Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 41

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 41)

В таком случае, быть может, позволительно сказать, что фотон есть просто волновой пакет плн цуг волн нзлученця, поведение которого от|рсделяется законами классической электромагнитной теории? Мы задали сейчас вопрос, который имеет фундаментальное значение. Если фотон может быть расщеплен в указанном смысле, то вся совокупность идей, которую мы пытались развить в этой главе, окажется поколебленной. Ответить на наш вопрос можно, обратившись к опыту. Чтобы понять, какого рода опыты следует поставить, примем точку зрения классической теории, а затем сделаем ряд предсказаний. которые мы можем проверить на опыте, чтобы решить, справедлива ли классическая картина. 32. Классический цуг волн электромагнитного излучения можно образовать с помощью источника излучения, антенны и ключа, который может включать и выключать передатчик.

Включи»«передатчик, работающий на частоте ы, на определенное время. Антенна. излучит цуг волн такай же длительности. Этот цуг волн можно считать классическим аналогом почти монохроматического «фотона>. Можно вообразить, что возбужденный атом работает подобно этому устройству. Снова подчеркнем, что мы стараемся теперь сравнить свойства физического фотона, проявляющиеся в реальных опытах, с поведением нашего классического цуга волн.

Это означает сравнение объекта реально сущее«пвующего в природе (фотона) с объектом, в природе не сущссгпвующим, каким является цуг электромагнитных волн, пючно следующий законам классической электродинамики. Мы сравниваем, таким образом, факт и фантазию. Чтобы избежать недоразумений, обозначим реальный фотон словом фотон, а воображаемый — — словом иуг волн. Чтобы убедиться в том, что «цуг волн» не является реальностью, рассмотрим некоторые следствия этого представления, которые можно проверить на опыте. ЗЗ. Рассмотрим испусканне света атомом ртути, возбужденным в результате столкновения.

Испускаемый свет имеет частоту аь соответствующую голубому цвету. Постоянство чвщоты св испускаемого излучения понять нетрудно: эта частота соответствует некоторой определенной частоте колебаний в атоме. Невозможно, однако, исходя из классических представлений, понять, почему энергия, уносимая каждым цугом волн, всегда равна в точности «.*м. Удары, приводящие к возбуждению атома, по-видимому, не идентичны, и энергия, освобождаемая для испускания света, различна от раза к разу.

Но еще труднее понять, почему два абсолютно разных атома, например атом натрия и атом ртути, испускающие свет различной частоты ыи, и ь>н , должны испускать цуги волн с энергией имя« и 6«>н соответственно. С классической точки зрения появление универсального коэффициента пропорциональности Й кажется весьма таинственным. Если обратиться к совокупности всех экспериментальных фактов, рассмотренных в гл. 3, станет ясно, что они не «югут быть поняты с помощью классической теории. Забудем, однако, на время все, что нам известно об испускании и поглощении света, н обратимся к изучению «изолированного» фотона.

Рассмотрим цуг волн, пспущенных некоторым источником, и будем изучать его свойства с помощью фотоэлемента. 34. Иными словами, мы изучаем фотоэффект. Пусть Р, — задерживающий потенциал фотоэлемента, а )Р' — работа выхода для фоточувствительного слоя. Если энергия волнового пакета будет болыпе (34а) Еьа« = е'«'«+ )р', фотоэлемент сработает, и мы услышим некий «щелчок» в регистрирующем устройстве, 16$ Выберем такое значение )с„чтобы йьг > Е ы > (2/3)йгь, (34 Ь) где ы — - частота света. (Мы произвольно взяли 2г3 как число, большее 1,'2, но меньшее единицы.) Если вся энергия цуга волн сконцентрируется на фотоэлементе, то мы услышим «щелчок», Но если фотоэлемента достигнет лишь половина энергии, щелчка не произойдет, так как переданной электрону энергии будет недостаточно.

чтооы он мог преодолеть задерживающий потенциал. 35, Классическая волновая картина позволяет расщепить цуг волн с помогцью устройства, показанного на рис. 35А. Свет от источника очень малой интенсивности падает на расигепитель пучка, представлягощий собой полупрозрачное посеребренное зегкало нлп соответствующую расщепляющую призму. Можно добгиться того, чтобы интенсивности ; гг прошедшего и отраженного П пучков были равны и чтобы дсам«лее ' х сл интенсивность каждого из реале ~ 1 ~е"'е""е'"е ггг" них равнялась половине интенсивности первичного пучка, проходящего через щель. Так что это возможный г — '-1 реальный эксперимент, в результате которого мы обе«с.

