Сегодня мы рассматриваем фотоэлектрический эффект как одно из простейших эмпирических доказательств, ведущих к квантовой физике. Однако историческое развитие предмета, по-видимому, включало гораздо более сложные и косвенные доказательства, такие как кривая излучения черного тела.
В учебниках и руководствах для лабораторий часто упоминается факт о фотоэффекте, заключающийся в том, что тормозное напряжение не зависит от интенсивности света. Этот факт легко объяснить с помощью фотонной модели. Также в учебниках часто можно встретить утверждения о том, что согласно «классической теории» тормозное напряжение должно было увеличиваться с увеличением интенсивности света.
Однако для меня вовсе не очевидно, что можно построить какую-либо такую классическую теорию. В частности, я сомневаюсь, что можно построить классическую модель, которая делает следующие предсказания: (P1) фотоэффект возникает с твердыми металлами, (P2) существует конечное тормозное напряжение, и (P3) это тормозное напряжение увеличивается с интенсивностью свет. Обратите внимание, что если модель не предсказывает P1 и P2, то мы даже не можем осмысленно спросить, предсказывает ли она P3.
Какова была реальная историческая ситуация? Я могу представить как минимум пять сценариев.
(а) Фотоэлектрический эффект в твердом металлическом катоде был полной куновской аномалией. Физики, обученные классической парадигме, не увидели бы многообещающих направлений атаки и не смогли бы построить даже частично успешную модель. Поэтому они игнорировали это и работали над другими проблемами.
(b) Была опубликована или публично обсуждена какая-то настоящая классическая модель, которая предсказывала P1-P3.
(c) Люди построили и обсудили модели, которые давали предсказания, подобные P1-P3, в случае свободного электрона или, возможно, газообразного катода. Модели просто не могли быть расширены до твердого металлического катода.
d) авторы учебников, ссылающиеся на «классическую модель», используют небрежную лексику или не изучают реальную историю; на самом деле есть некоторая модель, которая предсказывает P1-P3, но это не чисто классическая модель. Это своего рода гибрид, такой как теория Бора-Крамерса-Слейтера.
(f) Просматривая исторический раздел статьи WP о фотоэлектрическом эффекте, кажется, что презентации в учебниках могут создавать ложное впечатление об исторической последовательности. Кажется, что свидетельства до 1905 года были в основном очень грубыми и качественными. Из-за скудости количественных данных, возможно, было мало мотивации для серьезного построения модели.
Кто-нибудь может прояснить, что на самом деле произошло?
В статье Эйнштейна 1905 года есть следующее (перевод Д. Тер Хаара?) по этой теме:
Насколько я вижу, наши идеи не противоречат свойствам фотоэлектрического действия, наблюдаемым г-ном Ленардом. [Согласно квантовой гипотезе] распределение скоростей электронов... не зависит от интенсивности падающего света...
Далее он не утверждает, что такое наблюдение противоречит классической теории. Эйнштейн ссылается на статью Ленарда 1902 года, в которой показано, что тормозной потенциал увеличивается с частотой света, но не зависит от интенсивности.
Вкратце, вот почему для меня не очевидно, что любая классическая модель может производить P1-P3. Я не утверждаю, что я прав — я просто пытаюсь объяснить, почему я сомневаюсь в существовании любой такой модели. В классической модели твердого металлического катода электроны проводимости представляют собой классический газ с максвелловским распределением скоростей. Видимый свет имеет длину волны, намного превышающую среднее расстояние между электронами, и поэтому все, что он на самом деле делает, — это нагревает катод. Независимо от температуры максвелловское распределение имеет высокоскоростной хвост, энергия которого больше работы выхода, поэтому электроны испускаются с поверхности с некоторой скоростью. У этого хвоста нет резкого обрыва, и, следовательно, нет четко определенного тормозного напряжения.
«Серьезный» в смысле OP, вероятно, слишком высок. В 1900-х годах ситуация очень сильно менялась в отношении того, что могла и не могла объяснить классическая физика. Даже идеи Планка и Эйнштейна, которые мы сейчас связываем с квантовой механикой, в то время были включены в, казалось бы, классические подходы. Но на сцене преобладали качественные гипотезы, а не тщательно построенные теории с четко сформулированными предсказаниями.
