Наверняка о Столетове Александре Григорьевиче слышали немногие. Хотя это известный русский физик своего времени, который внес огромный вклад в развитие этой науки в XIX веке, в частности его научные труды способствовали лучшему пониманию электромагнитных явлений. В данной статье рассмотрим законы Столетова для фотоэффекта и то, какой физический смысл они несут.
Положение физики в XVII-XIX веках: споры о природе света
Начиная с XVII, когда Исаак Ньютон начал проводить опыты со светом, и заканчивая веком XX, когда физики "проникли" в структуру атомного ядра, не утихали споры относительно природы электромагнитного излучения.
В XVII Ньютон выдвигает так называемую корпускулярную теорию, согласно которой, свет - это набор маленьких частиц, или корпускул. Ученые всего мира признавали эту теорию в течение последующих полутора веков, до тех пор, когда ряд проведенных экспериментов в первой половине XIX века показал, что она неверна (ньютоновская концепция "корпускул" не могла объяснить наблюдаемые явления интерференции и дифракции). Впоследствии Максвелл получил стройную систему уравнений, которые объясняли распространение электромагнитного излучения с точки зрения волновых процессов. Теория Максвелла была подтверждена опытами Фарадея, а также Герца, который смог измерить скорость распространения этих волн (она совпала с таковой для света).
Казалось бы, ньютоновская теория похоронена окончательно, но произошло одно интересное событие: тот же Герц, будучи ярым сторонником теории Максвелла и волновой природы света, в 1887 году публикует статью, в которой говорит о зависимости интенсивности искрового разряда между двумя сферами от наличия или отсутствия источника освещения. Герц, не зная того, открыл явление фотоэффекта, которое являлось началом конца существования волновой природы света.
Забытый русский ученый
После открытия Герцем фотоэффекта начинается активное изучение этого явления различными учеными со всего мира. При этом часто называют таких ученых, как англичанин Уиллоуби Смит, который наблюдал еще в середине XIX (до опытов Герца) усиление тока в селеновом полупроводнике при его освещении; как американец Чарльз Фриц, который считается создателем первой фотоэлектрической ячейки (устройство для генерации электрической энергии благодаря солнечному свету); также говорят об Альберте Эйнштейне, который объяснил явление фотоэффекта, о Милликене, о Комптоне и других, но мало кто вспоминает о Столетове. Тем не менее в 1888 году именно Столетов открыл закон, который в настоящее время носит его имя.
Столетов во второй половине XIX века являлся одним из самых известных физиков Российской империи. Он происходил из семьи торговцев, получил образование в МГУ и в Германии. Был знаком и поддерживал отношения с известными физиками Европы на тот момент.
Научные труды Столетова касались исследования магнетизма (гистерезис намагниченности железа при увеличении интенсивности магнитного поля), а также изучение электрических процессов при наличии источника света (фотоэффект в газах и твердых телах).
Почему о Столетове мало кто знает? Дело в том, что он являлся противником царского режима в Российской империи (организовывал забастовки студентов против царизма, в чем не раз был обвинен), поэтому по политическим причинам получил отказ в принятии в состав членов РАН, а его научные труды практически не цитировались российскими учеными конца XIX века.
Опыты Столетова
Рассмотрим непосредственно вопрос о том, в чем заключается закон Столетова в физике.
В 1888 году (в некоторых источниках говорится о 1872-м) ученый провел два интересных эксперимента:
- Он взял воздушный конденсатор, состоящий из цинковой пластины и металлической решетки. Через решетку он пропускал свет от ртутной лампы. Если пластины конденсатора были замкнуты в электрическую цепь, и если цинковая пластина являлась катодом (отрицательным электродом), а решетка анодом (положительным электродом), то присоединенный к цепи гальванометр фиксировал наличие электрического тока. Этот ток Столетов назвал фотоэлектричеством. Когда же ученый выключал лампу или менял полярность пластин, ток в цепи прекращался.
