Столетов - В. Болховитинов

Никто тогда не мог понять, что маленькая комната, где Столетов вместе с Усагиным вел свои опыты по фотоэффекту, — это то место, где началась одна из величайших революций в науке, что опыты Столетова— начало нового великого пути, приведшего к громадному перевороту в науке и технике.

Правда, уже при жизни Столетова изучение электрических явлений в пустотных трубках привело к открытию рентгеновских лучей. Но открытие этих чудесных всепронизывающих лучей было только началом, только первой ласточкой весны новой физики, к созданию которой привел путь, указанный Столетовым.

Далеко в будущее шагнул Столетов. И чем дальше шла наука, тем явственнее, тем ощутимее вырастало величие дел Столетова.

В 1898 году метод исследования электрических явлений в разреженных газах с помощью гальванометра, созданный Столетовым, помогает молодым физикам Марии и Пьеру Кюри выследить содержащиеся в урановой руде какие-то новые замечательные элементы.

Поднося к установке, сходной с установкой Столетова, куски урановой руды, исследователи обнаружили, что стрелка гальванометра начинает сильно отклоняться! В руде есть «что-то», делающее своим присутствием воздушный зазор между электродами проводником электричества! Установка Столетова помогла открыть радий и полоний, открыть явления радиоактивности.

В 1899 году изучение явлений в пустотных трубках привело к открытию электронов — мельчайших частиц материи, носителей отрицательного заряда.

Незримое «что-то», переносящее заряд с одного электрода на другой, существование которого предугадал Столетов, было электронами.

В установке Столетова луч света выбивал из металлической пластинки электроны. Образующееся возле катода облачко электронов попадало под действие притяжения сетки, заряженной положительно. Электроны устремлялись к сетке! А на смену убывающим из катода электронам по проволоке устремлялись другие электроны.

Вот в чем состояла сущность явления, открытого Столетовым.

Совершенно ясно, почему ток не возникал, как установил Столетов, при освещении положительного электрода. Выбитые из пластинки электроны отталкивались отрицательным электродом. Своим действием этот электрод заставлял электроны вернуться в металл, из которого они вылетели.

Получил истолкование открытый Столетовым закон, устанавливающий зависимость между величиной фототока и степенью разреженности газа, находящегося между электродами. Летящие электроны сталкиваются с молекулами газа, при этих соударениях от молекул газа отщепляются новые электроны. Эти электроны также начинают принимать участие в полете электронного роя, в создании электрического тока. При некотором давлении, величину которого устанавливает закон Столетова, электроны разбивают наибольшее количество молекул, фотоэлектрический ток достигает максимума. Явление усиления фототока, открытое Столетовым, широко используется в современных фотоэлементах.

Стал ясным смысл и основного закона фотоэффекта, также установленного Столетовым, закона прямой пропорциональности между интенсивностью света и силой фототока. Естественно, что чем сильнее свет, тем больше электронов выбьет он, падая на поверхность металла.

Нашло объяснение и явление насыщения фотоэлектрического тока, впервые обнаруженное Столетовым. По мере увеличения напряжения между электродами от катода к аноду переносится все больше и больше электронов. Ток с увеличением напряжения растет. Но он не может расти беспредельно. После того как все вылетевшие под действием света электроны включаются в движение, фототок не может возрасти даже и при увеличении напряжения между электродами. Наступает «насыщение» фототока. Ток теперь можно увеличить, лишь увеличив силу света, увеличив число выбиваемых электронов.

Объяснить все эти закономерности, найденные Столетовым, смогла и волновая теория света.

Но явление фотоэффекта, так подробно, так глубоко изученное Столетовым, поставило перед физикой и целый ряд загадок, которые волновая теория оказалась не способна разрешить.

Электронам, чтобы вырваться из металла, нужно совершить некоторую работу, нужно иметь некоторый запас энергии. Эту энергию им сообщает свет. Свет сообщает энергию электронам постепенно, говорит волновая теория. Волна за волной набегает на освещаемую пластинку. Световые волны постепенно расшатывают электроны, сидящие в пластинке. Когда электроны накопят достаточно энергии, они станут покидать пластинку. Возникнет электрический ток.

Когда же он возникнет?

Расчеты, основанные на предположении, что свет имеет волновую природу, говорят, что даже очень сильный свет породит фототок лишь после того, как электрод освещался в продолжение нескольких часов. Но опыт показывает иное. Столетов установил, что фототок возникает мгновенно. Луч света действует, как выстрел. Тотчас же после удара в пластинку светового луча из нее вылетает рой электронов. Волновая теория бессильна объяснить это явление.

Есть и еще одна необъяснимая с точки зрения волновой теории загадка фотоэффекта.

Почему даже очень сильный, но длинноволновый свет не может вырвать электроны из металла, не порождает фотоэлектрического тока, в то время как фототок мгновенно возникает при освещении фотокатода светом коротковолновым? Как бы ни была мала интенсивность луча коротковолнового света, фототок возникает. Пусть очень слабый, почти неуловимый, но он все же возникает, электроны вырываются из металла.

Существует как бы некий порог фотоэффекта. Ток возникает, как установил Столетов, лишь тогда, когда длина волны света достаточно коротка. Этот порог для разных веществ различен. Одни металлы отзываются рождением фотоэлектрического тока уже на зеленый свет, для других нужен свет более коротковолновый, скажем — синий. Некоторые металлы, как, например, цинк, которым чаще всего пользовался Столетов, выбрасывают свои электроны только под ударами ультрафиолетовых лучей.

С точки зрения волновой теории явление порога фотоэффекта совершенно необъяснимо. Сильный свет, вне зависимости от длины его волны, должен был бы и действовать сильнее. Ведь он несет большую энергию, говорит эта теория. Был бы свет только необходимой мощности, и этого достаточно, чтобы вызвать фототок, утверждает теория. Но опыт говорит обратное.

А вот и еще одна загадка. Измерив скорость электронов, выбитых светом из металла, физики убедились, что эта скорость совершенно не зависит от силы света. Этот факт тоже находится в разительном противоречии с теми следствиями, которые вытекают из волновой теории света. Чем сильнее свет, говорит волновая теория, тем, очевидно, и больше энергия, сообщаемая каждому электрону металла, а следовательно, тем с большей скоростью они должны вылетать. Но опыт показывает другое: скорость электронов зависит только от длины волны света, мощность же, сила света на скорость электронов совершенно не влияют. Если этот свет имеет небольшую интенсивность, то электронов вылетит мало, но все эти электроны будут лететь с большой скоростью. Длинноволновый же свет, даже очень сильный, породить быстрых электронов не может. Этот свет выбьет из металла мириады электронов, но каждый электрон будет лететь медленно.