Фотоэффект

Проводя свои опыты, Герц попутно заметил, что искра, проскакивавшая между электродами вибратора, странно себя ведет. Казалось, на нее влиял свет. Когда Герц освещал электроды вибратора сильным светом, появление искры учащалось. Стоило убрать источник света - и частота снова резко уменьшалась. Явление было необычное и необъяснимое. Однако Герц, видимо, не придал ему большого значения. Этому, пожалуй, не стоит удивляться - ведь он ставил перед собой совершенно иную задачу.

Не так отнесся к наблюдению, сделанному Герцем, профессор Московского университета А. Г. Столетов, старший товарищ П. Н. Лебедева. Столетов поставил множество опытов, создал для их проведения специальную аппаратуру и столь глубоко и основательно исследовал новое явление, что результаты его работы привели к замечательному открытию.

Без него ученые не получили бы новых чрезвычайно ценных сведений о природе света, а современное общество не знало бы ни телевидения, ни фототелеграфии, ни звукового кино, ни многих-многих других полезнейших технических новшеств, без которых сейчас невозможно представить себе нашу жизнь.

Явление, изученное Столетовым в 1888-1889 году, называется фотоэффектом. В результате исследований Столетов установил новый физический закон, носящий его имя. К сожалению, в те годы наука еще ничего не знала о существовании электронов (они были открыты лишь в 1897 году), и поэтому Столетов не мог дать правильного физического толкования новому закону. Это было сделано позже, в 1905 году, Эйнштейном.

Чтобы лучше разобраться в явлении фотоэффекта, стоит хотя бы мысленно (а тем, кому удастся, в школе или кружке) провести сравнительно несложный опыт.

Для его проведения необходима электрическая батарея, гальванометр или микроамперметр для измерения силы тока и специальный электровакуумный прибор, называемый фотоэлементом. Его мы и подвергнем исследованию.

Простейший фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находятся два электрода. Чтобы улучшить работу, электродам фотоэлемента часто придают особую форму. Один из них в виде тончайшей металлической пленки (состоящей из соединения цезия с сурьмой или кислорода, серебра и цезия или других элементов) наносится на внутреннюю поверхность баллона, которому специально придана шарообразная форма. Второй электрод представляет собой колечко из тонкой проволоки, находящейся в районе центра сферы. Первый электрод является катодом, вернее, фотокатодом, а второй - анодом.

Фотоэлементы делятся на две большие группы. В фотоэлементах первой группы стараются создать максимально возможный вакуум внутри баллона; у фотоэлементов второй группы внутри баллона содержится очень небольшое количество газа. Фотоэлементы первой группы менее чувствительны, но зато обладают многими другими ценными свойствами.

В нашем опыте мы применим фотоэлемент с высоким вакуумом, то есть такой, из которого удален практически весь воздух. Кроме того, для удобства эксперимента стоит изменить конструкцию нашего воображаемого фотоэлемента таким образом, что оба электрода будут представлять собой плоские пластинки совершенно одинаковых размеров, сделанные из одного и того же металла. Именно такой фотоэлемент изображен на схеме нашего опыта.

Присоединим к одному из электродов отрицательный зажим батареи, а к другому через гальванометр подключим положительный зажим. В этом случае первый электрод (отрицательный) будем называть катодом, а второй (положительный) - анодом. Поместим фотоэлемент в темный ящик. Стрелка гальванометра замрет на нуле. Но, если приоткрыть крышку ящика, она отклонится вправо. Чем больше света будет поступать в ящик, тем больший ток потечет через фотоэлемент, тем дальше вправо отклонится стрелка гальванометра.

Продолжая наш опыт, варьируя условия его проведения, обнаружим, что для протекания тока вовсе не нужно освещать весь фотоэлемент. Для этого достаточно направить лучи света только на катод, а точнее - на ту его поверхность, которая обращена к аноду. Более того, если мы будем освещать только анод, а катод оставим в темноте, то стрелка прибора останется на нуле.

