ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 67
Скачиваний: 0
КАК ОСВОБОДИТЬСЯ ОТ АТОМНОГО ПЛЕНА
Электрон — эго такая частица вещества, о про должительности существования которой физики го ворят: «Этого мы не знаем, но во всяком случае, электрон может существовать миллиарды и мил лиарды лет, практически—бесконечно». И конечно, за такое время наверняка выпадет случай, когда какие-либо причины позволят вырваться из атом ного плена и электрону, находящемуся в глубине атома.
Возможности избавиться от атомного плена различны. Может случайно ударить в атом какойнибудь путешественник-электрон, обладающий не очень большой энергией. |Сам он может застрять в атоме, но зато вызволит из него пленника. Осво бодителем электрона способен стать луч света,, влетевший в атом.
Но в мире атомов действует совершенно непре ложный закон. Этот закон гласит, что любой элек трон может быть освобожден из атома только в том случае, если ему будет передана энергия,, рав ная или большая энергии связи его с ядром. Легко понять теперь «общительность» далеких от ядра и пленение близких к ядру электронов в атоме. Да лекому внешнему электрону, чтобы он улетел прочь, из атома, надо передать'немного энергии: энергия его связи с ядром очень невелика. А вот чтобы электрон из глубины атома вырвался на свободу, ему надо передать довольно значительную энергию, и не по частям, а всю сразу — электрон в атоме «копить» энергию не умеет. Разумеется, чаще про-,, исходит передача малой энергии. Поэтому внешние, электроны атома легко становятся свободными, а глубоко лежащие вынуждены долго ждать, пока подвернется «счастливый случай».
10
ЧТО ТАКОЕ ПЛАЗМА?
Но иногда в атомном мире наступает время освобождения. За это время по некоторым причи нам,'о которых мы расскажем ниже, из атомов освобождается довольно большое количество элек тронов и ядра значительно «оголяются».
Наступает такое состояние вещества, когда в нем оказываются свободными большое число элек тронов и ионов — атомов с поредевшими электрон ными оболочками. Такое состояние вещества и на зывается плазмой.
Это название было предложено в 1924 году американским физиком Лэнгмюром. Ныне оно по лучило международное распространение. Проис хождение его можно понять, вспомнив, что слово «плазма» употребляется также и в довольно дале кой от физики области науки — гематологии, науке о составе крови. Известно, что в крови имеются как хорошо оформленные частицы — красные и белые кровяные шарики и другие тельца, — так и жид кость. Эта последняя и есть плазма крови. Вообще говоря, перенесение этого понятия в физику не вполне точно: физическая плазма и есть «тельца» вещества —. ядра и электроны; этим словом скорее
подчеркивается большая подвижность |
вещества в |
|||
плазменном |
состоянии и е,го бесформенность в |
|||
том смысле, |
что электроны и |
ядра |
уже |
не есть |
«настоящие» |
тельца вещества |
— атомы |
и моле |
кулы.
Понятие о новом состоянии вещества не очер чивает точно его границ. Плазма — это не обяза тельно все свободные электроны и совершенно ого ленные ядра. Ионы в плазме должны быть, как и электроны, свободны в своих движениях, а степень
и
«оголенности» ядер в них может быть самой раз личной. Наконец, в плазме могут существовать и различные количества «неповрежденных», ней тральных атомов.
Если растапливать кусок льда, то он превра щается в воду не мгновенно, а постепенно, и все
В твердсш куске металла кристаллическую решетку образует-ионный каркас, окружен ный облаками свободных электронов.
время, пока длится это превращение, рядом сосу ществуют и лед и вода. Точно так же при кипении воды рядом находятся два состояния вещества — жидкость и пар. Это же имеет место и при перехо де вещества в плазменное состояние: сначала сво бодных электронов и свободных ионов мало, потом их становится все больше и больше.
Мы еще раз отмечаем, что понятие плазмы под разумевает свободу движения не только электро нов, но и ионов. А разрушением связей 1между ато
мами как раз и характеризуется предшествующий переход из жидкого в газообразное состояние. Сле-
12
дующий 'переход — к плазменному состоянию, — таким образом, может произойти только из газо образного состояния.
