Беседы по физике Ч.2 - Блудов М.И.

Понятие о зонной теории электропроводности

Как Ом «математически разрабатывал» свой закон

Консультация по теме «Волновые свойства света»

Автор: Блудов М.И.

Теги: физика математика математическая физика издательство просвещение учебник для школы

Год: 1965

Похожие

Беседы по физике. Учебное пособие для учащихся Ч.2

Беседы по физике Ч.1

Беседы по физике. Учебное пособие для учащихся Ч.3

Беседы по физике Ч.3

Текст

1jjjXh^^jk_a~uTFo"a ь нТГк а 1
м. и. блудов
ВЕСЕЛЫ
по
ФИЗИКЕ
МАСТЬ
II
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ПРОСВЕЩЕНИЕ"
м о с к в а '1д6$

Рукопись книги рецензировали
А. В. Перышкин, Д. И. Сахаров, \ Е. Я. Минченков.
scan: The Stainless Steel Cat

К ЧИТАТЕЛЯМ II ЧАСТИ „БЕСЕД ПО ФИЗИКЕ"
Данная книга предназначена не для
развлекательного чтения, ее главная цель —
помочь вам лучше понять интересную, но
далеко не легкую науку — физику. В помощь
к учебнику, в дополнение к урокам учителя
разбираются в ней в возможно доступной фор-
ме основные и трудные вопросы электричества,
оптики и учения об атоме. Как понимать законы
электрического тока в твердых, жидких и газо-
образных телах, взаимосвязь электрических и
магнитных полей, получение действительных
и мнимых изображений в зеркалах и линзах,
волновую и корпускулярную природу света,
вопросы новейшей физики XX века? Ведь вам
предстоит жить и работать при коммунизме, при
небывалом, невиданном развитии науки и тех-
ники!
Наша книга не повторяет учебник ни в его
содержании, ни в последовательности изложе-
ния. Физические знания требуются в самых
различных областях человеческой деятельнос-
ти, поэтому и в книге они переплетаются во
f 3

множестве связей. Рассмотрение физических
явлений в тесной связи с другими явлениями,
освещение их с разных сторон поможет лучше
уяснить главные идеи. Поэтому в одной и той
же статье читатель может встретить и сведения
из начального курса электричества, и сообще-
ние о последних достижениях атомной и ядер-
ной физики. Вопросы геометрической оптики
тесно переплетаются с теориями физической
оптики. Поскольку изложение ведется попу-
лярно, то такое единое рассмотрение физичес-
кой природы явлений не встретит затруднения
у читателей. Если же отдельные места и пока-
жутся трудными или малопонятными при пер-
вом чтении, то следует не смущаться этим об-
стоятельством и продолжать чтение, с тем чтобы
потом вернуться к непонятому снова.
Просьба к читателям: пишите в издатель-
ство или автору о том, понравилась ли вам
книга, какие вопросы вы желали бы еще вклю-
чить в нее. Это поможет дальнейшему совер-
шенствованию книги.
4

ОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ!
Вечер. Приятно отдохнуть после трудового дня. Вся
семья дома. Папа читает газету, Лиля занялась ру-
коделием, Володя углублен в чтение интересной
книги. Мягкий свет матовой электрической лампы освещает стол,
оставляя в тени обстановку комнаты.
Ах! Вдруг все погружается в темноту.
— Ну вот, этого еще недоставало! Короткое замыкание! Это, вер-
но, Игорь со своими опытами! — раздаются восклицания сидящих за
столом и, когда из соседней комнаты с зажженной свечкой в руке появ-
ляется смущенный Игорь, все набрасываются на него с упреками.
— Вечно ты что-нибудь натворишь!
— Подумаешь! Сейчас поставлю новую пробку,— пытается отра-
зить нападение Игорь и проходит в переднюю, где установлен пре-
дохранительный щиток. Несколько минут возится с установкой лест-
ницы, сменяет перегоревший предохранитель. Ура! В комнате снова
вспыхивает свет, и, довольный («Вот какздоровоэто у меня получилось»),
наш юный электротехник возвращается к себе в комнату к прерванным
занятиям. «Все же надо будет поставить здесь перед рабочим столом
свой маленький распределительный щит»,— думает он и начинает на-
брасывать схему такой установки. На рисунке 1 изображен щит, который
необходимо смонтировать и вам, если вы пожелаете проделывать опыты
с электрическим током от сети и не хотите подвергать себя и всю семью
неприятностям, связанным с коротким замыканием.
Но что такое короткое замыкание?
Ток, который пойдет при включении в сеть какого-нибудь при-
бора, зависит oV двух причин: от напряжения и сопротивления прибо-
ра электрическому току. Это знаменитый закон Ома. Если напряжение
в сети, в которую включается, скажем, электрическая настольная лам-
5

Рис. 1
па, 220 в, а сопротивление лампы 880 ом, то по формуле закона Ома
легко определить, что ток будет
/-U =0,25 «.
Сопротивление подводящих ток проводов очень мало и в расчет
нами не принималось.
Теперь если вместо лампы включается электрическая плитка с со-
противлением 88 ом, то ток будет
,220 0 -
Представьте, что вместо плитки вы бы включили в розетку моток
изолированной проволоки с площадью поперечного сечения 1 мм2 общей
длиной 60 м. Сопротивление такой проволоки приблизительно равно
всего только одному ому. Результат?
/ = 220 = 220 си
Это очень большой ток, он, конечно, сожжет предохранительные
пробки, если не успеет натворить других больших бед. Несмотря на
порядочную длину проволоки — 60 м, мы можем в этом случае гово-
рить о коротком замыкании, при котором вследствие малого сопротив-
ления замыкающего электрическую цепь проводника ток непомерно
возрастает. Короткое замыкание может не только испортить проводку,
но и вызвать пожар. Вот почему необходимо следить за исправностью
проводки и менять ее, если она становится ветхой. Ни в коем случае
нельзя протыкать провода булавкой или перерезать их при монтажных
работах в одном месте ножницами (рис. 2). В крайнем случае, когда
необходимо почему-либо отрезать часть проволоки, надо один из про-
водов, из которых свит шнур, перерезать в одном месте, а другой —
на значительном расстоянии от него. Необходимо всегда соблюдать
основное правило монтажа осветительной и силовой сети:
на время работы следует вывернуть предохранители на вводном
групповом щитке.
Всякая электрическая сеть защищается рядом последовательных
приспособлений. Иногда первый предохранитель вмонтирован уже в ро-
зетку. Далее, при вводе в квартиру устанавливается предохранитель-
Я ный групповой щиток (рис. 3), а на столбе перед домом (если у вас воз-
N душная проводка) или в подвальном помещении, куда вводится ток
Рис 2

через подземный кабель А в больших городах, в особом домовом ввод-
ном ящике В устанавливаются общие плавкие предохранители (рис. 4).
Вам доступен главным образом только групповой щиток М. На нем
на определенную группу ламп устанавливаются легкоплавкие предохра-
нительные «пробки», рассчитанные обычно на ток величиной в 6 а (но-
минальный ток). Допустима небольшая перегрузка сверх этой нормы,
но только кратковременная.
Категорически запрещается заменять перегоревшие стандартные
пробки самодельными у в которых перегоревшая легкоплавкая проволочка
заменена жилкой из электрического шнура или, еще хуже, более толстой
проволокой.
Такой «жучок» уже не является предохранителем и, поставив себе
такую самодельную пробку, вы больше не гарантированы от всех опас-
ностей, связанных с коротким замыканием.
В настоящее время в магазинах электроприборов можно встретить
автоматические выключатели тока. Установленные на групповом щит-
ке, они не требуют замены. Действие таких приборов основано на двух
явлениях — электромагнетизме и свой-
стве биметаллической пластинки. Биме-
таллическая пластинка представляет
собой полоску, склепанную из двух
наложенных друг на друга металлов с
различными коэффициентами расшире-
ния от нагревания, например железа
и латуни (рис. 5). При нагревании
такая пластинка, бывшая прямой при
обычной комнатной температуре, долж-
на изогнуться вогнутостью в сторону
железа. Это свойство используется в
различных автоматических устройст-
вах — тепловых реле, ограничителях
тока, автоматических предохранителях
на квартирном щитке (рис. 6).
Стоит только пластинке при про-
хождении через предохранитель слиш-
ком большого тока нагреться выше
определенного предела, как цепь раз-
мыкается.
Сообщим некоторые подробности
их интересного устройства. Нажимом
кнопки включения (А) замыкаются кон-
такты, находящиеся внутри предохра-
нителя, и тем самым устанавливается
Рис. 4
Рис. 3

непрерывный путь для прохождения тока. В таком положении кон-
такты удерживаются специальной запорной щеколдой. Ток проходит
через нагревательную спираль, окружающую биметаллическую плас-
тинку М. При сильном нагревании металлическая пластинка искрив-
ляется и отжимает в сторону сдерживающую контакты щеколду.
Тогда контакты размыкаются (пружиной) и кнопка включения вы-
скакивает вверх. После устранения перегрузки и охлаждения плас-
тинки следует снова нажать на кнопку включения и предохранитель
снова готов к действию.
Однако в случае короткого замыкания за очень короткий промежу-
ток времени биметаллическая пластинка не успевает нагреться и быстро
предупредить возникшую опасность. Поэтому на помощь только что опи-
санному тепловому реле в автомат вмонтировано электромагнитное реле,
реагирующее и на мгновенные большие перегрузки, тогда как биметалли-
ческий выключатель реагирует на малые, но длительные перегрузки.
Можно произвести и механически размыкание контактов, нажимая
на малую кнопку В. Тогда вся квартирная проводка будет выключена
и можно, уходя из дому, быть совершенно уверенным, что за все время
вашего отсутствия не случится какой-нибудь неприятности от электри-
чества.
Мы ограничимся лишь этим кратким описанием принципа действия
автоматического выключателя, о довольно сложном устройстве которого
вы можете судить по рисунку.
На другой день Лиля застала Игоря за починкой выключателя
(простого) в столовой. Игорь уже снял крышку выключателя и соби-
рался отвинтить испорченный выключатель, чтобы заменить его новым.
— Игорь! Ты опять! Смотри, оставишь нас на весь вечер без света.
Опять сделаешь это... короткое замыкание!
— Короткое замыкание? С выключателем? Ведь это не розетка
(рис. 7). Если я даже прямо соединю оба ведущих к выключателю про-
вода, то что получится?
Игорь уже вынул концы проводов из клемм выключателя.
— Смотри! — Загорается лампа, висящая над столом. Игорь раз-
водит провода, лампа гаснет.— Лилька! Ведь здесь же не два разных
провода, как у розетки, а один из проводов, идущих к лампе, только ра-
зорванный в том месте, где ставится выключатель. Так же как я сое-
динял сейчас концы проводов рукой — медные контактные пластинки (а
и б на рис. 8) соединяются медной перемычкой в при поворачивании
рукоятки выключателя, и лампочка загорается. В старом выключате-
ле сломалась одна из пружинящих пластин, к которым прикасается
контактная перемычка. Придется поставить новый выключатель, а после
я, может быть, сумею исправить и старый.
— А тебя не убьет?
8
Рис. 6

— По правде сказать, починку надо бы производить при отключен-
ной сети. Если я возьмусь за обнаженные концы, то я попаду под нап-
ряжение, окажусь включенным в цепь последовательно с лампочкой.
Напряжение поделится между мной и лампочкой в том же отношении,
в каком находятся наши сопротивления. Стоваттная лампочка у нас
при напряжении 220 вольт пропускает ток около пол-ампера,— значит,
ее сопротивление примерно 400 ом, тогда как сопротивление человече-
ского тела около 1000 ом, следовательно, отношение 400 : 1000, или
2 : 5, и из 220 вольт на долю лампы придется 2/7 части, т. е. 60 вольт,
а на мою — остальные 160. Конечно, это недопустимо. Выверни, по-
жалуйста, лампочку, тогда я совершенно безопасно окончу работу.
Как часто пренебрегают этим обязательным правилом техники бе-
зопасности: все работы по монтажу и ремонту электрической сети про-
изводить при полном снятии напряжения. Юным электротехникам не-
лишне будет узнать некоторые подробности, касающиеся опасности,
которую может представлять электрический ток. Уже первые исследо-
ватели электричества испытали на себе неприятные ощущения, когда
через их тело проходил электрический ток. Голландский профессор Му-
шенброк в письме к Реомюру в 1746 г. так описывал опыты с лейден-
ской банкой: «Хочу сообщить вам новый и странный опыт, который со-
ветую никак не повторять. Я делал некоторые исследования над элект-
рической силой и для этой цели повесил на двух шнурах из голубого
шелка железный ствол, получавший, через сообщение, электричество
от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и нати-
рался прикосновением рук. На другом конце свободно висела медная
проволока, конец которой был погружен в круглый стеклянный сосуд,
отчасти наполненный водой, который я держал в правой руке, другой
же рукой я пробовал извлечь искры из наэлект-
ризованного ствола. Вдруг моя правая рука была
поражена с такой силой, что все тело содрогну-
лось, как от удара молнии. Сосуд, хотя и из тонкого
стекла, обыкновенно сотрясением этим не разби-
вается, но рука и все тело поражаются столь страш-
ным образом, что и сказать не могу, одним сло-
вом, я думал, что пришел конец.;.» (рис. 9).
При прохождении электрического разряда че-
ловек иногда отделывается только судорожными
сокращениями мышц, но нередко неосторожное
обращение с электрическими приборами и уста-
новками приводит к тяжелым поражениям, а то
и к смертельному исходу. Общеизвестна трагичес-
кая судьба петербургского профессора Рихмана
(современника и друга Ломоносова), убитого элект-
Рис. 7
Рис. 8
Рис. 9

рическим разрядом во время опытов,
которые он производил с «громовой
машиной» во время грозы 26 июля
1753 г. «Первый удар от привешен-
ной линии с ниткой пришел ему в
голову,— писал об этом Шувалову
Ломоносов, — где красно-вишневое
пятно видно на лбу; а вышла из него
громовая Електрическая сила из ног
в доски. Ноги и пальцы сини, и
башмак разодран, а не прожжен»
(рис. 10).
Но не только были жертвы гроз-
ных стихий. Немало зарегистриро-
вано несчастных случаев, происшед-
ших в, казалось бы, мирной домаш-
ней обстановке. Причиной всегда
оказывалось непростительное прене-
брежение элементарными правилами
осторожности при обращении с электрическими приборами. Мне, пи-
шущему эти строки, лично памятен драматический случай, когда в
одной семье мать оставила без присмотра включенным в розетку шнур
от электрического утюга. Игравший на полу маленький ребенок подо-
брался к свисавшему до полу шнуру и засунул пальчики в штеп-
сельные гнезда, снятые с контактов утюга. В тот же миг он упал
мертвым.
Считают, что электрический ток вызывает паралич сердца. Обычно
смерть наступает тогда, когда величина тока, проходящего через чело-
веческое тело, достигает 0,05—0,1 а. Интересен мало еще объясненный
факт, что именно ток в этих границах представляет наибольшую опас-
ность для человека. Ток, значительно больший 0,1 а, может не убить
человека, но причинит тяжелые ожоги. В литературе описаны случаи,
когда в процессе «культурного» убийства на «электрическом стуле»
слишком сильный ток не давал сразу желанного эффекта и человек
буквально начинал гореть, прежде чем наступала смерть.
Величина тока, как известно из закона Ома, зависит от напряже-
ния, приложенного к проводнику, и сопротивления его. Сопротивление
человеческого тела, однако, не всегда одинаково. Его величина зависит
от многих причин. Если кожа на руках загрубела, замаслена, то контакт
с токонесущими проводами или частями машин будет плохой. Между
кожей и металлом окажется слой изоляции с высоким сопротивлением.
Наоборот, чистые и особенно мокрые руки создадут очень хороший кон-
такт с ничтожным сопротивлением.
10

Следует помнить, что опасность подстерегает нас не только тогда,
когда мы включаемся в сеть, касаясь обоих подводящих ток проводов.
Однополюсное прикосновение также опасно, если человек стоит, напри-
мер, босой или в плохой обуви на влажной земле. Техника безопасности
обязывает при всех промышленных электрических установках зазем-
лять доступные части машин и приборов (рис. 11, 12). В этом случае раз-
ности потенциалов (напряжения) между человеком, стоящим на земле, и
металлом, соединенным с землей, нети опасность поражения устранена.
В сырых помещениях, где человек работает в условиях возможного
хорошего контакта с землей, категорически запрещается осветительная
проводка с напряжением выше 45 в, не защищенная специальными за-
граждениями.
Сказанное далеко не исчерпывает всех возможных опасных положе-
ний поражения электрическим током. Следует сделать только еще одно
замечание. Встречаются случаи излишнего «лихачества» со стороны
тех, кто благополучно избежал гибельных последствий при прохожде-
нии через него разряда. Такие «опытные электротехники» пренебрежи-
тельно говорят: «Ну что там, какие-нибудь 120 или 220 вольт!» Опасная
и неумная самоуверенность! Правда, наблюдались случаи, что люди,
при одинаковых условиях получавшие кратковременные электрические
поражения, переносили их по-разному: одни мгновенно умирали, дру-
гие оставались жить. Оказывается, что на исход поражения током
влияет еще и то, в какой момент сердечного цикла (сокращение, расши-
рение, пауза) действует электрический удар на сердце. Вопрос еще изу-
чается. Недавно советские ученые сконструировали специальный при-
бор кардиосинхронизатор ЭМ-1, который позволяет подавать электриче-
ский ток в любую фазу сердечной деятельности. С помощью этого при-
бора сейчас проводятся многочисленные эксперименты на животных.
Не следует, однако, делать неправильных выводов из нашей ста-
тьи. Она написана не для того, чтобы запугать начинающих работать
с электричеством. Комично бывает видеть, как на первых практических
уроках по электричеству какая-нибудь робкая девочка боится дотро-
нуться до клемм четырехвольтной аккумуляторной батареи и обращается
с вопросом к руководителю: «А он не убьет?»
Обращение со всеми источниками тока при напряжении меньше
12 в безопасно и не вызовет при контакте даже никаких неприятных
ощущений.
о—«—
Рис. 11

>АК БЫЛ ОТКРЫТ ЭЛЕКТРОН
Игорь сидит за столом, погруженный в чтение учеб-
ника физики. «Вопрос о том, что представляет собой
электрон, уже давно интересовал ученых. Сначала
считали, что электрические явления обусловлены невесомой электри-
ческой жидкостью... Однако анализ все новых и новых фактов посте-
пенно заставил отказаться от представления о существовании электри-
ческой жидкости.
Прежде всего было обнаружено, что электричество имеет атомар-
ную структуру, т. е. способно делиться на равные части, так называе-
мые элементарные электрические заряды... В конце концов опыт по-
казал, что носителями элементарных электрических зарядов являются
мельчайшие частички, которые при своем движении переносят заряды
с одних тел на другие». С этого начал Игорь готовиться к докладу на
физическом кружке. Тема его доклада: «Как был открыт электрон».
«Опыты, проведенные в конце XIX в. английским физиком Дж. Дж.
Томсоном и его учениками,— читает дальше Игорь,— позволили об-
наружить отдельную частицу вещества с наименьшим (элементарным)
электрическим зарядом, а в дальнейшем удалось непосредственно из-
мерить величину этого элементарного заряда.
Наименьшая частица вещества, обладающая элементарным отри-
цательным электрическим зарядом, называется электроном. Электриче-
ский заряд есть одно из основных свойств электрона, неотделимых от
него». Игорь подчеркивает последнюю фразу, так как она разрешала его
сомнения, вызванные предыдущим отрывком, где было сказано, что
мельчайшие частицы при своем движении переносят заряды с одних
тел на другие. Как будто заряд — это что-то отдельное от частицы, как
отдельна от меня, скажем, книга, которую я могу перенести с одного
стола на другой. Нет! Заряд неотделим от электрона, это свойство ча-
стицы вещества, как масса этой частицы, которую тоже нельзя отнять.
Масса электрона т=9,Ы0~28 г.
Заряд электрона е=—4,8-10~10 единиц заряда СГСЕ.
Перенос заряда — это собственно переход электрона с одного тела
на другое.
Чтобы сделать представление о заряде электрона более наглядным,
отметим, что когда по проводу проходит ток в 1 а, т. е. переносится 1 к
в секунду, то это означает, что в одну секунду проходит 6,288-1018
электронов. Через лампочку в 60 вт при напряжении 120 в в секунду
12

