Досліди Йоффе і Добронравова
ФІЗИКА
Частина 4
ОПТИКА. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ
Розділ 13 КОРПУСКУЛЯРНІ ВЛАСТИВОСТІ СВІТЛА
13.6. Досліди Йоффе і Добронравова
У 1922 р. А. Ф. Йоффе і М. І. Добронравов виконали спеціальні досліди з елементарного фотоефекту, якими було експериментально підтверджено поширення випромінювання у вигляді окремих фотонів та квантовий характер взаємодії випромінювання з речовиною. Схему установки зображено на рис. 13.4. У товстій ебонітовій пластинці було зроблено порожнину, з якої відкачували повітря. Ця порожнина відігравала
Рис. 13.4
З погляду хвильових уявлень про характер електромагнітного випромінювання результати дослідів Йоффе і Добронравова пояснити не можна. Якби енергія рентгенівських імпульсів рівномірно розподілялась відповідно до хвильової теорії по всьому сферичному фронту хвилі, то тоді долі одного електрона порошинки відповідала б мізерна кількість енергії, недостатня для його вивільнення з металу. Отже, або один електрон неймовірно тривалий час (τ ≈ 30 хв) накопичував енергію рентгенівського випромінювання, не віддаючи її сусіднім частинкам, або всі електрони порошинки незрозумілим чином мали б іноді передавати енергію, що ними поглинута, одному електрону, який вивільнюється з порошинки. Проте таке пояснення втрачає всяку підставу, оскільки випромінювання електрона відбувалось з однаковою енергією через різні проміжки часу.
Результати дослідів Йоффе і Добронравова можна пояснити, виходячи із корпускулярних уявлень про структуру випромінювання:
А) з потоку рентгенівського випромінювання при поглинанні електрон сприймає енергію одного фотона, а не довільну кількість енергії;
Б) рентгенівський фотон, маючи енергію, достатню для того, щоб вивільнити з металу велику кількість електронів, поглинається лише одним із них.
Ці досліди дають змогу встановити квантовий характер електромагнітного випромінювання. Відстань від антикатода до порошинки (2 ∙ 10-4 м) фотон долає за 7 ∙ 10-13 с. Наступний фотон випромінюється через 10 с, тобто через багато часу після того, як попередній фотон вийшов далеко за межі установки або вирвав з порошинки електрон.
Квантова природа електромагнітного випромінювання проявляється в тому, що порошинка поглинає не частину енергії фотона, що падає на неї, а всю енергію фотона цілком. Квантові властивості випромінювання виявляються при розсіюванні фотонів великих енергій ε. При λ = 0,1 нм енергія кванта буде hν = 1,92 ∙ 1015 Дж = 1,2 ∙ 104 еВ, що набагато перевищує енергію зв’язку зовнішніх електронів у атомі, яка становить близько 1… 10 еВ. Тому при взаємодії рентгенівського фотона з таким електроном атома електрон можна розглядати як слабко пов’язаний з атомом або навіть практично вільний. При поглинанні фотона такий “вільний” електрон поглинає практично всю енергію фотона і виходить далеко за межі початкового атома. Поглинувши фотон, електрон може відразу випустити такий самий фотон або фотон меншої енергії (і частоти). Явище розсіювання рентгенівського випромінювання електронами докладно вивчив А. Комптон.