Природа света и фотоэффект

А зачем оно надо?

Около 100 лет назад фотоэффект продемонстрировал, как свет влияет на электроны металла. Это дает возможность манипулировать электронами посредством света.

Данное открытие поспособствовало революции в электронике, а также разработке нового поколения вычислительных машин — квантовые компьютеры. Возможно, благодаря этому у нас появится более скоростной Интернет, а Винда перестанет жрать столько оперативки.

А что насчет самого света? Дело в том, что над загадкой о том, что такое свет ломали голову величайшие умы человечества, и благодаря фотоэффекту наконец-то удалось получить ответ на этот весьма фундаментальный вопрос.

Свет, ты кто вообще такой?

Чтобы понять, что такое фотоэффект и с чем его едят, нужно отправиться в 1672 год. В то время когда Ньютон и Гук спорили насчет того, что же такое свет?Ньютон считал, что свет это частицы, а Гук — что это волна.

Долгое время спор не удавалось разрешить, пока знаменитый ученый-физик Джеймс Кларк Максвелл не вывел свои знаменитые уравнения касательно взаимодействия электрического и магнитного полей, где они выступают в роли волн, которые движутся со скоростью света. Таким образом, Максвелл предположил, а вскоре Генрих Герц доказал в конце XIX столетия, что свет по своей природе является волной. Такое определение света утвердилось на очень долгое время.

Все стали думать что свет — это волна. С одной стороны это так. Но если бы все было так просто...

Загадка об ультрафиолетовой катастрофе

Поговорим об "ультрафиолетовой катастрофе". Уверен, что каждый из вас знает, что яркость света от лампы накаливания зависит напрямую от температуры накаливания на проволоке (обычно вольфрам). Но также я уверен, что никто из вас не знает природу данного явления. Все усложнял тот факт, что человек не мог получить настолько высокую температуру, при какой свет был бы голубого оттенка.

В свое время талантливый физик-теоретик Макс Планк вместе с его коллегами сделали первый шаг к решению этой проблемы. Ученому удалось найти математическую связь между оттенком света, частотой излучения и потребляемой энергией. К сожалению, на пути стояла еще одна загадка, какую Планку не суждено было решить.

В конце XIX века было открыто радио. В то время радиоволны исследовали с помощью специальных приборов (катушка, при прокручивании которой создавалось огромное напряжение, и 2 вершин, между какими "проскакивали" искры). Дело вот в чем. Ученые заметили, если посветить на эти вершины лампой, то искры будут появляться чаще, т.е. "проскакивать" электронам станет легче. В чем же дело?

Наше решение — фотоэффект

Дабы поподробнее рассмотреть связь между светом и электричеством, был построен электроскоп с 2 золотыми листочками. Это тот же прибор с катушкой и вершинами, просто более чувствительная. После зарядки прибора, образуется избыток электронов, от чего листочки отталкиваются друг от друга. Что же, теперь посветим на прибор красным светом. Листочки не схлопываются. Увеличиваем яркость света — листочками все равно. Далее мы, как настоящие ученые надеваем защитные очки, ибо нам придётся посветить на электроскоп синим, обогащённым на ультрафиолет, светом. И, о чудо, листочки схлопнулись. Свет способен убрать с листов заряд статического электричества.

Наглядная иллюстрация, автор старался

Но как вяленькому ультрафиолету (virgin) удается сделать это лучше, чем яркому красному свету (chad)? Вопрос этот решил наш любимый "языкатый" велосипедист, Альберт Эйнштейн. В 1905 году он рассказал миру о своей теории, в которой присутствовало слово "квант". В тот год каждый знал про него, но мало кто знал, что с "кванта" состоит свет. В понимании Эйнштейна, квантом была мельчайшая частичка с таким же мизерным количеством энергии. Эта теория набрала большой популярности, так как решала проблему фотоэффекта. Как именно? Опять же рассмотрим на примере. Все мы знаем или слышали о парках аттракционов, в особенности про развлечение наподобие: кинь шарик в кучу банок и получи приз. Так вот представим, что у нас есть 2 шарика красного (красный свет) и синего (ультрафиолет) цвета, а также банки (электрический заряд метала). Так вот красные шарики у нас легкие, понятно что ними снести банки-заряды сложно, точнее нереально. А синие шарики поувесистей - они-то разнесут башенку с банок на раз-два. Все объяснялось тем, что ультрафиолет имеет намного выше частоту, нежели у красного света.

Альберт Квантович Эйнштейн в молодости

Но что же выходит: свет — это волны и частицы одновременно? Странный парадокс, тем не менее именно этот парадокс лежит в основе корпускулярно-волнового дуализма, где свет одновременно является как волнами, так и частицами (квантами).

Однако тогда совершенно неясно, как все таки воспринимать свет? Физикам не составило особого труда победить двуглавого монстра ибо уравнения, которые описывают свет-частичку, в общем, могли описать свет-волну. Ученые просто переключали "передачи" на своем велосипеде, переходя из одной системы в другую.

Таким образом мы разобрались в природе света, а также выяснили какую роль тут сыграл фотоэффект.