Рассказ о строении вещества - [38]

Описанный пример лишь один из многих случаев непрямолинейного распространения света.

Все такие явления, при которых наблюдается отклонение от прямолинейного распространения света, и называют явлениями дифракции света.

Явление дифракции легко наблюдается у водяных волн. Заметить его совсем нетрудно.

Вот, скажем, бегущие по воде волны встречают на своём пути какое-либо большое препятствие, например скалу. Волны в этом случае разбиваются о камень, и позади него создаётся «тень» — спокойная поверхность (рис. 21).

Рис. 21. Дифракция водяных волн.

Но иное дело, если на пути водяных волн встречается небольшое по размерам препятствие, например колышек или шест. Здесь волны обогнут препятствие и пойдут дальше. Это и есть дифракция водяных волн. Учёные доказали, что это загибание волн в область «тени» является характерным их свойством.

И вот то, что свет способен дифрагировать подобно волнам на воде и убедило окончательно физиков в том, что по своей природе свет — это также волны. Дальнейшие исследования показали, что они могут быть только волнами электромагнитными.

Такое объяснение природы света во второй половине прошлого века было общепризнанным.

Но вот неожиданно в конце XIX столетия учёные столкнулись с новыми явлениями, необъяснимыми с течки зрения волновой природы света.

Вспомните опыты А. Г. Столетова. Свет, падая на различные тела, «выбивает» с их поверхности электроны, рождает электрический ток. Столетов установил, что фотоэффект зависит от длины световой волны. Например, из одного и того же тела световые волны с длиной 1–2 стотысячных доли сантиметра «выбивали» поток электронов, а волны с длиной 5–6 стотысячных долей сантиметра не могли «выбить» ни одного электрона.

Объяснить эту закономерность фотоэффекта очень трудно, если считать, что свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. В самом деле, если свет — это поток электромагнитных волн, то очевидно, что падающие на тело волны должны сообщать каждому электрону энергию, раскачивать их, и тем самым давать им возможность вылететь из вещества в окружающее пространство. Но почему же тогда фотоэффект зависит от длины волны световых лучей? Ведь любая световая волна при достаточно длительном облучении должна бы вырывать электроны!

Еще более загадочные явления встретились и совершенно необъяснимые противоречия возникли перед физиками, когда они стали определять скорости вырванных электронов, то-есть тот запас энергии, который приобретает под действием света каждый электрон в отдельности. Здесь был установлен поразительный факт, что хотя число вырываемых электронов зависит от силы света, но энергия каждого отдельного вырываемого электрона от силы света не зависит. Будем ли мы освещать тело светом очень сильным или ничтожно слабым, вылетающие из тела электроны будут иметь одну и ту же скорость, а значит, одну и ту же энергию.

Как понять этот факт, если мы считаем свет волной? Ведь с точки зрения волновой теории увеличение силы света означает, что энергия, которую приносит в данном месте водна, то-есть размах колебаний световой волны, стала больше. Почему же в таком случае электрон, вырываемый в этом месте волной, всегда имеет одну и ту же энергию, независимо от силы света?

Что же получается? Получается, что, с одной стороны, свет — это электромагнитные волны, но, с другой, — закономерности фотоэффекта, установленные чисто опытным путём, утверждают, что свет — это что-то иное, более сложное.

Уже в начале XX века из этих противоречий физики сделали замечательный вывод. Свет — это не просто электромагнитные волны; испускание и поглощение их происходит не непрерывно, как думали физики прошлого века, а отдельными порциями — квантами. Иными словами, свет — это не только поток электромагнитных волн, но в то же время это и поток частиц-фотонов, несущих с собой световую энергию в виде отдельных порций — квантов.

Была установлена и зависимость между квантами и длиной волны. Оказалось, что величина энергии каждого кванта не одинакова — чем длиннее волна, тем меньше энергия присущего ей кванта. Таким образом, например, квант красного излучения, с длиной волны в 7 стотысячных долей сантиметра, несёт с собой меньшую энергию, чем, скажем, квант синего света, длина волны которого около 4 стотысячных долей сантиметра.

И вот, с этой новой, квантовой, точки зрения стало возможным объяснить и явление фотоэффекта. Все особенности этого явления оказались легко объяснимыми. Так, если энергия кванта достаточно велика, чтобы вырвать из тела электрон, то ясно, что чем больше квантов, то-есть чем больше света будет падать на тело, тем больше будет вырвано электронов.

Понятна также зависимость фотоэлектрического эффекта от длины волны. Чем меньше длина волны, тем больше энергия квантов и, следовательно, тем вероятнее, что эти кванты вырвут электроны. Если же энергии каждого отдельного кванта недостаточно для того, чтобы совершить работу, необходимую для вырывания электрона из тела, то фотоэффекта вообще не будет, сколько бы света ни падало на тело. Вот почему и не наблюдается фотоэлектрического эффекта даже при освещении сильным светом, если только длина волны этого света настолько велика, что соответствующая порция энергии (квант) меньше «работы выхода» электрона, то-есть той энергии, которая необходима для вырывания электрона с поверхности тела.