В 1898 году метод исследования электрических явлений в разреженных газах с помощью гальванометра помогает Марии и Пьеру Кюри выследить содержащиеся в урановой руде какие-то неизвестные замечательные элементы.
Поднося к установке, сходной с установкой Столетова, куски урановой руды, исследователи обнаружили, что стрелка гальванометра начинает сильно отклоняться! В руде есть «что-то», делающее своим присутствием воздушный зазор между электродами проводником электричества! Метод Столетова помог открыть радий и полоний, исследовать явление радиоактивности.
В 1899 году изучение явлений в пустотных трубках привело к открытию электронов — элементарных частиц вещества» носителей отрицательного заряда. Переносящее заряд с одного электрода на другой, незримое «что-то», существование которого предугадал Столетов, — это электроны.
После открытия электронов стало возможным детальнее разобраться в механизме явлений, которые исследовал Столетов.
В установке Столетова луч света выбивал из металлической пластинки электроны — это внешний фотоэффект — электроны вылетают наружу. Образующееся возле катода облачко электронов попадало под действие притяжения сетки, заряженной положительно. Электроны устремлялись к сетке! А на смену убывающим из катода электронам по проволоке устремлялись другие электроны. Поток электронов перекидывает незримый мостик между положительным и отрицательным электродами. Образуется замкнутая цепь. В ней начинает идти ток, который и есть не что иное, как поток электронов.
Вот в чем состояла сущность явления, открытого Столетовым.
Совершенно ясно, почему ток не возникал, как установил Столетов, при освещении положительного электрода. Выбитые из пластинки электроны отталкивались отрицательным электродом. Своим действием этот электрод заставлял электроны вернуться в металл, из которого они вылетели.
Получил истолкование открытый Столетовым закон, устанавливающий зависимость между величиной фототока и степенью разреженности газа, находящегося между электродами. Летящие электроны сталкиваются с молекулами газа, при этих соударениях от молекул газа отщепляются новые электроны. Эти электроны также начинают принимать участие в полете электронного роя, в создании электрического тока. При некотором давлении, величину которого устанавливает закон Столетова, электроны разбивают наибольшее количество молекул, фотоэлектрический ток достигает максимума. Явление усиления фототока, открытое Столетовым, широко используется в современных фотоэлементах.
Стала ясной сущность основного закона фотоэффекта, также установленного Столетовым, закона прямой пропорциональности между интенсивностью света и силой фототока. Естественно, что чем сильнее свет, тем больше электронов выбьет он, падая на поверхность металла.
Нашло объяснение и обнаруженное Столетовым явление насыщения фотоэлектрического тока. По мере увеличения напряжения между электродами от катода к аноду переносится все больше и больше электронов. Ток с увеличением напряжения растет. Но он не может расти беспредельно. После того как все вылетевшие под действием света электроны включаются в движение, фототок не может возрасти даже и при увеличении напряжения между электродами. Наступает «насыщение» фототока. Ток теперь можно увеличить, лишь увеличив силу света, увеличив число выбиваемых электронов.
Объяснить все эти закономерности, найденные Столетовым, смогла и волновая теория света.
Но явление фотоэффекта, подробно изученное Столетовым, поставило перед физикой и целый ряд загадок, разрешить которые волновая теория оказалась не способна.
Ученые, стремясь досконально объяснить явление, поставили перед собой задачу подробно истолковать, каким образом свет выбивает электроны из металла. Электрон сам собой металла не оставит. Поверхностный слой металла представляет для него как бы барьер. Для того чтобы электрон мог этот барьер преодолеть, он должен обладать достаточной энергией. Падающий на металл свет увеличивает энергию электронов.
Казалось бы, все ясно. Свет приносит энергию. Но каким образом?
Волновая теория говорит: свет сообщает энергию электронам постепенно. Волна за волной набегает на освещаемую пластинку. Когда электроны накопят достаточно энергии, они станут покидать пластинку. Возникнет электрический ток.
Когда же он возникнет?
Расчеты, основанные на предположении, что свет имеет волновую природу, говорят, что даже очень сильный свет породит фототок лишь после того, как электрод освещался в продолжение нескольких часов. Но опыт показывает иное. Столетов установил, что фототок возникает мгновенно. Луч света действует, как выстрел. Тотчас же после удара светового луча в пластинку из нее вылетает рой электронов. Разительное несоответствие. Волновая теория бессильна его объяснить.
А вот еще несоответствие! Если верить волновой теории, то не должно быть никакой разницы между тем, какой длины волны падают на металл. Лишь бы свет был мощным, нес много энергии — тогда уж электронам не остаться внутри металла. А опыты показывают: можно освещать металл красным светом хоть из прожектора, ни одного электрона из металла не выбьешь — нет тока. Но если взять хотя бы коптилку, дающую голубой свет — свет с длиной волны короче, чем у красного, — сразу же пойдет ток, пусть хоть слабенький, но все же пойдет.
Существует как бы некий порог фотоэффекта. Ток возникает, как установил Столетов, лишь тогда, когда длина волны света достаточно коротка. Этот порог для разных веществ различен. Одни металлы отзываются рождением фотоэлектрического тока уже на зеленый свет, для других нужен свет более коротковолновый, скажем — синий. Некоторые металлы, как, например, цинк, которым чаще всего пользовался Столетов, выбрасывают свои электроны только под ударами ультрафиолетовых лучей.
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. Был бы свет, только и этого достаточно, чтобы вызвать фототок, утверждает теория. Но опыт говорит обратное.
И вот что еще установили опыты: чем короче длина волны света, тем с большей скоростью вылетают из металла электроны. Пусть свет этот слабый, ток тоже слаб — электронов вылетает очень мало, но зато уж каждый из этих электронов несется с огромной скоростью. Длинноволновый же свет, пусть и мощный, большой скорости электронам сообщить не может. Волновая же теория утверждает обратное: чем интенсивней свет, тем больше энергия выбитых электронов, тем большую скорость они приобретут.
Объяснить все опытные данные волновая теория света не смогла. Но вскоре нашелся выход, смелый и неожиданный.
Ученым пришлось отказаться от привычного представления о свете как только о волновом процессе. В некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц — отдельных квантов света. Лучи разного цвета имеют кванты различной величины. Чем выше частота света, тем большую энергию имеют частицы, из которых он состоит.
Красный свет самый длинноволновый, низкочастотный в видимом спектре — это как бы залп из мелкой дроби — бекасинника; зеленый — с большей частотой — это уже залп картечи; голубой придется сравнить с пулями, а ультрафиолетовый — это уже снаряды.
Квантовая теория света легко и просто объясняет все особенности фотоэффекта. Падение света на электрод — это как бы обстрел металла быстро движущимися частицами света — фотонами. Сталкиваясь с электроном, фотон сообщает ему свой запас энергии и заставляет его вылетать из металла. Если фотоны мелкие, как, например, у красного света, и их энергия меньше той работы, которую нужно затратить электрону для преодоления поверхностного слоя, свет не сможет породить тока, хотя бы его интенсивность и была велика, фотонов падало на металл много. Крупный же фотон обязательно выбьет электрон, и с тем большей скоростью, чем крупнее он сам. Фотоны, составляющие тот или иной свет, одинаковы, как близнецы, и, следовательно, все электроны, выбитые чими, должны иметь одинаковую, совершенно определенную для данного вида света скорость. Просто объясняется и основной закон фотоэффекта: больше интенсивность — значит, больше фотонов, а чем больше фотонов в световом залпе, тем больше вылетает электронов — ток пропорционален интенсивности освещения.