Схема опыта с явлением фотоэффекта: 1 - на анод подано положительное напряжение, прибор показывает, что в цепи протекает достаточно сильный ток

Но в чем различие между катодом и анодом? В нашем опыте они совершенно одинаковы по форме, по размеру, выполнены из одного и того же металла. Только в одном они отличаются друг от друга: к аноду присоединен положительный полюс батареи, а к катоду - отрицательный. Следовательно, хотя электроды одинаковы, ток протекает, только когда освещен катод. Но ведь, если мы поменяем включение батареи на противоположное, бывший катод превратится в анод, а бывший анод - в катод? Последовательно, освещая бывший анод, мы вновь получим ток? Да, будет именно так, как мы предполагаем.

Схема опыта с явлением фотоэффекта: 2 - на анод подано отрицательное напряжение; ток очень мал

Теперь приостановим временно наши опыты и обдумаем полученные результаты.

Итак, мы установили следующие важные факты:

1. Свет, падая на катод, вызывает протекание тока через фотоэлемент.

2. Ток через фотоэлемент протекает только в одном направлении - от катода к аноду (имеется в виду истинное, а не условное направление).

3. Сила тока тем больше, чем больше падает света на катод.

Для того чтобы объяснить эти факты, то есть подвести под них теоретическую базу, следует вспомнить три других хорошо известных науке факта:

1. Элементы входят в состав любого вещества. Они удерживаются в нем благодаря особым силам притяжения, действующим на электроны.

2. Электроны имеют отрицательный заряд.

3. Одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются.

Зная все это, мы уже сможем понять процессы, происходящие при фотоэффекте.

В самом деле, поскольку точно установлено, что ток через фотоэлемент идет от катода к аноду, иными словами - от минуса к плюсу, можно считать, что носителями тока являются электроны.

Но откуда они берутся?

Наши исследования показывают, что ток протекает лишь при освещении катода светом. Значит, свет так воздействует на катод, что он начинает испускать электроны. Причем электронная эмиссия (испускание электронов) тем больше, чем больше света падает на катод.

Каким же образом свет, взаимодействуя с веществом, заставляет его выпускать "плененные" им электроны?

Брошенный вверх камень летит тем выше, чем большая скорость, чем большая энергия была придана ему при броске. Но как бы высоко он ни залетал, ему всегда приходится вернуться на Землю: сила земного тяготения заставит его сделать это. Однако мы знаем, что если какому-либо телу (пока только ракете, если не считать элементарных частиц, разгоняемых в ускорителях) придать скорость порядка 8000 метров в секунду, а следовательно, и соответствующую энергию, оно уже не возвратится на Землю, а станет ее спутником. Если же начальная скорость тела превысит 11 200 метров в секунду, то тело и вовсе выйдет за пределы земного тяготения.

Нечто подобное происходит и с электронами. Свет, проникая в вещество, отдает находящимся в нем электронам свою энергию. Эта дополнительная энергия повышает скорость движения электронов. Если новая скорость превысит определенную для данного вещества величину, а движение электрона будет направлено из вещества вовне, он покинет вещество и "взлетит" над его поверхностью. Чем большую энергию получил электрон от световых лучей, тем большей окажется его новая скорость и тем дальше он отлетит от катода в сторону анода.

Говорят, что знаменитый немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571 - 1630) не смог бы установить законов движения планет, если бы наблюдения, проведенные датским астрономом Тихо Браге и им самим, были выполнены более точно. К счастью (как это ни странно), инструменты, имевшиеся в распоряжении обоих ученых, не достигли еще такой степени совершенства, чтобы можно было заметить нерегулярности в движении планет, которые в те времена могли бы ввести ученых в заблуждение и воспрепятствовать открытию важнейших законов.

