Файл: Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества.pdf

Впрочем, «вода выходит» — это неточное опрёделение: на выходном конце камеры вода выбрасы­ вается в виде огненного столба, в сопровождении громовых раскатов. Это — непрерывные взрывы гремучего газа, которые едва не стоили жизни первым смельчакам, пытавшимся разложить воду. Разложение воды на газообразные кислород и водо­ род, тут же соединяющиеся в гремучий газ, здесь ведет очень высокая температура дуги, достигаю­ щая 55 тысяч градусов. Однако сама дуга величи­ ной бывает «чуть поболее наперстка». Попытки укрупнить такую дугу встречают очень большие трудности.

ПЛАЗМА ПЕРЕСТАЕТ ПОВИНОВАТЬСЯ

Попробуем поднимать температуру плазмы и в такой маленькой дуге, все более увеличивая давле­ ние в ней и .подводимый к ней ток. Увы, из этого почти ничего не получается: после небольшого подъема температуры ее рост опять останавливает­ ся. Может быть, причина в пробое теплоизоляции стенок? Нет, на сей раз дело заключается в другом.

Теперь новые порции энергии, подводимой в -плазму, «удирают» из >нее не в виде тепла, а в виде све('а, .как в холодной ртутной дуг-е. Чем больше энергии вводится в плазму, тем ярче светится плаз­ ма, но температура ее не поднимается ни на градус.

Почему же не установить в камере зеркальные стенки и не «загонять» весь испускаемый плазмой свет обратно в нее же? С подобной задачей, правда, в несколько ином виде, столкнулся герой фантасти­ ческой повести А. Н. Толстого инженер Гарин, пы­ тавшийся сконструировать свой знаменитый гипер­ болоид.

48

Дело здесь заключается в том, что ни одно рёальное зеркало (а идеальных, стопроцентно отра­ жающих зеркал не существует и не может сущест­

энергии, которая в веществе зеркала перейдет в теп­ ло, то уже всего 0 , 1 процента поглощенной зерка­

лом энергии в данном случае хватит, чтобы очень быстро расплавить его!

Значит, с помощью зеркала мощное лучеиспус­ кание плотной плазмы в камере сосредоточить не­ возможно.-Нужны какие-то другие способы.

ЧТО ТАКОЕ ТЕМПЕРАТУРА ПЛАЗМЫ

Мы уже видели, что понятие температуры плаз­ мы имеет несколько условный характер: в плазме одновременно могут существовать несколько раз­ ных температур. Остановимся на этом интересном вопросе немного подробнее.

В обиходе высокая температура обычно харак­ теризуется словами «жарко», «горячо», низкая тем­ пература имеет синоним «холодно». Эти слова пере­ вела на язык цифр так называемая молекулярно­ кинетическая теория вещества, связав температуру со скоростью движения молекул в телах.

Чем выше эта скорость, тем больше температу­ ра, и наоборот. Если бы температура могла сни­ зиться до так называемого абсолютного нуля, со­ ставляющего примерно — 273 градуса по шкале Цедьсия, то молекулы прекратили бы поступатель­ ное движение и смогли бы только дрожать на месте.

Если нагревать газ, то быстрота усваивания

тепла его молекулами будет зависеть от плотности газа; если газ сильно разрежен, то он будет переда­ вать тепло исключительно медленно. Даже при нор­ мальных, давлениях передача тепла в газе происхо­ дит длительное время. Так, сравнительно тонкого слоя воздуха между двойными рамами окна доста­ точно, чтобы тепло из комнаты в холодный наруж­ ный воздух уходило медленно.

Но, хотя и неохотно, все же при «накачивании» энергии в газ он начнет нагреваться. Постепенно скорости молекул газа возрастут до такой Степени, что при столкновениях они будут разбивать друг друга на отдельные атомы. Еще выше температу­ ра — и от атомов начнут отщепляться электроны, образуются ионы. Но скорость движения последних гораздо меньше, чем электронов: электроны имеют малую массу и в электрических полях, например в дуге, набирают очень высокую скорость. -Массы ионов много больше массы электронов, они значи­ тельно менее подвижны и не успевают ускориться в электрических полях, так как при взаимных соуда­ рениях они изменяют направления своего движе­ ния и как бы начинают ускоряться сначала. Чем выше кинетическая энергия, тем выше температура. Так и получается, что в плазме, созданной в газо­ вом разряде, существуют две температуры: одна, более низкая, — для ионов, другая, более высо­ кая, — для электронов.

