Фотоэффект | ТМ 1938-06

Ю. ВЕБЕР и М. ШИПАЛОВ, Рисунки С. ПЕТРОВА

Это было в 1887 г. Известный немецкий физик Генрих Герц работал в своей лаборатории. Он исследовал явление так называемого резонанса двух электромагнитных систем.

На одном столе помещалась катушка Румкорфа, дающая индукционный ток высокой частоты. От этой катушки шли провода к двум металлическим шарикам-разрядникам, которые были укреплены в эбонитовых подставках на небольшом расстоянии друг от друга. Рядом с этим столом стоял другой. На нем также помещалась индукционная катушка с двумя разрядниками в виде металлических шариков. На оба эти индуктора Герц подавал напряжение от батареи, состоящей из 16 бунзеновских элементов. Когда электрический потенциал достигал определенной величины, то между каждой парой разрядников проскакивала искра.

Производя эти опыты, Герц заметил следующее неожиданное явление. Вот электрическое напряжение между первой парой разрядников достигло определенного предела, и между ними проскочила искра. И в тот же момент проскочила искра и между второй парой разрядников. Но электрический потенциал у второй пары разрядников еще не достиг необходимой величины, он был меньше обычного. Почему же проскочила искра?

Еще и еще раз повторял Герц свой опыт, и каждый раз проскакивание искры в одной цепи облегчало появление искры в цепи соседней.

На соседнем столе также помещалась индукционная катушка с двумя металлическими шариками-разрядниками.

Герц начал всесторонне исследовать это интересное явление. Ему надо было выяснить, что именно было причиной такого влияния: электрический ли ток, проходящий в первой цепи, свет ли искры, или же какое-то другое явление? Герц поставил между двумя парами электродов стеклянную пластинку, — при этом проскакивание искры в одной цепи уже не влияло более на появление искры в другой цепи. Это говорило как будто против того, что причиной всему может быть свет искры: ведь стекло пропускает свет, а проскакивание искры во второй цепи между тем прекратилось.

Тогда Герц начал устанавливать в виде разделяющего экрана между двумя парами шариков различные тела. Он ставил прозрачные твердые тела, затем тела непрозрачные, наконец различные жидкости. Но вот Герц поставил между двумя парами разрядников тонкую пластинку, сделанную из кварца. И это решило загадку. Вновь проскакивание искры между первой парой разрядников вызывало появление искры между второй парой. Теперь уже можно было установить причину этого удивительного явления.

Происходило оно действительно, как и предполагал вначале Герц, под влиянием света электрической искры. Но мы знаем, что белый свет не однороден, что он представляет собой совокупность лучей семи различных цветов и, кроме того, лучей невидимых — инфракрасных и ультрафиолетовых. Явление, наблюдаемое Герцем, происходило под влиянием ультрафиолетового излучения искры. Обычное стекло ультрафиолетовых лучей не пропускает. Поэтому влияние искры и прекращалось, когда Герц отделял одну пару разрядников от другой стеклянной пластинкой. Кварц же пропускает ультрафиолетовые лучи, является для них прозрачным. Поэтому кварцевая пластинка и не мешала наблюдаемому явлению.

Это замечательное влияние света на электричество начал изучать проф. Гальвакс. Он всячески видоизменял и упрощал условия опыта Герца. Гальвакс пользовался полированным цинковым шариком, укрепленным на стеклянной подставке. Этот шарик он соединял проводом с электроскопом. Затем заряжал шарик отрицательным электричеством. При этом листочки электроскопа сильно расходились друг от друга. Но вот Гальвакс направляет на цинковый шарик лучи света от вольтовой дуги, и листочки электроскопа быстро спадают. Стало быть, шарик под действием света потерял свой отрицательный заряд. Гальвакс повторял этот опыт множество раз, и каждый раз листочки электроскопа спадали, как только свет от вольтовой дуги попадал на отрицательно заряженный шарик.

