65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
В последующие годы Эйнштейн стал ученым с мировым именем, и его кандидатуру на Нобелевскую премию несколько раз предлагали величайшие физики того времени: Планк, Лоренц, Камерлинг-Оннесс, Бор. Но комитет каждый раз блокировал присуждение премии, поскольку сомневался в экспериментальных подтверждениях теории относительности. В итоге был найден элегантный выход из этой коллизии. В 1921 году Нобелевский комитет принял решение вместо теории относительности присудить Эйнштейну премию за его теорию фотоэлектрического эффекта.
Давайте обсудим, в чем суть этой теории и почему она оказалась столь значимой. В конце XIX века немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) проводил исследования электромагнитных колебаний и столкнулся с одним необычным явлением. Он заметил, что если на заряженный конденсатор направить луч света или даже ультрафиолетового излучения, то он будет терять свой заряд быстрее обычного, т. е. электроны с его поверхности будут быстрее улетать[50]. Получалось, что свет (или электромагнитное излучение) может выбивать электроны с поверхности металла. Это явление получило название фотоэлектрического эффекта или просто фотоэффекта.
Сразу после этого открытия в 1888 году русский физик Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) принялся за его детальное изучение. И за пару лет ему удалось установить основные закономерности фотоэффекта. Они теперь называются законами Столетова. Некоторые из них не вписывались в существующие на то время представления о природе излучения. Оказалось, что для каждого вещества существует определенная частота электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект уже не наблюдается. Причем это не зависело от интенсивности падающего излучения. Например, если облучать пластинку из натрия желтым или красным светом, то из нее электроны вылетать не будут, каким бы ярким этот свет ни был. Однако если направить на эту же пластинку даже очень слабый луч синего или фиолетового света (частота которых больше, чем у красного и желтого), то электроны сразу начнут вылетать. Т. е. способность света выбивать электроны с поверхности металла зависит не от интенсивности света, а от его частоты. И это довольно странно: почему даже очень мощный красный луч света не может с поверхности металла выбить ни одного электрона?
Объяснение этому явлению дал в 1905 году Альберт Эйнштейн. Он тогда уже был знаком с революционными работами Макса Планка по теории излучения, поэтому решил применить его идею квантов для описания фотоэффекта. Эйнштейн предположил, что раз свет излучается порциями, то и поглощаться он также будет такими же порциями – световыми квантами или, как их потом назвали, фотонами. А поскольку энергия кванта пропорциональна частоте, то чем меньше частота излучения, тем меньше будет порция энергии, передаваемая электронам. И это не зависит от интенсивности падающего излучения, потому что один электрон может поглотить только один квант света[51]. Следовательно, при относительно низкой частоте света, облучающего поверхность, энергии отдельного фотона будет недостаточно для того, чтобы оторвать электрон от металла, а значит фотоэффект наблюдаться не будет. И только начиная с определенной частоты (она называется красной границей фотоэффекта) фотоны будут обладать достаточной для этого энергией.
Это открытие послужило еще одним аргументом в пользу квантовой гипотезы и открыло огромное пространство для дальнейшего ее развития. Впоследствии это привело к созданию новой области физики – квантовой механики. А заслуги Альберта Эйнштейна получили признание в виде Нобелевской премии по физике.
Вопрос 34. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
Что собой представляет свет: волну или поток частиц? Дискуссии об этом велись на протяжении всей истории физики. В Античности ученые считали, что свет состоит из мельчайших движущихся частиц или корпускул. Этого же взгляда придерживался Исаак Ньютон. На противоположных позициях стояли другие выдающиеся ученые: Рене Декарт, Роберт Гук, Христиан Гюйгенс. И в XIX веке, благодаря экспериментам Томаса Юнга по интерференции света и теории электромагнетизма Джеймса Максвелла, казалось, что точка в этом вопросе поставлена[52]. Физики получили убедительнейшие доказательства того, что свет ведет себя как волна и описывается волновыми уравнениями.
Однако ХХ век внес свои коррективы. После открытия Планком и Эйнштейном световых квантов вопрос о природе света вновь встал на повестку дня. Ведь в процессах излучения и поглощения свет уже ведет себя как поток отдельных частиц, или фотонов, его волновое описание противоречит экспериментальным наблюдениям, а уравнения классической электродинамики приводят к абсурдным результатам. С другой стороны, невозможно отменить и другие эксперименты (такие как опыты Юнга по двухщелевой интерференции), подтверждающие волновые свойства света. Выходит, что описание света только как волны или только как частицы будет неполным. Свет представляет собой нечто более сложное. В одних процессах он может вести себя как волна, а в других – уже проявлять корпускулярные свойства. Эта двойственность свойств света получила название корпускулярно-волнового дуализма.
На первый взгляд это может противоречить здравому смыслу. Ну как свет может быть и волной, и частицей одновременно? Это же взаимно исключающие характеристики. Да точно так же, как один и тот же объект может быть одновременно и круглым, и квадратным. Вы можете себе такое представить?
Например, цилиндр. Когда вы смотрите на него с одной стороны, вы видите, что он квадратный. А если посмотреть с другой стороны, он будет круглым. Для того, чтобы это стало возможным, нам пришлось добавить в рассмотрение еще одно дополнительное измерение. В трехмерном пространстве оказывается возможно существование таких «кругло-квадратных» предметов.
Со светом точно так же. Это сложный «многомерный» объект, который в разных обстоятельствах демонстрирует разные свои «грани». Если вы поместите его в условия двухщелевого эксперимента[53], он проявит свои волновые свойства. А если направите световой поток на поверхность металла, то тут свет будет вести себя как поток частиц.
Здесь пытливый читатель может возразить: быть может, свет – это действительно поток частиц
