С точки зрения волновой теории явление порога фотоэффекта совершенно необъяснимо. Сильный свет, вне зависимости от длины его волны, должен был бы и действовать сильнее. Ведь он несет большую энергию, говорит эта теория. Был бы свет только необходимой мощности, и этого достаточно, чтобы вызвать фототок, утверждает теория. Но опыт говорит обратное.
А вот и еще одна загадка. Измерив скорость электронов, выбитых светом из металла, физики убедились, что эта скорость совершенно не зависит от силы света. Этот факт тоже находится в разительном противоречии с теми следствиями, которые вытекают из волновой теории света. Чем сильнее свет, говорит волновая теория, тем, очевидно, и больше энергия, сообщаемая каждому электрону металла, а следовательно, тем с большей скоростью они должны вылетать. Но опыт показывает другое: скорость электронов зависит только от длины волны света, мощность же, сила света на скорость электронов совершенно не влияют. Если этот свет имеет небольшую интенсивность, то электронов вылетит мало, но все эти электроны будут лететь с большой скоростью. Длинноволновый же свет, даже очень сильный, породить быстрых электронов не может. Этот свет выбьет из металла мириады электронов, но каждый электрон будет лететь медленно.
Осмысление наблюдаемых при фотоэффекте явлений привело к колоссальным последствиям. Оно помогло утвердиться совершенно новым воззрениям на природу света. В физике произошел революционный переворот.
Объяснить эти закономерности фотоэффекта можно, только если рассматривать свет как поток неких особых частиц. Этим частицам света физики дали названия квантов света, или фотонов. Свет различной светности состоит из различных фотонов. Более коротковолновому свету соответствуют более крупные, более мощные фотоны. Чем длиннее волна света, тем меньшие частицы, тем меньшие фотоны соответствуют этому свету.
Фотоны красного и инфракрасного света по сравнению с фотонами ультрафиолетовых и рентгеновских лучей находятся примерно в таком же соотношении, как мелкая дробь с артиллерийскими снарядами.
Квантовая теория света, родившаяся в начале XX века, великолепно объясняет все особенности фотоэффекта.
Освещение пластинки металла светом напоминает, если стоять на точке зрения этой теории, обстрел этой пластинки стремительно летящими фотонами. Сталкиваясь с электроном, фотон мгновенно передает ему свою энергию, мгновенно выбивает электрон из металла. Ясно, что если обстрел идет мелкими фотонами, пластинка освещается длинноволновым светом, то может статься, что энергии фотона и нехватит для того, чтобы выбить из металла электрон, в который он попадает. Такой свет не может породить тока, хотя бы его интенсивность и была очень велика, то-есть в обстреле участвовали бы мириады фотонов. Чтобы ток возник, фотоны должны быть достаточно крупными — длина волны света достаточно короткой. При соблюдении этого условия ток возникнет и тогда, когда свет будет слабым. Фотонов будет в этом случае немного, но каждый из них все же выбьет по электрону, и ток появится.
Так просто с точки зрения квантовой теории объясняется явление порога фотоэффекта и то, почему фототок возникает мгновенно.
Квантовая теория дает объяснение и тому, отчего электроны, выбитые различным светом, имеют и различную скорость. Чем крупнее фотон, тем с большей скоростью вылетит выбитый им из металла электрон.
Наглядно объясняет квантовая теория и главный закон фотоэффекта, установленный Столетовым: чем больше интенсивность света, тем больше фотонов падает на электрод.
Залп большего числа фотонов выбьет и больше электронов, ток будет пропорционален интенсивности света.
Квантовая теория открыла в физике новую замечательную эпоху, завоевала себе широкий мир применения. Но свет обладает двойственной природой — и корпускулярной и волновой. Поэтому квантовая теория не упразднила волновую теорию, она сосуществует рядом с нею. Целый ряд физических явлений может быть объяснен только с точки зрения волновой теории, в частности такие явления, как спектральное разложение света, преломление света, интерференция и т. д.
Но есть обширный круг явлений, куда волновая теория не вхожа, — это фотоэффект, это явление излучения энергии нагретыми телами и т. д.
Квантовая теория распространила свое влияние и на атомную физику. Она стала вместе с электронной теорией, также во многом обязанной своим рождением освоению наследства Столетова, тончайшим орудием исследования мира сверхмельчайшего, мира атомов, электронов, протонов, фотонов и т. д.
Новая физика, когда-то носившая отвлеченный теоретический характер, на наших глазах воплотилась во многие удивительные приборы.
Исследование фотоэлектрических явлений привело к созданию замечательных чувствительных электрических глаз — фотоэлементов, родоначальником которых явился первый в мире фотоэлемент Столетова.
Изучение электрических явлений в разреженных газах привело к изобретению электронной лампы — младшей сестры фотоэлемента. Вакуумная установка. Столетова явилась прообразом этой поистине волшебной лампы. Ведь и в этой лампе трудятся электроны, летящие через пустоту. Но только эти электроны покидают металл электрода не под действием света, а под действием высокой температуры. Источником электронов в этой лампе служит электрод, нагреваемый током. Электронная лампа удесятерила могущество великого русского изобретения — радио, открыла в радиотехнике новую главу. Она стала сердцевиной и радиопередатчиков и радиоприемников. С приходом этой лампы в радиовещание сразу же неслыханно возросла дальность радиопередач. Эта лампа сделала возможным передачу по радио не только сухого треска точек и тире телеграфной азбуки, но и человеческого голоса и музыки.
Столетов! Только теперь, с расстояния в несколько десятилетий, мы можем разглядеть титаническую фигуру этого провозвестника новой эпохи в науке и технике. Дела его живут в наших днях — они бессмертны.
Рентгеновские аппараты, фотоэлементы, радиолампы, газоразрядные трубки положили начало новой области техники — электронике. В развитии этого нового высшего раздела электротехники огромная заслуга принадлежит отечественной науке. Современная техника находит все новую и новую работу электронным приборам — приборам, в которых трудятся мириады летящих электронов.
Поворот регулятора настройки — и начинает светиться экран телевизора. И вот на экране вырисовывается сцена театра. Мы смотрим спектакль, который идет в студии телецентра, находящейся от нас за десятки километров. Точно волшебное зеркало, телевизор наделяет нас сверхъестественным зрением. Пользуясь телевизором, мы вспоминаем Столетова. Без фотоэлементов, этих чудесных «электрических глаз», не было бы телевидения, не было бы сказочных аппаратов, с помощью которых можно по радио не только слушать, но и видеть артистов, сидя дома, быть зрителем физкультурного парада, присутствовать при событиях, происходящих в далеких местах.
