Рис. 27. Фотоэлектрический эффект. а — свет с большой длиной волны, падая на металл, вырывает медленные электроны; б — свет с малой длиной волны выбивает быстрые электроны.

Энергия кванта видимого света очень мала. Она составляет всего лишь несколько электроновольт, около 10^-12 (миллионная доля одной миллионной) энергии, потребной для создания едва воспринимаемого ощущения от прикосновения к вашему пальцу. Квант радиоволн (тоже вид излучения) еще в миллиард раз меньше, так как длины их волн во столько же раз больше. Конечно, сетчатка нашего глаза во много раз чувствительнее к свету, чем кончики пальцев. И все же нельзя увидеть отдельного кванта, так как он слишком мал для этого. Если бы мы могли увидеть отдельный квант, то очень слабый источник света казался бы нам мигающим, так как мы видели бы свет только при попадании кванта на сетчатку.

Хотя свет — это электромагнитная волна, его действие на вещество, на наш глаз, на фотоэлемент, квантовано. Он действует так, как если бы световой луч состоял из маленьких зерен, или корпускул, одного размера. Это подчеркивает корпускулярно-волновой дуализм природы. Электроны представляют собой частицы с волновыми свойствами, свет — волну с корпускулярными свойствами.

Подойдем теперь к вопросу о квантах с количественной стороны. Величина кванта световой энергии связана с частотой света той же формулой, формулой Планка, которую мы уже встречали. Энергия кванта Е дается соотношением Е = hω, где ω — частота света[37], a h, — как и ранее, постоянная Планка.

Квант видимого желтого света (ω = 5·10¹⁴ колебаний в секунду) оказывается равным примерно 2,1 эв.

Как бы ни были малы кванты, они сравнимы по величине с энергиями атомов. Они по порядку величины такие же, как энергии квантовых состояний атомов. Например, квант желтого света (2,1 эв) точно равен энергии, необходимой, чтобы перевести атом натрия из основного состояния в первое возбужденное.

Атомы и световые кванты. Каким бы странным ни казалось представление о световых квантах, оно открывает новую сторону вопроса о том, как атом испускает и поглощает свет, как свет производится атомами и как он влияет на них. Рассмотрим совместно понятие о световых квантах и понятие квантовых состояний атомов. Мы нашли, что атом может находиться только в определенных квантовых состояниях с определенными энергиями, характерными для атомов каждого сорта. Следовательно, атом может получать или отдавать энергию только в количествах, соответствующих разностям энергии между квантовыми состояниями. Если атом поглощает или испускает свет, энергия этого света должна равняться одной из таких разностей. Следовательно, атом может поглощать или испускать свет, кванты которого имеют «правильную» величину, а именно величину, равную одной из разностей энергий между атомными состояниями.

Это свойство сразу же объясняет, почему атомы поглощают и испускают только свет с определенной, характерной для них частотой. Например, атом в основном состоянии может воспринимать свет, квант энергии которого как раз равен энергии, необходимой для перевода атома в одно из более высоких квантовых состояний. Атом может поглощать свет только тех частот, которым соответствуют эти кванты. То же относится и к испусканию света. Атом может испускать свет, только находясь в каком-либо состоянии выше основного, причем квант этого света должен соответствовать разности энергий между данным и более низким, состояниями. Атом может получать или отдавать только такие кванты, чтобы баланс энергии отвечал переходу в одно из квантовых состояний. Поэтому свет, поглощенный или испущенный атомом, должен иметь частоту, отвечающую разности двух характеристических значений энергии.

Рассмотрим в качестве примера атом натрия. В холодном газообразном натрии все его атомы находятся в основном, или невозбужденном, состоянии. Излучение не испускается. Газ прозрачен для света; он непрозрачен лишь для света, частота которого соответствует одному из квантов, способных перевести атом в возбужденное состояние. Например, согласно рис. 23, первое возбужденное состояние натрия на 2,1 эв выше основного. Следовательно, квант света с частотой ω, равной 2,1 эв/h = 5,2·10¹⁴, имеет требуемую величину, и такой свет будет поглощаться газообразным натрием. Это характерный желтый свет. Сообщим теперь газообразному натрию энергию, нагревая его или пропуская через него электрический разряд, как это делается в желтых натриевых лампах, применяемых для освещения некоторых шоссейных дорог. При этом часть атомов натрия перейдет в более высокое возбужденное квантовое состояние. Такие атомы могут теперь испускать свет. Атомы в первом из возбужденных квантовых состояний испускают тот же желтый свет, который поглощает холодный газ. Именно этот свет мы и видим в излучении натриевых ламп. Если температура газа или энергия разряда повышается, создаются все более высокие квантовые состояния и излучается свет, окрашенный несколькими цветами.

Весьма замечательно, что результаты опытов по излучению света великолепно согласуются с опытами Франка и Герца. Все без исключения частоты, испускаемые или поглощаемые атомами, соответствуют переходам из одного квантового состояния в другое.

Вернемся теперь к самому основному вопросу: как электрон может быть одновременно и волной и частицей? Дать простое объяснение здесь очень трудно. Как показала неожиданная двойственная характеристика вещества, наши обычные представления о движении частиц не годятся для описания того, что происходит в мире атомов. В конце концов, эти понятия возникли в результате опыта человека, полученного при изучении видимых предметов, которые во много миллиардов раз больше атомных частиц.

Для того чтобы понять, что происходит в этом микромире, надо быть готовым оставить привычный способ мышления и заменить его новыми понятиями, навязанными нам природой.

Одна из черт классической физики, которую надо исследовать в связи с атомными явлениями, относится к их «делимости». Существует представление, что каждый физический процесс можно мысленно разложить на последовательность отдельных частных процессов. Согласно этому представлению, каждый процесс можно проследить шаг за шагом в пространстве и во времени, по крайней мере теоретически. Орбиту электрона вокруг ядра мы представляем себе как последовательность малых перемещений. Совместимо ли такое описание с тем, что на самом деле находится в атоме?

Согласно нашему обычному взгляду на вещи, электрон должен быть либо частицей, либо волной. Он не может быть одновременно и тем и другим. Внимательно следя за электроном вдоль всего его пути, мы должны решить этот вопрос и отнести электрон к одной или к другой категории. Вот здесь и возникает проблема делимости атомных явлений. Можно ли осуществить такую слежку? При этом возникают и технические трудности. Для того чтобы тщательно «рассмотреть» детали строения орбиты, следует применять свет с очень малыми длинами волн, ибо можно увидеть лишь такие объекты, размер которых значительно больше длины волны используемого для наблюдения света. Однако свет с такой малой длиной волны отвечает весьма большой частоте, т. е. очень большому кванту энергии. Действительно, у света с длиной волны порядка диаметра атомной орбиты квант энергии настолько велик, что его более чем достаточно, чтобы выбить электрон из атома. Попадая на электрон, он столкнет его с орбиты и разрушит самый объект нашего исследования.

Этот результат характерен не только для тех случаев, когда при исследовании электронных орбит применяется свет. В самом общем случае все результаты измерений, на основе которых должно быть вынесено решение о волновой или корпускулярной природе электрона (или протона, или любой другой частицы), обладают тем же свойством. Если произвести такое измерение, объект полностью изменит свое состояние вследствие самого этого действия, и полученный результат будет относиться не к исходному состоянию, а к тому, в котором оказался объект благодаря измерению. Однако это последнее состояние имеет столь большую энергию, что больше не проявляет волновых свойств.