Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Еще более загадочным результатом экспериментов Ленарда было открытие удивительно простого взаимодействия между энергией выбиваемых электронов и частотой света. Для всех материалов, что он исследовал, энергия электронов увеличивалась по мере увеличения частоты в очевидной линейной зависимости. Это был никак не ожидаемый и загадочный результат.

Как в случае с тепловым излучением, простое и универсальное поведение, открытое Ленардом, явно указывало на простую физику, лежащую в основе этого явления, однако никто не мог сформировать убедительную модель. Сам Ленард провел много лет, работая над теорией, которая бы определяла энергию электронов через их движение внутри атомов. При этом свет служил только триггером (пусковой схемой) для выбивания электронов, но эта идея оказалась несостоятельной, и в конце концов ему пришлось от нее отказаться.

Объяснение, которое стало принятой моделью для фотоэлектрического эффекта, было впервые предложено в 1905 году неизвестным клерком патентного бюро в Швейцарии по имени Альберт Эйнштейн. В статье с довольно осторожным названием «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», он предложил взять квантовую гипотезу Макса Планка и применить ее к свету. Она связывала каждый испускающий свет с характерной энергией, которая зависит от частоты испускаемого света. В этой «эвристической точке зрения» луч света не является волной, а представляет собой поток частиц, теперь называемых «фотонами», хотя этот термин сформировался лишь спустя несколько лет. Сам Эйнштейн предпочитал термин «световой квант». Каждая из частиц при этом несет один квант энергии. Эта энергия равна постоянной Планка, умноженной на частоту света. Если энергия одного фотона превосходит характерную для данного освещаемого материала энергию, называемую «работой выхода», то он может выбить из атома один электрон, который унесет с собой остаток энергии фотона.

Эта корпускулярная модель света была радикальным уходом от хорошо известной физики, но великолепно объясняла фотоэлектрический эффект. Более интенсивный луч света содержит больше фотонов, таким образом обеспечивая количество испускаемых электронов. Их энергия, однако, не зависит от интенсивности света, поскольку только один фотон нужен, чтобы выбить электрон из атома. И увеличение энергии с увеличением частоты просто отражает увеличение энергии отдельного фотона согласно правилу Планка об отношении энергии и частоты. Если энергия фотона больше, чем работа выхода[62], электрон уносит излишек, который увеличивается по мере увеличения частоты.

Фотонная модель Эйнштейна проста и элегантна, но также абсолютно не совместима с уравнениями Максвелла, которые справедливы только для волн, а не для частиц, и поэтому оказалась крайне непопулярной, когда была впервые опубликована. Сам Планк, номинируя Эйнштейна в Прусскую академию наук, писал: «То, что он иногда не попадал в цель в своих рассуждениях, как, например, в своей гипотезе о световом кванте, не должно говорить против него слишком строго, поскольку невозможно вводить фундаментально новые идеи, даже в наиболее точных науках, не рискуя».

Но как бы она ни была непопулярна, эвристическая модель Эйнштейна сделала ясные и недвусмысленные предсказания, что нужно ожидать в экспериментах с фотоэлектрическим эффектом, и поэтому привлекла весьма большое внимание. Ситуация оставалась несколько запутанной, пока Роберт Милликен[63], один из наиболее точных физиков-экспериментаторов, однажды не занялся этим вопросом.

Эксперименты были очень чувствительными к загрязненности металлических поверхностей и небольшим сдвигам напряжения, которые возникают от контакта между различными металлами. Но Милликен и его команда[64] сумели справиться со всеми проблемами и обеспечили убедительное экспериментальное подтверждение модели Эйнштейна в 1916 году. Они сделали измерения постоянной Планка, которая совпадала с предыдущими оценками, но с большей точностью.

Это не означает, однако, что Милликен был сторонником фотонной модели. В действительности изданную им первую статью по данной теме можно назвать шедевром пассивно-агрессивного стиля в научной литературе: