Файл: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf

образом, данные показывают, что существует некоторое минимальное количество, на которое может измениться внутренняя энергия атома. Это утверждение, прийти к ко­ торому нас заставляют экспериментальные факты, не укла­ дывается в привычные из повседневного опыта рамки. Со­ гласно обычным представлениям, динамическая система, в том числе и атом, имеет характерные частоты. (В голову сразу же приходят простые примеры с маятником, натяну­ той струной; можно привести и другие, более сложные примеры.) Но' энергия любой такой системы может изме­ няться на произвольную величину. Очевидно, подобное ут­ верждение не справедливо для атомной системы. Атом может находиться только в определенных состояниях с определен­ ными дискретными значениями энергии. Он может перехо­ дить только из одного из этих состояний в другое, и поэтому его энергия может изменяться только на определенные отчетливо выраженные количества. Именно это было уста­ новлено экспериментами Франка и Герца. Но даже когда ставились их эксперименты, Нильс Бор, выдвинувший та­ кую идею в качестве одного из основных постулатов, на которых базировалась его теория атома, совершенно не сознавал, что эти эксперименты подтверждают его радикаль­ ное предположение.

ЛИТЕРАТУРА

F ran k J . , H ertz G., Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 16, 457—467 (1914).

Перевод этой работы на английский язык имеется в книге The World of the Atom, Vol. 1, p. 770—778.

7

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Вгл. 2 мы видели, что первоначально понятие кванта было введено скорее для описания одного из аспектов

поведения излучающих осцилляторов, чем самого излуче­ ния. Однако вполне разумно было ожидать, что такое по­ ведение осциллятора может отразиться, хотя бы частично, и на излучении. И действительно, пять лет спустя Аль­ берт Эйнштейн воспользовался этим понятием для объясне­ ния специфических действий излучения в фотоэлектрическом эффекте. Однако сообщение об исчерпывающей и убедитель­ ной проверке идей Эйнштейна появилось только в 1914 г.

Фотоэлектрический эффект был открыт в конце XIX века и подробно изучен к 1914 г. Основные черты явления были известны: пучок света, падающий на поверхность металла, освобождает из металла электроны, при условии, что частота света выше определенной критической величи­ ны, зависящей от рода металла. Освобожденные электроны обладают некоторой кинетической энергией; величина этой энергии возрастает с увеличением частоты падающего света по закону, форма которого до 1914 г. не была установлена экспериментально с достаточной точностью. Если фото­ электроны, испускаемые одним электродом, собрать на дру­ гом электроде и замкнуть между электродами цепь, то вели­ чина тока, который потечет между электродами, пропорци­ ональна, интенсивности возбуждающего света. Весь процесс протекает фактически мгновенно (безынерционно).

Почти все свойства фотоэлектрического эффекта не укла­ дывались в рамки привычных представлений. Само явле­ ние и некоторые его свойства, включая по крайней мере факт существования критических частот, были установлены до открытия электрона, но в классической теории, имевшей дело с непрерывными процессами, не было ничего, что на­ водило бы на мысль о такого рода процессе.

электронов и частоту излучения, вызывающего фотоэффект:

где h — постоянная Планка, ср — константа, характерная для металла, из которого освобождается электрон.

Предположение Эйнштейна стимулировало Р. А. Милли­ кена из Райерсоновской лаборатории Чикагского универси­ тета поставить исчерпывающее экспериментальное исследо­ вание фотоэлектрического эффекта. Милликен измерял ки­ нетическую энергию фотоэлектронов в зависимости от час­ тоты света, вызывающего их эмиссию. Он установил, что уравнение Эйнштейна (7.1) великолепно описывает раз­ личные стороны фотоэлектрического эффекта и пришел к вы­ воду, что концепцию кванта излучения следует считать справедливой.

