Страница 11 из 92
Фотоэффект (явление взаимодействия между светом и веществом, которое выражается в освобождении электронов из вещества под действием электромагнитного излучения) был открыт в 1887 г. Генрихом Герцем. Вскоре на основе экспериментов было дано его описание русским физиком Александром Столетовым. Эти два ученых, по существу, наблюдали так называемый внешний фотоэффект, при котором фотоны выбивают электроны из вещества. Наряду с этим существует еще и внутренний фотоэффект (открытый в 1873 г. американским физиком У. Смитом), при котором выбитые из атомов электроны остаются внутри вещества и регистрируются по повышению электропроводности.
Представление Эйнштейна о свете как о потоке частиц позволило объяснить фотоэффект передачей энергии фотонов электронам атома. Прошло, однако, немало времени, прежде чем новые взгляды утвердились в науке, Планк стал лауреатом Нобелевской премии только в 191.8 г., т. е. почти два десятилетия спустя после того, как вывел свой знаменитый закон излучения и предложил гипотезу квантов. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 г. В то время он был уже всемирно известным физиком, автором знаменитой теории относительности, и поэтому в мотивации награждения наряду с открытием законов фотоэффекта упоминается и о его заслугах в теоретической физике.
Объяснение, данное Эйнштейном фотоэффекту, не сразу получило признание физиков, так как отсутствовали подтверждавшие его экспериментальные данные. Лишь в 1910—1914 гг. американский физик Роберт Энд-рус Милликен провел в Чикагском университете первые опыты, подтвердившие новые представления о свете. Милликен создал оригинальный прибор, который позволял измерять количество электронов (и их энергию), выбитых из металлов при освещении их светом различной длины волны (т. е. различного цвета). Этот интересный прибор дал возможность прежде всего определить так называемую постоянную Планка, устанавливающую связь между энергией и частотой кванта. Кроме того, Милликен экспериментально проверил уравнения Эйнштейна для фотоэффекта в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Талантливому экспериментатору Роберту Милликену принадлежит еще одно крупное достижение, которое принесло ему широкую известность. Используя оригинальную аппаратуру и разработанный им метод капель, он провел огромное количество опытов, позволивших ему точно измерить электрический заряд электрона («атома» электричества). За это открытие, а также за исследование фотоэффекта Милликен получил в 1923 г. Нобелевскую премию по физике.
В 60-е годы XIX в. в физике произошло крупное событие: английский физик Джеймс Клерк Максвелл объединил явления электричества, магнетизма и света, создав теорию электромагнитного поля. Так возник новый раздел физики, получивший название электродинамики. Идеи Максвелла были развиты.дальше и поставлены на новую основу нидерландским физиком-теоретиком Хендриком Антоном Лоренцем, Объединив электромагнитную теорию Максвелла с представлениями об атомистическом характере электричества, он создал классическую электронную теорию. Электрические, магнитные и оптические явления теория Лоренца объясняла как движение дискретных электрических зарядов.
Основы электронной теории Лоренц заложил в 1880 г., а окончательно она оформилась к 1909 г., после того как был открыт электрон. Согласно этой теории, атомы состоят из электронов и положительно заряженных частиц, которые их нейтрализуют. При движении этих зарядов возникают электрические и магнитные поля. Исходя из этих представлений, Лоренц объяснил ряд электрических и оптических явлений и даже предсказал явления, которые тогда не наблюдались. В частности, он указал, что спектральные линии излучения (которое обусловлено движением электронов) должны расщепляться под действием электрических и магнитных полей, поскольку поля влияют на движение электронов. Предсказание Лоренца было подтверждено в августе 1896 г. его соотечественником, молодым нидерландским физиком Питером Зееманом.
В своем эксперименте Зееман поместил пламя газовой горелки между полюсами электромагнита. При добавлении обычной поваренной соли пламя окрашивалось в желтый цвет — спектральная линия излучения натрия. При включении магнитного поля спектральные линии расширялись в полном соответствии с теорией Лоренца. В этот же период времени Томсон исследовал катодные лучи и данные, полученные им в опытах, никак не связанных с экспериментами Зеемана, послужили убедительным свидетельством в пользу реального существования электронов.
Идеи Лоренца и открытия Зеемана были крупным шагом вперед в изучении теории излучения. Уже в 1902 г. их работы получили признание Нобелевского комитета, принявшего решение 6 присуждении двум нидерландским ученым премии по физике.
Согласно теории Лоренца, электрическое поле должно также воздействовать на свет. Экспериментальное доказательство этого вывода значительно задержалось по чисто техническим причинам.
Влияние электрического поля на спектральные линии натриевого пламени нельзя было изучать, поместив пламя между двумя электродами. Поскольку пламя проводит ток, электрическое поле при этом вообще исчезает. Лишь в 1913 г. Иоханнес Штарк, чтобы обойти эту трудность, создал другую экспериментальную установку, используя свойства так называемых каналовых лучей. Это своего рода антипод катодных лучей. Если в катоде электронно-лучевой трубки проделать отверстия, то через них проходят частицы, которые представляют собой положительные ионы, излучающие свет. Направляя каналовые лучи в электрическое поле, Штарк обнаружил, что при этом происходит расщепление спектральных линий излучения, как и предсказывала теория Лоренца. По аналогии с уже известным «эффектом Зеемана» это явление получило название «эффект Штарка». В 1919 г. Иоханнес Штарк получил за свое открытие Нобелевскую премию по физике.
Исследования законов излучения дали очень ценную информацию о внутреннем строении атома и привели к созданию различных его моделей. Но чтобы сделать правильный выбор между этими моделями, требовались и другие экспериментальные методы, которые стали возможны только в начале нынешнего столетия.
Модели атома
Концепция атома возникла впервые в древней Греции. Демокрит и другие древнегреческие философы высказывали мысль, что все тела в окружающем нас мире состоят из мельчайших частиц, которые далее не могут делиться и являются основными «кирпичиками» вещества. Отсюда и название «атом», что значит по-гречески «неделимый».
Наука открыла атом лишь в начале XIX в. Первая современная теория о том, что вещество состоит из ограниченного числа частиц, была создана в 1803 г. английским ученым Джоном Дальтоном. Так, вслед за философами атомом занялись химики. Прошло еще 100 лет, прежде чем физики смогли показать, что эта «неделимая» частица представляет собой довольно-таки сложную систему, таящую в себе немало загадок природы. Исследования ряда ученых в конце XIX и начале XX вв. показали, что электричество и свет имеют дискретный характер, т. е. состоят из частиц. Эти представления легли в основу различных моделей атома, которые все более точно воссоздавали его подлинную структуру.
М.В. Ломоносов еще в середине XVIII в. считал, что окружающий нас мир состоит из весомой материи и эфира. «Все тела, — утверждал Ломоносов, — состоят из “корпускулов” (молекул), содержащих “элементы” (атомы, — Прим. ред.)
Прежде всего в 1903 г. Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома в виде «пудинга с изюмом», согласно которой атом представляет собой положительно заряженной сферу с вкрапленными в нее электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду сферы, поэтому в целом атом электрически нейтрален. Модель атома Томсона в какой-то степени позволяла объяснить процессы излучения, рассеяния и поглощения света, и в течение ряда лет она была весьма популярна. Это пример того, как модель, не имеющая ничего общего с действительностью, тем не менее «работает» — дает возможность объяснить некоторые реально наблюдаемые явления.