Покорение энергии света
Вездесущий свет
Использование фотоэлементов в современной действительности поистине огромно. Мы не замечаем их, но они – повсюду вокруг нас. Фотоэффект, открытый русским физиком в позапрошлом столетии, лежит в сердце работы маленьких компьютерных мышей и огромных многотонных производственных линий почти каждого завода. Лифты, турникеты в метро, часы и микрокалькуляторы, автозатемняющиеся зеркала в автомобилях и дисплеи смартфонов, которые сами регулируют свою яркость в зависимости от внешнего освещения, - вот лишь малая часть того, что стало возможным в нашем мире благодаря открытию фотоэффекта.
Маленькие частицы солнца
С XVII века и до наших дней, от первых опытов Исаака Ньютона по изучению света и до момента, когда физики прошлого столетия познали структуру атомного ядра, не утихают споры относительно природы электромагнитного излучения.
Ньютон был первым, кто заговорил о корпускулярной теории света, согласно которой свет — это набор маленьких частиц, летящих в одном направлении с огромной скоростью. Ученые всего мира признавали эту идею в течение почти что 150 лет, пока ряд экспериментов не выявил в его неполноту. Ньютон так и не смог объяснить наблюдаемые им явления интерференции (разложения на спектры) и дифракции (огибания препятствий световым лучом).
В 1864 году британец Джеймс Максвелл сформулировал свою знаменитую «Динамическую теорию электромагнитного поля» и записал систему из 20 уравнений для 20 неизвестных, которые объясняли распространение электромагнитного излучения, в том числе и света, в виде волны. Казалось бы, ньютоновская теория похоронена окончательно, но произошло одно интересное событие. Тот же немецкий физик Генрих Герц, будучи ярым сторонником волновой природы света, в 1887 году опубликовал статью, в которой говорилось об увеличении частоты и силы разряда тока между двумя шарами – электродами при освещении их ультрафиолетовой лампой. Сам не зная того, Герц наблюдал явление фотоэффекта, которое называл «актино-электричеством». Парадоксально, но это стало точкой отсчета, приближающего конец волновой теории Максвелла.
Практическое фотоэлектричество
После открытия публикации опыта Герца началось активное изучение этого явления различными учеными со всего мира. Это была настоящая гонка интеллектов, в которой участвовал и легендарный русский физик, уроженец Владимира Александр Столетов. Активно поддерживавший общение с европейскими светилами физики своего времени, всего год спустя, в 1888-м, он первым в мире открыл феномен внешнего фотоэффекта и вывел закон, по сей день носящий его имя.
Для этого гениальному русскому ученому понадобилось провести всего два интересных эксперимента.
В первом ученый создал электрическую цепь. В нее он включил воздушный конденсатор – элемент электрической цепи, в котором между двумя металлическими контактами расположено не проводящее ток вещество, например воздух. Контактами были цинковая пластина и простая металлическая решетка, заключенные в вакуумную колбу. С другой стороны, цепь замыкалась гальванометром – прибором, измеряющим ток. На нее подавалось напряжение, причем цинковая пластина несла отрицательный заряд, а решетка – положительный. Естественно, никакого тока не было, поскольку воздушная прослойка конденсатора - это хороший изолятор. Тогда Столетов брал ртутную лампу и освещал ею пластину из цинка. Гальванометр при этом мгновенно показывал, что по цепи идет ток. Когда свет выключался, стрелка гальванометра уходила на ноль.
Этот ток Столетов назвал «фотоэлектричеством».
При перемене местами зарядом цинковой пластины и решетки тока не было вовсе, даже при освещении пластины.
Для второго своего опыта Столетов использовал электроскоп, прибор для измерения статического электричества. Два лепестка внутри его корпуса чутко реагировали на электрического заряд электрода снаружи в зависимости от знака заряда.
Ученый заряжал электрод отрицательным зарядом, заставляя лепестки подниматься, а затем облучал их светом все той же ртутной лампы. Лепестки постепенно опускались, теряя свой заряд под воздействием света. Тот же эксперимент был проведен с положительно заряженным электроскопом. Никакого эффекта не обнаружилось.
В итоге проведенных экспериментов, результаты которых были тщательно зафиксированы и опубликованы в шести научных изданиях, Столетов сделал несколько важных выводов.
Во-первых, свет, падающий на металлические поверхности, заставляет их терять отрицательный заряд. Каким образом это происходит, ученый не знал. Тем не менее открытая Столетовым закономерность четко объясняла, почему лепестки отрицательно заряженного электроскопа падали, а положительного — нет.