ПЛАЗМА РОЖДАЕТСЯ
Как же происходит этот переход? И так ли уж он «невидим», как мы говорили выше? Действитель но, самая начальная стадия образования плазмы, когда от атомов газа только начинают отрываться
В плазменном состоянии связи между ионами разрушаются, и они становятся сво бодными. Вместе с ионами в плазме сущест вуют свободные электроны.
немногие из наиболее внешних электронов, обнару живается с трудом даже чувствительными физиче
скими приборами.
(Но вот мы взяли сосуд с газом и начали нагре вать его. Что при этом происходит? Движения ато мов в газе становятся все более энергичными, они чаще и сильнее сталкиваются друг с другом. При % этих столкновениях электроны в атомах ведут себя,
13
образно говоря, как пассажиры, висящие на под ножке вагона: если пассажир слабо держится за поручень, то при толчках он может вылететь на до рогу. Этот «вылет» и происходит с самыми внешни ми, наиболее слабо связанными с ядрами, элек тронами атомов.
С ростом температуры газа столкновения атомов отрывают все больше электронов с атомных обо лочек. Число свободных электронов быстро растет. Электроны, глубоко запрятанные в недрах атомов, тоже приходят в «возбуждение», словно предвку шая близкое освобождение. Но их энергия еще слишком мала, чтобы они могли покинуть атом. Они способны лишь, приобрав некоторую энергию при столкновении, перепрыгнуть в слой поближе к «выходу» из атома. Может, конечно, случиться, что, находясь в этом слое, электрон успеет получить еще одну порцию энергии, достаточную, чтобы он мог совсем покинуть атом. Но столкновения ионов по ка еще не настолько часты, а бдительное ядро не дремлет: оно втягивает пленника обратно в тот слой, который электрон занимал раньше.
А куда делась та энергия, которую приобрел электрон перед прыжком к выходу из атома? Уне сти ее с собой электрон при возвращении в глубь атома не может и вынужден ее отдать. Эта энергия излучается атомом в виде фотона — частицы света. В результате при определенном повышении темпе
ратуры газа он |
начинает светиться. |
Отсюда |
|
физики и начинают условно считать |
газ |
плаз |
|
мой. |
|
|
|
Чему же равна эта температура? Конечно, она |
|||
зависит от состава |
газа: чистый ли это |
газ |
или |
смесь газов, как например воздух, ■— а также и от строения атомов газа. Поэтому можно указать
14
лишь порядок величины температуры — несколько тысяч градусов. При такой температуре внешние электроны в изобилии отрываются от атомов, в га. зе происходят интенсивные столкновения ионов с электронами и друг с другом, внутренние электро ны атомов приходят в сильнейшее возбуждение, стремятся вырваться на свободу и излучают свет, возвращаясь в глубокие слои электронной обо
лочки.
Продолжаем поднимать температуру газа. Все больше и больше внешних атомных электронов покидают атомы, все чаще самые внутренние элек троны «прыгают» к «выходу» из атомов. Краснова тое вначале свечение газа приобретает голубые цвета, становится ослепительно ярким.
Но постепенно яркость свечения атомов плазмы снижается >— 'слишком мало электронов остается на оболочках ионов. И наконец свечение прекращается вовсе: все электроны покинули свои атомы, оста лись лишь несветящиеся, совершенно оголенные яд ра, бешено носящиеся в сосуде и сталкивающиеся друг с другом. Мы получили, если можно так выра зиться, «идеальную» плазму с температурой поряд ка десятков миллионов градусов.
Гигантская температура! Как можно достичь ее? Для ответа на этот вопрос нужно сначала осмотреться вокруг. Очень часто ученые, создавая что-либо новое, смотрят: а как это сделала приро да? Сначала копируют природу, стараясь на лабо раторном столе добиться в небольших масшта бах точного воспроизведения явления природы. Потом уже отходят от природы, так изменяя ус ловия протекания явления, как это нужно чело веку.
Все явления, о которых мы рассказываем в этой
15
книжке, взяты учеными Из (природы. Некоторые из них не встречаются на Земле, они возможны только в звездных масштабах.
Пока обратимся к жизни не очень горячей плазмы и опишем некоторые ее интересные свой ства.
