Страница 2 из 12
Число электронов у различных атомов также различно. Например, в атоме водорода имеется только один электрон, в атоме гелия — два, кислорода — восемь и т. д.
Суммарный заряд электронов равен заряду ядра. Таким образом, любой атом в нормальном своём состоянии электрически нейтрален — заряды противоположных знаков нейтрализуют друг друга.
Мы не будем в этой книжке говорить о том, как устроено атомное ядро и какие силы связывают ядро атома и его оболочку. Об этом подробно рассказывается в других книжках[1]. Чтобы понять сущность фотоэлектрического явления, нам достаточно и этих кратких сведений об атоме.
А теперь, вспомнив, как устроен атом, нетрудно разобраться и в том, как осуществляется электризация тел.
При электризации тел всегда производится разделение положительного и отрицательного зарядов. Как это может происходить? Очевидно, что для этого необходимо из электронных оболочек атомов одного тела «изъять» каким-либо путём по одному или по несколько электронов и «пересадить» эти электроны в электронные оболочки атомов другого тела.
Что получится в этом случае? Атомы, у которых будут «изъяты» один или несколько электронов, уже не будут нейтральными. Положительный заряд их ядра будет больше, чем общий отрицательный заряд электронной оболочки. Стало быть и атом в целом будет положительно заряженным. Такая частица называется положительным ионом. И вот, если число положительных ионов в теле достаточно велико, то и всё тело в целом будет заряженным положительно.
И напротив, атомы с лишними, «чужими» электронами имеют отрицательный заряд. Они называются отрицательными ионами. Когда таких отрицательных ионов в теле много, оно в целом заряжено отрицательно.
«Изъятые» электроны могут остаться в теле и в «свободном» состоянии; в этом случае они не будут связаны с какими-либо определёнными атомами.
Таким образом, электризация тела всегда сводится к тому, что часть нейтральных атомов превращается в заряженные частицы — ионы.
Для этого, конечно, необходимо затратить какую-то работу. Ведь электроны, входящие в состав атома, удерживаются в нём электрическими силами. Поэтому, чтобы вырвать из электронной оболочки атома хотя бы один электрон, т. е., чтобы, как говорят, ионизовать этот атом, надо преодолеть связывающие атом электрические силы. А это можно сделать, только затратив определённое количество энергии, т. е. совершив работу. Эта работа называется «работой ионизации» атома. Она может быть осуществлена, например, за счёт тепловой энергии, иными словами — путём нагрева тела до высокой температуры. Можно ионизовать атомы и за счёт энергии света.
Итак, что же мы узнали? Во-первых, то, что атомы, а значит, и молекулы всех веществ построены из электрически заряженных частиц. И, во-вторых, если какое-либо тело приобретает электрический заряд, то это всегда означает, что атомы этого тела либо потеряли часть своих электронов, либо, наоборот, приобрели некоторое количество лишних электронов. Эти лишние электроны либо присоединились к его атомам, образовав отрицательные ионы, либо остались в теле в свободном состоянии, не будучи связанными с какими-либо определёнными атомами.
Здесь же надо сказать и о том, что «свободные», несвязанные электроны всегда имеются в некоторых материалах и без какой-либо электризации. К таким веществам, в частности, относятся все металлы. В любом куске металла всегда имеется значительное количество электронов, оторванных от своих ядер в результате взаимодействия между отдельными атомами. Такие «свободные» электроны принадлежат уже не какому-то одному атому, а куску металла в целом. Такие электроны могут свободно «путешествовать» по всему куску металла.
Этим и объясняется хорошая электропроводность металлов — ведь электрический ток в металлах и есть движение таких «свободных» электронов от отрицательного электрода к положительному под действием электрических сил.
Испариться из куска металла, вылететь в окружающее пространство «свободные» электроны не могут; этому мешают силы, действующие на поверхности твёрдых тел. Чтобы вырвать из металла свободный электрон наружу, нужно, как и в случае ионизации атомов, затратить некоторую работу. Эту работу называют «работой выхода». Величина «работы выхода» меньше величины «работы ионизации» отдельного атома.
