История 3 Фотоэффект и «атомы электричества»
Крупнейшего физика А.Г. Столетова называют организатором школы русских физиков и одним из основателей электротехники. Его работы стали фундаментом для построения целых областей науки, благодаря его открытиям появилось телевидение, без которого мы не уже представляем свою жизнь.
Александр Григорьевич Столетов(1839–1896); родился в небогатой купеческой семье в городе Владимире на Клязьме. Его отец – Григорий Михайлович – был владельцем бакалейной лавки и мастерской по выделке кож. Мать – Александра Васильевна – была образованной женщиной и сама обучала своих детей, подготавливая к поступлению в гимназию. Уже в пять лет Саша научился читать и писать, в девять он вел дневник, куда записывал не только наблюдения, но и стихи собственного сочинения.
Александр Григорьевич Столетов
Во время учебы во Владимирской гимназии он особо полюбил физические опыты, и не раз демонстрировал их дома. Саша был одним из шести детей в их дружной и веселой семье. В 1856 г. юноша заканчивает гимназию с золотой медалью, и осенью того же года его зачисляют студентом на физико-математический факультет Московского университета, с предоставлением государственной стипендии. В 1860 г. Столетов с отличием закончил университет. Благодаря ходатайству профессора физики Н.А. Любимова, талантливого молодого ученого оставили при университете для подготовки к профессорскому званию. Так как он учился за государственный счет, он обязан был после окончания университета отработать шесть лет «по учебной части Министерства народного просвещения», но его таланты сыграли решающую роль в дальнейшей судьбе этого молодого человека. В середине октября 1861 г. Столетов сдал магистерский экзамен, но защиту диссертации пришлось отложить: летом 1862 г. Александр Григорьевич был отправлен в заграничную командировку как наиболее достойный кандидат.
Три с половиной года Столетов изучал физику в университетах Гейдельберга, Геттингена и Берлина. Известный в то время немецкий ученый Кирхгоф называл его своим самым талантливым учеником. Там же, за границей, молодой физик провел и свое первое научное исследование, в результате которого установил, что диэлектрические свойства среды не влияют на электромагнитное взаимодействие проводников электрического тока. В Гёттингене Столетов работал у немецкого физика В. Вебера. Русский ученый побывал и в Париже, знакомясь с постановкой преподавания физики в Сорбонне.
В конце 1865 г. А.Г. Столетов возвращается в Россию, где получает место преподавателя в Московском университете, и сразу заявляет два курса: математической физики и физической географии. Его блестящие лекции зачастую заканчивались овациями. В то же время он работал над магистерской диссертацией, посвященной проблеме «Общей задачи электростатики и приведению ее к простейшему виду» – о том, как распределяются заряды в проводниках в произвольном случае. Эта задача была решена только для двух проводников английским физиком Томпсоном и геометром Морфии. Показав свои исключительные математические способности, Столетов обобщил эти результаты на произвольное число проводников. После защитил магистерскую диссертацию в мае 1869 г. А.Г. Столетов был утвержден в звании доцента по кафедре физики.
Московский университет на открытке начала ХХ века
Александр Григорьевич предпринимает попытки создания собственной физической лаборатории при университете (будет открыта в 1872-м). А у себя дома он организует физический кружок (не путать с революционными кружками! – такой подтекст зачастую наблюдается в работах советских агитпроповцев, тем самым закладывается мысль о причастности русских ученых, других деятелей к «желаемым всеми прогрессивными людьми» революционным переменам в обществе), который посещают ученые Н.А. Умов, Н.Е. Жуковский, астроном Ф.А. Бредихин, механик Ф.А. Слудский и другие. В 1881 г. этот кружок пополнился математиками и вскоре слился с физическим отделением Общества любителей естествознания, который тогда же возглавил сам Столетов.
Великие русские ученые всегда были великими просветителями – такова была их божественная миссия на родной земле.
В 1872 г. ученый защитил докторскую диссертацию «Исследование о функции намагничения мягкого железа», посвященную изучению магнитных свойств железа. И уже в следующем году был утвержден в должности ординарного профессора Московского университета.
