Концепции современного естествознания (стр. 7 из 18)
Теория фотоэффекта
В том же номере журнала, в котором была опубликована первая статья по теории относительности, была ещё одна работа Эйнштейна, анализирующая структуру света.Весомая материя состоит из недробимых атомов, а электромагнитное поле представляется как нечто однородное и неделимое. Однако излучение, согласно Планку, не непрерывно, а дискретно, и есть некоторые данные, наталкивающие на мысль, что и поглощение дискретно. Нельзя ли предположить, что электромагнитное поле дискретно всегда, состоит из частичек – квантов, атомов поля?Эйнштейн применяет термодинамические уравнения к лоренцовым осцилляторам для случая малых температур и энергий (здесь зернистость излучения должна выступать отчётливей) и получает формулы, очень сходные с формулами, описывающими поведение молекул газа.Явление, наталкивающие на мысль о дискретности поглощения – это фотоэффект. Феномен фотоэффекта был открыт Герцем в 1878 г. и десятилетием позже детально изучен Столетовым. Говоря языком более поздней физики, при облучении металла ультрафиолетом его поверхность начинала испускать электроны. Если длина волны излучения была больше пороговой, фотоэффект отсутствовал. С уменьшением длины волны и соответственно, частоты света, он рос. Кинетическая энергия вылетающих электронов линейно зависела частоты света, но на неё совершенно не влияла интенсивность облучения. Это было странно. Энергия колебательных движений определяется не только частотой, но и амплитудой. Разумно предположить, что осциллирующий электрон, как гимнаст на батуте, поймав резонирующую частоту, будет подпрыгивать всё выше и выше, увеличивая амплитуду – пока не выпрыгнет вон из металла. Чтобы проделать этот фокус, достаточно дать интенсивное излучение, а частота совершенно не важна.В этой статье Эйнштейн даёт и объяснение фотоэффекта. Кванты Планка – реально существующие частицы, которые, попав в электрон, выбивают его из металла. Осциллирующий электрон - что-то вроде шарика на пружинке. Для того, чтобы порвать пружинку, необходимо затратить работу. Если энергия кванта света равна или превышает численное значение этой работы, то квант света выбьет электрон, причём, чем больше энергия фотона превышает пороговую работу ("разрыв пружинки"), тем быстрее будет двигаться выбитый электрон. Ну а энергия кванта прямо зависит от частоты. Скорость выбитого электрона тоже должна быть прямо пропорциональна частоте.Замечательный экспериментатор Роберт Милликен продемонстрировал линейную зависимость скорости от частоты – но только в 1915 г.Итак, планковская “порция” энергии оказывается материальным тельцем, энергия становится веществом – это раз. Свет превращается в поток частиц – квантов –это два. И, наконец, когда мы решаем задачи со сталкивающимися шариками, должны учитывать закон сохранения импульса. Импульс = масса 
скорость. Массы у света нет – откуда взяться импульсу? Эйнштейн рассматривает энергию кванта (она-то есть) как эквивалент релятивистскому дефекту масс E = mс2, где с – скорость света. Тогда если энергию разделить на скорость света, получим нечто размерности импульса.Здесь всё вопиёт к отмщению. Энергия, работа – это сила, умноженная на путь, нет в ней ничего материального, сила и путь – это не то, что можно трогать. Планк определил какие-то ограничители для колеблющихся электронов. Природа их непонятна, но предположить, что эти ограничители способны летать в пространстве – абсурд! Свет - волновой процесс, а не поток частиц, и тому есть миллионы доказательств. А уж если квант света - частица, то почему её энергия определяется через длину волны или частоту колебаний? И, наконец, это математическое шулерство с импульсом! Публикации Эйнштейна по фотоэффекту вызывали у многих физиков не только неприятие, но и открытое возмущение.Эйнштейн посвятил квантованию света серию статей, в которых, в частности, пытался отыскать связь между волновой и корпускулярной природой света. Он чувствовал физическую несостоятельность концепции света как “волн эфира без эфира“. Лоренц в 1909 г., сравнивая оба подхода, находил зияющие бреши и там и тут. Он показал, что объяснить фотоэффект волновая теория не способна – электрон слишком мал, чтобы та часть света, которая падает именно на него, способна была произвести какую-либо работу. Накапливались факты, подтверждающие корпускулярную теорию света и квантовую природу распределения энергии в веществе – в области люменисценции, фотоионизации, физике низких температур (нарушение закона Дюлонга-Пти).
