История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Фотоэлектрический эффект

Рту работу РІ настоящее время рассматривают как работу Рйнштейна РїРѕ фотоэлектрическому эффекту. Однако РѕРЅР° имеет гораздо большую значимость. Р’ ней Рйнштейн установил РёР· общих принципов статистической термодинамики, что энтропия излучения, описываемая законом распределения Р’РёРЅР°, имеет такую же форму, как Рё энтропия газа элементарных частиц. Рйнштейн использовал этот аргумент для заключения, СЃ эвристической точки зрения, что свет состоит РёР· квантов, каждый РёР· которых содержит энергию, которая дается произведением постоянной Планка РЅР° частоту света. РћРЅ применил это заключение для объяснения некоторых явлений, среди которых был Рё фотоэлектрический эффект. РћРЅ писал:

Волновая теория, работая с непрерывными

функциями, оказывается корректной для представления чисто оптических явлений и вряд ли будет заменена какой-либо другой теорией. Однако, следует иметь в виду, что оптические наблюдения относятся к усредненным по времени значениям, а не к мгновенным значениям. Возможно, что, несмотря на полное экспериментальное подтверждение теории дифракции, отражения, дисперсии и др., теория света, основанная на непрерывных функциях, может привести к противоречиям, если мы применим ее к явлениям получения и преобразования света. В самом деле, мне кажется, что наблюдения в области черного тела, фотолюминесценции, генерации катодных лучей ультрафиолетовым излучением и другие группы явлений, связанных с генерацией и преобразованием света, могут быть лучше поняты на основе предположения, что энергия в свете распределена в пространстве не непрерывно. Согласно представляемому теперь же предположению, энергия в пучке света, испускаемого точечным источником, не распределяется непрерывно на все больший и больший объем в пространстве, но заключена в конечном числе квантов энергии, локализованных в точках пространства, которые распространяются, без какого-то бы ни было дробления, и испускаются и поглощаются лишь как целое.

Рйнштейн использовал слова кванты энергии. Термин фотон был введен значительно позже, РІ 1926 Рі., американским С…РёРјРёРєРѕРј Р“. Рќ. Льюисом (18751946), РѕРґРЅРёРј РёР· отцов современной теории химической валентности.

Получение катодных лучей (С‚.Рµ. отрицательно заряженных частиц, определенных как электроны) СЃ помощью ультрафиолетового света было фотоэлектрическим эффектом, который был открыт РІ то время. РСЂРѕРЅРёСЏ заключалась РІ том, что это явление было описано РІ 1887 Рі. Генрихом Герцем РІРѕ время его блестящего подтверждения электромагнитной (волновой) теории света, полученного СЃ помощью его открытия электромагнитных волн. Р’ следующем РіРѕРґСѓ это явление было исследовано Вильгельмом Гальваксом (1862 1947), который, РІ частности, показал, что определенные металлические поверхности теряют некоторый электрический заряд, становясь положительно заряженными, РїСЂРё облучении этих поверхностей ультрафиолетовым светом. Позднее независимо РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР° Дж. Дж. РўРѕРјСЃРѕРЅ Рё Филипп Ленард (1862 1947) показали, что этот эффект получается РІ результате испускания отрицательно заряженных частиц, электронов, металлической поверхностью. Поскольку первоначально металл РЅРµ имеет избыток какого-РЅРёР±СѓРґСЊ заряда, то если испускаются отрицательные заряды, РЅР° металле должен оставаться положительный заряд, который компенсировался отрицательным зарядом. Ленард продолжил исследования этого явления Рё РІ 1902 Рі. представил детальные результаты РІ пространной статье, опубликованной РІ Annalen der Physik. Р’ этой статье РѕРЅ сообщил Рѕ РґРІСѓС… важных фактах. Первый факт заключался РІ том, что электроны СЃ поверхности определенного металла эффективно получаются лишь РїСЂРё использовании света определенной частоты. Второй факт был связан СЃРѕ скоростью (кинетической энергией) испускаемых электронов, которая РЅРµ зависела РѕС‚ интенсивности облучаемого излучения.

Рйнштейн РІ своей работе дал объяснение фотоэлектрического эффекта, как пример применения его теории световых квантов. Согласно ему, энергия световых волн распространяется РЅРµ как волна, РЅРѕ скорее как частица (Рйнштейн назвал ее квантом энергии), которая имеет энергию обратно пропорциональную длине волны света. Число квантов пропорционально интенсивности света. Чем интенсивней волна, тем больше квантов РѕРЅР° содержит. РљРѕРіРґР° квант света сталкивается СЃ электроном РІ металле, РѕРЅ сообщает этому электрону РІСЃСЋ СЃРІРѕСЋ энергию Рё исчезает. Рлектрон тратит часть этой энергии РЅР° то, чтобы покинуть металл, Р° остаток идет РЅР° кинетическую энергию. Рнтенсивность светового пучка, будучи пропорциональной числу квантов, РЅРµ влияет РЅР° энергию электронов, РЅРѕ определяет РёС… полное число.

Р’ РїРёСЃСЊРјРµ своему РґСЂСѓРіСѓ Конраду Хабихту (18761958) Рйнштейн писал Рѕ своей работе:

РћРЅР°

относится к излучению и к энергетическим характеристикам света и, как вы увидите, является очень революционной.

