Багато хто знає, що Альберт Ейнштейн отримав Нобелівську премію в 1921 році за пояснення їм фотоефекту з залученням уявлень про частинки світла – фотонах. Однак мало хто знає, що перші експерименти по вивченню цього явища провів російський фізик Олександр Григорович Столєтов. У цій статті розглянемо, в чому полягали досліди Столетова, і до яких висновків вони привели вченого.
Що спонукало Столетова провести свої експерименти?
Щоб зрозуміти, звідки з’явилися передумови до проведення дослідів Столетова за фотоэффекту, слід звернути увагу на стан фізики в кінці XIX століття. Це час знаменується твердженням хвильової природи світла, яка була сформульована ще Гюйгенсом противагу ньютонівської корпускулярної теорії у другій половині XVII століття. Зокрема, досліди Юнга з монохроматичним пучком світла, що проходить через дві щілини, показав, що світло – це хвиля (спостереження явищ інтерференції і дифракції).
Далі, в 1860-е роки Максвелл завдяки своїм теоретичним робіт показав, що електрику, магнетизм і світло – це явища одного і того ж електромагнітної природи. Щоб довести це на практиці, німецький учений Генріх Герц, провів ряд дослідів, починаючи з 1885 року. Герц, прагнучи довести теоретичні викладки Максвелла, несвідомо відкрив явище фотоефекту в 1887 році.
Досліди Герца
Столєтов за деякими даними ще до дослідів Герца почав займатися фотоефектом, оскільки свідчення його існування вже були до 1887 року (в середині XIX століття Віллоубі Сміт відкрив явище залежності електричної провідності селенового напівпровідника від освітленості). Проте в даний час факт відкриття фотоефекту приписується саме Герцу. Розглянемо його досліди.
Експерименти Герца надзвичайно прості по своїй ідеї: вчений вважав, якщо зарядити дві металеві сфери протилежними за знаком зарядами і піднести їх близько один до одного, то виникне іскровий розряд. Згідно Максвеллу, цей розряд повинен призвести до генерації електромагнітної хвилі. Остання, у свою чергу, буде порушувати змінний електричний струм у будь-якому замкнутому провіднику, і якщо розрив контактів в цьому провіднику буде мати маленький зазор, то можна буде спостерігати індуковану електромагнітної хвилею іскру в цьому зазорі.
Провівши описаний експеримент, Герц підтвердив теорію Максвелла, але він помітив дивний ефект, який не зміг пояснити. Індукована в приймачі іскра мала велику інтенсивність, коли на зазор падало світло. Збільшення провідності в повітряному зазорі за рахунок світла отримало назву фотоефекту.
Перший досвід А. Р. Столетова
На відміну від Герца, Столєтов цілеспрямовано вивчав явище фотоефекту. У цьому пункті статті охарактеризуємо коротко досвід Столетова, який він провів у 1888 році (загальновизнана дата).
Для свого експерименту вчений використовував повітряний конденсатор, що складається з грат і цинкової пластини. До цього конденсатора була прикладена різниця потенціалів, причому цинкова пластина була катодом, а решітка анодом. Коло замикалося, і в неї включався гальванометр. Природно, ніякого струму він не показував, оскільки повітряний прошарок конденсатора – це хороший ізолятор. Потім вчений брав ртутну лампу і висвітлював нею через ґрати пластину з цинку. Як тільки він це робив, гальванометр миттєво починав показувати, що йде по ланцюгу струм. Коли лампа прибирала, струм в ланцюзі припинявся.
Коли Столєтов зраджував полюса на пластинах конденсатора, тобто грати ставала катодом, а цинкова пластина – анодом, то навіть при освітленні лампою струм в ланцюзі відсутній.
Другий експеримент Столетова
Ще один важливий досвід Столетова для розуміння фотоефекту полягав у наступному: вчений брав електроскоп, заряджав його позитивно, а потім, опромінював світлом ртутної лампи. Ніякого ефекту не спостерігалося, і пелюстки електроскопа залишалися піднятими вгору, показуючи про існування на приладі заряду. Коли ж Столєтов міняв знак заряду, то при освітленні він швидко стікав з приладу, і пелюстки падали.
Закони Столетова
Інтерпретація проведених дослідів призвела до формулювання Столєтова двох з чотирьох сучасних законів фотоефекту.
Оскільки позитивно заряджений електроскоп не реагував на світло (другий дослід), то Столєтов прийшов до висновку, що якимось чином електромагнітна хвиля вириває з матеріалу негативний заряд (зараз відомо, що цей заряд забирає електрони).
Крім цього, російський вчений встановив прямо пропорційну залежність між фотострумом і інтенсивністю світла лампи (перший закон фотоефекту або закон Столетова).
Нарешті, вчений спостерігав, що фотоефект виникає без затримок, тобто миттєво, як тільки на катод потрапляє світло (зараз це положення відомо, як 4-й закон фотоефекту).
Сучасне розуміння фотоефекту
Завдяки дослідам Столетова, а також подальшим експериментів Томсона з катодними променями, в 1905 році Альберт Ейнштейн зміг пояснити фотоефект з точки зору фізики процесів. Скориставшись ідеєю Планка про квантованности світлового потоку, Ейнштейн припустив наступне: коли фотон (квант електромагнітного випромінювання) падає на матеріал, то його енергія повністю поглинається електронами останнього. Якщо ця енергія більше деякої величини (роботи виходу електрона), тоді заряджена частинка виривається з матеріалу. Таким способом матеріал отримує позитивний заряд, а сама середовище навколо нього стає провідним з-за присутності в ній вільних електронів.
Самим яскравим прикладом сучасного використання цього ефекту є генерація електричної енергії за допомогою сонячних батарей.
