Способы освобождения электронов

 

Само собой разумеется, что толчки, испытываемые атомами при сильном нагреве, могут вызвать не только прыжки электронов с уровня на уровень. Достаточно энергичный толчок может выбросить электрон на такое расстояние, что притяжение ядра атома уже будет не в силах возвратить его обратно.

Электрон, выбитый из оболочки атома, перестает быть его «пленником». Электрон начинает самостоятельно странствовать. Это странствование продолжается до тех пор, пока он не попадет «в плен» к какому‑либо другому атому.

Нагревание заставляет некоторые электроны вылетать за пределы раскаленного вещества.

Еще в 1733 году ученые заметили, что воздух вблизи раскаленного металла становится проводником электричества. С этим явлением ученые сталкивались постоянно, но объяснения ему не находили. Слишком мало тогда знала наука об электричестве.

То же самое приходилось наблюдать во время опытов с катодными трубками. Раскаленный катод выбрасывает значительно больше электронов, чем холодный.

Все эти наблюдения доказывают, что нагревание заставляет электроны двигаться быстрее, а большая скорость и, следовательно, большая энергия помогает им вылетать за пределы металла. Раскаленный металл всегда окружен легким, невидимым облачком электронов.

Бегство электронов из нагретого тела получило название термоэлектронного эффекта, или термоэлектронной эмиссии. Слово эмиссия означает – выход, выпуск.

Электроны освобождаются из оболочек атомов не только при воздействии высокой температуры. Опытами Столетова доказано, что и свет освобождает электроны.

В приборе Столетова ультрафиолетовые лучи, обрушиваясь на цинковый кружок, выбивали электроны за пределы металла. Совершив воздушный полет, они «приземлялись» на сетчатом электроде.

Это действие света на электроны получило название фотоэлектронной эмиссии или фотоэлектронного эффекта. Но эти термины употребляются сравнительно редко. Физик Казанского университета профессор В. А. Ульянин, который исследовал фотоэлектронную эмиссию одновременно со Столетовым, предложил другое, более короткое и простое название – фотоэффект; оно и получило общее признание.

Прибор Столетова, усовершенствованный другими физиками (рис. 43), называется теперь фотоэлементом.

Рис. 43. Схема фотоэлемента. Свет, падая на поверхность фотокатода, выбивает из нее электроны, и в цепи прибора возникает ток.

 

Таким образом люди научились освобождать электроны из невидимой крепости атома. Тем самым был совершен переворот, положивший начало новой эре в истории науки и техники.

Было установлено, что электроны могут двигаться не только по проводам (там они движутся очень медленно).

В предельно разреженных газах (в высоком вакууме) электроны при определенных условиях развивают скорости, немногим отличающиеся от скорости света.

Именно здесь они могут полностью проявить свои замечательные свойства.

Управление движением электронов по проводам дало человечеству телеграф, телефон, электрические двигатели, электрическое освещение (лампами накаливания).

Уменье использовать для практических целей различных областей техники движения электронов в разреженных газах составило новую эпоху в развитии электротехники. Эту молодую отрасль электротехники назвали электронной техникой или электроникой.

 

 

Глава пятая. Служба свободных электронов

 

Недоумение Томаса Эдисона

 

Электрическую лампочку изобрел русский инженер Александр Николаевич Лодыгин. Привилегию на свое изобретение Лодыгин получил 11 июля 1874 года, и в том же году Академия наук присудила ему Ломоносовскую премию. Вскоре началось производство «русских лампочек», которые пользовались большим спросом как в России, так и за границей.

В 1877 году лейтенант флота Хотинский, отправляясь в служебную командировку в Америку, захватил с собой несколько лодыгинских лампочек. Хотинский показал эти лампочки известному американскому изобретателю Томасу Эдисону. Эдисон быстро оценил все достоинства нового способа освещения и принялся усовершенствовать русскую электрическую лампочку.

Наиболее существенное изменение, какое предприимчивый американец внес в устройство лампочки, состояло в том, что он заменил короткий и толстый угольный стерженек в лампочке Лодыгина длинным и тонким, то есть сделал лампочку с угольной нитью.

Пользуясь широкой рекламой, Эдисон беззастенчиво попытался выдать изобретение Лодыгина за свое. В Америке, где не знали о «русских лампочках», Эдисону это удалось. В Европе необоснованные претензии Эдисона встретили решительный отпор. Патентные бюро всех государств отказали Эдисону в выдаче привилегий «на изобретение», предложив ему ограничиться привилегией «на усовершенствование».

Французский электротехнический журнал, высмеивая притязания американцев, писал: «Почему бы не сказать уже, что и солнечный свет изобретен в Америке?»

А. Н. Лодыгин, продолжая совершенствовать лампочку, вскоре заменил угольную нить нитью из тугоплавкого металла вольфрама, то есть создал электрическую лампочку в ее современном виде.

