Проявление нового свойства при действии света на тела

Если основная гипотеза Планка справедлива, то это новое свойство должно проявиться, п притом гораздо в более резкой форме, не только в черном излучении, по и во всех других явлениях, в которых участвует лучистая энергия. При этом заметим, что результат останется в главных чертах тем же, станем ли мы на первую или на вторую точку зрения, так как влияние света сказывается только тогда, когда он поглощается телом (резонатором). Относящиеся сюда явления чрезвычайно разнообразны: фотоэлектричество и вторичные катодные лучи, вызываемые рентгеновскими лучами, фотохимия, ионизация газов, флюоресценция и фосфоресценция, свечение закатодных лучей.

В каком виде могут здесь проявиться уже изложенные нами свойства атомов излучения? Необходимо помнить, что во всех этих случаях происходит переход лучистой энергии в иную при помощи особого механизма данного явления. Если мы допустим, что каждая молекула тела достает всегда только целые атомы излучения, то от механизма явления будет еще зависеть, какая часть пойдет на данный эффект, например па кинетическую энергию электрода или па излучаемый свет флюоресценции. Нельзя поэтому ожидать количественного совпадения, если мы, устранив вопрос о механизме явления, отождествим действие молекулы с действием поглощенного ею света.

Зато можно ожидать следующего качественного согласия с теорией. Энергия электрона, испускаемого одной молекулой, не должна превышать энергии одного, двух-трех атомов излучения. С увеличением числа колебаний энергия должна возрастать приблизительно в том же соотношении hv.

Очевидно, с другой стороны, что каковы бы пи были законы этих явлений, как бы они хорошо ни совпадали с требованиями атомной теории, всегда их можно отнести за счет специального механизма данного явления; поэтому они могут только подтверждать, а не доказывать атомную теорию. Подтверждение это будет, однако, тем серьезнее, чем большая область фактов найдет в атомной теории свое простейшее истолкование, так как тогда больше оснований принять одну новую гипотезу, чем стоять перед целой серией эмпирических закономерностей и специальных правил с исключениями.

Фотоэлектричество. Явление это заключается в испускании телом электронов под влиянием поглощенного света. Можно считать окончательно установленным, что начальная скорость электронов, вызванная светом определенного числа колебаний, абсолютно не зависит от силы света, но зато в общем возрастает с числом колебаний света (возможно, хотя и не установлено, существование частичных максимумов). Величина скорости такова, что начальная энергия фотоэлектрона несколько меньше энергии одного атома излучения:

Все эти законы непосредственно вытекают из представления о том, что каждый электрон получил свою энергию от одного атома излучения.

Часть кинетической энергии электрон должен потерять при прохождении сквозь поверхностный слой металла благодаря контактной разности потенциалов. Поэтому если энергия одного атома hv меньше, чем работа

при прохождении контактного слоя, то испускания электронов не будет. И, действительно, чем электроположительнее металл, тем меньше та предельная частота н, при которой свет уже вызывает фотоэлектрический эффект.

Те же законы можно объяснить и особым свойством внутриатомных сил. Электрон, резонирующий на данное н, отрывается или с той скоростью, какую он имел внутри атома, или же тогда, когда достигнутая им под влиянием света скорость превзойдет определенную величину. Однако те внутриатомные скорости, которые проявляются в радиоактивных процессах, измеряются десятками тысяч вольт, тогда как фотоэлектроны дают 1–4 В.*

Весьма важно также, что и те электроны, которые вызываются рентгеновскими лучами, подчиняются тем же основным законам. И здесь чем меньше период (продолжительность) рентгеновского импульса, тем больше скорости вызванных им электронов, тогда как от интенсивности лучей скорость не зависит. Величина скорости также находится в хорошем согласии с требованиями атомной теории.

