О чем рассказывает свет

А. Г. Столетов осветил пластинку АА светом от вольтовой дуги (она же дуга Петрова). На рис. 33 схематически показано, как этот свет, пройдя через световой фильтр Ф (пропускающий лучи нужных нам длин волн), а затем сквозь сетку ВВ, падает на пластинку АА. При освещении пластинки АА светом через гальванометр проходит ток.

Из этого опыта Столетов заключил, что свет вырывает из металлической пластинки отрицательные электрические заряды. Эти заряды движутся к положительно заряженной сетке, и таким образом электрическая цепь замыкается, по ней идет ток.

Рис. 33. Опыты Столетова. Пластинка АА освещается светом от вольтовой дуги Д. С пластинки срываются отрицательные заряды, ток в цепи идет

Столетов освещал пластинку светом различного, цвета (различной частоты) и исследовал, как изменяется при этом сила тока в цепи. Обнаруженные Столетовым закономерности стали исходным пунктом развития новых представлений о свете.

Явления, которые наблюдал и описал А. Г. Столетов, ныне получили название фотоэлектрического эффекта или просто фотоэффекта (световое действие). Когда позднее (в 1895 г.) были открыты электроны, было установлено, что электрические заряды, вырываемые светом из пластинки, — это электроны. Электроны — это мельчайшие частицы вещества, обладающие наименьшим отрицательным электрическим зарядом. Фотоэффект состоит, следовательно, в том, что свет вырывает из металлической пластинки электроны. Физики научились измерять энергию (скорость) вырванных электронов.

Необычные закономерности фотоэффекта

Необычайность фотоэффекта заключается не в самом факте вырывания электронов светом, а в той закономерности, которая связывает энергию света и энергию вырванных электронов.

Сначала физикам казалось, что энергия фотоэлектронов должна зависеть от энергии падающих световых волн, а стало быть, от яркости света. Это вытекало из волновых представлений о природе света. Ведь казалось, что яркость света должна определяться амплитудой колебаний, а энергия в любой волне пропорциональна квадрату амплитуды.

Каково же было удивление ученых, когда они обнаружили, что от яркости падающего света зависит только общее количество вырванных им электронов, а вовсе не энергия каждого отдельного электрона. Энергия отдельного фотоэлектрона зависит от цветности, точнее говоря, от частоты падающего света: чем больше частота падающего света, тем больше энергия фотоэлектрона.

Эту закономерность никак нельзя объяснить с помощью волновых представлений о свете.

Свет как поток фотонов

Более пятнадцати лет прошло после первых опытов Столетова, прежде чем ученые нашли разгадку странных законов, связывающих энергию фотоэлектронов с частотой вызывающего их света.

За это время произошло еще одно важное событие. В 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858—1947) исследовал условие, при котором устанавливается равновесие в спектре излучения «абсолютно черного тела». Он пришел к выводу, что этим условием является такое распределение энергии по спектру, при котором она пропорциональна частоте. Получается так, как будто энергия света может перемещаться только определенными порциями (квантами), каждая из которых пропорциональна частоте света.

Другой немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) пошел дальше: он сделал вывод о том, что световой поток состоит из потока частиц с энергией, пропорциональной частоте; эти частицы получили наименование фотонов. Чем больше частота света, тем больше энергия фотона. Следовательно, энергия фотона фиолетового света почти в два раза больше энергии фотона красного света. Эйнштейн показал, что, только приняв представление о фотонной структуре света, можно объяснить странную закономерность фотоэффекта, открытого еще Столетовым.

При этом предположении механизм фотоэффекта представляется так. В металлах имеется много «свободных» (т. е. не связанных с определенными атомами металла) электронов. Когда фотон падающего света ударяется в один из них, он передает электрону всю свою энергию. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может вылететь из пластинки. Ясно, что энергия вырванного электрона прямо зависит от энергии выбившего его фотона, т. е. от частоты падающего на пластинку света.

Таким образом, фотоэффект явился одним из первых явлений, указывающих на корпускулярное строение света.

Дальнейшее развитие физики подтвердило справедливость предположения, что свет излучается и поглощается в виде фотонов и что их энергия тем больше, чем больше частота света.

Что такое свет —волны или частицы?

Но что же в таком случае представляет собой свет — волны или частицы?