Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Рис. 156. Прямой (а) и обратный (б) фотоэффекты: выброс электрона атомом под действием света (а) и генерация атомом рентгеновского излучения при захвате электрона.
Вполне возможно, что правильное понимание механизма фотоэффекта позволит ещё сильней повысить КПД солнечных батарей, найти более дешёвые и эффективные полупроводниковые материалы, преобразующие свет в электроэнергию. Пока же поиск таких материалов вёлся вслепую. И, лишь на базе классического подхода, этот поиск станет, наконец, целенаправленным, осмысленным и эффективным. Стоит отметить, что в диэлектриках и полупроводниках, в отличие от металла, свету, возможно, всё же приходится совершать некоторую работу по ионизации атомов, поскольку производится отрыв уже не только внешних, но, порой, и внутренних электронов в атоме. Вероятней всего, в таких случаях свет не сам выбивает эти внутренние электроны, а делает это через посредство внешних. Сначала свет воздействует на внешние, крутящиеся возле атома электроны энергии E=hf, заставляя их срываться с орбиты (§ 4.3). Эти внешние электроны ударяют в другие атомы и, при достаточной энергии E (если она достигает энергии ионизации Eи), выбивают из атомов внутренние электроны, производя ионизацию. В этом, видно, и состоит причина того, что атом может быть ионизован лишь светом частоты f=Eи/h или большей. Поэтому, фотоэлементы и солнечные батареи необходимо конструировать на основе материалов с возможно меньшей энергией отрыва электронов от атомов.
Аналогично протекает фотоионизация в газах: внешние электроны атомов, сорвавшись с орбиты — под действием света частоты f=Eи/h, без потерь своей энергии E=Eи ударяют в другие нейтральные атомы и выбивают из них внутренние электроны, которым уже приходится преодолевать притяжение ядра, затрачивая на это сообщённую энергию Eи. Известна и многофотонная ионизация, когда ионизацию производит свет меньшей частоты f=Eи/nh, где n — целое число [74]. Однако, объясняется этот феномен, подобно нелинейному фотоэффекту, — не поглощением сразу n фотонов, а генерацией средой кратных частот 2f, 3f…, nf, за счёт нелинейных эффектов (§ 4.5). Интенсивное излучение частоты f, проходя через среду, обогащает свой спектр, за счёт генерации новых гармоник атомами газа. Это вторичное излучение кратных частот f'=nf=Eи/h и выбивает электроны из атомов. Впрочем, возможно и вырывание электрона из атома под действием ударов сразу нескольких фотоэлектронов (не фотонов!), с энергией, меньшей энергии ионизации.
Во многом схож с фотоэффектом и процесс образования электрон-позитронных пар, под действием гамма-излучения, тоже имеющего критическую частоту f=Eп/h, по превышении которой из ядер вырываются электроны с позитронами [139]. Только здесь энергия Eп — это уже не энергия связи электронов с металлом или с атомом (энергия ионизации), а электростатическая энергия связи электронов и позитронов в ядре, составляющая величину, порядка Eп=2mc2 (§ 1.16, § 3.12, § 3.13). В целом, процесс "рождения" электрон-позитронных пар протекает подобно фотоионизации: излучение с частотой выше f>Eп/h воздействует на электрон, крутящийся в магнитном поле ядра, с той же частотой f и энергией E=hf>Eп. Этот электрон, при ударе о ядро, способен за счёт своей высокой энергии выбить из ядра либо электрон, либо позитрон, которых в ядрах почти поровну. Оттого гамма-излучение и создаёт поток, где электронов и позитронов поровну, что трактуют как рождение их парами. Впрочем, нередко они и впрямь вылетают парами, если электрон, выбивший позитрон, не поглотится ядром, а отскочит от него. Тогда, в камере Вильсона видно, как из одной точки (от одного ядра) исходят сразу два следа: электрона и позитрона. Если вспомнить аналогию электронов и позитронов — с чёрными и белыми шашками, сидящими в своих клетках на шахматной доске (атомном ядре, § 3.2, § 3.12), то механизм вылета из ядра электрон-позитронных пар напоминает игру "Чапаев", где удары чёрных шашек (электронов) выбивают с шахматной доски белые шашки (позитроны), вылетающие нередко парой, вместе с ударившими их чёрными.
