Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали - Скотт Бембенек

Несмотря на доводы Ньютона, Гук опубликовал волновую теорию света в 60-е годы XVII века. В 1678 году Христиан Гюйгенс развил волновую теорию (опубликовав ее в 90-е годы XVII века в «Трактате о свете»), способную объяснить отражение и преломление. Однако конец корпускулярной теории Ньютона ознаменовался в начале XIX века, когда Томас Юнг (1773–1829) провел первую явную демонстрацию волновой природы света, показывая, что он обладает свойством интерференции. При подходящих условиях, когда световые волны, идущие от двух отдельных источников, объединяются, покажутся области ярче (усиливающая интерференция) и темнее (ослабляющая интерференция), чем если бы присутствовал только один из источников. Другие волны, например на воде или звуковые, также демонстрируют этот эффект.

Представим, что мы уронили камень вертикально вниз в спокойное озеро. Он вызовет рябь, или волны, распространяющуюся из точки, где он приземлился (она служит источником). Теперь вообразим то же самое с двумя камнями – возможно, по одному в каждой из ваших рук, широко раскинутых, – и выпустим их одновременно. Ясно, что теперь волны будут исходить от двух источников. Поскольку они продолжают распространяться, появятся такие участки поверхности воды, где волны от одного источника будут накладываться на волны от другого. Более того, на одних участках наложения высота волны (которая связана с ее интенсивностью) может увеличиться, тогда как на других – уменьшиться. Это иллюстрирует усиливающую и ослабляющую интерференцию соответственно.

Интерференционная природа света, которую позже подтвердили эксперименты и вычисления Огюстена Жана Френеля (1788–1827) семь лет спустя, нанесли серьезный удар поклонникам корпускулярной теории. Окончательным ударом стало определение скорости света в разных средах. Согласно корпускулярной теории света, скорость должна увеличиваться, когда свет проходит из одной среды в другую, более плотную, как и в случае перехода из воздуха в воду. Однако волновая теория света предсказывала прямо противоположный эффект: свет должен двигаться медленнее в веществе с большей плотностью, и работа Жана Бернара Леона Фуко (1819–1868) и Армана Ипполита Луи Физо (1819–1896) в 1850 году это подтвердила. Дальнейшее развитие взглядов на природу света в XIX веке привело к тому, что волновую теорию приняли все.

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал последнюю из цикла статей по электричеству и магнетизму. В ней он написал (теперь знаменитые) четыре уравнения, которые образуют основу всего классического учения об электричестве и магнетизме. Эта работа и его двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», опубликованный в 1873 году, объединили электрические и магнитные силы и вывели понимание природы света на абсолютно новый уровень. В своей теории Максвелл описывал свет как электромагнитную волну и смог верно рассчитать ее скорость:

«Она [вычисленная скорость] настолько близка к скорости света, что кажется, будто мы имеем серьезное основание заключить, что сам свет (включая тепловое излучение и другие виды излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в форме волн…»

Хотя скорость света уже измерили, концепция света как электромагнитной волны была совершенно новой. К сожалению, Максвелл прожил недостаточно долго (он умер в 1879 году), чтобы дождаться подтверждения данного аспекта своей теории.

В 1887 году Генрих Герц (1857–1894) подтвердил теорию Максвелла, фактически создав электромагнитные волны, предсказанные им. Также Герц и другие ученые продемонстрировали, что эти волны показывают ожидаемые свойства: отражение, преломление и дифракцию. Впоследствии эти результаты утвердили теорию Максвелла и волновую концепцию света в умах всех физиков. До того, как Эйнштейн в 1905 году решил встряхнуть самые ее основы.

По иронии судьбы в том же самом наборе экспериментов, которые проводил Герц для исследования волновой природы света, описанной теорией Максвелла, он также случайно обнаружил фотоэлектрический эффект. Это явление было небольшим бременем для достопочтенной максвелловской теории света. Когда освещают определенные типы металлов, с поверхности испускаются, то есть выбиваются и становятся свободными, электроны (см. рис. 14.1). Это явление называется фотоэлектрическим эффектом, и с помощью теории Максвелла невозможно было объяснить несколько его особенностей:

• Чтобы электроны были выбиты и стали свободными, частота света, попадающего на поверхность (падающего света), должна быть больше определенного значения, которое является характеристикой металла, освещаемого им. Другими словами, имеется граничная частота, и частота падающего света должна быть выше нее, иначе фотоэлектрического эффекта не будет. Это не согласуется с волновой теорией света, которая предсказывает, что электроны будут вылетать при любой частоте падающего света, если его интенсивность достаточно велика.

• Как только частота света превышает граничное значение, электроны начинают вылетать с определенной скоростью, или кинетической энергией. В то время как число вылетающих электронов пропорционально интенсивности света, кинетическая энергия, или скорость, с которой они вылетают, нет. На самом деле их кинетическая энергия определяется частотой света, а не его интенсивностью.

• Электроны вылетают почти сразу после того, как их выбивает свет. То есть эффект почти мгновенный. Это происходит даже при низкой интенсивности света.

Рис. 14.1. Приходящие (падающие) фотоны энергии hν попадают на поверхность металла. Так они выбивают электроны, и те освобождаются от притяжения со стороны металла.

Эйнштейн ясно видел решение всех этих трудностей. Как мы обсуждали раньше, он предположил, что свет состоит из квантов. Другими словами, свет состоит из частиц с энергией hν у каждой, которые мы сегодня называем фотонами. Таким образом, когда свет облучает металл, фотон может столкнуться с электроном и передать ему свою энергию hν. Эта передача энергии почти мгновенна, поскольку энергия фотона не распределена по большому объему, а сконцентрирована, поэтому передача столь быстра. Итак, когда фотон ударит по электрону, последний улетит за пределы металла, только если энергия фотона «достаточна». Что мы понимаем под достаточностью?

Притяжение между электроном и атомом, с которым он связан, удерживает отдельный электрон в металле; положительно заряженное ядро атома удерживает отрицательно заряженный электрон и не дает ему просто так улететь от него. Поэтому фотону нужно иметь достаточную энергию, чтобы освободить электрон от этой силы притяжения. Это минимально необходимое количество энергии – всего, что меньше, будет недостаточно для освобождения электрона. Это объясняет вышеупомянутую граничную частоту.

У фотона должна быть определенная частота ν, то есть определенное количество энергии hν (поскольку h – это постоянная), чтобы он мог освободить электрон из тисков атома. Минимальное количество энергии называется работой выхода W – работой, которую нужно произвести, чтобы электрон освободился, – и она является неотъемлемым свойством металла. Более того, она объясняет, почему фотоэлектрический эффект наблюдают только при свете с частотой выше определенной, а не при любой, если интенсивность достаточно велика, как это предсказывается в волновой теории.