Девять цветов радуги

Брошенный вверх камень летит тем выше, чем большая скорость, чем большая энергия была придана ему при броске. Но как бы высоко он ни залетал, ему всегда приходится вернуться на Землю: сила земного тяготения заставит его сделать это. Однако мы знаем, что если какому-либо телу (пока только ракете, если не считать элементарных частиц, разгоняемых в ускорителях) придать скорость порядка 8000 метров в секунду, а следовательно, и соответствующую энергию, оно уже не возвратится на Землю, а станет ее спутником. Если же начальная скорость тела превысит 11 200 метров в секунду, то тело и вовсе выйдет за пределы земного тяготения.

Нечто подобное происходит и с электронами. Свет, проникая в вещество, отдает находящимся в нем электронам свою энергию. Эта дополнительная энергия повышает скорость движения электронов. Если новая скорость превысит определенную для данного вещества величину, а движение электрона будет направлено из вещества вовне, он покинет вещество и «взлетит» над его поверхностью. Чем большую энергию получил электрон от световых лучей, тем большей окажется его новая скорость и тем дальше он отлетит от катода в сторону анода.

Говорят, что знаменитый немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) не смог бы установить законов движения планет, если бы наблюдения, проведенные датским астрономом Тихо Браге и им самим, были выполнены более точно. К счастью (как это ни странно), инструменты, имевшиеся в распоряжении обоих ученых, не достигли еще такой степени совершенства, чтобы можно было заметить нерегулярности в движении планет, которые в те времена могли бы ввести ученых в заблуждение и воспрепятствовать открытию важнейших законов.

В опыте с фотоэлементами мы тоже воспользовались довольно нечувствительным прибором. Поменяв полярность включения батареи, мы не обнаруживали тока и на этом основании считали, что его вовсе нет, и благодаря этому сделали очень важные выводы. Однако фактически это неверно. Мы не обнаруживали тока лишь потому, что он становился слишком малым и грубый прибор не мог его измерить.

Повторим эксперимент снова, но на этот раз применим прибор с очень высокой чувствительностью. Катодом будем считать тот электрод, на который падают лучи света, хотя к нему и присоединен положительный полюс батареи. Включим установку и, наблюдая за показаниями прибора, будем убавлять напряжение, подаваемое на фотоэлемент. Напряжение будем измерять обычным вольтметром.

Если в начале опыта оно составляет минус 10–20 вольт, то и с помощью самого чувствительного прибора мы не обнаружим тока. Но, когда отрицательное напряжение понизится до единиц вольт, стрелка прибора, измеряющего ток, отклонится от нуля. Причем мы обнаружим, что электроны движутся к аноду, на который подано отрицательное напряжение. Чем меньшим по абсолютной величине будет отрицательное напряжение, тем большим будет ток.

Для объяснения этого не совсем обычного факта стоит вспомнить о поведении брошенного вверх камня. Уже отмечалось, что камень летит тем выше, чем больше его начальная скорость, чем больший у него запас энергии. Но какова бы ни была начальная скорость, если только она не превышает 8000 метров в секунду, камень обязательно вернется на Землю. Но что случилось бы с ним, если бы на некотором, сравнительно небольшом расстоянии от Земли вдруг появилось огромное небесное тело?

В этом случае камень мог бы не вернуться обратно и при значительно меньших начальных скоростях. На этот раз его судьба зависела бы не только от силы притяжения к Земле, но и от силы тяготения нового небесного тела. Чем больше была бы эта сила, тем меньшую начальную скорость требовалось бы придать камню, чтобы он навсегда покинул Землю.

Предположим, что новое небесное тело не притягивает к себе брошенных вверх камней, а, наоборот, отталкивает. Может ли в таком случае камень достигнуть его поверхности? Да, может. Для того чтобы он преодолел подобный барьер, то есть фактически совершил необходимую работу против сил отталкивания, ему в начале полета должна быть сообщена необходимая энергия, или, что то же самое, необходимая начальная скорость.

В этом умозрительном опыте мы сделали совершенно фантастическое предположение о существовании близкого к Земле небесного тела, которое к тому же не притягивает, а отталкивает приближающиеся к нему тела. Подобные фантастические предположения, конечно, не стоит делать из прихоти, но, если они могут принести пользу, физики не колеблясь делают их. В нашем случае польза заключается в том, что мы в довольно наглядной форме проследили процессы, очень близкие к тем, которые действительно имеют место в фотоэлементе.

В самом деле, подавая отрицательное напряжение на анод, мы тормозим вылетевшие из катода электроны, заставляем их повернуть назад. И, наоборот, поступая «законно» — подавая на анод положительное напряжение, — помогаем электронам покинуть катод.