1. Опыты великого русского физика

А. Г. Столетов (родился в 1839 г., умер в 1896 г.).

В конце прошлого века, в 1888 году, профессор физики Московского университета Александр Григорьевич Столетов проводил очень интересные опыты. Он наблюдал рождение электрического тока под действием света!

Вот как ставились эти опыты.

Два небольших диска — сплошная металлическая пластинка и тонкая металлическая сетка — закреплялись вертикально друг против друга. Диски соединялись между собой проволокой, которая, в свою очередь, была последовательно соединена с электрической батареей и чувствительным прибором для измерения слабых электрических токов — гальванометром (рис. 2).

Рис. 2. Опыт А. Г. Столетова (следует иметь в виду, что все приборы изображены на рисунке условно, схематически).

Таким образом, получалась так называемая электрическая цепь, состоящая из 1-го диска, электрической батареи, гальванометра, 2-го диска и соединяющих их проволок. Так как эта цепь была разомкнута — между дисками находился воздушный промежуток, — то естественно, что электрического тока в ней не наблюдалось, хотя в цепь и была включена электрическая батарея. Но вот странное дело: стоило лишь направить на металлическую пластинку сильный свет от электрической дуги, как гальванометр тотчас отмечал появление в цепи электрического тока!

В чём тут было дело?

Выходило, что свет как бы переносил электрические заряды с диска на диск — с пластинки на сетку.

Столетов брал для своих опытов диски из самых различных металлов: алюминиевые, медные, цинковые, серебряные, никелевые; и во всех случаях он наблюдал, как под действием света от электрической дуги в цепи его опытной установки возникал электрический ток… если только освещаемая металлическая пластинка была соединена с отрицательным полюсом батареи.

Если же поменять местами полюсы батареи, т. е. пластинку соединить с положительным полюсом батареи, а сетку — с отрицательным, ток в цепи не появляется, из какого бы металла не были сделаны диски.

Заинтересованный этим необычным физическим явлением, Столетов ставит всё новые и новые опыты.

Он устанавливает, что действие света на диски практически мгновенно: достаточно осветить пластинку на 1/150 долю секунды, как гальванометр уже отмечает возникший электрический ток.

Он пробует освещать диски светом от различных источников: светом электрической дуги, бензиновой горелки, светом солнца. И приходит к выводу, что лучше всего действуют лучи электрической дуги.

Наконец, Столетов проводит ещё более интересный опыт. Он удаляет из своей установки электрическую батарею и освещает совершенно незаряженные пластинки.

И в этом случае в цепи возникает электрический ток!

Сплошная металлическая пластинка заряжается при этом положительным электричеством.

Свет рождал электричество!

Это явление, впервые подробно изученное великим русским учёным А. Г. Столетовым, было названо фотоэлектрическим эффектом (латинское слово «эффект» означает «влияние», «действие», а «фотос» по-гречески — «свет»).

Фотоэлектрический эффект — действие света на электрические заряды тел — и лежит в основе того замечательного прибора — фотоэлемента, о котором рассказывается в нашей книжке.

В чём причина фотоэлектрического эффекта? Почему и каким образом в электрической цепи возникает ток, когда на металлическую пластинку падает луч света?

Чтобы хорошо всё это понять, вспомним, что происходит, когда тела наэлектризовываются.

 

2. Что происходит при электризации тел?

Вы знаете, конечно, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших невидимых частиц — атомов. Число различных видов этих частиц невелико. Но они могут соединяться друг с другом в самых разнообразных комбинациях, образуя устойчивые группы — молекулы. Этим и объясняется то, что из небольшого количества различных видов атомов построен необычайно разнообразный мир окружающих нас тел.

Размеры отдельных атомов необычайно малы — они не превышают нескольких стомиллионных долей сантиметра. Понятно поэтому, что число частиц — атомов или молекул — в каждом куске вещества, с которым нам обычно приходится иметь дело, чрезвычайно велико. Вот, например, сколько молекул содержится в одной капле воды, считая по 20 капель в кубическом сантиметре: 1 600 000 000 000 000 000 000.

Это — тысяча шестьсот миллиардов раз по миллиарду частиц!

Судите сами, насколько мала масса каждой отдельной молекулы, каждого отдельного атома.

Несмотря на такие ничтожно малые размеры атомов и молекул, теперь об этих невидимых частичках известно очень многое. Учёные нашли, чему равна их масса, т. е. сумели определить вес отдельных атомов, подробно изучили многие свойства различных атомов и молекул.