Следует сказать, что тогда электротехники как науки еще не было. Вот почему очень важно было разработать теорию работы электрических машин, установить закономерности в намагничивании железа и его сплавов. Во время работы над диссертацией для выполнения исследований Столетов уезжал на полгода за границу в лабораторию профессора Кирхгофа (как легко, скажете вы, было пополнять знания маститым иностранным коллегам за счет неустанной работы молодых коллег из других стран, проводимой под присмотром хозяев). В те времена для проведения экспериментальных исследований физики часто уезжали за границу. Оттого и хлопотал Александр Григорьевич, чтобы дома наконец появилась своя лаборатория, и его настойчивые просьбы увенчаются успехом в том же значимом для ученого 1872 году.
В лаборатории немецкого физика русский ученый на опыте установил, что коэффициент, характеризующий способность железа намагничиваться, постоянен. По мере возрастания магнитного поля быстро растет коэффициент, однако в определенный момент, когда железо «насыщается», намагничивание железа перестает нарастать. В конце этой своей работы Столетов писал: «…изучение функции намагничения железа может иметь практическую важность при устройстве и употреблении, как электромагнитных двигателей, так и тех магнитноэлектрических машин нового рода, в которых временное намагничение железа играет главную роль (снаряды Н. Уайльда, Сименса, Ладда и др.). Знание свойств железа относительно временного намагничения так же необходимо здесь, как необходимо знакомство со свойствами пара для теории паровых машин. Только при таком знании мы получим возможность обсудить a priori наивыгоднейшую конструкцию подобного снаряда и наперед рассчитать его полезное действие».
Работа по измерению соотношения электромагнитной единицы количества электричества по отношению к электростатической, которая согласно теории английского физика Максвелла, должна быть равна скорости света, была предложена Столетовым по новому методу. Метод получил одобрение Максвелла и даже, по его словам, был признан как самый надежный способ для определения этой величины.
Генрих Рудольф Герц
Результаты исследования Столетова и методика изучения магнитных свойств, созданная им, повлияли на развитие электротехники.
Вильгельм Гальвакс
Диссертационная работа, распахнувшая широкие горизонты и перед наукой, и перед техникой, сделала ее автора всемирно известным ученым. В 1874 г. Столетова пригласили на торжества по поводу открытия физической лаборатории при Кембриджском университете; в 1881 г. он представлял Русскую Науку на I Всемирном конгрессе электриков в Париже. На конгрессе по его предложению была утверждена единица электрического сопротивления – ом, а также эталон сопротивления. Тогда же, на электрической выставке в Париже физическая лаборатория Столетова удостоилась «Диплома сотрудничества». Постепенно росла и ширилась слава о русском физике; и, к слову, в 1889 г. А.Г. Столетова изберут вице-президентом международного конгресса.
В 1988 г. Столетов приступил к исследованию фотоэффекта, открытого за год до этого немецким физиком, одним из основателей электродинамики Генрихом Рудольфом Герцем (1857–1894). Эти исследования, продолжавшиеся два года, принесли Александру Григорьевичу мировую славу и явились вершиной его научного творчества.
26 февраля того же года в лаборатории Московского университета Столетов осуществляет свой знаменитый опыт – заставляет свет порождать электрический ток.
Установка Столетова выглядела следующим образом: цинковый диск, присоединенный к отрицательному полюсу батареи, стоял напротив диска металлической сетки, от которой шел провод к положительному полюсу. Цепь была разомкнута воздушным промежутком между диском и сеткой. Ток не шел; светлый зайчик, отбрасываемый зеркальцем гальванометра, включенного в цепь батареи, стоял на нулевой отметке шкалы. Но когда экспериментатором свет был брошен на диск электрической дуги, зайчик тотчас же пробежал по шкале. Так в цепи возник электрический ток! Эта установка явилась первым фотоэлементом – прибором, отзывающимся на свет появлением электрического тока.
Исследуя явление порождения светом электрического тока, А.Г. Столетов установил все его основные законы. К примеру, закон о пропорциональности между фототоком и интенсивностью падающего света.
Открытие этого закона на Западе приписывают немецкому физику Гальваксу.
Вильгельм Гальвакс (Хальвакс; 1850–1922) безусловно, талантливый ученый, он впервые показал, что металлы под воздействием ультрафиолетового излучения теряют отрицательный заряд. Однако первенство в открытии закона о пропорциональности между фототоком и интенсивностью падающего света принадлежит уму и таланту А.Г. Столетова.