Во-вторых, стало ясно – чем сильнее освещение на пластине, тем выше сила электрического тока, который оно порождает. В наши дни это положение известно под именем «Первого закона фотоэффекта», или «Закона Столетова».
В-третьих, Столетов доказал, что фотоэлектрический ток возникает мгновенно после включения источника света. Время задержки, которое он оценил, не превышает 0,001 секунды. Сейчас это положение называется четвертым законом фотоэффекта.
Законы всего света
Чтобы ясно представлять, что открыл Столетов, нужно более подробное понимание фотоэффекта в целом. Простыми словами, это процесс вырывания электронов из абсолютно любого материала под воздействием света.
Теоретическое обоснование этому явлению было дано лишь в 1905 году, и случилось это уже после открытия электронов в 1897 году. Чтобы понять суть процессов, происходящих во время фотоэффекта, Эйнштейну пришлось отказаться от общепринятой волновой теории света по Максвеллу и рассмотреть его в виде пучка квантов — фотонов, вернувшись к толкованию Ньютона. Опираясь на исследования своего коллеги – Макса Планка, Эйнштейн доказал, что каждый электрон в атоме вещества взаимодействует только с одним фотоном света. Если энергия фотона достаточно высока, чтобы вырвать электрон из материала, то наблюдается фотоэффект.
Всего законов фотоэффекта, одного из столпов всемирной физики, – четыре. Два из них сформулированы Александром Столетовым.
Первый (он же первый закон Столетова) - сила фотоэлектрического тока прямо пропорциональна интенсивности светового облучения.
Второй закон этого явления гласит, что для возникновения рассматриваемого явления необходима некоторая минимальная частота фотона, меньше которой фотоэффект не наблюдается.
Третий закон свидетельствует о том, что кинетическая энергия вырванного электрона зависит только от скорости фотона, а не от их количества (интенсивности облучения).
Наконец, четвертый (по сути, это второй закон Столетова) говорит о мгновенности возникающего фотоэлектричества.
Однако главной практикоприменимой заслугой нашего ученого в отношении фотоэффекта является то, что он разработал первую солнечную батарею, основанную на явлении внешнего фотоэффекта, создав, по сути, первый в мире эффективно работающий фотоэлемент.
Стоит также отметить, что формально фотоэлемент был собран в 1883 году в лаборатории Чарльза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Но такой набор материалов показал невысокие результаты по КПД. Лишь около 1% мощности светового потока превращалось в электричество, а потому это едва ли можно считать каким-либо достижением.
Являясь основоположником количественных методов исследования, Столетов дал последующим поколениям ученых мощный инструмент для изучения и углубленного исследования фотоэффекта. Совместно с выдающимся немецким физиком-экспериментатором Вильгельмом Гальваксом в 1889 году он открыл старение фотоэлементов – уменьшение их способности вырабатывать фотоэлектрический ток по мере использования. Плодами его работ успешно пользовались в дальнейших исследованиях лауреаты Нобелевской премии – немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард и английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1907 году Альберт Эйнштейн разработал теоретическое обоснование фотоэлектрического эффекта. За эту работу Эйнштейну в 1921 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Безусловно, влияние работ Столетова на мировую физику является огромным. Учитывая, что во время проведения его знаменитых опытов мировое научное сообщество жило без понятия об электроне и во власти волновой теории света, можно смело утверждать, что Столетов стал одним из основоположников квантовой теории света, а его работы напрямую способствовали открытию электрона Джозефом Томсоном.
Фотоэффективная жизнь
Надо ли говорить, что законы Столетова и его практические разработки нашли прямое применение в солнечной энергетике, одной из отраслей выработки экологически чистого электричества. И если эффективное применение энергии Солнца — вопрос недалекого будущего, то успешное использование полупроводниковых фотоэлементов, где под действием света изменяется сила и направление тока, – это объективная реальность. Эти технологии также положили начало новой отрасли современной физики — фотометрии, позволив создать точнейшие измерительные приборы для медицины и элементы автономного питания для космических спутников.
Эти же технологии дают возможность исследования тех участков Вселенной, где света настолько мало, что человеческий глаз не способен его уловить. Будь то черные космические пределы или глубины Мирового океана, сверхчувствительные фотоэлементы, впервые созданные русскими учеными, позволяют ориентироваться даже в самых темных пространствах, словно при свете дня.