Гальвакс пробовал заряжать шарик положительным электричеством, но тогда свет вольтовой дуги не оказывал почти никакого действия.

Так Гальвакс установил, что всякий отрицательно заряженный проводник теряет свой заряд под влиянием ультрафиолетовых лучей света. А дальше Гальвакс пришел к еще более замечательному открытию. Оказалось, что проводник теряет отрицательный заряд даже в том случае, если он не был предварительно наэлектризован.

*

Открытия Герца и Гальвакса положили основание новой области науки, изучающей взаимодействие света и электричества. Это взаимодействие получило название фотоэлектрического эффекта.

Явления, которые наблюдали Герц и Гальвакс, имеют для современной физики огромнейшее значение. Всем известно, что энергия проявляется в различных формах. Мы знаем, что существует энергия механическая, тепловая, электрическая, световая. Мы знаем также, что по великому закону природы — закону сохранения энергии — энергия не исчезает и не пропадает, а переходит из одного своего вида в другой. Могущество современной науки и техники и заключается в том, что человек научился сознательно превращать одну форму энергии в другую для приведения в действие различных машин и механизмов. Так, например, в паровых машинах и двигателях внутреннего сгорания мы превращаем тепловую энергию сжигаемого топлива в механическую энергию движения поршней. Механическая энергия вращения ротора превращается в динамомашине в электрический ток, а с помощью электромотора электрическая энергия может быть превращена обратно в энергию механическую. В электронагревательных приборах электрическая энергия переходит в теплоту, а различные электролампы позволяют превращать электрическую энергию в свет. В свою очередь свет может превращаться в другие виды энергии. Пользуясь светом, мы создали фотографию, — в этом случае световая энергия превращается в энергию химическую, свет действует на чувствительный слой фотопластинки. Солнечный свет играет огромнейшую роль в биохимических процессах, происходящих в растениях и организмах животных. Горячие лучи солнца нагревают освещенные тела до сравнительно высокой температуры. Современная гелиотехника уже осуществила первые практические шаги по непосредственному превращению световой энергии в энергию тепловую.

Так, овладев тайнами перехода одного вида энергии в другой, человек получил могущественное орудие в обуздании и покорении стихийных сил природы. Однако ученым никак не удавалось осуществить переход световой энергии в электрическую. Даже теоретически не было известно, по какому принципу такой переход должен осуществляться. Правда, еще в 1839 г. французский ученый Беккерель обнаружил интереснейшее явление. Он погрузил два электрода в электролитическую жидкость; затем осветил один из электродов, — тотчас же возникла электродвижущая сила, которая исчезала всякий раз, как только Беккерель пробовал затемнять освещенный ранее электрод. Но в то время никто не мог объяснить причину этого явления.

В 1873 г. молодой английский ученый Май открыл влияние лучистой энергии на селен. Этот химический элемент является плохим проводником электричества. Но если селен осветить каким-нибудь источником света, то его электропроводность заметно увеличивается. И чем сильнее освещение, тем лучше он проводит электричество. Это замечательное свойство селена позволило, например, построить первые приборы для передачи изображений на расстояние, т. е. осуществить светотелеграфию. Однако и в этом случае внутренний механизм такого влияния света оставался неясным. Наука пользовалась этим открытием просто как единичным опытным наблюдением и не могла сделать тех общих выводов, которые дали бы возможность сознательно вмешиваться в процесс преобразования одного вида энергии в другой.

Опыты Герца и Гальвакса впервые давали ключ к правильной разгадке взаимодействия света и электричества. Они открывали путь для дальнейшей работы других ученых в этой области.

Первые систематические исследования фотоэлектрических явлений принадлежат известному русскому физику, профессору Московского университета А. Г. Столетову. Работы его в этой области считаются классическими.