проходит 3 144 000 000 000 000 000 электронов! Это огромное число,
которое не поддается наглядному представлению.
Невольно возникает вопрос, насколько можно доверять приве-
денным числам. Что это — смелое предположение или результат дейст-
вительного измерения? Если измерения, то кем, когда и как эти измере-
ния проведены? Об этом мы сейчас и расскажем.
Начало истории электрона относится ко второй половине XIX в.,
когда английский физик Фарадей установил законы электролиза. Ве-
роятно, наши читатели много слышали об одной из самых романтических
биографий в истории науки, жизнеописании Фарадея, который из маль-
чика — разносчика газет, потом ученика переплетчика книг превра-
тился в крупного ученого Великобритании. В одной из дальнейших
статей этой книги мы расскажем об этом подробнее, а сейчас ограни-
чимся лишь упоминанием об открытии Фарадеем законов электролиза,
которое тесно связано с историей электрона.
Разложение химических соединений под действием электрического
тока было известно еще до Фарадея. Например, его учителем Дэви
доказано было, что вода разлагается током на составные части — водород
и кислород; разложением едкого натра Дэви удалось получить металл
натрий, из едкого кали — калий, из борной кислоты был выделен бор.
Фарадей исследовал количественную сторону процесса. Само слово
«электролиз» введено им же, так же как и термины «электролиты»
для растворов кислот, солей, щелочей и оснований, с которыми
удается провести электролиз, «электроды» для полюсов, подводящих
ток к жидкости, «ионы» для частиц, на которые распадается раство-
ренное вещество.
Распадение вещества на ионы — электролитическая диссоциация —
вызывается не электрическим током, а тем, что вода обладает свойством
в 81 раз ослаблять действие электрических связей (сил притяжения)
в химическом соединении. Тогда достаточно ударов хаотически дви-
жущихся частиц (тепловое движение) в растворе, чтобы разрушить эту
связь. Так, молекула хлористого натрия (поваренной соли) NaCl в вод-
ном растворе диссоциирует на ионы Na+ иС1". Множество этих ионов
движется в беспорядке внутри раствора соли в воде, то соединяясь меж-
ду собой, то снова распадаясь.
Исключительно интересный опыт могли бы вы проделать с электри-
ческим током в электролите, если бы вам удалось раздобыть немного
раствора фенолфталеина в спирту *. Добавьте несколько капель этого
раствора в стакан с подсоленной поваренной солью водой. Не смущай-
тесь появлением некоторой мути, в случае, если спирт был недостаточно
* В любой аптеке вы можете приобрести таблетки пургена, содержащие
фенолфталеин.
13

Рлс. 13
химически чист, на результат опыта это не повлияет. Те-
перь опустите в раствор зачищенные концы проводов,
присоединенных к полюсам батарейки карманного элект-
рического фонарика. Великолепная малиновая окраска
начинает появляться у электрода, соединенного с отрица-
тельным полюсом батарейки. Это выделяющийся здесь
натрий, соединяясь с водой, образует щелочь, которая и
обнаруживается по окраске фенолфталеина. На другом
электроде выделяется хлор.
Как все это объясняется? Слово «ион» греческое, в
переводе на русский язык означает «путник», «странник».
Заряженные противоположными зарядами ионы направляются к проти-
воположным по знаку электродам: натрий-ион Na+—к отрицательному
электроду, хлор-ион С1~—к положительному. Поскольку направление
тока в цепи условно считается от -f- к—, то можно сказать, что ионы нат-
рия идут по направлению тока и потому называются «катионами» («иду-
щий вниз, по течению»), а ионы хлора Фарадей назвал «анионами»
(«идущими вверх, против течения») (рис. 13).
Но не забудем, что наша главная цель — выяснить, как зародилась
мысль о существовании электронов. На эту мысль наталкивают коли-
чественные законы электролиза, установленные Фарадеем. Их два:
I. Количество отложившегося на электроде вещества прямо пропор-
ционально количеству прошедшего через раствор электричества.
Это совершенно понятный закон. Ведь если рассматривать ионы
как заряженные электричеством атомы (иногда группы атомов), то ко-
личество перенесенных нашими «странниками» зарядов прямо пропор-
ционально количеству «странников» — количеству вещества, отложив-
шегося на электроде.
II. Одинаковые токи в продолжение одинаковых промежутков времени
в различных электролитах выделяют на электродах количества веществу
пропорциональные химическим эквивалентам этих веществ.
Значение этого закона становится понятным, если вспомнить,
что называется химическим эквивалентом. Таким термином обозна-
чается отношение атомного веса элемента к его валентности. Например:
Элемент
Атомный
вес
1,008
23,07
16
27,1
Валентность
1
1
2
3
Химический
эквивалент
1,008
23,07
8
9,03
14

При пропускании одинаковых токов за равное время выделится
количество вещества, пропорциональное не атомным весам, а химиче-
ским эквивалентам. Следовательно, двухвалентный атом несет двойную,
трехвалентный — тройную порцию зарядов по сравнению с одновалент-
ными ионами. Символами мы обозначаем это так: Н + , Na+, О"", А1 + + + .
Ионы электролитов несут заряды, которые обязательно являются це-
лыми кратными некоторого минимального заряда. Этот минимальный
заряд является, таким образом, неделимым количеством электричества,
как бы атомом электричества. В 1871 г. ему дали имя «электрон».
Описанные работы Фарадея были опубликованы им в 1833 г. Сде-
лаем следующий шаг в нашем знакомстве с историей открытия элект-
рона.
Новые открытия в науке часто приводят к развитию совершенно
неожиданных областей ее. В 1879 г. Уильям Крукс прочел перед Лон-
донским Королевским обществом доклад, озаглавленный «Молекуляр-
ная физика при сильных разряжениях». В этом докладе Крукс пока-
зал, что если в стеклянную трубку впаять с двух ее концов элект*
роды и если из этой трубки откачать воздух, то в трубке на стекле,
на противоположном отрицательному электроду (катоду) конце,
при высоком напряжении замечается в темноте зеленоватое свече-
ние, фосфоресценция. Даже если положительный полюс будет впаян в
другом месте, то все равно свечение остается на конце, противо-
положном поверхности катода, как если бы от катода шел поток лу-
чей по прямому направлению (катодные лучи). Помещая на пути ка-
тодных лучей металлический экран, например, в виде звезды, можно
получить тень его среди зеленовато фосфоресцирующей области трубки,
что еще больше подтверждает прямолинейность распространения ка-
тодных лучей.
«Кэмбридж! На всей земле, не исключая и Флоренции, не найдет-
ся, конечно, второго уголка, который сыграл бы такую роль в истории
современной мысли. Кромвель и Мильтон, Бэкон и Байрон, Ньютон и
Дарвин — одних этих имен было бы достаточно, чтобы наполнить сла-
вой целый мир, а не один только университет... («a universe, not only
university...»)» Это патетическое восклицание мы заимствовали из воспо-
минаний нашего знаменитого ученого, ботаника Климента Аркадьевича
Тимирязева, участвовавшего в кэмбриджских празднествах в честь сто-
летнего юбилея со дня рождения Дарвина. Здесь в Кэмбридже работал
и один из величайших физиков XIX столетия Джозеф Джон Томсон
(Джей-Джей, как в шутку называли между собой своего любимого
профессора студенты) — «тот человек, о котором каждый прохожий
знает, что он расколол атом», по остроумному выражению одного анг-
лийского популярного журнала. Дж. Дж. Томсон тщательно исследо-
вал катодные лучи.
15

Знаменитый в истории физики опыт Томсона —
опыт с отклонением катодных лучей в магнитном или
электрическом поле — описывается в любом учеб-
рис. 14 нике физики и ставится в каждой школе. Опыты
Томсона показали, что катодные лучи — это быст-
ролетящие электрические заряженные частицы. Томсон доказал, что
заряд этих частиц тождествен элементарному заряду, обнаруженному
еще Фарадеем при электролизе. Таким образом, катодные лучи —
это поток заряженных частиц — электронов. Поскольку электричес-
кий ток обладает магнитными свойствами, то естественно, что летящие
в трубке электроны отклоняются магнитом. Электрическое поле тоже
действует на заряженную частицу.
Томсон ставил опыты в многочисленных вариантах. Рисунок 14
показывает одну из установок, применявшихся им, а рисунок 15 дает
часть этой установки, которая позволит нам понять идею опыта.
Камень, брошенный горизонтально, отклоняется от горизонтальной
линии силой земного притяжения. Подобным образом электрон откло-
няется силой, действующей на него со стороны магнитного или элект-
рического поля. Для магнитного поля эта сила F=Bev, где В магнит-
ная индукция, е — заряд, v — скорость движения его. Для электри-
ческого поля отклоняющая сила будет равна Ее. Под действием этой
силы на основании II закона Ньютона электрон получит ускорение
Ее
а — — в направлении к нижней положительной пластинке конденса-
1 1 С" у,
тора и сместится от горизонтали на S=-^at2=-^- —t*. Время прохожде-
ния между пластинками конденсатора длиной I найдем по формуле рав-
номерного движения t=—. Подставляя это в формулу для S, получим
о J_£e £
*Ь~~ 2 т ' V*'
Откуда е_ 1 2S
т ' v*~~El2'
Величины правой части могут быть определены из опыта, в левой
же остаются две неизвестные — и v. Для определения скорости Том-
сон применил метод уравновешивания действия электрического поля
действием соответственно подобранного и соответственно расположен-
ного магнитного поля. Тогда светящееся пятно на экране останется не-
подвижным на оси прибора. Так как при этом электрическая и магнит-
ная силы равны, то Ee=Bevf откуда скорость ^ = -б-
Ионы и электроны. Кристалл поваренной соли, растворяясь в воде, распадается
на беспорядочно движущиеся ионы Na+ и С1". Электрическое поле движет ионы к
противоположно заряженным электродам. Выделение натрия на катоде сопровожда-
ется образованием щелочи, обнаруживаемой по цветной реакции с фенолфталеином.
Свободные электроны, испускаемые катодом в электровакуумной трубке, ле-
тят с большой скоростью прямолинейно. Стекло трубки, расположенное напротив
катода, светится. Прямолинейность катодных лучей подтверждается образованием
тени, а их электрическая природа может быть обнаружена при помощи магнита.

Определив скорость, можно по предыдущей формуле найти и от-
ношение —. Опыт много раз повторялся, и в настоящее время это от-
ношение принимают равным 1-75-10" к/кг.
Томсону принадлежит и первый метод определения отдельно вели-
чин заряда и массы электрона. Для этого он наблюдал за осаждением
в стеклянном сосуде облака из мельчайших водяных капелек, сконден-
сировавшихся из насыщенного водяного пара на ионах водорода. Но
мы не будем приводить описания этих опытов, так же как не будем при-
водить и описания более точных опытов американского физика Милли-
кена (1909) с масляными каплями и русского физика А. Ф. Иоффе с ме-
таллическими пылинками (1912), позволивших установить значение
заряда и массы электрона.
Откуда же берутся электроны в описанных опытах с вакуум-
ными трубками? Они выбиты из металла катода ударами ионов газа,
небольшое количество которого должно оставаться в трубке
для успеха опыта. Электроны — составная часть каждого
атома, каждого вещества. Но почему же тогда вещества, ме-
таллы например, не заряжены? Очевидно, в состав атомов
входят еще и положительные заряды, уравновешивающие
заряд электронов. Томсон рисовал себе модель атома в
виде сплошного шарика с равномерно по нему распределен-
ным положительным зарядом, а внутри этого шарика, гово-
рил он, находятся электроны, нечто вроде пудинга с изюмом
(рис. 16). В дальнейшем на основе тонких и сложных
экспериментов ученые пришли к так называемой планетарной
модели атома, по которой атом представляет собой как бы
планетную систему в маленьком масштабе. Роль Солнца в
атомной системе играет положительно заряженное ядро,
вокруг него, как планеты в солнечной системе, вращаются
электроны. Эту модель атома предложил английский физик
Резерфорд в 1911 г. Простейший атом—атом водорода имеет
только один электрон и, соответственно с этим, простейшее
ядро с одним положительным элементарным зарядом, рав-
ным заряду электрона. Ядро с таким зарядом получило
название протона. Атомы других элементов содержат больше
электронов и также больше протонов. На рисунке 17 пред-
ставлены модели атомов водорода, гелия, натрия, по Резер-
форду. Можно задать вопрос, почему электроны не соеди-
няются с протонами,— ведь противоположные электрические
заряды притягиваются. А почему планеты не падают на
Солнце, Луна не падает на Землю? Планеты движутся, обла-
дают скоростью, и притяжение к Солнцу, не меняя этой
Ш. ЬУ*
Рис. 16
Рис. 17
Применение полупроводников. Полупроводниковые диоды и триоды могут за-
менять радиолампы в радиоприемниках. Полупроводниковые приборы позволяют
преобразовывать тепло и холод непосредственно в электричество (термоэлемен-
ты). Благодаря этому удается создать холодильник, который можно превратить в
нагреватель.
Термоэлектрогенератор применяют для питания некоторых радиоприемников.
Дэтя работы термоэлектрогенераторов можно использовать тепло Солнца или домны.

скорости по величине, все время изменяют ее по направлению, не поз-
воляя планетам умчаться по прямой линии в бесконечные дали прост-
ранства. Та же причина не позволяет электронам упасть на ядро.
Электроны обращаются вокруг ядра с огромной скоростью. Так,
электрон в атоме водорода летит со скоростью 2200 км/сек, т. е. со
скоростью, почти в 8000 раз превышающей скорость реактивного самоле-
та. Не подумайте, что наша история электрона подошла к концу. На-
против, мы только еще в самом начале. Электрон оказался поистине неис-
черпаем. Приведенные нами только что схемы модели атомов явились
лишь первым приближением к истине и во многих случаях оказались
неудовлетворительными. Об этом рассказано в следующих главах.
РЕЙФ ЭЛЕКТРОНОВ
а) ТОК В МЕТАЛЛАХ
Слово «дрейф» взято из морской терминологии от английского
drift, что означает снос, отклонение от курса судна в море ветром или
течением, в переносном смысле — предоставление случайностям судьбы.
Особенно широко стало известно это слово со времени первой совет-
ской полярной экспедиции папанинцев в 1937—1938 гг. 274 дня
провела четверка героев-смельчаков (Папанин, Кренкель, Ширшов и
Федоров) на льдине, увлекаемой сложным действием водных и воздуш-
ных течений от Северного полюса к югу до 70-й параллели.
Но причем тут электроны? Что такое электрический ток?
У К. Паустовского есть рассказ «Подарок», где приводится такой
разговор деда Митрия с Рувимом: «— Нам, старым людям, способнее
думать, что к чему на земле притесано и какое имеет объяснение. Ты мне
про лесничего не говори.
Лесничий — мужик хитрый. Он, когда в Москве жил, то, говорят,
на электрическом токе пищу себе готовил. Может это быть или нет?
— Может,— ответил Рувим.
— Может, может,— передразнил его дед.— А ты этот электриче-
ский ток видал? Как же ты его видал, когда он видимости не имеет,
вроде как воздух?»
Признайтесь, не смущало ли и вас, мои читатели, когда вы первый
раз услыхали в школе или прочитали в учебнике физики, что «элект-
18

Рис. 18
рическим током называется направленное (упорядоченное) движение
зарядов» — электронов в металлических проводах, ионов в растворах
солей, кислот и щелочей, электронов и ионов в газосветных трубках и
электровакуумных лампах? Особенно в металлах, потому что если в жид-
костях и газах движение зарядов можно наблюдать по различным све-
товым эффектам, то движение внутри металлических проводов остается
совершенно скрытым, и мы можем видеть лишь тепловые, механические
и магнитные действия таинственного «электрического тока».
Как же было доказано действительное существование движения
электронов в металлических проводах? Идея и выполнение первых каче-
ственных опытов, несомненно доказавших, что ток в проводах представ-
ляет собой движение электронов, принадлежит отечественным ученым,
академикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1912). Эта идея
чрезвычайно проста. Вы знаете, что в состав атомов каждого элемента,
в том числе и металла, входят мельчайшие электрические частички —
электроны. Надо было только доказать, что некоторые из этих электро-
нов не связаны прочно с ядром атома, а находятся на свободе в прост-
ранстве между атомами. Представьте теперь, что кусок металлической
проволоки быстро движется в направлении, указанном стрелкой (рис. 18),
унося с собой имеющиеся в металле электроны. Что произойдет, если
вдруг резко остановить этот кусок металла? То же самое, что происхо-
дит в вагоне трамвая или поезда при внезапной, резкой остановке.
Как пассажиры, не связанные прочно с вагоном, испытывают на себе
действие инерции и наклоняются или даже падают вперед в направле-
нии своего движения, так и свободные, не связанные прочно с атомом
электроны подчиняются закону инерции и сдвигаются в направлении
движения проволоки. От этого на переднем конце получается избыток
электронов, на заднем — недостаток. Избыток электронов сообщает
переднему концу проволоки отрицательный заряд, недостаток мы обоз-
начаем как положительный. В наличии этих двух образовавшихся та-
ким образом полюсов мы можем убедиться, обнаруживая чувствитель-
ным прибором наличие тока.
В опытах Мандельштама и Папалекси применялся не прямолиней-
ный провод, а катушка из очень длинной и тонкой изолированной про-
волоки, совершавшая крутильные колебания вокруг своей оси. Возни-
кавший при перемене направления вращения ток шел в зависимости
от того, в какую сторону вращалась катушка то в одном, то в другом
направлении. Этот переменный ток обнаруживался при помощи теле-
фона (рис. 19).
2*
19

В 1916 г. опыт в несколько измененном виде был повторен Тольме-
ном и Стюартом, которые для обнаружения тока пользовались не теле-
фоном, а чувствительным гальванометром. По отклонению стрелки
гальванометра можно было определить, что ток создавался движением
отрицательных зарядов (электронов). На том же опыте снова удалось
определить отношение заряда электрона к его массе, о других способах
определения которого говорилось в предыдущей беседе.
Возникает вопрос, откуда берутся «свободные электроны» в метал-
ле и почему они не сообщают куску металла отрицательного заряда,
раз они свободны. В кристалле металла (вы знаете, что все металлы
имеют кристаллическое строение) «свободные электроны» движутся
между узлами решетки, положительными ионами, хаотически, беспо-
рядочно, подобно тому как движутся молекулы газа (рис. 20). И как
молекулы, хотя обладают большой скоростью, не проносятся подобно
пулям от одной стенки сосуда, в котором заключен газ, до другой. В ре-
зультате взаимодействия («столкновений») с соседями они выписывают
сложную переплетающуюся траекторию, напоминая танцующий рой
комаров над лугом в лучах заходящего солнца. Так и электроны опи-
сывают подобные же сложные траектории в результате «столкновений»
с узлами решетки и друг с другом. Отсюда пошло выражение «элект-
ронный газ» для того состояния, в котором находятся свободные элект-
роны в металле (рис. 21). Выходит, что дед Митрий, сам того не подозре-
вая, удачно выразился, сравнив электрический ток с воздухом!
Не следует, конечно, упрощенно представлять себе «столкновения»
электронов. В действительности взаимодействие полей отдельных элект-
ронов и ионов изменяет направление и величину их скоростей. «Сталки-
вающиеся» электроны разлетаются вовсе не в результате их действи-
тельного соприкосновения.
Вследствие беспорядочности движения свободных электронов в ме-
талле и огромного числа электронов в единице объема (в 1 см3 меди,
например, число свободных электронов выражается двадцатидвухзнач-
ным числом) количество электронов, движущихся в одном каком-
нибудь направлении, равно числу их, движущихся в обратном. Поэтому
в отсутствие внешнего электрического поля перенос электричества
(суммарного заряда) в любом направлении равен нулю, т. е. тока нет.
Равенство же суммы всех отрицательных зарядов электронов и поло-
жительных зарядов ионов объясняет, почему общий заряд металла
тоже равен нулю. Можно без опаски подносить алюми-
ниевую ложку ко рту — никаких электрических разрядов
не последует.
Если к концам проволоки приложим электрическое
напряжение, присоединив их, например, к полюсам акку-
мулятора, то внутри проводника установится электричес-
20
Рис. 21

