Описанные взгляды Ньютона очень точно характеризуют представления физической картины мира того времени.

Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распре­деления энергии в спектрах теплово­го излучения (электромагнитного из­лучения нагретого тела) оказались несостоятельными. Многократно про­веренные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно “забасто­вали”, когда их попытались приме­нить к проблеме излучения ве­ществом коротких электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы превосходно опи­сывают излучение радиоволн антен­ной и что в свое время само сущест­вование электромагнитных волн бы­ло предсказано на основе этих за­конов.

Возникновение квантовой теории

Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному вы­воду, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромаг­нитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Согласно класси­ческой теории тепловое равновесие между веществом и излучением не­возможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничего подоб­ного в действительности нет. Нагре­тое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнит­ных волн.

В поисках выхода из этого про­тиворечия между теорией и опытом

немецкий физик Макс Планк к пред­положил, что атомы испускают элек­тромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорцио­нальна частоте v излучения:

E=hv.

Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной План­ка.

Предположение Планка фактиче­ски означало, что законы класси­ческой физики неприменимы к явле­ниям микромира.

Построенная Планком теория теплового излучения превосходно согласовалась с экспериментом. По известному из опыта распределению энергии по частотам было определено значение постоянной Планка. Оно оказалось очень малым: =6,63.10-34 Дж.с.

После открытия Планка начала развиваться новая, самая современ­ная и глубокая физическая теория — квантовая теория. Развитие ее не за­вершено и по сей день.

Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась

теория теплового излучения. Но этот успех был получен ценой отказа от законов классической физики приме­нительно к микроскопическим системам и излучению.

СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ

Квантовым законам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света.

В развитии представлений о при­роде света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тща­тельно исследованного выдающимся русским физиком Александром Гри­горьевичем Столетовым. Явле­ние это получило название фотоэф­фекта.

Фотоэффектом называют вырыва­ние электронов из вещества под дей­ствием света.

Свет вырывает элек­троны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электро­ны отталкиваются от нее и электро­метр разряжается. При положитель­ном же заряде пластины вырван­ные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не из­меняется.

Однако, когда на пути света по­ставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе несложный факт нельзя объяс­нить на основе волновой теории све­та. Непонятно, почему световые вол­ны малой частоты не могут вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, ве­лика сила, действующая на элект­роны.

При изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется. Это означает, что не меняется кинети­ческая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со сто­роны электромагнитного поля свето­вой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам.

На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Максимальная кине­тическая энергия фотоэлектронов ли­нейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше опре­деленной для данного вещества ми­нимальной частоты Vmin, то фото­эффект не происходит.

Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов от частоты вы­глядит загадочно.

Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, соглас­но которым свет—это электромаг­нитная волна, непрерывно распреде­ленная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было по­нять, почему энергия фотоэлектро­нов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает элект­роны.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, раз­вившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В эксперименталь­ных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельны­ми порциями.

Энергия Е каждой порции излу­чения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональ­на частоте:

E=hv, где h — постоянная Планка.

Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура са­мого света. Ведь и минеральную воду продают в бутылках, но от­сюда совсем не следует, что вода имеет прерывистую структуру и со­стоит из неделимых частей. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру:

излученная порция световой энер­гии E=hv сохраняет свою инди­видуальность и в дальнейшем. По­глотиться может только вся порция целиком.

Кинетическую энергию фотоэлек­трона можно найти, применив закон сохранения энергии. Это уравнение объясняет основ­ные факты, касающиеся фотоэффек­та. Интенсивность света, по Эйн­штейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в свето­вом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из ме­талла. Скорость же электронов со­гласно определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состоя­ния его поверхности. От интенсив­ности света она не зависит.

Для каждого вещества фото­эффект наблюдается лишь в том слу­чае, если частота v света больше минимального значения. Ведь чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетиче­ской энергии, нужно совершить рабо­ту выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы.

Предельную частоту, называ­ют красной границей фотоэффекта.

Для цинка красной границе соот­ветствует длина волны м (ультрафиолетовое излу­чение). Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи.