3.5.2 Фотони

Відомі усім досліди з інтерфенції і дифракції доводять, що світло — це хвиля. Ньютон, намагаючись пояснити скінченну швидкість поширення світла, припустив, що розжарене тіло випромінює частинки — корпускули, які передають світло. Але при цьому йому не вдалося пояснити явища інтерференції і дифракції, і корпускулярну теорію було надовго забуто.

Хвильова природа світла, яку всебічно дослідив Френель, здавалася абсолютно переконливою. У 1873 році Джеме Клерк Максвелл пророкував, що світло, як і будь-яка інша хвиля, потрапляючи на поверхню, повинна чинити на неї тиск. Світловий тиск дуже малий і виміряти його експериментальним шляхом надзвичайно важко. Але цей блискучий експеримент здійснив Петро Миколайович Лебедев. Він виміряв світловий тиск не тільки на поверхні твердого тіла, але й на гази, і після його дослідів здавалося, що будь-які інші додаткові докази хвильової природи світла позбавлені сенсу — настільки переконливими були прояви того, що світло — це хвильовий процес. Генріх Герц, який експериментально довів хвильову природу електромагнітного випромінювання й справедливість теорії Максвелла, писав через два роки після свого відкриття: "З часів Юнга й Френеля ми знаємо, що світло — це хвильовий рух. Сумніватися в цих фактах більше неможливо: спростувати ці факти фізик неспроможний. З погляду роду людського хвильова теорія є очевидністю". Торжество хвильової теорії було очевидним, а теорія світлових корпускул Ньютона була надовго забута.

Нагадаємо, що Планк, пояснюючи закономірності теплового випромінювання, змушений був увести квантування енергії випромінюючого осцилятора (наприклад, електрона, що коливається відносно положення рівноваги в атомі). Але на поширення світла його ідеї дискретності не поширювалися й вважалося, що випромінювання й поширення світла відбувається у вигляді електромагнітної хвилі. Планк увів свій квант дії так, щоб не зашкодити хвильовій оптиці, створеній та апробованій протягом двох століть. Але, як писав Ейнштейн, "Планк посадив у вухо фізикам блоху". У 1905 році Ейнштейн опублікував роботу "Про евристичну точку зору на виникнення й перетворення світла", в якій уперше було висунуто гіпотезу світлових квантів і відкрито наступну важливу сторінку у квантовій фізиці. У цій роботі він писав:"... Напрошується питання: чи не є закони виникнення й перетворення світла такими, начебто світло складається з таких же квантів енергії?". Таким чином, Ейнштейн поширив планківську ідею квантування осциляторів на електромагнітне випромінювання. Із цього погляду, планківський осцилятор змінює свою енергію, випромінюючи або поглинаючи відповідний квант світла. Ці кванти світла пізніше одержали назву "фотонів". Термін "фотон" запропонував Дж. Льюїс у 1926 році, і цей термін відразу прижився. Фотон став повноправною елементарною частинкою.

Висунуту ідею світлових квантів-фотонів Ейнштейн спочатку застосував для пояснення явища фотоефекту.

Уперше фотоефект спостерігав Генріх Герц, досліджуючи результати приймання електромагнітних хвиль. Він виявив, що при освітленні розрядного проміжку приймального резонатора світлом електричної дуги (він містить велику частку ультрафіолетового випромінювання) пробій виникає набагато легше, що може бути пов'язано з іонізацією повітря. Фотоефект, як і рентгенівські промені й радіоактивність, було відкрито випадково. Але історія науки показує, що подібні "випадки" випадають на долю тільки першокласних експериментаторів.

У 1887 році О. Г. Столетов досліджував фотоефект більш детально й виявив, що освітлення металевої пластини спричинене потоком негативно заряджених частинок (електрон ще не був відомий — його відкрив Томсон лише в 1897 році), причому величина електричного струму пропорційна інтенсивності опромінення.

Пізніше фотоефект вивчали багато дослідників. Докладний опис явища розпочав у 1902 році Філіпп Ленард. У1905 році він одержав Нобелівську премію за дослідження катодних променів. Він установив дивний факт: енергія електронів, які вилітають при фотоефекті, зовсім не залежить від інтенсивності випромінювання, однак значною мірою залежить від його частоти: зі зменшенням частоти (збільшенням довжини хвилі) енергія електронів зменшувалася, а якщо довжина хвилі перевищувала певне критичне значення — фотоефект узагалі припинявся. Це був той самий Ленард, який пізніше здобув славу Герострата, ставши офіційним главою фізики в гітлерівській Німеччині й очоливши боротьбу з теорією відносності.

