Девять цветов радуги

Простейший фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находятся два электрода. Чтобы улучшить работу, электродам фотоэлемента часто придают особую форму. Один из них в виде тончайшей металлической пленки (состоящей из соединения цезия с сурьмой или кислорода, серебра и цезия или других элементов) наносится на внутреннюю поверхность баллона, которому специально придана шарообразная форма. Второй электрод представляет собой колечко из тонкой проволоки, находящейся в районе центра сферы. Первый электрод является катодом, вернее, фотокатодом, а второй — анодом.

Фотоэлементы делятся на две большие группы. В фотоэлементах первой группы стараются создать максимально возможный вакуум внутри баллона; у фотоэлементов второй группы внутри баллона содержится очень небольшое количество газа. Фотоэлементы первой группы менее чувствительны, но зато обладают многими другими ценными свойствами.

В нашем опыте мы применим фотоэлемент с высоким вакуумом, то есть такой, из которого удален практически весь воздух. Кроме того, для удобства эксперимента стоит изменить конструкцию нашего воображаемого фотоэлемента таким образом, что оба электрода будут представлять собой плоские пластинки совершенно одинаковых размеров, сделанные из одного и того же металла. Именно такой фотоэлемент изображен на схеме нашего опыта.

Присоединим к одному из электродов отрицательный зажим батареи, а к другому через гальванометр подключим положительный зажим. В этом случае первый электрод (отрицательный) будем называть катодом, а второй (положительный) — анодом. Поместим фотоэлемент в темный ящик. Стрелка гальванометра замрет на нуле. Но, если приоткрыть крышку ящика, она отклонится вправо. Чем больше света будет поступать в ящик, тем больший ток потечет через фотоэлемент, тем дальше вправо отклонится стрелка гальванометра.

Схема опыта с явлением фотоэффекта: 1 — на анод подано положительное напряжение, прибор показывает, что в цепи протекает достаточно сильный ток; 2 — на анод подано отрицательное напряжение; ток очень мал.

Продолжая наш опыт, варьируя условия его проведения, обнаружим, что для протекания тока вовсе не нужно освещать весь фотоэлемент. Для этого достаточно направить лучи света только на катод, а точнее — на ту его поверхность, которая обращена к аноду. Более того, если мы будем освещать только анод, а катод оставим в темноте, то стрелка прибора останется на нуле.

Но в чем различие между катодом и анодом? В нашем опыте они совершенно одинаковы по форме, по размеру, выполнены из одного и того же металла. Только в одном они отличаются друг от друга: к аноду присоединен положительный полюс батареи, а к катоду — отрицательный. Следовательно, хотя электроды одинаковы, ток протекает, только когда освещен катод. Но ведь, если мы поменяем включение батареи на противоположное, бывший катод превратится в анод, а бывший анод — в катод? И, следовательно, освещая бывший анод, мы вновь получим ток? Да, будет именно так, как мы предполагаем.

Теперь приостановим временно наши опыты и обдумаем полученные результаты.

Итак, мы установили следующие важные факты:

1. Свет, падая на катод, вызывает протекание тока через фотоэлемент.

2. Ток через фотоэлемент протекает только в одном направлении — от катода к аноду (имеется в виду истинное, а не условное направление).

3. Сила тока тем больше, чем больше падает света на катод.

Для того чтобы объяснить эти факты, то есть подвести под них теоретическую базу, следует вспомнить три других хорошо известных науке факта:

1. Элементы входят в состав любого вещества. Они удерживаются в нем благодаря особым силам притяжения, действующим на электроны.

2. Электроны имеют отрицательный заряд.

3. Одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Зная все это, мы уже сможем понять процессы, происходящие при фотоэффекте.

В самом деле, поскольку точно установлено, что ток через фотоэлемент идет от катода к аноду, иными словами — от минуса к плюсу, можно считать, что носителями тока являются электроны.

Но откуда они берутся?

Наши исследования показывают, что ток протекает лишь при освещении катода светом. Значит, свет так воздействует на катод, что он начинает испускать электроны. Причем электронная эмиссия (испускание электронов) тем больше, чем больше света падает на катод.

Каким же образом свет, взаимодействуя с веществом, заставляет его выпускать «плененные» им электроны?