Движение свободных электронов

 

Движение электронов в атоме подчинено весьма строгим законам, которые обусловлены характером сил, действующих в атоме.

Ни один электрон не может забраться на чужой «уровень» и быть девятым там, где полагается находиться восьмерым. Ни один электрон не может занять место между слоями, так же, как человек не может встать на лестнице между двумя ступеньками.

Если электрон покидает свою орбиту и переходит на другую орбиту, то он делает это только скачком, только сразу, а не постепенно. Всякое перемещение электронов с одного уровня на другой внутри атома может происходить исключительно скачками и на целое число ступеней.

В некоторых случаях электроны могут не только перескакивать с орбиты на орбиту, но и совсем покидать атом. Такие «свободные» электроны ведут самостоятельное существование, путешествуя в междуатомном пространстве, а иногда и вообще далеко, на миллиарды километров, уходят от атомов.

Особенно «непоседливы» электроны атомов металлов, и причиной этого являются некоторые особенности строения металлов.

Атомы в металлах расположены очень тесно, их оболочки почти соприкасаются. Внешние «пограничные» электроны оказываются не только иод воздействием положительного заряда атома‑хозяина, их почти с той же силой притягивают заряды атомов‑соседей. «Недостроенные» внешние слои атомов металлов прочностью не отличаются – их внешние электроны пристают то к одному, то к другому атому и кочуют в междуатомных промежутках.

Внутри металла эти почти свободные электроны образуют так называемый электронный газ. Сравнение с газом оправдывается тем, что эти электроны совершают беспорядочное «тепловое» движение и мечутся между атомами металла примерно так же, как мечутся молекулы обычного газа.

Существование в металле свободных электронов было доказано простым и остроумным опытом, в котором кусок проволоки исполнял роль «трамвая», а электроны служили «пассажирами».

Известно, что когда вагоновожатый резко и внезапно тормозит трамвай, то пассажиры, стоящие в проходе, продолжают движение по инерции и падают друг на друга.

Два советских ученых, академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси сделали такой опыт. Они с большой скоростью завертели медное кольцо, а затем его быстро остановили, и тотчас чувствительные приборы отметили возникновение в кольце кратковременного электрического тока. Это – свободные электроны меди, как пассажиры в трамвае, продолжая движение по инерции, ринулись вперед и образовали электрический ток, создавший в свою очередь магнитное поле (рис. 41).

Рис. 41. Когда кольцо остановили, электроны по инерции продолжали движение вперед, образуя электрический ток и сопровождающее его магнитное поле.

 

Черепашьим шагом

 

Электрический ток в проводах – это упорядоченное движение электронов. Когда светит лампочка, то это не значит, что в ней пробегают именно те электроны, которые пригнаны с электрической станции.

Ток в городской сети – переменный, он меняет свое направление 100 раз в секунду. Поэтому в лампочке взад и вперед пробегают одни и те же электроны, которые находились в металлическом волоске лампочки тогда, когда она бездействовала.

А электрическая станция по сути дела служит не поставщиком электронов, а только их толкачом.

Даже при постоянном токе, который течет в одном направлении, электроны перемещаются из одного участка провода в следующий очень медленно, примерно со скоростью миллиметра в секунду, часто и того медленнее. Электроны в металле неторопливы – их движение по проводнику похоже на движение воды в трубе, забитой песком, – настолько сильно им мешают атомы металла.

Конечно, возникает законное недоумение: телеграфный сигнал, посланный из Москвы во Владивосток на расстояние в 10 тысяч километров, прибывает на станцию назначения через 1/30 долю секунды, а электрон, посланный по проводу из Москвы, достигнет Владивостока только через триста с лишком лет. Проворством электроны в металлах не отличаются, но… почему же телеграммы идут так быстро?

 

Скорость сигнала

 

Когда телеграфист в Москве нажимает на ключ, то на концы проводов, находящихся в телеграфном аппарате, от батареи подается напряжение, и в этот момент по всей длине проводника от Москвы и до ближайшей станции возникает электрическое поле. Это поле распространяется очень быстро, почти со скоростью света, то есть около 300 000 километров в секунду.

