Флуктуация фотонов

Флуктуация фотоновДискретная структура вещества имеет своим следствием статистический характер явлений и законо­мерностей молекулярной физики: в опытах наблюдаются флук­туации частиц вещества, например систематические отклонения давления от среднего значения (броуновское движение). Очевидно, что дискретный характер излучения — его фотонная структура — также должен проявляться в статистике фотонов, т. е. должны наблюдаться флуктуации числа фотонов.

Ряд физиков занимались экспериментальной проверкой на­личия флуктуации фотонов. Рассмотрим некоторые опыты.

Опыт Боте.

В 1924 г. В. Боте поставил опыт по наблюдению флуктуаций фотонов рентгеновского излучения. Заметим, что флуктуации можно обнаружить только при малом числе фотонов. Это аналогично тому, что флуктуации давления наблюда­ются при небольшом числе молекул газа или жидкости.

Здесь А — железная или медная фольга, освещаемая сбоку узким пучком жесткого рентгеновского излучения R. При этом фольга сама становится источником рентгеновского излучения с определенной частотой (рентгеновская флуоресценция). Это вто­ричное излучение попадает в два счетчика Гейгера С1 и С2. Попадание рентгеновского фотона в счетчик приводит к его срабатыванию, что регистрируется пересчетными устройствами П1 или П2.

Если бы источник А излучал так, как этого требует волновая теория, то сферическая волна одновременно доходила бы до обоих счетчиков С1 и С2 и они бы срабатывали одновременно. Если же из фольги А вылетают отдельные фотоны, то вылеты последних вверх и вниз являются независимыми беспорядочными событиями. При малом числе фотонов будет беспоря­дочно срабатывать то первый счетчик, то второй. Именно это и наблюдалось в эксперименте, что убедительно свидетельствует о квантовом характере излучения.

Опыт Иоффе и Добронравова.

В 1925 г. А, Ф. Иоффе и Н. И. Добронравов поставили опыт. Установка была сконструирована таким образом что на тонкую фольгу в точке А ежесекундно попадало 1000 элек­тронов с энергией 12 кэВ каждый. При ударах электронов о фольгу возникало рентгеновское излучение, свободно проходя­щее через нее. Отрицательно заряженная пылинка висмута диаметром d=0,6 мкм уравновешивалась в электрическом поле на расстоянии h=0,2 мм от нижней пластинки. За пылинкой наблюдали с помощью зрительной трубы.

Опыт показал, что в среднем один раз за 30 мин пылинка срывалась с места. Это означало, что за счет поглощения рентгеновского излучения пылинка теряла электрон (фотоэф­фект). Изменив напряжение между обкладками, пылинку опять уравновешивали и продолжали наблюдение. Примерно через полчаса пылинка вновь срывалась с места и т. д.

Объяснить это явление с точки зрения волновой теории невозможно. В самом деле, если при ударе электрона о фольгу в точке А возбуждается сферическая волна с полной энергией Е=12 кэВ= 1,2*104 эВ, то эта энергия должна равномерно распределиться но сферическому фронту волны, т. е. в телесном угле 4 ср.

Квантовая теория объясняет это явление, причем не только качественно, но и количественно. В самом деле, при ударе электрона о фольгу возникает один фотон рентгеновского излучения с энергией 12 кэВ, которая значительно больше работы выхода. Значит, этот фотон вырвет электрон из пылинки, если он в нее попадет.