Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
~mv2 = hv — A. (1.1)
В этом выражении А — так называемая работа выхода электрона из металла, т.-е. энергия, необходимая для удаления электрона из этого металла. В 1905 году Эйнштейн связал этот результат с гипотезой Планка о том, что свет излучается отдельными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E=h\.
*) В этом разделе, посвященном атомной физике, используется система единиц СГСЭ, к^к это повсеместно принято.
622
ЗАКОНЫ МИКРОМИРА
Соотношение (1.1) получило название уравнения Эйнштейна. Детальное изучение опытных данных показало, что Л в выражении (1.1) совпадает с универсальной постоянной, входящей в теорию Планка: /i=6,626-10~?7 эрг-с.
Попытаемся понять, почему электрон поглощает только один квант энергии независимо от интенсивности излучения. Самое простое объяснение этого явления заключается в следующем: свет состоит из частиц, т. е. из излученных порций световой энергии E=hv, которые сохраняют свою индивидуальность в процессе распространения и в дальнейшем, при столкновении с электроном, передают ему всю свою энергию.
• Это предположение подкрепляется различными опытами, например такими, когда на фотопластинку направляются лучи очень низкой интенсивности. На пластинке получаются хаотически расположенные темные пятна со средней плотностью, пропорциональной интенсивности света. Для очень .интенсивного пучка распределение пятен становится настолько плотным, что они практически непрерывны. При такой интенсивности пучка света он становится эквивалентным тому, что в классической физике называется световой волной.
Хотя предположение, что свет состоит из локализованных частиц, позволяет просто объяснить фотоэлектрический эффект, оно не согласуется с огромной совокупностью экспериментов, приводящих к выводу, что свет является формой волнового движения. Вспомним чередование интенсивности дифракционных полос света, падающего на экран после прохождения через одну или несколько щелей. Часто имеет место такое явление, что при двух открытых щелях, близких друг к другу, интенсивность света в некоторых местах экрана будет очень мала, в то время как в тех же местах при пропускании света только через одну щель наблюдается высокая интенсивность. Эти результаты легко объясняются предположением, что свет представляет собой волны, которые, интерферируя, могут усиливаться или ослабляться. Но их совершенно невозможно объяснить, если предположить, что свет состоит из локализованных частиц. Такие частицы должны были бы проходить или через одну, или через другую щель, и наличие второй щели едва ли могло бы влиять на характер движения частиц, проходящих через первую щель.
$1. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ
523
Но, может быть, возможно объяснить закономерности фотоэффекта, исходя из волновых представлений о свете? Попробуем рассмотреть фотоэффект с классической точки зрения. Взаимодействуя с электроном, находящимся внутри атома, излучение передает ему свою энергию. Электрон будет поглощать энергию световой волны, пока он не освободится из атома. Объяснить уравнение (1.1) можно, предположив, что свойства атома таковы, что электрон будет сохранять полученную от света энергию и находиться в атоме до тех пор, пока не накопит ее до величины hv, после чего он покидает атом. Если бы атом действительно обладал такими свойствами, то для света с очень маленькой интенсивностью фотоэффект не должен был бы наблюдаться в течение очень долгого времени, так как должно было бы пройти значительное время, чтобы накопилась необходимая порция энергии. Соответствующие опыты проводились с металлическими пылинками и очень слабым светом. Пылинки были настолько малы, что потребовалось бы‘много часов для накопления энергии hv. Однако немедленно после начала их освещения появлялось некоторое количество фотоэлектронов. Итак, эта попытка объяснения не удалась.
Такова же была судьба всех остальных подобных попыток объяснения закономерностей фотоэффекта на основе волновых представлений. Это означает, что волновая теория не способна объяснить внезапную локализацию конечных порций энергии на одной частице.
Итак, одна группа опытов указывает, что свет — это частицы, которые могут быть локализованы; другая же группа не менее убедительных опытов доказывает, что свет — это волны. Какое же из этих утверждений правильно?
Положение напоминает притчу о слепом и глухом, путниках, застигнутых грозой: для глухого молния — только яркая вспышка света, а для слепого — только раскаты грома. Вопрос стоит так: можно ли найти единое представление, объясняющее все наши сведения о природе света, .так же как наше понятие о молнии объединяет представления о ней слепого и глухого путников? Позже мы вернемся к обсуждению этого вопроса, а пока будем просто, считать, что свет существует в форме квантов-фотонов, которые при некоторых условиях проявляют себя подобно частицам, а при других — подобно волнам.
524
ЗАКОНЫ МИКРОМИРА
Мы уже подробно рассматривали волновые свойства света. Теперь рассмотрим более детально свет с корпускулярной точки зрения. В теории Планка энергия фотона Е связана с частотой света v соотношением
