Файл: Тепляков Г.М. Александр Григорьевич Столетов.pdf

дуги служила динамо-машина, и малейшее непостоянство числа оборотов двигателя и динамо-машины, неоднород­ ность углей приводили к немедленному изменению дуги и показаний гальванометра. Но даже это мешающее обстоя­ тельство натолкнуло А. Г. Столетова на возможность его использования. «Едва ли есть другой способ так зорко сле­ дить за постоянством электрического света (или, вернее, за напряженностью известной категории радиаций), как эти актиноэлектрические наблюдения», — писал он.

Не имея возможности добиться постоянства электричес­ кой дуги, при оценке отклонений гальванометра А. Г. Сто­ летов разработал специальные методы контроля. Позднее, наряду с главным конденсатором, А. Г. Столетов стал упот­ реблять другой, контрольный, который все время оставался при неизменных условиях — постоянном расстоянии меж­ ду электродами и постоянной э. д. с. — «в том же пучке лучей, как и главный, и наблюдался п о о ч е р е д н о с главным, с целью более точной редукции результатов». Однако и такие предосторожности не были достаточными «там,где исследуемое влияние не резко... явилась потреб­ ность иметь о д н о в р е м е н н ы й контроль, т. е. наблюдать оба конденсатора (главный и контрольный) в один и тот же момент. Только таким образом можно исключить мгновенные и резкие колебания в действии лучей». Таким образом, уже при первых шагах исследования фотоэлек­ трических явлений Столетов впервые применил и фото­ электрические методы контроля.

Контрольный конденсатор имел форму креста с пере­ кладинами в 12 см длины и 1 см ширины из посеребренной латуни и сетку такой же формы. Он помещался коаксиаль-

8 8

Два наблюдателя имели возможность, включая фонарь, наблюдать первые отклонения обоих гальванометров, «и редукция главных отсчетов по контрольным уже освобож­ дала их от влияния перемен в состоянии дуги».

В дальнейшем, проведя ряд опытов и убедившись в пос­ тоянстве отношения отклонений гальванометров (2,239), А. Г. Столетов имел возможность находить отклонение главного гальванометра, умножая показания контрольно­ го на 2, 239 при условии, если наблюдения продолжались не слишком долго. В противном случае, вследствие раз­ личной утомляемости фотоэлементов (конденсаторов), про­ порциональность между их показаниями нарушалась. Из пропорциональности показаний двух фотоэлементов, на­ ходящихся под различным напряжением, А. Г. Столетов сделал фундаментальный вывод о пропорциональности между количеством световой энергии и силой фототока, являющийся важнейшим законом фотоэффекта.

«Чтобы объяснить себе эту пропорциональность, необ­

количеству активных лучей» (подч. Столетовым. — Прим,

авт.).

Этот вывод А. Г. Столетов проверил тремя методами: 1) методом изменения освещенности фотоэлемента с из­

менением расстояния;

2)методом изменения фототока в зависимости от вели­ чины освещаемой поверхности;

3)методом вращающегося диска.

Наиболее интересным является последний метод, так как он, наряду с подтверждением указанной закономерности, привел А. Г. Столетова к доказательству (насколько по­ зволили экспериментальные возможности) безынерционности фотоэффекта.

89

Ко времени описываемого эксперимента в печати поя­ вилась статья И. И. Боргмана, в которой был описан опыт с телефоном, включенным в фотоэлектрическую цепь, и картонным кругом с вырезами. Не слыша звука в телефоне при вращении освещаемого диска, Боргман сделал вывод о том, что ток постепенно достигает своей предельной вели­ чины и также по прекращении освещения постепенно осла­ бевает. А. Г. Столетов со свойственным ему эксперимен­ тальным чутьем понял, что этот опыт не мог дать ответа на поставленный вопрос ввиду инерции механической сис­ темы телефона. Нельзя было исключить инерцию и при употреблении гальванометра в качестве индикатора явле­ ния. И Александр Григорьевич, как всегда, смело и остро­ умно решил вопрос, применив коммутирующее устройст­ во, не раз помогавшее ему в ранее проведенных экспери­ ментах. Первые опыты, проведенные А. Г. Столетовым, показали, что запаздывание как будто бы есть и достигает значительной (до 1/400 сек.) величины.

Однако от опытного экспериментатора не ускользнули мешающие обстоятельства, вызываемые коммутатором, ко­ торый, при трении щеток, представлял сам источник малых токов, искажающих результат. Частично устранив источ­ ник ошибок смазыванием щеток и введя поправки в расче­ ты, Столетов пришел к заключению, что запаздывание то­ ка, если оно и есть, не превышает 1/1000 доли секунды, то есть практически ток появляется и исчезает одновре­ менно с освещением, и, следовательно, при прерывистом освещении ток также прерывистый, с тем же периодом.