кое поле, измеряемое напряженностью Е = ~в/м (вольт на метр),
где U — напряжение, I — длина проводника. Электрическое поле
будет действовать на электрические заряды и сообщать им дополни-
тельное движение. В электронном газе возникнет «электрический ве-
тер» в направлении к положительному полюсу. Однако при этом
электроны сохранят и беспорядочное движение. Полная аналогия тому,
как в воздушных массах, гонимых ветром, сохраняется хаотическое,
тепловое движение молекул.
Перед нами «дрейф» электронов. Вследствие столкновений, вернее,
воздействия атомных силовых полей, средняя скорость дрейфа электро-
нов в проводе в направлении поля сохраняется постоянной (рис. 22).
Здесь мы имеем случай, аналогичный падению в воздухе снежинки или
пушинки. Несмотря на постоянное действие силы тяжести, их падение
не переходит в равномерно ускоренное, как это было бы в безвоздуш-
ном пространстве, а является в среднем равномерным движением.
Скорость теплового движения молекул газа сравнима со скоро-
стью артиллерийских снарядов, а скорость воздушных масс, увлекае-
мых ветром, измеряется несколькими метрами в секунду. Какова же
скорость электрического тока? Скорость движения отдельных элект-
ронов на протяжении их свободного пробега (от столкновения до столк-
новения) огромна и достигает величины, большей ста километров в се-
кунду, но скорость упорядоченного перемещения электронов ничтожно
мала. Постоянно задерживаемые и отклоняемые от курса, они переме-
щаются, ползут вперед медленнее, чем улитка. Улитка проползает
в среднем 1 мм в секунду, электрон в медном проводе сечением в 1 мм*
при токе в 6 а перемещается в направлении провода со скоростью
0,03 см/сек. Мы не можем здесь рассказать вам, как была определена
эта скорость. В высшей школе вы узнаете о так называемом эффекте
Холла, позволяющем найти ее. Но все же разве можно сказать, что
скорость электрического тока в проводах мала?! Ведь стоит повернуть
выключатель, и электрические лампы сейчас же загораются. Говоря
по междугородному телефену, не получаем ли мы впечатления, что наш
собеседник на расстоянии сотен и тысяч километров от нас слышит нас
в тот же момент, когда мы произносим первое «Алло!»? Как же прими-
рить это противоречие — медленность передвижения электронов вдоль
провода и быстроту передачи действия или сигнала? Чтобы понять это
противоречие, необходимо уяснить себе, что мы подразумеваем под ско-
ростью тока. Это не есть скорость движения электронов — это скорость
распространения электромагнитного поля, вызывающего направленное
движение и электронов. Скорость распространения электромагнит-
ного поля равна скорости света в пустоте 300 000 км/сек. Академик Иоф-
фе в своем «Курсе физики» приводит такой интересный расчет. Если

Д. И. Менделеев
на одном конце телеграфного провода, например
в Ленинграде, изменить потенциал на 10 в, то
наблюдатель в Москве заметит появление тока
через 600 км : 300 000 км/сек = 0,002 сек\ Но те
заряды, которые в данный момент находятся в
Ленинграде, передвинулись бы в Москву только
через долгое, очень долгое время, через
100 000 лет!
Электромагнитное поле распространяется и
приводит в направленное движение электроны
почти одновременно во всем проводнике. Как по
команде!
«Пер-рвая полурота... Равнение направо...
Шагом... арш!
Видно было, как от наклонного леса штыков
отделилась правильная линия и равномерно зака-
чалась в воздухе» (А. Куприн, Поединок). Команда офицера со ско-
ростью звука пролетает всю линию солдат в какие-нибудь доли секун-
ды. Глаз не улавливает этой скорости, и кажется, будто вся линия шты-
ков приходит одновременно в движение. Каждый же отдельный солдат,
подчиняясь команде, начинает шагать со своей собственной скоростью,
соразмеряя ее с общим темпом церемониального марша.
Электроны входят в состав атомов всех элементов. Но почему же
различные вещества обладают различной проводимостью по отношению
к электрическому току? Для выяснения этого обратимся снова к тео-
рии строения атомов. В настоящее время известно 104 различных эле-
мента. Изучению их свойств помогает система расположения их в таб-
лице, носящая название периодической системы Менделеева. Дмитрию
Ивановичу Менделееву, профессору химии в Петербургском универ-
ситете, в 1869 г. пришла счастливая мысль расположить все известные
в его время химические элементы в порядке возрастания их атомных
весов. При этом он обнаружил удивительную закономерность — перио-
дическую повторяемость основных химических свойств. Расположив
элементы по этим периодам, он составил таблицу, в которой родствен-
ные химически элементы образовали группы, сходные по свойствам.
Впоследствии электронная теория атома раскрыла физическую причину
периодического закона Менделеева. Химические свойства элементов
зависят от группировки электронов вокруг ядра, и место, занимаемое
каким-нибудь элементом в таблице, или, как говорят, порядковый
номер элемента, определяется числом электронов в атоме, или величи-
ной заряда атомного ядра. Электроны обращаются вокруг ядра, распо-
лагаясь последовательно в различно удаленных от него слоях. Согласно
теории Бора, в таких последовательных слоях (или оболочках) может
22

находиться не больше 2, 8, 18, 32 электронов. При этом на крайней
внешней оболочке число электронов не может превышать 8. Это нагляд-
но показано в следующей таблице элементов нулевой группы:
Элемент
1 Не
Ne
Аг
Кг
|Хе
Rn
Порядковый
номер
2
10
18
36
54
86
Число электронов в
I II III IV V VI
оболочке
2
2 8
2 8 8
2 8 18 8
2 8 18 18 8
2 8 18 32 18 8
Это весьма существенно для понимания дальнейшего. Теория Бора
не объясняет, а только устанавливает числовые закономерности в струк-
туре и свойствах атомов. Наличие 8 электронов на внешней оболочке
придает атому устойчивость и в то же время химическую инертность.
Элементы нулевой группы относятся к так называемым инертным га-
зам, элементам, не образующим химических соединений с другими.
У элементов прочих групп внешняя оболочка не является запол-
ненной, т. е. содержит электронов меньше 8. В первой группе на внеш-
ней оболочке помещается 1 электрон, во второй — 2 и т. д. Взгляните
на схемы боровских моделей атомов нулевой группы (Не, Ne) и первой
группы (Zi, Na) (рис. 23). Бросается в глаза обособленное положение
единственного электрона, обращающегося на внешней, наиболее уда-
ленной, орбите элемента лития, по сравнению с расположением электро-
нов в атомах гелия и неона. Удаленность от ядра означает и значитель-
ное ослабление связи между противоположными зарядами ядра и элект-
рона. Такой электрон легко может покинуть свою атомную систему и
перекочевать в мир соседнего атома, потом следующего
и т. д. Этим свойством легко терять свои внешние элек-
троны отличаются и прочие металлы. Особенность
легко объяснимая — ведь количество электронов на
внешних оболочках атомов металла меньше половиьы
восьми (1, 2, 3). Например, у типичного проводника —
алюминия (рис. 24) — электронов во внешней оболоч-
ке три. Алюминий — элемент трехвалентный. Для него
более вероятным является потерять эти три непрочно
связанных с атомом электрона, чем получить от
соседей недостающие до стабильности пять новых элект-
23
Рис. 23

ронов. Потеряв свои три валентных электрона, атом алюминия обра-
щается в ион алюминия А1 + + + с тремя положительными неуравнове-
шенными зарядами и по этой причине способный присоединить к себе
три каких-нибудь одновалентных иона с противоположным знаком
заряда, например образуя А1С13.
Металлы являются, так сказать, расточителями электронов. Эти
освободившиеся электроны и сообщают металлу хорошую электропро-
водность. Возьмем теперь в качестве примера типичный металлоид—
серу. По схеме ее атома видно, что у нее на внешней оболочке электро-
нов больше половины восьми, именно шесть, и для серы более вероят-
ным является захват дополнительных двух электронов, чем утрата всех
шести крайних электронов. Сера является, таким образом, «ловушкой
электронов». Ион серы в случае захвата атомом двух электронов имеет
два неуравновешенных отрицательных зарядаS~~. Известное соедине-
ние серы H2S (сероводород).
В твердом состоянии металлы образуют решетку, в узлах которой
находятся положительно заряженные ионы, в кристаллах же твердых
изоляторов решетка состоит не из ионов, а из нейтральных атомов.
Свободных электронов в них нет, и электропроводность их должна рав-
няться нулю. Между такими двумя крайними случаями — совершен-
ных проводников и идеальных изоляторов — возможны различные
промежуточные в зависимости от атомного строения элементов. Различ-
ные вещества обладают поэтому различной электропроводимостью, или,
чаще говорят, различным электрическим сопротивлением. В таблице
приведены примеры наиболее хороших проводников и изоляторов
Вещество Удельное сопротив- Вещество Удельное сопротив-
ление в ом-см ление в ом-см
Серебро . . 0,016-10"4 Стекло .... 1012
Медь .... 0,017-Ю-4 Кварц .... 1018
Алюминий . 0,029-10~4 Янтарь .... 1019
от 0,0000016 до 10 000 000 000 000 000 000 om-cmI Едва ли можно ука-
зать другую физическую величину, числовые значения которой колеба-
лись бы в столь широких пределах.
Число свободных электронов в металлах близко к числу атомов
в нем, во всяком случае оно огромно. Это связано с тем, что от каждого
атома, как было уже сказано, отделяется по одному или больше элект-
ронов, которые и блуждают между положительными ионами решетки.
Ионы решетки находятся при этом в колебательном состоянии. При
прохождении тока дрейфующие электроны, сталкиваясь с ионами, от-
дают приобретенную от внешнего поля энергию и колебания решетки
усиливаются — металлический проводник нагревается током.
24

Сопротивление проводников зависит также от температуры. С по-
вышением температуры оно увеличивается, потому что пробираться
электронам среди быстро колеблющихся ионов труднее, чем если бы ионы
двигались медленнее или совсем были бы неподвижны,
б) ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Поразительные достижения современной электротехники были бы
невозможны, если бы одновременно с металлами люди не научились
использовать и материалы с противоположными проводникам электри-
ческими свойствами — изоляторы, или диэлектрики. За последние де-
сятилетия техника выдвинула на сцену новый вид материалов, занимаю-
щих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и
получивших поэтому название полупроводников. К ним относятся и не-
которые химические элементы (германий, кремний, селен), а также и
соединения элементов (кислородные, сернистые и др.).
Основное отличие их от проводников заключается в том, что вслед-
ствие более прочной связи электронов с атомами число свободных элект-
ронов в них значительно меньше числа атомов. Повышение температуры
вызывает резкое увеличение числа свободных электронов и вместе с тем
увеличение электропроводимости. В этом отношении свойство полу-
проводников обратно свойству металлов. В металлах, как известно,
сопротивление с повышением температуры возрастает.
Не только нагревание, но и другие внешние воздействия на полу-
проводники — свет, рентгеновские или ультрафиолетовые лучи, радио-
активное излучение — приводят к увеличению проводимости. Эта осо-
бенность полупроводников и объясняет чрезвычайное разнообразие
практического применения их в современной технике. Особенно боль-
шое применение из полупроводников находят германий и кремний.
Попытаемся понять сущность процессов, происходящих в полу-
проводниках, и выяснить своеобразие явления проводимости их на
примере германия.
Германий принадлежит к IV группе периодической системы и
занимает в ней тридцать второе место. Это означает, что ядро его атома
имеет заряд в 32 положительные единицы, а вокруг ядра обращается
столько же электронов, орбиты которых расположены в четырех слоях,
или оболочках. Первой оболочке принадлежат 2 электрона, второй — 8,
третьей — 18, а во внешней незаполнен-
ной оболочке обращаются 4 электрона-
Германий — четырехвалентный элемент
(рис. 25). В твердом, кристаллическом
состоянии германий образует пространств
25
Рис. 25

Рис. 26
венную решетку (рис. 26). Атомы находятся в уз-
лах этой решетки, вернее, колеблются около узлов.
Связь между узлами осуществляется при помощи
валентных электронов. Чтобы нагляднее предста-
вить эту связь, мы изобразим строение кристалла
условно в виде плоской модели или схемы
(рис. 27). Атомы связаны парноэлектронными свя-
зями, распространяющимися и на соседние атомы.
Проследите за возможным передвижением какого-
нибудь электрона, и вы увидите, что он может
переходить от одного атома к другому, третьему
и вся совокупность атомов окажется опутана
(связана) множеством движущихся электронов. Такого рода элект-
ронная связь называется ковалентной связью. Собственно свобод-
ных электронов проводимости в рассмотренном нами случае нет.
Несмотря на оживленное внутреннее движение валентных электронов,
идеально чистый германий должен быть совершенным изолятором.
На рисунке 28 парноэлектронная связь показана еще более упрощенно.
Из этого рисунка видно, что каждый из атомов германия связан парны-
ми связями с четырьмя соседними атомами. Это в итоге приводит к
образованию устойчивой восьмиэлектронной системы.
Допустим теперь, что в некоторых атомах под влиянием внешних
воздействий (повышения температуры и др.) произошел обрыв одной
такой связи и некоторые электроны стали свободными, хаотически пе-
ремещающимися внутри решетки. В том месте, где произошел такой
разрыв, не хватает электрона, и это место получило образное название
«дырки», или «положительной дырки», так как отсутствие электрона
в прежде нейтральной системе можно рассматривать как наличие поло-
жительного заряда (рис. 29). На это свободное место может перескочить
электрон от соседнего атома, что, конечно, приведет к возникновению
«дырки» в этом последнем. Перескок электронов сопровождается, таким
образом, «перемещением дырок».
Есть интересная игра-головоломка под названием «пятнадцать».
В коробочке уложено плотно 15 квадратных нумерованных шашек, по
четыре в ряд в каждом ряду, за исключением одного, где помещены три
шашки и оставлено пустое место, «дырка», для недостающей шестнадца-
той. Игра заключается в том, чтобы, не вынимая шашек из коробочки, а
только передвигая на свободный квадратик, расположить их в порядке
чисел натурального ряда: 1, 2, 3, 4,...,1&. Рисунок 30 показывает один
Рис. 28
Рис. 2d
Рис. 27

из возможных вариантов расположения шашек и способ успешного ре-
шения задачи. Перемещение свободного места в коробочке аналогично
движению «дырки» в полупроводнике.
В электрическом поле «дырки», так же как и свободные элект-
роны, совершают направленный дрейф, но в противоположную сторону
(от +к—). От латинского названия отрицательный (заряд электрона) —
negativ — электронную проводимость называют я-проводимостью, а «ды-
рочная» проводимость называется р-проводимостью, от латинского
positiv — положительный. Чистый полупроводник обладает смешанной
проводимостью.
Когда же к полупроводнику прибавляется небольшое количество
примеси, по нашему желанию он получает или «дырочную», или элект-
ронную проводимость. Обратимся опять к германию. Электронная про-
водимость получается в том случае, если примешивается элемент с ва-
лентностью, на единицу большей, нежели валентность германия, на-
пример мышьяк (As) или сурьма (Sb). Атомы этих элементов пятой группы
периодической системы имеют пять валентных электронов. Из них че-
тыре пойдут на образование четырех электронных парных связей, а пя-
тый остается свободным (рис. 31), и мы получим кристаллы с электрон-
ной проводимостью. Если же заменить некоторые атомы германия ато-
мами элементов третьей группы — индием (In), галлием (Ga), алюминием
(А1), то чужой примесный атом сможет образовать только три электрон-
ные пары с германием, для образования четвертой электронной пары
у примесного атома не хватит одного электрона. Образуется «дырка», и
кристалл будет обладать «дырочной» проводимостью (рис. 32).
Где же и как могут быть использованы удивительные свойства по-
лупроводников?
Сначала познакомимся с двумя способами применения полупро-
водников, которые встречаются во многих радиоэлектронных устройст-
вах,— применением их в качестве выпрямителей и в качестве усилите-
лей тока и напряжения.
Выпрямители. Приведя в тесное соприкосновение два полу-
проводника с различным типом проводимости (р и /г), можно получить
устройство — полупроводниковый диод, пропускающий ток преиму-
щественно в одном направлении (от р к п). Но почему? На границе со-
прикосновения полупроводников образуется тончайший, в доли мик-
рона, слой, в котором вследствие перехода через границу противопо-
ложных зарядов происходит обеднение основными носителями зарядов.
Рис, 31 Рис. 32

Этот слой обладает поэтому повышенным сопротивлением, он
называется запирающим слоем. Подведем теперь к концам
диода переменное напряжение (рис. 33). В тот момент, когда
у «дырочного» полупроводника оказывается положительный,
а у электронного — отрицательный полюс, под действием
приложенного поля «дырки» и электроны будут двигаться в
направлении к запирающему слою и обогащать его носите-
лями зарядов, сопротивление уменьшится, в цепи пойдет ток
от +к —. Во время другого полупериода, когда поле изме-
нит свое направление на обратное, электроны и «дырки» сдви-
нутся от пограничного слоя, запирающий слой станет
шире, сопротивление его сильно возрастет, ток практически
запрется до новой перемены направления поля (рис. 34).
Такое же объяснение имеет выпрямляющее действие
кристаллического детектора в радиоприемниках, а также
действие применяемых для зарядки аккумуляторов купрокс-
ных и селеновых выпрямителей. Крошечные размеры, высо-
кий к. п. д., механическая прочность и почти не ограничен-
ный срок службы составляют преимущество полупровод-
никовых выпрямителей перед ламповыми (рис. 35). На
рисунке показана сравнительная величина германиевого
диода ДГ-Ц4 и знакомого радиолюбителям лампового диода—
кенотрона 5Ц4С. Условное обозначение диода показано на
рисунке 36.
Усилители. Использование двойного электронно-
дырочного перехода привело к появлению полупроводнико-
вых триодов или транзисторов, применяемых для усиления
тока или напряжения.
Рассмотрим схему одного из вариантов полупроводни-
кового усилителя (рис. 37). Транзистор представляет собой
соединение трех полупроводников, например, в такой по-
следовательности: р—п—р — к полупроводнику с электрон-
ной проводимостью (п) с двух сторон присоединяются полу-
проводники с «дырочной» проводимостью (р). Левый (вход-
ной) полупроводник называется эмиттером (от слова
эмиссия —испускание). Под действием электрического поля
напряжением 1,5 в «дырки» из эмиттера «впрыскиваются»
в промежуточный слой. Промежуточный слой носит наз-
вание «базы». Толщина промежуточного слоя очень мала —
несколько микрон, и потому «дырки», проникшие в базу, не
успевают нейтрализоваться ее электронами и проходят под
действием поля правой батареи в третью часть триода —
коллектор. Таким образом, через весь триод идет ток от
Рис. 36

эмиттера к коллектору почти одной величины. Незначительное изме-
нение напряжения в цепи вызывает изменение тока как в эмиттере,
так и в коллекторе. Благодаря большому нагрузочному сопротивлению
в цепи коллектора напряжение на выходе изменяется значительно
сильнее, чем напряжение, подаваемое на эмиттер.
Крошечные по размерам, иногда в несколько миллиметров, полу-
проводниковые выпрямители и усилители позволяют применять их в са-
мых маленьких радиоприемниках (рис. 33).
Электрическая схема слуховых очков (рис. 39) показывает до-
вольно сложное их устройство. Обратите внимание на малюсенькую ба-
тарейку питания всей системы.
Многие применения полупроводников основаны на их
чувствительности к изменению температуры. Повышение о
температуры на 1° увеличивает электропроводимость на
3—6%, повышение на 100° вызывает увеличение элект-
ропроводимости в 50 раз. Это позволяет использовать
полупроводники в устройстве очень чувствительных
термометров.
Размещенные в различных точках какого-нибудь
теплового агрегата (например, на теплоходе), они позво-
Рис. 39
Рис. 37
Рис. 38

ляют контролировать его тепловой режим. В
биологии и медицине такие приборы (термис-
теры) делают возможным измерение температу-
ры листьев растений или отдельных точек на
поверхности кожи.
При одностороннем нагревании спаев раз-
личных полупроводников или полупроводников
и металлов они могут служить источниками
электрической энергии. Используя, например,
тепло керосиновой лампы, такие термоэлект-
рогенераторы обеспечивают питание некоторых
батарейных радиоприемников (рис. 40).
Полупроводники могут превращать непос-
редственно энергию солнечных лучей в элект-
А. Ф. Иоффе рическую энергию. Такие солнечные батареи
устанавливаются на космических кораблях.
Полупроводниковые холодильники и нагреватели скоро станут
обычным бытовым прибором.
Академик А. Ф. Иоффе, работы которого в области полупроводников
получили всемирную известность, рисовал даже такие заманчивые пер-
спективы, когда полупроводники можно будет весьма экономично ис-
пользовать для отопления жилищ. «Везде и всюду, где имеются в при-
роде или в производстве источники тепла, они будут производить элект-
рическую энергию. Везде, где есть электроэнергия, можно создавать
тепло или холод, осуществляя любые производственные процессы»,—
писал он. «По темпам развития и значению учения о полупроводниках,
одной их самых молодых отраслей науки, по возрасту совпадающей
с учением об атомном ядре, ее можно поставить непосредственно вслед
за ядерной физикой».
Подробнее о некоторых чудесных приборах полупроводниковой
техники мы еще будем иметь случай побеседовать в дальнейшем. Здесь
же мы ограничимся лишь первым ознакомлением читателей с особен-
ностью движения электронов в полупроводниках, столь отличного от
движения электронов в металлах.

