Сегодня внешним фотоэффектом (или фотоэлектронной эмиссией) мы называем явление, когда под действием электромагнитного излучения вещество испускает электроны. Приборы, использующие фотоэффект, работают сторожами и контролерами, открывают и закрывают двери, делают кино звуковым. А началось все с того, что еще в 1887 году Генрих Герц, занимаясь опытами с электромагнитными волнами, заметил, что если осветить цинковую пластинку ультрафиолетовым светом, то она зарядится электричеством. Это случайно открытое явление получило название фотоэлектрического эффекта. Прошло время. Эффект удалось получить не только в ультрафиолете, но и в лучах видимого света. Физики обнаружили множество его различных проявлений, но не имели надежной теории. Собственно говоря, на первый взгляд ничего там сложного не было. Свет, падающий на свободно блуждающие в металле электроны, сообщал им дополнительную энергию. Получив эту добавку, наиболее энергичные электроны вылетали из металла, который при этом заряжался положительно.
Понятно, что, чем больше была полная энергия световых волн или интенсивность света, тем больше электронов должно покидать металл. Так, казалось, требовала логика.
А что показывал опыт?..
Г. Герц в период занятий опытами по фотоэффекту
Давайте попробуем осветить цинковую пластинку красным светом. Сначала слабеньким-слабеньким — никакого эффекта. Электроны не вылетают. Давайте понемногу усиливать поток света. То же самое. Никакой красный свет не поможет нам вырвать электроны из цинковой пластинки. То же самое произойдет и в том случае, если мы станем освещать пластинку видимым светом любой длины волны. И только ультрафиолетовые лучи приводят к желанному эффекту. В ультрафиолетовом диапазоне электроны начинают исправно подчиняться классическому закону: ярче свет, дольше интенсивность излучения, больше и выход электронов из металла. Получалось, что энергию, которую передавал электронам световой поток, определяла в первую очередь не его интенсивность, а частота волн, поскольку у ультрафиолетовых лучей частота волн выше, чем у обычного, видимого света… Вот тут-то и возникало недоумение. В признанной всеми классической волновой теории света никакой связи между частотой и энергией не существовало.
На это противоречие и обратил свое внимание Эйнштейн. Он пренебрег авторитетом волновой теории и предложил считать, что световая энергия передается не непрерывным потоком, а сконцентрирована в отдельные кванты. (Эти кванты, или порции, света мы теперь называем фотонами.)
Вы можете спросить: чем помогло такое предложение объяснению явления фотоэффекта? Подумайте сами: на что стал теперь похож поток света? На град, правильно? Падая на поверхность металла, каждая градина стремится выбить из нее электрон. Но удается это только тем, которые обладают достаточной энергией. Значит, фотоэффект должен зависеть не от интенсивности светового потока вообще, которая определяется количеством фотонов, а от энергии каждого фотона в отдельности.
А. Эйнштейн — выдающийся ученый нашего времени
Теперь, зная зависимость фотоэффекта от частоты падающего света, нужно было найти связь частоты с энергией. А такая связь уже была. Ее нашел Планк: E = hv.
Вторым предположением в теории Эйнштейна было утверждение, что интенсивность световой волны пропорциональна числу фотонов, которые она переносит. Это объясняло то, что количество вылетающих из металла электронов зависит не только от частоты, но и от интенсивности света.
Да, квантовая гипотеза оказалась гораздо более серьезным и мощным оружием исследования, чем это казалось в начале ее появления. Пророчески прозвучали слова Эйнштейна, которыми он заключил одну из своих ранних работ, посвященную квантовой теории излучения: «…я считаю, что следующая фаза развития теоретической физики даст нам теорию света, которая будет в каком-то смысле слиянием волновой теории света с теорией истечения». Напомню, что «теория истечения» предполагала квантовое, или корпускулярное, строение светового потока.