В дальнейшем метод Столетова по исследованию безынерционности фотоэффекта нашел широкое применение; лишь диски с выступами при этом были заменены перфори­ рованными дисками.

Отметим еще весьма важный существенный факт, от­ крытый А. Г. Столетовым при исследовании зависимости

90

фототока от величины светового потока. Желая другим пу­ тем подтвердить полученную пропорциональность между этими величинами, А. Г. Столетов предпринял попытку на­ клонять арматуры (конденсатор) к световому потоку под уг­ лом от 90 (как это было в ранее проводимых опытах) до 45°, добиваясь того, чтобы световой поток с помощью кварцевой линзы по-прежнему целиком падал на электрод. Для того чтобы исключить отражение, отрицательный электрод покрывался копотью. Естественно было ожидать при этом, что пропорциональность между током и свето­ вым потоком сохранится. Однако оказалось, что наклон дисков увеличивает силу тока на 5—10%. Этот результат не был понят Столетовым и нашел объяснение значительно позднее в работах Поля и Принсгейма.

Последующие опыты А. Г. Столетова были посвящены выяснению зависимости фототока от расстояния между электродами (г = /(6) при % = const) и от электродвижу­

электроды использовались латунные, покрытые серебром. Как и ранее, обращалось большое внимание на источники возможных ошибок и их устранение (длительное время, в течение которого велись измерения, а следовательно, наличие утомляемости металла электродов, непостоянство дуги и некоторые другие). Однако все эти обстоятельства не повлияли на основной результат, который выступал весь­ ма явно и определенно и привел А. Г. Столетова к откры­ тию весьма важного закона о существовании тока насыще­ ния. А. Г. Столетов отмечает, что при малом расстоянии б ток приблизительно пропорционален электродвижущей си­ ле лишь при наименьших ее величинах, а затем по мере ее возрастания продолжает расти, но медленнее.

При больших расстояниях б участки пропорциональной зависимости сдвигаются в область больших э. д. с. Для

91

кривых г = /(%) при расстояниях 6, больших 6,5 мм, наб­ людался перегиб, соответствующий тем большим $, чем больше б.

Понизив э. д. с., накладываемую на электроды, А. Г. Сто­ летову удалось пронаблюдать перегиб кривых и при б = = 2 — 3 мм. «Таким образом, — писал он, — существо­ вание перегиба в кривой г = / (3£) представляется общим законом, но при малых б перегиб не так заметен, ибо ле­ жит вблизи начала координат, где кривая имеет крутой подъем».

Сравнивая кривые г = / (Щ для различных б, А. Г. Столетов заметил, что точки равных ординат г в большинстве случаев хорошо удовлетворяют соотношению 6 : 6 ' = $ : ' $ ' . Отсюда следовало, что ток является функ­

цией отношения ~ = а, представляющего меру плотности

заряда при незначительно раздвинутых электродах фото­ элемента, а также меру электрической силы, существую­ щей у поверхности электродов и действующей на отрица­ тельные электрические заряды.

Окончательный результат этих измерений А. Г. Столе­ тов сформулировал так: «Электрический ток, который яв­ ляется между арматурами конденсатора вследствие действия лучей на отрицательную арматуру... определя­

(которое, однако же, никогда при опытах не достигается вполне)».

Обнаружив в своих опытах фотоэлектрический ток при э. д. с. порядка 1 в, А. Г. Столетов обратил внимание на со­ измеримость этой э. д. с. с контактной разностью потенциа­

9 2

лов металлов, используемых в качестве электродов. И «если электрическая разность потенциалов двух арматур идёт в счет той электродвижущей силы, которая дает ак­ тиноэлектрический ток, — писал Столетов, — то естест­ венно ожидать, что такой ток может быть получен и без батареи — от одной только этой разности двух металлов». Однако ток при этом получался лишь в том случае, когда в качестве сплошного диска фотоэлемента А. Г. Столетов использовал более электроотрицательный металл ряда Вольты (посеребренная латунь), а в качестве сетки — менее электроотрицательный (цинк). Из этого факта Столетов сделал очень важный вывод о существовании обмена энер­ гией между излучением и электродом, испускающим заря­ ды. Из этого видно, насколько близок уже в 1889 г. был А. Г. Столетов от правильного понимания природы фотоэф­ фекта. Он писал: «Система 2п, Ag и воздух при условии освещения А£ активными лучами временно обращается в настоящий гальванический элемент, где роль жидкости играет газовая среда. Принимая в расчет, что при этом лучи должны поглощаться серебром, мы можем сказать (в чем бы ни состоял механизм явления), что энергия тока в воздушном элементе возникает за счет энергии освещаю­ щих лучей».

Известно, что только в 1905 г. Эйнштейн, опираясь на работы Лоренца, Планка и Ленарда, сформулировал этот

закон: 1гч= — - 4- А, называемый основным законом фото­

2 1

эффекта.

