Электрический глаз

Рис. 3. Разные лучи отличаются друг от друга только длиной волны.

Как вы видите из рисунка, резкого перехода от одних лучей к другим не существует. Так, к примеру, самые короткие радиоволны и самые длинные тепловые лучи вообще ничем не отличаются друг от друга. Это — одно и то же. И вообще, можно сказать, что все лучи — видимые и невидимые — составляют одну семью.

Какие же лучи вызывают фотоэлектрический эффект?

Оказывается, для каждого вещества существует определённая длина световой волны, которая является так называемой «длинноволновой» границей фотоэлектрического эффекта. Это значит, что если лучи имеют длину волны больше этой границы, то они не вызовут никакого фотоэлектрического эффекта, не смогут выбить ни одного электрона. Вы можете, например, бросить на цинковую пластинку какое угодно количество лучистой энергии в виде красных или иных видимых лучей и не получите ни одного вырванного электрона, или, как его ещё называют, фотоэлектрона. Напротив, достаточно совсем небольшого количества света, но в виде ультрафиолетовых лучей, чтобы получить целый рой таких электронов. Именно поэтому в опытах Столетова фотоэффект давали лучи электрической дуги, в которых содержится много лучей ультрафиолетовых.

На большинство металлов, — на такие, как золото, платина, никель, да и вообще на большинство веществ, — действуют только ультрафиолетовые лучи. Лишь у таких металлов, как калий, натрий, цезий и некоторые другие, фотоэлектрический эффект наблюдается и при облучении видимым светом.

Ну, а от чего же ещё, кроме длины волны излучения, зависит число «выбитых» из вещества электронов?

Зависит ли это число от количества падающей на тело световой энергии? Да, зависит.

И эта зависимость вполне определённая. Если какие-либо лучи света выбивают из куска металла электроны, то число таких электронов всегда тем больше, чем больше падает на этот кусок света.

Об этом говорит основной закон фотоэффекта: число вылетающих электронов всегда строго соответствует количеству падающей на тело световой энергии.

Многие исследователи проверяли этот закон различными путями. Одни изменяли силу падающего света, не меняя длину волны, и измеряли число электронов, вылетающих за какой-либо определённый промежуток времени, скажем, за одну секунду, другие давали свет постоянной силы, но меняли время его действия и измеряли количество электронов, вылетающих за разные промежутки времени.

При этом сила света и время освещения менялись в очень широких пределах. Например, силу освещения изменяли в пятьдесят миллионов раз! Но во всех случаях был получен один и тот же результат: для света определённой длины волны на каждую единицу падающей лучистой энергии приходится одно и то же количество вылетающих электронов.

Уже эти закономерности фотоэффекта было очень трудно объяснить первое время, и вот почему. Как мы уже сказали, свет представляет собой поток электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве. Это было доказано ещё в XIX веке рядом неопровержимых опытов.

Однако объяснить с этой точки зрения, почему световые лучи с различной длиной волны по-разному действуют на различные вещества, очень трудно.

Мало того. Ещё большие загадки и совершенно необъяснимые противоречия появились перед физиками тогда, когда они стали изучать вопрос о скоростях фотоэлектронов, т. е. о том запасе энергии, который приобретает под действием света каждый электрон в отдельности. Здесь прежде всего был установлен следующий поразительный факт. Хотя число вырываемых электронов зависит от силы света, энергия каждого отдельного вырываемого электрона от силы света не зависит, а зависит только от длины волны.

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.