О чем рассказывает свет

Физические исследования П. Н. Лебедева помогали физикам уяснять, что нельзя свет противопоставлять веществу, как нечто нематериальное — материи. Они подтверждали положение марксистской философии о том, что материя существует в различных формах, которые взаимосвязаны друг с другом.

А в наши дни ученые доказали, что вещество и свет при определенных условиях способны превращаться друг в друга. Но об этом мы расскажем позже.

Опыты А. Г. Столетова

Со времени Ньютона шел спор: что такое свет — волны или корпускулы (частицы). На рубеже XX века казалось, что спор подошел к концу. Все как будто говорило в пользу волновой природы видимого света. Все световые явления — прямолинейность распространения света, двойное лучепреломление, интерференция, дифракция и все другие — находили в волновых представлениях свое объяснение. Выяснилось, что видимый свет — только член целой семьи электромагнитных излучений. И все типы излучений обладают волновыми свойствами, как и видимый свет. Лишь природа рентгеновских излучений до некоторых пор была неясной.

Рис. 32. Опыты Столетова. Цепь между пластинкой АА и сеткой ВВ разорвана, ток не идет

Однако уже более десятка лет физикам были известны и такие световые явления, которые, по-существу, не укладывались в волновую теорию, хотя это и не было сразу разгадано. Еще Г. Герц, Гальвакс и другие физики в 80-х годах прошлого столетия обнаружили, что свет вырывает с поверхности металлов отрицательные электрические заряды. Русский физик А. Г. Столетов (1839—1896) подробно исследовал это явление и установил (1888 г.) его основные закономерности, которые позднее привели к открытию новых свойств света. Познакомимся с его опытами.

На рис. 32 АА — металлическая пластинка, а ВВ — металлическая сетка. Пластинка и сетка соединены с электрической батареей Б, пластинка — с отрицательным полюсом, сетка — с положительным. Г — включенный в цепь гальванометр — прибор, показывающий, проходит ли в цепи электрический ток.

В обычных условиях такая установка работать не будет; стрелка гальванометра стоит на нуле, тока в цепи нет. И это понятно: между пластинкой АА и сеткой ВВ цепь разорвана.

А. Г. Столетов осветил пластинку АА светом от вольтовой дуги (она же дуга Петрова). На рис. 33 схематически показано, как этот свет, пройдя через световой фильтр Ф (пропускающий лучи нужных нам длин волн), а затем сквозь сетку ВВ, падает на пластинку АА. При освещении пластинки АА светом через гальванометр проходит ток.

Из этого опыта Столетов заключил, что свет вырывает из металлической пластинки отрицательные электрические заряды. Эти заряды движутся к положительно заряженной сетке, и таким образом электрическая цепь замыкается, по ней идет ток.

Рис. 33. Опыты Столетова. Пластинка АА освещается светом от вольтовой дуги Д. С пластинки срываются отрицательные заряды, ток в цепи идет

Столетов освещал пластинку светом различного, цвета (различной частоты) и исследовал, как изменяется при этом сила тока в цепи. Обнаруженные Столетовым закономерности стали исходным пунктом развития новых представлений о свете.

Явления, которые наблюдал и описал А. Г. Столетов, ныне получили название фотоэлектрического эффекта или просто фотоэффекта (световое действие). Когда позднее (в 1895 г.) были открыты электроны, было установлено, что электрические заряды, вырываемые светом из пластинки, — это электроны. Электроны — это мельчайшие частицы вещества, обладающие наименьшим отрицательным электрическим зарядом. Фотоэффект состоит, следовательно, в том, что свет вырывает из металлической пластинки электроны. Физики научились измерять энергию (скорость) вырванных электронов.

Необычные закономерности фотоэффекта

Необычайность фотоэффекта заключается не в самом факте вырывания электронов светом, а в той закономерности, которая связывает энергию света и энергию вырванных электронов.

Сначала физикам казалось, что энергия фотоэлектронов должна зависеть от энергии падающих световых волн, а стало быть, от яркости света. Это вытекало из волновых представлений о природе света. Ведь казалось, что яркость света должна определяться амплитудой колебаний, а энергия в любой волне пропорциональна квадрату амплитуды.

Каково же было удивление ученых, когда они обнаружили, что от яркости падающего света зависит только общее количество вырванных им электронов, а вовсе не энергия каждого отдельного электрона. Энергия отдельного фотоэлектрона зависит от цветности, точнее говоря, от частоты падающего света: чем больше частота падающего света, тем больше энергия фотоэлектрона.

Эту закономерность никак нельзя объяснить с помощью волновых представлений о свете.