В опыте с фотоэлементами мы тоже воспользовались довольно нечувствительным прибором. Поменяв полярность включения батареи, мы не обнаруживали тока и на этом основании считали, что его вовсе нет, и благодаря этому сделали очень важные выводы. Однако фактически это неверно. Мы не обнаруживали тока лишь потому, что он становился слишком малым и грубый прибор не мог его измерить.

Повторим эксперимент снова, но на этот раз применим прибор с очень высокой чувствительностью. Катодом будем считать тот электрод, на который падают лучи света, хотя к нему и присоединен положительный полюс батареи. Включим установку и, наблюдая за показаниями прибора, будем убавлять напряжение, подаваемое на фотоэлемент. Напряжение будем измерять обычным вольтметром.

Если в начале опыта оно составляет минус 10-20 вольт, то и с помощью самого чувствительного прибора мы не обнаружим тока. Но, когда отрицательное напряжение понизится до единиц вольт, стрелка прибора, измеряющего ток, отклонится от нуля. Причем мы обнаружим, что электроны движутся к аноду, на который подано отрицательное напряжение. Чем меньшим по абсолютной величине будет отрицательное напряжение, тем большим будет ток.

Для объяснения этого не совсем обычного факта стоит вспомнить о поведении брошенного вверх камня. Уже отмечалось, что камень летит тем выше, чем больше его начальная скорость, чем больший у него запас энергии. Но какова бы ни была начальная скорость, если только она не превышает 8000 метров в секунду, камень обязательно вернется на Землю. Но что случилось бы с ним, если бы на некотором, сравнительно небольшом расстоянии от Земли вдруг появилось огромное небесное тело?

В этом случае камень мог бы не вернуться обратно и при значительно меньших начальных скоростях. На этот раз его судьба зависела бы не только от силы притяжения к Земле, но и от силы тяготения нового небесного тела. Чем больше была бы эта сила, тем меньшую начальную скорость требовалось бы придать камню, чтобы он навсегда покинул Землю.

Предположим, что новое небесное тело не притягивает к себе брошенных вверх камней, а, наоборот, отталкивает. Может ли в таком случае камень достигнуть его поверхности? Да, может. Для того чтобы он преодолел подобный барьер, то есть фактически совершил необходимую работу против сил отталкивания, ему в начале полета должна быть сообщена необходимая энергия, или, что тоже самое, необходимая начальная скорость.

В этом умозрительном опыте мы сделали совершенно фантастическое предположение о существовании близкого к Земле небесного тела, которое к тому же не притягивает, а отталкивает приближающиеся к нему тела. Подобные фантастические предположения, конечно, не стоит делать из прихоти, но, если они могут принести пользу, физики не колеблясь делают их. В нашем случае польза заключается в том, что мы в довольно наглядной форме проследили процессы, очень близкие к тем, которые действительно имеют место в фотоэлементе.

В самом деле, подавая отрицательное напряжение на анод, мы тормозим вылетевшие из катода электроны, заставляем их повернуть назад. И, наоборот, поступая "законно" - подавая на анод положительное напряжение, - помогаем электронам покинуть катод.

Если, начав от нуля, постепенно увеличивать положительное напряжение, ток, протекающий через фотоэлемент, будет возрастать даже и в том случае, когда на катод падает неизменный по величине световой поток. Это происходит потому, что с ростом положительного напряжения растет сила притяжения электронов к аноду, и его поверхности могут достигать электроны со все меньшими начальными скоростями. Однако ток не будет возрастать беспредельно. При некотором напряжении он достигнет максимума и далее уже не изменится, как бы мы ни увеличивали напряжение. Это и понятно: сила притяжения к аноду становится столь большой, что даже самые "ленивые" электроны не возвращаются на катод.

Дальнейшее увеличение этой силы не приведет к увеличению тока. Ток, протекающий в этом случае через фотоэлемент, называется током насыщения. Не следует забывать, что его величина, в соответствии с законом Столетова, тем больше, чем больше световой поток, падающий на фотокатод.

