ными порциями — квантами. Величина кванта поглощенной и излучаемой энергии пропорциональна частоте соответствующей волны:
e=hn.
Коэффициент пропорциональности (К) называют постоянной Планка: h=6,62•10-34 дж•сек.
Теперь можно было и решить задачу. Формула Планка соответствовала результатам опыта. Вслед за этим решением возникла квантовая теория; Эйнштейн дополнил теорию Планка, предположив, что распространение света происходит квантами. Это объяснило закономерности фотоэффекта, обнаруженные в опытах Столетова.
Рассматривая с квантовой точки зрения поглощение волны, падающей на поверхность заряженного металла, Эйнштейн выразил закон сохранения энергии в явлении фотоэффекта так:
где mv2/2 кинетическая энергия электрона, вылетающего из металла, А — работа, затрачиваемая на его вылет. Если электроны не вылетают из пластинки, это означает, что квант энергии меньше А. Увеличение интенсивности приводит лишь к увеличению числа квантов, а не энергии в каждом кванте. Согласно квантовой теории на пороге фотоэффекта частота световой волны — это та частота, при которой квант энергии равен работе, затраченной вылетающим электроном:
n0=A/h.
Если же частота волны больше частоты порога, то кинетическая энергия вылетающего электрона будет равна разности между квантом энергии и работой вылета:
1/2 mv2 = hv-А.
Так возникло представление о новых квантовых свойствах электромагнитного поля и, естественно, его видимого спектра — света.
Следующим успехом квантовой теории было то, что она объяснила спектры излучения атомов. Возьмем, например, спектр водорода. В нем видны линии, отстоящие друг от друга и объединенные в группы — серии. Каждая линия указывает на электромагнитную волну определенной частоты. Значит, атом при излучении волны отдает строго определенную энергию. В этом, собственно, и состоит квантовый характер излучения. Он выражается правилом частот Бора:
hn=E1-E2,
где El — энергия атома до излучения кванта энергии, E2 — энергия атома после излучения, a n — частота волны.
Квантовая теория обогатилась, таким образом, новым физическим содержанием. Она открыла те возможные значения энергии, которыми обладает атом. Не любые значения энергии может иметь атом, а только, как принято говорить, квантовые, так как энергия атома изменяется скачком.
Эта особенность побудила искать другие квантовые свойства атомов. Физики обратились к магнитному моменту атома. Опыт был прост. Узкий пучок атомов пропустили через магнитное поле. Пройдя поле, пучок разделился надвое. Магнитные моменты, следовательно, ориентированы двумя способами и имеют определенную величину, т. е. тоже оказываются квантованными .
Таким образом, квантовый характер электромагнитного поля отражает квантовые свойства излучающих его источников — атомов и молекул. Видимый свет стало возможным объяснить при помощи фотона — частицы, энергия которой равна кванту:
e=hn.
Так открылась двойственная природа света — волновая и корпускулярная. Каждое свойство объясняет определенный круг явлений. Они не исключают друг друга, а дополняют.
Квантовая электроника
В 1917 г. Эйнштейн обнаружил одно интересное явление, но, как ни странно, не придал ему особого значения. Когда пучок света проходит через слой вещества, он частично поглощается этим слоем. Луч света — это поток фотонов, энергия каждого из них равна кванту hn. Проходя через вещество, фотон встречается с его атомами и может быть ими поглощен. Число фотонов луча уменьшится, и вышедший из слоя пучок будет менее интенсивным. Но что произойдет с атомом, поглотившим фотон? Энергия его вырастет; он перейдет, как говорят физики, на более высокий энергетический уровень. Но в таком возбужденном состоянии он будет находиться недолго, примерно 10-7 сек. Вернувшись в нормальное состояние, он отдаст полученную энергию — испустит фотон в лю-
218