- Заряжая электроскоп отрицательным зарядом, а затем облучая его лепестки светом, ученый наблюдал, что они начинали падать, то есть прибор терял свой отрицательный заряд. Столетов провел также этот эксперимент с положительно заряженным электроскопом и не обнаружил никакого эффекта.
Эти эксперименты были опубликованы Столетовым в шести различных работах.
Интерпретация проведенных опытов и законы Столетова
В результате приведенных выше опытов ученый сделал несколько важных выводов.
Во-первых, он установил, что свет, падающий на металлические поверхности, заставляет последние терять отрицательный заряд. Каким образом это происходит и что собой представляет этот заряд, ученый не знал (на момент проведения опытов еще не был открыт электрон, обнаруженный Томсоном лишь в 1897 году). Это положение Столетова объясняло, почему лепестки отрицательно заряженного электроскопа падали, а положительного - нет.
Во-вторых, русский ученый установил, что интенсивность падающего излучения и сила электрического тока находятся в прямо пропорциональной зависимости. В настоящее время это положение является первым законом фотоэффекта, или первым законом Столетова. Формула для него может быть записана в виде:
L = k*I.
Здесь L - интенсивность света, падающего на пластину конденсатора (катод), I - индуцированная сила тока, k - некоторый коэффициент пропорциональности, который зависит от природы материала катода.
В-третьих, Столетов показал, что фотоэлектрический ток возникает мгновенно после включения источника света. Время задержки, которое он оценил, не превышает 0,001 секунды. Сейчас это положение называется четвертым законом фотоэффекта.
Теперь каждый школьник, если ему дадут задачу: "Сформулируйте законы Столетова", сможет с успехом ее решить.
Суть явления фотоэффекта
Чтобы ясно представлять, что открыл Столетов, кратко расскажем о явлении фотоэффекта. Под ним понимают вырывание электронов из абсолютно любого материала, когда на него падает электромагнитное излучение с частотой, большей некоторого порогового значения. Эта частота получила название красной границы.
Теоретическое объяснение этому явлению дал Альберт Эйнштейн, опубликовав соответствующую работу в 1905 году. Как известно, за это объяснение он получил Нобелевскую премию.
Чтобы понять суть процессов, происходящих во время фотоэффекта, Эйнштейну пришлось отказаться полностью от общепринятой волновой теории света и рассмотреть его в виде пучка квантов - фотонов. Опираясь на исследования Макса Планка, Эйнштейн доказал, что каждый электрон в атоме взаимодействует только с одним фотоном. Если энергия последнего достаточна, чтобы вырвать электрон из материала, то фотоэффект наблюдается.
Законы фотоэффекта
Этих законов четыре:
- Первый закон Столетова, озвученный выше, также является первым для фотоэффекта.
- Второй закон этого явления гласит, что для возникновения рассматриваемого явления необходима некоторая минимальная частота фотона, меньше которой фотоэффект не наблюдается.
- Третий закон свидетельствует о том, что кинетическая энергия вырванного электрона зависит только от частоты фотона, а не от их количества (интенсивности облучения).
- Наконец, четвертое положение для этого явления, которое заключается в его мгновенности. По сути, это второй закон Столетова.
Другие открытия и изобретения Столетова, связанные с фотоэффектом и природой света
Помимо названных выше заслуг нашего ученого в объяснении фотоэффекта, следует отметить и то, что Столетов также смог измерить скорость света и сконструировал первую солнечную батарею, основанную на явлении внешнего фотоэффекта (согласно некоторым источникам, это впервые сделал в 1884 году американец Чарльз Фриц).
Важность открытий Столетова
Безусловно, влияние работ Столетова на физику конца XIX века является огромным. Ведь если учитывать, что во время проведения опытов ученого мировое научное сообщество жило без существующего понятия об электроне и с учетом представлений волновой теории электромагнетизма, то можно смело утверждать, что Столетов стал одним из основоположников квантовой теории света, а его работы способствовали открытию электрона Томсоном.
