XII. ВРЕМЯ ВЕЛИКИХ ОТКРЫТИЙ

XII. ВРЕМЯ ВЕЛИКИХ ОТКРЫТИЙ

Зима кончалась. Уже по-весеннему чернели деревья в круглом университетском садике. В полдень мимо окон аудитории падали, сверкая на солнце, словно ртуть, еще редкие мартовские капли…

Ночь медленно таяла. Дни становились длиннее. В восемь часов вечера все еще видны, все еще нежно золотятся за деревьями Александровского сада, за старыми стенами Кремля маковки его церквей.

Весна наступала. И у всех как-то прибавилось времени для жизни — для труда, встреч, прогулок.

А он чувствовал: времени становится меньше и меньше.

Внешне жизнь его идет обычно, полная повседневных занятий и хлопот. Лекции, лабораторные занятия со студентами. Составляются заказы, подписываются счета: лаборатории нужны новые столы, шкафы, приборы. Пишутся ответы на многочисленные письма из провинции, из-за границы, письма и друзей, и учеников, и людей совсем незнакомых. Все идет, как всегда.

Но окружающие видят — профессор стал иным. Нередко посреди лекции он — всегда воплощение ясности, размеренности, последовательности — вдруг начинает терять нить беседы. Обрывает речь на полуслове. И, умолкнув и задумавшись, словно забыв обо всем, долго смотрит куда-то.

Видит что-то свое, никому незримое. Молчит профессор. И тихо в аудитории, никто не решается прервать его размышлений. Очнувшись, он торопливо снова продолжает лекцию.

Нет, Столетов не тот. Рассеянно слушает собеседников и уже не так аккуратно отвечает на письма. Пропускает собрания Общества любителей естествознания. И уже не видна его негнущаяся статная фигура на дорожках Петровского парка — любимого места вечерних прогулок.

Весь день только и ждет он, сгорая от нетерпения, прихода вечера, чтобы скорее уйти в крошечную комнату при физическом кабинете. Он выбрал ее для своих занятий, не желая стеснять студентов в учебной физической лаборатории.

В этой комнатке Столетов вместе с Усагиным проводит вечера, а порой и ночи. Здесь началась его новая схватка с природой за обладание одной из удивительнейших ее тайн, схватка, которой увлечен не менее профессора и его верный помощник.

* * *

Большой цинковый лист начищен до блеска. Лист укреплен на стеклянной ножке: он изолирован. От листа тянется проволока к шарику электроскопа. Недалеко от стола стучит бензиновый моторчик, крутит динамомашину. Напротив листа — проекционный фонарь. В нем пылает Электрическая дуга Василия Петрова. Сколько раз она уже служила русским ученым! Усагин энергичными движениями натирает янтарную палочку куском шерсти. Подносит наэлектризованную палочку к листу. Ее заряд растекается по цинку. Цинк зарядился. Зарядился и электроскоп. Его листочки распахнулись, как крылья.

Профессор сам отдергивает заслонку фонаря. Вырывается струя ослепительного света. Бьет в диск, и тотчас же происходит чудесное.

Листочки электроскопа бессильно опадают. Цинковый лист терял бы свой заряд часами: ведь воздух — дурной проводник. Свет же заставил его разрядиться почти мгновенно.

Взаимодействие электричества и света загадочно. Оно-то и влечет к себе ученого. Столетов уже успел узнать многое о нем, больше всех физиков мира. Он уже непререкаемо установил, что не на всякий электрический заряд действует свет.

Когда Иван Филиппович касается цинка заряженной стеклянной палочкой, раскрывшиеся листочки электроскопа и не думают складываться, хотя свет по-прежнему бьет в зеркальную поверхность листа. Только отрицательное, «смоляное», как тогда еще говорили, электричество «смывают» с цинка световые лучи. На положительное же, «стеклянное», электричество свет не действует. Этого, например, не знает физик Гальвакс, также уже ставящий опыты с электричеством и светом. Гальвакс пытается даже утверждать, что и положительно наэлектризованные тела свет разряжает.

Это сообщение Гальвакса удивляло Столетова и рождало законные сомнения в тщательности экспериментов ученого.

Знает также Столетов и то, что действие света в сильной степени зависит от состояния поверхности освещаемого листа и от того, из какого материала сделан лист.

Из всех материалов, имевшихся у Столетова, для опытов лучше всего годится цинк, и чтобы эффект был сильным, цинк надо начистить до зеркального блеска.

Уже несколько вечеров подряд, неотступно, почти самозабвенно изучает Столетов новое явление.

Казалось бы — что! Наблюдать, как спадают листочки электроскопа! Но ученый взволнован. Он чувствует, что в этом эффекте, где столкнулись две стихии — света и электричества, — таится что-то, что может распахнуть новые горизонты перед наукой, а — кто знает, — может быть, и перед техникой!

Сколько раз новое, великое, начиналось незаметно, скромно. Зачастую, из повседневного, из игрушек, из забавного вырастало оно.

Крышка, пляшущая на кипящем котелке. Легкая пушинка, взлетающая к натертому янтарю… Вздрагивание магнитной стрелки, висящей над проводом, по которому пошел ток… Рождение еле-еле уловимого тока в мотке проволоки, который быстро сдернули с магнита…

Кто мог угадать за всем этим могучие паровые машины и огромный мир электротехники с ее электромагнитами, моторами, динамомашинами, лампами…

Но именно те незаметные и робкие проявления новых сил были первыми шагами будущих гигантов — пара и электричества.

И Столетов знал еще, что самое интересное рождалось всегда там, где скрещивались, взаимодействовали, превращались друг в друга существовавшие доселе обособленно стихии.

