Еще более загадочные явления встретились и совершенно необъяснимые противоречия возникли перед физиками, когда они стали определять скорости вырванных электронов, то-есть тот запас энергии, который приобретает под действием света каждый электрон в отдельности. Здесь был установлен поразительный факт, что хотя число вырываемых электронов зависит от силы света, но энергия каждого отдельного вырываемого электрона от силы света не зависит. Будем ли мы освещать тело светом очень сильным или ничтожно слабым, вылетающие из тела электроны будут иметь одну и ту же скорость, а значит, одну и ту же энергию.
Как понять этот факт, если мы считаем свет волной? Ведь с точки зрения волновой теории увеличение силы света означает, что энергия, которую приносит в данном месте водна, то-есть размах колебаний световой волны, стала больше. Почему же в таком случае электрон, вырываемый в этом месте волной, всегда имеет одну и ту же энергию, независимо от силы света?
Что же получается? Получается, что, с одной стороны, свет — это электромагнитные волны, но, с другой, — закономерности фотоэффекта, установленные чисто опытным путём, утверждают, что свет — это что-то иное, более сложное.
Уже в начале XX века из этих противоречий физики сделали замечательный вывод. Свет — это не просто электромагнитные волны; испускание и поглощение их происходит не непрерывно, как думали физики прошлого века, а отдельными порциями — квантами. Иными словами, свет — это не только поток электромагнитных волн, но в то же время это и поток частиц-фотонов, несущих с собой световую энергию в виде отдельных порций — квантов.
Была установлена и зависимость между квантами и длиной волны. Оказалось, что величина энергии каждого кванта не одинакова — чем длиннее волна, тем меньше энергия присущего ей кванта. Таким образом, например, квант красного излучения, с длиной волны в 7 стотысячных долей сантиметра, несёт с собой меньшую энергию, чем, скажем, квант синего света, длина волны которого около 4 стотысячных долей сантиметра.
И вот, с этой новой, квантовой, точки зрения стало возможным объяснить и явление фотоэффекта. Все особенности этого явления оказались легко объяснимыми. Так, если энергия кванта достаточно велика, чтобы вырвать из тела электрон, то ясно, что чем больше квантов, то-есть чем больше света будет падать на тело, тем больше будет вырвано электронов.
Понятна также зависимость фотоэлектрического эффекта от длины волны. Чем меньше длина волны, тем больше энергия квантов и, следовательно, тем вероятнее, что эти кванты вырвут электроны. Если же энергии каждого отдельного кванта недостаточно для того, чтобы совершить работу, необходимую для вырывания электрона из тела, то фотоэффекта вообще не будет, сколько бы света ни падало на тело. Вот почему и не наблюдается фотоэлектрического эффекта даже при освещении сильным светом, если только длина волны этого света настолько велика, что соответствующая порция энергии (квант) меньше «работы выхода» электрона, то-есть той энергии, которая необходима для вырывания электрона с поверхности тела.
Так же просто объясняются и многие другие, столь же загадочные, с волновой точки зрения, закономерности, известные физикам.
Однако как ни хорошо с квантовой точки зрения объяснять явления поглощения света, трудно понять, как это свет одновременно является потоком частиц и волной.
И тем не менее, в настоящее время мы можем совершенно уверенно говорить: да, это именно так и есть! Элементарные световые частицы — фотоны — действительно в некоторых явлениях ведут себя как частицы, а в некоторых — как волны.
Более того.
Квантовая механика утверждает, что и другие частицы — электроны, альфа-частицы, да и сами атомы — имеют такую же двойственную природу. Все они могут проявляться или как частицы, или как волны.
Это доказано неоспоримыми опытами. Так, например, установлено, что электроны эти, казалось бы, уже так хорошо знакомые физикам частицы, обладающие определённой массой и зарядом, пути полёта которых тысячи раз были засняты на фотографические пластинки, эти несомненные частицы показывают в некоторых случаях свойства волн. Пролетая через тончайший листик золота, электроны дают ярко выраженную картину дифракции (рис. 22)!