На вторичных лучах особенно резко видно одно свойство данного явления, которое, впрочем, одинаково относится и к фотоэлектричеству, – свойство, трудно поддающееся объяснению без атомизации света. Неоднократно наблюдалось, что скорость вторичных электронов почти равна скорости тех первичных электронов, которые вызвали рентгеновский импульс. Трудно допустить, что выдергивание электрона вызывается большим числом последовательных импульсов, так как фазы их совершенно случайны. С другой стороны, импульс, распространяясь по шаровым поверхностям все большего радиуса, может передать в месте встречи с резонатором лишь малую часть всей своей энергии. Остается еще одно маловероятное допущение, что энергия вторичных лучей получена за счет внутриатомных радиоактивных процессов, а не рентгеновского импульса. Атомная теория, наоборот, предполагает, что порция энергии, излученная одним электроном, достигает другого электрона и поглощается им целиком. С другой стороны, однако, Зоммерфельд показал, что последовательное развитие электромагнитной теории приводит в случае рентгеновского импульса к чрезвычайно неравномерному распределению энергии: почти вся она сконцентрирована в узком конусе. Зоммерфельд смог даже показать, что при некоторых предположениях энергия импульса пропорциональна его продолжительности ф (которая играет роль н) и коэффициент пропорциональности близок к универсальной постоянной h.

Фотохимия. Эта область гораздо менее изучена; однако то, что здесь известно, говорит в пользу атомной теории.

Мы будем ожидать, что увеличение энергии одной молекулы при перегруппировке не должно превышать энергии атома излучения. Поэтому не всякий поглощенный свет может производить фотохимические действия, а только обладающий достаточно большим числом колебаний, по преимуществу ультрафиолетовый. От силы света эта предельная длина волны не должна зависеть. Если данная длина волны смещает термодинамическое равновесие системы, то она будет способна на это и при ослаблении света; наоборот, если данный свет (например, красный) не смещает равновесия при малой интенсивности, то и при усилении силы света в сотни раз он оказывается неспособным сместить его.

Как порядок величины молекулярной энергии при фотохимических процессах, так и роль цветности (числа колебаний) находятся в согласии с требованиями атомной теории.

Такое же хорошее согласие с теорией обнаруживают и те данные, которые имеются об ионизации газов ультрафиолетовым светом и об испускании электронов при химических реакциях. Здесь можно даже говорить о количественном подтверждении выводов атомной теории.

Флюоресценция и фосфоресценция. Эти явления заключаются в поглощении света одной частоты и испускании света других частот. Исследования Ленарда указали на тесную связь этих явлений с фотоэлектричеством. Поскольку явление зависит от свойств света, нужно было бы ожидать, что молекула, поглотившая атом излучения данной частоты, будет излучать свет меньшей частоты, обладающий меньшей энергией, т.е. свет испускаемый обладает большей длиной волны, чем свет возбуждающий. А это и есть так называемое правило Стокса, подтвержденное в громадном числе случаев.

Известны, однако, несомненные исключения из этого правила: 1) в свете флюоресценции встречаются и более короткие длины волн, чем возбуждающие; 2) если возбуждающий свет лежит в полосе поглощения, соответствующей и свету флюоресценции, то внутри той же полосы можно пользоваться п более длинными и более короткими волнами для возбуждения флюоресценции.

Легко, однако, видеть, что подобные исключения не противоречат атомной теории: 1) правило Стокса можно относить к средней частоте возбуждающего и возбужденного света, а не к отдельным составляющим колебаниям; 2) возможны случаи, когда поглощаются два атома излучения, в особенности при слабом тепловом движении (низких температурах). Во всяком случае флюоресценция, противоречащая правилу Стокса, встречается редко. Для фосфоресценции и такие исключения неизвестны.

При флюоресценции интенсивность света не оказывает никакого влияния на появление или отсутствие эффекта. Только сила света флюоресценции связана с силой возбуждающего света.

И в этой области давно уже подмеченные закономерности вполне естественно вытекают из атомной гипотезы света, тогда как соответственного механизма пока придумать ие удалось. Возможно, что флюоресценция и фосфоресценция могут быть объяснены при помощи фотоэлектричества; однако и в этой последней области механизм объясняет лишь очень немногие стороны явления.

Явление флюоресценции в области рентгеновских лучей (вторичные рентгеновские лучи) вполне подчиняется правилу Стокса.