Тепло и механическая работа… Электричество и химия… Электричество и магнетизм…

Вот на этих-то скрещениях и родились паровая машина, гальванические элементы, электромоторы и динамомашины.

Столетов стоит сейчас тоже на перекрестке — света и электричества…

Он не может, не имеет права пройти мимо нового явления, удовлетворившись одной только констатацией факта. Он ученый, он должен постигнуть законы, управляющие взаимодействием света и электричества.

Нужны измерения, нужно проверить все числом. Опыт с цинковым листом не позволяет этого сделать. Нельзя проследить судьбу заряда, сообщаемого цинку — путей, по которым заряд уходит с листа. К тому же отекание заряда очень быстротечно. Неудобно и то, что лист цинка приходится заряжать сильно, до высокого потенциала.

При высоком потенциале электричество само начинает стекать с заряженных предметов. Трудно узнать, какая часть стекла сама собой, а какую заставил уйти свет. Нет и подходящих приборов, с которыми можно было бы уверенно, с достаточной точностью работать при высоком потенциале заряда.

И Столетов задумывает коренным образом видоизменить опыт: сделать эффект длительным и протекающим при слабом потенциале. Ведь для работы с такими потенциалами есть простые, чувствительнейшие гальванометры.

Ток! Вот что может порождать свет. Ведь происходит же отекание зарядов с листа цинка, только этот заряд уходит по всевозможным направлениям.

Но как сделать отекание зарядов непрерывным и направленным? Как? Вот об этом-то и думает профессор. И решение созревает.

Стекающие с цинка заряды надо заставить двигаться в определенном направлении. Сделать это может положительно заряженный электрод. Если его поставить перед цинковым листом, он будет притягивать заряды, покидающие цинк.

Но он заслонит собой цинковый лист. А ведь это недопустимо: надо, чтоб цинк был освещен.

Значит, электрод надо сделать из металлической сетки.

Половина задачи решена: заряды будут направлены!

А непрерывность движения заряда? Как пополнять убыль зарядов на цинке, как, наконец, зарядить сетку положительно?

Оба эти вопроса Столетов решает разом: надо к цинку и сетке подключить гальваническую батарею. Отрицательным полюсом — к цинку, положительным — к сетке. Вот и все. Все для того, чтобы начать новое наступление.

Все задумано как будто бы верно. Теперь нужно аккуратно и четко вычертить на бумаге, воплотить в прибор все то, что увидел он своим воображением.

И Иван Филиппович снова из лаборатории переселяется в мастерскую.

Оба сгорают от нетерпения. Но они знают: поспешность вредна. Все должно быть сделано добротно, на совесть, чтобы опыту можно было верить.

И только Столетов понимает: как же трудно Ивану Филипповичу тщательно обрабатывать каждую деталь будущей установки, когда все в нем говорит: скорей, скорей!

Близок конец нетерпеливому ожиданию. Для опыта все готово.

Вот как впоследствии в сообщении об опыте описал установку сам Столетов:

«Два металлические диска («арматуры», «электроды») были установлены вертикально и друг другу параллельно перед электрическим фонарем. Один из дисков, ближайший к фонарю, сделан из тонкой металлической сетки (встречаемой в продаже), латунной или железной, иногда гальванопластически покрытой другим металлом, которая была натянута в круглом кольце; другой диск — сплошной (металлическая пластинка).

Диски соединены между собой проволокой, в которую введены гальваническая батарея и чувствительный астатический гальванометр…

Таким образом, мои два диска представляли род воздушного конденсатора, заряжаемого сравнительно невысокой электродвижущей силой. Благодаря свойству передней, сетчатой арматуры, задняя арматура могла быть освещаема лучами вольтовой дуги с внутренней стороны, то-есть с той, где преимущественно накопляется электрический заряд. Другая арматура (сетка) освещалась лишь с невыгодной (слабо заряженной) стороны прямыми лучами, с внутренней же стороны — лишь отраженными от сплошного диска. Такая комбинация казалась мне наиболее удобной, чтобы обнаружить разряжающее действие лучей, что и оправдалось вполне…

Этот «сетчатый конденсатор» составляет главную и существенную принадлежность почти всех моих опытов.

…Я назвал пару дисков конденсатором. Мы можем, с другой стороны, назвать их парой электродов, погруженных в воздух, который, при известных условиях освещения, должен был обнаружить действительную или кажущуюся электропроводность — пропускать электрический ток, как бы замыкая собой «цепь» (разорванную этим воздушным слоем, пока нет действия лучей). В последующем я называю мои диски то арматурами, то электродами».

Так проста была эта установка. Из каких обычных, почти заурядных частей состояла эта установка, предназначенная для изучения такого необычного, почти чудесного явления!

Несколько дней Столетов и Усагин подбирали гальванометры, регулировали, налаживали приборы. Наступило 26 февраля (9 марта) 1888 года, день, ставший одним из знаменательнейших дней в истории науки.

Как и все эти вечера, они вышли из университетского корпуса, пересекли круглый садик, прошли мимо сидевших там студентов, курсисток и вошли к себе в лабораторию.

Торопливо сняв шубы, молча они спешат к столу. На нем уже все с утра приготовлено Усагиным.

Иван Филиппович зажигает осветительную лампу зеркального гальванометра. Зеркальце его отбрасывает «зайчик» на середину длинной шкалы. Подключает батарею к электродам. В эту же цепь включает он и гальванометр.

«Зайчик» стоит на месте. Так и должно быть. Цепь разомкнута воздушным промежутком между дисками, электрическим зарядам не перескочить через него. Тока в цепи нет.