Исследования русского ученого примечательны и тем, что в физике того времени еще не были известны электроны, поток которых и создавал ток между диском и сеткой. Электроны, названные ученым «атомами электричества», были официально открыты уже после его смерти.
Теоретическое объяснение законов фотоэффекта, экспериментально полученных Столетовым еще в конце 80-х гг. XIX в., будет дано А. Эйнштейном в ХХ в., в 1905 г.
Следует сказать, что на основе фотоэффекта были созданы фотоэлементы, нашедшие большое практическое применение. К примеру, вакуумная установка Столетова была прообразом электронных приборов, которые впоследствии работали в радиоприемниках, радиопередатчиках, в автоматических и телемеханических устройствах, в локаторах.
Как напишут современные авторы, популяризирующие открытия отечественных ученых, «крохотный фотоэлемент вдруг неожиданно превратился в могучего богатыря, спасающего от электрической гибели космические корабли и протягивающего руку помощи большой земной энергетике… /Применяемые фотоэлементы реагируют на видимый свет и даже на инфракрасные лучи. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке. /Кроме фотоэффекта, называемого внешним фотоэффектом, разнообразные применения находит внутренний фотоэффект в полупроводниках. Это явление используется в фоторезисторах-приборах, сопротивление которых зависит от освещенности. Пока же полупроводниковые фотоэлементы применяются в основном для измерения интенсивности света, а также для целей автоматики, сигнализации и телеуправления. А также это кремневые солнечные батареи используются, в частности, для обеспечения энергией искусственных спутников земли и космических кораблей».
Разработанный Александром Григорьевичем Столетовым метод исследования электрических явлений в разреженных газах помог супругам Кюри открыть радиоактивные элементы.
Музей братьев Столетовых в городе Владимире расположился во флигеле их бывшего дома. Здесь жили Николай Григорьевич и Александр Григорьевич Столетовы, первый из них стал генералом, освободившим Болгарию от Османского ига, а второй – физиком с мировым именем
Именно эти исследования русского ученого повлекли за собой грандиозные открытия: открытие электронов, радиоактивности, рентгеновских лучей. Переосмысление законов фотоэффектов привело к созданию квантовой теории, согласно которой свет может вести себя как поток особых частиц – фотонов. Квантовая и электронная теории стали, в свою очередь, основой для исследования мира атомов и элементарных частиц (электронов, протонов, фотонов).
Как и многие его коллеги из рядов русских ученых-педагогов, Столетов читал искуснейшие лекции, привлекая в ряды почитателей и искренних приверженцев науки все новые молодые кадры. Его лекции по опытной физике отличались обилием материала и красочностью изложения. Он всегда успевал ознакомить студентов с последними научными новостями. Александр Григорьевич даже вел отдельные вечерние лекции для любознательных.
Кроме занятия наукой Столетов интересовался литературой, искусством; состоял членом очень многих ученых обществ, как русских, так и иностранных. Был директором отдела прикладной физики при Политехническом музее и за эту работу в 1884 г. ему от имени Общества любителей естествознания, антропологии и этнографии присудили золотую медаль, а в 1886 г. приняли в ряды своих членов. Где он председательствовал на физическом отделении этого весьма уважаемого общества с 1881 по 1889 гг. Важный нюанс: в работах советских историков и писателей это общество чаще всего звучит в усеченном варианте, как «Общество любителей естествознания», тогда как две другие составляющие также очень важны; в особенности антропология, которая после захвата власти большевиками была поставлена в разряд сверхзкрытой науки, все научные труды по антропологии были изъяты (во времена Российской Империи труды по антропологии печатались открыто; и, к слову, современный человек даже не представляет всю важность этой уникальной науки).
19 мая 1896 г. у Александра Григорьевича обнаружилось воспаление легких и ослабление сердечной деятельности; а в ночь с 26 на 27 мая он скончался.
Обширная библиотека, согласно завещанию великого ученого, была передана в физическую лабораторию (впоследствии попала в состав библиотеки Физического института Московского университета имени Столетова). Работы Александра Григорьевича Столетова – одаренного ученого, мыслителя, обладавшего обширной эрудицией, – открыли в физике новую эпоху.