Фотоэлектрический эффект

Какое-то время ученых вполне устраивала идея о том, что все во Вселенной состоит по меньшей мере из двух типов никак между собой не связанных микрочастиц: различных видов относительно тяжелых атомов элементов и одинаковых электронов, составляющих электрический ток.

Но так ли уж они между собой не связаны? Вольт еще за сто лет до открытия электронов использовал для получения электрического тока устройство, состоявшее из помещенных в химический раствор металлических пластин. С тех пор химические источники тока претерпели большие изменения и превратились в современные батарейки и аккумуляторы.

Если несколько обладающих нейтральным зарядом химических элементов вместе способны давать состоящий из огромного количества электронов электрический ток, значит, связь между атомами и электронами все-таки существует. Теперь нужно выяснить, образуются ли электроны в процессе соединения и разъединения атомов, или же они всегда присутствуют в веществах, а во время реакции просто-напросто высвобождаются.

И у того и у другого взгляда были свои недостатки. Образование электронов, согласно закону сохранения массы (см. ч. II), а в 90-х годах XIX века ученые свято ему верили, просто невозможно. С другой стороны, если электроны в химических элементах существовали всегда, то почему тогда они никак себя не проявляли и почему заряд химических элементов остается нейтральным?

Масло в огонь подливал и следующий феномен, известный еще до открытия электрона.

Когда в 80-х годах XIX века Герц экспериментировал с радиоволнами, то обнаружил, что гораздо проще получить искру между металлическими иглами его устройства для обнаружения радиоволн, если на иглы падает свет. То есть под действием света в металле возникает электрический ток. Герц дал феномену название фотоэлектрический эффект.

В 1888 году немецкий физик Вильгельм Гальвакс (1859–1922) обнаружил, что свет действует на разноименные электрические заряды по-разному. Под действием ультрафиолета отрицательно заряженная цинковая пластина отдает свой заряд, а положительно заряженная — не отдает.

Объяснение появилось сразу после открытия электрона. Под действием света из металла высвобождались электроны, благодаря которым и появлялась искра. Отрицательно заряженная цинковая пластина содержит избыток электронов, который и высвобождается под действием ультрафиолета, в то время как в положительно заряженной пластине избытка электронов, понятное дело, нет.

В 1899 году Томсон доказал это утверждение, сравнив соотношение e/m электронов катодного луча и частиц, высвобождающихся под действием света, и оказалось, что соотношения эти равны друг другу, и с тех пор эти частицы также считаются электронами.

Снова встал тот же вопрос. Появляются ли электроны в металле под действием света, или же они присутствуют в нем всегда? В 1905 году Эйнштейн, доказал, что существовавшая в XIX веке формулировка закона сохранения массы является неполной. На самом деле энергия может переходить в массу, и наоборот, поэтому следует говорить скорее о законе сохранения массы и энергии. Тем не менее энергии света, пусть даже и ультрафиолетового, просто недостаточно для образования электронов.

Значит, электроны присутствуют в самом металле. Тогда возникает еще один вопрос. Существуют ли электроны сами по себе, или же они находятся внутри атомов? Согласиться с последним оказалось не так-то просто: ведь тогда получается, что атом вовсе не та целостная, неделимая микрочастица, о которой говорили Демокрит и Дальтон и в существование которой научный мир поверил с таким трудом.

Доказательством верности второго утверждения стал следующий феномен. Филипп Ленард обнаружил, что энергия, с которой высвобождаются электроны, зависит от длины световой волны и электроны высвобождаются под действием света только с длиной волны меньше определенного значения (пороговая величина). Зарождающаяся в начале XX века квантовая теория (см. ч. II) смогла объяснить причину этого феномена. Дело в том, что свет состоит из фотонов, и чем меньше длина волны, тем выше энергия фотонов.

Энергии света с пороговым значением длины волны достаточно для того, чтобы разорвать связи, удерживающие электроны внутри вещества. У каких-то химических элементов эти связи сильнее, а у каких-то — слабее. Скажем, для выделения электронов из одних металлов необходим обладающий высокой энергией ультрафиолетовый свет, а для других достаточно и «слабого» красного. Если электроны «привязаны» внутри вещества, значит, между атомами и электронами существуют связи, и сила этих связей зависит от веса и размеров конкретного атома. А если электроны удерживаются внутри атомов определенными силами, то логично предположить, что они являются частью атомов.

Новая теория помогла ученым лучше понять структуру атомов. Дело в том, что атомов существует великое множество, а электроны-то все одинаковые (исследования показали, что электроны, выделяющиеся под действием света из различных металлов, абсолютно идентичны), и, может быть, существование всего этого разнообразия атомов можно объяснить различным количеством электронов внутри атома, их местоположением, величиной удерживающей их силы и т. д. Появлялась возможность еще больше упорядочить элементы периодической таблицы, расставленные только лишь на основании умозаключений. Новая теория похоронила идею Демокрита о неделимости атома.

Действительно, поведение химических элементов вполне соответствует их месту в периодической системе. Например, наиболее интенсивно под действием света электроны отдают щелочные металлы, причем интенсивность растет с ростом атомного веса, т. е. чем ниже элемент находится в таблице, тем легче он отдает электроны. Таким образом, проще всего выделить электроны из цезия[121] — встречающегося в природе щелочного металла с самым большим атомным весом. Именно поэтому Зворыкин для своего иконоскопа использовал именно цезий.

Это еще раз доказывает, что Менделеев опередил свое время, ведь ученому ничего не было известно о фотоэлектрическом эффекте. Впрочем, настоящий ученый и должен быть впереди своего времени, создавая то, что порой невозможно объяснить, пользуясь уже существующими знаниями.

Фотоэлектрическому эффекту можно найти массу применений. Можно, например, изготовить электровакуумный прибор без применения нити накаливания, достаточно просто поместить в трубку спираль из металла, в котором под действием света будет возникать электрический ток. Такая трубка называется фотоэлементом.

Фотоэлемент можно подключить, например, к электромагниту, удерживающему дверь. С одной стороны от двери устанавливается фотоэлемент, а с другой — источник направленного света. Пока свет попадает на фотоэлемент, в цепи присутствует электрический ток и дверь закрыта. Подходя к двери, человек загораживает источник света, напряжение в цепи падает, электромагнит отключается, а дверь отпирается.