Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Если свет — это волны, то, пройдя сквозь две щели, узкие по сравнению с длиной волны, волны будут распространяться от каждой щели во всех направлениях. Допустим, мы наблюдаем свет в точке, лежащей на плоскости фотоэмиттера точно против середины между щелями. Эта точка удалена от обеих щелей на одинаковое число длин волн, так что гребень волны от верхней щели попадет в нее точно в тот же момент времени, что и гребень волны от нижней щели. Впадины обеих волн также приходят в эту точку одновременно. Таким образом, амплитуды световых волн, исходящих от двух щелей, все время складываются в этой точке; волны усиливают друг Друга.
Смещая точку наблюдения вверх по плоскости фотоэмиттера, мы будем удаляться от нижней щели и приближаться к верхней. Вскоре мы найдем точку, в которую гребень волны от нижней щели приходит именно тогда, когда ее же достигает впадина волны от верхней щели. Здесь волны будут взаимно погашать друг друга; такие точки фотоэмиттера вообще не будут освещаться и испускать электроны. Волнистая кривая, нарисованная рядом с плоскостью фотоэмиттера, характеризует степень освещенности, или просто его освещенность, в зависимости от расстояния по вертикали до средней точки (равноудаленной от обеих щелей). Благодаря тому что количество электронов, испускаемых фотоэмиттером ' каждую секунду, прямо пропорционально интенсивности падающего на него света, та же самая кривая характеризует и
16 величину потока электронов, покидающих фотоэмиттер в разных его точках. Таким образом, световой узор за щелями с помощью электронного фотоэмиттера отображается на флуоресцирующем экране в точках, где ускоренные и сфокусированные электроны вызывают его свечение.
Если этот опыт провести на самом деле, все его результаты будут свидетельствовать в пользу волновой природы света. Стоит закрыть одну из щелей, и интерференционная картина — узор из чередующихся светлых и темных полос — туг же исчезнет. Освещенность поверхности фотоэмиттера станет равномерной, он будет испускать однородный поток электронов, который в свою очередь вызовет равномерное свечение флуоресцирующего экрана. Итак, свет, несомненно, представляет собой волны!
Фотоны — сгустки энергии
Не будем, однако, спешить с выводами. Рассмотрим другое явление. Чтобы выбить электрон из вещества фотоэмиттера, нужна достаточная энергия. Поэтому можно предположить, что, уменьшая интенсивность освещения, нам удастся достичь момента, когда энергии света не хватит даже на то, чтобы освободить хотя бы один электрон. Однако фактически дело обстоит иначе: именно количество электронов (а не энергия каждого из них) строго пропорционально световому потоку, то есть освещенности фотоэмиттера. Выбивание электронов происходит так, как если бы полная энергия света представляла собой сумму небольших одинаковых порций, каждая из которых достаточна для того, чтобы выбить один электрон. В таком случае понижение интенсивности света означало бы уменьшение числа порций в световом потоке, а не уменьшение эффекта действия каждой из них. Явление фотоэмиссии1 является убедительным аргументом в пользу того, что свет представляет собой поток небольших порций энергии или частиц, названных фотонами. Вначале физики весьма сдержанно отнеслись к идее о порциях, или фотонах, света: ведь дифракционные явления в течение долгих лет считались явным доказа-
1 Явление фотоэмиссии, или фотоэффект, иногда называют эффектом Столетова. — Прим. ред
17 тельством волновой природы света. Первый шаг в новом направлении сделал Макс Планк. В 1900 году он установил, что наблюдаемое при заданной температуре распределение интенсивности электромагнитного излучения в замкнутой полости («в черной полости») удается объяснить теоретически, только если предположить, что на излучение каждой частоты приходится лишь некоторое строго определенное количество энергии. Это количество энергии всегда оказывается кратным величинам hv, где V —частота излучения, а Я = 6,62-10~34 дж-сек — постоянная Планка 1.
Теория Планка вполне согласуется с идеей о том, что свет состоит из отдельных небольших сгустков энергии, или фотонов, каждый из которых несет энергию hv джоулей. Но она не доказывает существования фотонов — просто идея о них становится вполне естественной.
В 1905 году Альберт Эйнштейн написал научную работу о фотоэффекте, за которую ему была присуждена Нобелевская премия. Выполненные к тому времени эксперименты показывали, что энергия электронов, гвылетаю-щих из фотоэмиттера, не увеличивается при повышении интенсивности падающего на эмиттер света. При более интенсивном освещении увеличивается число вылетевших электронов, а не их энергия. Эйнштейн объяснил этот факт, выдвинув предположение, что энергия в потоке света собрана в отдельные сгустки — «пакеты энергии», причем каждый пакет содержит одно и то же количество ее, именно hv (Эйнштейн же и назвал такие сгустки энергии фотонами.) Тогда, утверждал Эйнштейн, каждый падающий на эмиттер фотон сможет выбить из него только один электрон, поэтому число электронов, испускаемых фотоэмиттером каждую секунду, будет прямо пропорционально числу фотонов, падающих на его поверхность за одну секунду, и, следовательно, количеству джоулей в секунду, то есть интенсивности света. Наибольшая же величина энергии, которую может таким путем приобрести электрон, равна всегда лишь той энергии, которой обладал выбивший его фотон.