Эдисон же в это время продолжал малоуспешные опыты с угольными нитями и никак не мог понять, что с ними происходит. Его лампочки выходили из строя чрезвычайно быстро и необыкновенно странным образом. Угольная нить почему‑то перегорала как раз в том месте, где она соединялась с проволокой, ведущей к положительному полюсу батареи или динамомашины. Даже на глаз было отчетливо видно, что анодный конец нити нагрет сильнее и светит ярче, чем катодный.

Значит, нить недоброкачественна, решил Эдисон, один ее конец тоньше и поэтому он перегорает быстрее. Была сделана идеально ровная нить, но и она перегорела в том же самом месте. Тогда Эдисон стал менять местами проводники, ведущие к лампочке от динамомашины. Он присоединял к положительному проводнику то один конец нити лампочки, то другой, и во всех случаях раскалялся и сильнее светил именно тот конец, который вел к положительному полюсу.

Причина гибели лампочек заключалась не в качестве нити, а именно в разнице между плюсом и минусом. После нескольких лет бесполезных исканий, Эдисон пришел к выводу, что отрицательные электрические заряды могут как бы «испаряться» или «улетучиваться» из раскаленной нити электрической лампочки. На эту же мысль наводили и опыты с катодными трубками, в которых раскаленный катод усиливал излучение.

Эдисон поместил внутри лампочки возле нити металлическую пластинку и вывел наружу проволочку, прикрепленную к этой пластинке (рис. 44).

Рис. 44. Над раскаленной нитью вьется облачко электронов. Прибор показывает присутствие тока между нитью и пластинкой.

 

Между проводником, подводящим в лампочку ток, и проволочкой, припаянной к металлической пластинке, Эдисон включил чувствительный гальванометр. Когда лампочку зажгли – гальванометр отметил присутствие тока. Это доказывало, что электрические заряды действительно «улетучиваются» или «испаряются» с раскаленной нити и перелетают на металлическую пластинку. По цепи, состоящей из накаленной нити, металлической пластинки и сильно разреженного пространства между нитью и пластинкой, проходил электрический ток.

Так на опыте было доказано существование термоэлектронного эффекта или термоэлектронной эмиссии.

Однако до конца в этом явлении Эдисон не разобрался, и загадка преждевременной гибели лампочек раскрылась только 14 лет спустя, когда «электронная теория» разъяснила, что именно происходит в раскаленной нити лампочки.

 

Причина гибели лампочек

 

По раскаленной нити электрической лампочки движутся электроны. Нить тонка. Путь для электронов затруднен: пробираясь между атомами, электронам приходится преодолевать, большое сопротивление. Электроны энергично расталкивают атомы. Колебания атомов достигают большого размаха и силы, иначе говоря, температура волоска подымается.

Электроны наружных оболочек атомов, под градом непрерывных и сильных толчков, мечутся с орбиты на орбиту. При каждом прыжке «вниз» они испускают световые лучи. Все порции света, выброшенные отдельными атомами, сливаются в сплошной световой поток. Волосок лампочки ярко светится.

При высокой температуре скорость электронов очень значительна, и многие электроны вылетают из нити. Однако нить, потеряв часть электронов, заряжается положительно и притягивает электроны обратно. Часть электронов возвращается в нить, но на их место вылетают новые. Вокруг нити вьется облачко электронов.

Нить присоединена к источнику тока. Приложенная к ее концам разность потенциалов распределена вдоль всей нити, причем наиболее положительным оказывается, естественно, конец, соединенный с плюсом источника тока. Это место сильнее всего притягивает электроны, и значительная часть электронов возвращается в нить именно здесь. Положительный конец нити подвергается сильной электронной бомбардировке. Сталкиваясь с атомами материала нити, эти электроны отдают им свою энергию и увеличивают размах колебания атомов, то есть еще более повышают температуру.

Положительный конец нити перекаливается, материал нити в этом месте начинает испаряться, нить «перегорает».

С переводом освещения на переменный ток этот недостаток устранился. Переменный ток одинаково разогревает оба конца нити, так как ее каждый конец поочередно бывает и плюсом и минусом. Лампочки, питаемые переменным током, служат дольше.

 

Открытие новых лучей‑невидимок

 

В конце 1895 года физик Конрад Рентген заинтересовался явлениями, происходящими в катодной трубке. Ученому хотелось проверить сообщение его современника Ленара о том, что катодные лучи могут выходить из трубки наружу и вызвать свечение сернистого цинка, уранового стекла или платиново‑синеродистого бария, находящихся вне трубки. Все эти вещества обладают способностью светиться, когда на них падают невидимые ультрафиолетовые лучи.

Для своих опытов Ленар в 1894 году применял катодную трубку особого устройства. В том месте, где катодные лучи (электронный поток) ударяются в стенку трубки, Ленар сделал окошко и закрыл его тонкой алюминиевой фольгой. Алюминиевая фольга достаточно прочна, чтобы при малом отверстии выдержать давление наружного воздуха, и в то же время в значительной степени прозрачна для катодных лучей. Они проникают сквозь алюминий, и их действие можно наблюдать в свободных условиях – на «открытом воздухе».