Отримані результати, однак, ніяк не узгоджувалися із загальновизнаною хвильовою теорією світла. Метал, як відомо, містить електрони, на які повинна діяти сила з боку електричного поля хвилі. Якщо ця сила досить велика, вона з успіхом могла б виривати електрони з металу. Але із цього погляду випливає, що цей так званий фотоелектричний ефект не відбудеться без джерела сильного світла. Якби світло було дуже слабким, то й електричне поле, пов'язане з ним, було б теж слабким, і слабких електричних сил було б недостатньо, щоб перебороти сили притягання, які звичайно утримують електрони всередині металу. Ми могли 6 також припустити, що якщо збільшувати інтенсивність світла, то швидкість, з якою вилітають електрони, зросте, оскільки вони вириваються більшою силою. Нарешті, ця залежність могла 6 не бути простою, але в цілому ми могли б припустити, що світло більшої частоти повинно бути менш ефективним. Якщо сила змінює свій напрямок за надзвичайно короткий період, то перш ніж електрон вийде з металу, сила змінить свій напрямок і буде штовхати його назад.

Експеримент дав, однак, зовсім інші результати.

Цю суперечність і вирішив А. Ейнштейн. Тут виявилася чудова особливість Ейнштейна — він більше довіряв інтуїції і фактам, а не загальноприйнятій думці. У явищі фотоефекту він побачив не прикре виключення з правила, а сигнал природи про існування ще невідомих законів. Просто спочатку були вивчені хвильові властивості світла, а в явищі фотоефекту проявилися нові, раніше невідомі властивості.

Впровадивши уявлення про кванти світла, Ейнштейн застосовує його до явища фотоефекту. Він звернув увагу на те, що результати дослідження фотоефекту повністю збігаються з гіпотезою про світлові кванти. Якщо світло складається зі світлових квантів, що мають енергію (h — стала Планка), то, коли такий квант потрапляє на поверхню металу, він може бути поглинутим, тобто вибути зі світлового пучка, таким чином енергія кванта стає активною. Якщо ця кількість енергії h • потрапляє на електрон, електрон може завдяки цьому вивільнитися з металу (на це витрачається енергія А, яка дістала назву роботи виходу електрона), й набуде до того ж деяку швидкість, тобто електрон дістане кінетичну енергію:

Це твердження можна записати у вигляді простого рівняння:

Якщо прийняти шо гіпотезу, то явище фотоефекту відразу стане зрозумілим. Якщо частота світла (і відповідно енергія кванта) мала ( ), то електрони не можуть вибиватися з металу. Якщо ми перейдемо в зону великих частот (з червоної частини спектра у фіолетову чи ультрафіолетову), то енергія кванта зросте настільки, що її буде достатньо для вибивання електронів ( ). При цьому швидкість вибитих електронів буде залежати тільки від енергії кванта (частоти світла) і не залежатиме від їхньої кількості (інтенсивності світла).

Застосувавши свою теорію світлових квантів до явища фотоефекту, Ейнштейн не відразу знайшов прихильників. Навіть Планк, рекомендуючи запросити Ейнштейна на роботу в Берлін, просив "не занадто сильно докоряти" йому гіпотезою щодо явища фотоефекта. Навіть після експериментів Міллікена, метою яких була перевірка рівняння Ейнштейна, гіпотеза світлових квантів не викликала у фізиків довіри. У 1913 році Планк, Нернст, Рубенс і Варбург висунули Ейнштейна в члени Прусської академії наук. У заключній частині рекомендації вони писали: "У цілому можна сказати, що навряд чи існує яка-небудь з важливих проблем сучасної фізики, у вирішення якої Ейнштейн не зробив би вагомого внеску. Те, що він іноді не потрапляє в ціль, як, наприклад, у випадку з гіпотезою світлових квантів, не можна вважати негативним аргументом, оскільки неможливо висунути нову ідею, навіть у найбільш точній науці, без деякої частки ризику".

Негативне ставлення фізиків до гіпотези світлових квантів позначилося навіть на формулюванні Нобелівського комітету. Ейнштейн одержав Нобелівську премію 1921 року (її було вручено йому в 1922 році) "за внесок у теоретичну фізику й особливо за відкриття закону фотоефекту". Про відкриття квантів електромагнітгіого поля — ні слова!

Як пояснити таке вперте неприйняття цієї гіпотези? На це є дві причини. Перша — очевидна — неможливість на той час узгодити гіпотезу квантів з добре перевіреними властивостями світла — інтерференцією і дифракцією. Друга пов'язана з тим, що, на відміну від відкриттів Планка і Бора, ця гіпотеза не приводила до настільки докладних і точних передбачень.