Закатодные лучи. Наблюдая спектр закатодных лучей, движущихся по направлению к щели спектрографа, Штарк заметил, что кроме обычной линии, соответствующей данному газу, рядом появилась вторая линия большей частоты, как это и следовало ожидать на основании принципа Доплера. По отклонению этой «движущейся» линии, т.е. линии, вызванной движущимися частичками, от «покоящейся» можно судить о скорости движения частички. Опыт показал, что в закатодных лучах светят только частички, покоящиеся или движущиеся со скоростью, большей некоторой предельной скорости. С другой стороны, по-видимому, эта предельная скорость тем значительнее, чем больше частота света, так что кинетическая энергия светящихся частиц растет пропорционально hv. Кроме этих частиц, преобладают, по Штарку, частицы с энергиями 2 hv и 3 hv.

Это явление, хотя и дает, по-видимому, наилучшее согласие с атомной теорией, па самом деле, может быть связано с ней лишь добавочным допущением, что энергия излучения и кинетическая энергия молекулы связаны простым соотношением (например, при ударе закатодной частицы о молекулу половина энергии переходит в колебательную, а вторая половина – в кинетическую).

Теплоемкость твердых тел при низких температурах.* Наиболее блестящее, но и наиболее неожиданное подтверждение получила атомная теория света в наблюдениях Нернста над теплоемкостями тел при низких температурах. Рассматривая твердое тело при достаточно низких температурах как систему резонаторов, кинетической энергией которых можно пренебречь по сравнению с колебательной, и распространяя на молекулы тела гипотезу атомного излучения, Эйнштейн заключил, что теплоемкость должна быстро падать при приближении к абсолютному нулю, и дал формулу для этой зависимости, которая оказалась в неожиданном согласии с опытом. Допущение двух родов резонаторов уже оказывается достаточным и для количественного совпадения с опытными данными.

Замечательно, что то число колебаний, которое входит в формулу Эйнштейна для теплоемкости, совпало во всех случаях с числами, вычисленными Линдеманом на основании совершенно других данных.

Каммерлинг-Оннес показал, что его новые наблюдения над падением сопротивления чистых металлов при очень низких температурах находятся в полном согласии с гипотезой Эйнштейна.

Такое же неожиданное согласие обнаруживает и недавно открытое Хабером явление испускания электронов при химических реакциях.

Таким образом, гипотеза об атомах света оказалась чрезвычайно плодотворной и в области чисто молекулярных и тепловых явлений, что указывает на существование более глубокой и общей основы данной гипотезы, чем те явления, которые ее впервые вызвали.

Заключение

Атомная гипотеза лучистой энергии возникла как выход из того противоречия, к которому привела электромагнитная теория в связи со статистическими представлениями о тепловом равновесии. Для разрешения этого противоречия, очевидно, нельзя пожертвовать электромагнитной теорией; но в настоящее время, когда статистическая механика получила столь наглядное подтверждение в броуновском молекулярном движении, в излучении б-частичек радием, в испускании электронов раскаленными телами, невозможно отказаться и от применения теории вероятностей. Оказывается, однако, что обе эти теории приводят к самому полному согласию с опытом, если выдвинуть новую гипотезу.

Эта гипотеза вводит новую универсальную величину – атом излучения, который, однако, оказывается по своим свойствам вполне аналогичным атомам материи и атомам электричества, успевшим уже завоевать прочное место в системе описания природы.

Та же гипотеза, примененная к другим проявлениям лучистой энергии, приводит к ряду закономерностей, давно уже установленных в этих областях в качестве эмпирических правил. Даже применение ее к тепловым колебаниям молекул в твердом теле, предшествовавшее опыту, предсказало его с неожиданной правильностью.

Этого во всяком случае достаточно, чтобы уделять этой гипотезе серьезное внимание и признать в ней новое важное обогащение наших теоретических представлений.

В то же время надо сознаться, что атомная гипотеза сама еще никакого объяснения не имеет, что она не имеет даже конкретной, хотя и произвольной формы, что не выяснено, удастся ли ее согласовать с хорошо изученными фактами волновой оптики, что она вообще создает больше вопросов, чем дает ответов.

Тем больше оснований заняться ее проверкой и развитием – выделить из нее то здоровое зерно, которое в ней несомненно имеется, установить границы ее применимости и придать ей то или другое конкретное содержание.