Делая различные опыты, Ленар заметил, что платиново‑синеродистый барий начинает светиться, если его поднести поближе к алюминиевому окошку в катодной трубке.

Рентген собирался повторить опыт Ленара без какой‑либо определенной цели. Ученый приготовил экран из куска картона, покрытого платиново‑синеродистым барием, и склеил для катодной трубки светонепроницаемый футляр из тонкого, но плотного черного картона.

Футляр должен был поглощать все световые и ультрафиолетовые лучи, какие только могут исходить из катодной трубки и мешать наблюдениям.

Закончив все приготовления, Рентген включил ток высокого напряжения, удостоверился, что катодная трубка работает нормально, и закрыл ее картонным футляром. После этого ему оставалось погасить в лаборатории свет, затем нащупать впотьмах кусок картона, покрытый слоем платиново‑синеродистого бария, поднести его к закрытому фольгой окошечку и понаблюдать – появится ли зеленое свечение экрана.

Таков был предварительный план действий. Но ход опыта изменил его. Рентген погасил свет и увидел, что ему незачем шарить рукой по скамейке, где лежал подготовленный экран. Этот экран сам бросался в глаза, – он сверкал в темноте, испуская зеленый свет.

Яркость свечения изумила ученого. Ведь экран находился по меньшей мере в двух метрах от катодной трубки.

Несомненно, это были не слабенькие катодные лучи, прорвавшиеся сквозь алюминий окошка, – те гасли в воздухе уже на расстоянии нескольких сантиметров от трубки.

И конечно, это были не ультрафиолетовые лучи – для них даже обыкновенное стекло непрозрачно, а сквозь картон они и подавно проникнуть не могут.

Тут действуют новые, неизвестные науке лучи!

Видимо, в трубке возникло какое‑то мощное излучение, которое пронизывает всю комнату.

Источником их безусловно была катодная трубка под футляром. Рентген приблизил экран к катодной трубке, свечение платиново‑синеродистого бария при этом усилилось, отодвинул экран – свечение ослабело.

 

Лучи, не знающие преград

 

Во время этих опытов Рентген случайно повернул экран, обратив его к трубке той стороной, которая не была покрыта платиново‑синеродистым барием. К своему удивлению ученый увидел, что платиново‑синеродистый барий сияет по‑прежнему. Таинственное излучение свободно проникает не только сквозь стенки футляра, но и сквозь картон экрана.

Лучи не знают преград!

Ученый укрепил свой экран на штативе перед футляром с катодной трубкой и начал серию опытов. Он взял подвернувшийся под руку годовой комплект какого‑то журнала в переплете и загородил им катодную трубку. Однако экран продолжал светиться. Том в тысячу страниц был для новых лучей прозрачен.

Ученый брал листочки станиоля, стеклянные линзы и призмы, куски алюминия, сургучные палочки, обрезки досок. И все эти материалы оказывались либо совсем прозрачными для новых лучей, либо отбрасывали на экран бледную тень. Хуже проходили лучи сквозь листовое Железо, медные пластинки, свинцовое стекло или доски, окрашенные свинцовыми белилами. Тяжелые металлы – золото, платина и особенно свинец – оказались почти непроницаемы для нового вида лучей.

Перепробовав все, что нашлось в лаборатории, Рентген поднес к экрану свою руку и увидел ее теневое изображение. Мышцы давали нежную, еле заметную тень, кости обозначались более резко, а золотое кольцо на пальце отбросило на экран густо‑черную полоску.

Рентген понял, что он – первый в мире человек, который видит свой собственный скелет, и может наблюдать, как движутся кости его руки, когда он шевелит пальцами или сжимает их в кулак.

Рентген решил, что как только он окончит первые опыты и выяснит все особенности новых лучей, то сообщение о них опубликует не в физическом журнале, а в медицинском. Ведь новые лучи могут стать неоценимо полезными для врачей, особенно хирургов. Лучи покажут, где застряла пуля у раненого, избавят его от мучительной боли при поисках пули в ране зондом. Они выявят характер перелома и покажут, как сместились сломанные кости. Лучи позволят наблюдать деятельность внутренних органов. Благодаря новым лучам медицина сделается зрячей!

В течение зимы 1895–1896 года Рентген неутомимо исследовал новый вид лучей. Он дал им название икс‑лучи, то есть лучи неизвестные, подлежащие выяснению.

В своих дальнейших исследованиях Рентген применил фотографию, так как оказалось, что икс‑лучи вызывают почернение фотографической эмульсии.

Для фотографирования икс‑лучами не требовалось фотоаппарата. Предмет клали на фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и подносили к катодной трубке. Снимки в икс‑лучах получались не хуже обычных.

Рис. 45. Снимок хамелеона, сделанный рентгеновскими лучами.