ОНЯТИЕ О ЗОННОЙ ТЕОРИИ
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
Почему некоторые металлы (серебро, медь) обладают
большой электропроводностью, другие (висмут,
ртуть) — малой?
Почему углерод в виде графита — хороший проводник электри-
чества, а в виде алмаза — почти идеальный изолятор?
Почему у металлов проводимость при высоких температурах
меньше, чем при низких, а у полупроводников наоборот?
Классическая электронная теория проводимости, с основными
понятиями которой вы познакомились в предыдущей беседе («Дрейф
электронов»), не была в состоянии дать непротиворечивый ответ на эти
и многие другие подобные им вопросы. Поэтому мы и решаемся ввести
в книгу дополнительную главу о современной, так называемой зонной,
теории проводимости.
Зонная теория проводимости является одним из разделов кванто-
вой механики. Мы предлагаем эту главу в качестве дополнительной для
тех читателей, которые хотели бы в простом изложении ознакомиться
с этой теорией.
Лишенные возможности пользоваться математическим аппаратом,
мы вынуждены давать основные положения теории без математического
обоснования, как принципы, принятие которых позволяет объяснить
скрытую сущность явления проводимости. Но прежде всего нужно
несколько расширить те сведения о строении атома, которые были из-
ложены в беседе «Как был открыт электрон». Вы помните, что, согласно
основной схеме строения атома, предложенной Резерфордом, атом со-
стоит из положительно заряженного ядра и окружающей его оболочки,
состоящей из обращающихся вокруг ядра электронов, суммарный отри-
цательный заряд которых равняется заряду ядра. За подкупающее
сходство такой картины строения атома с картиной движения планет
вокруг Солнца теория Резерфорда получила название «планетарной».
Однако планетарная теория совершенно не затрагивала вопроса
о том, как располагаются электроны в оболочке. Равным образом не
связывала она и явления излучения света со строением атома. Между
тем на мысль о необходимости существования связи между излучением
и строением атома наводил известный уже тогда факт, что каждому хи-
мическому элементу в газообразном или парообразном состоянии ве-
щества соответствовал вполне определенный спектр.
31

Если через какой-нибудь газ, например водород или гелий, пропу-
скать электрический ток, то при некоторой степени разрежения газа,
заключенного в стеклянную трубку, он начинает светиться. Вы, ко-
нечно, видали световые рекламы из таких трубок, светящихся оранже-
вым светом (газ неон) или синим (аргон). Если рассматривать это све-
чение в спектроскоп, то мы увидим состоящие из нескольких цветных
линий спектры, свойственные соответствующим элементам. На цветной
вклейке показаны простейшие спектры, принадлежащие наиболее про-
стым по строению элементам — водороду и гелию.
Так как обнаружилось, что получаемые от данных газов спектры
независимо от количества взятого газа всегда состоят из одних и тех же
цветных линий, расположенных на одних и тех же местах спектра, то
естественно было предположить, что должна существовать непосред-
ственная связь между спектром и строением атома данного элемента.
Эту связь установил в 1913 г. датский физик Нильс Бор. Он усовершен-
ствовал теорию Резерфорда. В основу теории строения атома Бор
положил следующие постулаты (утверждения, принимаемые без доказа-
тельства):
1. Электрон, обращающийся вокруг ядра, может двигаться только
по некоторым, «разрешенным», орбитам. В планетной системе такого
ограничения не существует. Известно, что искусственные спутники
Земли могут быть запущены на любую наперед вычисленную орбиту.
2. Электрон, движущийся по какой-либо разрешенной орбите, мо-
жет двигаться сколь угодно долго, не излучая энергии. Если бы он из-
лучал энергию, то он должен был бы уменьшать свою скорость и, при-
ближаясь по спирали к ядру, в конце концов упал бы на него. Выдвигая
свой второй постулат, Бор не дает ему никакого объяснения. Единст-
венное заключение, которое мы можем пока из этого сделать, это то, что
законы классической механики не могут быть применимы безоговорочно
к явлениям микромира атомов.
3. Третий и последний постулат Бора относится к излучению света
атомами. Имеется не одна, а ряд разрешенных орбит, на которых может
находиться данный электрон. Ближайшая к ядру орбита соответствует
устойчивому состоянию электрона. Находясь на этой орбите, электрон
может неограниченно долго обращаться вокруг ядра. Но если сообщить
каким-либо образом электрону добавочную энергию извне, то при оп-
ределенной величине порции добавочной энергии он может перескочить
на более удаленную орбиту или даже совсем покинуть атом. В послед-
нем случае атом, потерявший электрон, называется «ионизованным»;
если же электрон остается в системе атома, но только переходит на бо-
лее удаленную орбиту, то атом становится «возбужденным».
Плазма. Различают четыре состояния вещества —твердое, жидкое, газообраз-
ное и плазменное. Плазма —это ионизированный газ. Плазменное состояние очень
распространено: далекие туманности и гигантские звезды, газ в светящих газораз-
рядных трубках городских реклам и лампах дневного света — вот примеры плаз-
менного состояния вещества.

Рис. 41
Электрон в возбужденном атоме обладает запасом потенциальной
энергии. Состояние возбуждения длится очень недолго (около миллиард-
ной доли секунды). Как и всякая система, электрон в атоме стремится
перейти к состоянию с минимальной потенциальной энергией и воз-
вратиться на нормальную (ближе расположенную к ядру) орбиту. При
этом излучается избыток сообщенной атому энергии в виде света —
в спектроскоп можно увидеть цветную линию на определенном месте.
Какую и где, это зависит от порции энергии, отдаваемой электроном
при перескоке.
Поскольку в атоме каждого элемента возможны только некоторые
разрешенные орбиты для электронов, то получать и испускать энергию
атом может только строго определенными порциями — квантами. Ни-
чего подобного не имеет места в планетной системе. Ведь не может,
скажем, наша Земля перескакивать с одной орбиты на другую. И к сча-
стью, а то каково бы нам было, если бы она так делала. Поймите
правильно эту шутку, имеющую целью только еще раз подчерк-
нуть, что законы микромира атома отличны от законов макромира.
Теория Бора оставила, однако, неразрешенными ряд затруднений.
Прежде всего она не ответила на вопрос, почему имеются только неко-
торые разрешенные орбиты. Попытку разрешения этого вопроса делает
волновая механика.
Новые идеи, развитые физиками Гейзенбергом и Шредингером
(1925, 1926), совершенно меняют наше представление об электроне.
С понятием электрона связывается теперь понятие о волновом процессе.
Электроны обладают одновременно и корпускулярной, и волновой при-
родой. Когда волна, обойдя вокруг центра (центра масс системы «ядро —
электрон»), возвращается в той же фазе (рис. 41), с какой она начала
движение, мы имеем дозволенную орбиту, движение может продолжаться
непрерывно до бесконечности. Когда же она приходит в фазе, не совпа-
дающей с исходной, то орбита не может замкнуться. Такая орбита
невозможна, «недозволена».
К сожалению, математические трудности квантово-волнового уче-
ния заставляют нас отказаться от более детального объяснения.
После этих предварительных разъяснений о природе атома обра-
тимся к изложению основных понятий зонной теории, которая позволит
нам получить ответы на поставленные в начале статьи вопросы, касаю-
щиеся электропроводности твердых тел.
Прежде всего мы должны будем усвоить понятие об энергетических
уровнях атома. Когда электрон переходит на новую, более удаленную
Цветомузыка. Музыка в сочетании с свето-цветовым аккомпаниментом позво-
ляет соединить воедино в восприятии человека звук и цвет. Электроника, автома-
тика, новейшая светотехника позволяют с помощью микрофона преобразовать звуки
исполняемого музыкального произведения в электрические сигналы, которые после
ряда последующих превращений (см. блок-схему вверху вкладки) дают световые
эффекты, соответствующие музыкальной партии.
3 И. М. Б л уд о в

от ядра, орбиту, то этим он обязан получению извне определенной пор-
ции энергии и, следовательно, на новой орбите он обладает большей
энергией. На языке зонной теории это означает, что электрон переходит
на более высокий энергетический уровень.
Согласно квантовой теории, такой переход на новую орбиту, или,
иначе говоря, на новый уровень энергии, происходит не путем непре-
рывного перемещения, а скачками. Электрон получает энергию»
порциями и как бы поднимается по лестнице на одну или несколька
ступенек, но никогда не может оказаться между ступеньками. Так
получается первая основная картина, которая нам понадобится для по-
нимания зонной теории (рис. 42). Учтите, что высота ступеньки вовсе не
совпадает с пространственным удалением электрона от ядра, помните,
что вертикальный масштаб энергетического графика приводится в еди-
ницах энергии, а не в единицах длины. Энергетические уровни на
графике изображаются рядом горизонтальных линий — разрешенных
уровней энергии. Самый нижний уровень соответствует минимуму
энергии, какой обладает электрон в невозбужденном атоме.
Почему все электроны, подчиняясь условию наибольшей устой-
чивости системы при минимуме потенциальной энергии, не упадут на
этот нижний уровень? Фундаментальное положение квантовой теории —
принцип Паули — дает на это ответ. Согласно этому принципу два
или больше электронов не могут одновременно находиться в одной си-
стеме в тождественном квантовом состоянии. Уровень, занятый элект-
роном, оказывается «заполненным», и принцип Паули запрещает дру-
гому такому же электрону перейти на этот уровень. Поэтому остальные
электроны вынуждены селиться на следующих ступеньках энергети-
ческой лестницы.
Обратите внимание еще на следующую условность энергетических
графиков. Движение электрона по энергетической лестнице никак нель-
зя отождествлять с фактическим движением электронов в пространстве.
Ограничимся сказанным об энергетических уровнях изолированно-
го атома и обратимся к твердому телу как огромному скоплению атомов..
По их способности проводить электрический ток твердые тела мо-
гут быть разделены на три группы: проводники, диэлектрики (изоля-
торы) и полупроводники. Чем же объясняется различие между ними?
Зонная теория дает на это ответ, не вступающий в противоречие с
фактическими особенностями явлений электропроводимости твердых тел.
Как известно, для твердого тела характерным является кристаллическое
строение. Именно применительно к кристаллам и была разработана
(1928—1930) Блохом, Бриллюэном и др. зонная теория твердого тела.
При сближении атомов и образовании кристаллической решетки
взаимодействие между атомами приводит к тому, что уровни валентных
электронов смещаются, расщепляются и расширяются, превращаясь
34

в зоны. В силу принципа Паули энергетические уровни электронов
одинаковых атомов, входящих в систему, не могут быть одинаковыми.
Поэтому вместо одного уровня в кристалле, состоящем из N атомов,
образуется N уровней, несколько отличающихся друг от друга. По-
скольку N — число очень большое, энергетическому уровню атома
в твердом теле соответствует энергетическая зона. В пределах этой зоны
энергия электрона может изменяться практически непрерывно. Зоны
разрешенных энергетических уровней разделены зонами, в которых
электрон находиться не может, это — «запрещенные» зоны. На рисунке
изображен график разрешенных и запрещенных зон.
Электрический ток в зонной теории истолковывается как переход
с низшего уровня на высший в пределах зоны. Однако для возможности
такого перехода необходимо, чтобы в зоне имелись незанятые «вакант-
ные» уровни, только тогда будет выполнено условие, требуемое прин-
ципом Паули. Таким образом, необходимым условием проводимости
является наличие в зоне свободных энергетических уровней. Поэтому
такие незаполненные зоны называются зонами проводимости.
Нижние зоны, как зоны наименьшей потенциальной энергии, всегда
заполнены. Их электроны в явлении электропроводности не участвуют,
так как для переброса их в верхние, свободные, зоны потребовалась бы
энергия, значительно превышающая ту, которую могут сообщить обыч-
ные электрические генераторы. В явлениях электрического тока могут
участвовать лишь электроны верхних зон, но и то при условии, что
в них имеются незаполненные уровни. Рисунок иллюстрирует сказанное
о различии проводников и непроводников (диэлектриков).
В некоторых случаях незаполненная и заполненная зоны могут
перекрываться (рис. 43), запретная зона между ними закрывается и
образовавшаяся от слияния двух зон новая, более широкая, отвечает
вышепоставленным условиям проводимости — перед нами проводник.
Именно такой случай мы имеем в кристаллах графита. В то время как
обладающие решеткой иного строения кристаллы алмаза не дают пе-
рекрытия зон, и алмаз относится к непроводникам.
Различия в электрических свойствах различных твердых тел объяс-
няются различным заполнением электронами разрешенных зон и
35
Prc. 43

Рис. 44
Рис. 45
Рис. 46
шириной запрещенных полос. По характеру распределения зон
полупроводники приближаются к диэлектрикам, с той только
разницей, что интервал между заполненной зоной и зоной про-
водимости у полупроводников значительно меньше, чем у ди-
электриков (рис. 44).
При низких температурах полупроводники не проводят тока, но
при повышении температуры их электропроводность резко увеличи-
вается. Незначительного повышения температуры достаточно, чтобы
электроны могли перескакивать узкую запретную зону и попадать
в зону проводимости. Конечно, тепловое движение узлов кристалли-
ческой решетки полупроводника усиливается при возрастании темпе-
ратуры, как и у металлов. Это колебательное движение узлов ре-
шетки полупроводника также препятствует направленному движению
электронов. Но увеличение количества носителей зарядов при на-
гревании преобладает в полупроводнике над этим процессом, и в целом
сопротивление его с повышением температуры уменьшается.
Проводимость химически чистых полупроводников называется
собственной проводимостью. В практическом применении полупровод-
ников, однако, большее значение имеет так называемая примесная про-
водимость. Введение в полупроводники примесей приносит с собой и
примесные энергетические уровни, или узкие полосы, которые распола-
гаются в запрещенных зонах.
Как уже было сказано, примеси могут быть двоякого рода. Одни
из них являются поставщиками добавочных электронов. Такие примеси
называются «донорами». Донорные уровни располагаются вблизи нижней
границы свободной зоны проводимости и потому легко могут впрыски-
вать в нее свои электроны (рис. 45). Химически это примеси элементов
с валентностью, на единицу большей, чем валентность основного по-
лупроводника (например, примесь атомов сурьмы или мышьяка в гер-
мании). Донорные примеси обеспечивают электронную проводимость.
Другие примеси приводят к появлению в запретной зоне энергетических
уровней ближе к заполненной зоне и потому побуждают электроны из
близко расположенной заполненной зоны перескакивать на эти уровни,
принимающие их на себя (рис. 46). Такие уровни называются акцеп-
торными уровнями. Химически такие примеси представляют собой ато-
мы элементов с валентностью, на единицу меньшей, чем валентность
основного полупроводника (например, атомы бора или индия, приме-
шанные к германию). Переход электронов из заполненной зоны на ак-
цепторный уровень создает в заполненной зоне пустые места — «дырки».
Такая проводимость называется «дырочной» или проводимостью р-типа.
В заключение отметим, что зонная теория, основные понятия кото-
рой мы сейчас изложили, имеет огромное значение в самых разнообраз-
ных областях науки и техники.
36

ТРЕМИТЕЛЕН МОЛНИИ БЕГ...
Жаркий июльский день! С утра на небе ни облачка,
трудно было поверить предсказанию бюро прогнозов
погоды: «Во второй половине дня дождь и гроза».
Но душно, в воздухе «парит», и стрелка барометра заметно отклоняется
влево. После полудня стали появляться облака, все больше и больше.
Иногда они закрывают солнце. С запада надвигается огромная туча.
На высоте в несколько тысяч метров она принимает причудливую форму
гриба или наковальни (рис. 47), еще выше можно заметить белые
нити перистых облаков —скопления кристалликов льда. Это ливне-
вое облако, ниже, к горизонту, оно сплошной свинцово-серой пеленой
затянуло небо. Сомнения нет: будет гроза! Успеют ли дети вернуться
из леса? А вот, к счастью, и они! Игорь, Володя, Лиля и приехавшие
из города гости, Олег с сестрой Наташей, со смехом бегут и вперегонки
влетают по ступенькам дачной террасы.
— Ну хорошо, что вернулись! Будет страшная гроза, идите в ком-
наты, мойте руки, сейчас будем обедать! — говорит хозяйка дома
Мария Николаевна.
— Подожди, мамочка! Гроза еще далеко!.. Ах!
— Молния! А что же гром? Ага, вот и он!
Глухой, словно подземный гул, то усиливаясь, то затихая, заста-
вил тревожно переглянуться присутствующих.
— А все-таки гроза еще далеко!— заявил Игорь.— Вон как долго не
слышно грома после молнии! Я сейчас рассчитаю и скажу, как далеко
гроза. Вот опять... Раз, два, три,..., девять, десять! Гром! Я считал мед-
ленно, почти по секундам, значит, гроза от нас еще на 340 X 10 метров,
приблизительно на три с половиной километра. Ведь звук в воздухе рас-
пространяется со скоростью 340 метров в секунду, а в жару, как сего-
дня, и еще быстрее... Опять! Раз,-два, три,..., пять, шесть, семь, восемь!
Ого! Сейчас она уже на 700 метров ближе! Через несколько минут она
будет здесь!
Поднявшийся ветер погнал пыль по дороге, сильным порывом за-
хлопнул стеклянную дверь на террасу...
— Скорее в комнаты! Можно любоваться грозой и через окно!
Вспышки молнии и теперь уже почти непосредственно за ними следую-
щие удары грома свидетельствовали о том, что гроза совсем близко. Вот
упали и первые тяжелые капли дождя. Ослепительный блеск и тотчас
же страшный удар, словно небо раскололось над домом. На мгновение
37

какая-то тишина и затем ливень как из
ведра! Опять сверкнуло! Опять похожий
на взрыв треск грома!
Разговоры прекратились. Девочки,
Наташа и Лиля, жмутся друг к другу,маль-
чики, чтобы не выдать страха, подбадри-
вают себя восклицаниями:
— Вот это так! Здорово!
Но вот опять между молнией и громом
можно уловить промежутки, и они становятся все больше и больше.
Гроза удаляется. Небо светлеет, можно садиться обедать. Но долго еще
не могут успокоиться нервы, и разговор за столом идет о различных
необыкновенных случаях.
— Я всегда боюсь таких гроз,— говорит Мария Николаевна.— Вы не
поверите, Василий Иванович, но у нас тут какое-то заколдованное место,
излюбленное молниями. Вон там на повороте дороги молнии так и бьют
в землю и не бывает почти года, чтобы они не расщепили какой-нибудь
столб электропередачи, идущей в поселок. Тогда мы целые сутки сидим
без тока, пока не починят линию.
— Думаю, что это объясняется строением подпочвенных слоев
в этом месте, обеспечивающих хороший путь электрическим разрядам.
Между прочим, дети, знайте, что во время грозы никогда не надо пря-
таться от дождя под дерево. Особенно часто поражает молния дубы.
Когда я был еще мальчиком, мне подарили книгу Фламмариона «Атмо-
сфера». Там приводится любопытная статистика: из ста шестидесяти
случаев попадания молнии в деревья, зарегистрированных автором,
54 приходится на дуб, 24 — на ясень, 10 — на ель и ни одного на бе-
резу! В этой книге, впрочем, описано много фантастических случаев,
проказ молнии. Трудно отличить в этих рассказах вымысел от истины:
тут и несчастный случай с человеком, якобы сожженным дотла,
причем одежда остается нетронутой, тут и раздевание человека молнией
догола без малейшего повреждения, даже воровство монет из кар-
мана, причем молния, похитившая их, оставляла кошелек в целости.
Особенно много описано чудес, якобы натворенных шаровой молнией.
— А мы видели прошлым летом шаровую молнию,— перебивает
рассказчика Лиля.— В такую же вот грозу мы с Петей выскочили на
террасу и видели: вон там из-за груши вдруг выплыл красноватый шар,
вроде как луна сквозь туман, и полетел вон туда, к тому дереву. Что
было дальше, не знаю — мы испугались и убежали в комнаты.
— Это что! А вот один знакомый рассказал мне, как шаровая мол-
ния забралась к нему в комнату. Он не боится грозы, и вот однажды
ночью около 11 часов во время сильной грозы лег он в постель и заснул.
Вдруг сильный удар грома заставил его проснуться. Потом бле-
38

