непрерывное электромагнитное поле или 1000 фотонов в секунду? Это и должна показать пылинка, находящаяся между обкладками конденсатора. Рентгеновские лучи вырывают из пылинки электрон. Но как они это делают?

Опыт Иоффе и Добронравова показал, что вырывание электрона из пылинки происходит в среднем один раз в 30 минут. Если бы рентгеновские лучи распространялись в виде непрерывного поля, то в каждое мгновение пылинка получала бы совершенно мизерную энергию, недостаточную, разумеется, для отрыва электрона. Эта энергия распределялась бы поровну между всеми электронами пы­ линки. Наблюдение Иоффе и Добронравова потребовало бы от вол­ нового представления совершенно невероятного вывода: раз в 30 ми­ нут все электроны передают энергию одному и он отрывается от пылинки.

В то же время фотонная гипотеза не только объясняет явление с качественной стороны, но приводит к опытной цифре. Пылинка в описываемом опыте представляла собой висмутовый шарик радиу­ сом 3- Ю - 5 см. Она находилась на расстоянии 0,02 см от анода, от которого рентгеновские лучи шли во все стороны. Вероятность по-

§ 163. Флуктуации светового потока

Серьезным опытным доказательством фотонной теории являются опыты С. И. Вавилова, посвященные изучению флуктуации слабых световых потоков.

Оказывается, что порог чувствительности глаза к свету лежит исключительно низко. Глаз способен видеть примерно 100 фотонов, попадающих в одну секунду на роговицу. Если световой поток ко­ леблется около этой величины, то свет не будет восприниматься глазом, когда число фотонов будет падать ниже порогового зна­ чения.

В опытах Вавилова исследователь наблюдал пучок света, кото­ рый выпускался через каждую секунду на промежуток времени 0,1 с. Если величина светового потока превышала порог чувстви­ тельности, то глаз наблюдал каждую вспышку света. При умень­ шении интенсивности света некоторые вспышки уже не оказывали действия на наблюдателя. Чем меньше интенсивность света, тем больше оказывалось пропусков. Таким образом были непосредствен­ но обнаружены флуктуации числа фотонов в световом потоке. Труд­ но предложить более непосредственное доказательство корпуску­ лярной природы света.

Другие опыты Вавилова ярко показывают невозможность объяс­ нения фотонной гипотезой таких типично волновых явлений как интерференция. Вавилов разделял световой пучок на два когерент­ ных луча (бипризмой Френеля). Эти лучи давали интерференцион­ ную картину. В то же время флуктуации обоих световых пучков оказались совершенно независимыми. Это обстоятельство еще раз указывает на полную невозможность объяснения интерференции ка­ ким-то статистическим распределением фотонов.

Волновые свойства присущи не потоку фотонов, а каждому фо­ тону. Таким образом, никак нельзя считать фотон «обычной» ча­ стицей.

Здесь необходимо некоторое отступление. Создавая модели не­ видимого мира, мы наделяем элементарные частицы свойствами, заимствованными в мире окружающих нас вещей или, как говорят физики, в макромире. Так, например, мы говорим об атомах как о шариках. Не приходится и говорить, что шарик-атом лишь частично отражает свойства шарика-вещи. Каждому, например, ясно, что присущие шарику-вещи такие свойства как цвет, шероховатость, запах, невозможно перенести на шарик-атом. По мере проникнове­ ния в микромир перенесение свойств вещей на свойства элементар­ ных частиц становится все более затруднительным.