Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| Гл. XXII. Строение атома
сопровождается испусканием рентгеновского излучения. Теория световых квантов предсказывает, что в самом благоприятном случае вся кинетическая энергия электрона после его остановки перейдет полностью в один-единственный фотон, энергия кото- рого hν определяется из условия W кин = hν
max . Если электрон разгонялся разностью потенциалов U , то W кин
= eU. Итак, максимальная частота рентгеновского излучения зада- ется соотношением hν max = eU. (209.2)
Действительно, измерения подтвердили, что рентгеновский спектр в таких экспериментах характеризуется коротковолновой границей λ min = c/ν max
, где c — скорость света, а максимальная частота излучения согласуется с условием (209.2). Более короткие волны (боль- шие значения частоты ν) никогда при этом не наблюдаются, а более длинные волны соответствуют превращению лишь ча- сти кинетической энергии электрона в рентгеновское излучение. Определение коротковолновой границы рентгеновского спектра может быть выполнено весьма надежно. Поэтому такие опыты использовались для определения значения постоянной Планка (в соответствии с (209.2)). Наилучшие измерения, выполненные этим методом, дали h = 6,624 · 10
− 34 Дж · с 1 ). Эти данные согла- суются с результатами измерения h в опытах по фотоэффекту. Таким образом, теория квантов хорошо подтверждается не толь- ко опытами по поглощению энергии излучения (фотоэффект), но и опытами по ее испусканию. Регулируя число электронов, бомбардирующих анод рентге- новской трубки, мы можем изменять число излучаемых рентге- новских фотонов. Если теперь подвергнуть металлическую пла- стинку воздействию рентгеновским излучением, вызывая тем самым выход фотоэлектронов, то, как показывают опыты, кине- тическая энергия этих электронов будет равняться энергии рент- геновских квантов (так как энергия электронов и рентгеновских квантов в таких опытах составляет десятки киловольт, то рабо- той выхода электронов из металла — несколько электронвольт — можно пренебречь). Таким образом, весь цикл превращений энергии в этих опы- тах выглядит так: 1) превращение работы электрического по- 1 ) Наиболее точное современное значение постоянной Планка h = = (6,626176 ± 0,000036) · 10 − 34 Дж · с.
Гл. XXII. Строение атома 503
ля eU в кинетическую энергию электрона W = 1 / 2 mv 2 e в рентге- новской трубке; 2) превращение кинетической энергии электро- на в энергию излучаемого электроном при резком торможении рентгеновского кванта; 3) поглощение фотона электроном и пре- вращение его энергии в кинетическую энергию фотоэлектрона: eU = 1
mv 2 e = hν = 1 2 mv 2 . Такие опыты можно сильно разнообразить, пользуясь удоб- ными условиями экспериментов с рентгеновским излучением. Все они показывают, что энергия передается в этих явлениях концентрированными порциями, а не накапливается постепенно, как это имело бы место при непрерывной передаче энергии в виде электромагнитной волны. Один из самых убедительных опытов такого типа был поставлен Абрамом Федоровичем Иоф- фе (1880–1960). Были выполнены также прямые эксперименты по регистрации отдельных фотонов, показывающие, что энер- гия рентгеновского излучения распространяется от анода трубки в разные стороны не одновременно, а в виде порций (квантов), летящих то в ту, то в другую сторону. Таким образом, исследование фотоэффекта и опыты с рентге- новским излучением убедительно показали, что свет ведет себя в этих явлениях не как волна, а как некоторая частица — фотон, которая образуется при излучении, летит в каком-то направле- нии и, поглощаясь, целиком отдает свою энергию другой части- це. Но если фотон ведет себя как частица с полной энергией W = hν, то он должен иметь и определенный импульс. Фотон имеет скорость, равную скорости света. Поэтому из общих фор- мул релятивистской механики (см. §§ 199, 200) следует ожидать, что он будет обладать импульсом p = v
2 W =
1 c W = hν c . (209.3) Как мы уже видели раньше (§ 200), отличительной особенностью фотона является равенство нулю его массы покоя: фотон всегда движется со скоростью света и не может существовать как покоящаяся частица. То, что фотоны обладают импульсом, косвенным образом сле- дует уже из опытов по световому давлению (§ 65). Способность света оказывать давление на отражающую или поглощающую поверхность следует интерпретировать как результат передачи импульса фотонов, подобно тому как отражающиеся от стенки |