Усагин заводит двигатель. Вспыхивает дуга в фонаре. Но свет еще заперт в нем — заслонка опущена. Наступило мгновение, которого они столько дней ждали.

И снова, в который уже раз, Иван Филиппович сделал шаг в сторону, уступил место Александру Григорьевичу.

Столетов взялся за заслонку фонаря, и оба исследователя впились глазами в шкалу гальванометра.

Заслонка поднята. Свет, томившийся взаперти, вырвался, ударил сквозь сетку в диск, и тотчас же «зайчик» метнулся по шкале. Дошел до самого края. Снова пошел назад. Опять вперед. Покачался и замер далеко от середины шкалы, далеко от нулевого деления.

Ток шел.

Он шел, невзирая на воздушную пропасть, разделявшую электроды. Он шел, — в этом не было сомнения, — этот необыкновенный ток, порожденный светом.

Как зачарованные, стояли друзья, освещенные чуть вздрагивающими синеватыми отсветами дуги в комнате, населенной тенями, ломающимися на столах и подоконниках.

Тени дрожали. Потрескивала дуга, и блики перемещались. И маленький желтенький «зайчик» лампы гальванометра, «зайчик», возвестивший победу, выглядел скромно и неприметно в этом пиршестве света и теней.

Свет бился в окна, выплескивался во двор, обдавал голубым черные сучья и распластывался на старых стенах университета.

Из лаборатории лился свет. Видели свет студенты, прохожие, служители…

И всем было невдомек, что перед ними — заря. Заря рассвета, заря новой эпохи в науке.

* * *

Все произошло так, как думал Столетов. Свет дуги сбивал заряды с цинка. Электрод-сетка ловил их, и в цепи через батарею, гальванометр, воздушный промежуток текли и текли заряды. Шел ток, шел непрерывно. Его величину уверенно отмечал чувствительный гальванометр.

Явление взаимодействия электричества и света предстало перед ученым обнаженным, ясным, отчетливым. Он твердо стал на скрещении двух сил. После 26 февраля работа закипела еще более напряженно. Много, так много вопросов надо было задать природе!

Нужно узнать: как зависит сила тока от силы света? Нужно еще раз проверить, не может ли итти ток в обратном направлении, не родится ли ток при освещении положительного электрода. Нужно узнать, все ли лучи, независимо от длины их волны, способны вызвать эффект рождения тока. Что будет происходить, если менять напряжение тока, добавить в цепь несколько батарей? Как влияет материал электрода? Что будет, если взять не цинк, а латунь, алюминий, никель? Хочется узнать и то, как скоро возникает ток. Нет ли у электродов своеобразной инерции? Как сказывается расстояние между ними?

Вопросам нет конца…

Задумав серию опытов, Столетов прежде всего принимается за усовершенствование установки.

Большие хлопоты исследователю доставляло неравномерное горение дуги.

Дуга потрескивала: то тускнела, то становилась ярче. Добиться постоянного, равномерного горения ее было невозможно. Для устранения ошибок, рождаемых капризами дуги, Столетов разрабатывает способы контроля. Чтобы измерить отклонение гальванометра, он многократно повторяет опыт и вычисляет некое среднее положение «зайчика». Он пробует пережидать особенно резкие скачки «зайчика», иногда он даже предпочитает уменьшить чувствительность гальванометра, чтобы на нем не так сильно сказывалась неравномерность освещения.

Но этих предосторожностей оказалось мало для особенно тонких опытов. И Столетов находит способ полностью исключить ошибки, рождаемые неравномерным горением дуги.

Он замечательно остроумно и просто делает это. В том же пучке света он ставит еще одну пару электродов — контрольную. Ее обслуживает отдельный гальванометр.

Контрольная пара электродов — это небольшой крестообразный конденсатор. Маленьким Столетов сделал его для того, чтобы он не сильно затмевал главные электроды.

Контрольный конденсатор работал всегда в неизменных условиях. Расстояние между сетчатым и сплошным электродом никогда не менялось. Не менялось и напряжение между электродами.

Показания контрольного гальванометра могли меняться только вследствие колебаний силы света дуги. Следя за показаниями этого гальванометра, можно было учесть неравномерность в горении дуги и внести соответствующие поправки в показания главного гальванометра. Для внесения поправок нужно было только знать соотношение между действием света на оба конденсатора. Это соотношение можно было вычислить, сравнив положения «зайчиков» на шкалах в один и тот же момент.

Несколько опытов Столетов и Усагин посвятили проверке своего способа контроля. Оба конденсатора — и главный и контрольный — во время этих предварительных опытов они оставляли неизменными.

Экспериментаторы разделили обязанности между собой: профессор следил за шкалой одного гальванометра, его помощник — за другой.

Проверка происходила так:

Зажгли дугу. «Зайчики» на обеих шкалах метнулись и, поколебавшись, замерли. Их показания записали и, разделив показание контрольного гальванометра на показание главного, нашли отношение между отсчетами.

Так было сделано несколько раз, и экспериментаторы, чтобы исключить все погрешности наблюдения, нашли среднее отношение показаний двух гальванометров. Оно оказалось равным 2,239.

Затем, нарочито изменив яркость дуги, они провели новую серию наблюдений. Как и прежде, показания гальванометров записывались.

Закончив наблюдения, исследователи приступили к расчетам. Деля показания контрольного гальванометра на полученное прежде число 2,239, они вычислили, какими должны быть показания главного гальванометра. А потом сравнили эти вычисленные значения с теми, что они нашли, наблюдая за «зайчиком» главного гальванометра.

Достаточно близкое совпадение предварительных вычислений и действительных показаний главного гальванометра убедило экспериментаторов в надежности способа контроля, изобретенного Столетовым.

