Страница 18 из 35
Энергетики стремятся противопоставить энергию материи, оторвать ее от материи, поставить ее над материей. Но энергия есть только мера движения материи. Движение же не существует без материи. Отрывая энергию от материи, энергетики тем самым утверждают, будто движение существует без того, что движется, т. е. без материи. Но эта точка зрения бессмысленна, она противоречит всему развитию науки.
Ленин показал, что энергетизм — направление антинаучное. Оно вносит путаницу в трактовку основного философского вопроса — о материи как источнике нашего познания и потому должно быть отброшено.
П. Н. Лебедев открывает давление света
Против энергетического направления в физике выступали русские ученые — Д. И. Менделеев, П. Н. Лебедев и другие.
Петр Николаевич Лебедев (1866—1912), много сил отдавший изучению свойств света, отвергал энергетическое направление. Его физические исследования показали, что свет не только отличается от вещества, но и имеет с ним много общего.
Около двадцати лет своей жизни П. Н. Лебедев посвятил доказательству того, что свет обладает свойством оказывать давление на вещество. Он поставил чрезвычайно остроумные, до сих пор не превзойденные по технике выполнения опыты и доказал, что свет действительно оказывает давление как на твердые тела, так и на газы.
Это и говорит о том, что вещество и свет, отличаясь друг от друга, имеют вместе с тем много общего, что ряд свойств присущ как веществу, так и свету. Свет, как и вещество, обладает не только энергией, но и массой, а также импульсом. Он подчиняется тем же законам сохранения, как и вещество. Свет постоянно взаимодействует с веществом.
Физические исследования П. Н. Лебедева помогали физикам уяснять, что нельзя свет противопоставлять веществу, как нечто нематериальное — материи. Они подтверждали положение марксистской философии о том, что материя существует в различных формах, которые взаимосвязаны друг с другом.
А в наши дни ученые доказали, что вещество и свет при определенных условиях способны превращаться друг в друга. Но об этом мы расскажем позже.
Опыты А. Г. Столетова
Со времени Ньютона шел спор: что такое свет — волны или корпускулы (частицы). На рубеже XX века казалось, что спор подошел к концу. Все как будто говорило в пользу волновой природы видимого света. Все световые явления — прямолинейность распространения света, двойное лучепреломление, интерференция, дифракция и все другие — находили в волновых представлениях свое объяснение. Выяснилось, что видимый свет — только член целой семьи электромагнитных излучений. И все типы излучений обладают волновыми свойствами, как и видимый свет. Лишь природа рентгеновских излучений до некоторых пор была неясной.
Рис. 32. Опыты Столетова. Цепь между пластинкой АА и сеткой ВВ разорвана, ток не идет
Однако уже более десятка лет физикам были известны и такие световые явления, которые, по-существу, не укладывались в волновую теорию, хотя это и не было сразу разгадано. Еще Г. Герц, Гальвакс и другие физики в 80-х годах прошлого столетия обнаружили, что свет вырывает с поверхности металлов отрицательные электрические заряды. Русский физик А. Г. Столетов (1839—1896) подробно исследовал это явление и установил (1888 г.) его основные закономерности, которые позднее привели к открытию новых свойств света. Познакомимся с его опытами.
На рис. 32 АА — металлическая пластинка, а ВВ — металлическая сетка. Пластинка и сетка соединены с электрической батареей Б, пластинка — с отрицательным полюсом, сетка — с положительным. Г — включенный в цепь гальванометр — прибор, показывающий, проходит ли в цепи электрический ток.
В обычных условиях такая установка работать не будет; стрелка гальванометра стоит на нуле, тока в цепи нет. И это понятно: между пластинкой АА и сеткой ВВ цепь разорвана.
А. Г. Столетов осветил пластинку АА светом от вольтовой дуги (она же дуга Петрова). На рис. 33 схематически показано, как этот свет, пройдя через световой фильтр Ф (пропускающий лучи нужных нам длин волн), а затем сквозь сетку ВВ, падает на пластинку АА. При освещении пластинки АА светом через гальванометр проходит ток.
Из этого опыта Столетов заключил, что свет вырывает из металлической пластинки отрицательные электрические заряды. Эти заряды движутся к положительно заряженной сетке, и таким образом электрическая цепь замыкается, по ней идет ток.
Рис. 33. Опыты Столетова. Пластинка АА освещается светом от вольтовой дуги Д. С пластинки срываются отрицательные заряды, ток в цепи идет
Столетов освещал пластинку светом различного, цвета (различной частоты) и исследовал, как изменяется при этом сила тока в цепи. Обнаруженные Столетовым закономерности стали исходным пунктом развития новых представлений о свете.
Явления, которые наблюдал и описал А. Г. Столетов, ныне получили название фотоэлектрического эффекта или просто фотоэффекта (световое действие). Когда позднее (в 1895 г.) были открыты электроны, было установлено, что электрические заряды, вырываемые светом из пластинки, — это электроны. Электроны — это мельчайшие частицы вещества, обладающие наименьшим отрицательным электрическим зарядом. Фотоэффект состоит, следовательно, в том, что свет вырывает из металлической пластинки электроны. Физики научились измерять энергию (скорость) вырванных электронов.
Необычные закономерности фотоэффекта
Необычайность фотоэффекта заключается не в самом факте вырывания электронов светом, а в той закономерности, которая связывает энергию света и энергию вырванных электронов.
Сначала физикам казалось, что энергия фотоэлектронов должна зависеть от энергии падающих световых волн, а стало быть, от яркости света. Это вытекало из волновых представлений о природе света. Ведь казалось, что яркость света должна определяться амплитудой колебаний, а энергия в любой волне пропорциональна квадрату амплитуды.
Каково же было удивление ученых, когда они обнаружили, что от яркости падающего света зависит только общее количество вырванных им электронов, а вовсе не энергия каждого отдельного электрона. Энергия отдельного фотоэлектрона зависит от цветности, точнее говоря, от частоты падающего света: чем больше частота падающего света, тем больше энергия фотоэлектрона.
Эту закономерность никак нельзя объяснить с помощью волновых представлений о свете.
Свет как поток фотонов
Более пятнадцати лет прошло после первых опытов Столетова, прежде чем ученые нашли разгадку странных законов, связывающих энергию фотоэлектронов с частотой вызывающего их света.
За это время произошло еще одно важное событие. В 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858—1947) исследовал условие, при котором устанавливается равновесие в спектре излучения «абсолютно черного тела». Он пришел к выводу, что этим условием является такое распределение энергии по спектру, при котором она пропорциональна частоте. Получается так, как будто энергия света может перемещаться только определенными порциями (квантами), каждая из которых пропорциональна частоте света.
Другой немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) пошел дальше: он сделал вывод о том, что световой поток состоит из потока частиц с энергией, пропорциональной частоте; эти частицы получили наименование фотонов. Чем больше частота света, тем больше энергия фотона. Следовательно, энергия фотона фиолетового света почти в два раза больше энергии фотона красного света. Эйнштейн показал, что, только приняв представление о фотонной структуре света, можно объяснить странную закономерность фотоэффекта, открытого еще Столетовым.
При этом предположении механизм фотоэффекта представляется так. В металлах имеется много «свободных» (т. е. не связанных с определенными атомами металла) электронов. Когда фотон падающего света ударяется в один из них, он передает электрону всю свою энергию. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может вылететь из пластинки. Ясно, что энергия вырванного электрона прямо зависит от энергии выбившего его фотона, т. е. от частоты падающего на пластинку света.