книги из ГПНТБ / Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества

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

«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

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

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

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.