«Точное измерение актино[21]-электрических токов, — писал Столетов, назвавший так открытые им чудесные токи, — не есть нечто невозможное. Принятый способ контроля достаточно гарантирует от неизбежных случайных влияний».

Никаких ошибок, никаких случайностей — было девизом великого ученого.

Исследуя новое явление, Столетов стремится предупредить самую возможность появления ошибок.

Экспериментатор обнаруживает и такой скрытый источник ошибок, как «утомление» металла. Столетов замечает, что металл при длительном освещении как бы «утомляется», теряет мало-помалу свою чувствительность к действию света. «Утомление» металла он также берет на учет.

«Нужно, однако же, заметить, — пишет Столетов, — что пропорциональность между действиями в двух различных конденсаторах соблюдается лишь под тем условием, чтобы ряд наблюдений продолжался не слишком долго; иначе оба они заметно, и притом в различной мере, утомляются, причем ближайший к фонарю (контрольный) обыкновенно утомляется в более сильной степени; вследствие этого отношение показаний двух гальванометров исподволь изменяется и должно быть проверяемо время от времени.

Понятно, что такой контроль делает наблюдения значительно более сложными и хлопотливыми, а потому он применялся лишь в тех случаях, когда казалось особенно важным иметь более точные числа».

Опыты были очищены от всех случайностей. Иначе и не мог поступить Столетов — ученый, которому претила даже малейшая неточность, неуверенность, гадательность. Таким он был всегда. Теперь же, познавая родство двух тончайших материй — света и электричества, он считал себя обязанным быть еще более строгим и придирчивым.

Эти опыты Столетова — образец научной добросовестности и блестящего экспериментаторского искусства.

Исследований было много.

Еще раз с полной неопровержимостью Столетов доказывает, что только отрицательный электрод чувствителен к свету.

Он меняет полюса батареи. Теперь сетка заряжена отрицательно, цинковый диск — положительно.

Правда, и в этом случае в цепи идет ток, хотя и очень слабенький. Казалось бы, опыт говорил о чувствительности положительного электрода к свету. Но Столетова такой результат не ввел в заблуждение. Он понял, что ток и в этом случае рождается все-таки от освещения отрицательного электрода. Теперь им служит сетка. Она освещена невыгодно, прямые лучи падают лишь на наружную сторону, противоположную притягивающему положительному электроду. Внутренняя же, обращенная к этому электроду сторона сетки освещена только отраженными от цинка лучами. Площадь сетки к тому же мала. Но тем не менее причины для возникновения тока есть. И ток идет, хотя и очень маленький.

Столетов убедительно показывает, что причина рождения обратного тока скрыта в сетке, а отнюдь не в цинке, ставшем положительным электродом.

Если сетка загрязнена, окислена или покрыта водной пленкой, обратного тока нет. Прямой же ток, когда отрицателен цинк, а сетка соединена с положительным полюсом батареи, совершенно не меняется, несмотря на загрязненность сетки.

Столетов окончательно убежден в неправоте Гальвакса и вторящего ему итальянского физика Риги и в очередном своем сообщении еще раз подчеркивает «униполярность актино-электрических действий» — нечувствительность положительною электрода к свету.

Риги отозвался на это весьма странно. Он опубликовал статью, в которой поздравлял Столетова с тем, что наконец-то русский ученый присоединился к его, Риги, мнению.

Между тем Риги совсем еще недавно писал о полном своем согласии со Столетовым во всем, исключая именно униполярность актино-электрических действий.

С законным возмущением Столетов ответил на заявление итальянца:

«Меня крайне изумило… что г. Риги — впоследствии переменивший свое мнение и пытающийся, повидимому, внушить, что он и всегда думал так, как теперь, — в одной из своих последних статей позволяет себе совершенно извратить истину, утверждая, будто не он, а я сомневался в нечувствительности положительного электрода. Более бесцеремонного способа сваливать свои грехи на чужую голову мне никогда еще не встречалось».

Инцидент с Риги не был единичным. Немало ученых Запада, тоже занявшись исследованиями взаимодействия электричества и света, были непрочь, подобно Риги, приписать себе заслуги Столетова — ученого, возглавлявшего завоевание одного из белых пятен науки.

Тот же Риги, которого Столетов похвалил за некоторые опыты, стал утверждать, извращая истину, что русский ученый сам признал его, Риги, приоритет в исследованиях актино-электрических явлений — фотоэлектрических явлений, фотоэффекта, как говорим мы теперь.

Столетов дал отповедь итальянскому физику, так недобросовестно обращавшемуся с фактами.

Столетов не мог пройти мимо попыток исказить истину, отнять у русской науки то, что ей принадлежало по праву.

А опыты шли и шли. То немногое время, которое оставалось у него от лекций, хозяйственных дел по лаборатории, составления сообщений о проделанных исследованиях, он целиком посвящал работе в лаборатории.

Жизнь шла напряженно и радостно. Снова, точно помолодев, он часами готов был сидеть у своих приборов в этой глубокой беседе с природой. За короткое время была проведена громадная работа, сделан ряд крупных успехов. Он заставил природу ответить на все вопросы, которые ей задал.

Влияет ли размер электродов на величину тока?

Да, влияет, сказали Столетову опыты. Во сколько раз он увеличивает электроды, во столько же раз растет и сила тока.

Множество опытов Столетов посвящает исследованию зависимости действия света от его состава.

Непрозрачный экран — экран из металла, дерева, картона, — поставленный на пути луча, мгновенно прекращает ток в цепи. «Зайчик» гальванометра возвращается на середину шкалы.

