Объяснив фотоэлектрический эффект, при котором электрон выбивается с поверхности металла под действием света или другого электромагнитного излучения, Альберт Эйнштейн в свое время сделал очень важный шаг, окончательно убедивший многих физиков в том, что гипотетические кванты Макса Планка, т. е. дискретные порции энергии, — физическая реальность. Фотоэлектрическому эффекту аналогичен процесс испарения атомов и молекул с поверхности жидкости. Однако при нормальных условиях с поверхности испаряющейся жидкости вылетает так много атомов (или молекул), что предполагаемая квантованность тепловой энергии, вызывающей испарение, полностью сглаживается. Но недавно три физика экспериментатора М. Бэйрд, Ф. Хоуп и А. Уайетт из Эксетерского университета создали чувствительную измерительную установку, которая позволила наблюдать квантовое испарение в экстремальных физических условиях.
При квантовом испарении одиночные атомы выбиваются с поверхности жидкости одиночными квантами теплового возбуждения жидкости. Эта работа опубликована в журнале "Nature". Как указывают авторы, обычное испарение остается слишком сложным процессом, для которого еще нет адекватной теории, исходящей непосредственно из первых принципов квантовой механики. Трудность в том, чтобы объяснить, как атомы получают энергию, необходимую для преодоления сил связи с поверхностью. Дело в том, что эта энергия часто намного превышает среднюю кинетическую энергию атома, находящегося в тепловом равновесии с остальными атомами жидкости. Поэтому, чтобы продемонстрировать квантовое испарение, потребовалось исключить сложные взаимодействия, которые приводят к обычному испарению.
Нужно было создать условия, при которых механизм испарения был бы как можно ближе к механизму, предложенному Эйнштейном для объяснения фото эмиссии электронов. Квантовый характер фотоэлектрического эффекта проявляется в наличии частотного порога для эмиссии электронов. Кроме того, выше пороговой частоты кинетическая энергия эмитируемых фотоэлектронов изменяется линейно с частотой падающего излучения. Изменения же интенсивности (т. е. амплитуды) падающего излучения на кинетической энергии не сказываются, поскольку электрон может получать только дискретную порцию энергии, переносимую одиночным фотоном (квантом излучения). Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте, так что выбивать электроны из металла могут лишь фотоны с достаточно высокой частотой. Кинетическая энергия эмитированного электрона равна разности между энергией, переданной ему фотоном, и энергией связи, которую он должен отдать, чтобы покинуть металл.
В случае теплового возбуждения квантов механическим аналогом фотона является фонон. Уже в 1912 г. Петер Дебай и почти одновременно с ним Макс Борн и Теодор фон Карман начали рассматривать перенос тепловой энергии в жидкости и твердом теле фононами — сверхвысокочастотными волнами давления. Хотя с точки зрения классической физики фононы — это искажения атомной среды, согласно квантовой механике, фонон можно считать также частицей, которая распространяется в среде с определенной длиной волны и несет дискретное количество энергии. Самая трудная задача в данной работе заключается в том, чтобы показать, что испарение одного атома можно вызвать действием одиночного падающего фонона, а не более сложным взаимодействием.
Во многих жидкостях средняя длина свободного пробега фонона, т. е. среднее расстояние, проходимое фононом до его рассеяния или ослабления, быстро уменьшается с увеличением энергии фонона. Если в такую жидкость ввести фонон с энергией, достаточной для испарения атома, то из-за малой длины его свободного пробега к тому моменту, когда он должен подойти к поверхности, нельзя быть уверенным в его существовании как целого. Если же произойдет испарение, нельзя будет утверждать, что механизм испарения аналогичен механизму фотоэлектрического эффекта. Но в жидкости, представляющей собой сжиженный гелий-4, средняя длина свободного пробега фонона довольно велика в определенном частотном интервале, лежащем выше некой критической частоты.
Критическая же частота выше частоты, необходимой для выбивания атома с поверхности жидкого гелия. Бэйрд, Хоуп и Уайетт погружали небольшой нагреватель в ванну с жидким гелием-4, охлажденным до температуры, не более чем на 0,1 °С превышающей температуру абсолютного нуля. Нагреватель был соединен жестким стержнем с болометром, который находился над поверхностью гелия и мог регистрировать атомы гелия, эмитированные с поверхности. Стержень был прикреплен к каретке, которая позволяла поднимать и опускать все устройство относительно поверхности жидкого гелия. Измерялось расстояние от нагревателя до болометра и при разной глубине погружения нагревателя регистрировалось время от поступления импульса энергии на нагреватель до прихода атомов гелия на болометр.