Между 1902 г., когда Ленард установил независимость фотоэффекта от интенсивности света, и 1911 г. преобладающим объяснением была собственная «триггерная гипотеза» Ленарда. Согласно ему, « свет имеет только инициирующее действие, подобное действию предохранителя при выстреле из заряженного ружья », как выразился сам Ленард в своей Нобелевской лекции 1906 года . Это соответствовало и его модели атома, которая в некоторых аспектах предвосхищала модель Бора, но обе были качественными, а не количественными.
Хотя эксперименты Ленарда вдохновили Эйнштейна на написание в 1905 году статьи о фотоэффекте, его световые кванты не получили большого распространения до 1911 года, когда сам Ленард опроверг триггерную гипотезу, продемонстрировав, что ионизация газов ультрафиолетовым светом не приводит к сильной ионизации, не сопровождаемой поглощением света. Более точные опыты с газом были выполнены Ланжевеном и Блохом только в 1908 г., а с металлами — в 1914 г. Милликеном. Подробный исторический отчет содержится в книге Уитона «Филипп Ленард и фотоэлектрический эффект, 1889–1911» :
"Почти пустой атом Ленарда, который испускает характерные спектральные линии, когда свободные электроны возвращаются к равновесию в динамической структуре атома, наводит на мысль об атоме, предложенном пятью годами позже Нильсом Бором. Но есть принципиальные отличия. Ленард никогда не был количественной теорией атома. Его идеи об атомах получили поддержку в Германии прежде всего благодаря его выдающимся экспериментальным способностям. Его триггерная гипотеза фотоэлектрического эффекта требовала, чтобы каждый электрон внутри атома имел скорость, которая постоянно связана с его механической частотой. Конкретное отношение частоты к скорости для каждого материала катода можно было определить только экспериментально. Фотоэффект не предсказывал, какой будет связь, он лишь делал ее доступной для наблюдения.
В 1909 г. триггерная гипотеза Ленарда была включена знающим обозревателем в число «общепризнанных истин физики». Альберт Эйнштейн, охарактеризовавший экспериментальную работу Ленарда над фотоэффектом как «поиск пути», предложил альтернативную интерпретацию в 1905 году. Но квант света Эйнштейна, который объяснял результаты Ленарда ценой отказа от классического волнового излучения, в начале века не имел большой поддержки. Эйнштейн предсказал, что будет найдена непрерывная линейная зависимость между частотой и тормозным потенциалом. Но эмпирические данные вызывали сомнения до 1915 года. При наличии соответствующей модели атома, подобной той, что была предложена Томсоном в 1910 и 1913 годах, даже закон Эйнштейна можно было согласовать с механизмом запуска. "
Даже идеи квантов света Эйнштейна казались в то время совместимыми с классической физикой. Эйнштейн и Лоренц переписывались о световых квантах в 1909 году. Лоренц только что скрупулезно разработал классическую теорию излучения абсолютно черного тела и подверг резкой критике « точечные количества энергии или, по крайней мере, количества энергии, сосредоточенные в очень малых пространствах », которые Эйнштейн, казалось, постулат. Классические объяснения дискретизации энергии в фотоэффекте казались достижимыми. Еще Эйнштейн дистанцировался от «точечных квантов света» и предложил их описание как « сингулярности, окруженные векторным полем, напряженность которого уменьшается с расстоянием. Энергия поля при этом каким-то образом связана с числом этих сингулярностей».Борьба Хендрика Антона Лоренца Кокса с квантовой теорией .
Аналогичная динамика произошла с формулой излучения черного тела Планка . Статистическая механика в целом и теорема о равнораспределении в частности оказались под подозрением. Планк и даже Джинс и Лоренц сомневались в универсальности теоремы о равнораспределении. То, что классическая теория ведет к «ультрафиолетовой катастрофе», оставалось неясным до лекции Лоренца в Риме в 1908 году. Согласно источнику Куна, у Планка тоже было впечатление, что он занимается классической физикой до 1906 года. В 1908 году, когда Лоренц признал, что «только с помощью гипотезы энергетических элементов можно прийти к правильному закону излучения", акцент сместился с чисто классического подхода на выявление источника "несплошности": был ли он в веществе, в его взаимодействии с электромагнитным полем, или в самом поле? полностью избавиться от волн, как предложил Дуэйн в связи с дифракцией рентгеновских лучей.