В 1888 г. профессор Столетов показал на одном из заседаний съезда естествоиспытателей исключительно интересный опыт, поразивший всех присутствовавших. На демонстрационном столе были видны различные приборы. Небольшая цинковая пластинка была укреплена на деревянной подставке. На небольшом расстоянии от нее находилась на такой же подставке металлическая сетка. Цинковая пластинка и сетка были соединены с весьма чувствительным измерительным прибором — гальванометром. И вот, как только цинковая пластинка была освещена светом вольтовой дуги, тотчас же стрелка гальванометра отклонилась, показывая наличие электрического тока в цепи.

Как только цинковая пластинка была освещена светом вольтовой дуги, стрелка гальванометра отклонилась, показывая возникновение в цепи электрического тока.

Затем Столетов показал другой опыт. Он включил электрическую батарею между металлической сеткой и гальванометром. Разумеется, стрелка гальванометра оставалась неподвижной, так как цепь была незамкнутой: цинковая пластинка и сетка были отделены друг от друга воздушным пространством. Но как только на цинковую пластинку был направлен свет вольтовой дуги, стрелка гальванометра тотчас же отклонилась, и уже значительно больше, чем в первом опыте несмотря на то, что цинковая пластинка по-прежнему оставалась отделенной от сетки слоем воздуха. При этом отклонение стрелки показывало, что возникший под действием света вольтовой дуги постоянный ток идет только в том случае, если к цинковой пластинке присоединить отрицательный полюс батареи, а к сетке — положительный. При обратном включении полюсов батареи тока в цепи не наблюдалось даже пуд действием очень сильного света.

Этот опыт наглядно показал, что при определенных условиях электрический ток может проходить в цепи, разделенной воздушным промежутком, т. е. существуют какие-то причины, способствующие протеканию тока в такой цепи. Для того времени это было необъяснимым, сенсационным эффектом. В дальнейшем было установлено, что причиной этому являются отрицательные заряды, вырываемые светом из цинковой пластинки и переносящие свой заряд на сетку. Эти отрицательные заряды называются электронами.

Возникающий таким образом ток получил название фотоэлектрического тока, а сам процесс вырывания электронов под действием света назван фотоэлектрическим эффектом, или, сокращенно, фотоэффектом (от греческого слова «фос» — свет).

Эта установка проф. Столетова, показанная им полвека назад на съезде естествоиспытателей, явилась, по существу, предком тех замечательных чудодейственных приборов, которые широко известны теперь под названием фотоэлементов и позволили осуществить современной технике звуковое кино, телевидение и самые различные виды автоматики как в производстве, так и в быту.

Столетов установил и основные законы фотоэлектрического эффекта. Он пробовал освещать светочувствительную пластинку источниками света различной силы. Затем он менял продолжительность освещения, потом освещал то меньшую, то большую поверхность пластинки. В результате он установил важнейшие законы фотоэффекта. Так, например, он показал, что фототок пропорционален интенсивности света, падающего на пластинку в единицу времени, т. е. фототок тем больше, чем ярче источник света.

Затем Столетов установил изумительный и на первый взгляд совершенно невероятный, а в ту пору и просто необъяснимый факт. Оказалось, что электроны, выбрасываемые под действием света, обладают различными скоростями и наибольшая скорость их может быть близка к скорости распространения самого света. При этом наибольшая скорость электронов совершенно не зависит от интенсивности источника света, а определяется только характером самих лучей. Все это имеет чрезвычайно важное значение для практического использования фотоэффекта. Такие огромные скорости позволили впоследствии сделать приборы и аппараты, которые, практически говоря, действуют мгновенно.

Позднейшие работы других исследователей полностью подтвердили те результаты, которые получил Столетов.

