Освещение искусственное и естественное, светотехника. Фотон
Наступила эра квантовой теории. Физика испытала величайшее потрясение в самых своих основах. Но это было еще не все, снова гигантский скачок в науке был сделан Эйнштейном — скачок, проложивший дор»гу к так называемому закону фотоэффекта Эйщнтейна. ' Фотоэффект был открыт за 20лет до этого в Германии Герцем, который заметил, что искра между электродами проскакивает легче, если электроды освещать ультрафиолетовым светом. Скоро было установлено, что свет просто вырывает из металла электроны. Этот отрыв электронов под действием подходящего света назвали фотоэффектом, а вырываемые частицы получили наименование фотоэлектронов. Ничего особенного в этих электронах нет. Они такие же, как и электроны, полученные другими методами. Изучив эксперименты над фотоэлектронами, выполненные в Германии Ленардом, Эйнштейн сформулировал простой закон, связывающий скорость испускаемых электронов, энергию, необходимую, чтобы вырвать их из металла, и частоту падающего света. Многозначительным был тотЧфакт, что в закон Эйнштейна входила совершенно естественным образом та же самая постоянная Планка, которая появилась и в теории излучения и в теории удельной теплоемкости.
Опыты Ленарда, позднее подтвержденные и проведенные более тщательно Милликеном, установили два характерных свойства фотоэффекта. Первое свойство: число фотоэлектронов, испускаемых металлом, пропорционально интенсивности света. Удвойте интенсивность света — и из металла выйдет вдвое больше электронов. Другое, более существенное открытие состояло в том, что скорости (энергии) этих электронов зависят только от длины волны (или частоты) света.
Именно это свойство Эйнштейн'ввел в свой закон фотоэффекта. Для света данной частоты электроны eW ют вполне определенную,скорость. Неважно, насколько ярким был свет^ это не оказывает никакого влияния на скорость электронов; яркость сказывалась лишь па числе испускаемых частиц. И наоборот, никакого значения не имело, насколько слабым был свет, — для данной длины волны скорость электронов всегда была одной и той же.
Опуская (с научной точки зрения важные) детали, можно сказать, что закон Эйнштейна по существу связывает количество энергии, падающей на некоторую поверхность, с энергией испускаемых электронов. Количество энергии в световом излучении, сверх той энергии, которая необходима, чтобы вырвать электрон из металла, переходит в энергию движения. Так как энергия движения определяется через скорость, отсюда следует простая связь между частотой света и скоростью электронов.
формула Эйнштейна
Пока Эйнштейн показал лишь, что квантовые представления применимы к фотоэффекту, так же как они применимы к излучению и удельной теплоемкости; идея очень содержательная, но сама по себе не слишком революционная. Однако сейчас мы подходим к обсуждению следующего и куда более значительного события; и опять это работа Эйнштейна. Были проведены опыты по измерениям промежутка времени между освещением поверхности и фактическим выбросом фотоэлектронов. Всегда оказывалось, что этот промежуток очень мал — во всяком случае меньше одной миллионной доли 'секунды. Не имело значения, использовался ли яркий или слабый свет, время эмиссии всегда было одинаковым и всегда очень малым. Вслед за тем появилось сообщение об опытах по измерению как времени эмиссии, так и скоростей , эмиссии при использовании чрезвычайно слабых источников света. Как и прежде, время выброса электронов оставалось малым, и, как и прежде, скорость вылета соответствовала частоте света. Эйнштейн произвел небольшие и несложные арифметические действия с данными, опубликованными другими исследователями. Диаметр атома известен. Если слабый источник света находится на определенном расстоянии от металла и интенсивность источника известна, нетрудно подсчитать, какое количество энергии каждую секунду падает на поверхность одного атома. Это вычис* ление несложно, поскольку интенсивность волн источника (это справедливо для любой волны) уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Удвойте расстояние — и получите одну четверть энергии; утройте его — и получите одну девятую часть и т. д. Из расчета Эйнштейн установил, что количество энергии, падающее на поверхность одного атома, настолько мало, что потребовалось бы затратить часы, чтобы эти малые количества энергии в совокупности достигли величины энергии одного кванта. И все-таки, несмотря на это, фотоэлектрическая эмиссия проявляется немедленно, а энергия вырванных электронов именно такая, которую ожидали получить.
Совершенно невозможно представить себе, что атомы, чтобы обеспечить необходимое количество энергии, высасывают ее со всей поверхности волнового фронта, причем всегда на это затрачивается весьма мало времени. Это неприемлемое объяснение. Объяснение Эйнштейна было предельно ясным. Из проведенных опытов с неизбежностью вытекает, что свет излучается вовсе не в виде волн. Наоборот, он должен излучаться в форме града отдельных квантов, и каждый квант все время несет с собой соответствующую порцию энергии. Закон обратно пропорциональной зависимости интенсивности от квадрата расстояния будет выполняться просто потому, что площадь сферы растет как квадрат ее радиуса, поэтому и число квантов, падающих на данную площадь, будет уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния. Но каждый квант всегда несет полагающуюся ему полную порцию энергии. Следовательно, как только на какой-нибудь атом попадает квант, из него тотчас же выбрасывается электрон именно с нужной энергией, что и было действительно обнаружено.
Теперь мы и в самом деле сделали огромный шаг вперед в теории излучения света. Уже теория Планка требовала, чтобы излучаемая энергия испускалась или поглощалась в дискретных количествах. Но еще никогда не ставился вопрос, каким образом излучение распространяется в пространстве. Безоговорочно и предполагалось, что излучение движется в пространстве как электромагнитная волна. Эйнштейн сразу далеко шагнул вперед. Он не только потребовал, чтобы испущенный свет поглощался квантами, свет должен был перемещаться в пространстве в виде отдельных пакетов, в виде дискретных порций, — если уж на то пошло — в виде корпускул! Как ни странно, но мы вернулись к чему-то, очень похожему на корпускулы Ньютона. И Эйнштейн приписывает излучению свойства частиц. Эти частицы излучения теперь называют фотонами. Абсолютно невозможно объяснить фотоэффект (а также и многие другие эффекть!), не приняв идею о фотонах как о некоем виде частиц — носителей определенной энергии, — перемещающихся со скоростью света. Свет приобрел своего рода атомистичность, как впервые гениально догадался Ньютон.