Валерий Чолаков
Нобеловите награди (9) (Учени и открития (1901–1982))

Квантите в действие

Между 1913 и 1917 г. бяха проведени редица експерименти, подкрепящи идеята за квантите на Макс Планк и квантовия модел на атома на Нилс Бор. Те бяха извършени от немските физици Джеймс Франк и Густав Херц.

Тези учени изследваха взаимодействията между електроните и атомите, и то по-специално при сблъскване на електрон с определена скорост с атом от някакво вещество. В експерименталната установка на Франк и Херц се пропускаше поток от електрони през газ. При това се наблюдаваше светене на газа с определена дължина на вълната. Експериментът позволяваше точното измерване на скоростта на електроните, а оттам и на тяхната енергия. Изследвайки количествените резултати, двамата физици показаха, че електронът трябва да има определена минимална енергия, за да предизвика излъчване на атома при сблъскване. Установи се, че тя е равна на произведението от константата на Планк и честотата на излъчваната светлина. Определянето на тази константа по нов и независим начин бе още едно потвърждение на идеята за квантите. За това откритие Густав Херц и Джеймс Франк бяха удостоени с Нобеловата награда по физика за 1925 г.

Излъчването на черното тяло доведе Планк до мисълта за квантите. Изучаването на фотоефекта от Айнщайн задълбочи тези представи и показа, че квантите са всъщност фотони — частици светлина. Фотоните се проявяват в различни ефекти, един от които бе открит от американския физик Артър Холи Комптън в 1923 г.

При фотоефекта фотонът взаимодействува с електрон от веществото, като му придава своята енергия и го откъсва от атома. При ефекта на Комптън фотонът взаимодействува със свободен или слабо свързан електрон. При това положение се предава само част от енергията. В резултат на взаимодействието става преразпределяне на енергия между фотона и електрона, което променя траекторията на частиците. Комптъновият ефект се наблюдава, ако енергията на фотона е достатъчно голяма в сравнение с енергията на свързване на електрона в атома. Само при това положение електронът може да се приеме като свободна частица. Фотони с такава висока енергия има в рентгеновия диапазон. При облъчване на вещество с рентгенови лъчи се поражда вторичен лъч с по-голяма дължина на вълната, т.е. състоящ се от фотони с по-малка енергия и поток от електрони, които са погълнали част от енергията.

Откритието на Артър Комптън бе ново убедително доказателство за реалността на квантите. За това постижение той стана един от Нобеловите лауреати по физика през 1927 г.

Докато фотоефектът и Комптъновият ефект са явления, които се наблюдават само при специални условия, т.нар. комбинационно разсейване на светлината се среща много по-често. През 1928 г. индийските физици Чандрасехара Венката Раман и Кариаманикам Кришнан, от университета в Калкута, изследваха спектралния състав на светлината след преминаването й през различни течности. Те установиха, че наред с основните спектрални линии се наблюдават и нови линии, изместени към червената или виолетовата страна. По същото време подобни изследвания върху кристали правеха в Съветския съюз Леонид Манделщам и Григорий Ландсберг. Съветските учени публикуваха своите резултати след продължителни експерименти, докато Раман веднага изпрати кратко съобщение в сп. „Нейчър“. Това му осигури приоритет и днес комбинационното разсейване на светлината се нарича „Раманов ефект“.

Същността на това явление е следната. Квантите от оптическия диапазон се поглъщат от молекулите на веществото и предизвикват тяхното възбуждане. Възбудената молекула излъчва квант с по-малка енергия, т.е. вторичната емисия е изместена към червения край на спектъра. Ако друг фотон попадне в същата молекула, докато е още възбудена, вторичното излъчване с по-голяма енергия, тъй като молекулата се връща на изходното ниво, отдавайки енергията на предишните кванти. Това вторично излъчване е изместено към виолетовия край на спектъра.

Рамановият ефект обясни много природни феномени и се оказа ценен метод за изучаване строежа на молекулите. Днес спектроскопията на разсеяната светлина се прилага за качествен и количествен анализ и намира широко приложение в съвременната химия и молекулярната биология. За своето откритие Раман получи Нобеловата награда по физика за 1930 г.