Експериментальний прорив Роберта Міллікена: фотоелектричний ефект і визначення сталої Планка (1916)
- Ігор Сальниченко
- 3 лют.
- Читати 4 хв
Історичний контекст і підґрунтя квантової фізики
На початку XX століття фізика перебувала у стані глибокої трансформації. Традиційні уявлення про те, що світло є виключно хвилею, а енергія розподіляється неперервно, почали хитатися під впливом нових експериментальних спостережень. Макс Планк (1858–1947) ще у 1900 році запропонував ідею квантів енергії, яка виявилася надзвичайно революційною для тогочасної науки. Однак, поки Планк намагався знайти теоретичне пояснення спектра випромінювання абсолютно чорного тіла, Альберт Айнштайн (1879–1955) у 1905 році висунув ще більш несподіване припущення: світло могло існувати у вигляді порцій енергії, які згодом назвали «фотонами».
Згідно з Айнштайном, ці порції світла пояснювали б фотоелектричний ефект, коли світло, потрапляючи на металеву поверхню, вибиває з неї електрони з певною максимальною кінетичною енергією. Попри те, що це припущення узгоджувалося з наявними експериментальними даними, більшість фізиків того часу сприймали фотонну концепцію як сумнівну, адже ідея локалізованих «згустків» енергії нібито суперечила класичним хвильовим уявленням.
На цьому тлі постає Роберт Ендрю Міллікен (1868–1953), відомий американський експериментатор, який уже здобув авторитет завдяки дослідженням заряду електрона методом «олійної краплі». Він доклав великих зусиль, аби з одного боку довести правильність рівняння Айнштайна для фотоелектричного ефекту, а з іншого — залишитися вірним традиційним теоріям. Зрештою саме Міллікеновий експериментальний геній у 1916 році дав світові нову еталонну точність визначення сталої Планка, закріплюючи квантову теорію в реаліях сучасної фізики.
«Машинна майстерня у вакуумі»: технічна досконалість і тонкощі експерименту визначення сталої Планка
Головним інструментом успіху Міллікена виявився пристрій, який він називав «машинною майстернею у вакуумі». Фактично це була скляна посудина, з якої відкачували повітря, а всередині містився складний механізм з обертовим гострим ножем. Ідея полягала в тому, щоб перед опроміненням металевої пластинки світлом зчищати верхній шар і таким чином позбавляти її окислів та інших забруднень. Це забезпечувало надзвичайно чисту поверхню, на яку спрямовували випромінювання із чітко відомою частотою.
Міллікен наголошував, що точне визначення кінетичної енергії вибитих електронів безпосередньо залежить від здатності виміряти зупиняючу різницю потенціалів із високою точністю. Адже максимальна кінетична енергія електрона дорівнює (1/2)mv², а зупиняюча напруга дозволяє обчислити потенціальну енергію, необхідну, аби «зупинити» електрон, який вилітає з металу. До того ж не варто забувати, що успішно використані дані про елементарний електричний заряд е були у Міллікена вже у «багажі», адже ще в 1913 році він виконав знаменитий експеримент із масляною краплею, встановивши е з безпрецедентною тоді точністю.
Результатом цієї витонченої методики стала змога визначити постійну Планка h настільки точно, що її значення 6,57×10⁻²⁷ ерг·с мало похибку лише близько 0,5%. На той час це було воістину проривним досягненням. Ба більше, Міллікен експериментально підтвердив справедливість рівняння Айнштайна для фотоелектричного ефекту:
E = hν – P
де E відповідає енергії, яку отримує електрон, ν — частота світла, а P — робота виходу з конкретного металу. І хоч Міллікен вбачав у цьому рівнянні «надзвичайну точність і коректність опису ефекту», він залишався скептичним стосовно радикального висновку, що світло дійсно складається з дискретних квантів-«фотонів».
Внутрішній конфлікт і пізніше переосмислення
У своїй статті 1916 року Міллікен називає фотонну ідею Айнштайна «сміливою, якщо не сказати зухвалою гіпотезою», підкреслюючи, що локалізацію світла в окремих «згустках» неможливо погодити з такими хвильовими явищами, як дифракція чи інтерференція. Ще в січні того ж року він відверто декларував у наукових публікаціях, що не бачить у теорії світлових квантів «задовільного теоретичного фундаменту», попри її ефективність у поясненні спостережуваних явищ.
Це внутрішнє протиріччя особливо цікавить істориків науки. Адже перед нами постає яскравий приклад, як один із найкращих експериментаторів світу підтверджує експериментально те, в що сам не може цілковито повірити. При цьому він наполегливо продовжує працювати в напрямку пошуку всіляких альтернатив, які б не вимагали настільки кардинального перегляду класичних поглядів на природу світла. Показово, що коли Міллікен у 1923 році отримав Нобелівську премію «за відкриття елементарного заряду електрики та дослідження фотоелектричного ефекту», комітет прямо відзначив його досягнення у перевірці формули Айнштайна.
Проте офіційне визнання досліджень Айнштайна, яке фактично спричинив Міллікен, стало для самого Роберта ще одним викликом. Він писав, що результати, які «суперечили» його власним очікуванням, виявилися «першим прямим експериментальним доказом… рівняння Айнштайна». Тільки з плином часу та накопиченням додаткових експериментальних свідчень він повністю прийняв квантову концепцію. У своїй автобіографії, виданій 1950 року, Міллікен уже говорить про «експериментальний доказ існування фотона» як про логічний і неминучий висновок із власних досліджень.
Це переосмислення витворило іронічну картину, коли видатний вчений, спершу налаштований проти квантової теорії світла, заднім числом інтерпретує свій знаменитий експеримент 1916 року як наочну демонстрацію «прямої передачі» енергії hν від фотона до електрона.
Підсумки та значення визначення сталої Планка
Увесь цей сюжет відображає багатогранність процесу становлення наукових ідей: від експериментів, які приголомшують своєю точністю, до суб’єктивних коливань дослідника, вимушеного відмовлятися від усталених поглядів і приймати нову парадигму. Завдяки генієві Роберта Міллікена ми не лише отримали набагато більш точне значення сталої Планка, а й переконалися у валідності рівняння Айнштайна. Водночас ця історія демонструє, як важко навіть найбільшим умам наукової спільноти визнавати радикально нові ідеї, якщо вони ламають глибоко вкорінені теоретичні уявлення.
Технологічний аспект досліджень Міллікена, «машинна майстерня у вакуумі», став зразком точності й експериментальної креативності. Його експерименти прокладали шлях для подальших робіт у галузі фізики твердого тіла, спектроскопії, а згодом і для розуміння взаємодії світла з речовиною в ширшому квантовому контексті. У підсумку саме такі ґрунтовні дослідження сформували підвалини теоретико-експериментального синтезу, що уможливив розвиток сучасних технологій, від напівпровідникових лазерів до сонячних батарей.
Джерела:
1. R. A. Millikan, “A direct photoelectric determination of Planck’s ‘h’,” Phys. Rev. 7, 355 (1916).https://users.physics.ox.ac.uk/~palmerc/Datafiles/Millikan1916b.pdf
Comentários