Но вот удивительный факт.

Прекращает ток и поставленная перед фонарем тонкая стеклянная пластинка. Диск попрежнему освещен, но тока теперь нет.

Исследователь берет кварцевую пластинку. Ток, ослабевает, но не прекращается Берет ледяные пластинки, пропускает свет через водяную пленку… И опять в цепи течет слегка ослабленный ток. В чем же дело? Очевидно, не все лучи, содержащиеся в свете дуги, действуют на диск. Стекло, вероятно, поглощает какую-то деятельную часть лучей электрической дуги, которую кварц, вода и лед поглощают только отчасти.

Проделав множество опытов с различными веществами, сопоставив результаты всех измерений, исследователь приходит к убеждению, что ток порождается невидимыми ультрафиолетовыми лучами, с длиной волны меньшей, чем у видимого света.

Стекло не пропускает ультрафиолетовых лучей. Они сильно поглощаются и атмосферой; до поверхности Земли их доходит мало. Значит, солнечный свет, более яркий, чем свет дуги, не должен действовать на конденсатор, решает Столетов.

И вот в один из погожих солнечных дней Иван Филиппович Усагин вынес на балкон конденсатор, провода от которого тянулись в глубь комнаты.

Мощный солнечный свет бил в начищенный цинк, но «зайчик» гальванометра не шелохнулся.

А ведь электрическая дуга загоняла «зайчик» на 640-е деление шкалы!

Догадка ученого о том, что действенными лучами являются лучи ультрафиолетовые, сменилась твердой убежденностью. Удивительную особенность взаимодействия света и заряженного тела обнаружил Столетов.

Для того чтобы возник фототок, недостаточно того, чтобы световое излучение было сильным. Даже очень яркий свет, но содержащий лучи с длинами волн большими, чем некоторая предельная длина, не породит фототока. И, напротив, слабое излучение, но богатое коротковолновыми лучами, способно вызвать фотоэффект. В спектре волн существует как бы порог, лишь переступив через него, можно вызвать фотоэффект.

Столетов держит друзей и соратников в курсе своих опытов. Уже 5 апреля 1888 года ученый на открытом заседании физического отделения Общества любителей естествознания делает сообщение «Действие лучей на электрические разряды», подробно рассказывая слушателям о всех перипетиях своих исследований.

Опыты следуют за опытами.

С интересом выясняет Столетов, как зависит фотоэффект от материала, из которого сделаны электроды.

Рядом опытов он подтверждает свою мысль, что чувствительность вещества конденсатора находится в прямой зависимости от того, как сильно это вещество поглощает действенные, ультрафиолетовые лучи.

Опыты эти, как и всегда у Столетова, просты и изящны.

В качестве испытуемых веществ он брал воду, водные, спиртовые и аммиачные растворы.

Каждый опыт состоял из двух стадий.

Вначале ученый испытывал жидкость как фотоэлектрод. Цинковый диск своего конденсатора он покрывал бумажным листком, пропитанным той или иной жидкостью, и определял фототок, рождаемый этим своеобразным электродом. Это давало возможность судить о фотоэлектрической чувствительности вещества.

Поглощательная способность этих жидкостей определялась на том же приборе.

Затем бумага снималась с цинкового диска, а на пути света ставилась тюлевая сетка, смоченная раствором той же самой жидкости.

Чем больше лучей застревало в жидкости, нанесенной на тюль, тем меньше их достигало цинкового диска и тем более слабый фототок возникал в цепи.

Так определял Столетов поглощательную способность жидкости.

Сравнение результатов, полученных для разных жидкостей, показало ему: он прав. Чем сильнее жидкость поглощала лучи, тем она была чувствительнее.

Эти опыты дали ему возможность сделать особенно чувствительные к свету электроды. Он нашел, что металлы, покрытые анилиновыми красками, своей чувствительностью превосходят все металлы, даже только что начищенные.

Исследуя чистые металлы — алюминий, никель, медь, серебро, ученый не установил больших различий в их чувствительности. Важно было только, заметил ученый, чтобы поверхность металла была гладка и хорошо очищена.

Ученый исследовал и такую тонкую особенность, как утомляемость металлических электродов. Он заметил, что «вычищенный круг быстрее утомляется, особенно под действием лучей, то-есть быстрее теряет чувствительность». «Поэтому при опытах, требующих постоянства эффекта, — писал Столетов, — я предпочитаю не употреблять только что чищенного диска, а делать чистку за несколько часов, еще лучше накануне».

Изучение чувствительности металлов было закончено. Можно было двигаться вперед.

Но в это время в печати появилась статья немецкого физика Гоора. Гоор утверждал, что фотоэлектрическое действие «следует приписать исключительно слоям газа, адсорбированного металлическими поверхностями». Если удалить эти прилипшие к металлу слои, продолжал немецкий физик, то металл потеряет чувствительность к свету.

Гоор сообщал, что, удаляя прилипшие к металлу молекулы воздуха нагреванием электрода до 55°, он добился сильного понижения его чувствительности.

Столетов, внимательно следивший за всем, что касалось фотоэффекта, заинтересовался статьей Гоора. Русский ученый решил опытом проверить его утверждения.

То, что действие света на воздушный слой, заключенный между пластинами электродов, не есть причина возникновения фототока, Столетов уже знал. Это хорошо доказывалось опытом: если бросать свет сбоку, так, чтобы лучи освещали лишь воздушный промежуток между пластинами, не задевая самих пластин, никакого фототока не возникает.

Установлено было совершенно точно: для того чтобы возник ток, лучи должны освещать именно пластинку.