А за последние пятьдесят лет физики установили, что атомы — это сложно устроенные миры.

Вот как построен атом. В центре атома находится электрически положительно заряженное ядро. Размеры этого ядра примерно в 100 000 раз меньше размеров самого атома. Величина заряда и масса атомного ядра различны у различных атомов. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электрические частички — электроны. Они образуют так называемую электронную оболочку атома. Электроны представляют собой своего рода «атомы отрицательного электричества»: эти мельчайшие частички вещества несут с собой мельчайший отрицательный электрический заряд. Заряды всех электронов одинаковы.

Число электронов у различных атомов также различно. Например, в атоме водорода имеется только один электрон, в атоме гелия — два, кислорода — восемь и т. д.

Суммарный заряд электронов равен заряду ядра. Таким образом, любой атом в нормальном своём состоянии электрически нейтрален — заряды противоположных знаков нейтрализуют друг друга.

Мы не будем в этой книжке говорить о том, как устроено атомное ядро и какие силы связывают ядро атома и его оболочку. Об этом подробно рассказывается в других книжках. Чтобы понять сущность фотоэлектрического явления, нам достаточно и этих кратких сведений об атоме.

А теперь, вспомнив, как устроен атом, нетрудно разобраться и в том, как осуществляется электризация тел.

При электризации тел всегда производится разделение положительного и отрицательного зарядов. Как это может происходить? Очевидно, что для этого необходимо из электронных оболочек атомов одного тела «изъять» каким-либо путём по одному или по несколько электронов и «пересадить» эти электроны в электронные оболочки атомов другого тела.

Что получится в этом случае? Атомы, у которых будут «изъяты» один или несколько электронов, уже не будут нейтральными. Положительный заряд их ядра будет больше, чем общий отрицательный заряд электронной оболочки. Стало быть и атом в целом будет положительно заряженным. Такая частица называется положительным ионом. И вот, если число положительных ионов в теле достаточно велико, то и всё тело в целом будет заряженным положительно.

И напротив, атомы с лишними, «чужими» электронами имеют отрицательный заряд. Они называются отрицательными ионами. Когда таких отрицательных ионов в теле много, оно в целом заряжено отрицательно.

«Изъятые» электроны могут остаться в теле и в «свободном» состоянии; в этом случае они не будут связаны с какими-либо определёнными атомами.

Таким образом, электризация тела всегда сводится к тому, что часть нейтральных атомов превращается в заряженные частицы — ионы.

Для этого, конечно, необходимо затратить какую-то работу. Ведь электроны, входящие в состав атома, удерживаются в нём электрическими силами. Поэтому, чтобы вырвать из электронной оболочки атома хотя бы один электрон, т. е., чтобы, как говорят, ионизовать этот атом, надо преодолеть связывающие атом электрические силы. А это можно сделать, только затратив определённое количество энергии, т. е. совершив работу. Эта работа называется «работой ионизации» атома. Она может быть осуществлена, например, за счёт тепловой энергии, иными словами — путём нагрева тела до высокой температуры. Можно ионизовать атомы и за счёт энергии света.

Итак, что же мы узнали? Во-первых, то, что атомы, а значит, и молекулы всех веществ построены из электрически заряженных частиц. И, во-вторых, если какое-либо тело приобретает электрический заряд, то это всегда означает, что атомы этого тела либо потеряли часть своих электронов, либо, наоборот, приобрели некоторое количество лишних электронов. Эти лишние электроны либо присоединились к его атомам, образовав отрицательные ионы, либо остались в теле в свободном состоянии, не будучи связанными с какими-либо определёнными атомами.

Здесь же надо сказать и о том, что «свободные», несвязанные электроны всегда имеются в некоторых материалах и без какой-либо электризации. К таким веществам, в частности, относятся все металлы. В любом куске металла всегда имеется значительное количество электронов, оторванных от своих ядер в результате взаимодействия между отдельными атомами. Такие «свободные» электроны принадлежат уже не какому-то одному атому, а куску металла в целом. Такие электроны могут свободно «путешествовать» по всему куску металла.

Этим и объясняется хорошая электропроводность металлов — ведь электрический ток в металлах и есть движение таких «свободных» электронов от отрицательного электрода к положительному под действием электрических сил.

Испариться из куска металла, вылететь в окружающее пространство «свободные» электроны не могут; этому мешают силы, действующие на поверхности твёрдых тел. Чтобы вырвать из металла свободный электрон наружу, нужно, как и в случае ионизации атомов, затратить некоторую работу. Эту работу называют «работой выхода». Величина «работы выхода» меньше величины «работы ионизации» отдельного атома.