Теперь, зная в чём заключается сущность электризации тел, вы уже без труда можете понять, что именно происходит при фотоэлектрическом эффекте.
3. Основные законы фотоэлектрического эффекта
Вспомните опыты А. Г. Столетова. Как только учёный освещал лучом света отрицательно заряженную металлическую пластинку, в цепи возникал электрический ток. Свет как бы «выбивал» отрицательный электрический заряд с пластинки и переносил его на сетку.
Что это может означать? Только одно — очевидно, что световые лучи способны «выбивать» из металла и выбрасывать в окружающее пространство те избыточные электрические заряженные частички, благодаря которым тело и проявляет себя, как электрически заряженное.
Нетрудно сообразить, какие именно частицы выбиваются светом из тела. Это — отрицательно заряженные частицы — электроны.
Значит, вот в чём сущность фотоэлектрического эффекта. Она заключается в том, что под влиянием света из тела вырываются электроны! Другими словами, свет способен совершать ту «работу выхода», которая необходима для вылета «свободных» электронов из вещества наружу.
А вылетающие в пространство электроны — ведь это и есть не что иное, как электрический ток!
Вот почему в цепи установки Столетова и возникал электрический ток всякий раз, как на пластинку, соединённую с отрицательным полюсом батареи, падал луч света. В этом случае электрическая цепь установки замыкалась: в воздушном или безвоздушном (Столетов проводил опыты и с откачиванием воздуха) пространстве между дисками возникал ток.
Такова сущность фотоэффекта.
Каковы же законы этого замечательного явления?
Вспомним прежде всего о том, что для получения фотоэлектрического тока необходимо осветить «подходящими» лучами какое-либо тело, причём это тело может быть как твёрдым, так и жидким или газообразным.
Но что значит «подходящие» лучи? Какие вообще бывают лучи? Разберёмся в этом.
Известно, что свет, идущий, например, от солнца или от электрической лампы, является сложным. В состав ею входят так называемые «простые» или одноцветные лучи разного рода. Вспомните, например, радугу: в ней вы видите как раз все лучи, составляющие сложный белый свет. Все эти видимые лучи по-разному действуют на наш глаз. Одни из них создают ощущение синего цвета, другие — зелёного, третьи — красного и т. д. Смешиваясь в определённых соотношениях, эти лучи и дают белый свет. Можно смешать их и в других соотношениях; тогда свет будет казаться нам оранжевым, голубым и т. п.
Помимо этих видимых световых лучей, известно также много лучей невидимых; они не создают в нашем глазу ощущения света, но зато могут быть обнаружены по другим своим действиям. К таким лучам относятся: ультрафиолетовые лучи — они сильно действуют на фотографическую пластинку и дают «загар» кожи; инфракрасные лучи, которых много в излучении солнца и ламп; это тепловые лучи, они вызывают нагревание различных предметов при освещении; рентгеновы лучи, которыми врачи «просвечивают» наше тело, а инженеры — различные непрозрачные материалы. К невидимым лучам относятся и радиоволны.
Все эти лучи, как видимые, так и невидимые, хотя и сильно отличаются друг от друга, имеют одну и ту же природу. Все они представляют собой так называемые электромагнитные волны, распространяющиеся с огромной скоростью (300 000 километров в секунду) в пространстве[2].
Различные лучи отличаются друг от друга лишь длиной волны. Так, например, видимые красные лучи имеют длину волны около 6–7, а синие — около 4 стотысячных долей сантиметра. Длина волны ультрафиолетовых лучей ещё меньше. Инфракрасные лучи соответствуют волнам с длиной от 8 стотысячных до примерно одной сотой доли сантиметра. А радиоволны имеют длину от нескольких сантиметров до нескольких тысяч метров. На рисунке 3 показано, какую длину волны имеют различные лучи.
1
См., например, брошюру «Научно-популярной библиотеки», Г. А. Зисман «Мир атома».
2
Подробнее о свете см. книжку «Научно-популярной библиотеки»: С. Г. Суворов «О чём говорит луч света».