Квантовая модель атома Бора. Спектроскопия
Согласно формулам излучения абсолютно чёрного тела, нагретое вещество должно излучать электромагнитные волны в непрерывном диапазоне частот. Однако реальные а не идеальные тела могут нарушать эту закономерность. Если разложить излучение химически чистых элементов с помощью призмы в спектр, окажется, что излучение представлено не широкими полосами, а отдельными узкими линиями. Это и есть спектр излучения. Существует и спектр поглощения – если пропускать свет через пары или прозрачный раствор того же вещества, то в нём исчезнут частоты, в точности соответствующие линиям спектра поглощения. В начале ХХ в. это явление было хорошо известно.Каждый элемент имеет свой собственный набор спектральных линий. Иногда даже там, где качественный химический анализ не может выявить наличие определённого элемента, в спектре смеси удаётся выявить характерные линии и доказать присутствие искомого элемента.Квантовая модель атома Нильс Бор в 1911 г написал прекрасную дипломную работу и получил возможность целый год стажироваться в любом университете Европы за казённый счёт. Он поехал было в Кембридж к Томсону, но здесь его работа не заладилась, и он оказался в Манчестере, у Резерфорда, вокруг которого уже тогда складывался прекрасный коллектив молодых энтузиастов. Бор вернулся в Данию горячим сторонником планетарной модели атома, и, беседуя с аспирантом-спектроскопистом, неожиданно нашёл решение противоречий атома “по Резерфорду” и планковских квантов. Рассмотрим простейший атом водорода. Электрон, вращаясь вокруг ядра, должен непрерывно излучать электромагнитные волны (это тот же осциллятор), и, теряя скорость, упасть на ядро. Но если Планк прав, то электрон не может излучать непрерывно, энергия испускается только “порционно”. Энергия электрона – это кинетическая энергия вращающегося шарика E = ½mV2, где m – масса электрона, V – его скорость. Если она меняется “порциями”, значит, так же, “порциями” должна меняться и скорость. Центробежная сила, возникающая при вращении, равна электрическому притяжению ядра (масса и заряд электрона были определены в 1911 г. Р. Милликеном). Эта центробежная сила зависит от скорости и радиуса. Поскольку радиус вращения электрона через силу связан со скоростью, при изменении скорости “порционно” так же, квантовано, должен меняться и радиус его орбиты. Итак, электрон может излучать или поглощать энергию, только перескакивая с орбиты на орбиту. Находясь на некоторой постоянной орбите, никуда не перескакивая, он не излучает. Есть некоторая орбита минимального радиуса, ниже которой перескочить невозможно. Попав на неё, электрон может поглотить квант света строго определённой частоты и перепрыгнуть на вторую, третью, n-ю орбиты, где в свою очередь, поглотить или испустить квант света. Теперь понятно, почему спектр чистого элемента линейчатый. Если в атоме водорода электрон перескакивает с первой орбиты на вторую, третью и т.д., значит он захватывает кванты света с частотами ν1, ν2, …νi, а остальной свет пропускает. Вот и получается спектр поглощения для линии Бальмера. Поскольку каждый элемент имеет свой собственный заряд ядра (это установил в 1913 г. ученик Резерфорда Г. Мозли, Бор был в курсе его работ), который определяет свою центробежную силу и свои радиусы орбит, постольку каждый элемент имеет свои собственные спектры излучения и поглощения.Все процессы поглощения и испускания квантов света в атоме водорода можно определить, зная число n - номер орбиты, который меняется от 1 до бесконечности. Однако чем дальше от ядра, тем ближе друг к другу радиусы соседних орбит и при больших значениях n спектр становится не линейчатым, а практически непрерывным. Оторванные от ядер электроны “электронного газа” в металлах тоже могут давать непрерывный спектр. И, наконец, на этой дальней периферии атома частоты излучения совпадают с частотой вращения электрона и на этом уровне реализуется “электронный осциллятор”. Тут опять мы сталкиваемся с принципом соответствия – классическая электронная теория (за которую в 1902 г. Х. Лоренц получил Нобелевскую премию) оказывается частным случаем квантовой теории атома. Бор рассчитал минимальный радиус атома водорода для n = 1 (теперь он называется “радиус Бора”) – оно совпало с экспериментальными данными, вывел из квантовой теории атома формулу Бальмера и выразил через комбинацию физических постоянных число Ридберга, значение которого до этого было получено только опытным путём. О случайных совпадениях здесь говорить не приходится – Бор прав. Итак, два физических ублюдка – квантовая гипотеза Эйнштейна и планетарная модель атома – объединённые Бором, превратились в фундаментальную теорию. Правда, боровская теория хорошо объясняла только атом водорода и однократно ионизированный атом гелия, да авось утрясётся…
