Атомы света (стр. 2 из 3)

Каким же образом появились, однако, атомы энергии, о которых нет речи в кинетической теории газов? Они возникают лишь при первой аналогии, вторая же аналогия объясняет их появление неправильной постановкой вопроса: энергия молекулы изменяется непрерывно, но если мы поинтересуемся энергией молекулы, обладающей данной скоростьюн,то она, очевидно, может быть только или

мн²,или мн²,или мн²и т.д. в зависимости от числа атомов в молекулах, но не может принимать промежуточных значений. Таким образом, хотя все скорости для данной молекулы равновозможны, но энергия молекулы данной скорости есть всегда целое кратное мн².Итак, те же логические затруднения существо-

вали бы и для кинетической теории газа, если бы в ней с самого начала не было бы введено понятие о неделимом атоме. И в учении об излучении удобнее поэтому говорить об атомах излучения h, а не об атомах лучистой энергии hv.

Планк называет величину hэлементом действия, так как она измеряется произведением энергии на время, как и в принципе наименьшего действия.

Две различные формулировки новой гипотезы

Относительно причины появления новой универсальной величины h– атома излучения в учении о свете существуют две различные точки зрения.

1. Одна переносит вопрос в незнакомый нам механизм лучеиспускания атома или вообще электромагнитного резонатора. Решая задачу о распределении энергии между резонаторами, Планк принял, что данный резонатор, обладающий заданным числом колебаний н, может получать только целые порции hvэнергии. В новейшее время Планк показал, что можно ограничиться даже допущением, что только лучеиспускание происходит порциями hv, тогда как поглощение идет непрерывно.

2. Вторая точка зрения идет еще дальше: она предполагает, что атомы излучения являются свойством лучистой энергии, объясняются структурой электромагнитного ноля. Ее придерживались Эйнштейн, давший ей энергетическое обоснование, и Дж. Дж. Томсон, исходивший из определенной модели электромагнитного поля.

Первая точка зрения имеет то удобство, что она не изменяет свойств электромагнитного поля, так хорошо выражаемого непрерывной теорией Максвелла. Она переносит загадку и без того в загадочную сферу внутриатомного поля. Притом дело уже не ограничивается испусканием лучистой энергии: величина hvопределяет и те количества, в которых может обмениваться молекулами и тепловая энергия. Молекула (резонатор), обладающая числом собственным колебаний н, может отдавать лишь целые порции hvэепергии. Несовершенство этой точки зрения заключается в том, что опа оставляет загадочною универсальность величины h. Казалось бы, что если все Дело в механизме атома, то различные механизмы, ветречающиеся в разных телах и свободных электронах в металле, должны бы дать численно различные величины h.

Вторая точка зрения, наоборот, естественно приводит к универсальности h, так как световой эфир во всех телах один и тот же, но ее последовательное проведение наталкивается на ряд противоречий в объяснении явлений интерференции и дифракции. О значении этих затруднений ничего пока сказать нельзя, так как более детальной картины лучистой энергии в атомном ее понимании не существует.

Не существует никаких определенных представлений об объеме, занимаемом одним атомом, и даже о том, нужно ли их считать независимо существующими в эфире, можно ли каждому атому излучения приписывать только одно определенное направление движения или же представлять себе их расходящимися но сферам. Предполагается лишь, что принятие атомной структуры излучения приведет к тем же формулам, что и теория Максвелла во всех тех явлениях, где мы имеем дело с очень большим числом атомов света, подобно тому, как теория упругости вполне уживается с атомным строением тел.

Проявление нового свойства при действии света на тела

Если основная гипотеза Планка справедлива, то это новое свойство должно проявиться, п притом гораздо в более резкой форме, не только в черном излучении, по и во всех других явлениях, в которых участвует лучистая энергия. При этом заметим, что результат останется в главных чертах тем же, станем ли мы на первую или на вторую точку зрения, так как влияние света сказывается только тогда, когда он поглощается телом (резонатором). Относящиеся сюда явления чрезвычайно разнообразны: фотоэлектричество и вторичные катодные лучи, вызываемые рентгеновскими лучами, фотохимия, ионизация газов, флюоресценция и фосфоресценция, свечение закатодных лучей.

