История науки

ческая теория: почему фотоэффект уменьшается при увеличении длины волны излучения, то есть почему существует «красная граница» фотоэф­ фекта? Согласно волновой теории выбивание электронов из металла яв­ ляется результатом их «раскачивания» в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении мощности падающе­ го потока. Также, согласно классической теории, энергия выбитых светом электронов должна была бы зависеть от интенсивности поглощенного по­ тока света, а на самом деле энергия испускаемых электронов зависела толь­ ко от длины волны света и природы вещества, на которое свет воздейству­ ет. Это был второй вопрос, поставленный фотоэффектом. Развивая идеи Планка о квантах, Эйнштейн пошел дальше и предположил, что свет не только излучается, но и поглощается веществом в виде отдельных дискрет­ ных порций. Кванты электромагнитного излучения Эйнштейн назвал фо­ тонами. И само распространение излучения в пространстве по Эйнштей­ ну имеет квантовый характер, то есть свет состоит из «зерен энергии» — квантов.

Такое объяснение снимало те вопросы, связанные с фотоэффектом, на которые мы указали. При поглощении света каждый фотон передает всю свою энергию h частице вещества. Для выхода из металла нужна еще допол­ нительная работа А — так называемая «работа выхода». Выбитый электрон получает кинетическую энергию

W = m y 2,

где v — скорость электрона, т — масса электрона. Из закона сохранения энергии

hv = А + ту 72-

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэф­ фекта. Из него вытекает, что скорость электрона v зависит от длины волны излучения X (частота v = с/Х) и свойств вещества, определяющих работу вы­ хода А, и не зависит от интенсивности падающего потока. «Красная грани­ ца» фотоэффекта наблюдается тогда, когда энергии фотона хватает лишь на преодоление работы выхода: hv = А, выбитые электроны имеют «нулевую» скорость, и при уменьшении частоты излучения за границу v0 = А /h фото­ эффект не возникает. Частота v0 соответствует «красной границе» фотоэф­ фекта (длине волны Х0 = c/vQ). Для цинка «красная граница» фотоэффекта определяется длиной волны Х0 = 0,37 мкм (ультрафиолетовое излучение). Поэтому фотоэффект прекращается при закрывании цинковой пластины стеклом, не пропускающим ультрафиолетовое излучение.

Фотоны Эйнштейна в определенном смысле возвращали корпускулярную теорию Ньютона. Но «корпускулы» и «фотоны» далеко не одно и то же. Фото­ ны согласно теории Эйнштейна обладают энергией Е= hv, зависящей от час­ тоты . Фотоны появляются при излучении и исчезают при поглощении, то есть существуют в определенных временных границах, рождаются и умирают. Масса

фотона определяется по теории относительности как /яф = Е/с1= h v /c 2, одна­ ко масса покоя фотона равна нулю. Импульс фотона равен рф = Е/с = hv/c.

Если фотоны обладают импульсом, то очевидно, что свет должен оказы­ вать давление на поверхность, находящуюся на его пути. Существование дав­ ления света, как мы уже отмечали, явилось одним из возможных аргументов в пользу электромагнитной теории света. Из квантовых представлений мож­ но получить формулу для давления света, совпадающую с выражением, сле­ дующим из электромагнитной теории. Таким образом, давление света успеш­ но объясняется и волновой (электромагнитной) и квантовой теорией.

Восприятие идей квантовой теории происходило постепенно. Сразу пос­ ле формулировки Планком закона теплового излучения большинство ф и­ зиков предполагало, что кванты не представляют собой физическую реаль­ ность и рассматривались как некоторое особое проявление электромагнит­ ного поля. Недоверие постепенно рассеивалось, поскольку квантовая тео­ рия оказалась способной объяснять все большее число явлений, необъясни­ мых классической физикой, в частности, явление флуоресценции, безинерционности взаимодействия излучения с веществом при внешнем фотоэф­ фекте, особенности испускания рентгеновских лучей и другие.

