После открытия электрона еще не было ясно, существует ли какая-нибудь связь между этой частицей и атомом. Очевидно, что электрон — это частица электричества, а атом — частица вещества. В то время ученые допускали, что эти частицы могут существовать независимо друг от друга и не иметь внутренней структуры.
Еще в 80-е годы XIX в. С. Аррениус разработал теорию электролитической диссоциации. Центральным местом этого учения являлось представление об ионах как электрически заряженных атомах или группах атомов. Поначалу многие современники сочли это положение в теории Аррениуса абсурдным, но, как показало время, оно имеет глубокий физико-химический смысл.
Происхождение отрицательно заряженных ионов (анионов) после открытия электрона стало вполне очевидным. Если к атому хлора или к группе атомов, состоящей из атома азота и трех атомов кислорода, присоединить по одному электрону, можно получить соответственно хлорид-анион Cl и нитрат-анион NO3.
Однако как образуются положительно заряженные ионы (катионы), было еще не вполне понятно. Никаких данных о существовании аналогичной электрону частицы с положительным зарядом получить еще не удалось. Разумным было допустить, что положительный заряд может возникать в результате ухода одного или нескольких электронов из нейтрального атома. Однако эта мысль приводила к парадоксальной гипотезе, что электрон может быть частью атома, ранее считавшегося неделимым. Это допущение опровергало все привычные представления. И, тем не менее, экспериментальные факты упрямо доказывали, что такое допущение вполне вероятно.
Явление фотоэффекта было открыто в 1887 г. немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. Он экспериментировал с разрядником для излучения электромагнитных волн — парой металлических шаров. Если к этим шарам приложить разность потенциалов — между ними проскакивает искра. Г. Герц обнаружил, что электрический разряд усиливается, если один из шаров освещать ультрафиолетовыми (УФ) лучами. На основании проведенных экспериментов был установлен внешний фотоэффект.
В 1888 г. еще один немецкий ученый Вильгельм Гальвакс наблюдал, что облученная ультрафиолетовым светом металлическая пластинка заряжается положительно. Так произошло второе открытие фотоэффекта. Третьим ученым, изучавшим это явление независимо от опытов Герца и Гальвакса, был итальянец Аугусто Риги. Ему удалось обнаружить фотоэффект в металлах и диэлектриках. А. Риги сконструировал фотоэлемент — прибор, преобразующий световое излучение в электрический ток.
Четвертым ученым, независимо от других открывших фотоэффект в том же 1888 г., был российский физик Александр Григорьевич Столетов{451}.
Используя фотоэлемент собственной конструкции, Столетов два года всесторонне исследовал новое явление и вывел его основные закономерности. Он установил, что в возникновении фототока (электрического тока, возникающего под действием УФ-излучения) в цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, существенную роль играет освещение отрицательного электрода и что сила фототока пропорциональна интенсивности света. Кроме того, при фиксированной интенсивности облучения сила фототока сначала растет по мере повышения разности потенциалов, но, достигнув определенного значения (ток насыщения), уже не увеличивается.
Александр Григорьевич Столетов (1839–1896)
Было установлено, что фотоэлектрический эффект характерен для многих металлов и возможен даже при отсутствии электрического тока в них.
Этот факт дал повод предположить, что атомы металлов (а возможно, и атомы вообще) содержат электроны. Однако в обычном состоянии атомы являются электронейтральными.
В 1899 г. ученик Г. Герца Филипп Эдуард Ленард и англичанин Дж. Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из нее электроны, движение которых и приводит к появлению фототока. Однако понять природу фотоэффекта с помощью классической электродинамики так и не удалось. Необъяснимым оставался тот факт, почему фототок возникает лишь тогда, когда частота падающего света превышает строго определенную для каждого металла величину. Кроме того, Ленард высказал предположение, что атомы могут представлять собой скопление как отрицательно, так и положительно заряженных частиц. Такое предположение казалось невероятным, поскольку не был известен факт испускания атомом положительно заряженных лучей или частиц.