КВАНТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Фотоэффект

Накануне XX века теорию электромагнит­ного поля постигла неудача. Г. Герц открыл новое физическое явление — фотоэффект. Это явление подробно исследовал русский физик А. Г. Столетов.

Фотоэлектрические опыты Столетова уди­вили и озадачили весь ученый мир. Удивление было вызвано действием света, т. е. электромаг­нитных волн на заряженную отрицательным электричеством металлическую пластинку. За­кономерности, обнаруженные при этом, про­тиворечили уже известным свойствам электро­магнитных волн. Поэтому объяснить фотоэффект казалось невозможным.

Если освещать отрицательно заряженную металлическую пластинку, она разрядится. Это означает, что «свободные» электроны покинули металл. Если вылетевшие электроны попадут в электрическое поле положительно заряженной пластинки, соединенной с пластинкой освещае­мой, то в цепи потечет ток. Этот ток назвали фотоэлектрическим. Вызвать его можно не всяким освещением. При одном цвете света (т. е. при одной длине электромагнитной

волны), как ни увеличивать его интенсивность, фотоэлектрического тока совсем нет. Зато при другом цвете по мере увеличения интенсивности света возрастает и ток. При этом обнаружи­вается зависимость фотоэффекта от металла пластинки. Каждому металлу соответствует определенная частота колебаний световой вол­ны, при которой начинается эффект. Частоту эту назвали порогом фотоэффекта или «красной границей». Если частота электро­магнитных колебаний света, которым освещают металл, больше порога, эффект наблюдается; если меньше, то, как ни увеличивать интенсив­ность света, эффект отсутствует.

Все это противоречило классическим пред­ставлениям о физических процессах. Если электрону нужна энергия, чтобы покинуть ме­талл, то, казалось бы, чем выше интенсивность электромагнитной волны, тем больше она при­несет энергии. А этого-то как раз и не видно у тех волн, частота которых меньше порога.

Объяснить порог фотоэффекта классическая электродинамика не смогла.

Гипотеза Планка

Сюрприз преподнесло решение задачи о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела при заданной темпе­ратуре. Задачу эту решали полвека, ею за­нималось целое поколение ученых. Но решить ее так, чтобы результаты измерения энергии на различных участках спектра совпали с фор­мулой, не удавалось.

Различные тела поглощают электромагнит­ные волны по-разному. Физическое тело, погло­тительная способность которого равна единице, т. е. тело, поглощающее все падающие на него лучи, называют абсолютно черным. Примером может служить зачерненная изнутри полость с небольшим отверстием. Сажа и черный бархат очень близки к абсолютно черному телу. Как это ни странно, всем требованиям, предъ­являемым к абсолютно черному телу, отвечает Солнце — его поглотительная способность равна единице.

Ученые долго не могли решить задачу о рас­пределении энергии в спектре излучения абсо­лютно черного тела. По мнению немецкого фи­зика Макса Планка, их неудачи были неизбеж­ны, так как они считали, что электромагнит­ная энергия поглощается и излучается телом непрерывно. Планк же предположил, что атомы тела поглощают и излучают энергию определен-

217