Владимир Самуилович Кессельман - Физика в инфографике. От гномона до кванта

году химиком Гилбертом Ньютоном
Льюисом, опубликовавшим теорию, в которой фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми». Хотя теория Льюиса никогда не использовалась, так как находилась в противоречии с экспериментами, термин «фотон» начал использоваться большинством физиков (постулированный Эйнштейном фотон был открыт в 1922 году А. Комптоном).

200

Зависимость запирающего потенциала

от частоты

падающего света

ляет несколько элетрон-вольт. Если частота падающего света недостаточна для выбивания
электрона с поверхности металла, то фототок равен нулю. Эффект фотоэлектронной
эмиссии наблюдается, когда энергия падающих квантов электромагнитного излучения
из материала катода. Пороговая энергия фотоэбольше работы выхода электронов
где
— пороговая частота
лектронной эмиссии определяется из выражения
фотоэлектронной эмиссии (известная, как красная граница фотоэффекта).
Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты
и независимость ее от интенсивности света, существование красной границы (действительно, пока энегия
квантов мала (красный свет), они не могут выбить элек), безынерционность фотоэффектрон из атома
та. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с
поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность.
Если теперь на анод подать некоторое отрицательное напряжение, то вовсе не у всех электронов хватит
энергии, чтоб преодолеть отталкивание от анода.
И вполне очевидно, что чем больше это напряжение,
тем труднее будет электронам его преодолеть. При небудет
которой величине этого напряжения (когда
в точности равно кинетической энергии электронов )
фототок полность. прекратится. Это напряжение называется запирающем ( ). Оно зависит от длины волны
света (см.рисунок). Тщательные измерения показали,
что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты света.

Артур Холли Комптон (1892–1962)

физикА в инфогрАфике. от гномонА до квАнтА

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей завиот частосимость запирающего потенциала
ты , равен отношению постоянной Планка
к заряду электрона :

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.)
и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком.
Важную роль в подтверждении теории квантов сыграл эффект Комптона, названный
в честь его открывателя А. Г. Комптона (1892–
1962). Комптон начал свои опыты в 1922 году.
А годом позднее он и нидерландско-американПетер Джозеф Уильям Дебай
ский физик Петер Джозеф Уильям Дебай (1884–
(1884–1966)
1966) дали теоретическую интерпретацию результатам опытов.
Комптон изучал рассеяние рентгеновского излучения различными веществами и обнаружил, что частота рассеянного света меньше частоты падающего света.
Объяснить эффект Комптона в рамках классической электродинамики невозможно.
С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным
объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину вол-

Иллюстрация эффекта Комптона

201

204

ны не должна. Иное дело, если фотоны действительно можно уподобить частицам, то
они, кpоме энеpгии, должны иметь и импульс. Более того, импульс фотонов, если он
у них существует, должен быть связан с энеpгией той же фоpмулой, котоpая имеет место в механике. Так ли это и можно ли фотону приписать импульс, и было экспериментально решено Комптоном. Комптон исследовал пpоцесс столкновения фотонов
с электpонами. Если фотон имеет импульс, то пpи столкновении с электpоном суммаpный
импульс должен сохpаняться, что в опыте так или иначе должно пpоявляться. Все как

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СНАЧАЛА ВЕДЕТ СЕБЯ
КАК ВОЛНА, ЗАТЕМ ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ
С ЭЛЕКТРОНОМ КАК ЧАСТИЦА (ФОТОН) И ПОСЛЕ
СТОЛКНОВЕНИЯ ВНОВЬ ПОДОБНО
ВОЛНЕ.

физикА в инфогрАфике. от гномонА до квАнтА

при столкновении бильярдных шаров (см. ранее). Эффект становится объяснимым, если
полагать, что электромагнитное излучение представляет собой поток фотонов, каждый
и импульсом. Т. е. фотон ведет себя, грубо говоря, как
из которых обладает энергией
движущийся шарик. В легких веществах, с которыми проводил опыты А. Комптон, энергия --">