Электронная температура выражается наиболее часто не в градусах, а в особых единицах — электронвольтах. Электронвольт равен энергии, при­ обретаемой одним электроном при прохождении им разности потенциалов электрического поля в 1 вольт. Примерный эквивалент электронвольта — 1 0 тысяч градусов.

50

J m L

Предел

существовали

атомов

Солнечная печь

5 5 0 0 °

Предел существования

твердых тел

4 5 0 0 °

Ж идкий гелий

Градусы абсолютной шкалы Нельвина

«Шкала» температур в природе.

4*

Пусть у нас горит электрическая дуга. Электро­ ны в такой дуге могут приобрести энергию, скажем, в 1 0 электронвольт, то есть температуру в . 1 0 0 ты­

сяч градусов. А ионы? Если газ разрежен, то ионы будут сталкиваться друг с другом и с электронами довольно редко, и температура их будет подни­ маться очень медленно. При столкновениях с энер­ гичными электронами ионы будут испускать свет, но тепловое их движение останется незначительным.

Но начнем повышать давление в газе. Ионы бу­ дут сталкиваться друг с другом и с электронами все чаще, и их температура постепенно будет прибли­ жаться к электронной. Если обеспечить такую изо­ ляцию газа, чтобы из него не ускользнула ни ма­ лейшая порция тепла, ни один лучик света, то при очень высоком давлении ионную температуру мож­ но близко подвести к электронной. Этого удалось добиться в электрической дуге высокого давления.

Каким же термометром можно измерить темпе­ ратуры в десятки и сотни тысяч градусов? Легко понять, что обычные термометры, основанные на яв­ лении теплового расширения жидкостей, для этой цели неприменимы: они перестают действовать, ког­ да сама измерительная жидкость обращается в пар. Для не очень высоких температур (примерно от 500 до 3000 градусов Цельсия) применяются так назы­ ваемые пирометры, действие которых основано на том, что цвет свечения нагретых тел при повышении температуры постепенно «белеет».

-Но при температурах в десятки тысяч градусов излучение всех веществ становится практически бе­ лым. Здесь пирометр заменяется спектрометром — прибором, который определяет температуру по по­ явлению в спектре свечения газа новых линий, по их яркости и ширине.

52

ОТ СВЕРХБОЛЬШОГО ДО СВЕРХМАЛОГО

ПОЧЕМУ СВЕТИТ СОЛНЦЕ

Есть .в науке «вечные» загадки. Эти загадки му­ чили ученых и две тысячи, и пятьсот, и пятьдесят лет назад. Одни из них наконец получили решение, другие еще не решены, третьи почти решены — пройдет не так уж много времени, и на поле боя науки с загадкой рассеются последние клочья ту­ мана.

Одной из таких загадок явилась деятельность Солнца. Почему Солнце светит? Что в нем горит?

■Предположим, что Солнце сжигает самое тепло­ творное изо всех топлив — чистейший углерод, сго­ рающий целиком, без всякой золы. Произведем не­

54

сложный подсчет. Известно, сколько тепла посы­ лает этот «костер» на Землю. Солнце — шар, по­ этому оно испускает тепло во всех направлениях равномерно. Зная размеры Земли и Солнца, нетруд­ но подсчитать, что для поддержания потока тепла от Солнца в нем каждую секунду должно сгорать около 12 миллиардов тонн угля! Цифра по земным масштабам огромная, но для Солнца, которое в триста с лишним тысяч раз тяжелее Земли, это ко­ личество угля невелико. И тем не менее весь этот уголь на Солнце должен был бы выгореть всего за шесть тысяч лет.

А ведь данные многих наук — геологии, био­ логии и др. — неопровержимо свидетельствуют о том, что яркое Солнце обогревает и освещает нашу планету уже не менее нескольких миллиардов лет.

