Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 19 (всего у книги 52 страниц)
ГЛАВА 6
РЙНШТЕЙН Р� СВЕТ, ФОТОРЛЕКТРР�ЧЕСКР�Р™ РФФЕКТ Р� ВЫНУЖДЕННОЕ Р�РЎРџРЈРЎРљРђРќР�Р•
Р’ РёСЋРЅРµ 1905 Рі., РєРѕРіРґР° Рйнштейн опубликовал РІ С‚. 17 Annalen der Physik СЃРІРѕСЋ революционную работу Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des lichtes betreffenden heuristischen Gesichtpunkt (РѕР± эвристической точке зрения, касающейся возникновения Рё преобразования света), РІСЃРµ были убеждены, что свет состоит РёР· электромагнитных волн. Рйнштейн, однако, РІ этом усомнился, Рё выявил двойственную РїСЂРёСЂРѕРґСѓ света: одновременно РїРѕРґРѕР±РЅСѓСЋ Рё частице, Рё РїРѕРґРѕР±РЅСѓСЋ волне. Хотя РѕРЅ был довольно критичен Рє теории Планка, РѕРЅ показал, какие фундаментальные следствия можно извлечь РёР· нее, Рё тем самым вызвал РєСЂРёР·РёСЃ классической физики. Р’ то время Рйнштейну было 26 лет. Его работа появилась РІ том же томе журнала, РІ котором РѕРЅ уже опубликовал РґРІРµ РґСЂСѓРіРёРµ фундаментальные работы: РѕРґРЅСѓ работу РїРѕ статистике, относящуюся Рє Р±СЂРѕСѓРЅРѕРІСЃРєРѕРјСѓ движению, которая позволяла прояснить старый СЃРїРѕСЂ Рѕ физическом существовании молекул, Рё РґСЂСѓРіСѓСЋ работу, РІ которой РѕРЅ представил специальную теорию относительности. Р’СЃРµ три статьи сделали этот том журнала Annalen der Physik РѕРґРЅРёРј РёР· самых выдающихся РІРѕ всей научной литературе.
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 (т.е. отрицательно заряженных частиц, определенных как электроны) с помощью ультрафиолетового света было фотоэлектрическим эффектом, который был открыт в то время. �рония заключалась в том, что это явление было описано в 1887 г. Генрихом Герцем во время его блестящего подтверждения электромагнитной (волновой) теории света, полученного с помощью его открытия электромагнитных волн. В следующем году это явление было исследовано Вильгельмом Гальваксом (1862 1947), который, в частности, показал, что определенные металлические поверхности теряют некоторый электрический заряд, становясь положительно заряженными, при облучении этих поверхностей ультрафиолетовым светом. Позднее независимо друг от друга Дж. Дж. Томсон и Филипп Ленард (1862 1947) показали, что этот эффект получается в результате испускания отрицательно заряженных частиц, электронов, металлической поверхностью. Поскольку первоначально металл не имеет избыток какого-нибудь заряда, то если испускаются отрицательные заряды, на металле должен оставаться положительный заряд, который компенсировался отрицательным зарядом. Ленард продолжил исследования этого явления и в 1902 г. представил детальные результаты в пространной статье, опубликованной в Annalen der Physik. В этой статье он сообщил о двух важных фактах. Первый факт заключался в том, что электроны с поверхности определенного металла эффективно получаются лишь при использовании света определенной частоты. Второй факт был связан со скоростью (кинетической энергией) испускаемых электронов, которая не зависела от 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. Р�нтенсивность 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:
Она 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 в Моррисоне (�ллинойс, США) и получил докторскую степень по физике в Колумбийском университете. Затем в 1896 г. он отправился в Европу, где посетил университеты Берлина, Гёттингена и Парижа. Он встретился с Максом Планком, Вальтером Нернстом и Анри Пуанкаре. В 1896 г. он был ассистентом Альберта А. Майкельсона в университете Чикаго, где и стал профессором в 1910 г. В 1921 г. он перешел в Калифорнийский технологический институт. В 1923 г. он получил Нобелевскую премию по физике за его прецизионные измерения заряда электрона и постоянной Планка.