Гоор не отрицал этого. Он спорил только о том, что же играет главную роль в фотоэффекте: металл или прилипшие к нему адсорбированные молекулы воздуха? Немецкий физик оставлял металлу скромную роль носителя этих воздушных молекул, а их объявлял первопричиной фотоэффекта.

Столетов начал опыты с нагретыми электродами. Он доводил их температуру до 100°. Вопреки Гоору, чувствительность их не только не падала, но росла.

«Но при нагревании, — наставительно писал Александр Григорьевич в своем ответе Гоору, — необходимо соблюсти чистоту металлической поверхности; если, например, — не без язвительности замечал Столетов, — греть на газовой горелке с передней стороны (то-есть с той, которая будет обращена к лучам), то ослабление произойдет, но оно объясняется налетом, оседающим из пламени».

Опровергнув Гоора, Столетов установил еще одну особенность фотоэффекта: его зависимость от температуры.

Чтобы исследовать эту зависимость, он сконструировал специальную установку, позволяющую нагревать весь конденсатор в условиях абсолютной чистоты до 300°. На этот раз он пользовался платиновыми электродами.

Рост силы фототока с ростом температуры был установлен неопровержимо.

«Ничего подобного тому, что утверждает Гоор, никогда не наблюдалось, — писал Столетов. — Статья Гоора по проверке оказалась по всем пунктам легкомысленной».

Русский ученый имел полное право на такой суровый приговор.

Вынужденный отойти несколько в сторону от намеченной линии исследования, Столетов теперь мог снова продолжить ее. Об этом уклонении он не жалел. Оно принесло ему новое открытие.

Теперь — вперед.

Еще в пору своей работы над контрольным конденсатором Александр Григорьевич задумался: в силу какой же именно причины существует постоянство соотношений в показаниях контрольного и главного гальванометров, соединенных с двумя совершенно различными, по-разному заряженными конденсаторами?

Глубоко раздумывая, он приходит к такой мысли: «Чтобы объяснить себе эту пропорциональность, необходимо допустить, что, при равных прочих условиях, действие (сила тока) пропорционально напряженности освещения или, лучше сказать, количеству активных лучей». Это была рабочая гипотеза.

Чтобы она стала теорией, нужен опыт — великий, неподкупный судья всякого теоретического построения. Придумать, как проверить на опыте догадку о пропорциональности между силой света и силой фототока, было совсем не просто.

Следовало один и тот же конденсатор освещать по-разному: то сильнее, то слабее. Силу света при этом нужно было изменять точно в заданном отношении. В результате долгих размышлений Столетов сумел сконструировать изящное и простое устройство, позволяющее точно управлять силой света.

На пути луча он поставил большой картонный круг с семью окошечками, расположенными по окружности.

Площадь всех окошек и промежутков между ними была одинаковой. Диск мог вращаться.

В начале опыта диск стоял неподвижно. Свет через окошко падал на конденсатор.

Показания гальванометра, соответствующие этой максимальной силе света, записывались.

Затем диск приводился в быстрое вращение. При каждом обороте луч света семь раз прерывался и семь раз пропускался. В среднем пластины конденсатора достигала только половина лучей, бросаемых фонарем. Таким образом, сила света фонаря была точнейшим образом уменьшена вдвое.

Это сразу почувствовал «зайчик» гальванометра. Когда диск завращался, «зайчик» стронулся и остановился на полпути к нулевому делению. Ток в цепи уменьшился вдвое, то-есть ровно во столько же, во сколько уменьшилась сила света.

«Значит, действительно, — удовлетворенно записал Столетов, — эффект пропорционален энергии активных лучей». Так скупыми словами сформулировал исследователь важнейший закон фотоэффекта.

Зависимость силы фотоэффекта от света проявляется и в другом опыте. Ученый меняет теперь не яркость луча, а величину освещаемой площади. Он ставит перед конденсатором непрозрачные экраны. Он оставляет освещенной половину диска, четверть его, восьмую часть…

И ток в гальванометре послушно уменьшается вполовину, вчетверо, в восемь раз.

Опыт с прерывистым лучом позволил установить основной закон явления. Но мысль исследователя стремится дальше. Опыт натолкнул его на новые искания.

Столетов убедился: свет действует на металл быстро. Ведь при вращении диска конденсатор озарялся короткими вспышками. При наибольшей скорости вращения каждая вспышка длилась не более одной стопятидесятой доли секунды.

Но сказать, что свет действует на металл быстро, — это еще не ответ. Насколько именно быстро реагирует металл на свет? Возможно, что конденсатор мгновенно отзывается на свет рождением тока с силой, соответствующей силе этого света. Если это так, то ток в цепи состоит из отдельных электрических толчков, мгновенно возникающих в момент освещения и исчезающих тотчас же, как оно окончилось.

Но, возможно, все происходит по-иному. Может быть, конденсатор обладает своеобразной инерцией? В начале освещения он как бы «раскачивается», сила тока в цепи, вырастая постепенно, лишь через некоторое, хотя бы и очень короткое, время достигает своего наибольшего значения. Когда же наступает затемнение электродов, ток исчезает не сразу, сила его пропадает постепенно. Если все это так, может статься, что и прерывистый свет породит ток непрерывный, не прекращающийся ни на миг, только слегка пульсирующий.

Где же истина? Что происходит в действительности?

Прежний опыт с вращением диска — Столетову ясно — эту дилемму решить не может. На пути стоит инерция гальванометра: какой бы ток ни шел в цепи — пульсирующий или прерывистый, — «зайчик» гальванометра будет показывать некоторое среднее значение: ведь подвижная рамка гальванометра не сможет угнаться за быстрыми изменениями тока.