Дуализм волна-частица и его доказательства
В классической физике все процессы дробимы и непрерывны – кроме колебательных. Натянем между двумя точками струну и приведём её в движение. Разнообразие простых колебаний, которые можно получить таким образом, бесконечно большое, но ограниченное условием - половина длины волны должна укладываться на расстоянии между точками прикрепления один, или два, или три - n раз, где n – целое число от 1 до бесконечности. Не волновые ли процессы лежат в основе постулатов Бора?В 1923 - 1925 гг. Луи де Бройль высказал идею, что не только квант света, - все элементарные частицы являются одновременно и частицами и волнами, причём длина волны очень просто зависит от импульса частицы: λ = h/p, где h – постоянная Планка, р – импульс.В том, что электромагнитный квант – частица, физиков убедил эффект Комптона, открытый в 1923 г. Квант рентгеновского излучения, попадая в электрон, теряет часть своей энергии и переизлучается с меньшей частотой. Энергия тратится на то, чтобы электрон разогнать. Весь процесс можно описать как столкновение упругих шариков на основании закона сохранения импульса.Элементарных частиц тогда было всего-то три – квант света, фотон (он получил это название в 1921 г.), электрон и протон – Резерфорд “окрестил” его в 1920 г.В таком случае, длина волны электрона в атоме, полученная из его импульса, действительно оказывалась близкой к окружности атома. Правда, перед нами объяснение неизвестного через непонятное, и первый вопрос, который тут же возникает: частица – это колебание чего? Но здесь можно спрятаться в “убежище невежества”. Главное другое – как одна и та же вещь может быть и волной, и частицей? Противоречивость этих двух понятий слишком очевидна, чтобы её разъяснять. С другой стороны, если фотон – частица, то почему его энергия определяется через частоту колебаний? А если электромагнитная волна, то почему вышибает электрон из атома?Де Бройль знал о существовании математического аппарата, который в классической физике позволяет описать движение ансамбля материальных точек волновыми функциями (преобразования Гамильтона и Лагранжа). Правда, использовать его никто не пытался – не было в этом никакого физического смысла, но в принципе это возможно. И если электроны в атоме представить так, то квантовое число n может быть просто числом стоячих волн в атоме – и тогда загадка квантовых скачков решена! Де Бройль показал, что электрон может быть представлен стоячей волной.Это “может быть” означает не только то, что данное положение не доказано экспериментально, но и то, что из такого допущения нет никаких проверяемых теоретических следствий.Де Бройль предположил, что частица – это суперпозиция (наложение) многих мелких волн, которые дают единственную пучность. Теорема о разложении в ряды и интегралы Фурье утверждает, что любая достаточно гладкая функция может быть представлена как суперпозиция (сумма или интеграл) гармонических функций с различными частотами. Правда между математикой и физикой есть та существенная разница, что физика не произвольна в выборе функций. “Волновой пакет”, который удовлетворял бы условиям движущегося электрона, ни де Бройлю, ни кому другому получить не удалось.Итак, в 1923-24 гг. де Бройль удивляет физиков математическими фокусами. Однако волновые свойства электрона чуть позже были доказаны экспериментально – в 1927 г. американцы К. Дэвиссон и Л. Джермер и независимо от них англичанин Джордж Томсон (Джи-Пи Томсон, сын Джи-Джи Томсона) открыли дифракцию электрона. Длина волны электрона в точности соответствовала формуле де Бройля.Сложившаяся ситуация получила название “корпускулярно-волновой дуализм”. Слово “дуализм следует переводить как “двойственность”.