Глава XXI. Действия света

§ 182. Действия света на вещество. Фотоэлектрический эффект

Световая волна, падающая на тело, частично отражается от него, частично проходит насквозь, частично поглощается (см. § 76). В большинстве случаев энергия поглощенной световой волны целиком переходит во внутреннюю энергию вещества, что приводит к нагреванию тела. Нередко, однако, известная часть этой поглощенной энергии вызывает и другие явления. Очень важными действиями света, получившими большие практические применения, являются фотоэлектрический эффект, фотолюминесценция и фотохимические превращения.

Простейший опыт, обнаруживающий фотоэлектрический эффект {фотоэффект), уже был описан в томе II, §9. Хорошо очищенная цинковая пластинка 1 (рис. 330) прикреплена к электроскопу 2 и освещается источником 3, богатым ультрафиолетовым излучением (электрическая дуга или кварцевая ртутная лампа). Если электроскоп заряжен отрицательно, то под действием света ртутной лампы он разряжается. Разряд происходит тем быстрее, чем больше освещенность пластинки, т. е. чем больше световой поток, падающий на пластинку. Явление разряда не происходит, если на пути лучей помещено стекло 4, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Если электроскоп заряжен положительно, то заряд на нем сохраняется, несмотря на освещение.

Рис. 330. Фотоэффект: под действием света металл теряет отрицательные заряды

Из этих опытов, равно как из других, им подобных, можно прийти к следующим заключениям. Отрицательный заряд теряется с поверхности металла при освещении. Положительный заряд сохраняется на поверхности металла, несмотря на освещение. Этот важный вывод, показывающий, что эффект наблюдается лишь в том случае, когда освещаемая пластинка соединена с отрицательным полюсом батареи, впервые с полной определенностью был установлен русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839—1896). В случае цинковой пластинки существенное значение для явления имеет освещение ультрафиолетовым излучением.

Описанный опыт показывает различие в свойствах отрицательных и положительных зарядов, входящих в состав металла. Первые представляют собой электроны, слабо связанные с металлом и могущие легко перемещаться в металле (проводимость) и сравнительно легко удаляться за его пределы (фотоэффект). Вторые же являются положительными ионами, составляющими решетку этого металла, так что вырывание их есть не что иное, как распыление самого металла. Если металл заряжен отрицательно, то освобожденный электрон удаляется прочь от металла под действием электрического поля, созданного заряженным металлом. В случае положительного заряда электроны, которые всегда имеются в металле, могли бы быть также освобождены светом. Но электрическое поле, имеющееся вокруг положительно заряженного тела, тормозит вылетевшие электроны и стремится вернуть их обратно к телу. Поэтому, если кинетическая энергия вылетевшего электрона (а следовательно, и его скорость) недостаточно велика, то электроны, несмотря на действие света, не могут покинуть пластинку, и положительный заряд ее остается неизменным.

Способность света вызывать отделение электронов от металла является одним из важнейших доказательств электромагнитного характера световой волны. Под действием электрического поля световой волны электрон получает энергию, достаточную для того, чтобы, несмотря на действие сил, удерживающих его, вырваться за пределы металла. Однако ознакомление с законами фотоэффекта показывает, что дело обстоит значительно сложнее.