При поглощении световой энергии телами часть энергии превращается в электрическую энергию, в результате чего в телах может возникать или электродвижущая сила, или электрический ток, или изменение электрического сопротивления тел.
Все явления такого рода получили название фотоэлектрического эффекта, или фотоэффекта. Явление фотоэффекта открыл Г. Герц 1887 г. и исследовал русский физик А.Г. Столетов. Правда, они изучали так называемый внешний фотоэлектрический эффект, при котором падающий свет выбивает с поверхности металла электроны.
Для наблюдения внешнего фотоэффекта и изучение его законов используют схему, изображенную на рис. 13.2. Металлическая пластинка Р (катод) подключена к отрицательному полюсу батареи Е, второй ее полюс соединен через реостат (потенциометр) К и гальванометр G с пластинкой N (анодом). Обе пластинки Р и N располагаются в баллон, из которого выкачан воздух, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не искажали наблюдаемые явления, а также чтобы предотвратить окисление пластинок Р iN. Поскольку такое электрическая цепь разомкнет-не, тока в нем нет. При освещении пластинки Р через кварцевое окошко (кварцевое стекло прозрачное для оптического излучения) из нее высвобождаются электроны (фотоэлектроны), которые попадают в электрическое поле между Р и N. Напряжение между Р и N можно изменять перемещением ползунка реостата К. Если поле достаточно сильное и направлено так, что электроны перемещаются от Р до N, то выбиты электроны с пластинки Р достигнут пластинки N, и через гальванометр будет проходить фототок, определяемый числом электронов, достигающие пластинки N за единицу времени. При увеличении внешнего напряжения, приложенного к фотоэлемента, фототок возрастает и достигает при заданном освещении максимального значения Is, которое называют током насыщения. Ток насыщения Is - это такой фототок, когда все фотоэлектроны, выбитые светом с пластинки Р, доягнуть пластинки N. Зависимость силы электрического тока (фототока) от внешнего напряжения (вольт-амперная характеристика фототока) показано на рис. 13.3. Если внешнее напряжение приложено в обратном направлении (по сравнению с показанным на рис. 13.3), фототок уменьшается и при определенной напряжения Ur равна нулю. Исследование фотоэлектрических явлений привели О. Г. Столетова к установлению таких законов фотоэффекта:
1. Фототок насыщения Is (максимальное число электронов, высвобождающихся светом за 1 с) прямо пропорционален световому потоку, падающего на катод.
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности и.
Проведенные исследования доказали, что для каждого металла существует минимальная частота (максимальная длина волны), при которой скорость фотоэлектрона равна нулю. Эту частоту (длину волны) называют красной чертой фотоэффекта. Свет, имеет частоту, меньшую красную черту для определенного металла, не может освобождать из него фотоэлектронов. В этом случае фототок в цепи не возникать при любой интенсивности падающего света. Для примера приведем значения красной черты для некоторых металлов: для Li - 500 нм, Na - 540 нм, К - 550 нм, Hg - 273,5 нм, Fe - 262 нм, A g - 261 нм, Au - 265 нм. Следовательно, независимо от интенсивности падающего света фотоэффект возникает только при определенном значении длины волны света, которая является менее красную черту для определенного металла, а число высвобожденных электронов при заданной длине волны определяется интенсивностью света.
Исходя из представлений волновой теории света, которая господствовала в XIX в. и рассматривала свет как непрерывный волновой процесс, эти особенности фотоэффекта нельзя объяснить. Если электромагнитная (световая) волна падает на металл, то амплитуда колебаний электрона должна быть пропорциональна амплитуде электрического вектора световой волны, а следовательно, и интенсивности падающего света, поскольку она пропорциональна квадрату амплитуды электрического вектора. Тогда при любой длине волны, если свет имеет достаточно большую интенсивность, можно ожидать высвобождения электронов из металла, и, как следствие, красной черты фотоэффекта не будет существовать. К тому же с точки зрения волновой теории кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от интенсивности света, так как с увеличением интенсивности электрона передается большая энергия. Тогда и скорость фотоэлектронов имеет увеличиваться с увеличением интенсивности падающего света, что противоречит закону Столетова.
Основываясь на гипотезе Планка о квантах, Эйнштейн 1905 выдвинул квантовую теорию фотоэффекта. В отличие от Планка, который считал, что свет излучается квантами и рассматривал этот факт как свойство излучающих систем, А. Эйнштейн распространил корпускулярные свойства непосредственно на излучение. Он предположил, что свет не только излучается, но и распространяется и поглощается отдельными неделимыми порциями - квантами. Кванты являются частицами с нулевой массой, движущихся в вакууме со скоростью 299 792 км / с. Впоследствии эти частицы получили название фотонов. Однако существование фотонов - квантов света - не следует из существования неделимых порций излучения.
Идея квантов была настолько необычной, что сам автор ее длительное время рассматривал кванты как вспомогательный математический метод. Поэтому неудивительно, что теория фотонов с ее парадоксальным сочетанием волновых и корпускулярных свойств света, исключающие друг друга, долгое время не имела признание. В 1912 p. в рекомендации, подписанном крупнейшими немецкими физиками, в том числе М. Планком, об избрании А. Эйнштейна к Прусской академии наук говорилось о гипотезе световых квантов: «То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрек. Не решившись пойти на риск, нельзя осуществить истинно нового, даже в самом точном естествознании »*.
Из теории фотонов следует, что свет не только поглощается и излучается неделимыми частицами, а в промежутке между излучением и поглощением состоит из неделимых частиц, которые несут тем большую энергию, чем больше частота электромагнитных колебаний. Энергия частиц (квантов) света - фотонов - пропорциональна частоте и для света определенной частоты (монохроматического) составляет определенную величину е0 = hv> д eh - постоянная Планка. Корпускулярная структура света оказывается во многих экспериментах. Особенно ярко и убедительно подтверждается существование фотонов явлениями фотоэлектрического эффекта. Исходя из того, что свет состоит из фотонов, энергия которых hv9 рассмотрим столкновение такого фотона с электроном в металле, во время которого он передает свою энергию электрону. Если эта энергия больше работу выхода электрона (?v> Авых), то электрон вылетит из металла. Если hv <Авых, то при произвольной интенсивности потока фотонов электроны при столкновении с ними не вступят энергии, достаточной для преодоления потенциального барьера (вероятность одновременного столкновения электрона с несколькими фотонами скудна и поэтому не в счет). При таком подходе красная граница фотоэффекта объясняется просто. А. Эйнштейн не только дал качественное объяснение фотоэффекта, но и выполнил точный количественный анализ и установил закон фотоэффекта, блестяще подтвердился на опыте.