Инерция присуща всем приборам, снабженным механическим указателем, — значит, непосредственно исследовать no-ведение фототока ни одним из них нельзя.

Такого же безинерционного индикатора, как катодный осциллограф, в котором указателем служит пучок летящих электронов, мгновенно отзывающийся на изменения в электрической цепи, во времена Столетова не было. Тогда еще не был открыт и сам электрон.

Но Столетов не стал в тупик, гениальный экспериментатор сумел так поставить опыт, придумать такое устройство, что даже неповоротливый гальванометр оказался способным принять участие в этой погоне за сверхъестественно быстрым явлением.

Главной частью новой установки попрежнему служил диск с прорезанными в нем окошками — секторами. Но теперь с этим диском был скреплен коммутатор: эбонитовый кружок с восемью металлическими накладками по окружности. Коммутатора касались три металлические кисточки. Две из них соединялись с отрицательным полюсом батареи, одна непосредственно, другая через гальванометр. Они были расположены так, что когда одна из них касалась металлической накладки, другая находилась в промежутке между накладками.

Третья кисточка скользила по кольцу, соединенному со всеми накладками коммутатора. Провод от нее тянулся к цинковому диску конденсатора.

Сетка, как и всегда, была соединена с положительным полюсом батареи.

При вращении коммутатора первые две кисточки попеременно то включали гальванометр в цепь, то пропускали ток по проводу мимо него.

Повернув нужным образом коммутатор относительно картонного диска, экспериментатор мог обеспечить такие включения гальванометра, чтобы он измерял ток от момента, когда электрод затемнен наполовину и освещенная часть его убывает, до момента, когда он тоже открыт лучам наполовину, но его освещенная часть растет.

Можно было установить коммутатор и так, чтобы ток измерялся в промежутке между «полнолунием» электрода до момента полного его затемнения и т. д.

Во всех этих случаях гальванометр в силу инерции будет показывать среднее значение силы тока за измеряемый промежуток времени.

Но теоретические расчеты говорили, что эти средние значения должны быть разными, в зависимости от того, какой ток течет в цепи: прерывистый или пульсирующий.

Если в цепи при освещении конденсатора возникает пульсирующий ток, то-есть конденсатор обладает некоторой инерцией, то показания гальванометра должны сначала расти, потом уменьшаться и снова расти по мере увеличения скорости вращения.

Если же идет ток прерывистый, то скорость вращения никак не должна сказаться на показаниях гальванометра. Они определятся только относительным смещением щеток коммутатора и диска.

Первые опыты показали Столетову, что «запаздывание» тока как будто имеется. Но он не принял на веру первых данных. От его внимательного глаза не ускользнули «побочные» влияния, исказившие результат опыта. Дело в том, что быстро крутящийся диск коммутатора и кисточки, трущиеся о него, — все это вместе представляло собой род электростатической машины — коммутатор сам становился источником токов. Правда, очень маленьких, слабых, но ведь и ток, рождаемый светом, тоже был мал и слаб.

Ток коммутатора искажал картину опыта.

Ученый постарался уменьшить вредное действие коммутатора, смазывая его диск маслом. Но все же полностью исключить его не удалось.

Тогда экспериментатор стал отдельно измерять силу тока, порождаемого коммутатором, и вводить соответствующие поправки в расчеты.

Не забыл он и такой, казалось бы, мелочный фактор — ветер, рождаемый крутящимся диском, способный исказить пламя электрической дуги. Он отгородил от фонаря этот своеобразный вентилятор пластинкой из селенита, прозрачной для ультрафиолетовых лучей.

Так исключительный талант экспериментатора позволил русскому ученому преодолеть все препятствия, очистить опыт от всяких посторонних влияний.

И вот, наконец, наступил день, после которого Столетов с полным правом мог записать;

«Тщательно принимая в расчет источники ошибок, я пришел к заключению, что, помимо их, никакого заметного влияния скорости на величину тока в гальванометре не замечается и что запаздывание тока, если оно и есть, не превышает 1/1000 доли секунды. То-есть, практически говоря, ток появляется и исчезает одновременно с освещением, и, следовательно, при прерывистом освещении ток — также прерывистый, с тем же периодом».

Он был глубоко прав.

Современные нам исследования с применением новейшей измерительной техники показывают, что если и есть запаздывание, то оно, во всяком случае, меньше одной десятимиллиардной секунды. Свет рождает фототок практически мгновенно.

Прошли всего лишь месяцы после памятного дня 26 февраля. Уже близились вакации. Уже лучи электрической дуги, вырываясь из окна, трепетали не на голых сучьях мартовских деревьев, а на клейкой зелени мая. Не раз уже, засидевшись за опытами, видел Столетов с Иваном Филипповичем: золотом начинает лосниться орел на Троицкой башне, и медленно спускается свет по шатру ее — всходит солнце.

Сколько позади выигранных сражений!

Но кампания еще не кончена.

Столетов ставит новые опыты.

Как зависит сила фототока от расстояния между электродами? Как влияет на нее электродвижущая сила батарей? Эти вопросы волнуют теперь исследователя.

Усагин начинает делать конденсатор, в котором сетка могла бы передвигаться. Чтобы эти перемещения сетки можно было точно измерить, конденсатор снабжается шкалой.

Экспериментаторы устанавливают сетку на определенном расстоянии.

Затем начинают менять электродвижущую силу батареи.

Включают один элемент, два, три…

Батарея вырастает до ста элементов. Все показания гальванометра записываются. Растут колонки цифр. Они говорят: чем больше элементов включено в цепь, тем более сильный ток течет по цепи.