То, что ядра содержат позитроны, а удары электронов выбивают их оттуда, подтверждено явлением β+-распада и опытами Д. Скобельцына, в которых электрон-позитронные пары вылетали из ядер при облучении высокоэнергичными электронами [19, с. 326]. Если же энергия налетающего электрона или иной частицы (скажем, из космических лучей) — достаточно высока, то, при ударе о ядро, она может освободить до нескольких десятков электронов и позитронов. В этом случае, в камере Вильсона или на эмульсии видны "звёзды": из одной точки (ядра) исходят сразу сотни треков, — ядро как бы взрывается на сотни составлявших его элементарных зарядов (§ 3.9). Так же, и при облучении гамма-лучами с частотой f>>Eп/h образуются высокоэнергичные электроны, выбивающие из ядра сразу несколько электрон-позитронных пар. Понятно и то, почему число образуемых пар пропорционально квадрату заряда ядра Z2. Ведь, в ядрах с высоким Z — пропорционально Z2 увеличено число электронов, крутящихся в магнитном поле ядра — на соответствующих орбитах, с энергией порядка 1 МэВ. Значит, гамма-излучение в Z2 раз эффективней воздействует на вещество, вырывая эти электроны и, при ударе их о ядра, порождая больше электрон-позитронных пар.
Итак, опыт убеждает, что все так называемые "квантовые закономерности", открытые в явлениях фотоэффекта, фотоионизации и рождения электрон-позитронных пар, обусловлены отнюдь не свойствами света, но — свойствами атомов, вещества. Так, селективный и нелинейный фотоэффекты явно свидетельствуют, что процессы излучения и поглощения веществом света имеют резонансный, колебательный, волновой характер, а никак не квантовый. Лишь классическая модель фотоэффекта, которую отстаивал и отец фотоэффекта А. Столетов, способна помочь адекватному и простому пониманию всех закономерностей фотоэффекта.
§ 4.7 Эффект Комптона
Явление изменения длины волны при рассеянии света можно было бы объяснить с волновой точки зрения при помощи явления Доплера: электроны, рассеивающие рентгеновские лучи, под действием их выбрасываются из атомов по различным направлениям с разными скоростями. Таким образом, рассеянное излучение должно иметь изменённую длину волны в зависимости от скорости и направления движения рассеивающих электронов. Вычислив, как должны были бы двигаться рассеивающие электроны, нетрудно получить классическую картину явления Комптона.
Г.С. Ландсберг, "Оптика" [74]Не составит большого труда объяснить с классических позиций и другое "квантовое" явление — эффект Комптона, который вместе с фотоэффектом считают неопровержимым доказательством фотонной теории. Суть его в том, что рентгеновские лучи претерпевают на электронах так называемое "комптоновское рассеяние" (Рис. 157). Причём, в отличие от обычного рассеяния, длины волн падающего λ0 и рассеянного λ' излучения не совпадают, а их разница жёстко связана с углом рассеяния θ соотношением
λ'—λ0= 2λкsin2(θ/2),
где λк — комптоновская длина, составляющая для электрона массы m величину λк=h/mc= 2,4·10–12 м [134]. Кроме того, как показали опыты, электрон в процессе рассеяния испытывает отдачу, приобретая скорость, направленную под таким углом φ к падающему лучу, что tgφ= ctg(θ/2)/(1+λк/λ0). Всё выглядит так, словно не волна рассеивается на электроне, а с ним упруго сталкивается частица, фотон, передающий электрону часть своего импульса и энергии. К тому же, как утверждают многие учебники, классическое взаимодействие волны с электронами вещества не могло бы породить рассеянного излучения на смещённой частоте. Ведь свободный электрон, по теории Дж. Томсона, должен колебаться под действием электромагнитной волны — с частотой поля этой волны, а, значит, и излучение испускать — на той же частоте и с той же длиной волны λ0 [82]. А, между тем, рассеянное излучение в эффекте Комптона, кроме несмещённой компоненты спектра λ0, содержит сдвинутую, — с длиной волны λ'.
Рис. 157. Эффект Комптона.
Кроме того, совсем как в фотоэффекте, в комптоновском — скорость и энергия электрона часто превосходят те, которые ему могла бы сообщить волна в момент облучения [134]. Это, опять же, трактуют как соударение с электронами световой волны, собранной в порции, кванты. Но, в действительности, похоже, и здесь луч не отдаёт электронам энергию, а лишь высвобождает электроны, изначально обладавшие скоростью в атомах. Поэтому, никто ещё не смог наблюдать комптоновское рассеяние на свободных электронах. Учёные признают, что его дают только электроны атомов, но полагают, что атом, испустивший электрон, — это лишь досадная помеха и электроны в нём можно рассматривать как свободные. На самом же деле, без участия атомов комптон-эффект был бы вовсе невозможен, его никто и никогда не сможет наблюдать у свободных электронов. Так, в случае обратного комптон-эффекта, когда уже действительно свободно летящий электрон не поглощает, а, напротив, отдаёт энергию свету, имеет место лишь классическое рассеяние [151, с. 312]. Далее покажем, что и прямое комптоновское рассеяние имеет чисто классические причины.
