Александр Штейнгауз - Девять цветов радуги

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 то же 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.

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.

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.

Теперь мы можем подойти к решающему этапу исследования фотоэффекта.

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.