Результаты, полученные Милликеном, впервые были до­ ложены на конференции Американского физического обще­ ства в 1914 г., а подробное описание его работы было опубликовано в 1916 г. Отношение к новой теории хорошо характеризуется следующей цитатой из введения к указан­ ной статье:

В 1905 г. Эйнштейн впервые связал фотоэлектрический эффект с не­ которыми положениями квантовой теории, выдвинув смелую, если не сказать дерзкую, гипотезу об электромагнитной световой частице с энер­ гией /іѵ, которая передается электрону при поглощении. Такую гипо­ тезу вполне можно назвать дерзкой, во-первых, потому, что представле­ ние об электромагнитном возмущении, остающемся локализованным

впространстве, кажется противоречащим самой сути понятия электро­ магнитного возмущения J>, и, во-вторых, потому, что она вступает в про­ тиворечие с твердо установленными фактами интерференции. Очевидно, что эта гипотеза была выдвинута только потому, что она представляет готовое объяснение одного из самых замечательных фактов, открытых благодаря недавним исследованиям, а именно факта, заключающегося

втом, что энергия, с которой электрон выбрасывается из металла под действием ультрафиолетового света или рентгеновского излучения, не

зависит от интенсивности излучения и в то же время зависит от его частоты. По-видимому, один только этот факт требует некоторой моди­ фикации.классической теории; во всяком случае, он еще не нашел удов­ летворительного объяснения с позиций классической теории.бо*

1* Необходимо напомнить, что, согласно общему представлению об электромагнитной волне, электромагнитное возмущение, локализо­ ванное в начальный момент времени, будет распространяться по всех направлениях, подобно волнам на поверхности воды.

Несмотря на то что это было главным, если не единственным, ис­ ходным пунктом в предположении Эйнштейна, такое предположение позволило ему сразу предсказать, что максимальная кинетическая энергия электронов, испускаемых под воздействием света, должна опре­ деляться следующим уравнением:

дающей, согласно Планку, как раз энергией Ііѵ, р — работа, необхо­ димая для того, чтобы вырвать электрон из металла; ту2/2 — кинетиче­ ская энергия, с которой электрон покидает поверхность металла; эта энергия, очевидно, равна произведению электрического заряда элект­ рона е на разность потенциалов, которую электрон в состоянии преодо­ леть прежде, чем он придет в состояние покоя.

Когда было сделано это предсказание, оно было таким же смелым, как и гипотеза, на которой оно основывалось. Действительно, в то время вообще не было никаких экспериментальных данных, которые указы­ вали бы на характер зависимости упомянутой выше разности потенциа­ лов от частоты V, или на то, является ли гипотетическая величина Іі в уравнении (1) чем-нибудь большим, чем числом, совпадающим по вели­ чине с постоянной Планка Іі. Тем не менее, по-видимому, последующие результаты экспериментов показали, что по крайней мере пять из под­ дающихся экспериментальной проверке положений, фактически содер­ жащихся в уравнении (1), выполняются весьма точно. Эти положения можно сформулировать в виде следующих утверждений:

1)Для каждой возбуждающей частоты ѵ, превышающей некоторую определенную критическую величину, существует поддающаяся точному измерению максимальная скорость эмиттируемых частиц.

2)Между V и V существует линейная зависимость.

3)Значение dV/dv [или наклон прямой V = f ( v ) ] численно равно отношению h/e.

4) Для критической частоты ѵ0, при которой Ѵ = 0 , работа р —Ііѵв, т. е. точка пересечения прямой V = f (ѵ) с осью ѵ определяет самую низ­ кую частоту, при которой исследуемый металл еще может испускать фотоэлектроны.

5) Контактная разность потенциалов 11 между любыми двумя про-

11 Если два различных металла соединены между собой либо непо­ средственно, либо электрической цепью, то между ними существует разность электрических потенциалов (помимо той разности потенциалов, которая может быть приложена извне). Эта разность потенциалов назы­ вается контактной разностью потенциалов или контактной электро-

двіж ущ ей силой (э. д. с.) Она не влияет на величину тока в цепи, так как сумма всех контактных э. д. с. по замкнутой цепи равна нулю. Однако она дает вклад в статические эффекты и, в частности, в фактиче­ скую разность потенциалов между двумя электродами электронной трубки. Именно это имеется в виду в последней фразе приводимой ци­ таты; кроме того, указанное обстоятельство используется в одном из рассмотренных ниже методов определения критических частот.