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[2].
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.