Анализируя далее результаты эксперимента, А. Г. Сто­ летов дал новый метод определения контактной разности потенциалов металлов, дающий хорошие результаты в сравнении с другими методами. Закон тока насыщения Столетов проверил и другим методом, наблюдая не посто­ янный ток под действием лучей, а мгновенный разрядный

9 3

ток от конденсатора известной емкости, определенное вре­ мя стоявшего в лучах.

Приводим результаты фотоэлектрических исследова­

тельно заряженного тела, уносят с него заряд. Смотря по тому, пополняется ли заряд и насколько быстро, это уда­ ление заряда может сопровождаться заметным падением потенциала или нет.

2.Это действие лучей есть строго униполярное: положи­ тельный заряд лучами не уносится.

3.По всей вероятности, кажущееся заряжение

нейтральных тел лучами объясняется той же при­ чиной.

4.Разряжающим действием обладают (если не исклю­ чительно, то с громадным превосходством перед прочими) лучи самой высокой преломляемости, недостающие в сол­ нечном спектре (X < 295-10~6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

5.Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи по­ глощались поверхностью тела. Чем больше поглощение ак­ тивных лучей, тем поверхность чувствительнее к их раз­

ряжающему действию.

6. Такой чувствительностью, без значительных раз­ личий, обладают все металлы, но особенно высока она у некоторых красящих веществ (анилиновых красок). Вода, хорошо пропускающая активные лучи, лишена чувстви­ тельности.

7. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственного разряда не протекает заметного времени.

9 4

8. Разряжающее действие, ceteris paribus,1 пропорцио­ нально энергии активных лучей, падающих на разряжае­ мую поверхность.

9. Действие обнаруживается даже при ничтожных от­ рицательных плотностях заряда; величина его зависит от этой плотности; с возрастанием плотности до некоторого предела оно растет быстрее, чем плотность, а потом мед­ леннее и медленнее.

10. Две пластинки разнородных в ряду Вольты ме­ таллов, помещенные в воздухе, представляют род гальвани­ ческого элемента, как скоро электроотрицательная плас­ тинка освещена активными лучами.

11.Каков бы ни был механизм актиноэлектрического разряда, мы вправе рассматривать его как некоторый ток электричества, причем воздух (сам ли по себе или благо­ даря присутствию в нем посторонних частиц) играет роль дурного проводника. Кажущееся сопротивление этому то­ ку не подчиняется закону Ома, но в определенных условиях имеет определенную величину.

12.Актиноэлектрическое действие усиливается с по­ вышением температуры».

Не претендуя на полное объяснение явлений фотоэф­ фекта, А. Г. Столетов ограничивает себя критикой сущест­ вующих гипотез, но при этом его симпатии целиком на сто­ роне тех, кто считает, что «на актиноэлектрические токи следует смотреть как на токи конвективные». Однако, признает он, и это не есть полное объяснение явления, не­ зависимо от того, каким путем — частицами ли газа или частичками распыляемого катода—происходит перенос заря­ дов. Он пишет: «Как бы ни пришлось окончательно сформу­ лировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нель­

зя не признать некоторой своеобразной аналогии между

1 При прочих равных условиях.

9 5

этими явлениями и давно знакомыми, но до сих пор мало­ понятными разрядами гейслеровых и круксовых трубок. Желая при моих первых опытах ориентироваться среди явлений, представляемых моим сетчатым конденсатором, я невольно говорил себе (понимая всю странность этих слов), что предо мною гейслерова трубка, могущая действо­ вать и без разрежения воздуха, трубка не с собственным, а с посторонним светом. Там и здесь явления электрические тесно связаны со световыми, там и здесь катод играет осо­ бенную роль и, по-видимому, распыляется». Можно только поражаться, насколько близко подошел А. Г. Столетов к пониманию описываемых явлений в то время, когда о пе­ реносчике зарядов—электроне—ничего не было известно.

Несмотря на довлеющие над ним электромагнитные представления и некоторый дуализм взглядов на природу тока (величина тока пропорциональна «электрической силе, действующей у поверхности пластин»), идея заряда прохо­ дит через все его исследование.

Как мы уже отмечали, экспериментируя с токами в воз­ духе при нормальных давлениях и установив закон тока насыщения, А. Г. Столетов еще не видел разницы между первичными и вторичными явлениями. Позднее, проводя опыты в разреженных газах (для этого Столетов сконстру­ ировал оригинальный фотоэлемент, в котором с помощью насоса Шпренгеля можно было доводить разрежение до 0,005, а иногда и до 0,002 мм Ь^), он пришел к выводу о

том, что закон тока остается верным лишь при

значительном давлении (рис. 8). По мере возрастания раз­ режения эта закономерность нарушается, однако имеет место другая простая и замечательная закономерность:

^ = сопэЪ

б

9 6