Казалось бы, возродилась идея Исаака Ньютона о том, что свет — это поток частиц-корпускул. Но планковские частички-кванты представляли собой нечто особенное. Они обладали различной энергией, и она зависела от такой волновой характеристики, как… частота излучения. Вот это и было неожиданным выводом, парадоксом — вроде бы частица, а в ней словно бы заключена волна.
Сам Планк был поражен созданием такого «кентавра». И неизвестно, как бы дальше развивались события в физике, если бы с помощью этой идеи не нашли объяснения многие экспериментальные факты. Теория Планка получала все больше подтверждений и стала именоваться квантовой теорией. Она во многом повлияла на облик современной науки.
Как свет «выдергивает» электроны?
Как только родилась идея квантов — частиц излучения, испускаемого и поглощаемого тела-ми, — ее тут же взяли на вооружение многие выдающиеся ученые. Например, в 1905 году немецкий физик Альберт Эйнштейн применил теорию квантов к одному очень интересному явлению — фотоэффекту.
Исследовать этот эффект начали еще в 1887 году. А годом позже явление было детально изучено русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Состояло оно в том, что из металлической пластины при освещении вылетали электроны. Опытным путем были установлены законы фотоэффекта, но причины происходящего выявить не удалось.
Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) — российский физик. Предложил важные методы магнитных измерений, изучал газовый разряд. Мировую известность приобрел как исследователь фотоэффекта, установивший его законы. Создал первый фотоэлемент и применил его на практике.
И лишь идея о квантах света, как показал Эйнштейн, поставила все на свои места. Законы получили твердую опору. Выяснилось, что каждая частичка света приносит с собой определенную порцию энергии. А тратится эта энергия на то, чтобы вырвать электрон из металла и сообщить ему энергию движения, то есть кинетическую энергию. Поэтому чем больше частота излучения, тем больше энергия света, тем быстрее выбегают из металла электроны. Из-за этого их энергия выше при облучении пластины фиолетовым светом, нежели красным.
Изучение свойств фотоэффекта дало возможность создать и усовершенствовать фотоэлементы. Это устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. Их используют, как вы, возможно, догадались, в турникетах метро. А фотоэффект, происходящий в полупроводниках, привел к созданию солнечных батарей.
Портрет фотона: анфас и в профиль
Частицы-кванты, теоретически открытые в 1900 году Максом Планком, через пару десятков лет стали называть фотонами, от греческого слова «свет». Но поскольку квантами испускаются все известные нам виды излучения, фотоны могут быть отнюдь не только световыми, но и, скажем, инфракрасными или рентгеновскими.
Каждый фотон несет малюсенькую порцию энергии. Но их обычно так много, что она может стать заметной величиной. Например, можно оценить, сколько приходит световой энергии от Солнца на Землю. Оказывается, что на один квадратный метр земной поверхности за одну секунду падает несколько тысяч миллионов фотонов. Несмотря на столь малую энергию отдельного фотона, его в принципе может зарегистрировать даже человеческий глаз.
Фотон — удивительная частичка. Существует он только в «полете», когда переносится в пространстве со скоростью света. Медленнее двигаться он просто не может, как бы не создан для этого. Рождается он, излучившись, и исчезает, поглощаясь телами. Он переносит энергию и движение, нагревает тела и вместе с собратьями оказывает на них давление. При всем при этом он не обладает массой. Только здесь надо быть очень аккуратным в выражениях, так как имеется, в виду масса «обычных» частиц, способных, в отличие от фотона, находиться в покое.
Вот какой удивительный этот фотон! И это все не выдумки ученых, а строго подтвержденные опытом факты.
Что такое радиоактивность?
Это явление было открыто в конце прошлого века. Заключалось оно в том, что без всякого внешнего воздействия изнутри некоторых веществ испускались очень энергичные лучи. Это прежде всего говорило о том, что внутри вещества находятся свои собственные источники энергии. С другой стороны, такими интенсивными лучами можно было надеяться «прощупать» различные тела лучше, чем даже рентгеновским излучением.
Со временем выяснилось, что радиоактивность представляет собой «излучение» разного сорта. В ее состав входят тяжелые положительно заряженные частицы, более легкие отрицательные — электроны — и очень «жесткие», сильно проникающие электромагнитные волны. Первые назвали альфа-частицами, вторые — бета-частицами, а третьи — гамма-лучами.
Такая команда «бомбардиров» могла пронизать довольно толстые слои вещества. Кстати говоря, уже с первых опытов по изучению радиоактивности накапливались сведения о том, как от нее можно защититься. Одним из лучших поглотителей радиации оказался свинец. Может быть, вы видели в рентгеновском кабинете тяжелые резиновые покрывала, которыми предохраняют от облучения не предназначенные для съемки органы. В состав этих покрывал вводят свинец.
Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) — польский и французский физик и химик, один из основоположников учения о радиоактивности. Вместе с мужем, Пьером Кюри, открыла новые радиоактивные элементы. Установила влияние излучения на живую клетку, первой использовала радиоактивность в медицине.
Физики довольно быстро сообразили, что естественную радиоактивность можно использовать в их экспериментах. С тех пор начались усиленные поиски и кропотливое накапливание рассеянных в природе радиоактивных веществ.
Кто «сидит» внутри атома?
Начало двадцатого столетия словно всколыхнуло ряды ученых, побудив их вновь задуматься о том, что такое атом. Греческое слово, означающее «неделимый», словно говорило, что эти частицы — последняя граница дробления тел. Однако радиоактивность — вылетание частиц изнутри вещества — заставило усомниться в этом.
Открытый более 100 лет назад электрон, обладавший отрицательным зарядом, наводил на мысль, что внутри вещества должны как-то располагаться и положительно заряженные частички. Ведь атомы в целом — нейтральны, значит, что-то должно компенсировать, уравновешивать в веществе отрицательные заряды. Трудно, конечно, представить сейчас, что столетие назад серьезные ученые воображали себе атом как «тесто» положительного заряда с вкрапленными в него «изюминками»-электронами.
