Александр Штейнгауз - Девять цветов радуги

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.

Схема опыта с явлением фотоэффекта: 1 — на анод подано положительное напряжение, прибор показывает, что в цепи протекает достаточно сильный ток; 2 — на анод подано отрицательное напряжение; ток очень мал.

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.

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? И, следовательно, освещая бывший анод, мы вновь получим ток? Да, будет именно так, как мы предполагаем.

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.