*

Что мы теперь знаем о фотоэлектрическом эффекте? Мы знаем, что многие вещества под влиянием света теряют отрицательный заряд. Мы знаем, что сильнее всего такое действие оказывает свет на щелочные металлы: калий, натрий, рубидий, цезий и др. Мы знаем, что далеко не все лучи света, падающие на какой-либо металл, оказывают одно и то же действие. Разные лучи спектра по-разному «чувствуются» тем или иным металлом. Наиболее «энергичными» в этом отношении являются ультрафиолетовые лучи. А еще большее действие оказывают жесткие лучи Рентгена. Мы знаем, что под действием небольшого напряжения фототок заметно увеличивается, как это показал второй опыт Столетова на съезде естествоиспытателей.

Исследования фотоэлектрических явлений позволили не только лучше выяснить некоторые электрические свойства тел и использовать их на практике с помощью фотоэлементов, но и значительно глубже познать природу света. Все явления фотоэлектрического эффекта наилучшим образом объясняет современная квантовая теория света.

По этой теории свет представляет собой поток некоторых частиц разной величины, своеобразных атомов лучистой энергии. Каждая такая частица носит название фотона, или кванта. Эта частица обладает определенным запасом энергии. Величина энергии квантов у различных лучей различна.

Как же теперь объясняется внутренний механизм фотоэлектрического эффекта? Поток квантов как бы бомбардирует светочувствительное вещество. При этом кванты вырывают из него электроны. А электроны, как мы знаем, обладают отрицательным зарядом. Стало быть, под влиянием света вещество теряет свой отрицательный заряд.

Квант света срывает электрон с внешней орбиты атома.

Поместим теперь на небольшом расстоянии от освещаемого тела какой-либо проводник. Присоединим к нему и светочувствительному телу источник постоянного тока, причем так, чтобы положительный полюс был соединен с проводником, а отрицательный — с облученным телом. Тогда между проводником (анодом) и этим светочувствительным телом (катодом) возникнет электрическое поле. Это поле будет направлять электроны от катода к аноду. Поток этих электронов и создаст фотоэлектрический ток.

Чтобы вызвать фототок, кванты должны обладать достаточной энергией. Квант должен вырвать из атома электрон, сорвать его с внешней поверхности вещества и сообщить электрону достаточную скорость, чтобы он долетел до катода. Щелочные металлы обладают как раз тем свойством, что их электроны наиболее легко срываются с поверхности металла. Следовательно, на эту «работу выхода» кванту нужно затратить сравнительно меньшую энергию. Поэтому естественно, что из общего потока квантов значительно большее их количество будет обладать достаточной энергией, для того чтобы создать фототок. Вот почему такие металлы, как калий, натрий, литий, цезий, дают под влиянием света наиболее заметный фотоэффект.

Теперь ясно, что фототок должен быть больше, если сила света увеличивается. Это значит, что более плотный поток квантов бомбардирует тело и что большее количество электронов оказывается вырванным этой бомбардировкой.

Квантовая теория весьма просто и исчерпывающе объясняет, почему различные лучи оказывают не одинаковое действие на одни и те же вещества. Мы уже говорили, что кванты различных лучей имеют различную величину. Кванты красных лучей спектра можно сравнить с мелкой дробью. Фиолетовые лучи — это поток уже крупной дроби. Крайние ультрафиолетовые лучи — это ружейные пули, а лучи Рентгена тогда будут целыми пушечными снарядами. Понятно, что чем больше квант, тем более разрушительное действие он произведет и тем большую скорость он сообщит вырванному электрону. Вот почему фиолетовые лучи вызывают больший фототок, чем красные, а лучи Рентгена — больше, чем фиолетовые.

Кванты красных лучей спектра можно сравнить с мелкой дробью. Фиолетовые лучи — это поток уже крупной дроби, а крайние ультрафиолетовые лучи будут целыми ружейными пулями.