снула молния, комната осветилась осле-
пительным светом и сейчас же страш-
ный удар! Попало в дом?! Нет, через
мгновение снова все погрузилось в тем-
ноту. Можно продолжать спать дальше.
Но вдруг он замечает какое-то необыч-
ное сияние и какое-то шипение около
спинки кровати, где на стене установ-
лена розетка для ночника. Он оборачи- Рис 48
вается и цепенеет от ужаса: на розетке
сидит светящийся шар величиной с голову ребенка. Сидит и шипит!
Потом отделяется от розетки, медленно проплывает вдоль шнура к
электрической лампочке, поставленной на ночном столике около кровати
(рис. 48). Похоже на мыльный пузырь, освещенный изнутри каким-то
адским фосфорическим светом. Дальше шар соскакивает на столик,
несколько секунд словно раздумывает, куда двинуться дальше, и, на-
конец, скатывается со стола и медленно уплывает вниз, на пол, и
вдруг бесследно исчезает. Ни шнур, ни пол нисколько не были по-
вреждены, но на столике осталась выжженная дорожка.
— А что такое шаровая молния, дядя Вася?
— К сожалению, не могу точно сказать. Физики еще очень мало
знают о ней. Шаровая молния — сравнительно редкое явление. На ты-
сячу линейных молний приходится примерно одна шаровая. Описания
«очевидцев» часто приукрашены фантазией. Но все же в литературе
имеется описание нескольких сот достоверно зарегистрированных слу-
чаев шаровых молний. По-видимому, шаровая молния — это вторичное
явление, сопровождающее, при соответствующих условиях, удар основ-
ной линейной молнии. Часто она появляется и исчезает бесследно, не
причинив вреда, но были случаи и трагических последствий при взры-
ве такой молнии. Продолжительность жизни шаровой молнии — от не-
скольких секунд до двух минут. Бывают красноватые, бывают белые
молнии. По-видимому, наиболее безвредны красноватые шаровые мол-
нии. Движутся они со скоростью около 2 метров в секунду. В помеще-
ниях они появляются чаще у электрических проводов и металлических
предметов, входят через замочное отверстие.
Не успел рассказчик закончить, как посыпались новые вопросы:
— Отчего бывает гроза? А почему зимой гроз не бывает?
— Сколько стоит, по вашему расчету, такая гроза, как сегодня?
И можно ли использовать энергию молнии?
— Грозовые явления издавна интересуют людей. Еще в древней Руси
калики перехожие (нищие слепцы) ходили по деревням и селам и распе-
вали стих о «Голубиной книге», где тоже первым вопросом было:
«Откуда на земле громы пошли?»
39

Рис. 49
Различают несколько видов гроз: теп-
ловые, или летние грозы, и фронтовые,
которые бывают и зимой. Так что, зимой
грозы тоже бывают.
Появление гроз зимой ли, летом ли
связано с образованием облаков и выпаде-
нием осадков.
Знаете, с чего началась моя работа
метеоролога? В школе у нас была уст-
роена метеорологическая площадка, и
учитель организовал кружок юных метеорологов. Мне особенно
нравилось наблюдать за облаками. Я научился фотографировать их.
У меня был альбом разных типов облаков.
— А разве облака бывают разных типов?
— Ну конечно! Чтобы убедиться в этом, не надо даже особой на-
блюдательности. Есть низкие облака. Они бывают на высоте двух ки-
лометров и ниже, так называемые слоистые облака, придающие небу
пасмурный однообразный вид. А есть облака хорошей погоды, самые
красивые, кучевые облака, напоминающие форму снежных гор или
сказочных воздушных замков (рис. 49). Они бывают только в теплое
время года.
С восходом солнца поверхность почвы, трава, вода в водоемах на-
чинают нагреваться. От соприкосновения с ними начинают нагреваться
и прилегающие слои воздуха. Нагретый и ставший менее плотным,
воздух быстро поднимается вверх. В верхних, разреженных слоях ат-
мосферы он расширяется и так как при расширении совершается рабо-
та, то он охлаждается. При подъеме воздушные массы охлаждаются
примерно на 1 градус на каждые 100 метров высоты. Водяные пары,
поднятые вместе с воздухом, сгущаются в маленькие капельки. Вот и
образуются на голубом чистом небе эти прекрасные облака. Сколько
поэтических описаний их находим мы в литературных произведениях!
Мне лично особенно нравится одно место из описания донецкой степи
в романе А. Фадеева «Молодая гвардия»: «Необыкновенно чистые, яс-
ные витые облака кучились в голубом небе, и не было бы ничего уди-
вительного, если бы вылетели из этих облаков белые ангелы с серебря-
ными трубами». Дивно красиво! И это в те суровые дни, когда тревогой
сжимались сердца людей и страшная угроза нависла над Родиной.
— Но где же изучают эту прекрасную науку об облаках,
о погоде? Как бы хотелось изучать все это!
— Раньше в Москве был Гидрометеорологический ин-
ститут, теперь он переведен в Ленинград, в Москве же есть
кафедра геофизики или физики атмосферы на физическом
факультете университета. Но мы отвлеклись. Так вот, обра-
40

зование облаков и осадков имеет прямое отношение к нашей бе-
седе.
Если подъема воздушных масс не происходит, то нет условий для
возникновения грозовых облаков и вообще грозы. В других случаях
мощные восходящие токи достигают скорости свыше 100 километров
в час. В результате происходит образование грандиозных облачных
скоплений, вершина которых может достигать чуть не 10 км. Этому
особенно благоприятствует влажная, парная, душная атмосфера в лет-
ние дни, как сегодня. Мы были свидетелями образования мощных гро-
зовых облаков. Скорость их движения сравнительно невелика,
и, кроме того, различные препятствия, например более холодные стол-
бы воздуха над реками или озерами, могут задерживать и ограничивать
их движение. Поэтому такие грозы имеют часто местное значение. Наи-
более часто грозы наблюдаются в жарких странах. Ни в какое сравне-
ние не идут с грозой, которую мы видели, грозы и ураганы тропических
стран. В странах с умеренным климатом грозы бывают значительно
реже и слабее. На крайнем же севере гроз обычно не бывает.
Фронтовые грозы вызываются не подъемом воздушных масс
в результате конвекции, а сдвигом их при вклинивании в теплые массы
холодных, более плотных. Клин такого холодного фронта поднимает
вверх массы теплого фронта. Движутся они растянутым фронтом с боль-
шой скоростью в направлении движения циклона. Быстрый подъем
подклиниваемых воздушных масс приводит, так же как и в случае силь-
ной конвекции, к образованию грозовых облаков. Так как образование
фронтовых гроз связано с движением циклонов, за движением которых
можно следить по составляемым в бюро прогнозов погоды синоптиче-
ским картам, то и наступление фронтовых гроз может быть более опре-
деленно предсказано, чем тепловых (местных) гроз, о которых в про-
гнозах обычно говорят несколько уклончиво: «возможна гроза». Это все
об образовании облаков и их движении. Но при чем тут электричество?
Ведь молнии — это гигантские электрические искры!
Электрические явления грозы непосредственно связаны с бурно
протекающим выпадением осадков. Сложные процессы трения, уда-
ров, расщепления капелек или ледяных кристалликов на части приво-
дят к образованию в облаках электрических зарядов. При этом поло-
жительно заряженные капельки обычно относятся воздушным потоком
в верхнюю часть облака (рис. 50). Замерзая в ледяные кристаллики, они
образуют шапку грозового облака. Рисунок показывает схему наибо*
Рис. 50

лее часто встречающегося распределения электрических зарядов в гро-
зовом облаке, хотя оно бывает и более сложное. Накопление в грозовом
облаке больших зарядов приводит к мощным искровым разрядам как
между отдельными частями облака, так и между двумя разными обла-
ками или между облаком и поверхностью земли. Эти разряды мы и
наблюдаем в виде молний. Напряжение между облаками и землей оце-
нивают в десятки и сотни миллионов вольт. Длина искры достигает
10 километров. Молнии предшествует появление слабосветящегося ка-
нала, распространяющегося в направлении к земле. Когда этот канал
достигнет земли, по нему устремляется главный разряд молнии со ско-
ростью в десятки тысяч километров в секунду. Таким образом, продол-
жительность молнии около 0,001 секунды. Поэтому если вам когда-
нибудь случится наблюдать движение пешеходов и автомашин ночью
в грозу, во время молнии, то картина, которая представится вам, будет
поразительной. Движение покажется прекратившимся, можно разли-
чить колеса, которые покажутся неподвижными. Пешеходы тоже будут
видны как бы застывшими в той позе, в какой их застал блеск молнии.
Слабосветящийся канал, предшествующий молнии, представляет собой
скопления ионизированных частиц. В воздухе всегда имеется некоторое
количество таких частиц. Под влиянием сильного электрического поля
между облаком и землей число этих частиц лавинообразно нарастает
(рис. 51). В процессе рождения новых ионов при расщеплении молекул
возникают излучения, распространяющиеся со скоростью света. Эти
излучения вызывают новые расщепления и появление новых лавин
(рис. 52). Прежде образовавшиеся лавины нагоняют их и сливаются
с ними в один еле светящийся электропроводящий канал, по которому
и устремляется мощный поток электронов — главный разряд молнии.
Скорость главного разряда порядка десятков тысяч километров в се-
кунду. Величина тока измеряется десятками и сотнями тысяч ампер.
«Стремителен молнии бег,
И разит она тяжким ударом!»
— Откуда это? И как можно измерить скорость молнии?!
— Это из поэмы «О природе вещей» римского поэта Лукреция.
А для определения тока молнии и для того, чтобы проследить ее раз-
витие, применяют фотографирование молнии при помощи специальной
быстро вращающейся камеры, так что на пластинке получается не одна,
а несколько молний, захваченных фотоаппаратом в различные моменты
развития молнии. Отсюда, понятно, можно и сделать расчеты. Впрочем,
в той же книге Фламмариона, о которой я вам говорил, имеется и такой
полезный совет любителям, следуя которому можно легко самым про-
стым способом определить быстроту проскакивания молнии. Нужно,
42

взять картонный кружок, разде-
ленный на секторы, попеременно
черные и белые (рис. 53). Этот кру-
жок может вращаться вокруг оси
с любой скоростью. Известно, что
световые впечатления глаз сохра- •
няет в течение около 1/10 доли
секунды. Поэтому если мы, на-
пример, будем вращать в темноте
раскаленный уголь, делая им по
десяти или более полных оборотов
в секунду, то увидим сплошной Рис 54
светящийся круг. Заставляя вра-
щаться с такой же скоростью наш картонный кружок, мы не в
состоянии будем отличить отдельные секторы, а увидим сплош-
ное серое поле. Но кружку можно сообщить вращение в десять и в сто
раз более быстрое. При этом если он будет освещаться только молнией,
то именно быстротой этого вращения мы можем измерять время вспышки
молнии. Если круг делает десять оборотов в секунду и при блеске мол-
нии мы видим его как бы стоящим в покое, т. е. различаем секторы, то
это значит, что вспышка продолжалась менее одной десятой секунды,
а если он кажется неподвижным только при ста оборотах, то значит,
что молния проскакивает менее чем в одну сотую секунды, и так далее.
Попробуйте сделать такие измерения и вы. Что же касается фотографи-
рования молний, то оно удается и любителям с самым обыкновенным,
неподвижным фотоаппаратом. Надо во время ночной грозы направить
аппарат на ту часть неба, где чаще сверкают молнии, и подождать.
Как только блеснет молния, закрывайте объектив, быть может, вам по-
счастливилось поймать молнию. Не думайте, что на фотографии она бу-
дет выглядеть в виде зигзага, какой изображают на плакатах по технике
безопасности. Нет, фотография молнии похожа на изображение реки
на географической карте, с многочисленными притоками и разветвле-
ниями (рис. 54). Это линейный, или ленточный, вид молнии, но бывают
и другие молнии: расплывчатые, шаровые. Расплывчатые молнии не
сопровождаются громом. Их называют зарницами, хотя более правиль-
но называть зарницей отблеск, отражение от воздушных слоев, очень
отдаленных молний, гром которых до нас не доходит.
— А гром чем объясняется? Почему сегодня, когда гроза была
далеко, были продолжительные глухие раскаты, а когда над нами,
то раскатов не было, а был только страшный треск?
— Ну, обычно ограничиваются указанием на то, что гром — это
звук, вызванный расширением окружающих канал молнии воздушных
масс, а раскаты происходят вследствие многократного отражения звука
43

от воздушных слоев разной плотности. В действительности дело об-
стоит сложнее. Кроме звуковых волн, во время разряда молнии возни*
кают еще взрывные волны, образующиеся за счет ряда взрывов по пути
молнии. Взрывные волны распространяются со скоростью, большей
звуковой, и воспринимаются как треск. От далеких же молний взрывные
волны доходят до нас сложным путем, то усиливаясь друг от друга,
то угасая.
В заключение отвечу на вопрос, «сколько стоит» сегодняшняя гроза
на наши деньги. Расчет, конечно, сделаем очень приблизительный.
Гроза, которую мы пережили, была не из очень сильных. Число молний
над ближайшей местностью примем за сто. Количество электроэнергии,,
как известно, подсчитывается так:
Энергия = Ток X Напряжение X Время.
Ток в нашем случае можно принять равным 10 000 ампер, напряжение—
10 000 000 вольт, продолжительность молнии — 0,001 секунды. Под-
ставляем эти данные в расчетную формулу:
Энергия = 10 000.10 000 000-0,001 = 100 000 000 (ватт-секунд), прибли-
зительно 30 киловатт-часов. При тарифе 4 копейки за 1 киловатт-час
одна молния обходится в 1 рубль 20 копеек, 120 рублей за сотню!
Об использовании этой энергии пока речи нет. Отдельные попытки
соорудить антенные установки для улавливания атмосферного электри-
чества развития не получили. Непостоянство местных значений тока,
напряжения и длительности молнии сводит на нет значение местных гро-
зовых станций. Однако статистика утверждает, что число гроз на всем
земном шаре равняется 1800 одновременно и что около 100 молний свер-
кает каждую секунду. Это уже дает большую мощность:
104107102! = 1013 (em) = 1010 (квт)\
Организация огромной единой сети грозовых станций, может быть,
заинтересует инженеров в будущем. Пока же люди больше внимания
уделяют не использованию, а защите от вредных последствий гроз.
Я не буду задерживаться на этом вопросе. Хочу только предупредить
и предостеречь вас от ошибки, которую часто допускают в объяснении
роли и действия громоотвода. Утверждают, что громоотвод принимает
на себя и отводит в землю грозовые разряды. В исключительных случаях
это возможно, новее же основное назначение громоотвода не принимать
на себя удар, а не допускать, чтобы такой удар произошел. Это дости-
гается тем, что с острия громоотвода происходит тихий разряд. При
этом напряженность электрического поля в некотором объеме вокруг
громоотвода уменьшается, вследствие чего уменьшается и вероятность
удара молнии.
44

ЕТВЕРТОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
[| (ПЛАЗМА)
Четвертое состояние?! Нет, это не ошибка. Мысль
о том, что число состояний, в которых может быть
вещество, не ограничивается тремя, давно возникала
в пытливых умах. Еще Фарадей 130 лет назад говорил об особом, отлич-
ном от обычного состояния — об «электротоническом», т. е. электро-
возбужденном состоянии материи, а в 1879 г. английский физик Крукс
озаглавил свой доклад так: «О лучистой материи, или четвертом состоя-
нии материи». И еще за две тысячи лет до нас глубокий аналитический
ум древнегреческих мудрецов-философов, стремившихся свести все раз-
нообразие мира к немногим основным началам, тоже не удовлетворился
тремя стихиями и к трем началам — «земля» (твердое), «вода» (жидкое),
«воздух» (газообразное) — добавил четвертое — «огонь». Разумеется,
этот огонь Аристотеля так же или даже более далек от «плазмы» совре-
менного физика, как атомы Демокрита от атомов Резерфорда и Бора.
Что же такое «плазма»? Плазмой называется высокоионизиро-
ванный газ, представляющий собой смесь электронов, ионов, нейтраль-
ных атомов и молекул частично в возбужденном состоянии. Как будет
видно из последующего, свойства плазмы настолько отличают ее
от обычных газов, что вполне заслуженно физики относят ее к особому,
четвертому, состоянию вещества. Где и при каких условиях возникает
это состояние? От примитивного костра до атомного реактора, от мини-
атюрной искры, которую можно извлекать из потертой о волосы гре-
бенки, до гремящего ствола молнии, от разноцветных рекламных тру-
бок и ламп дневного света до сверкающих солнц и космических туман-
ностей — вот многообразные и многочисленные случаи плазменного
состояния вещества (см. цветную вкладку).
Можно сказать, что плазменное состояние является основным со-
стоянием вещества в известной нам части Вселенной. Например, все
планеты нашей солнечной системы имеют общую массу, меньшую 0,002
части массы Солнца. Следовательно, на долю плазмы приходится
более 99% массы всей солнечной системы. Каковы же свойства плазмы,
заставляющие отличать ее от обычного газообразного вещества?
Как известно, газ является плохим проводником электричества.
Заряженный электроскоп, находящийся в сухом воздухе, остается очень
долго в заряженном состоянии. Через воздушный промежуток в месте
разрыва электрической цепи ток не проходит. Голые медные провода
45

при не слишком большом напряжении передают электрическую энергию
без утечки.
Чтобы среда могла проводить электрический ток, в ней необходимы,
как известно, носители электрических зарядов: в металлах это элек-
троны, в жидкости — положительные и отрицательные ионы, появляю-
щиеся в результате электролитической диссоциации. Чтобы газ сделать
проводящим, необходимо тоже вызвать расщепление его молекул
и атомов на ионы и электроны. Ионизация газа может быть вызвана
нагреванием ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами, а также
облучением от радиоактивных веществ и другими причинами.
К любимейшим и эффектнейшим опытам по физике в школе отно-
сятся опыты со свечением (рис. 55) так называемых трубок Гейслера
(фамилия стеклодува, прославившегося изготовлением таких трубок
причудливой, сложной формы). В трубках находится разреженный газ.
Под действием высокого напряжения от катушки Румкорфа или элек-
трофорной машины трубки начинают светиться мягким красивым
сиянием. В зависимости от природы газа цвет сияния различен: в воз-
духе оно фиолетовое, в водороде — розовое, в углекислом газе —
зеленое, но всегда волшебно красивое.
В школе демонстрируется опыт, показывающий ступени развития
электрического разряда по мере разрежения газа в трубке. Для опыта
берется стеклянная трубка длиной 40—50 см, в которую с обоих концов
впаяны электроды. Эти электроды присоединяются к источнику вы-
сокого напряжения. Трубка присоединяется при помощи толстостен-
ного резинового шланга к воздушному насосу, и из нее эвакуируется
воздух. Пока воздух в трубке находится под нормальным атмосферным
давлением, разряда практически не происходит — даже высокое на-
пряжение катушки Румкорфа не в состоянии пробить такого воздушно-
го промежутка. Происходит лишь слабый тихий разряд с образованием
короны (слабосветящихся кисточек) у электродов. По мере откачивания
воздуха из трубки давление в ней падает. Примерно при 40 мм рт. ст.
от одного электрода к другому пробегают светящиеся фиолетовые нити,
которые при дальнейшем разрежении воздуха утолщаются в яркие жгу-
тики, потом ленты, пока, наконец, трубка не заполнится вся фиолето-
вым сиянием. При еще большей степени разрежения светящийся столб
распадается на ряд полос (стратов). (Более мощные насосы могут при-
вести в дальнейшем к исчезновению свечения газа, но это уже новое яв-
ление, и мы его сейчас касаться не будем.)
При внимательном рассматривании све-
чения в темноте можно заметить, что между
розово-фиолетовым светящимся столбом, иду-
щим от положительного электрода («положи-
тельный столб»), и голубоватым сиянием,
46
Риг. 55

