Экспериментальными исследованиями фотоэффекта занимался российский физик Александр Григорьевич Столетов (1839–1896). Он установил, что при одном и том же спектральном составе, т. е. при одинаковых длинах волн падающего на фотокатод света, поток выбиваемых электронов пропорционален интенсивности облучения. В этом не было ничего неожиданного с точки зрения классической волновой теории света. Понятно, что волны света приносят с собой энергию, которая, передаваясь электронам, увеличивает их кинетическую энергию, т. е. скорость, в результате чего они вылетают с фотокатода.

Однако в дальнейшем обнаружились факты, которые волновая теория объяснить не могла. Выяснилось, что интенсивность облучения влияет только на количество электронов, покидающих фотокатод за единицу времени, но не оказывает влияния на их энергию. Энергия выбиваемых электронов зависит только от частоты падающего света. Вы уже знаете, что частота колебаний световой волны определяет ощущение определённого цвета. Свет с самой маленькой частотой воспринимается как красный, с самой большой – как сине-фиолетовый. Ещё большей частотой обладает невидимое для человека ультрафиолетовое излучение.

Рис. 108. Альберт Эйнштейн

Оказалось, что именно это излучение приводит к испусканию электронов с самой высокой энергией. Из видимой части спектра самым эффективным оказывается синий цвет, а далее энергия, с которой вылетают электроны, снижается по мере снижения частоты колебаний света. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота облучающего света, при которой ещё наблюдается эффект.

Фотоэлектрический эффект используют в самых различных технических приспособлениях. Достаточно вспомнить двери магазинов и других учреждений, которые открываются при приближении к ним человека. Их устройство объясняется довольно просто. Перед входом установлен источник часто не видимого для человека излучения, луч которого падает на специальное устройство, вызывая в нём фотоэлектрический эффект. Когда на пути луча оказывается препятствие, ток в датчике прекращается, и это служит сигналом к включению механизма, открывающего двери.

Однако значение фотоэффекта в понимании устройства мира оказалось гораздо важнее, чем все его практические применения. В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879–1955) (рис. 108), уже знакомый с работой Планка, посвящённой инфракрасному излучению, выдвинул гипотезу, что свет состоит из частиц, энергия каждой из которых пропорциональна частоте колебаний этого света. Эти частицы впоследствии были названы фотонами. Энергия фотона, таким образом, равна энергии кванта, которая определяется в соответствии с формулой Планка. Таким образом, Эйнштейн распространил вывод Планка, касающийся инфракрасного излучения, на всю область электромагнитных волн. Гипотеза Эйнштейна хорошо объясняла законы фотоэффекта: если каждый фотон в результате столкновения выбивает один электрон, то чем больше будет интенсивность света, т. е. чем больше фотонов, тем больше будет выбито электронов, а энергия каждого выбитого электрона будет зависеть от энергии фотона – от частоты световой волны.

Такую зависимость легко себе представить, если вообразить кегельбан, где в ряд выстроено большое количество кеглей. Допустим, что каждый брошенный шар может выбить только одну кеглю. Поэтому чем больше будет брошено шаров, тем больше будет сбито кеглей. Но если все шары будут лететь с небольшой скоростью, то и сбитые ими кегли отлетят недалеко. Если же мы пустим совсем немного шаров, но с очень большой скоростью, то собьём мало кеглей, но зато они отлетят на гораздо большее расстояние.

Таким образом, получилось, что свет представляет поток фотонов, т. е. существуют частицы света. Но это возвращает нас к, казалось бы, уже отвергнутой корпускулярной теории, горячим сторонником которой был Ньютон. Как же быть с общеизвестными и неоспоримо доказанными волновыми свойствами света? Этого никто не мог понять, и среди физиков завязалась оживлённая дискуссия. Многие считали, что обнаруженное противоречие является временным и вскоре будет разрешено в пользу классических теорий физики. Сам Эйнштейн, выступая в 1911 г. на научном конгрессе, говорил:

Однако постепенно квантовая теория, пробиваясь через всевозможные недоумения, завоёвывала всё большую популярность. Сам Планк полностью поверил в неё только после того, как она уже имела повсеместный успех. А Нобелевскую премию учёный получил лишь в 1923 г., т. е. через двадцать три года после первой публикации, посвящённой квантам. Интересно, что, когда Планк был студентом, он сказал преподавателю о своём намерении заниматься теоретической физикой. Профессор пытался отговорить его, доказывая, что в теоретической физике уже всё сделано и она не может представлять интереса для серьёзного исследователя.

1. Что такое фотоэлектрический эффект?

2. Как зависит энергия выбитых электронов от частоты облучающего света?

3. Что такое красная граница фотоэффекта?

4. Что такое фотон?

Подберите эпиграф к данному параграфу.

В § 29 мы говорили о том, что электромагнитное излучение представляет собой широкий спектр колебаний, которые различаются частотой и, следовательно, длиной волны. Напомним, что для того, чтобы вычислить частоту, зная длину волны, надо разделить скорость распространения волны на эту длину. Так что чем больше частота излучения, тем короче его длина волны. Теперь мы также знаем, что энергия электромагнитного излучения прямо пропорциональна его частоте, т. е. обратно пропорциональна длине его волны. Излучение, длина волны которого лежит на участке от 380 до 780 нм, воспринимается человеческим глазом и называется видимой частью излучения или просто видимым светом. От длины волны видимого света зависит его цвет. Излучение, в котором все части спектра представлены в равном соотношении, воспринимается как белый свет. Таким, например, является солнечное излучение[10].

Впервые на то, что солнечный свет можно разложить на составляющие его различно окрашенные лучи, обратил внимание Ньютон. Разумеется, и до него люди наблюдали на небе радугу, которая почему– то появлялась обычно после дождя, любовались игрой света в драгоценных камнях и т. д., но причину этого явления никто объяснить не мог. Решающее открытие было сделано Ньютоном следующим образом. Свет от Солнца или от фонаря пропускают через узкую щель, а затем с помощью линзы фокусируют на белом экране, где образуется короткий белый прямоугольник. Если на пути луча света поместить стеклянную призму, то этот прямоугольник сместится и превратится в окрашенную полоску, где постепенные переходы цветов от красного до фиолетового совпадают с теми, которые можно наблюдать в радуге (рис. 109). Ньютон знал, что, проходя через призму, лучи света испытывают преломление, т. е. меняют угол направления своего движения. Теперь оказалось, что лучи разного цвета меняют этот угол по– разному. На основании этого наблюдения Ньютон сделал вывод, что лучи разного цвета преломляются призмой неодинаково.

Рис. 109. Дисперсия света на призме

Обнаруженное им радужное изображение он назвал спектром (от лат. spektrum – видение), а само явление разложения света на различные цветовые составляющие – дисперсией. Таким образом, оказалось, что белый свет представляет собой смесь различных цветов. Эксперименты и выводы Ньютона опровергли распространённое до этого времени мнение о том, что цвет является свойством окрашенных предметов, т. е. цвет приобретает окраску при столкновении с цветными поверхностями. Но если это так, то от чего зависит цвет всех предметов, которые находятся вокруг нас и окраска которых является их естественным свойством?