Как приказ командующего приводит в движение сразу всю его армию, так и электрическое поле приводит в движение все электроны, находящиеся в тысячекилометровом участке провода. Хотя сами электроны движутся медленно, но зато всякие изменения электрического поля распространяются очень быстро, почти мгновенно. И через приемный аппарат проходят не те электроны, какие посланы из Москвы, а те, какие находились в приемном аппарате до получения сигнала. Телеграфный сигнал только привел их в движение. Следовательно, телеграммы и телефонные разговоры передаются по проводам не столько электронами, сколько колебаниями электрического поля, созданного в проводах.

Поворачивая выключатель или замыкая рубильник, мы тем самым даем толчок всем электронам в проводах и как бы командуем им: «Ток! Марш вперед!». И в то же мгновение все свободные электроны металла, как солдаты по команде, делают первый шаг и начинают свое медленное, неуклонно‑дружное движение вперед.

Так возникает в проводнике электрический ток.

 

Ток, теплота и свет

 

Однако движение электронов в проводнике нельзя представить себе, как четкий размеренный марш колонны солдат. Свободные электроны металла по‑прежнему сохраняют суетливость мошкары, роящейся в вечерней прохладе летнего дня. Они перескакивают от атома к атому, прыгают вправо и влево, вверх и вниз, вперед и назад.

Разность потенциалов только отчасти упорядочивает движение электронов, она хотя и понемногу, но постоянно и непрерывно отклоняет, «гонит» суетливый рой электронов в проводнике в ту сторону, в какую направлены силы поля, то есть вдоль проводника.

Толчки, которые электроны щедро раздают атомам, не остаются без последствий. Атомы металла начинают сильней раскачиваться, их колебательные движения становятся более размашистыми, увеличивается тепловое движение частиц, иначе говоря, металл, из которого сделан провод, начинает нагреваться.

Так движение электронов в проводнике – электрическая энергия – преобразуется в колебательное движение атомов – в тепловую энергию.

Но при движении потока электронов по проводнику не только может выделяться тепло.

Пока нагрев не очень велик, оболочки атомов как бы пружинят, и атомы, столкнувшись, отскакивают друг от друга, подобно мячикам. Чем температура выше, тем соударения становятся более резкими, более энергичными.

Некоторые электроны из внешних слоев не выдерживают слишком сильных толчков, они вылетают из своих орбит и попадают на другие орбиты, более удаленные от ядра.

Когда электрон поднялся на более высокий уровень, атом, поглотивший энергию удара, приходит в возбужденное состояние. Но такое состояние длится недолго. Электрон снова соскакивает на свой обычный уровень, а атом лишается избытка энергии.

Избыточная энергия атома не исчезает. Возвращаясь в нормальное состояние, атом излучает небольшую порцию света, которая называется световым квантом. Энергия кванта в точности равна тому избытку энергии, которого лишился атом.

Каждый «прыжок» электрона «вниз», к ядру атома, сопровождается излучением кванта.

Кванты, выбрасываемые возбужденными атомами, различаются друг от друга своими энергиями.

Наш глаз способен улавливать это различие. Кванты малой энергии дают ощущение красного света. Несколько большей энергией обладают кванты оранжевого света. Еще больше энергия квантов желтого, зеленого, голубого, синего и, наконец, фиолетового света. Смесь этих квантов в определенной пропорции дает ощущение белого света (рис. 42).

Рис. 42. Схема уровней энергии водородного атома. При переходе электрона с какого‑нибудь уровня на другой, более низкий уровень, атом испускает квант, соответствующий излучению определенного цвета.

 

Пока тело нагрето слабо, оно не светится: сила толчков недостаточна для возбуждения атомов, и тело не излучает даже квантов красного света. При повышении температуры атомы прежде всего начнут испускать кванты красного света, и мы тогда говорим: тело нагрелось до красного каления.

Дальнейшее повышение температуры влечет за собой излучение квантов большей энергии. Цвет раскаленного предмета меняется. Он начинает светиться желтовато‑золотистыми лучами, так называемое соломенно‑желтое каление, а при температуре около 6000° свечение тела становится почти белым. При таком нагреве тело испускает примерно такие же световые кванты, что и Солнце. Температура солнечной поверхности – 6000°.

Так движения электронов в оболочках атомов, их «прыжки» с высоких уровней на более близкие к ядру атома, – порождают свет.