ПЛАЗМА ЖИВЕТ
КАК ПОЛУЧИТЬ ПЛАЗМУ
Еще два столетия назад американский ученый Франклин остроумными, очень опасными для жиз ни опытами доказал, что молния — это лишь элек трическая искра довольно большой протяженности. Искры меньшей длины можно наблюдать при вы ключении рубильника и даже просто в темной ком нате, расчесывая сухиечистые волосы или шерсть гребнем.
Мореплаватели издавна подметили, что перед грозой на концах корабельных мачт возникает све чение; оно было названо огнями святого Эльма. По добное свечение можно наблюдать ночью вокруг
17
ПОДОГРЕВ
|
|
|
|
L ^ |
| | | | | | | |
|
|
|
|
|
|
|
|
проводов |
на |
линиях высокого |
|||
|
|
|
|
напряжения. Наконец, краси |
|||||
|
|
|
|
вое свечение рекламных газо |
|||||
|
|
|
|
светных трубок и ослепитель |
|||||
|
|
|
|
ное |
пламя |
электросварки — |
|||
|
|
|
|
так называемая вольтова ду |
|||||
|
|
|
|
га — имеют в сущности ту же |
|||||
|
|
|
|
природу, что и описанные вы |
|||||
|
|
|
|
ше явления. Все они объединя |
|||||
|
|
|
|
ются |
под |
общим |
названием |
||
|
|
|
|
электрического разряда в га |
|||||
|
|
|
|
зах. ' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:Но обратим внимание на |
|||||
|
|
|
|
пламя свечи, керосинового фо |
|||||
Через |
нейтральный |
наря, |
наконец, пламя |
газовой |
|||||
газ электрический ток |
горелки. Каково происхожде |
||||||||
не |
идет |
— стрелка |
ние этого |
свечения? |
Мы мо |
||||
гальванометра |
стоит |
жем установить общее, между |
|||||||
на нулевом делении |
|||||||||
шкалы. При иапрева- |
ним и свечением при |
электри |
|||||||
нии, |
или |
облучении |
ческом разряде, сравнивая, на |
||||||
газа, |
или |
при |
элек |
пример, ацетиленовую сварку |
|||||
трическом |
разряде в |
и электросварку: в обоих |
|||||||
нем появляются |
сво |
||||||||
бодные ионы и элек |
случаях возникает |
ослепитель |
|||||||
троны, а вместе с ни |
но яркое пламя и плавятся сва |
||||||||
ми возникает и ток— |
риваемые металлы. |
|
|
||||||
стрелка гальваномет |
Значит, действие и электри |
||||||||
ра |
отклоняется от |
||||||||
|
нуля. |
|
ческого разряда и горения сво- |
18
Дится К одному и тому же — повышению темпера туры окружающей среды до такой степени, что эта среда начинает светиться.
■Причину такого интересного явления мы уже объясняли выше: это светятся прыгающие элект роны в ионах газа. Правда, плазма в пламени газовой горелки или керосинового фонаря — еще «не настоящая», в ней мало свободных электронов и иолов. Но тем не менее ей присущи многие черты «настоящей» плазмы.
Очевидно, чтобы получить плазму в «открытом» пространстве, к газу нужно подвести достаточное по его объему количество энергии, и притом быст ро. Если же подводить энергию к газу постепенно, то в каждый момент удастся нагреть до высокой температуры только ничтожную порцию газа, так как, сталкиваясь с холодными соседними атомами, отдельные горячие ионы очень быстро растратят полученную энергию. Плазмы тогда . не полу чится.
■Но «ненастоящую» плазму можно создать и другими способами. Заключим некоторое количе ство газа IB сосуд, введем в него электроды и пода дим на них небольшое напряжение от источника электрического тока. Прибор покажет, что через нашу электрическую цепь ток почти не идет: цепь не замкнута. Поднесем сосуд с газом к работающей рентгеновской трубке. Как известно, рентгеновские лучи есть потоки квантов излучения — фотонов, от личающихся от фотонов .видимого света только го раздо большей энергией. Прибор, немедленно отме тит появление тока в цепи.
Возникновение-электрического тока говорит о том, что в газе появились свободные электроны, иными словами, часть атомов газа ионизировалась.
2* |
19 |
|