Как сын владимирского купца предвосхитил "нобелевские" исследования Эйнштейна
Источник: ТАСС
09.08.2019
10 августа 1839 года родился Александр Столетов. Его исследования подтолкнули Эйнштейна к созданию "нобелевской" теории, стали предпосылкой для появления телевидения и "зеленой" революции в энергетике
Столетов родился в купеческой семье во Владимире. Его мать сама учила всех шестерых детей чтению, письму и счету еще до школы. Окончив гимназию, Александр поступил на физико-математический факультет Императорского Московского университета (ныне МГУ), а когда ему был 21 год, руководство оставило перспективного студента, чтобы тот занимался научной работой. В 1862–1866 годах Столетов стажировался за границей, где работал с ведущими физиками того времени, в том числе Германом Кирхгофом и Вильгемом Эдуардом Вебером.
Электричество из света
В 1888 году 49-летний Столетов — заведующий кафедрой опытной физики в Императорском Московском университете — решил выяснить, как влияет свет на электрический ток. Для этого он взял мощный дуговой фонарь, направил его свет на одну из двух параллельных металлических пластинок — и между пластинками, невзирая на то, что зазор между ними был больше 10 см, потек электрический ток. Ученый долго проводил измерения, менял условия эксперимента и в 1889 году опубликовал работу "Актино-электрические исследования".
Сегодня мы знаем, что извлеченный Столетовым при помощи обыкновенного света ток возникает потому, что фотоны, т.е. кванты света, выбивают из металла электроны. Во время экспериментов Столетова ни о каких электронах физики не знали, да и о квантах не задумывались. Теперь мы знаем, что для фотоэффекта квант должен иметь определенную энергию, а она напрямую связана с частотой света. Поэтому в опытах Столетова ток регистрировался только при освещении пластинок фонарем с электрической дугой: свет от нее содержит довольно много ультрафиолета.
Теоретическое объяснение найденных Столетовым закономерностей дал в 1905 году Альберт Эйнштейн, который для этого использовал концепцию квантов, придуманную Максом Планком. Кстати, именно за объяснение фотоэффекта, а вовсе не за теорию относительности, Эйнштейна наградили Нобелевской премией по физике.
Столетов наверняка разделил бы награду с Эйнштейном (как правило, награждают и экспериментатора, и теоретика), но не дожил даже до открытия электрона в 1897 году, скончавшись годом ранее от воспаления легких в возрасте всего 56 лет. А фотоэффект стал не просто физическим феноменом — он позволил ученым выявить несколько ранее неизвестных законов природы.
Эффект фотоэффекта
Фотоэффект широко используется в технике. Без него просто не существовало бы телевидения, так как процесс превращения картинки в электрический сигнал по определению требует преобразовать энергию света в электрическую. В первых телекамерах свет через объектив попадал на микроскопические крупинки серебра и выбивал из них электроны — лишенные отрицательно заряженных частиц, крупинки приобретали положительный заряд. Этот заряд затем можно было измерить и определить, насколько ярко освещался конкретный участок посеребренной пластины, а из участков складывалась картинка. Так работали устройства, разработанные в 1910-х годах Борисом Розингом и Владимиром Зворыкиным. В 1931 году Зворыкин, к тому моменту уехавший в США, получил патент на "иконоскоп", и это стало важнейшим шагом на пути к телевидению.
В зворыкинском иконоскопе, как и в детище советского инженера Семена Катаева, независимо работавшего над созданием телевидения (а еще можно отметить венгерского инженера Кальмана Тиханьи), использовался т.н. внешний фотоэффект — когда свет выбивает электроны за пределы вещества. Но также существует и внутренний фотоэффект, при котором электроны покидают свои атомы, но не вылетают в окружающую среду.
Цифровые камеры
Внутреннему эффекту нашли применение позже — в приборах с зарядовой связью (ПЗС). Под этим названием скрывается пиксель на матрице цифрового фотоаппарата: свет выбивает электроны из полупроводникового материала, эти электроны создают электрический ток, сила которого отражает интенсивность упавшего на материал света.
В 1969 году американцы создали первый подобный прибор, в 1971-м был получен первый патент, а несколько лет спустя полупроводниковые матрицы для телекамер пошли в производство. В 1980-х работающие на внутреннем фотоэффекте камеры полностью вытеснили из телестудий технику, использующую фотоэффект внешний, а в нулевые годы ПЗС-матрицы покончили с фотопленкой как в профессиональной, так и в любительской съемке.
Сегодня цифровые камеры стоят в абсолютном большинстве мобильных телефонов: изобретение микросхем позволило массово и по умеренной цене печатать сложнейшие электронные устройства.
Солнечная энергетика
Появление заряда внутри освещенного полупроводникового материала также позволяет работать солнечным батареям. В 1990-х они применялись разве что в калькуляторах, для питания каких-нибудь метеорологических станций в удаленных районах и на космических аппаратах. Но в 2018 году солнечные батареи по всему миру выдали 700 ГВт·ч электричества — больше всех российских теплоэлектростанций, вместе взятых.
По оценкам аналитиков Bloomberg, в 2019 году в мире введут в строй солнечные панели суммарной мощностью от 120 до 140 ГВт. В пиковом режиме только смонтированные в этом году панели будут выдавать энергии столько же, сколько половина всех российских электростанций, — немало, если учесть, что Россия занимает четвертое место по производству электричества.
С 2000-х годов солнечная энергетика прибавляет каждый год по 25% своей общей мощности, то есть растет в геометрической прогрессии. В 2050 году, по оценкам Международного энергетического агентства, фотоэффект даст человечеству одну шестую часть всей электроэнергии и станет одним из основных источников электричества.
Безопасные станки, лифты и борьба с безбилетниками
Сам Столетов вряд ли мог предсказать появление Instagram или массовый переход человечества на фотоматериалы. Однако одно из устройств, с которым жители крупных городов сталкиваются ежедневно, ученый все же разработал. Это фотоэлемент — самый простой преобразователь световой энергии в электрическую.
Одного фотоэлемента недостаточно ни для электропитания чего-либо, ни для построения картинки, однако он все же "чувствует" падающий на него свет. Следовательно, из источника света и фотоэлемента можно сделать, например, сигнализацию: когда кто-нибудь заслонит луч, электронная схема зафиксирует пропажу тока, включит сигнал тревоги или заблокирует работу механизма в опасной близости от подошедшего человека.
Фотоэлементы применяются в турникетах метро и на платформах пригородных поездов, а еще они часто следят за тем, чтобы никого не прижало закрывающимися дверями в лифте. Сравнительно громоздкие устройства на внешнем фотоэффекте — со стеклянными колбами и металлическими пластинками внутри — сегодня вытеснены компактными полупроводниковыми аналогами, где действует внутренний фотоэффект. Однако закономерности, выведенные Столетовым еще в XIX веке, работают и в этом случае.
Алексей Тимошенко, научно-популярный сайт "Чердак"
