Фотоэффект. Фотоны как частицы поля

Следующий шаг в развитии квантовой теории связан с объяснением особенностей фотоэффекта.

Между анодом и катодом прикладывается некоторое напряжение. В отсутствие света ток практически отсутствует, поскольку в вакууме нет свободных заряженных частиц, способных, передвигаясь между катодом и анодом, создавать электрический ток. Пучок света, попадая на катод, выбивает из него электроны, вследствие чего возникает ток.

Явление фотоэффекта заключается в том, что под действием света из металла вылетают свободные электроны.

Какие особенности фотоэффекта можно было бы ожидать на основе классических представлений о свойствах поля? Энергия света, падающего на катод, пропорциональна интенсивности электромагнитной волны. Энергия выбитых электронов пропорциональна числу электронов и энергии (кинетической) одного электрона, т. е. с увеличением интенсивности света должно увеличиваться число выбитых электронов и, следовательно, сила электрического тока, а также кинетическая энергия электронов. При заданной интенсивности эти величины не должны зависеть от частоты электромагнитной волны.

Результаты эксперимента оказались несколько иными. Сила тока действительно увеличивалась с увеличением интенсивности. Что касается кинетической энергии электронов, то она оказалась зависящей не от интенсивности света, а от его частоты. Эти величины оказались связанными линейной зависимостью, причем при понижении частоты света ниже некоторой критической (vкр) фотоэффект пропадал. Эта критическая частота была названа красной границей фотоэффекта (она действительно соответствовала красному свету).

Объяснить фотоэффект на основе классической теории взаимодействия света и вещества оказалось невозможно, но из зависимости явно прослеживалась линейная связь между энергией и частотой света (как и в формуле Планка). Явление фотоэффекта в 1905 г. обьяснил А. Эйнштейн, взяв за основу гипотезу Планка. Предположив, что один квант света приводит к вылету одного электрона, закон сохранения энергии можно записать в виде hv = Eкин + Aвых.

Эта формула соответствует линейной зависимости. Константа Aвых, которая была названа работой выхода, имеет смысл энергии, которую необходимо затратить для того, чтобы выбить электрон из металла. Естественным образом объяснялось существование красной границы фотоэффекта. Она соответствовала нулевой кинетической энергии выбитого электрона: hvкp = Aвых.

Эйнштейн пошел еще дальше в осмыслении понятия кванта: он ввел понятие о частице излучения (частице электромагнитного поля), которую назвал фотоном. Как и все другие частицы, фотон способен перемещаться в пространстве. Скорость перемещения фотона, естественно, совпадает со скоростью света. Энергия этой частицы определяется формулой Планка. Масса фотона в соответствии с теорией относительности Эйнштейна должна равняться нулю, а его импульс связан с частотой соотношением p = hv/c. Учитывая связь между длиной волны и частотой, выражение для импульса можно записать в виде p = h/λ.

Фотон является одновременно и электромагнитной волной и частицей электромагнитного поля. Как волна фотон характеризуется частотой v. Как частица фотон характеризуется тем, что имеет нулевую массу, всегда движется со скоростью света, имеет энергию, равную hv, и импульс, равный h/λ.

Современные представления о полях полностью подтверждают положения, выдвинутые Планком и Эйнштейном. При этом частицы, соответствующие полям, - кванты полей - имеются не только у электромагнитного поля, но и у других фундаментальных полей. Понятие «квант», таким образом, стало общим понятием для различных полей, а понятие «фотон» закрепилось за квантом электромагнитного поля.

В соответствии с современными представлениями любое реальное электромагнитное поле можно представить как совокупность фотонов. При этом классическое описание поля сохраняет свою силу только при большом количестве фотонов, участвующих в рассматриваемом процессе.

Читать далее