Чтение онлайн

Объяснение фотоэлектрического эффекта на основе понятия фотонов потребовало много лет до полного принятия. Наилучшее подтверждение теории Эйнштейна пришло из измерений, которые произвел американский физик Роберт Эндрю Милликен (1868—1953) в период 1916—1926 гг.

Милликен, который первоначально не верил в теорию Эйнштейна, дал лучшие проверки ее достоверности и получил Нобелевскую премию по физике также за эти результаты. Окончательное доказательство пришло позднее, когда американский физик Артур Комптон (1892—1962) обнаружил в 1922 г., что рентгеновские лучи рассеиваются свободными электронами так, как если бы они были частицами с энергией hf (f — частота излучения) и с импульсом hf/c, как и предсказывал Эйнштейн. В частности, рассеянный квант имеет частоту, отличную от частоты падающего излучения, и эта частота изменяется с углом, под которым он рассеивается (эффект Комптона, за который он получил Нобелевскую премию в 1927 г.). Это факты, которые невозможно объяснить в рамках волновой теории. Но в то время гипотеза Эйнштейна световых квантов уже была полностью признана.

Но в самом начале научный мир того времени не верил в теорию фотоэлектрического эффекта Эйнштейна. В 1913 г. в письме, в котором предлагалось избрать Эйнштейна членом Прусской академии и присудить профессорскую степень и в котором превозносились его работы и его способности, Макс Планк писал: «То, что он иногда не достигает цели в своих спекуляциях, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не может использовано против него».

Несколькими годами позднее, в 1916 г., Милликен, описывая свои экспериментальные подтверждения уравнения Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта, писал о той же гипотезе: «Я не пытался представить основу для предположения, которое в то время было почти ничто».

Наконец, Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 г. не за свою теорию относительности, а как раз за свою теорию фотоэлектрического эффекта.

В 1906 г. Эйнштейн в своей работе, озаглавленной Theorie der Lichterzeugung und Lichtabsorption (о теории испускания и поглощения света), глубоко вникнул в способ, каким Планк вывел закон черного тела, и пришел к выводу:

Этими словами Эйнштейн обострил внимание на том, что он рассматривал главным в теории излучения Планка, а именно, факт, что резонаторы в полости изменяют свою энергию только конечными величинами, т.е. не непрерывно, а скачками. Двумя годами позднее Лоренц пришел к такому же заключению, что Планк ввел совершенно новую гипотезу, которая противоречит обычным законам электродинамики.

В 1909 г., четыре года после его работы по фотоэлектрическому эффекту, Эйнштейн опубликовал работу, в которой он продемонстрировал, что закон излучения Планка означает, что излучение проявляет комбинированную волновую и корпускулярную природу. Этот результат был первым ясным указанием на т.н. волново-частичный [2] дуализм, который позднее будет широко обсуждаться в квантовой механике.

В ретроспективе интересно отметить, что в споре XVII в., о волновой или корпускулярной природе света между двумя гигантами (Ньютон и Гюйгенс) оба оппонента подходили каждый своим путем к двусторонней проблеме.

Квантовая теория получила полное признание на первом Сольвеевском конгрессе, состоявшемся в 1911 г. при финансовой поддержке бельгийского ученого Эрнеста Сольве (1883—1922), который разработал промышленный способ производства соды. Этот конгресс был организован Вальтером Нернстом в 1911 г. с целью спровоцировать открытую дискуссию о «кризисе», вызванном введением в физику квантовых идей. Оставляя развитие квантовой теории, мы теперь вернемся к исследованиям света Эйнштейном.

Эйнштейн был сильно увлечен проблемой природы света, и в 1915— 1916 гг. опубликовал работу Strahlung-Emission und Absorption nach der Quantentheorie, которая является фундаментальной и кардинальной в нашей истории. Он продолжал размышлять над теорией черного тела Планка и искусственным в некотором смысле способе, каким он решил проблему, введя концепцию квантования энергии. Затем, в 1916 г., он опубликовал новое, крайне простое и изящное доказательство закона Планка и в то же самое время получил важные результаты, касающиеся испускания и поглощения света атомами и молекулами. В этой работе впервые была введена концепция индуцированного излучения, которая является фундаментальной для лазерного эффекта. Он мастерски объединил «классические законы» с новыми концепциями квантовой механики, которая в то время развивалась под руководством Бора.

Эйнштейн рассматривал молекулы, заключенные в сосуде. Согласно постулатам Бора, разработанным к тому времени, каждая молекула может иметь лишь дискретный набор состояний с определенными энергиями. Если большое число таких молекул составляют газ при некоторой температуре, то вероятность одной молекулы находиться в определенном состоянии можно установить, применяя законы статистической механики, установленные Гиббсом, Максвеллом и Больцманом. Эйнштейн предположил, что молекулы обмениваются энергией с излучением, которое присутствует в объеме за счет трех процессов.

Первый процесс, который мы сегодня называем «спонтанным излучением», происходит, если молекула находится не в низшем состоянии энергии, а в некотором высшем состоянии. Тогда она будет переходить в состояние с низкой энергией, испуская фотон с энергией, которая точно равна разности энергий этих двух состояний (рис. 22, а). Этот процесс девозбуждения является процессом, описываемым Бором для молекулы или возбужденного атома скачком переходить в состояние с низшей энергией. Эйнштейн предположил, что этот процесс происходит случайным образом, подобным тому, как радиоактивный атом распадается во времени.

Второй процесс может рассматриваться как обратный первому и является процессом поглощения. Молекула, находящаяся в определенном состоянии энергии, может перейти в более высокое состояние, если ударится с фотоном, имеющим энергию, как раз равную разности между двумя состояниями (рис. 22, б). Этот процесс также рассмотрен Бором. В этом случае фотон исчезает (поглощается) и молекула получает всю его энергию, чтобы перейти на высшее энергетическое состояние.

Третий процесс был впервые введен Эйнштейном и сегодня называется «вынужденным (индуцированным) излучением». Согласно этому процессу, если молекула находится в высшем энергетическом состоянии и с ней сталкивается фотон с энергией, в точности равной разности между состояниями, то она может перейти в низшее состояние. При этом молекула испускает фотон с той же самой энергией, а первый фотон продолжает свое движение свободно, просто «стимулируя» молекулу девозбудиться (рис. 22, в).

Рис. 22. Верхняя часть (а). Электрон, сидящий на верхнем уровне, спонтанно сваливается на нижний уровень (спонтанное излучение), испуская разность между их энергиями в виде фотона, который испускается случайным образом. На средней части (б) электрон подбрасывается с нижнего уровня на верхний уровень фотоном, который имеет энергию, равную разности энергий этих уровней и которая поглощается (процесс поглощения). Нижняя часть (в). Вынужденное излучение, в результате чего фотон с надлежащей энергией (которая равна разности энергий уровней) ударяет электрон, который сидит на верхнем уровне, вынуждая его спрыгнуть на нижний уровень, испуская при этом другой фотон, идентичный тому, что вызвал этот вынужденный процесс