Напевно про Столетове Олександра Григоровича чули небагато. Хоча це відомий російський фізик свого часу, який вніс величезний внесок у розвиток цієї науки в ХІХ столітті, зокрема його наукові праці сприяли кращому розумінню електромагнітних явищ. У цій статті розглянемо закони Столетова для фотоефекту і те, який фізичний зміст вони несуть.
Положення фізики в XVII-XIX століттях: суперечки про природу світла
Починаючи з XVII, коли Ісаак Ньютон почав проводити досліди зі світлом, і закінчуючи XX століттям, коли фізики “проникли” в структуру атомного ядра, не вщухали суперечки щодо природи електромагнітного випромінювання.
У XVII Ньютон висуває так звану корпускулярну теорію, згідно якої світло – це набір маленьких часток, або корпускул. Вчені всього світу визнавали цю теорію протягом наступних півтора століття, до тих пір, коли ряд проведених експериментів в першій половині XIX століття показав, що вона неправильна (ньютоновская концепція “корпускул” не могла пояснити спостережувані явища інтерференції і дифракції). Згодом Максвелл одержав струнку систему рівнянь, які пояснювали поширення електромагнітного випромінювання з точки зору хвильових процесів. Теорія Максвелла була підтверджена дослідами Фарадея, а також Герца, який зміг виміряти швидкість поширення цих хвиль (вона співпала з такою для світла).
Здавалося б, ньютоновская теорія остаточно похована, але сталася одна цікава подія: той же Герц, будучи ярим прихильником теорії Максвелла і хвильової природи світла, в 1887 році публікує статтю, в якій говорить про залежність інтенсивності іскрового розряду між двома сферами від наявності або відсутності джерела освітлення. Герц, не знаючи того, відкрив явище фотоефекта, яке було початком кінця існування хвильової природи світла.
Забутий російський вчений
Після відкриття Герцем фотоефекту починається активне вивчення цього явища різними вченими зі всього світу. При цьому часто називають таких вчених, як англієць Віллоубі Сміт, який спостерігав ще в середині XIX (до дослідів Герца) посилення струму в напівпровіднику при селеновому його освітленні; як американець Чарльз Фріц, який вважається творцем першої фотоелектричної клітинки (пристрій для генерації електричної енергії завдяки сонячному світлі); також говорять про Альберта Ейнштейна, який пояснив явище фотоефекта, про Милликене, про Комптоне та інших, але мало хто згадує про Столетове. Тим не менш у 1888 році саме Столєтов відкрив закон, який в даний час носить його ім’я.
Столєтов у другій половині XIX століття був одним з найвідоміших фізиків Російської імперії. Він походив з родини торговців, отримав освіту в МДУ і в Німеччині. Був знайомий і підтримував стосунки з відомими фізиками Європи на той момент.
Наукові праці Столетова стосувалися дослідження магнетизму (гістерезис намагнічування заліза при збільшенні інтенсивності магнітного поля), а також вивчення електричних процесів при наявності джерела світла (фотоефект в газах і твердих тілах).
Чому про Столетове мало хто знає? Справа в тому, що він був противником царського режиму в Російській імперії (організовував страйки студентів проти царизму, в чому не раз був звинувачений), тому з політичних причин отримав відмову в прийнятті до складу членів РАН, а його наукові праці практично не цитувалися російськими вченими кінця XIX століття.
Досліди Столетова
Розглянемо безпосередньо питання про те, в чому полягає закон Столетова у фізиці.
В 1888 році (в деяких джерелах говориться про 1872-му) вчений провів два цікавих експерименту:
- Він взяв повітряний конденсатор, що складається з цинкової пластини і металевої решітки. Через ґрати він пропускав світло від ртутної лампи. Якщо пластини конденсатора були замкнені в електричний ланцюг, і якщо цинкова пластина була катодом (негативним електродом), а решітка анодом (позитивним електродом), то приєднаний до ланцюга гальванометр фіксував наявність електричного струму. Цей струм Столєтов назвав фотоэлектричеством. Коли ж учений вимикав лампу або змінював полярність пластин, струм в ланцюзі припинявся.
