В начале 20 в. становится особенно очевидным противоречие между классической волновой теорией света и результатами экспериментов. В частности, это касалось фотоэффекта, который состоит в том, что вещество под воздействием электромагнитного излучения – в частности, света – способно испускать электроны. На это указывал А. Эйнштейн, как и на способность вещества пребывать в термодинамическом равновесии с излучением.

Большое значение при этом приобретает идея квантования электромагнитного излучения (т.е. принятия ею только определенного значения, неделимой порции – кванта) – в противоположность волновой теории, предполагавшей, что энергия электромагнитного излучения может быть любой.


Предыстория опыта Боте



Представление о квантовой природе электромагнитного излучения вообще и света в частности не сразу была принята всеми физиками. Некоторые из них объясняли квантование энергии при поглощении и излучения света свойствами веществ, которые поглощают или излучают свет. Это могло бы быть объяснено моделью атома с дискретными уровнями энергии – такие модели разрабатывали А. Зомерфельд, Н. Бор.

Переломным моментом стал эксперимент с рентгеновским излучением, осуществленный в 1923 г. американским ученым А. Комптоном. В этом опыте было обнаружено рассеяние световых квантов на свободных электронах, названное эффектом Комптона. В то время считалось, что электрон не имеет внутренней структуры, следовательно, уровней энергии у него быть не может. Таким образом, эффект Комптона доказывал квантовую природу светового излучения.

Опыт Боте



В 1925 г. был проведен следующий эксперимент, доказывающий квантовую природу света, точнее – квантование при его поглощении. Поставил этот опыт немецкий физик Вальтер Боте.

Пучок рентгеновского излучения низкой интенсивности воздействовал на тонкую пластинку фольги. При этом возникало явление рентгеновской флуоресценции, т.е. фольга сама начинала испускать слабое рентгеновское излучение. Эти лучи фиксировались двумя газоразрядными счетчиками, которые были помещены слева и справа от пластинки. С помощью специального механизма показания счетчиков фиксировались на бумажной ленте.

С точки зрения волновой теории света, энергия, излучаемая фольгой, должна была распределяться равномерно во всех направлениях, в том числе и в тех, где находились счетчики. Отметки на бумажной ленте при этом появлялись бы синхронно – одна точно напротив другой, но этого не происходило: хаотичное расположение отметок говорило о возникновении частиц, которые летели то в одном, то в другом направлении от фольги.

Таким образом, опыт Боте доказал квантовую природу электромагнитного излучения. Позднее электромагнитные кванты были названы фотонами.