Теперь, зная в чём заключается сущность электризации тел, вы уже без труда можете понять, что именно происходит при фотоэлектрическом эффекте.

 

3. Основные законы фотоэлектрического эффекта

Вспомните опыты А. Г. Столетова. Как только учёный освещал лучом света отрицательно заряженную металлическую пластинку, в цепи возникал электрический ток. Свет как бы «выбивал» отрицательный электрический заряд с пластинки и переносил его на сетку.

Что это может означать? Только одно — очевидно, что световые лучи способны «выбивать» из металла и выбрасывать в окружающее пространство те избыточные электрические заряженные частички, благодаря которым тело и проявляет себя, как электрически заряженное.

Нетрудно сообразить, какие именно частицы выбиваются светом из тела. Это — отрицательно заряженные частицы — электроны.

Значит, вот в чём сущность фотоэлектрического эффекта. Она заключается в том, что под влиянием света из тела вырываются электроны! Другими словами, свет способен совершать ту «работу выхода», которая необходима для вылета «свободных» электронов из вещества наружу.

А вылетающие в пространство электроны — ведь это и есть не что иное, как электрический ток!

Вот почему в цепи установки Столетова и возникал электрический ток всякий раз, как на пластинку, соединённую с отрицательным полюсом батареи, падал луч света. В этом случае электрическая цепь установки замыкалась: в воздушном или безвоздушном (Столетов проводил опыты и с откачиванием воздуха) пространстве между дисками возникал ток.

Такова сущность фотоэффекта.

Каковы же законы этого замечательного явления?

Вспомним прежде всего о том, что для получения фотоэлектрического тока необходимо осветить «подходящими» лучами какое-либо тело, причём это тело может быть как твёрдым, так и жидким или газообразным.

Но что значит «подходящие» лучи? Какие вообще бывают лучи? Разберёмся в этом.

Известно, что свет, идущий, например, от солнца или от электрической лампы, является сложным. В состав ею входят так называемые «простые» или одноцветные лучи разного рода. Вспомните, например, радугу: в ней вы видите как раз все лучи, составляющие сложный белый свет. Все эти видимые лучи по-разному действуют на наш глаз. Одни из них создают ощущение синего цвета, другие — зелёного, третьи — красного и т. д. Смешиваясь в определённых соотношениях, эти лучи и дают белый свет. Можно смешать их и в других соотношениях; тогда свет будет казаться нам оранжевым, голубым и т. п.

Помимо этих видимых световых лучей, известно также много лучей невидимых; они не создают в нашем глазу ощущения света, но зато могут быть обнаружены по другим своим действиям. К таким лучам относятся: ультрафиолетовые лучи — они сильно действуют на фотографическую пластинку и дают «загар» кожи; инфракрасные лучи, которых много в излучении солнца и ламп; это тепловые лучи, они вызывают нагревание различных предметов при освещении; рентгеновы лучи, которыми врачи «просвечивают» наше тело, а инженеры — различные непрозрачные материалы. К невидимым лучам относятся и радиоволны.

Все эти лучи, как видимые, так и невидимые, хотя и сильно отличаются друг от друга, имеют одну и ту же природу. Все они представляют собой так называемые электромагнитные волны, распространяющиеся с огромной скоростью (300 000 километров в секунду) в пространстве.

Различные лучи отличаются друг от друга лишь длиной волны. Так, например, видимые красные лучи имеют длину волны около 6–7, а синие — около 4 стотысячных долей сантиметра. Длина волны ультрафиолетовых лучей ещё меньше. Инфракрасные лучи соответствуют волнам с длиной от 8 стотысячных до примерно одной сотой доли сантиметра. А радиоволны имеют длину от нескольких сантиметров до нескольких тысяч метров. На рисунке 3 показано, какую длину волны имеют различные лучи.

Рис. 3. Разные лучи отличаются друг от друга только длиной волны.

Как вы видите из рисунка, резкого перехода от одних лучей к другим не существует. Так, к примеру, самые короткие радиоволны и самые длинные тепловые лучи вообще ничем не отличаются друг от друга. Это — одно и то же. И вообще, можно сказать, что все лучи — видимые и невидимые — составляют одну семью.

Какие же лучи вызывают фотоэлектрический эффект?

