Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Для Солнца эта величина равна Ф = ],75", что согласуется с экспериментом.
КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА II ОПЫТ
47
§ 8. Некоторые опыты по обнаружению корпускулярных СБОЙСТП света
1 А Ф. Иоффе (1880—1960) и Н. И. Добронравов (1891 —1949) в 1925 г. экспериментально подтвердили квантовую картину фотоэффекта, о которой говорилось в § 2. Вместо видимых и ультрафиолетовых лучей они пользовались рентгеновскими лучами, кванты которых много крупнее. В их опытах микроскопическая пылинка, заряжавшаяся и перезаряжавшаяся при освещении рентгеновскими лучами, уравновешивалась в электрическом поле конденсатора, аналогичного тому, с помощью которого Милликен определял заряд электрона. Пока заряд пылинки оставался постоянным, она неподвижно висела в электрическом поле конденсатора и наблюдалась сбоку с помощью микроскопа. Но если пылинку освещали слабым потоком рентгеновских лучей, то происходил фотоэффект. Время от времени на пылинку попадал рентгеновский квант, освобождавший электрон.
Заряд пылинки менялся на заряд одного электрона, и пылинка выходила из равновесия. На опыте оказалось, что именно такой квантовой картине фото эффекта соответствовало поведение пылинки.
На рис. 14 показана схема опыта Иоффе и Добронравова. В толстой эбонитовой пластинке просверлены отверстия L и R. Через отверстие R из образовавшейся полости откачивался воздух, чтобы полость стала прозрачной для ультрафиолета. Через отверстие L, закрывавшееся кварцевым окошком, проходили ультрафиолетовые лучи, освещавшие конец алюминиевой проволочки К с диаметром 0,2 мм. Образовавшиеся фотоэлектроны ускорялись электрическим напряжением 12 ООО В, приложенным между проволочкой и алюминиевой фольгой А, закрывающей полость сверху. Толщина фольги (~5-•10“3 мм) подбиралась так, что она практически не поглощала рентгеновские лучи, возбуждавшиеся в ней при торможении электронов. Освещение кончика проволочки К подбиралось настолько слабым, что число фотоэлектронов и связанных с ними рентгеновских импульсов составляло около 1000 в секунду. Алюминиевая фольга одновременно служила нижней обкладкой конденсатора. От нее на расстоянии примерно 0,02 см уравновешивалась висмутовая пылинка W размером около 6-Ю-5 см.
Опыты показали, что в среднем раз в 30 минут пылинка выходила из равновесия, т. е. с такой средней частотой рентгеновские лучи вырывали из нее электрон. В течение указанного времени образовывалось около N = -= 30-60-1000 = 1,8-10е рентгеновских импульсов. По классическим представлениям энергия каждого импульса должна распространяться во все стороны в виде сферической волны. Каждый из таких импульсов отдавал бы пылинке ничтожную часть своей энергии из-за малости телесного угла, под которым пылинка видна из ближайшего места фольги, где возбуждались рентгеновские лучи. Кроме того, эта энергия распределялась бы между множеством электронов пылинки. При таких условиях было бы совершенно невероятно, чтобы в течение 30 минут большая доля энергии электронов пылинки сосредоточилась только на одном электроне, который должен вылететь из пылинки. Ясно, что с точки зрения классической волновой теории результаты опытов Иоффе и Добронравова непонятны. Напротив, в квантовой теории они вполне естественны.
Следующее элементарное вычисление показывает, что квантовая интерпретация явления выдерживает и количественную проверку. Если считать, что
1
• W А
W/'z///////fJ //// ///. J у ^ '"//'/А ''///// J ////' '/,ї/4 Г Г//". Ш '4
Рис. 14
48
КВАНТЫ СВЕТА
[ГЛ. I
для рентгеновского фотона все направления движения после вылета равновероятны, то вероятность попадания фотона в пылинку будет равна й/4л, где Q — телесный угол, под которым пылинка видна из точки, откуда исходят рентгеновские лучи. Если ежесекундно источник испускает в среднем п фотонов, то за время t он испустит N — nt фотонов. Из них на пылинку попадет в среднем N 0/4я = nt ?2/4я фотонов. Среднее время t, в течение которого на пылинку попадает один фотон, определится из условия пШ/4я=1, откуда
t — 4n/nQ.
В опытах Иоффе и Добронравова было п = 1000 с-1, Q= (л/4) (6-10“5/0,02)2, если пылинку считать шариком. Подстановка этих значений в предыдущее выражение дает t та 1800 с = 30 мии, что согласуется со временем, наблюдавшимся в опытах Иоффе и Добронравова.
2. По классическим представлениям лучистая энергия распространяется от источника в разные стороны одновременно. Но это не так, если распространение происходит квантами. Отдельные кванты испускаются независимо друг от друга. Этот эффект, если он действительно существует, должен быть выражен тем отчетливее, чем крупнее кванты. Для его обнаружения на опыте Боте (1891 —1957) в 1924 г. пользовался рентгеновскими лучами.
В опытах Боте кванты излучения обнаруживались счетчиками Гейгера (1882—1945). Счетчик Гейгера представляет собой маленький цилиндрический конденсатор А, наполненный газом под давлением
в несколько мм рт. ст. (рис. 15). Внутренней об-
кладкой конденсатора служит тонкая металлическая нить, натянутая вдоль оси цилиндрика, или тщательно заточенное металлическое острие, укрепленное внутри цилиндрика на изоляторе. Внутренняя и наружная обкладки конденсатора соединены через батарею В и очень большое сопротивление R, нижний конец которого заземлен. Таким образом, между обкладками конденсатора поддерживается разность потенциалов около 1000 В. Вблизи нити или острия создается сильное резко неоднородное электрическое поле Если в счетчик попадает какая-либо частица (в том числе и фотон), то она ионизует молекулы газа. Образовавшиеся электроны и ионы ускоряются этим полем и при столкновениях с молекулами газа сами ионизуют их. Новые ионы и электроны также ускоряются, и т. д. Возникает элек-
