§ 4.3 Фотоэффект
При такой ситуации естественно предположить, что источник энергии отрывающихся от металла электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле. Что касается лучей, они лишь освобождают её, служат своего рода запалом — ведь одной искры бывает довольно, чтобы взорвать бочонок с порохом…
Одно из первых свидетельств корпускулярных свойств света дал фотоэффект, то есть, — вылет электронов из металла при облучении его светом. Напомним, в 1888 г. русский физик-экспериментатор А.Г. Столетов (Рис. 148) исследовал явление фотоэлектрического эффекта, установил его природу и главные закономерности. Явление не только кардинально повлияло на развитие физики, но и повлекло за собой массу открытий, изобретений. Все теле- и видеокамеры, цифровые фотоаппараты, фотоэлементы, солнечные батареи и прочие устройства, преобразующие свет в электрические воздействия и обратно, — основаны на фотоэффекте. Без него немыслима современная техника. Казалось бы, столь важное явление должно быть подробно изучено и объяснено. Но, несмотря на более чем столетнюю историю исследований, фотоэффект так и не нашёл адекватного исчерпывающего объяснения и таит ещё уйму загадок.
Рис. 148. Александр Григорьевич Столетов (1839–1896).
Суть фотоэффекта, как открыл Столетов, состоит в испускании металлом, под действием света, отрицательно заряженных частиц, — электронов. Первый закон фотоэффекта, открытый Столетовым, гласит: интенсивность тока электронов (фототока) из металла — пропорциональна интенсивности освещения. Из этого, полагали, естественно заключить, что именно свет даёт энергию фотоэлектронам, заставляя их вылетать из металла: чем больше света, — тем больше электронов покидает металл. Но Столетов обнаружил удивительную вещь: электроны начинали выходить из металла мгновенно, едва включали освещение [23]. Как показали расчёты, свет просто не успел бы передать электронам требуемую для выхода энергию [134]. Другой загадкой был открытый Ф. Ленардом закон, по которому скорость и энергия E фотоэлектронов зависит не от интенсивности света, а лишь от его частоты f.
Вместе эти два факта, — безынерционность фототока и независимость энергии электронов от яркости, — означали, что вовсе не свет даёт энергию электронам. И, вот, Макс Планк предположил, что фотоэлектроны получают энергию от самого металла, а свет лишь включает спусковой механизм фотоэффекта, играя роль искры, вызывающей взрыв бочонка с порохом, выстрел кремневого ружья, — атома металла, стреляющего пулями-электронами [83]. Чем больше света, — запальных искр, тем чаще раздаются выстрелы: металл чаще стреляет электронами. Но эту идею Планка забыли и приняли другую его гипотезу, которую сам он не рассматривал всерьёз: гипотезу квантов, по которой свет состоит из малых порций, сгустков энергии hf (квантов, фотонов), которые разом отдают электронам свою энергию. Квантовая гипотеза объясняет безынерционность фотоэффекта и зависимость E=hf, но не объясняет других свойств фотоэффекта и не вяжется с волновой, электромагнитной природой света (§ 4.2).
Теоретически свет, будучи электромагнитной волной, мог бы, заставив электрон колебаться, придать ему скорость и "выбить" из металла. Но, в таком случае, неясно, почему скорость электрона не зависит от яркости света, а определяется лишь его частотой. Кроме того, в опытах выяснилось, что энергия вылетевшего электрона нередко больше энергии поглощённого им света, словно энергию электрону передала не распределённая в пространстве волна, а именно фотон, световой квант, — энергетический сгусток, в малом пространстве аккумулирующий всю энергию волны [134]. Вот и решили, что только фотонам по плечу выбивать электроны из металла, потому-то энергия электронов и зависит лишь от частоты света. И, всё же, фотоэффект можно объяснить без привлечения фотонов и квантов света, если принять, следуя Планку, что "источник энергии электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле". В самом деле, учёные признают, что фотоэффект возможен лишь в металле: никто ещё не наблюдал аналогичного фотоэффекту действия света на одиночный электрон в вакууме. А, раз энергию электрону даёт металл, то даже слабый свет, давя на спусковой крючок фотоэффекта, способен высвободить электроны с огромной энергией, независимо от яркости. Так же, и слабое нажатие на спусковой крючок арбалета, баллисты, — высвобождает запасённую в тетиве огромную энергию, приводящую к выбросу стрелы или снаряда.