Многие знают, что Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году за объяснение им фотоэффекта с привлечением представлений о частицах света - фотонах. Однако мало кто знает, что первые эксперименты по изучению этого явления провел русский физик Александр Григорьевич Столетов. В данной статье рассмотрим, в чем заключались опыты Столетова, и к каким выводам они привели ученого.
Что подвигло Столетова провести свои эксперименты?
Чтобы понять, откуда появились предпосылки к проведению опытов Столетова по фотоэффекту, следует обратить внимание на состояние физики в конце XIX века. Это время знаменуется утверждением волновой природы света, которая была сформулирована еще Гюйгенсом в противовес ньютоновской корпускулярной теории во второй половине XVII века. В частности, опыты Юнга с монохроматическим пучком света, проходящим через две щели, показал, что свет - это волна (наблюдение явлений интерференции и дифракции).
Вам будет интересно:Пополняем словарный запас: прореха — это...
Далее, в 1860-е годы Максвелл благодаря своим теоретическим работам показал, что электричество, магнетизм и свет - это явления одной и той же электромагнитной природы. Чтобы доказать это на практике, немецкий ученый, Генрих Герц, провел ряд опытов, начиная с 1885 года. Герц, стремясь доказать теоретические выкладки Максвелла, неосознанно открыл явление фотоэффекта в 1887 году.
Опыты Герца
Столетов по некоторым данным еще до опытов Герца начал заниматься фотоэффектом, поскольку свидетельства его существования уже были к 1887 году (в середине XIX века Уиллоуби Смит открыл явление зависимости электрической проводимости селенового полупроводника от освещенности). Однако в настоящее время факт открытия фотоэффекта приписывается именно Герцу. Рассмотрим его опыты.
Эксперименты Герца чрезвычайно просты по своей идее: ученый полагал, если зарядить две металлические сферы противоположными по знаку зарядами и поднести их близко друг к другу, то возникнет искровой разряд. Согласно Максвеллу, этот разряд должен привести к генерации электромагнитной волны. Последняя, в свою очередь, будет возбуждать переменный электрический ток в любом замкнутом проводнике, и если разрыв контактов в этом проводнике будет иметь маленький зазор, то можно будет наблюдать индуцированную электромагнитной волной искру в этом зазоре.
Проведя описанный эксперимент, Герц подтвердил теорию Максвелла, но он заметил один странный эффект, который не смог объяснить. Индуцированная в приемнике искра имела большую интенсивность, когда на зазор падал свет. Увеличение проводимости в воздушном зазоре за счет света получило название фотоэффекта.
Первый опыт А. Г. Столетова
В отличие от Герца, Столетов целенаправленно изучал явление фотоэффекта. В этом пункте статьи охарактеризуем кратко опыт Столетова, который он провел в 1888 году (общепризнанная дата).
Для своего эксперимента ученый использовал воздушный конденсатор, состоящий из решетки и цинковой пластины. К этому конденсатору была приложена разность потенциалов, причем цинковая пластина являлась катодом, а решетка анодом. Цепь замыкалась, и в нее включался гальванометр. Естественно, никакого тока он не показывал, поскольку воздушная прослойка конденсатора - это хороший изолятор. Затем ученый брал ртутную лампу и освещал ею через решетку пластину из цинка. Как только он это делал, гальванометр мгновенно начинал показывать, что по цепи идет ток. Когда лампа убиралась, ток в цепи прекращался.
Когда Столетов изменял полюса на пластинах конденсатора, то есть решетка становилась катодом, а цинковая пластина - анодом, то даже при освещении лампой ток в цепи отсутствовал.
Второй эксперимент Столетова
Еще один важный опыт Столетова для понимания фотоэффекта заключался в следующем: ученый брал электроскоп, заряжал его положительно, а затем, облучал светом ртутной лампы. Никакого эффекта не наблюдалось, и лепестки электроскопа оставались поднятыми вверх, показывая о существовании на приборе заряда. Когда же Столетов менял знак заряда, то при освещении он быстро стекал с прибора, и лепестки падали.
Законы Столетова
Интерпретация проведенных опытов привела к формулировке Столетовым двух из четырех современных законов фотоэффекта.
Поскольку положительно заряженный электроскоп не реагировал на свет (второй опыт), то Столетов пришел к выводу, что каким-то образом электромагнитная волна вырывает из материала отрицательный заряд (сейчас известно, что этот заряд уносит электроны).
Кроме этого, русский ученый установил прямо пропорциональную зависимость между фототоком и интенсивностью света лампы (первый закон фотоэффекта или закон Столетова).
Наконец, ученый наблюдал, что фотоэффект возникает без задержек, то есть мгновенно, как только на катод попадает свет (сейчас это положение известно, как 4-й закон фотоэффекта).
Современное понимание фотоэффекта
Благодаря опытам Столетова, а также последующим экспериментам Томсона с катодными лучами, в 1905 году Альберт Эйнштейн смог объяснить фотоэффект с точки зрения физики процессов. Воспользовавшись идеей Планка о квантованности светового потока, Эйнштейн предположил следующее: когда фотон (квант электромагнитного излучения) падает на материал, то его энергия полностью поглощается электронами последнего. Если эта энергия больше некоторой величины (работы выхода электрона), тогда заряженная частица вырывается из материала. Таким способом материал получает положительный заряд, а сама среда вокруг него становится проводящей из-за присутствия в ней свободных электронов.
Самым ярким примером современного использования этого эффекта является генерация электрической энергии с помощью солнечных батарей.