- Заряджаючи електроскоп негативним зарядом, а потім опромінюючи його пелюстки світлом, вчений спостерігав, що вони починали падати, тобто прилад втрачав свій негативний заряд. Столєтов провів також цей експеримент з позитивно зарядженим электроскопом і не виявив ніякого ефекту.
Ці експерименти були опубліковані Столєтова в шести різних роботах.
Інтерпретація проведених дослідів і закони Столетова
В результаті наведених вище дослідів вчений зробив кілька важливих висновків.
По-перше, він установив, що світло, що падає на металеві поверхні, змушує останні втрачати негативний заряд. Яким чином це відбувається і що собою представляє цей заряд, вчений не знав (на момент проведення дослідів ще не був відкритий електрон, виявлений Томсоном лише у 1897 році). Це положення Столетова пояснювало, чому пелюстки негативно зарядженого електроскопа падали, а позитивного – ні.
По-друге, російський вчений встановив, що інтенсивність падаючого випромінювання і сила електричного струму знаходяться в прямо пропорційній залежності. В даний час це положення є першим законом фотоефекту, або першим законом Столетова. Формула для нього може бути записана у вигляді:
L = k*I.
Тут L – інтенсивність світла, що падає на пластину конденсатора (катод), I – індукована сила струму, k – деякий коефіцієнт пропорційності, який залежить від природи матеріалу катода.
По-третє, Столєтов показав, що фотоелектричний струм виникає миттєво після включення джерела світла. Час затримки, що він оцінив, не перевищує 0,001 секунди. Зараз це положення називається четвертим законом фотоефекту.
Тепер кожен школяр, якщо йому дадуть завдання: “Сформулюйте закони Столетова”, зможе з успіхом її вирішити.
Суть явища фотоефекту
Щоб ясно уявляти, що відкрив Столєтов, коротко розповімо про явище фотоефекту. Під ним розуміють виривання електронів з абсолютно будь-якого матеріалу, коли на нього падає електромагнітне випромінювання з частотою, більшою деякого порогового значення. Ця частота дістала назву червоної межі.
Теоретичне пояснення цьому явищу дав Альберт Ейнштейн, розмістивши відповідну роботу в 1905 році. Як відомо, за це пояснення він отримав Нобелівську премію.
Щоб зрозуміти суть процесів, що відбуваються під час фотоефекту, Ейнштейну довелося відмовитися повністю від загальноприйнятої хвильової теорії світла і розглянути його у вигляді пучка квантів – фотонів. Спираючись на дослідження Макса Планка, Ейнштейн довів, що кожен електрон в атомі взаємодіє тільки з одним фотоном. Якщо енергія останнього достатня, щоб вирвати електрон з матеріалу, то фотоефект спостерігається.
Закони фотоефекту
Цих законів чотири:
- Перший закон Столетова, озвучений вище, також є першим для фотоефекту.
- Другий закон цього явища свідчить, що для виникнення даного явища необхідна деяка мінімальна частота фотона, менше якої фотоефект не спостерігається.
- Третій закон свідчить про те, що кінетична енергія вирваного електрона залежить тільки від частоти фотона, а не від їх кількості (інтенсивності опромінення).
- Нарешті, четверте положення для цього явища, яке полягає у його миттєвостей. По суті, це другий закон Столетова.
Інші відкриття та винаходи Столетова, пов’язані з фотоефектом і природою світла
Крім названих вище заслуг нашого вченого в поясненні фотоефекту, слід відзначити і те, що Столєтов також зміг виміряти швидкість світла і сконструював першу сонячну батарею, засновану на явище зовнішнього фотоефекту (згідно з деякими джерелами, це вперше зробив у 1884 році американець Чарльз Фріц).
Важливість відкриттів Столетова
Безумовно, вплив робіт Столетова на фізику кінця XIX століття є величезним. Адже якщо враховувати, що під час проведення дослідів вченого світове наукове співтовариство жило без існуючого поняття про електроні і з урахуванням уявлень хвильової теорії електромагнетизму, то можна сміливо стверджувати, що Столєтов став одним з основоположників квантової теорії світла, а його роботи сприяли відкриття електрона Томсон.