Теперь будет нетрудно разобраться и в случае противоположного по знаку включения батареи. Анод при этом будет играть роль отталкивающего небесного тела, и сила отталкивания будет тем больше, чем выше по абсолютной величине отрицательное напряжение. В этом случае анода может достигнуть далеко не всякий электрон. Только самые быстрые, самые энергичные из них преодолеют барьер. С ростом отрицательного напряжения число таких электронов будет неуклонно падать и наконец станет равным нулю - ток через фотоэлемент прекратится.

Зная величину отрицательного напряжения между анодом и катодом, физики могут рассчитать начальные скорости, или начальные энергии, тех электронов, которые преодолели силы отталкивания. Эта энергия выражается в специальных единицах - электроновольтах. Так, если электрон преодолел силы отталкивания, которые возникают при разности напряжений между анодом и катодом в 5 вольт, это означает, что его начальная энергия была не ниже 5 электроновольт. Меняя отрицательное напряжение между анодом и катодом и замеряя каждый раз ток, можно легко узнать количество электронов, получивших при данном освещении определенную начальную энергию.

Вылет электронов из металла под воздействием света. Количество вылетевших электронов одинаково, но количество электронов, достигших анода, различно. Самое большое число достигает анода под воздействием положительного напряжения; под воздействием отрицательного напряжения электроны тормозятся, и лишь немногие долетают до анода

Теперь мы можем подойти к решающему этапу исследования фото-эффекта.

Что произойдет, если фотокатод освещать не белым светом, представляющим собой смесь лучей с различными длинами волн, а монохроматическим, то есть таким, в котором световые волны имеют практически одну и ту же длину?

Мы сами не сумеем провести опыт, отвечающий на подобный вопрос. Для такого опыта требуется очень сложное и дорогое оборудование, какого, конечно, не найти в школьном физическом кабинете. Но это не столь важно, потому что этот опыт проделывался учеными неоднократно.

К тому времени, когда он был проведен впервые, волновая теория света уже около девяноста лет прочно удерживала свои позиции. За эти годы сменилось не одно поколение физиков, и все они не сомневались в ее абсолютной достоверности, так как любые открытия в области оптики всегда удавалось правильно истолковать на основе волновых представлений. Каково же было удивление и даже недоумение ученых, когда они узнали о результатах исследования фотоэффекта при монохроматическом освещении! Они противоречили тому, что до сих пор не вызывало ни у кого сомнения.

Прежде всего оказалось, что свет не всякой длины волны выбивает электроны из фотокатода. Электроны покидали его тем охотнее, чем короче была волна падающего света.

Подавая на анод фотоэлемента отрицательное напряжение разной величины, удалось выяснить, что энергия вылетевших электронов, а следовательно, и их начальная скорость, остается неизменной при изменении интенсивности света и зависит только от длины волны. Чем больше синели лучи света, то есть чем короче была волна падающего света, тем большим нужно было устанавливать отрицательное напряжение на аноде, при котором полностью прекращался фототок. И, наоборот, чем длиннее были волны падающего света, тем меньшей оказывалась энергия освободившихся электронов. Более того, когда длина волны падающего света возрастала до некоторой величины, фотоэффект прекращался, как бы ни увеличивали при этом поток падающего света, как бы ни повышали положительное напряжение на аноде. Предельная длина волны, при которой прекращается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. Она различна для разных веществ. Пришлось немало потрудиться, для того чтобы повысить красную границу, отодвинуть ее дальше, в область длинных световых волн. В наши дни созданы такие типы фотокатодов, которые имеют красную границу на длине волны 1,2-1,6 микрона.

На основании волновой теории следовало, что энергия выбитых светом электронов должна возрастать при увеличении светового потока. Опыт же показывает иное: при увеличении светового потока растет не энергия выбитых из фотокатода электронов, а их число. Энергия покинувших фотокатод электронов становится тем большей, чем короче длина волны падающего света.

Открыв фотоэффект, ученые вновь оказались вынужденными обратиться к основам физической оптики, искать ответа на самый главный вопрос: "Что же такое свет?"