Виорель Ломов - 100 великих научных достижений России

Памятник А.Г. Столетову у физфака МГУ. Скульптор С.И. Селиханов

Внешний фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием света открыл немецкий физик Г. Герц в 1887 г. Облучая один из двух металлических шаров разрядника для излучения электромагнитных волн ультрафиолетовыми лучами, Герц зафиксировал усиление электрического разряда между шарами.

В это же самое время изучением данного явления занимались независимо друг от друга сразу несколько ученых. Немецкий физик В. Гальвакс наблюдал, как заряжается положительно облученная ультрафиолетовым светом металлическая пластинка, итальянский исследователь А. Риги установил возможность фотоэффекта в металлах и в диэлектриках. Русский ученый А.Г. Столетов впервые провел всесторонние экспериментальные исследования и определил природу и основные закономерности этого явления, предложил количественные методы исследования фотоэффекта и фотоэлектрического контроля интенсивности света.

В своих опытах Столетов хотел выяснить, какое количество фотоэлектронов (он называл их зарядами) вырывается с поверхности вещества, от чего зависит их число и чему равна их кинетическая энергия. Ученый помещал в вакуумированный стеклянный баллон сетчатый конденсатор (металлическую сетку – анод и плоский цинковый диск – катод). Катод, подсоединенный к отрицательному полюсу батареи, облучался ультрафиолетовым излучением от вольтовой дуги через специальное кварцевое окошко. На электроды подавалось напряжение, изменяемое потенциометром.

Под действием света катод испускал отрицательно заряженные частицы (ими оказались электроны), вследствие чего в электрической цепи возникал электрический ток, измеряемый гальванометром. В результате тщательных экспериментов Столетов установил, что при малых напряжениях до анода долетает лишь часть вырванных светом отрицательных частиц, а при увеличении напряжения (и при неизменной интенсивности излучения) сила тока растет. Физик определил также, что при определенной разности потенциалов фототок достигает своего максимума и дальше не растет – выходит на насыщение. Затем ученый установил фактическую безынерционность фотоэффекта, то есть одновременность освещения металла и выхода из него электронов с незначительным запаздыванием фототока в 10–9 с. Изготовив первый фотоэлемент, Столетов обнаружил понижение его чувствительности со временем – т. н. фотоэлектрическое утомление; установил, что фототок возрастал при зачистке поверхности катода и повышении его температуры.

После серии тщательных экспериментов Столетов вывел первый закон фотоэффекта, заключающийся в пропорциональности силы фототока (в том числе фототока насыщения) из металла от интенсивности освещения. Физиком были сформулированы еще два закона фотоэффекта: об уменьшении максимальной скорости электронов с ростом длины волны света и о «красной границе фотоэффекта» – критической длине волны, индивидуальной для каждого металла, с превышением которой фотоэффект прекращается.

Полученные Столетовым зависимости нельзя было объяснить с классических позиций. Позднее английским физиком Дж. Томпсоном и немецким Ф. Ленардом было доказано, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны (1899), а двумя другими немецкими физиками была объяснена квантовая (фотонная) природа света (М. Планк, 1900) и создана теория фотоэффекта (А. Эйнштейн, 1905).

Закономерности, открытые Столетовым, легли в основу современной теории электрического разряда в газах, разработанную Дж. Таунсендом. Английский физик ввел в мировую научную литературу термин «эффект Столетова».

Фотоэффект нашел широчайшее применение в технике. Вакуумная установка русского ученого стала прототипом электронной лампы. На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов, используемых для механизации и автоматизации технологических и контрольных процессов; для освещения улиц; в робототехнике; в рентгеновских аппаратах; в фотометрии для измерения силы света, яркости и освещенности; в кино и телевидении для воспроизведения звука (фонограмм); в фототелеграфах и фототелефонах. Фотоэлементы применяют в турникетах метро, в источниках тока в часах и микрокалькуляторах, в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях, в динамомашинах, в ЭВМ.

«В своих публичных выступлениях Столетов непременно рассказывал о достижениях науки, об использовании ее в практических целях. “Было время, когда физика только что складывалась… С тех пор наука росла быстро и стала творить чудеса: не ограничиваясь расширением умственного горизонта, она подарила человеку на первых же порах и паровоз, и телеграф, и гальванопластику, и фотографию». Добавим к этому: фотоэффект и фотоэлементы.