»»л. с««««««:. ««с ««"«»««««па»у на(гужим, что ингпенсивнасгпи шепл«~о«с«... и, « .,: «,Ь««и~и вот«пыг обоих пучков удовлетворяют поставленным условиям. Классическое объ,сцепив этого результата весьма просто: падая на зеркало, кажлчп цуг волн расщепляется на две частя. Рассмотри г, что происходит при падении на зеркало одиночного цуга волн, Но классической модели он должен расщепиться на две части таким образом, чтобы энергия, переносимая проходящей частью цуга волн, была равна половине первичной эцергии. Но тогда фотоэлемент 2 никогда не сработает! Этот вывод, следрюи1ий из классической т ории, находится в полном противорешш с опыпгохп Проходягций свет остается голубым, его частота равна ггь и, пока ггыа Е „, регистратор фотоэлемента 2 щелкает. Это показывает, что энергия прошедшего через зеркало света по-прежнему существует в виде порций «генг, Введение в пучок зеркала приводит лишь к тому, что скорость счета уменьшается в два раза. 36.

Насколько убедительны доказательства нерасгцепляемости фотона, следующие из опыта, показанного на рис. 35А, или из других подобных опытов? Их можно считать весьлга рбедительныии. Мы являемся свидетелями многих подобных опытов. Любой оптический прибор, в котором имеется фотоэлемент или фотопластинка, можно рассматривать как прибор, с помощью которого мы безуспешно пытаемся расщепить фотон. Пррстейший нз таких опытов заключается в ,наблюдении фотоэффекта на различных расстояниях от источника света.

Если атом подобен антенне, он должен испускать свет в виде цуга сферических волн. Интенсивность испущенного света пропорциональна 1!г», и по классической картине это означает, что энергия, переносимая одиночным цугом волн через единичную поверхность, находящуюся на расстоянии г от источника, пропорциональна 11г'. Поэтому, поскольку фотокатод имеет определенную площадь поперечного сечения, то, поместив его на достаточно большом расстоянии, уже, видимо, можно добиться того, чтобы энергия, попадающая па него, была сколь угодно мала. Можпо оыло думать, что при данном задерживающем потенциале фотоэлемент перестанет регистрировать свет, как только расстояние превзойдет определенный предел.

Но этого, однако, мы не наблюдаем. В действительности только скорость счсза уменьшается по закону 1 г». Возможно, наиболее удивительным примером является наблюдение фотоэлектрического э1хректа ст света далеких звезд. 11уг волн был пспущен сотни тысяч лет назад и прошел огромные просзранства космоса. И только малая часть энергии этого цуга может быть уловлена фотоэлементом, расположенным за телескопом. Тем ие менее количество энергии, передаваемои электрону фотоэлемента, оказывается равным /ио, как и в том случае, когда источником саста является лампа, расположенная на столе, рядом с фотоэлементом.

3'?. Всякая попытка объяснить зти факты, предполом:ив, что мы наблюдаем некий кумулятивный эффект, когда очень болыпое число «дробных фотонов» передает сво»о небольшую эн ргпю электрону фотокатода, который в копие концов, накопив юстгпочнук энергию, оказывается выброшенным, совершенно несоси.ятельна. Если бы в этом состояло объяснение, то кумулятивный эффект работал бы и прп таком задерживающем потенциале, как, например, Е„»» ) 100 6ы, а это, конечно, не то. что мы наблкщаем: если задерживав»щий потенциал достаточно высок, фотоэлемент нпкосда не срабатывает.

38. Итак, экспериментальные факты о фотозффскте приводят к неизбежному выводу, что почти монохргиатическпй фотон не может расщепиться на два фотона той же частоты, но меньшей энергии: в этом смыспе фотоны не ведут себя подобно к..ассическим цугам волн. Такой вывод находит дополнительное подтверждение в экспериментальных данных о комптон-эффекте, рентгеновском излучении, образовании пар и их аннигиляции, рассмотренных в этой главе.

Теоретический анализ этих явлений был основан на предположении, что соотношение Е = — яы всегда справедливо, т. е. что «дробных фотонов» не существует. Это предположение позволило нам объяснить все экспериментальные факты. По-видимому, в классических идеях что-то ошибочно, и необходимо найти, в чем же их следует изменить. Воздержимся, однако, от слишком поспешных выводов. Обратимся лучше к экспериментам другого типа, также связанным с проблемой «расщепления» фотона.

Пока что наши рассуждения привели нас к заключению, что в одном определенном смысле фотон нельзя расщепить. Это не исключает возможности его «расщепления» в некоторых других смыслах. 16» 39. Рассмотрим дифракцию на двух щелях (рис. 39А). Непро-зрачный экран имеет две щели У и (., перпендикулярные к плоскости рисунка. Источник света 5 освещает обе щели светом (фотонами) точно определенной частоты «у.

Для простоты допустим, что щели одинаковы и их ширина мала по сравнению с длиной волны Х=2пс/ру, а расстояние 2а между щелями сравнимо с длиной волны. Рис. ВВА. Схема, нг люстрируюь*,ая двь. ракпгю от двух гцелец Проходит лй отдельный фотон лишь через одгу нз Мелей или через айе,кан следует из «лассического представлении о волновом цуге? Будет ли ивтерверенцнонная картина меняться при уменыпении интенсивности падающего санга? Будем измерять интенсивность рассеянного света в зависимости от угла рассеяния 0 на расстоянии г от экрана, которое велико по сравнению с расстоянием 2а.

Характеристики

Список файлов книги