Столетов Александр Григорьевич. Исследование явления фотоэффекта
Александр Григорьевич Столетов родился 29 июля (10 августа) 1839 года во Владимире в небогатой купеческой семье. Окончив гимназию, поступил на физико-математический факультет Императорского Московского университета. Как лучший кандидат был командирован в Германию, где изучал физику в ведущих университетах страны. Там же провел первое научное исследование диэлектрических свойств различных сред. В 1865 году вернулся на родину и получил место преподавателя в Императорском Московском университете, где работал до конца жизни. В 1872-м защитил докторскую диссертацию, через год стал профессором и открыл физическую лабораторию, что дало возможность проводить экспериментальные исследования. В 1881-м представлял российскую науку на I Всемирном конгрессе электриков в Париже, где докладывал о результатах своих исследований. В 1988-м Столетов начал исследование фотоэффекта, открытого за год до этого немецким физиком Генрихом Герцем. Отказ великого князя Константина, президента Петербургской академии наук, в выдвижении Столетова в члены академии отразился на слабом здоровье ученого. Несмотря на поддержку мирового научного сообщества, Столетов сильно сдал. Умер ученый от воспаления легких 15 (27) мая 1896 года.
Большой вклад в создание многих изобретений, связанных с таким широко распространенным явлением, как телевидение, внесли ученые, проживавшие в России. Александр Столетов стал одним из пионеров в этой области, о которой в то время было известно очень мало, если не сказать, что вовсе ничего. Вряд ли кто-либо мог предсказать, насколько это изменит нашу жизнь. К счастью для нас с вами, в то время за необычные идеи уже не отправляли на костер и не сажали на кол, максимум, что могли сделать, — покрутить пальцем у виска. У Столетова, питавшего страсть к физике в общем и к электричеству в частности, вызвали большой интерес знаменитые исследования физика Герца, проведенные в 1887 году. В ходе опытов по получению электромагнитных волн и изучению их свойств было открыто явление, названное фотоэффектом.
Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов, расположенных близко друг к другу на разрыве проводника и находящихся под напряжением, облегчает проскакивание между ними искры. В итоге между электродами возникает разряд на таком расстоянии, при котором при отсутствии облучения его не может быть вовсе.
Столетов серьезно взялся за изучение этого явления. И уже очень скоро опубликовал результаты в фундаментальном труде «Актиноэлектрические исследования» — именно так в то время ученый называл фотоэффект, принесший ему мировую известность. К слову сказать, Столетов сумел возбудить интерес к физической науке, а все его работы отличались изяществом идей и простотой выполнения. Обширная эрудиция ученого и красота изложения материала способствовали продвижению его идей.
Проведя серию оригинальных экспериментов, физик открыл первый закон фотоэффекта, согласно которому сила фототока прямо пропорциональна интенсивности поглощенного катодом света. В результате опытов Александром Столетовым был создан своеобразный «электрический глаз» — прообраз современных фотоэлементов, которые сегодня широко применяются в телевидении и разных областях науки и техники, необязательно связанных с медиа. Таким образом, исследования ученого положили начало новой отрасли современной физики — фотометрии. В рукописях Столетова сохранилась схема установки, на которой он проводил эксперименты. Основная часть этого механизма представляет собой два электрода: один из них выполнен в виде сетки, другой —в виде плоской металлической пластины.
В цепь физик подключил гальванометр, регистрировавший наличие тока. Облучая катод светом волн различной длины, он пришел к выводу, что наиболее эффективное действие оказывают именно ультрафиолетовые лучи. Дополнительно ученый установил, что сила тока, которая возникает под действием света, напрямую зависит от его интенсивности. Далее, поместив прибор в стеклянный цилиндр, из которого можно было откачивать воздух, Столетов обнаружил, что при уменьшении давления в цилиндре фототок возрастает, достигает максимума, а затем убывает.
На основании проведенных опытов ученый сделал еще ряд других важных выводов. Например, для того чтобы фотоэффект стал возможен, материал катода должен поглощать свет. При этом каждый элемент поверхности катода участвует в явлении и не зависит от других. Столетов, в отличие от предыдущих исследователей, использовал малую разность потенциалов между электродами, что тоже важно. Результатом его труда стал закон, описывающий открытое Герцем явление. В честь российского ученого названа постоянная величина, которая была установлена в ходе этого закона, — константа Столетова. Обобщив полученные результаты, ученый установил некоторые закономерности фотоэффекта, среди которых тот факт, что явление не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины, названной красной границей. В дальнейшем опыты Столетова позволили вывести еще два закона фотоэффекта.
При этом не все выводы можно было объяснить в то время с позиций классической физики. Однако именно на основе данных законов была создана квантовая теория света, которая впоследствии была развита Эйнштейном.
Научные достижения Столетова позволили показать возможность непосредственного превращения световой энергии в энергию электрического тока, а его электрическая схема дала начало соответствующим схемам, применяемым сегодня. На основе разработок талантливого ученого впоследствии были открыты новые законы, например теория электрических разрядов в газах английского физика Джозефа Таунсенда.