Электрический глаз

Мезенцев Владимир Андреевич

Будем ли мы освещать тело светом очень сильным или ничтожно слабым, вылетевшие из тела электроны будут иметь одну и ту же скорость, а, значит, одну и ту же энергию.

Как понять этот факт, если мы считаем свет волной? Ведь с волновой точки зрения увеличение силы света означает, что энергия, которую переносит в данном месте волна, т. е. размах (амплитуда) колебаний световой волны, стала больше.

Почему же в таком случае электрон, вырываемый в этом месте волной, всегда имеет одну и ту же энергию, независимо от силы света?

«Это подобно тому, — писал по этому поводу один известный физик, — как если бы морские волны, ударяющиеся о берег, удвоив свою высоту, оказались только в состоянии разбросать больше гальки, чем прежде, но не могли заставить каждый камешек покинуть своё место более охотно и отбросить его на большее расстояние, чем первоначальные малые волны, которые лишь слегка омывали эти камешки».

А когда стали исследовать зависимость энергии, с которой вылетают из вещества электроны, от длины волны падающего на вещество света, то обнаружили и ещё один факт, совершенно необъяснимый с точки зрения волновой теории света: оказалось, что с уменьшением длины волны эта энергия, а значит и скорость электронов, возрастает!

Как можно объяснить все эти загадочные закономерности фотоэффекта?

Ответ даёт так называемая квантовая теория света.

Вместе с тем она очень просто объясняет и вопрос, который, вероятно, уже возник у читателя — каким именно образом свет выбивает из различных тел электроны.

4. «Бомбардировка» светом

Что такое свет? Какова его природа?

Этот вопрос очень труден. Долгое время он оставался для учёных загадкой.

В XIX веке свет считался потоком электромагнитных волн, и только. Однако целый ряд явлений, связанных с поглощением и излучением света, в том числе и явление фотоэффекта, уже в самом начале XX века заставил физиков отказаться от такого взгляда на природу света. Дело в том, что в этих явлениях свет ведёт себя не как волна, а как поток отдельных мельчайших частичек.

Однако в других случаях свет ясно показывает свои волновые свойства.

Что же получается?

Выходит, что наше представление о свете, как только о волнах, недостаточно: оно не отражает всех свойств света.

Теперь установлено, что природа света значительно более сложна, чем, скажем, природа морских волн или потока дробинок, вылетающих из ружья.

Свет — это действительно электромагнитные волны, но испускание и поглощение света происходят не непрерывно, а отдельными порциями. Эти порции носят название квантов.

Каждый атом вещества может поглотить только целое число квантов световой энергии, т. е. один, два и т. д., но никак не половину или, скажем, полтора кванта.

Величина энергии каждого кванта не одинакова. Сна зависит от длины волны. Чем длиннее волна, тем меньше энергия кванта. Таким образом, квант красного излучения, например, несёт меньшую энергию, чем квант синего света. Но энергия как тех, так и других квантов, да и вообще любых квантов видимого света, чрезвычайно мала.

Квантовая теория очень просто объясняет фотоэлектрический эффект и его закономерности.

Понятна зависимость выхода фотоэлектронов от длины волны. Ведь чем меньше длина волны, тем больше энергия квантов этого света и, следовательно, тем скорее эти кванты вырвут электроны.

Таким образом, свет как бы «бомбардирует» различные тела. Такая «бомбардировка» поверхности вещества светом различной длины волны напоминает (но только напоминает) стрельбу из охотничьих ружей. Действительно, каждый охотник знает, что на мелкую дичь употребляют самую мелкую дробь — «бекасинник». На уток и гусей идёт дробь покрупнее. А на крупную дичь — на козлов, кабанов и медведей — необходима либо пуля, либо очень крупная дробина. Если вы будете стрелять по медведю бекасинником, из этого ничего хорошего не выйдет — медведь убит не будет; каждая дробинка в отдельности не сможет пробить его толстой шкуры. Мелкая дробь в этом случае, как и кванты малых размеров (малые порции энергии) не достигнет цели. Но будет достаточно лишь одной пули, несущей большой запас энергии, чтобы медведь был убит.

Так и при «бомбардировке» светом. Если энергии каждого отдельного кванта недостаточно для того, чтобы совершить «работу выхода», необходимую для вырывания фотоэлектрона из тела, то фотоэффект вообще не будет иметь места, сколько бы света ни падало на тело. Вот почему и не наблюдается фотоэлектрический эффект даже при освещении сильным светом, если только длина волны этого света настолько велика, что соответствующая порция энергии (квант) меньше «работы выхода». Если же квант достаточно «энергичен», чтобы при благоприятных условиях вырвать из тела электрон, то ясно, что чем больше квантов будет падать на тело, тем больше будет вырвано электронов, т. е. тем сильнее будет фотоэлектрический ток в пространстве вокруг этого тела.

Так же просто объясняются, с квантовой точки зрения, и другие закономерности фотоэффекта.

Действительно, поскольку определённая частица вещества может поглощать только целый квант, то для неё не имеет значения, сколько вообще квантов падает на тело. Для каждой частицы существенно другое — а именно, величина энергии поглощаемого ею кванта. Процесс, происходящий в каждом атоме, не зависит от количества квантов, то есть от общей падающей энергии, а определяется только энергией каждого отдельного кванта. Поглощённый атомом квант световой энергии увеличивает запас энергии электрона. При этом часть энергии кванта тратится на работу вырывания электрона из тела, а остаток энергии передаётся вылетевшему электрону. Понятно, что этот остаток будет тем больше, чем больше была энергия поглощённого кванта, то есть чем меньше была длина волны света. Значит, чем больше была энергия поглощённого кванта, тем больше будут и та максимальная энергия и та скорость, которые будет иметь вылетевший электрон.

Таково объяснение фотоэлектрического эффекта.

Изученный А. Г. Столетовым фотоэффект называется внешним нормальным фотоэффектом. Изложенные здесь краткая теория и законы фотоэффекта относятся именно к внешнему нормальному фотоэффекту. Однако кроме этого явления были открыты и другие фотоэлектрические эффекты: 1) внешний селективный (избирательный) фотоэффект и 2) внутренний фотоэффект. Об использовании этих явлений будет рассказано в следующей главе без изложения их теории.

Каким же образом явление фотоэффекта используется в тех приборах, о которых мы говорили в самом начале нашей книжки — в фотоэлементах? Как устроены эти приборы?

Об этом рассказывается в следующей главе.

II. КАК УСТРОЕНЫ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

1. Фотоэлементы вакуумные и газонаполненные

Итак, свет, падая на различные тела, способен «выбивать» из них электроны, способен рождать электрический ток в пространстве. Нужно лишь для разных тел подбирать лучи с соответствующей длиной волны.

Возникает заманчивая мысль — а нельзя ли каким-либо путём использовать этот фотоэлектрический ток? Можно!