Світлові кванти перестали бути гіпотетичними частинками тільки в 1923-1924 роках після досліджень, які виконав А. Комптон. Він вивчав проходження рентгенівських променів (тобто електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі порядку атомних розмірів або коротше) через речовину й проаналізував розсіяне випромінювання. Сам по собі процес розсіювання хвилі — саме те, чого і слід було очікувати відповідно до старих уявлень. Електромагнітна хвиля діє на електрони в атомах, змушуючи їх швидко коливатися; такі електричні заряди, які швидко осилюють, діють

як маленькі передавачі електромагнітних хвиль і тому спричинюють випромінювання у всіх напрямках. Однак ми повинні були 6 сподіватися, що частота розсіяного випромінювання буде такою ж, як і частота пучка, що потрапляє на поверхню. Однак Комптон зробив відкриття, що довжина хвилі розсіяного випромінювання більша, ніж того випромінювання, яке потрапляє на поверхню, і збільшення довжини хвилі залежить від кута, під яким спостерігається розсіяне випромінювання (розсіяні промені "червоніші" від первинних!).

Чудо це можна зрозуміти, якщо згадати гіпотезу Ейнштейна про кванти світла, яку він запропонував для пояснення явищ фотоефекту. "Фотон ударився об електрон" — така ідея теорії Комптона для пояснення результатів, які він спостерігав. Взявши за основу його твердження, замість рентгенівських променів з довжиною хвилі і частотою - потрібно уявити собі потік часток-квантів з енергією й імпульсом . Зіштовхуючись з електронами атомів мішені, вони пружно (як більярдні кулі) взаємодіють з ними, віддають їм частину своєї первинної енергії і розсіюються з меншою енергією ' і меншою частотою (тобто збільшується довжина хвилі). Результати виконаних нескладних обчислень добре узгоджуються з даними спостережень; ми переконуємося, що гіпотеза світлових квантів набуває тепер ще більш конкретної форми. Ми повинні уявляти їх як деякі частинки, що переносять не тільки енергію, але й імпульс, і здатні зіштовхуватися з електронами, подібно до того, як один електрон може зіштовхуватися з іншими електронами. Можна спостерігати не тільки розсіяне випромінювання, але також і електрони, які повинні викидатися при розсіюванні рентгенівських чи гамма-променів; такі електрони (їх називають електронами віддачі) були виявлені насправді. Вимірювання швидкостей цих електронів віддачі, що вилітають у даному напрямку, знову повністю підтверджують пророкування теорії.

Не слід вважати, що ефект Комптона — це щось штучне, придумане тільки для того, щоб зміцнити позиції теорії світлових квантів. Ми щомиті зіштовхуємося з результатом подібного, але зворотного ефекту — розсіювання швидких електронів на фотонах малої енергії (зворотний ефект Комптона). Електрони високих енергій, які генерують зірки в процесі термоядерних реакцій, що відбуваються в них, взаємодіють з фотонами міжзоряного простору і, втрачаючи енергію при пружних зіткненнях з фотонами, передають їм свою енергію. У результаті виникає могутнє космічне рентгенівське випромінювання, дії якого зазнає і Земля.

Підсумуємо деякі наші міркуванням про світлові кванти-фотони.

Усі факти, викладені в цьому розділі, є, здавалося б, переконливим доказом справедливості квантових (корпускулярних) уявлень про природу світла. Однак не слід забувати, що є не менш вагомі аргументи на користь того, що світло є хвильовим процесом (інтерференція, дифракція світла). Так що ж таке світло?

У. Брегг, один з тих, хто вперше здійснив дифракцію рентгенівських променів на кристалі, писав: "Невже ми повинні вважати, що світло складається з корпускул у понеділок, вівторок і середу, поки ми проводимо досліди з фотоефектом і ефектом Комптона, і уявляти собі його у вигляді хвиль у четвер, п'ятницю і суботу, коли ми працюємо з явищами дифракції й інтерференції?" Це питання можна перефразувати так: що таке світло — неперервні електромагнітні хвилі, які випромінює джерело, чи потік дискретних фотонів? Необхідність вдаватися в різних ситуаціях до різних, вза-ємовиключних понять видається штучною.

Такі подвійні властивості світла, однак, є тільки одним із проявів корпускулярно-хвильового дуалізму. Світло одночасно має властивості і хвилі, і частинки. Просто в різних експериментальних ситуаціях ми фіксуємо або хвильові, або корпускулярні властивості світла. У прояві тих чи інших властивостей є певна закономірність.

Щодо коротких хвиль (хвиль великих частот), то більш чітко виявляються його корпускулярні властивості: із цим пов'язане існування червоної межі фотоефекту й фотохімічних реакцій; хвильові властивості короткохвильового випромінювання виражені слабо — дифракцію рентгенівських променів удалася виявити тільки після того, коли як дифракційні ґрати було використано природний кристал. Для довгохвильового випромінювання квантові властивості виражені слабо, а основну роль відіграють його хвильові властивості. Саме в цій частині спектра спостерігаються явища інтерференції і дифракції.

Зараз ми не будемо детально обговорювати ситуацію, пов'язану з неоднозначністю властивостей світла — з його корпускулярно-хвильовим дуалізмом, і відкладемо обговорення цього питання в більш узагальненому вигляді.