После открытия эффекта Комптона (1922 г.) и комбинационного рассе­ яния число скептиков в отношении квантовой теории заметно поубавилось. Эффект Комптона заключается в следующем. Американский физик Артур Комптон (1892—1962) показал, что при рассеянии рентгеновских лучей в рассеянном излучении наряду с излучением с исходной длиной волны име­ ется составляющая с длиной волны несколько большей исходной, то есть наблюдается смещение части рассеянного излучения в длинноволновую об­ ласть спектра — «красное смещение». Доля составляющей рассеянного из­ лучения с измененной длиной волны увеличивается при смещении всего процесса в коротковолновую область. Квантовая теория давала простое объяснение этому явлению, в то время как классическая теория объяснения не давала. По квантовой теории при соударении фотон теряет энергию, при­ обретая тем самым большую длину волны, так как его энергия Е = hv явля­ ется эквивалентом длины волны. При соударении должны выполняться за­ кон сохранения энергии и закон сохранения импульса, то есть фотон по те­ ории Комптона имеет вполне определенную физическую сущность. В ф о­ тоэффекте главную роль играет энергия фотона, в эффекте Комптона — его импульс.

Комбинационное рассеяние заключается в появлении составляющих рас­ сеянного излучения, смещенных по спектру как в область более длинных волн — «красное» смещение, так и в область более коротких волн — «фио­ летовое» смещение. Происхождение этих терминов вполне понятно, если учесть, что наибольшей длиной волны в видимой области спектра обладает излучение красного цвета, а наименьшей — фиолетового цвета. Фиолетовое смещение объясняется излучением молекул, уже находящихся в момент по­ глощения в возбужденном состоянии, поэтому рассеянное излучение может иметь большую частоту, а следовательно, и большую энергию квантов, чем исходное.

2.2. Теория относительности. Эйнштейн

Теория относительности, разработанная А Эйнштейном, вывела естествозна­ ние из того затруднительного положения, в котором оно оказалось после «ве­ личайшего из отрицательных» опыта Майкельсона по обнаружению «эфир­ ного ветра». В 1905 г. появилась знаменитая работа Эйнштейна «К электро­ динамике движущихся тел», в которой автор предпринял попытку согласо­ вать механику и электродинамику и объяснить опыт Майкельсона. Эта ста­ тья практически в законченном виде содержит обоснование новой механи­ ки, отличной от механики Ньютона, названной впоследствии специальной теорией относительности. Эйнштейну было в то время 26 лет, и он зарабаты­ вал себе на жизнь анализом чужих изобретений в патентном бюро в Берне.

В основе специальной теории относительности лежат два постулата. Пер­ вый постулат Эйнштейн формулирует следующим образом:

«Для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механи­ ки, справедливы одни и те же электродинамические и оптические законы».

Этот постулат, называемый так же релятивистским принципом относи­ тельности, является обобщением механического принципа относительнос­ ти Галилея на любые физические процессы.

Специальную теорию относительности часто называют релятивистской теорией. Релятивистские эффекты проявляются при скоростях движения тел близких к скоростям света, называемых релятивистскими скоростями, со­ ответственно релятивистская механика — это механика движения с реляти­ вистскими скоростями, основанная на специальной теории относительно­ сти. Из релятивистского принципа относительности следует, что никаким опытом наблюдатель не может обнаружить, покоится он или находится в состоянии равномерного прямолинейного движения. Принцип относитель­ ности Галилея касался только механических движений; по Эйнштейну на­ блюдатель не может обнаружить свое движение и с помощью электромаг­ нитных или оптических опытов.

Второй постулат утверждает постоянство скорости света:

«Свет распространяется в пустоте с постоянной скоростью по всем направлени­ ям независимо от движения источника света и наблюдателя».

Другими словами, результат измерений скорости света в вакууме не за­ висит от того, как движутся относительно друг друга источник света и на­ блюдатель. Скорость света является, таким образом, предельной величиной. С точки зрения классической механики скорость света должна зависеть от скорости относительного движения источника и наблюдателя.

Согласно классическим представлениям движение не оказывает влияние на течение времени, скорости складываются геометрически, масса и длина тел не зависит от их скорости. Следствием двух указанных постулатов Эйнштей­ на оказалось то, что течение времени, масса и длина тел оказываются зави-