Оказывается, для каждого вещества существует определённая длина световой волны, которая является так называемой «длинноволновой» границей фотоэлектрического эффекта. Это значит, что если лучи имеют длину волны больше этой границы, то они не вызовут никакого фотоэлектрического эффекта, не смогут выбить ни одного электрона. Вы можете, например, бросить на цинковую пластинку какое угодно количество лучистой энергии в виде красных или иных видимых лучей и не получите ни одного вырванного электрона, или, как его ещё называют, фотоэлектрона. Напротив, достаточно совсем небольшого количества света, но в виде ультрафиолетовых лучей, чтобы получить целый рой таких электронов. Именно поэтому в опытах Столетова фотоэффект давали лучи электрической дуги, в которых содержится много лучей ультрафиолетовых.

На большинство металлов, — на такие, как золото, платина, никель, да и вообще на большинство веществ, — действуют только ультрафиолетовые лучи. Лишь у таких металлов, как калий, натрий, цезий и некоторые другие, фотоэлектрический эффект наблюдается и при облучении видимым светом.

Ну, а от чего же ещё, кроме длины волны излучения, зависит число «выбитых» из вещества электронов?

Зависит ли это число от количества падающей на тело световой энергии? Да, зависит.

И эта зависимость вполне определённая. Если какие-либо лучи света выбивают из куска металла электроны, то число таких электронов всегда тем больше, чем больше падает на этот кусок света.

Об этом говорит основной закон фотоэффекта: число вылетающих электронов всегда строго соответствует количеству падающей на тело световой энергии.

Многие исследователи проверяли этот закон различными путями. Одни изменяли силу падающего света, не меняя длину волны, и измеряли число электронов, вылетающих за какой-либо определённый промежуток времени, скажем, за одну секунду, другие давали свет постоянной силы, но меняли время его действия и измеряли количество электронов, вылетающих за разные промежутки времени.

При этом сила света и время освещения менялись в очень широких пределах. Например, силу освещения изменяли в пятьдесят миллионов раз! Но во всех случаях был получен один и тот же результат: для света определённой длины волны на каждую единицу падающей лучистой энергии приходится одно и то же количество вылетающих электронов.

Уже эти закономерности фотоэффекта было очень трудно объяснить первое время, и вот почему. Как мы уже сказали, свет представляет собой поток электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве. Это было доказано ещё в XIX веке рядом неопровержимых опытов.

Однако объяснить с этой точки зрения, почему световые лучи с различной длиной волны по-разному действуют на различные вещества, очень трудно.

Мало того. Ещё большие загадки и совершенно необъяснимые противоречия появились перед физиками тогда, когда они стали изучать вопрос о скоростях фотоэлектронов, т. е. о том запасе энергии, который приобретает под действием света каждый электрон в отдельности. Здесь прежде всего был установлен следующий поразительный факт. Хотя число вырываемых электронов зависит от силы света, энергия каждого отдельного вырываемого электрона от силы света не зависит, а зависит только от длины волны.

Будем ли мы освещать тело светом очень сильным или ничтожно слабым, вылетевшие 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 волновой точки зрения увеличение силы света означает, что энергия, которую переносит в данном месте волна, т. е. размах (амплитуда) 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?

«Это подобно тому, — писал по этому поводу один известный физик, — как если бы морские волны, ударяющиеся о берег, удвоив свою высоту, оказались только в состоянии разбросать больше гальки, чем прежде, но не могли заставить каждый камешек покинуть своё место более охотно и отбросить его на большее расстояние, чем первоначальные малые волны, которые лишь слегка омывали эти камешки».

А когда стали исследовать зависимость энергии, с которой вылетают из вещества электроны, от длины волны падающего на вещество света, то обнаружили и ещё один факт, совершенно необъяснимый с точки зрения волновой теории света: оказалось, что с уменьшением длины волны эта энергия, а значит и скорость электронов, возрастает!

Как можно объяснить все эти загадочные закономерности фотоэффекта?

Ответ даёт так называемая квантовая теория света.

Вместе с тем она очень просто объясняет и вопрос, который, вероятно, уже возник у читателя — каким именно образом свет выбивает из различных тел электроны.

 

4. «Бомбардировка» светом

Что такое свет? Какова его природа?

Этот вопрос очень труден. Долгое время он оставался для учёных загадкой.

В XIX веке свет считался потоком электромагнитных волн, и только. Однако целый ряд явлений, связанных с поглощением и излучением света, в том числе и явление фотоэффекта, уже в самом начале XX века заставил физиков отказаться от такого взгляда на природу света. Дело в том, что в этих явлениях свет ведёт себя не как волна, а как поток отдельных мельчайших частичек.