Несмотря РЅР° такую декларацию, РІ обсуждениях физической интерпретации закона Р’РёРЅР° Рё РїСЂРё изложении концепции квантов света, Рйнштейн РЅРµ считал, что РѕРЅ порывает СЃ традициями. Р’РІРѕРґСЏ квант света, РѕРЅ применял когерентный РїРѕРґС…РѕРґ Рє статистическим методам, относящимся Рє теории теплового излучения. Однако РѕРЅ назвал СЃРІРѕРµ введение гипотезы световых квантов революционным шагом, поскольку РѕРЅ полагал, что это противоречит электродинамике Максвелла, требующей, чтобы излучение было непрерывным потоком энергии РІ пространстве.

Чтобы понять, как Рйнштейн СЃРјРѕРі построить такую теорию как раз РІ то время, РєРѕРіРґР° Планк старался продемонстрировать, что его теория квантования осцилляторов была РЅРµ более чем уловкой для вычислений, нужно рассмотреть личностные особенности этих РґРІСѓС… ученых. РћРЅРё придерживаясь разных точек зрения. Планк был знаменитым Рё зрелым ученым, который стремился поддержать СЃРІРѕР№ престиж РІ академических кругах, Рё избегал выходить Р·Р° пределы тех научных теорий, которые были хорошо известны РІ то время. Р’СЃРµ его усилия были сконцентрированы РЅР° том, чтобы сделать СЃРІРѕРµ открытие частью объяснения, согласующегося СЃ теориями Максвелла Рё Больцмана.

Молодой, без предубеждений Рё академических обязательств, Рйнштейн РІ то время работал РІ Швейцарском Патентном Р±СЋСЂРѕ. РћРЅ РјРѕРі идти РЅР° СЂРёСЃРє. Как было описано Рњ. Кляйном^[1], РѕРЅ РЅРµ был подвержен сильному влиянию физики девятнадцатого века Рё осмелился бросить вызов успешной теории света, которая была ее наиболее характерной особенностью. Вместо этого РѕРЅ утверждал, что свет может, Рё для РјРЅРѕРіРёС… целей должен, рассматриваться как состоящий РёР· собрания независимых частиц (квантов) энергии, которые ведут себя как частицы газа. Рта гипотеза световых квантов означала возвращение Рё модернизацию корпускулярной теории света, которая была предана забвению РїРѕРґ тяжестью всех доказательств РІ пользу волновой теории, накопленных РІ течение почти ста лет.

Вопреки тому, что можно было Р±С‹ предположить, гипотеза Рйнштейна РЅРµ была развитием теории черного тела Планка. Рйнштейн знал работу Планка, РЅРѕ РЅРµ разделял полностью аргументацию. Р’ 1905 Рі. РѕРЅ РЅРµ использовал теорию Планка, РЅРµ использовал его формулу Рё РЅРµ ссылался РЅР° его гипотезу. РћРЅ следовал РґСЂСѓРіРёРј путем Рё даже РЅРµ использовал Р±СѓРєРІСѓ h РІ выражении для энергии кванта света С‚.Рµ. произведение постоянной Планка РЅР° частоту, РЅРѕ использовал комбинацию констант, РІ которых появлялись константа закона идеальных газов, число Авагадро Рё константа, которая уже имеется РІ законе распределения излучения черного тела, даваемого формулой Р’РёРЅР°.

Р’СЃРµ это, однако, РЅРµ означает то, что идеи Планка отвергались, Рё то, что кванты света были изобретены без предшествующих РґРёСЃРєСѓСЃСЃРёР№ РѕР± элементах энергии, Р° просто то, что световые кванты РЅРµ являются прямым выводом или обобщением элементов энергии. Точно также гипотеза световых квантов отнюдь РЅРµ мотивировалась необходимостью объяснить фотоэффект, который РІ 1905 Рі. РЅРµ рассматривался как проблема. Вместо этого Рйнштейн искал ответ РЅР° общую проблему, которая, как РјС‹ видели, так же была выдвинута Рэлеем, Рё найти причину очевидной невозможности совместить излучение черного тела СЃ теорией Максвелла. Чтобы подтвердить соображения, Рє которым пришел, РѕРЅ Рё использовал определенные экспериментальные факты, включая результаты экспериментов РїРѕ фотоэлектрическому эффекту.

Объяснение фотоэлектрического эффекта РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ понятия фотонов потребовало РјРЅРѕРіРѕ лет РґРѕ полного принятия. Наилучшее подтверждение теории Рйнштейна пришло РёР· измерений, которые произвел американский физик Роберт РРЅРґСЂСЋ Милликен (18681953) РІ период 19161926 РіРі.

Милликен родился РІ РњРѕСЂСЂРёСЃРѕРЅРµ (Рллинойс, РЎРЁРђ) Рё получил докторскую степень РїРѕ физике РІ Колумбийском университете. Затем РІ 1896 Рі. РѕРЅ отправился РІ Европу, РіРґРµ посетил университеты Берлина, Гёттингена Рё Парижа. РћРЅ встретился СЃ Максом Планком, Вальтером Нернстом Рё РђРЅСЂРё Пуанкаре. Р’ 1896 Рі. РѕРЅ был ассистентом Альберта Рђ. Майкельсона РІ университете Чикаго, РіРґРµ Рё стал профессором РІ 1910 Рі. Р’ 1921 Рі. РѕРЅ перешел РІ Калифорнийский технологический институт. Р’ 1923 Рі. РѕРЅ получил Нобелевскую премию РїРѕ физике Р·Р° его прецизионные измерения заряда электрона Рё постоянной Планка.