окружающим катод, имеются темные полосы («пространство Фарадея»
и «пространство Крукса»). Положительный столб занимает большую
часть трубки. Американский физик Лэнгмюр предложил в 1924 г.
для положительного столба название «плазма».
Объяснение физических процессов, происходящих в газоразрядной
трубке, сводится к следующему. В воздухе, заполняющем трубку,
всегда найдется хотя бы один положительный ион (например, как след-
ствие космической радиации). Под действием приложенного электричес-
кого поля он устремляется к катоду и, ударяя в него, выбивает из него
электрон. Последний, ускоряясь под действием поля, приобретает боль-
шую энергию и при столкновении с нейтральной молекулой расщепляет
ее, в результате образуются новый электрон и положительный ион. Обра-
зующиеся таким образом электроны при достаточном разрежении газа
в трубке могут развить во время свободного пробега достаточно большую
скорость и будут в состоянии разбить новые молекулы. Число ионов
и электронов лавинообразно нарастает. Удары о нейтральные молекулы
и атомы приводят их в возбужденное состояние. Это значит, что элек-
троны атомов перескакивают на более удаленные от ядра орбиты, за-
пасая в себе дополнительную потенциальную энергию. При обратном
возвращении на основную орбиту электроны отдают эту энергию в виде
энергии излучения (свечение). Рисунок показывает объемное распреде-
ление положительных и отрицательных зарядов по длине трубки. Оно
определяется при помощи впаянных в различных местах трубки зондов.
В положительном столбе находятся примерно равные количества по-
ложительных и отрицательных носителей зарядов, и потому плазма
электрически нейтральна. Это характерное свойство плазмы отличает
ее от других участков газа в трубке.
Спектральные исследования плазмы позволяют сделать заключение
и о ее структуре. Оказалось, что в плазме газового разряда скорости
теплового движения электронов и ионов, а также нейтральных атомов
резко различны. Наибольшую скорость хаотического движения в газо-
разрядной трубке имеют электроны. При столкновении с ионами или
нейтральными атомами электроны, имеющие значительно меньшую
массу, почти не изменяют своей кинетической энергии. Согласно законам
механики при ударе тел очень малой массы о другие массивные тела
почти не происходит обмена энергиями. Электроны отлетают от атомов
или ионов, подобно тому как отлетел бы резиновый мячик от железного
ядра, не изменив ни скорости, ни направления движения последнего.
Это обстоятельство позволяет говорить о собственной огромной темпера-
туре электронного газа плазмы. Несмотря на холодное свечение газо-
светной трубки, температура электронного газа достигает 50 и более тысяч
градусов. Такая газоразрядная плазма ввиду неоднородности темпе-
ратур ее составных частей получила название неизотермической плазмы.
47

Несколько иначе обстоит дело, когда электрический разряд про-
исходит в газе под давлением, равным атмосферному или больше. Пламя
электрической дуги, пламя в дуговых ртутных лампах высокого
давления имеет температуру от 3500° и до нескольких десятков тысяч
градусов. Температура ствола молнии, измеренная спектроскопически,
оказалась равной 30 000—35 000°. Разница температур электронного
и ионного газов здесь не так велика.
Плазма может образоваться не только при электрическом разряде
в газе. Она образуется и при сильном нагревании газа. Из плазмы со-
стоят недра звезд. Причем такая плазма отличается от газоразрядной
тем, что температуры в ней электронного газа и ионного газа одинако-
вы. Такого вида плазма называется изотермической.
Плазма по физическим свойствам отличается от газа тем, что она
обнаруживает хорошую электропроводность и теплопроводность. Одна-
ко если сравнить электропроводность плазмы с электропроводностью
металлов, то и тут бросается в глаза резкое различие их. Как известно,
для металлов зависимость тока от напряжения выражается законом
Ома. Величина тока в данном металлическом проводнике прямо про-
порциональна приложенному напряжению (рис. 56), что графически
изображается прямой линией. Крутизна поднятия прямой характери-
зует сопротивление проводника. С повышением температуры эта кру-
тизна возрастает, сопротивление металлов увеличивается, так как
колебания ионов в узлах кристаллической решетки затрудняют движе-
ние электронов.
Для плазмы закон Ома большей частью неприменим. Характери-
стика плазмы (график зависимости тока от напряжения) не прямая ли-
ния, а падающая кривая. С увеличением температуры и при увеличении
тока увеличивается число электронов в плазме, а потому величина не-
обходимого для разряда напряжения уменьшается. Уменьшение со-
противления плазмы может привести к опасному возрастанию тока, от
чего приходится защищаться применением добавочного последовательно
включенного «балластного» сопротивления. В этом отношении свойства
плазмы сходны со свойствами полупроводников. У полупроводников
сопротивление, так же как у плазмы, тем больше, чем ниже температу-
ра. Интересны свойства плазмы при температуре в миллионы градусов
(«горячая плазма»). Она почти не оказывает сопротивления электричес-
кому току. Ученые работают сейчас над созданием таких электродви-
гателя и генератора электрической энергии, в которых вместо метал-
лических проводов можно было бы использовать легкоподвижную,
обладающую ничтожным сопротивлением плазму.
Важнейшей проблемой современной физики является проблема
управления плазмой, проблема удержания плазмы в устойчивом со-
стоянии. Неизотермическая, газоразрядная плазма может сохраняться
48

лишь при наличии электрического поля. Напротив, изотермическая
плазма устойчива. Возникает вопрос, как, в каком сосуде удер-
жать вещество с температурой в сотни тысяч и миллионы градусов.
Казалось бы, задача принципиально неразрешима, так как любое
вещество переходит при такой температуре в состояние плазмы. Между
тем решение нашлось. Оказалось, что плазма может быть «подвешенной»
в магнитном поле и таким образом не будет касаться стенок сосуда,
которые иначе, конечно, были бы не в состоянии устоять против чудо-
вищной температуры плазмы.
Каково же значение плазмы в нашей жизни? Где она исполь-
зуется?
Пройдитесь вечером по улицам города. Всюду вам будут попадаться
«лампы дневного света». Такими лампами сейчас освещаются лабора-
тории и цеха фабрик и заводов, внутренние помещения магазинов,
станции метро и жилые дома. Их свет приближается к дневному,
а к.п.д. достигает 20—30%, что в 8 раз превышает к. п. д. ламп на-
каливания. Лампа дневного света представляет собой стеклянную
трубку, стенки которой изнутри покрыты люминофорами, люми-
несцирующими веществами, светящимися под действием ультрафио-
летовых лучей. Такими лучами богат свет паров ртути, наполняю-
щих трубку. Процесс люминесценции может
быть пояснен следующей схемой. Проникающая
ультрафиолетовая радиация возбуждает атом
люминофора (цинкбериллий силикат' и воль-
фрамат магния), т. е. переводит его валентные
(внешние) электроны на более удаленные, доз-
воленные орбиты. При возвращении в нормальное
состояние электрон отдает запасенную потенциаль-
ную энергию в виде излучения света.
Идея практического применения электрическо-
го разряда для целей искусственного освещения
была выдвинута русским академиком В. В. Пет-
ровым. На самой заре развития учения об электри-
ческом токе он первый открыл возможность элект-
рического освещения. Электрическая дуга, или
дуга Петрова, называемая также вольтовой дугой
(от старинного именования электрического тока
вольтаическим током), представляет собой не что
иное, как плазменный электрический разряд при
атмосферном давлении. Когда однажды в ноябрь-
ский день 1802 г. В. В. Петров присоединил провода
от огромной, построенной им гальванической бата-
реи к двум древесным углям, расположенным на
4 М. И. Блудов 49

расстоянии 0,25—0,75 см друг от друга на скамеечке со стеклянными
ножками, между ними появился «весьма яркий белого цвета свет или
пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от
которого темный покой довольно ясно освещен быть может». В современ-
ном исполнении электрическая дуга получается между двумя угольными
(коксовыми) стержнями, приводимыми сначала в соприкосновение и
удерживаемыми потом путем автоматического или ручного регулятора
на постоянном небольшом расстоянии. Свечение исходит главным об-
разом от положительного угля (анода), раскаляемого в пламени дуги
добела. Плазма в этом случае лишь нагревает анод. Температура элек-
трической дуги превышает 3000°. Мысль о возможности применить вы-
сокую температуру дуги для плавления металлов была высказана тоже
В. В. Петровым.
Однако от гениальной мысли профессора Петрова до практического
осуществления ее, до внедрения ее в жизнь должно было пройти несколь-
ко десятков лет. Лишь в 1876 году русский инженер П. Н. Яблочков
взял патент на свое изобретение, остроумно разрешавшее проблему
регулировки электрической дуги. «Вместо того чтобы автоматически
сближать угли по мере их сгорания, я помещаю угли рядом друг про-
тив друга, разделяя их изолирующим веществом, могущим сгорать вме-
сте с углем, например каолином». «Русский свет» — так называли осве-
щение улиц, площадей, театров Парижа и Лондона свечами Яблочкова.
Впоследствии этот вид освещения был вытеснен более удобным способом
освещения лампами накаливания, изобретенными тоже русским элек-
тротехником А. Н. Лодыгиным.
Целая плеяда русских ученых и инженеров украшает историю
электротехники. Имена Яблочкова, Чиколева, Бенардоса, Славяно-
ва, Патона, Лазаренко связаны с блестящими открытиями и усовершен-
ствованиями в области электрического освещения, электросварки,
электроискровой обработки металлов. Электрическая сварка в настоя-
щее время широко применяется при прокладке рельсов, при сооружении
каркасов промышленных и жилых зданий, в котлостроении. Она являет-
ся основным способом соединения частей металлических конструкций
и почти совершенно вытеснила клепку.
Тепловое действие электрической дуги используется также в ду-
говых печах для выплавки стали и цветных металлов. Температура
между электродами таких печей достигает 6000—8000°С.
Специальные стали — инструментальная, нержавеющая, жаропроч-
ная — выплавляются в настоящее время только в электрических
печах. В электрических же печах проводятся многие процессы хими-
ческой технологии. Назовем хотя бы получение карбидов — карбида
кальция для получения ацетилена и карбида кремния — карборунда,
50

идущего для изготовления наждачных шлифовальных камней, наждач-
ного порошка.
Электрическую дугу можно получать не только между угольными,
но и между ртутными электродами. Ртутные дуговые лампы в кварце-
вых баллонах находят широкое применение в медицине («горное солн-
це»). Пламя электрической дуги богато ультрафиолетовыми лучами,
оказывающими сильное физиологическое воздействие.
Огромное значение в электротехнике имеют ртутные выпрямители
тока. Электрифицированные железные дороги, трамвай, метрополитен
получают постоянный ток с подстанций, на которых установлены мощ-
ные ртутные выпрямители. На рисунке изображен стеклянный ртутный
выпрямитель. В стеклянную колбу впаяны два стальных или графитовых
электрода, являющихся анодами выпрямителя. В нижнюю часть колбы
налита ртуть — это катод выпрямителя. Снизу в ртуть введен металли-
ческий стержень. Недалеко от катода в колбе имеется еще углубление,
тоже заполненное ртутью и предназначенное для зажигания дуги в
колбе. Для зажигания дуги колбу немного наклоняют, и тогда ртуть,
соединяясь, замыкает цепь. При возвращении колбы в первоначальное
положение ртутный контакт размыкается и между ртутными электро-
дами вспыхивает вольтова дуга. При этом на ртути катода появляется
небольшое светлое пятно, раскаленное до 3000°. При столь высокой тем-
пературе из ртути выделяются электроны, устремляющиеся к тому
из основных графитовых анодов, который в данный момент имеет
положительный знак. Между ртутью и графитовым анодом образуется
электропроводящий мост типичной плазмы. Через этот мост и идет
сильный ток электронов поочередно то к одному, то к другому аноду
в зависимости от направления тока в обмотке питающего трансформа-
тора. Положительные ионы, образующиеся при столкновениях электро-
нов с нейтральными молекулами, летят обратно к катоду и, бомбарди-
руя его, поддерживают температуру бегающего по поверхности ртути
катодного пятна на необходимом высоком уровне. Для получения более
сглаженных пульсаций выпрямленного тока применяют колбы не с
двумя, а с большим числом анодов. Мощные металлические ртутные
выпрямители, хотя по внешнему виду и непохожие на выпрямители со
стеклянными колбами, работают на том же принципе.
Высокая электропроводность плазмы доставляет большие неприят-
ности электротехникам при включении и выключении сильных токов,
особенно если цепь содержит индуктивную нагрузку (моторы, тран-
сформаторы). Резкий скачок напряжения в момент размыкания таких
цепей приводит к образованию электрической дуги между, контактами
рубильника. Кроме того, что дуга портит, сжигает контакты, пламя дуги
может переброситься на соседний контакт, что будет равносильно
короткому замыканию со всеми его последствиями. Поэтому для замыка-
4*
51

ния и размыкания цепей с напряжением больше 250 в обычные рубиль-
ники не применяются, а применяются масляные выключатели, где раз-
рыв цепи происходит внутри сосуда с минеральным маслом и возникаю-
щая дуга гаснет в атмосфере пузыря образующихся паров и газов.
А вот полезное применение электрической дуги для защиты про-
водов от перенапряжений и удара молнии во время грозы. С этой целью
применяют громоотводы в форме рогов. Один из них соединен с токо-
несущим проводом, другой — с землей. В случае удара молнии или пе-
ренапряжения в проводах в узком месте рогатого разрядника возни-
кает электрическая дуга. Вследствие нагревания воздуха она отгоняется
вверх, растягивается все больше и больше и, наконец, разрывается и
гаснет.
Температура электрической дуги, горящей при нормальном атмо-
сферном давлении, как мы говорили, равна 3500° С. Но, зажигая дугу
под давлением, удалось получить температуру 7000° и выше, т. е. тем-
пературу большую, чем на поверхности Солнца. И по яркости свечения
удалось тоже превзойти яркость нашего дневного светила. В два раза
ярче Солнца ослепительные вспышки дуги в атмосфере газа ксенона.
Эти яркие вспышки используются фотографами для моментальных
съемок.
Солнце — одна из бесчисленных звезд. Оно далеко не относится к
типу наиболее ярких или наиболее горячих. Наше Солнце — желтая
карликовая звезда. Значительно выше температура белых звезд, напри-
мер звезды Сириус, температура которой достигает 10 000°. И это на
поверхности! О поверхностной температуре звезд судят по яркости спек-
тральных линий. Внутри же звезд, как это показывают довольно слож-
ные расчеты, царит температура в десятки и сотни миллионов градусов.
При этих чудовищных температурах в плазме происходят реакции
между ядрами атомов вещества с выделением колоссальных количеств
энергии — источника жизни звезд.
«Ярче тысячи солнц». Так назвал свою книгу об исследователях
ядерной энергии американский физик Юнг. Но к вопросам, связанным
с освобождением огромных количеств энергии при ядерных реакциях,
расщепления и синтеза, мы сможем вернуться только после ознакомлен
ния со многими другими понятиями современной физики.

ТАРОЕ И НОВОЕ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ И БАТАРЕЯХ
История гальванических элементов началась с того,
как в один из ноябрьских дней 1770 г. профессор
анатомии и физиологии Болонского университета
Луиджи Гальвани был поражен странным явлением: находившиеся
на столе обезглавленные лягушки, над которыми профессор производил
опыты, вздрагивали. Их лапки судорожно сокращались всякий раз,
когда из стоявшей в кабинете электрической машины извлекали яркие
искры. Особенно сильны стали содрогания лапок, когда к ним были
присоединены проволоки, свисавшие до земли. Что бы это могло озна-
чать? Сейчас мы бы ответили: «Радиоприем!» При разряде электрической
машины возникали электромагнитные волны. Усиление эффекта при
заземлении — лишнее доказательство этому. Каждому радиолюбителю
известно, как усиливается прием при заземлении радиоприемника.
Но в те далекие времена никто и понятия не имел ни о радиоприемниках,
ни об электромагнитных волнах...
Опыты с «оживлением» обезглавленных лягушек вызвали бурю
сенсаций. Волнения, которые произвели в мире физиков и врачей
известия об опытах Гальвани, один из позднейших ученых сравнил с
теми, какие поднялись над политическим горизонтом Европы во время
французской буржуазной революции 1789 г. «Оживление после смерти!»,
«Физиологи думали, что им удалось воочию уловить их сон о жизнен-
ной силе, врачам казалось, что нет уже невозможного исцеления».

В дальнейшем Гальвани наблюдал содрогания лягушек и без учас-
тия электрической искры. Он соединял металлической проволокой мус-
кул ноги и обнаруженные нервы спины лягушки. Особенно сильное
вздрагивание при этом наблюдалось, когда соединяющая проволока
оказывалась связанной из двух металлов — меди и цинка. Будучи не
физиком, а физиологом, Гальвани видел причину явления в некоем
«животном электричестве», различном в мускулах и нервах. Он упо-
доблял опыт с лягушкой опыту с лейденской банкой, противоположные
заряды внешней и внутренней обкладок которой разряжались при
соединении их металлической дугой. Свою теорию о «животном электри-
честве» Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов,
которые способны производить некоторые живые существа — «элек-
трические рыбы», например суринамский угорь, электрический скат
в Средиземном море, электрический сом в водах Нила.
Сильно заинтересовали опыты Гальвани и его соотечественника,
физика Алессандро Вольта. «Признаюсь,— писал он,— я с неверием
и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: так
невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам
доселе известно было об электричестве... Ныне я обратился, сам был
очевидцем, сам производил чудное действие и от неверия перешел,
может быть, к фанатизму». На первых порах Вольта разделял точку
зрения Гальвани относительно «животного электричества», но последую-
щие многочисленные опыты показали ему истинную физическую при-
роду источника тока и привели его к созданию первого «гальваническо-
го элемента».
Не останавливаясь на подробностях и сущности возникшего между
двумя учеными спора, обратимся к простейшему элементу, известному
в учебниках под именем элемента Вольта.
Простейший элемент можно устроить так: взять чайный стакан,
налить в него разведенной в воде серной кислоты, или, за неимением
таковой, крепкого уксуса, или раствора нашатыря, или, наконец, обык-
новенной поваренной соли и опустить в раствор медную и цинковую
пластинки, причем пластинки не должны касаться друг друга. Вот и все.
Любителям научных курьезов можно еще сообщить такой рецепт
изготовления гальванических элементов из лимона (журнал «Природа
и люди», 1909, № 23.): «Разрезают лимон острым ножом поперек, ста-
раясь по возможности не снимать и не разрывать тех тонких перегоро-
док, которые делят лимон на гнезда. Затем в каждое гнездо втыкают
попеременно по кусочку (2 см) медной и цинковой проволоки и соеди-
няют их концы последовательно тонкой проволокой. У вас получится
маленькая гальваническая батарея, дающая ток хотя очень слабый, но
оказывающий некоторое физиологическое действие (проба на язык дает
характерное покалывание)».
54