Однако в других случаях свет ясно показывает свои волновые свойства.

Что же получается?

Выходит, что наше представление о свете, как только о волнах, недостаточно: оно не отражает всех свойств света.

Теперь установлено, что природа света значительно более сложна, чем, скажем, природа морских волн или потока дробинок, вылетающих из ружья.

Свет — это действительно электромагнитные волны, но испускание и поглощение света происходят не непрерывно, а отдельными порциями. Эти порции носят название квантов.

Каждый атом вещества может поглотить только целое число квантов световой энергии, т. е. один, два и т. д., но никак не половину или, скажем, полтора кванта.

Величина энергии каждого кванта не одинакова. Сна зависит от длины волны. Чем длиннее волна, тем меньше энергия кванта. Таким образом, квант красного излучения, например, несёт меньшую энергию, чем квант синего света. Но энергия как тех, так и других квантов, да и вообще любых квантов видимого света, чрезвычайно мала.

Квантовая теория очень просто объясняет фотоэлектрический эффект и его закономерности.

Понятна зависимость выхода фотоэлектронов от длины волны. Ведь чем меньше длина волны, тем больше энергия квантов этого света и, следовательно, тем скорее эти кванты вырвут электроны.

Таким образом, свет как бы «бомбардирует» различные тела. Такая «бомбардировка» поверхности вещества светом различной длины волны напоминает (но только напоминает) стрельбу из охотничьих ружей. Действительно, каждый охотник знает, что на мелкую дичь употребляют самую мелкую дробь — «бекасинник». На уток и гусей идёт дробь покрупнее. А на крупную дичь — на козлов, кабанов и медведей — необходима либо пуля, либо очень крупная дробина. Если вы будете стрелять по медведю бекасинником, из этого ничего хорошего не выйдет — медведь убит не будет; каждая дробинка в отдельности не сможет пробить его толстой шкуры. Мелкая дробь в этом случае, как и кванты малых размеров (малые порции энергии) не достигнет цели. Но будет достаточно лишь одной пули, несущей большой запас энергии, чтобы медведь был убит.

Так и при «бомбардировке» светом. Если энергии каждого отдельного кванта недостаточно для того, чтобы совершить «работу выхода», необходимую для вырывания фотоэлектрона из тела, то фотоэффект вообще не будет иметь места, сколько бы света ни падало на тело. Вот почему и не наблюдается фотоэлектрический эффект даже при освещении сильным светом, если только длина волны этого света настолько велика, что соответствующая порция энергии (квант) меньше «работы выхода». Если же квант достаточно «энергичен», чтобы при благоприятных условиях вырвать из тела электрон, то ясно, что чем больше квантов будет падать на тело, тем больше будет вырвано электронов, т. е. тем сильнее будет фотоэлектрический ток в пространстве вокруг этого тела.

Так же просто объясняются, с квантовой точки зрения, и другие закономерности фотоэффекта.

Действительно, поскольку определённая частица вещества может поглощать только целый квант, то для неё не имеет значения, сколько вообще квантов падает на тело. Для каждой частицы существенно другое — а именно, величина энергии поглощаемого ею кванта. Процесс, происходящий в каждом атоме, не зависит от количества квантов, то есть от общей падающей энергии, а определяется только энергией каждого отдельного кванта. Поглощённый атомом квант световой энергии увеличивает запас энергии электрона. При этом часть энергии кванта тратится на работу вырывания электрона из тела, а остаток энергии передаётся вылетевшему электрону. Понятно, что этот остаток будет тем больше, чем больше была энергия поглощённого кванта, то есть чем меньше была длина волны света. Значит, чем больше была энергия поглощённого кванта, тем больше будут и та максимальная энергия и та скорость, которые будет иметь вылетевший электрон.

Таково объяснение фотоэлектрического эффекта.

Изученный А. Г. Столетовым фотоэффект называется внешним нормальным фотоэффектом. Изложенные здесь краткая теория и законы фотоэффекта относятся именно к внешнему нормальному фотоэффекту. Однако кроме этого явления были открыты и другие фотоэлектрические эффекты: 1) внешний селективный (избирательный) фотоэффект и 2) внутренний фотоэффект. Об использовании этих явлений будет рассказано в следующей главе без изложения их теории.

Каким же образом явление фотоэффекта используется в тех приборах, о которых мы говорили в самом начале нашей книжки — в фотоэлементах? Как устроены эти приборы?

Об этом рассказывается в следующей главе.