В каком виде могут здесь проявиться уже изложенные нами свойства атомов излучения? Необходимо помнить, что во всех этих случаях происходит переход лучистой энергии в иную при помощи особого механизма данного явления. Если мы допустим, что каждая молекула тела достает всегда только целые атомы излучения, то от механизма явления будет еще зависеть, какая часть пойдет на данный эффект, например па кинетическую энергию электрода или па излучаемый свет флюоресценции. Нельзя поэтому ожидать количественного совпадения, если мы, устранив вопрос о механизме явления, отождествим действие молекулы с действием поглощенного ею света.

Зато можно ожидать следующего качественного согласия с теорией. Энергия электрона, испускаемого одной молекулой, не должна превышать энергии одного, двух-трех атомов излучения. С увеличением числа колебаний энергия должна возрастать приблизительно в том же соотношении hv.

Очевидно, с другой стороны, что каковы бы пи были законы этих явлений, как бы они хорошо ни совпадали с требованиями атомной теории, всегда их можно отнести за счет специального механизма данного явления; поэтому они могут только подтверждать, а не доказывать атомную теорию. Подтверждение это будет, однако, тем серьезнее, чем большая область фактов найдет в атомной теории свое простейшее истолкование, так как тогда больше оснований принять одну новую гипотезу, чем стоять перед целой серией эмпирических закономерностей и специальных правил с исключениями.

Фотоэлектричество. Явление это заключается в испускании телом электронов под влиянием поглощенного света. Можно считать окончательно установленным, что начальная скорость электронов, вызванная светом определенного числа колебаний, абсолютно не зависит от силы света, но зато в общем возрастает с числом колебаний света (возможно, хотя и не установлено, существование частичных максимумов). Величина скорости такова, что начальная энергия фотоэлектрона несколько меньше энергии одного атома излучения:

Все эти законы непосредственно вытекают из представления о том, что каждый электрон получил свою энергию от одного атома излучения.

Часть кинетической энергии электрон должен потерять при прохождении сквозь поверхностный слой металла благодаря контактной разности потенциалов. Поэтому если энергия одного атома hvменьше, чем работа

при прохождении контактного слоя, то испускания электронов не будет. И, действительно, чем электроположительнее металл, тем меньше та предельная частота н, при которой свет уже вызывает фотоэлектрический эффект.

Те же законы можно объяснить и особым свойством внутриатомных сил. Электрон, резонирующий на данное н, отрывается или с той скоростью, какую он имел внутри атома, или же тогда, когда достигнутая им под влиянием света скорость превзойдет определенную величину. Однако те внутриатомные скорости, которые проявляются в радиоактивных процессах, измеряются десятками тысяч вольт, тогда как фотоэлектроны дают 1–4 В.*

Весьма важно также, что и те электроны, которые вызываются рентгеновскими лучами, подчиняются тем же основным законам. И здесь чем меньше период (продолжительность) рентгеновского импульса, тем больше скорости вызванных им электронов, тогда как от интенсивности лучей скорость не зависит. Величина скорости также находится в хорошем согласии с требованиями атомной теории.

На вторичных лучах особенно резко видно одно свойство данного явления, которое, впрочем, одинаково относится и к фотоэлектричеству, – свойство, трудно поддающееся объяснению без атомизации света. Неоднократно наблюдалось, что скорость вторичных электронов почти равна скорости тех первичных электронов, которые вызвали рентгеновский импульс. Трудно допустить, что выдергивание электрона вызывается большим числом последовательных импульсов, так как фазы их совершенно случайны. С другой стороны, импульс, распространяясь по шаровым поверхностям все большего радиуса, может передать в месте встречи с резонатором лишь малую часть всей своей энергии. Остается еще одно маловероятное допущение, что энергия вторичных лучей получена за счет внутриатомных радиоактивных процессов, а не рентгеновского импульса. Атомная теория, наоборот, предполагает, что порция энергии, излученная одним электроном, достигает другого электрона и поглощается им целиком. С другой стороны, однако, Зоммерфельд показал, что последовательное развитие электромагнитной теории приводит в случае рентгеновского импульса к чрезвычайно неравномерному распределению энергии: почти вся она сконцентрирована в узком конусе. Зоммерфельд смог даже показать, что при некоторых предположениях энергия импульса пропорциональна его продолжительности ф (которая играет роль н) и коэффициент пропорциональности близок к универсальной постоянной h.