Независимо от того, захотите ли вы сооружать подобную «батарею»
или нет, можно полагать, что вам теперь понятно, что и в опыте Гальва-
ни был, собственно говоря, такой же элемент, только роль кислого или
соленого раствора играли жидкости в тканях лягушки.
Какое же физическое объяснение дал наблюдавшемуся явлению
Вольта? Вместо теории «животного электричества» он выдвинул теорию
«металлического электричества». Он видел источник электрического
тока в соприкосновении двух разных металлов. Вольта доказывал это
при помощи опыта с электроскопом (рис. 90). Наложенные друг на дру-
га цинковая и медная пластинки при разнимании их оказываются на-
электризованными. Испытывая различные металлы, он установил так
называемый Вольтов ряд напряжения. Напряжение, возникающее
при соприкосновении двух каких-либо металлов, тем больше, чем дальше
отстоят они друг от друга в этом ряду.
Ряд Вольта: + цинк, олово, свинец, железо, латунь, бронза, медь,
платина, золото, серебро —. При этом Вольта установил закон, кото-
рый утверждал, что если составить цепь из всех перечисленных (или
части) металлов в указанном порядке, то напряжение на концах ряда
цинк — серебро будет такое же, как при непосредственном соприкос-
новении цинка и серебра.
Явление возникновения разности потенциалов при соприкоснове-
нии разнородных металлов (сейчас это явление называется контактной
разностью потенциалов) имеет большое значение в современной элек-
тронике. Оно объясняется как следствие диффузии электронов. В месте
соприкосновения двух разнородных металлов электроны переходят
через границу контактного слоя. Этот переход совершается преимуще-
ственно из того металла, где их связь с решеткой металла слабее, в
тот, где эта связь сильнее. Процесс совершается до тех пор, пока не
уравновесится препятствующей ему контактной разностью* потенциалов.
Открытие Вольта не объясняет, таким образом, действие гальвани-
ческого элемента. Это видно хотя бы из того, что в элементе Вольта
цинковая пластинка является не положительным (как в опыте с элек-
троскопом), а отрицательным электродом, положительным же является
медь. Вольта рассматривал построенную им батарею — вольтов столб—
как соединение многих медно-цинковых пар, а суконные или картонные
прокладки, по его мнению, лишь отделяли в этом столбе один элемент
от другого, не мешая в то же время прохождению тока. В действитель-
ности же надо было учесть и роль разделяющего металлы раствора.
Элементарной ячейкой в вольтовом столбе была комбинация мед-
ного и цинкового кружков вместе с влажной прок-
ладкой. Наложенные друг на друга в указанном
на рисунке порядке, эти элементы оказывались сое-
диненными последовательно, что и обеспечивало
55

сильное действие всей батареи. Можно изготовить самодельный воль-
тов столб из стопки медных трехкопеечных монет и цинковых кружков
соответствующего диаметра, переложив их смоченными раствором на-
шатыря картонными прокладками. Это было бы хорошей иллюстра-
цией к докладу на историческую тему об элементах.
Современное объяснение действия элемента Вольта таково. Как
известно, в металлах валентные электроны легко отделяются от атомов
и, становясь свободными, перемещаются между узлами кристалли-
ческой решетки металла. При этом металлы не оказываются заряжен-
ными отрицательно, так как общий заряд электронов уравновешивается
общим положительным зарядом ионов металла. Если опустить метал-
лическую пластинку в водный раствор, например, серной кислоты,
то металл начнет растворяться. Положительные ионы металла Zn+ +
или Си++ переходят в раствор, и тогда металл оказывается заряженным
отрицательно. Если взять в качестве второго электрода не растворяю-
щийся в электролите уголь, то отклонение стрелки гальванометра
(магнитоэлектрической системы) происходит в одну сторону, какой бы
металл мы ни взяли в паре с ним. Различие только в том, как сильно
отклонится стрелка. Применяя цинк, мы получим наибольшее откло-
нение, медь даст более слабое отклонение, а свинец еще более слабое.
Это объясняется различием в растворимости разных металлов.
Если в угле-медном элементе, дававшем сравнительно небольшое
отклонение стрелки гальванометра вправо, заменить угольный электрод
цинком, то мы получим отклонение стрелки в левую сторону, причем
значительно большее. Медная пластинка стала теперь положительным
полюсом, цинковая же, как и раньше, отрицательным. Как же это объя-
снить? Ведь мы видели, что при растворении в электролите оба металла
заряжаются отрицательно. Объясняется это различной растворимостью
металлов. Если оба электрода цинковые, то они обладают одинаковой
растворимостью и никакой разности потенциалов между электродами
нет. Если взять в качестве электродов медь в сочетании со свинцом,
то оказывается, что медь является отрицательным полюсом. Неверно
истолковав природу явлений, первые исследователи гальванического
тока были поражены быстрым расходованием цинка в их элементах и
батареях. Им казалось, что это только неприятное побочное явление,
против которого стоит бороться, и, как только будет найдено противо-
действие, все будет в порядке. Недоразумение разрешилось только тог-
да, когда была установлена связь этого явления с законом сохранения
энергии: расход цинка в элементе так же неизбежен, как расход угля
на паровозе.
Это стало бесспорной истиной, когда Томсон (Кельвин) подсчитал
электродвижущую силу элемента из расчета тепла, выделяемого при
химических реакциях расходуемых веществ.
56

Еще об одном важном явлении. В элементе Вольта химической ре-
акцией является действие серной кислоты на цинк
Zn + H2S04 = ZnS04 + H2.
Образующийся сернокислый цинк остается в водном растворе, а пузырь-
ки водорода выделяются на меди. Такое явление, казалось, противо-
речило известному всякому химику факту, что пузырьки водорода
выделяются на цинке при погружении его в серную кислоту (один из
способов получения водорода в химических лабораториях). Сейчас изве-
стно, что никакого противоречия тут нет и что причина выделения водо-
рода в обоих случаях одна и та же. Установлено: 1) химически
чистый цинк не растворяется в разведенной серной кислоте;
2) технический цинк растворяется, причем пузырьки газа подни-
маются от определенных точек; 3) эти точки оказываются вкраплен-
ными в цинк примесями меди или угля. В куске технического цинка,
опущенного в раствор серной кислоты, мы видим, таким образом, галь-
ванический элемент с двумя, как и полагается, полюсами. Этот элемент
замкнут через тело самого цинка; и сильный ток, идущий в направлении,
указанном стрелками, производит электролиз кислоты с выделением
водорода. Чтобы предотвратить образование таких паразитных микро-
элементов в техническом цинке, когда его применяют для электродов в
элементах, цинк амальгамируют, т. е. натирают ртутью. Ртуть, раство-
ряя цинк, образует амальгаму, под которой и скрываются посторон-
ние вкрапления. Амальгамированный цинк в кислоте не растворяется,
пока не будет замкнута цепь тока.
Выделение пузырьков водорода на медной или угольной пластинке
во время работы элемента тоже явление неприятное. Дело не в том,
как это иногда полагают, что выделяющийся водород покрывает анод
элемента и тем увеличивает внутреннее сопротивление элемента, а в
том, что вместе с этим выделением водорода происходит как бы наслое-
ние на медно-цинковом элементе другого элемента с водородом в ка-
честве отрицательного полюса. Отрицательного? Новая задача для чи-
тателя, знакомого с химией. Ведь ионы водорода несут положительный
заряд, почему же, покрывая медь, водород становится отрицательным
полюсом? Дело в том, что на меди откладываются не ионы, а нейтраль-
ные атомы и молекулы водорода. Поэтому обратный переход ионов
водорода в раствор вызывает появление э. д. с, противоположной по
направлению первоначальной э. д. с. элемента. Описанное появление
противоположных полюсов на электродах элемента называется поля-
ризацией (от слова полюс). Поляризация элемента и явилась причиной
того, почему элемент Вольта давно перестал применяться на практике.
Если удалить пузырьки водорода с медной пластинки хотя бы ме-
ханическим способом, элемент снова будет готов к действию. Множество
57

различных способов начиная от механического постукивания по аноду
элемента было предложено для удаления водорода. Вполне естественно,
что наиболее удачными оказались химические способы деполяризации
(устранения поляризации) путем добавления специальных окислителей,
не допускающих образования водорода на аноде элемента. Все эти
системы элементов, число которых превышает несколько десятков, ото-
шли в область истории. Лишь немногие из них, как элементы Даниеля,
Грене, сохранились в некоторых физических кабинетах учебных заве-
дений. Элемент Грене знаком, конечно, и нашим читателям (рис. 57).
Деполяризатором в нем служит сильно окисляющий раствор двухро-
мовокислого калия или натрия в серной кислоте. Если вам приходится
иметь дело с таким элементом, то не забывайте по прекращении работы
поднимать из раствора его цинковый электрод. Хромовая жидкость
столь сильный окислитель, что здесь не помогает даже амальгамирова-
ние цинка.
Спокойнее и с большим постоянством э. д. с. работают элементы
с двумя жидкостями. Типичным представителем таких элементов являл-
ся элемент Даниеля (рис. 58). Сосуд разделен на две половины пористой
перегородкой. В одну половину налит раствор медного купороса, в
другую — раствор серной кислоты в воде. В медный купорос опущен
медный электрод, в серную кислоту — цинковый. Роль перегородки
состоит в том, чтобы не допускать смешивания жидкостей и подхода
медного купороса к цинку, иначе начнется химическая реакция двой-
ного обмена и медь начнет осаждаться на цинке.
Посмотрим, что происходит на пластинках каждого «полуэлемента».
Если цепь разомкнута, то на том и другом электродах устанавливается
электрическое равновесие. Ионы меди могут переходить в раствор из
металла, но, с другой стороны, и из раствора медного купороса ионы
меди могут осаждаться на электроде. Ни того ни другого не происходит.
Начавшееся осаждение ионов из раствора на электрод создает в нем
избыток положительных -зарядов, а в электролите — избыток отрица-
тельных ионов. Образуется тончайший слой («двойной слой») наподобие
обкладок заряженного конденсатора, электрическое
поле которого направлено от электрода в раствор. Это
поле и прекратит дальнейшее осаждение ионов меди из
раствора. Ионы же металла электрода не будут переходить
в раствор, так как они отгоняются электрическим полем
двойного слоя.
На другом полуэлементе картина иная. Переход в ра-
створ кислоты ионов цинка сопровождается обеднением
электрода положительными зарядами, вследствие чего на
границе его с раствором образуется отрицательный слой, с
которым перешедшие в раствор положительные заря-
58

ды образуют поле, направленное от раствора к электроду. Это поле
и прекратит, дальнейшее растворение цинка. Образующаяся в двойном
слое разность потенциалов («скачок потенциала» на границе металл —
раствор) может быть различной, она зависит от природы металла и кон-
центрации раствора. При нормальной концентрации на границе цинк—
раствор она равна — 0,5 в, а на границе медь — раствор она равна
+ 0,61 в. Поэтому между электродами разомкнутого элемента Даниеля
образуется разность потенциалов 0,61—(—0,5) = 1,11 е. Это и есть
электродвижущая сила элемента Даниеля.
При замыкании цепи возникает электрический ток.. Во внешней
цепи (провода, приборы) электроны будут двигаться от цинка к меди,
от электрода с большей растворимостью к электроду с меньшей раство-
римостью. При этом поле двойного слоя у того и другого электрода будет
ослабевать, что приведет к переходу цинка в раствор и осаждению меди
на электрод.
Можно избежать применения пористой перегородки, если воспользо-
ваться различием удельного веса раствора медного купороса и раствора
серной кислоты. Эта идея осуществлена в разновидности элемента Да-
ниеля — элементе Калл о. Такой элемент был широко распространен
среди радиолюбителей в 20-х годах нашего столетия в период расцвета ра-
диолюбительства и увлечения конструированием батарейных приемников.
На дно стеклянной банки кладется медный кружок (можно заменить
жестяным от консервной банки, в процессе работы он все равно по-
кроется медью). В центре кружка припаивается зачищенный конец изо-
лированного провода. Затем из листового цинка изготовляется второй
электрод в форме цилиндра. Закраины его загибаются для подвешива-
ния на краях банки. Высота цинкового цилиндра должна равняться
1/3 высоты уровня раствора. На дно банки, на анодную пластинку,
насыпают слой кристаллов медного купороса. Затем осторожно наливают
воду и сверху укрепляют цинковый цилиндр (катод). Кристаллы мед-
ного купороса растворяются в воде постепенно и образуют синий насы-
щенный раствор, резко отграниченный от бесцветного слоя над ним.
Если элементом долго не пользуются, то в результате диффузии
медный купорос может проникнуть в верхние слои и достигнуть цинка.
Этого нельзя допускать. В случае необходимости надо на некоторое
время замкнуть цепь через небольшое сопротивление. Тогда граница
между голубым раствором медного купороса и бесцветным раствором
серной кислоты (кислота образуется в процессе работы элемента) опу-
стится до прежнего уровня. Уход за элементом крайне прост и сводится
к периодическому подбавлению кристаллов медного купороса и изредка
производимой очистке от оседающей на дно электролитической меди.
Э. д. с. элемента около одного вольта. Соединяя несколько элементов
последовательно, можно получить желаемое напряжение.
59

60
Значительно удобнее и спокойнее работать с элементами без
серной кислоты. Из курса физики вы должны знать такие
элементы — это элементы Лекланше, сухие и наливные.
Электролитом в них служит раствор нашатыря, а деполяри-
затором — агломерат из толченой перекиси марганца и угля.
Применяются элементы и с воздушной деполяризацией
(сокращенно ВД). В СССР наиболее распространенными являют-
ся элементы системы Спиридонова ВДС и Пушкарева ВДСП.
Основной заботой конструкторов всех элементов, как мы
видели, была борьба с поляризацией. Но взглянем на обратную
сторону медали. Не может ли поляризация в каких-нибудь случаях ока-
заться полезной? Оказывается, что может, и широко используется в
конструкциях элементов, называемых поляризационными. Наиболее
известной формой этих элементов являются аккумуляторы.
Всякому известно, что аккумуляторы устанавливаются на автомо-
билях, на мотоциклах и моторных лодках (кислотные, свинцовые),
используются для питания раций (щелочные, железо-никелевые), в
карманных фонариках с подзарядкой (кобальто-никелевые); обслужива-
ют аппаратуру искусственных спутников и управляемых снарядов (се-
ребряно-цинковые). Во всех этих аккумуляторах используется явление
поляризации, которое возникает при прохождении тока во время за-
рядки. Накопленные на пластинках аккумуляторов вещества обеспе-
чивают возникновение необходимой разности потенциалов в этих поля-
ризационных элементах.
Здесь нет нужды повторять сказанное в учебниках о реакциях,
происходящих при зарядке и разрядке аккумуляторов. Напомним
лишь некоторые важные правила обращения с ними. Самое главное
правило обращения со свинцовыми аккумуляторами — это не брать
от них ток величиной больше дозволенного, т. е. больше 1/8—1/10
численной величины емкости аккумулятора. Например, от аккумуля-
тора, установленного на машине «Москвич», емкостью 42 а-ч нельзя
брать ток больше 4—5 а. Нарушение этого правила ведет к короблению
пластин и замыканию их, к выпадению активной массы (смесь сурика
и глета) из свинцовой решетки пластин. Короткое замыкание может
сразу испортить аккумулятор. И второе не менее важное правило:
нельзя слишком сильно разряжать свинцовый аккумулятор или остав-
лять его надолго без подзарядки. Когда напряжение на клеммах ак-
кумулятора упадет ниже 1,8 в на каждую банку (12-вольтовый аккуму-
лятор «Москвича» составлен из шести банок), то в нем начнется процесс
сульфатации. Пластины покрываются нерастворимым налетом сернокис-
лого свинца (сульфата), удалить который не удается. Вскрытие погиб-
ших аккумуляторов показывает, что их пластины сплошь облеплены
белой, похожей на известку массой. Появление ее в небольших количе-

•ствах сказывается сначала в уменьшении емкости аккумулятора —
он слишком быстро разряжается («садится»), так как процесс накопле-
ния поляризационной массы происходит лишь на здоровых, не покры-
тых сульфатом частях свинцовых пластин. Затем источник быстро при-
ходит в негодность.
Щелочные аккумуляторы в этом смысле более выносливы, они вы-
держивают перегрузку при зарядке и разрядке и могут без гибельных
последствий разряжаться до нуля. Но их э.д.с. всего 1,25 в на банку
против 2 в у свинцовых аккумуляторов.
Новейшие серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуля-
торы, замечательны тем, что они в 5—6 раз легче свинцовых и железо-
никелевых той жеемкости. Кроме того, они отличаются высокой меха-
нической прочностью и простотой ухода. Миниатюрный аккумулятор
размером в почтовую марку обладает емкостью 1/10 а-ч. Конечно,
бывают и большие батареи, емкостью в несколько сот ампер-часов.
Несколько слов о «газовых аккумуляторах». Первый газовый акку-
мулятор был построен в 1839 г. Вильямом Грове. Платиновые электро-
ды помещались в цилиндры, из которых один содержал в себе кислород,
другой — водород. Открытыми концами цилиндры погружались в
сосуд с раствором серной кислоты в воде. Электрод в кислороде должен
был служить положительным полюсом, находившийся же в водороде —
отрицательным. Но так как реакция с молекулярными газами не идет,
необходимы газы в атомарном состоянии, то для перевода их в это со-
стояние электроды покрывались губчатой платиной как катализатором.
Во время работы происходило выделение газов в обратном порядке:
на положительном полюсе элемента выделялся водород, а на отрица-
тельном — кислород. В том и другом случае при соединении водорода
и кислорода образовывалась вода. Элемент работал до истощения запаса
газов в цилиндрах.
Простейший газовый аккумулятор можно изготовить самому
(рис. 59). Для этого в непрозрачный сосуд налейте раствор поваренной
соли (1—1,5 столовой ложки соли на стакан воды) и в него опустите
угольные палочки, окруженные активированным углем (активирован-
ный уголь можно взять из старого противогаза), плотно набитым в по-
лотняные мешочки. Заряжать аккумулятор следует обычным способом.
На отрицательном полюсе выделяется водород, на положительном —
хлор. Э.д.с. такого аккумулятора 2,2 е.
Новостью в элементостроении являются «топливные элементы».
В истории электротехники имя П. И. Яблочкова обычно связывается
с изобретением дугового освещения («Свеча Яблочкова»). Однако этим
заслуги Яблочкова не ограничиваются: в 1880 г. он взял патент на «топ-
ливный элемент», непосредственно превращающий энергию, освобожда-
ющуюся при горении водорода, в электрическую. Элемент Яблочкова
61
Рис. 59

представлял собой горизонтальную чашу из угля или свинца, заполнен-
ную мелко раздробленным углем или губчатым свинцом в зависимости
от материала чаши. Через отверстие в дне в размельченную массу по-
давался водород. Чаша закрывалась картонной или войлочной покрыш-
кой, к которой плотно прижималась пластина из пористого угля. В по-
рах этой пластины концентрировался кислород из окружающего воз-
духа. Пластина служила анодом, чаша — катодом. Пока топливные
элементы еще не вышли из рамок лабораторных опытов, но проблема
непосредственного превращения энергии топлива в электрическую
энергию привлекает внимание инженеров и, вероятно, будет решена.
О другом направлении в использовании тепла для генерирования
электрической энергии мы уже говорили в статье о» полупроводниках.
При помощи полупроводниковых фотоэлементов энергию солнеч-
ных лучей удается непосредственно превращать в электрическую. Сол-
нечные батареи дают мощность 50 em с 1 м2 поверхности батареи.
<<
АК ОМ МАТЕМАТИЧЕСКИ РАЗРАБАТЫВАЛ
СВОЙ ЗАКОН
На пристани английского портового города Хариджа
царила суматоха. Только что прибыл пароходе кон-
тинента, и пестрая, многоязычная толпа пассажиров устремилась по
сходням на берег.
— Ваши документы! Предъявляйте ваши документы! На мгнове-
ние взгляд английского солдата, проверявшего документы, останав-
ливается на паспорте какого-то господина, в котором опытный глаз
сразу мог признать немца.
— Ом! Ах Ом! Закон Ома! — весело воскликнул контролер, воз-
вращая почтительно документ его владельцу. Эпизод этот случился с
одним из вестфальских Омов, посетившим в 1934 г. Англию. Да! За-
кон Ома известен всему миру, и незнание его на уроках физики расце-
нивается так же, как незнание таблицы умножения. А знаете ли вы
закон Ома? Для того чтобы проверить себя, попробуйте, применяя
закон Ома, решить следующую задачу:
Несколько одинаковых элементов, каждый с электродвижущей
силой Е, соединены последовательно, как показано на схеме. Сопро-
тивление проводов в расчет не принимается. Какова разность потенциа-
62

лов между любыми точками цепи, например
между точками А и В или между точками
Л и С?
В дальнейшем будет приведено решение
этой задачи, а пока, прежде чем продолжить
чтение этого очерка, попытайтесь решить ее
самостоятельно.
Прежде чем приступить к рассмотрению
закона Ома, интересно познакомиться с неко-
торыми фактами из биографии великого физика
и его основными трудами, в которых он уста-
навливает этот закон.
Годы жизни Георга Симона Ома — 1787—
1854. Отец Ома, слесарь в Эрлангене, сумел
передать своим детям трудовые традиции фами-
лии Омов, потомственных вестфальских кузне-
цов. Барельеф на постаменте памятника Ому в
Мюнхене символически изображает вручение отцом своему сыну ору-
дий своей наследственной профессии. Насколько понимал отец Ома
роль образования, видно из того знаменательного факта, что он счел
необходимым изучить высшую математику, чтобы следить за учением
своих сыновей: старшего, Мартина — впоследствии известного мате-
матика — и младшего, Георга — физика, установившего основной
закон электрического тока.
Георг Ом окончил университет в родном городе и стал учителем
математики. Начиная свою трудовую деятельность, жил в большой бед-
ности и переезжал из одного города в другой, пока наконец не обосно-
вался в иезуитской коллегии в Кельне в качестве учителя математики
и физики. За девять лет учительства в Кельне произошло превращение
Ома из математика в физика. Здесь проведены им многочисленные
эксперименты, здесь сложились его основные воззрения на закономер-
ности электрического тока.
Чтобы понять заслуги Ома в науке, следует учесть ту обстановку,
в которой проходила его работа и вырабатывались его взгляды.
Всего четверть века прошло с открытия Гальвани и Вольта. Боль-
шинство ученых того времени не было вполне убеждено, что электричес-
кий ток (от электрических машин) и гальванический ток (от вольтова
столба) представляют одно и то же явление. Их тождественность выдви-
галась еще как гипотеза, которую предстояло доказать.
Неизвестную причину гальванического тока со времен Вольта
называли электродвижущей силой. Понятия о потенциале еще не сущест-
вовало, оно впервые было введено Грином в 1828 г. Понятие о сопротив-
лении до Ома тоже еще не было ясным.
63
Георг Ом.