Затем сетка устанавливается на другом расстоянии. Повторяется серия таких же измерений.

Цифры говорят: при малых напряжениях и небольшом расстоянии между пластинами ток растет соответственно с ростом напряжения. Воздушный слой ведет себя так же, как обычный проводник: явление подчиняется закону Ома.

Но чем больше растет напряжение, тем медленнее растет сила тока — воздушный слой как бы все сильнее сопротивляется прохождению тока. Наконец наступает такой момент, когда сила тока перестает расти, несмотря на то, что напряжение продолжает увеличиваться. Наступает как бы некое «насыщение».

На графике, изображающем результаты опыта, из начала координат выходит наклонная прямая линия Но дальше она начинает загибаться и становится более пологой.

Чем меньше расстояние между сеткой и пластинкой цинка, тем раньше происходит это искривление и тем больших значений достигает сила тока при той же электродвижущей силе. На графике у Столетова кривые вырисовали фигуру, подобную изогнутому кометному хвосту.

При увеличении числа элементов в батарее ток растет и растет, стремясь к некоторому насыщению.

Титульный лист книги Столетова «Актино-электрические исследования».

Вспоминая свои прошлые опыты, Столетов писал: «Общий вид кривой… невольно напоминает те кривые, какими изображается временный магнитный момент длинного железного стержня или кольца в зависимости от намагничивающей силы: тот же быстрый рост функции при малых величинах аргумента, тот же перегиб кривой, то же стремление к насыщению».

Очень сложна зависимость между током и напряжением в фотоэлектрической цепи. Закон Ома в целом к ней неприменим. Сопротивление воздушного слоя непостоянно, оно меняется каким-то сложным образом.

Но Столетов не только экспериментатор — он и великолепный теоретик.

Зоркий ум его замечает и здесь, в этом сложном явлении, простую и ясную зависимость.

Исследуя протоколы наблюдений и графики, он подмечает любопытное обстоятельство: если одновременно изменить вдвое и расстояние между пластинками и напряжение батареи, ток не изменится.

Такая зависимость дает ученому право утверждать, что в фотоэффекте сила тока определяется величиной отношения электродвижущей силы к расстоянию между пластинами. А это отношение характеризует не что иное, как плотность электрического заряда на обкладках конденсатора.

«Если, — говорит Столетов, — построить график зависимости силы тока от плотности заряда, то полученная кривая будет как бы групповым портретом множества кривых прежнего графика».

Кривые, снятые Столетовым, показывающие зависимость силы фототока от величины электрического напряжения.

Разгадана еще одна тайна фотоэффекта. Цепь открытий проходит через руки русского ученого звено за звеном.

Цепь не обрывается. Одно звено тянет за собой другое.

Так и на этот раз. Устанавливая закон зависимости силы тока от напряжения батареи, он приходит к мысли: можно ли вызвать фототок, выбросив совсем батарею из установки?

И вот новый опыт. Батарея изъята из цепи.

Дуга зажжена. Никакого тока: «зайчик» гальванометра недвижим. Все говорит о том, что мысль как будто бы неверна, что без постороннего источника ток не возникнет.

Задумчиво смотрит ученый на конденсатор… И вдруг, как вспышка, его озаряет догадка. Все правильно! Природа ведет себя, как и должна. Это он, человек, ошибся. Ток и не должен итти.

Диск конденсатора сделан из цинка. Сетка — из латуни.

Что будет, если поместить цинк и латунь в электролит, в подкисленную воду? Получится гальванический элемент. В нем роль положительною электрода, роль анода, будет играть цинк.

Катодом же будет латунь. Гальванический элемент можно построить и без электролита — просто сблизив цинк и латунь. Он будет слаб, этот элемент, но и он разовьет электродвижущую силу. И, как прежде, цинк будет анодом, латунь — катодом. Латунь, как говорят физики, более электроотрицательна, чем цинк.

«Мой конденсатор, — догадывается ученый, — и есть как раз такой, в полном смысле сухой, элемент. Цинковый диск — анод, он заряжен положительно. И вот ею-то я и освещаю, я, знающий отлично нечувствительность положительного заряда к свету».

Причина неудачи первого опыта понята.

Опыт сразу же видоизменяется. На этот раз диском служит посеребренная латунь. Сетку нужно взять цинковую — из материала более электроположительного, чем серебро.

Но цинковой сетки под рукой нет. И Усагин наскоро делает подобие сетки из цинкового листа, просверлив в нем множество отверстий.

Новый конденсатор поставлен перед фонарем. Открыта заслонка, и «зайчик» пополз по шкале. Впервые свет сам, без помощи батареи, создал ток.

Огромное число открытий, сделанных всего лишь за четыре месяца, Столетов осветил в двух сообщениях. Одно из них увидело свет 16 апреля, другое — 9 июня.

Позднее Столетов в большой статье еще раз подвел итоги славной весны 1888 года.

В двенадцати ясных и лаконичных тезисах ученый объединил главные результаты своих опытов.

Вот эти двенадцать тезисов — скрижали славы русского ученого:

«1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд. Смотря по тому, пополняется ли заряд и насколько быстро, это удаление заряда может сопровождаться заметным падением потенциала или нет.

2. Это действие лучей есть строго униполярное; положительный заряд лучами не уносится.

3. По всей вероятности, кажущееся заряжение нейтральных тел лучами объясняется той же причиной.

4. Разряжающим действием обладают — если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими — лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (?<295?10^-6 м/м). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

5. Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела. Чем больше поглощение активных лучей, тем поверхность чувствительнее к их разряжающему действию.

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

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

8. Разряжающее действие ceteris paribus[22] пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряжаемую поверхность.