§ 41 Фотоэффект

Фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом, называют процесс испускания электронов веществом под действием света. Фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Герцем. Явление фотоэффекта можно наблюдать на опыте (рис. 107). Зарядим цинковую пластину, присоединённую к электрометру отрицательно.

Рис. 107. Опыт, иллюстрирующий явление фотоэффекта

При освещении пластины ультрафиолетовым светом, например от электрической дуги, электрометр будет очень быстро разряжаться. Если же сообщить пластине положительный заряд и затем осветить ультрафиолетовым светом, то электрометр не разрядится.

Единственная возможная гипотеза, объясняющая данное явление, заключается в том, что с поверхности цинковой пластины могут вылетать отрицательно заряженные частицы – электроны. К фотоэффекту применимо всё, что мы говорили о катодных лучах. Поток электронов, испускаемый катодом, может возникать или усиливаться под действием света. Поверхность, с которой под действием света могут испускаться электроны, называют фотокатодом.

Экспериментальными исследованиями фотоэффекта занимался российский физик Александр Григорьевич Столетов (1839–1896). Он установил, что при одном и том же спектральном составе, т. е. при одинаковых длинах волн падающего на фотокатод света, поток выбиваемых электронов пропорционален интенсивности облучения. В этом не было ничего неожиданного с точки зрения классической волновой теории света. Понятно, что волны света приносят с собой энергию, которая, передаваясь электронам, увеличивает их кинетическую энергию, т. е. скорость, в результате чего они вылетают с фотокатода.

Однако в дальнейшем обнаружились факты, которые волновая теория объяснить не могла. Выяснилось, что интенсивность облучения влияет только на количество электронов, покидающих фотокатод за единицу времени, но не оказывает влияния на их энергию. Энергия выбиваемых электронов зависит только от частоты падающего света. Вы уже знаете, что частота колебаний световой волны определяет ощущение определённого цвета. Свет с самой маленькой частотой воспринимается как красный, с самой большой – как сине-фиолетовый. Ещё большей частотой обладает невидимое для человека ультрафиолетовое излучение.

Рис. 108. Альберт Эйнштейн

Оказалось, что именно это излучение приводит к испусканию электронов с самой высокой энергией. Из видимой части спектра самым эффективным оказывается синий цвет, а далее энергия, с которой вылетают электроны, снижается по мере снижения частоты колебаний света. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота облучающего света, при которой ещё наблюдается эффект.

Фотоэлектрический эффект используют в самых различных технических приспособлениях. Достаточно вспомнить двери магазинов и других учреждений, которые открываются при приближении к ним человека. Их устройство объясняется довольно просто. Перед входом установлен источник часто не видимого для человека излучения, луч которого падает на специальное устройство, вызывая в нём фотоэлектрический эффект. Когда на пути луча оказывается препятствие, ток в датчике прекращается, и это служит сигналом к включению механизма, открывающего двери.

Однако значение фотоэффекта в понимании устройства мира оказалось гораздо важнее, чем все его практические применения. В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879–1955) (рис. 108), уже знакомый с работой Планка, посвящённой инфракрасному излучению, выдвинул гипотезу, что свет состоит из частиц, энергия каждой из которых пропорциональна частоте колебаний этого света. Эти частицы впоследствии были названы фотонами. Энергия фотона, таким образом, равна энергии кванта, которая определяется в соответствии с формулой Планка. Таким образом, Эйнштейн распространил вывод Планка, касающийся инфракрасного излучения, на всю область электромагнитных волн. Гипотеза Эйнштейна хорошо объясняла законы фотоэффекта: если каждый фотон в результате столкновения выбивает один электрон, то чем больше будет интенсивность света, т. е. чем больше фотонов, тем больше будет выбито электронов, а энергия каждого выбитого электрона будет зависеть от энергии фотона – от частоты световой волны.

Такую зависимость легко себе представить, если вообразить кегельбан, где в ряд выстроено большое количество кеглей. Допустим, что каждый брошенный шар может выбить только одну кеглю. Поэтому чем больше будет брошено шаров, тем больше будет сбито кеглей. Но если все шары будут лететь с небольшой скоростью, то и сбитые ими кегли отлетят недалеко. Если же мы пустим совсем немного шаров, но с очень большой скоростью, то собьём мало кеглей, но зато они отлетят на гораздо большее расстояние.

Таким образом, получилось, что свет представляет поток фотонов, т. е. существуют частицы света. Но это возвращает нас к, казалось бы, уже отвергнутой корпускулярной теории, горячим сторонником которой был Ньютон. Как же быть с общеизвестными и неоспоримо доказанными волновыми свойствами света? Этого никто не мог понять, и среди физиков завязалась оживлённая дискуссия. Многие считали, что обнаруженное противоречие является временным и вскоре будет разрешено в пользу классических теорий физики. Сам Эйнштейн, выступая в 1911 г. на научном конгрессе, говорил:

«Мы все согласны с тем, что теория квантов в своём нынешнем виде может иметь полезное применение, но на самом деле она не представляет собой настоящей теории в обычном смысле этого слова, во всяком случае, такой теории, которую можно было бы последовательно развивать дальше».

Однако постепенно квантовая теория, пробиваясь через всевозможные недоумения, завоёвывала всё большую популярность. Сам Планк полностью поверил в неё только после того, как она уже имела повсеместный успех. А Нобелевскую премию учёный получил лишь в 1923 г., т. е. через двадцать три года после первой публикации, посвящённой квантам. Интересно, что, когда Планк был студентом, он сказал преподавателю о своём намерении заниматься теоретической физикой. Профессор пытался отговорить его, доказывая, что в теоретической физике уже всё сделано и она не может представлять интереса для серьёзного исследователя.

Проверьте свои знания

1. Что такое фотоэлектрический эффект?

2. Как зависит энергия выбитых электронов от частоты облучающего света?

3. Что такое красная граница фотоэффекта?

4. Что такое фотон?

Задания

Подберите эпиграф к данному параграфу.