Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 13 КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

13.6. Опыты Иоффе и Добронравова

В 1922 г. А. Ф. Иоффе и М. И. Добронравов выполнили специальные опыты с элементарного фотоэффекта, которыми было экспериментально подтверждено распространение излучение в виде отдельных фотонов и квантовый характер взаимодействия излучения с веществом. Схема установки изображена на рис. 13.4. В толстой ебонітовій пластинке было сделано полость, из которой откачивали воздух. Эта полость играла роль миниатюрной рентгеновской трубки. Катодом было острие тонкой алюминиевой проволочки Я, которое освещалось ультрафиолетовым лучами сквозь кварцевое окошко L. Между алюминиевой проволокой К и пластиной А (алюминиевая фольга), что является антикатодом рентгеновской трубки, создавалась разница потенциалов около 1200 В. Освещение добиралось настолько малым, чтобы из катода К вивільнювалось около 1000 электронов за секунду. Эти электроны ускорялись полем высокого напряжения и, столкнувшись с пластинкой А, резко гальмувались, испуская рентгеновское излучения. При этом из антикатода А випромінювалось около n = 1000 рентгеновских импульсов по секунду. Алюминиевая пластинка А толщиной около 5 ∙ 10^-6 м и вторая параллельная ей пластинка В были обкладками плоского конденсатора, в электрическом поле которого в зависшем состоянии находилась на расстоянии d = 2 ∙ 10^-4 м от антикатода А заряженная вісмутова пылинка N, радиус которой около 3 ∙ 10^-7 м. Рентгеновское излучения вследствие фотоэффекта освобождало из пылинки электрон и меняло ее заряд, поэтому пылинка теряла равновесие. Потеря электрона происходила за разные промежутки времени, но средний промежуток времени оказался равным 30 мин. Независимые наблюдения показали, что электрон, освобожденный из пылинки, несет с собой всю энергию единичного рентгеновского кванта, падающего на него.

Рис. 13.4

С точки зрения волновых представлений о характер электромагнитного излучения результаты опытов Иоффе и Добронравова объяснить нельзя. Если бы энергия рентгеновских импульсов равномерно распределялась согласно волновой теории по всему сферическом фронта волны, то тогда судьбы одного электрона пылинки отвечала бы мизерное количество энергии, недостаточное для его высвобождения из металла. Следовательно, или один электрон невероятно длительное время (τ ≈ 30 мин) накапливал энергию рентгеновского излучения, не отдавая ее соседним частицам, или все электроны пылинки непонятным образом имели бы иногда передавать энергию, что ими поглощена, одному электрону, который высвобождается из пылинки. Однако такое объяснение теряет всякое основание, поскольку излучение электрона происходило с одинаковой энергией через разные промежутки времени.

Результаты опытов Иоффе и Добронравова можно объяснить, исходя из корпускулярных представлений о структуре излучения:

а) из потока рентгеновского излучения при поглощении электрон воспринимает энергию одного фотона, а не произвольное количество энергии;

б) рентгеновский фотон, имея энергию, достаточную для того, чтобы высвободить из металла большое количество электронов, поглощается только одним из них.

Эти опыты позволяют установить квантовый характер электромагнитного излучения. Расстояние от антикатода к пылинки (2 ∙ 10^-4 м) фотон преодолевает за 7 ∙ 10^-13 с. Следующий фотон излучается через 10 с, то есть через много времени после того, как предыдущий фотон вышел далеко за пределы установки или вырвал из пылинки электрон.

Квантовая природа электромагнитного излучения проявляется в том, что пылинка не поглощает часть энергии фотона, падающего на нее, а всю энергию фотона вполне. Квантовые свойства излучения обнаруживаются при рассеянии фотонов больших энергий ε. При λ = 0,1 нм энергия кванта будет hν = 1,92 ∙ 10¹⁵ Дж = 1,2 ∙ 10⁴ эв, что намного превышает энергию связи внешних электронов в атоме, которая составляет около 1... 10 эв. Поэтому при взаимодействии рентгеновского фотона с таким электроном атома электрон можно рассматривать как слабо связан с атомом или даже практически свободен. При поглощении фотона такой «свободный» электрон поглощает практически всю энергию фотона и выходит далеко за пределы первоначального атома. Поглотив фотон, электрон может сразу выпустить такой же фотон или фотон меньшей энергии (и частоты). Явление рассеяния рентгеновского излучения электронами подробно изучил А. Комптон.