Милликен, который первоначально РЅРµ верил РІ теорию Рйнштейна, дал лучшие проверки ее достоверности Рё получил Нобелевскую премию РїРѕ физике также Р·Р° эти результаты. Окончательное доказательство пришло позднее, РєРѕРіРґР° американский физик Артур Комптон (18921962) обнаружил РІ 1922 Рі., что рентгеновские лучи рассеиваются свободными электронами так, как если Р±С‹ РѕРЅРё были частицами СЃ энергией hf (f частота излучения) Рё СЃ импульсом hf/c, как Рё предсказывал Рйнштейн. Р’ частности, рассеянный квант имеет частоту, отличную РѕС‚ частоты падающего излучения, Рё эта частота изменяется СЃ углом, РїРѕРґ которым РѕРЅ рассеивается (эффект Комптона, Р·Р° который РѕРЅ получил Нобелевскую премию РІ 1927 Рі.). Рто факты, которые невозможно объяснить РІ рамках волновой теории. РќРѕ РІ то время гипотеза Рйнштейна световых квантов уже была полностью признана.
РќРѕ РІ самом начале научный РјРёСЂ того времени РЅРµ верил РІ теорию фотоэлектрического эффекта Рйнштейна. Р’ 1913 Рі. РІ РїРёСЃСЊРјРµ, РІ котором предлагалось избрать Рйнштейна членом РџСЂСѓСЃСЃРєРѕР№ академии Рё присудить профессорскую степень Рё РІ котором превозносились его работы Рё его способности, Макс Планк писал: РўРѕ, что РѕРЅ РёРЅРѕРіРґР° РЅРµ достигает цели РІ СЃРІРѕРёС… спекуляциях, как, например, РІ своей гипотезе световых квантов, РЅРµ может использовано против него.
Несколькими годами позднее, РІ 1916 Рі., Милликен, описывая СЃРІРѕРё экспериментальные подтверждения уравнения Рйнштейна для фотоэлектрического эффекта, писал Рѕ той же гипотезе: РЇ РЅРµ пытался представить РѕСЃРЅРѕРІСѓ для предположения, которое РІ то время было почти ничто.
Наконец, Рйнштейн получил Нобелевскую премию РІ 1921 Рі. РЅРµ Р·Р° СЃРІРѕСЋ теорию относительности, Р° как раз Р·Р° СЃРІРѕСЋ теорию фотоэлектрического эффекта.
Р’ 1906 Рі. Рйнштейн РІ своей работе, озаглавленной Theorie der Lichterzeugung und Lichtabsorption (Рѕ теории испускания Рё поглощения света), глубоко РІРЅРёРєРЅСѓР» РІ СЃРїРѕСЃРѕР±, каким Планк вывел закон черного тела, Рё пришел Рє выводу:
Поэтому РјС‹ должны рассмотреть следующий закон РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ квантовой теории Планка. Рнергия элементарного резонатора (осциллятора) может принимать только величины, которые кратны целым числам (РѕС‚ энергии кванта света); энергия резонатора изменяется скачками путем поглощения или испускания РІ целых числах [РѕС‚ той же самой величины].
Ртими словами Рйнштейн обострил внимание РЅР° том, что РѕРЅ рассматривал главным РІ теории излучения Планка, Р° именно, факт, что резонаторы РІ полости изменяют СЃРІРѕСЋ энергию только конечными величинами, С‚.Рµ. РЅРµ непрерывно, Р° скачками. Двумя годами позднее Лоренц пришел Рє такому же заключению, что Планк ввел совершенно РЅРѕРІСѓСЋ гипотезу, которая противоречит обычным законам электродинамики.
Р’ 1909 Рі., четыре РіРѕРґР° после его работы РїРѕ фотоэлектрическому эффекту, Рйнштейн опубликовал работу, РІ которой РѕРЅ продемонстрировал, что закон излучения Планка означает, что излучение проявляет комбинированную волновую Рё корпускулярную РїСЂРёСЂРѕРґСѓ. Ртот результат был первым ясным указанием РЅР° С‚.РЅ. волново-частичный[2] дуализм, который позднее будет широко обсуждаться РІ 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.
