В 1922 г. А. Ф. Иоффе и M. И. Добронравов выполнили специальные опыты с элементарного фотоэффекта, которыми было экспериментально подтверждено распространения излучения в виде отдельных фотонов и квантовый характер взаимодействия излучения с веществом.
Схему установки изображена на рис. 13.4. В толстой эбонитовой пластинке было сделано полость, из которой откачивали воздух. Эта полость играла роль миниатюрной рентгеновской трубки. Катодом было острие тонкой алюминиевой проволочки ?f, которое освещалось ультрафиолетовыми лучами сквозь кварцевое окошко L. Между алюминиевой проволокой К и пластиной А (алюминиевая фольга), что является антикатоде рентгеновской трубки, создавалась разность потенциалов около 1200 В. Освещение добирались столь малым, чтобы из катода К вивильнювалось около 1000 электронов в секунду. Эти электроны ускорялись полем высокого напряжения и, столкнувшись с пластинкой А, резко тормозились, излучая рентгеновское излучение. При этом с антикатода А излучалось около пяти = 1000 рентгеновских импульсов в секунду. Алюминиевая пластинка А толщиной около 5 • 10 "м и вторая параллельная ей пластинка В были обкладками плоского конденсатора в электрическом поле которого во взвешенном состоянии находилась на расстоянии d = 2 • 10 ~ 4 м от антикатода А заряженная висмутовая пылинка N, радиус которой около 30. Рентгеновское излучение вследствие фотоэффекта освобождало из пылинки электрон и меняло ее заряд, поэтому пылинка теряла равновесие. Потеря электрона происходила за разные промежутки времени, но средний промежуток времени оказался равным 30 мин. Независимые наблюдения показали, что электрон, освобожденный из пылинки, несет с собой всю энергию единичного рентгеновского кванта, падающего на него.
С точки зрения волновых представлений о характере электромагнитного излучения результаты опытов Иоффе и Добронравова объяснить нельзя. Если бы энергия рентгеновских импульсов равномерно распределялась согласно волновой теории по всему сферическом фронта волны, то тогда судьбы одного электрона пылинки отвечала бы мизерное количество энергии, недостаточна для его высвобождения из металла. Следовательно, либо один электрон невероятно длительное время (т ~ 30 мин) накапливал энергию рентгеновского излучения, не отдавая ее соседним частицам, или все электроны пылинки непонятным образом должны иногда передавать энергию, которыми поглощена, одному электрону, который высвобождается из пылинки. Однако такое объяснение теряет всякую основание, поскольку излучение электрона происходило с одинаковой энергией через разные промежутки времени.
Результаты опытов Иоффе и Добронравова можно объяснить, исходя из корпускулярных представлений о структуре излучения:
а) из потока рентгеновского излучения при поглощении электрон воспринимает энергию одного фотона, а не произвольное количество энергии;
б) рентгеновский фотон, имея энергию, достаточную для того, чтобы освободить из металла большое количество электронов, поглощается только одним из них.
Квантовая природа электромагнитного излучения проявляется в том, что пылинка поглощает не часть энергии фотона, падающего на нее, а всю энергию фотона целиком. Квантовые свойства излучения проявляются при рассеянии фотонов больших энергий есть. При X = 0,1 нм энергия кванта будет Av = 1,92 • 1015 Дж = 1,2 • 104 эВ, что намного превышает энергию связи внешних электронов в атоме, которая составляет около 1 ... 10 эВ. Поэтому при взаимодействии рентгеновского фотона с таким электроном атома электрон можно рассматривать как слабо связан с атомом или даже практически свободен. При поглощении фотона такой «свободный» электрон поглощает практически всю энергию фотона и выходит далеко за пределы первоначального атома. Поглотив фотон, электрон может сразу выпустить такой же фотон или фотон меньшей энергии (и частоты). Явление рассеяния рентгеновского излучения электронами подробно изучил А. Комптон.