Однако существует целый ряд веществ, у которых наиболее ощутимый фотоэффект вызывают не одни только ультрафиолетовые лучи света. Оказывается, что у каждого такого вещества есть еще свои наиболее избранные, «излюбленные» лучи, которые также создают сильный фототок. Вот, например, кислородно-цезиевый катод. Он дает максимальный фотоэффект не только при облучении его ультрафиолетовыми лучами, но и еще лучами, находящимися как раз на противоположной стороне солнечного спектра, — лучами красными и даже невидимыми инфракрасными. Такое явление получило в физике название «селективного», или избирательного, эффекта. Явление, чрезвычайно важное в целом ряде случаев практического использования фотоэффекта.

Теперь нам понятно и загадочное действие света на селен, которое открыл в 1873 г. Май, но объяснить которое раньше ученые не могли. Впоследствии оказалось, что лучистая энергия увеличивает электропроводность не только селена, но и других веществ. Под действием света повышается электропроводность теллура, сернистого серебра, сажи, сернистого цинка, йодистой меди и др. Это явление носит теперь название внутреннего фотоэффекта.

Все вещества, которые дают внутренний фотоэффект, имеют кристаллическое строение: их атомы располагаются в определенном стройном порядке, образуя так называемую пространственную решетку. Кванты света, врываясь внутри такого вещества, срывают электроны с внешних орбит атомов. Эти электроны начинают двигаться внутри тела по направлению электрических сил, которые создаются приложенным напряжением. Через освещенное вещество потечет ток, другими словами, это вещество повысит свою электропроводность.

Внутренний фотоэффект наблюдается в кристаллических веществах потому, что правильное расположение в них атомов позволяет освобожденным электронам пробегать внутри тела сравнительно большой путь. В таком веществе просветы между атомами можно сравнить, пожалуй, с проспектами и улицами правильно и симметрично распланированного города. Это и дает возможность образоваться внутри кристаллического вещества достаточно ощутительному потоку электронов, т. е. электрическому току.

Расположение атомов в кристаллическом веществе можно сравнить с проспектами и улицами правильно и симметрично распланированного города. Поэтому электроны могут двигаться здесь большей легкостью.

Вероятно, этим и объясняется, почему у аморфных тел (некристаллического сложения) до сих пор не удалось вызвать сколько-нибудь значительного внутреннего фотоэффекта. У таких тел атомы расположены в пространстве беспорядочно. Электронам здесь так же трудно двигаться, как и человеку среди кучи развалин. Поэтому вырванный квантом электрон может пройти очень незначительный путь внутри вещества: он тотчас же «прилипнет» к какому-нибудь случайно попавшемуся атому и таким образом закончит свое существование как фотоэлектрон.

Атомы аморфного вещества расположены в пространстве беспорядочно. Электронам здесь так же трудно двигаться, как и человеку среди груды развалин.

Сравнительно недавно был открыт еще один вид фотоэлектрического эффекта. Это так называемый фотоэффект в запирающем слое. Такое название он получил потому, что проявляется на границе соприкосновения двух тел. Представьте себе, что на медную пластинку нанесен тонкий слой закиси меди, а на нее наложен какой-либо металлический электрод, полупрозрачный для лучей света. Если приключить к такой системе гальванометр, а затем осветить полупрозрачный электрод каким-либо источником света, то стрелка гальванометра тотчас же покажет возникновение тока.

В происхождении этого фотоэффекта большую роль играет слой плохо проводящего вещества, каким является закись меди, нанесенная на медную пластинку. Физикам уже давно было известно, что световые кванты вырывают из полупроводников большее количество электронов, чем из металлов. Пользуясь этим фактом, мы и можем объяснить действие фотоэлемента с запирающим слоем. Вот мы осветили его сильным светом. Поток квантов вырывает из слоя закиси меди и из медной пластинки электроны. Но из слоя закиси меди их вылетает значительно больше, чем из медной пластинки. Как всякие соприкасающиеся тела, слой закиси меди и медная пластинка могли бы обменяться своими свободными электронами. Но этому препятствует пограничная среда, или зазор, образовавшийся на месте соприкосновения. Электроны должны преодолеть этот своеобразный барьер, или, как говорят физики, запирающий слой. Так как из слоя закиси меди вырвано значительно больше электронов, то они мощным потоком устремляются на пограничный барьер, и значительная часть их преодолевает его. Редкие же электроны, вырванные из медной пластинки, бессильны преодолеть это препятствие, и только ничтожное их количество «протискивается» сквозь него. Таким образом, создается поток электронов, направленный из слоя закиси меди в медную пластинку. Значит, появился электрический ток, о чем немедленно известит стрелка гальванометра.

