По представлениям современной физики свет неправильно представлять как поток летящих частиц-мячиков. Корпускулярно-волновой дуализм, который все почему-то так хорошо помнят из уроков физики, сегодня интерпретируется ни как приписывание частицам свойств волны, а как проявление свойств физической частицы у волны в некоторых случаях.
Вроде и звучит это почти одинаково, но если вдуматься в фразу, то окажется, что частица есть энергия, описываемая волновой функцией.
И всё бы хорошо, но в некоторых случаях есть интересные эксперименты, о которых полезно знать.
Эйнштейн помимо работы над теорией относительно изучал ещё и квантовую теорию. Одна из его самых важных работ (которая, кстати, принесла ему Нобелевскую премию) описывала фотоэлектрический эффект.
Основополагающим стал опыт с электроскопом, который разряжали хитрым индейским способом. Он заслуживает внимания даже с учетом того, что современная физика отменила сравнение частиц с мячиками.
Электроскоп - устройство интересное. Его показывают уже в школе на физике. Правда на момент демонстрации никто не понимает зачем его показывают. Принцип действия устройства прост. Если передать шару на электроскопе электрический заряд, то лепестки, находящиеся в контакте с этой клеммой-шаром, расходятся. Чем больший заряд передан, тем дальше расходятся лепестки. Это происходит из-за того, что одноименные заряды на лепестках отталкиваются друг от друга.
Было обнаружено, что если направить на электроскоп свет, то он будет разряжаться.
Эффект интересен уже сам по себе. Фактически световой поток как будто бы смывает заряд с электроскопа, как шланг смывает песок, налипший на надувную лодку.
Всё отлично визуализируется, пока мы мыслим представлениями классической физики - электроны есть частицы-мячики. Они налипают на лепестки электроскопа.
Световой поток из других частиц сбивает их с лепестков и обнуляет заряд электроскопа. Но мы ведь помним про дуализм. Неплохо бы тут и современные представления не забывать. Любая частица есть энергия.
На тот момент мыслили так:
Если свет - это электромагнитное излучение или волна, то можно ожидать, что интенсивность светового потока будет важна для разряда электроскопа. При этом частота волны не должна сильно влиять на процесс разрядки. При достаточной интенсивности любой световой поток должен сбивать электроны с электроскопа просто за счёт общего суммарного количества энергии.
Однако, практика показала следующее:
- Была обнаружена некоторая пороговая частота света, выше которой свет разряжал электроскоп, а ниже которой не оказывал никакого влияния.
- Интенсивность при этом не имела никакого значения, что нарушало изначальную логику.
Если частота света переходила порог, то электроскоп медленно разряжался независимо от того, насколько интенсивным был поток. Если же частота была ниже порогового значения, то не имело значения, насколько интенсивным был свет. Электроскоп никогда не разряжался.
Это можно было объяснить только одним образом. Свет не есть непрерывная волна, а состоит из некоторых квантов. И на тот момент решили, что эти кванты есть физические частицы.
Решение Эйнштейна тут было логичным. Оставалось исходить из того, что свет состоит из физических фотонов, несущих некоторое количество энергии, зависящее от их частоты.
Если энергия фотона достаточно высока (выше обнаруженного частотного ограничения), то он может легко сместить электрон с лепестка электроскопа. Если ниже этого значения - он не может сбить электрон и разрядить электроскоп, так как энергии недостаточно.
Интенсивность соответствует количеству фотонов, и вероятность того, что два фотона возбудят один и тот же электрон, очень мала. Представьте, что бросаете яблоки в мячик, застрявший на дереве. Кинь ты хоть сотню яблок, но если сила удара будет недостаточной, то мячик не сбросить. Так и фотоны.
Если отдельные фотоны недостаточно энергичны, неважно, сколько их попадёт в электрон. Они не способны его сместить. И наоборот, выше пороговой границы, если свет даже не имеет нужной интенсивности, но имеет должную частоту (читай как энергию), даже один попавший в цель фотон скинет электрон и, как следствие, разрядит электроскоп. Дальше уже интенсивность будет определять скорость разрядки электроскопа.
На тот момент этот эксперимент можно было рассматривать как доказательство того, что свет всё-таки квантуется и, вероятно, хранить его связь с физическими частицами рано. Это подтверждало концепцию дуализма, что стало одним из постулатов ранней квантовой механики.
Применительно к современным представлениям этот эксперимент тоже очень важен. Даже если мы примем, что частица есть энергия, то подобным образом мы подчеркиваем важность количества этой энергии в одной, даже мнимой, частице и квантуемость всего процесса. Мы можем говорить, что электрон или фотон "не мячик", а стоячая волна, которая имеет все харакетристики такого мячика. Особого противоречия тут нет.
⚠ Обязательно подписывайтесь на канал, тыкайте лайк 👍 и возвращайтесь за новым контентом! Материалы выходят регулярно!
👉 Тут я размещаю ссылки на новые материалы в ДЗЕНе
🔹 Не забывайте читать новые статьи на сайте!
✅ Подписывайтесь на телегу проекта