Представление, что Солнце горит за счет угля, пришлось отвергнуть. Но, может быть, существуют такие химические реакции, в которых выделяется еще больше тепла, чем при сгорании угля? Предпо­ ложим, что они существуют. Но и эти реакции смог­ ли бы продлить жизнь Солнца на тысячу, две тыся­ чи лет, пусть даже вдвое, но никак не более.

Но если Солнце не в состоянии обеспечить само себя горючим на сколько-нибудь длительное время, то, может быть, это делает извне космическое про­ странство? Было высказано мнение, что на Солнце непрерывно падают метеориты. Мы уже говорили, что при подходе к Земле метеориты, вследствие тор­ можения в земной атмосфере, часто полностью сго­ рают, раскаляя на своем пути воздух. Почему бы не предположить, что вокруг Солнца нет никакой атмосферы, что торможение метеоритов происходит прямо в солнечном веществе, и оно разогревается до высокой температуры?

55

Обратимся опять к вычислениям. Сколько мете­ оритов должно падать на Солнце, чтобы обеспечить его длительное горение? Расчет дает совершенно не­ вероятную цифру: даже если вес всех метеоритов, упавших на Солнце, равен весу самого Солнца, то все равно оно светило бы лишь около миллиона лет.

Но, может быть, когда-то такое огромное коли­ чество метеоритов все же упало на Солнце, раска­ лило его до огромной температуры, и теперь Солн­ це медленно остывает? Ничего подобного! Сущест­ вует много доказательств того, что Солнце и милли­ ард, и миллион, и тысячу лет назад светило и гре­ ло, как сегодня. Итак, терпит крах и второе предпо­ ложение.

Удивительное постоянство солнечной деятельноности похоронило и третье, самое заманчивое пред­ положение о причине «горения» Солнца. Сводилось оно к следующему. По закону всемирного тяготе­ ния все тела сближаются друг с другом. Земля притягивается Солнцем и движется вокруг него. Камень притягивается Землей и падает на нее, если его выпустить из рук.

Представим себе, что Солнце — это некий огромных размеров сосуд с газом. Молекулы этого газа, подверженные действию взаимного притяже­ ния, несмотря на отбрасывающие их друг от друга столкновения, должны постепенно притягиваться друг к другу и сближаться. Солнце в целом тогда сжималось бы, давление газа в нем росло, а это привело бы к повышению температуры и выделению тепла.

Если считать, что за 100 лет поперечник Солнца сокращается всего на несколько километров, то этим явлением можно было бы вполне объяснить

56

лучеиспускание Солнца. Однако с помощью астро­ номических приборов столь медленное сокращение обнаружить невозможно.

Но есть «прибор», который работает куда более длительное время. Этот прибор — сама Земля. За время ее существования Солнце должно было бы сжаться в десятки раз: от размеров, во много раз больше, чем протяженность всей Солнечной систе­ мы, до современных. Такое сжатие, безусловно, от­ разилось бы на геологической истории Земли. Ниче­ го подобного, однако, история Земли не знает. Ей известны крупные геологические катастрофы, в кото­ рых гибли высочайшие горы, рождались новые океа­ ны, целые материки, но все это можно вполне объ­ яснить деятельностью самой Земли, а не Солнца.

Итак, все три упомянутые гипотезы о причинах «горения» Солнца оказались несостоятельными. Наука, сумевшая объяснить многие сложнейшие яв­ ления на Земле, до недавнего времени опускала ру­ ки перед загадкой деятельности Солнца. Теперь стало ясно, что решение этой загадки надо искать не в глубинах космоса, а в недрах Солнца.

И здесь на помощь науке о сверхбольшом — астрономии — пришла наука о сверхмалом — фи­ зика атомного ядра.

В МИРЕ АТОМНЫХ ЯДЕР

Говоря о строении атомов, мы совершенно не касались структуры атомных ядер, представляя их некоторыми малыми шариками, окруженными сло­ ями электронов. Теперь нам придется немного оста­ новиться и на строении ядра. Оно, как известно, со­ стоит из протонов и нейтронов, причем число пер­ вых в точности равно числу электронов в оболочке.

57