Фотоэффект в запирающем слое особенно интересен тем, что для получения его не надо накладывать добавочного напряжения, как это необходимо в случае внешнего и внутреннего эффекта. Здесь мы имеем непосредственное преобразование световой энергии в электрическую.

*

Итак, в течение нескольких десятилетий раскрывала наука эту тайну взаимодействия между светом и электричеством. И уже многое из внутреннего механизма этого взаимодействия нам стало ясным. Конечно, все явления различных видов фотоэффекта протекают в действительности много сложнее, чем мы здесь описали. Есть еще немало спорных и невыясненных моментов в этом сложном процессе. Мы же изложили лишь его основные принципы, несколько упрощенную схему, чтобы дать возможность читателю разобраться в этом одном из самых замечательных завоеваний современной физики.

Открытие и изучение трех основных видов фотоэффекта — внешнего, внутреннего и фотоэффекта в запирающем слое — позволили широко применить его на практике.

Впервые внешний фотоэффект был практически использован для измерения силы света. Известные ученые Эльстер и Гейтель построили для этой цели первый фотоэлемент. Он представлял собой стеклянную колбу, откуда выкачивался воздух. На одну из стенок колбы был нанесен слот калия. Этот слой служил катодом. Посредине колбы была впаяна специальная «ножка», на которой была укреплена металлическая пластинка. Эта пластинка служила анодом. Анод и катод соединялись с аккумуляторной батареей; таким образом между ними создавалось электрическое ускоряющее поле. Затем в цепь включался очень чувствительный гальванометр. Как только слой калия освещался каким-либо источником света, стрелка гальванометра тотчас же показывала величину возбуждаемого фототока. Фотоэлемент оказался очень чувствительным прибором и позволил измерять интенсивность чрезвычайно слабых источников света и отмечать малейшие изменения освещенности. Такой способ измерения силы света получил название фотоэлектрической фотометрии.

Электрон, вырванный квантом из светочувствительного вещества катода, летит с огромной скоростью на анод.

Дальнейшее усовершенствование фотоэлементов дало возможность измерять интенсивность таких ничтожно слабых источников света, которые раньше вообще не могли быть обнаружены. Особенно интересно с этой точки зрения применение фотоэлементов в астрономии. С помощью фотоэлемента были открыты новые переменные звезды. Переменной оказалась и яркость Марса. Фотоэлементы позволили измерять силу света весьма малых звезд — девятой величины. Для этого у окуляра трубы устанавливается фотоэлемент. Как только даже ничтожно слабый свет от какой-нибудь очень далекой звезды попадет через объектив телескопа на этот фотоэлемент, он тотчас даст о себе знать появлением фототока. Фотоэлементы обладают такой огромной чувствительностью, что при соответствующем усилении могут измерить силу света, которая в 10 млн. раз слабее доходящего до нас света Юпитера.

Фотоэлементы позволили измерять силу свети весьма далеких звезд.

Для получения фототока теперь используются самые различные вещества. Построены всевозможные типы фотоэлементов, которые обладают самыми разнообразными свойствами и применяются для самых различных целей. Точный и безотказный контроль, автоматическое управление, точнейшие измерения, говорящие картины, видение на расстоянии, открытие новых космических миров — все это принесли с собой замечательные приборы, основанные на фотоэффекте.