64
С 1825 г. Ом начинает заниматься исследованиями гальванизма.
В 1826 г. появляется его работа, заключавшая в основном содержание
его закона. Заголовок работы гласил: «Определение закона, по кото-
рому металлы проводят контактное электричество совместно с теорией
вольтаического аппарата и мультипликатора Швейгера». Всего за время
пребывания в Кельне Ом написал шесть работ.
Первые свои опыты Ом проводил, пользуясь собственноручно из-
готовленным вольтовым столбом и гальваноскопом (рис. 60). При этом
он заметил, что величина тока («сила тока» термин, введенный тоже
Омом) в электрической цепи после замыкания ее вскоре падает. После
размыкания цепи батарея через некоторое время как бы снова восстанав-
ливается. Давая отзыв об одной из первых работ Ома, издатель журнала
физик Поггендорф отметил, что желательно было бы, чтобы
автор повторил свои эксперименты с более постоянным источ-
ником тока, а именно с термоэлементом. Следуя этому совету,
Ом стал применять следующую установку. Он составил термоэле-
мент из согнутых под прямыми углами висмутовой и медной
полосок, концы которых скреплялись винтами. Один конец тер-
моэлемента окружался кипящей водой, другой обкладывался
тающим льдом. От полюсов шли проволоки, опускавшиеся в
чашечки с ртутью. Цепь замыкалась через посредство проволок
разной длины, присоединявшихся к тем же чашечкам. Сила тока
определялась действием тока на магнитную стрелку, подвешенную на ни-
ти над проволкой, идущей от термоэлемента. Закручивая нить в сторону,
противоположную отклоняющему действию тока, удавалось вернуть
ее в первоначальное положение, в плоскость магнитного меридиана.
В одном из опытов Ома медные проволоки, которые он включал
в цепь, последовательно меняя их, были 2, 4, 6, 10, 18, 34, 66, 130 дюй-
мов длины и 7/8 линии толщины *. Сила тока измерялась углом круче-
ния нити. При этом получились следующие результаты:
Длина проволоки (в дюймах) 2 4 6 10 18 34 66 130
Угол кручения нити (в градусах) .... 305j- 28\^ 259 224 2П^ 124^- 79 47-^
* Примечание: 1 дюши = 2,54 см, 1 линия = -г^ дюйма.

«Эти числа,— писал Ом,— весьма удовлетворительно могут быть
выражены формулой X = ^—, где X — сила магнитного действия
при длине введенной проволоки х\ а и b — постоянные величины, за-
висящие от возбуждающей силы и сопротивления остальных частей
цепи. Если, например, положить b равным 20-j- и а = 6800, то по-
лучим следующие значения:
х=2 4 6 10 18 34 66 130 (дюймов)
X = 3052- Ш2 259 2245~ 1774~ 124" 79 45 (гРаДУС0В)
Если мы сравним эти числа, полученные вычислением, с числами,
полученными раньше из опыта, то увидим, что между этими двумя
рядами чисел имеется лишь небольшая разница, вполне допустимая
в подобного рода исследованиях».
Величину (силу) тока в формуле Ома обозначают буквой /. Величина
а является электродвижущей силой. Величины b и х должны быть выра-
жены в одинаковых мерах, так как складывать можно лишь однородные
величины. Они выражают собой: b — внутреннее, х — внешнее сопро-
тивление цепи. Обозначая полное сопротивление цепи b + x буквой R,
получим формулу, выражающую закон Ома:
1 R '
Зависимость величины тока от электродвижущей силы Ом показал,
создавая различные разности температур на концах термоэлемента,
т. е. погружая один из концов его в воду разной температуры, в резуль-
тате чего получились различные э.д.с. При этом соответственно меня-
лось и отклонение стрелки гальванометра.
В 1826 г. Ом добивается от министерства годичной научной коман-
дировки в Берлин. Он очень хорошо использовал время пребывания
в столице для работы. В следующем, 1827 г. появляется основной,
составивший славу Ома труд «Гальваническая цепь, разработанная
математически д-ром Г. С. Омом». В этой работе закон Ома выведен тео-
ретически. На этот вывод закона Ом был наведен незадолго до того поя-
вившимися в печати работами французского физика Фурье по тепло-
проводности. Фурье установил, что скорость теплового тока зависит
от разности температур («падения температур») и от длины пути, на
протяжении которого это падение происходит, подобно тому как ско-
рость водяного потока зависит от отношения понижения уровня к
расстоянию по горизонтали, на котором это понижение происходит.
Уподобляя гальванический ток тепловому току или потоку воды, Ом
пишет: «Переход электричества от одного участка к ближайшему я

принял пропорциональным электродвижущей силе в каждом участке
подобно переходу теплоты, который пропорционален разности темпера-
тур». Ом обозначает разность потенциалов на участке (он называет ее
электродвижущей силой) словом «падение». Но падение зависит еще и
от длины пути, по которому оно распределено. Таким образом, Ом прихо-
дит к выводу, что сила тока прямо пропорциональна электродвижущей
силе и обратно пропорциональна длине пути или сопротивлению цепи.
Зависимость сопротивления от длины, площади поперечного сечения
и материала проводника тоже была установлена рядом опытов Ома.
Работа Ома встретила в Германии очень хороший прием. В 1833 г.
Ом состоит уже профессором политехнической школы в Нюрнберге.
Однако за рубежом, особенно во Франции и Англии, работы Ома дол-
гое время оставались неизвестными. Через 10 лет после появления ра-
боты Ома французский физик Пулье на основе экспериментов пришел
к выводу тех же закономерностей. Когда Пулье было указано, что ус-
тановленный им закон еще в 1827 г. был открыт Омом, Пулье, быть
может не зная предыдущих экспериментальных работ Ома, возразил.
Он сослался на то, что в работе Ома «Гальваническая цепь» закон вы-
веден только теоретически, тогда как он (Пулье) основывался на экс-
перименте. Любопытно, что французские школьники и поныне изучают
закон Ома под именем закона Пулье.
Спор о приоритете принес Ому пользу в том отношении, что способ-
ствовал распространению его открытия за границей. В 1841 г. Лондон-
ское Королевское общество в признание заслуг Ома принимает его в
почетные члены и награждает золотой медалью Коплея, награды ко-
торой до него удостоился один только Гаусс. В 1845 г. Ом — действи-
тельный член Баварской Академии наук. В 1852 г.—ординарный
профессор Мюнхенского университета.
Обратимся к современному пониманию закона Ома, посмотрим,
как он применяется и какие трудности с ним связаны.
Уже говорилось, что Ом использовал для установления закона
об электрическом токе аналогию со скоростью потока воды. Возьмем
два сообщающихся сосуда, в которые налита жидкость. Соеди-
нительный канал заперт краном, поэтому, несмотря на то что жидкость
налита в сосуды до разного уровня, тока нет. Если открыть кран, то
вода начнет перетекать из левого сосуда в правый до тех пор,
пока уровни жидкости в обоих сосудах не сравняются. Но это
кратковременное и одностороннее движение жидкости, а не
замкнутая цепь. Нельзя ли сделать движение непрерывным?
Что для этого надо? Перекачивать воду насосом из правого
сосуда в левый.
Так и сделаем. Будем наблюдать, как меняется высота уро-
вня в левом сосуде, если изменять при помощи крана ширину
66

соединительной трубы. Не прекращая работы насоса, закроем
кран. Насос перекачает всю воду в левый сосуд, и ток прек-
ратится. Теперь высота уровня в левом сосуде наибольшая.
Если кран приоткрыть, то насос не будет успевать перекачи-
вать всю воду из правого сосуда в левый и установится
некоторая разность уровней. Чем шире будет открыт соеди-
нительный кран, тем меньше будет разность уровней левого
и правого сосудов.
Какое же это имеет отношение к нашей теме об электрическом токе?
Рассмотрим схему электрической цепи. Если замкнуть цепь, то по ней
пойдет электрический ток — упорядоченное движение электронов в
металлических проводах, в обмотке реостата. Внутри батареи ток тоже
будет идти, но заряды там переносятся ионами. Сейчас это различие
для нас существенного значения не имеет. Если разомкнуть цепь, то
ток прекращается, амперметр показывает нуль, но зато вольтметр пока-
зывает теперь наибольшую для данной цепи разность потенциалов —
разность электрических «уровней» на клеммах батареи. Откуда взялась
эта разность? Это результат химических реакций в элементах. Вместо
химического источника разности потенциалов — гальванической ба-
тареи элементов — мы могли бы взять термоэлемент, тогда усиление
теплового движения электронов в одном из спаев двух металлов при
нагревании привело бы к созданию разности потенциалов. Или можно
взять электрический генератор. При вращении его якоря возникает
необходимая для поддержания тока в цепи разность потенциалов.
Что общего во всех приведенных примерах? То, что ток в цепи свя-
зан с совершением работы, с превращением энергии.
В приведенных примерах мы наблюдаем превращение различной
энергии — химической, внутренней, механической — в энергию элек-
трическую. Работе гидравлического насоса в предыдущей установке
аналогична работа, так сказать, «химического насоса», «теплового насо-
са», «механического насоса» в электрической цепи.
Во времена Ома не было еще ясного понятия ни о работе, ни об
энергии. Всякую неизвестную причину явления объясняли действием
силы. Еще Вольта в своих опытах с разностью потенциалов при кон-
такте двух разнородных металлов объяснял ее появление действием
электродвижущей силы, а металлы называл электродвигателями.
«Электродвижущая сила»! Слово найдено, и беспокойный ум исследова-
теля успокаивался, как будто ему действительно удалось разъяснить
причину. Надо признать, что в данном случае изобретенный Вольта
термин обладает большой наглядностью и потому оказался весьма
живучим, сохранившись до наших дней. Какой смысл вкладываем
теперь мы в этот термин? Обратимся к схеме замкнутой электрической
цепи. Во внешней части цепи ток идет в направлении электрического
5*
67

Рис. 62
поля (от + к —). Внутри источника он идет против поля, против направ-
ления электрических сил. Следовательно, это движение не может быть
вызвано электрическими силами. Принято называть эти силы внутри
источника сторонними силами. Термин «сторонние силы» введен совет-
ским академиком И. Е. Таммом и получил всеобщее распространение.
Работа сторонних сил на внутреннем участке цепи,т.е. внутри элементов,
для перемещения заряда в 1 /си показывает электродвижущую силу.
Если цепь разомкнута и тока нет, то работа сторонних сил при-
водит только к созданию разности потенциалов на полюсах источника.
Отсюда весьма простой способ определения электродвижущей силы —
надо измерить разность потенциалов на полюсах разомкнутого источ-
ника. Если в качестве измерительного прибора будет взят вольтметр,
то измерение будет, естественно, только приближенным, так как вольт-
метр сам замкнет цепь. Чем большим сопротивлением обладает вольт-
метр, тем ближе к истинному значению э. д. с. будут его показания.
Существуют, однако, вольтметры типа электроскопа, которые не замы-
кают цепи,— электростатические вольтметры.
Вот модель, сделанная в физическом кружке (рис. 62). Она позво-
ляет наглядно показать энергетические процессы в гальванической
цепи. На участке ВСА шарик скатывается по желобу под действием
сил за счет энергии поля тяготения. Потенциальная энергия шарика
постепенно уменьшается от В к А. Если мы хотим, чтобы шарик непре-
рывно продолжал свое движение, то нам придется его поднимать каждый
раз из точки А в точку В посторонней силой против сил поля тяжести.
Существуют конструкции таких моделей, где подъем шарика произво-
дится механизмом от часов. Шарик будет бегать до тех пор, пока не
будет израсходован весь запас энергии, за счет которой работает подъ-
емник. Также и в электрической цепи действие сторонних
сил будет продолжаться только до тех пор, пока не будет
израсходован запас энергии источника.
А вот красивая диаграмма, поясняющая то же явление.
Верхний чертеж показывает распределение разности потенци-
алов в разомкнутой цепи с учетом «скачков потенциалов» в
местах контакта химически разнородных частей элемента, а
нижний более точно, чем только что показанная модель, изо-
бражает изменения энергии в замкнутой цепи.
В замкнутой цепи электродвижущая сила делится между
внешней и внутренней частями цепи и проявляется в работе на
продвижение единицы электрического заряда по внешней и
внутренней частям. Во внешней части цепи будет при этом
происходить превращение электрической энергии в другие виды
(работа электродвигателей, нагревание электрических пли-
ток, питание ламп заряда аккумуляторов). Нагревание провод-
63

ников будет происходить во всех случаях. На внутреннем участке
замкнутой цепи работа сторонних сил тоже будет вызывать некоторое
нагревание источника, подобно тому как это бывает при прохождении
тока по проводнику. Мы говорим в таком случае, что происходит паде-
ние напряжения во внешней цепи и падение напряжения во внутрен-
ней цепи. Следовательно, работа сторонних сил является постоянной
для данной цепи, но она делится на две части: на работу во внешней
цепи и на работу во внутренней цепи. Когда уменьшается напряжение
во внешней цепи, то увеличивается напряжение во внутренней цепи.
Внутреннее сопротивление есть величина постоянная, зависящая только
от устройства элемента, следовательно, при этом должна увеличиться
величина тока. Падение напряжения во внешней цепи рассчитывается
по формуле UBHGU1H = JR. Так же можно выразить падение напряжения
во внутренней цепи £/внутр= Jr.
Отсюда E = IR + lr и / = 754~ .
Рассмотрим еще тот случай, когда внешняя электрическая цепь,
кроме сопротивлений, имеет участок с э.д.с. на нем, направление ко-
торой обратно направлению э.д.с. источника. Такой э. д. с. обладает,
например, включенный на зарядку аккумулятор или приводимый з
движение электродвигатель постоянного тока. В этом случае для внеш-
ней цепи в формулу U = IR надо вместо U подставить U — Ех.
Тогда U — E^1R.
Откуда / _ У — Еу
*~~ R '
Если подобную подстановку сделаем в формулу полной цепи, то
£ = //?—£, +/г,
откуда
E+Et = IR + Ir.
Это положение известно под именем второго правила Кирхгофа и пред-
ставляет обобщение закона Ома. Зто второе правило читается так.
Во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма (с учетом знаков,
т. е. направления) всех электродвижущих сил равна сумме падений
напряжений во всех участках цепи.
Применим это правило к следующей задаче технического содержа-
ния. Как известно, все электрооборудование автомобиля (освещение,
сигнал, стеклоочиститель, стартер) обслуживается двумя источниками;
на остановках и при малых оборотах двигателя
батареей аккумуляторов, а при больших оборотах
двигателя генератором, который вместе с тем подза-
ряжает и аккумулятор. Рисунок изображает упро-
щенную схему электрических цепей автомобиля (за
69

исключением цепи стартера). Какой ток будет
показывать амперметр и каково напряжение на
клеммах аккумулятора при замкнутом и раз-
омкнутом ключе/С? В действительности замы-
кание и размыкание производится не ключом,
а реле обратного тока, показанным на схеме.
Все «плюсовые» клеммы соединены «на массу»
(металл автомобиля), что позволяет обойтись
однопроводной системой. Числовые данные
указаны на схеме применительно к автомоби-
лю с шестивольтовым напряжением.
Решение.
1) Ключ замкнут. Все электрическое хозяйство обслуживает гене-
ратор. Идет зарядка аккумулятора. Применим правило Кирхгофа для
правого контура схемы, включающего генератор и аккумулятор. По-
ложительным будем считать направление тока и э.д.с. по часовой стрел-
ке.
8—6 = /,.0,06 + /,.0,5;
2 = 0,56-/,;
Применяя формулу Ома для участка (аккумулятора), получим
U = EaK. + Irn
^ = 6 + 3,6-0,06 = 6,2 в.
2) Ключ разомкнут. Генератор отключен. Источник питания — ак-
кумулятор. Правило Кирхгофа для левого контура — аккумулятор,
потребители — даст
6 = /2.0,06+/2.1;
/2==lT06=5,7 а'
Напряжение на клеммах аккумулятора
U = 6—5,7-0,06 = 5,7 в.
Если бы надо было узнать ток, идущий от генератора, то пришлось бы
воспользоваться первым правилом Кирхгофа, которое гласит: сумма
70

токов, притекающих к какой-нибудь точке разветвления, равняется
сумме токов, отходящих от нее, т. е. общий ток был бы равен
/ = 3,6 + 5,7 = 9,3 а.
Дадим теперь решение задачи, с которой мы начали нашу беседу
(рис. 60).
Ответ: разность потенциалов между любыми точками равна нулю!
Допустим, что общее число элементов равно я, число элементов
между двумя взятыми точками т.
Применяя 2-е правило Кирхгофа ко всему контуру, получим
Еп = 1ту
откуда
Е = 1г.
Применяя правило к контуру, состоящему из т элементов и вольт-
метра, получим
Em = Irm + U.
Подставляя из предыдущего
Е = 1г,
имеем:
и = Ет — £/п = 0.
ЕСЯТЬ ОПЫТОВ С ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ
Можно с уверенностью сказать, что ток в вашей
осветительной сети переменный. Только в небольших
городах, да некоторых заводских поселках можно встретить ге-
нераторы постоянного тока, снабжающие квартиры электроэнергией.
Ознакомление с особенностями переменного тока обязательно для
всякого, кто пользуется различными электрическими установками:
радиоприемниками, телевизорами, проигрывателями и другими быто-
выми электроприборами. Почему нельзя прибор, в паспорте которого
указано, что он предназначен для переменного тока, включать в сеть
постоянного тока? Почему нельзя заряжать аккумулятор переменным
71

током? Будет ли электромагнит работать от переменного тока так же,
как от постоянного? Какие электрические измерительные приборы
(счетчики, вольтметры и др.) пригодны только для постоянного или
только для переменного тока и почему? Наилучший способ разобраться
в особенностях переменного тока — это собственный эксперимент.
Опишем некоторые опыты с переменным током, доступные для выпол-
нения в домашних условиях, с применением самых простых средств.
Прежде чем приступить к проведению описанных здесь опытов,
прочтите внимательно правила проведения опытов с током от освети-
тельной сети и в дальнейшем строго следуйте им. При этом имеется
в виду, что эта книга рассчитана на учащихся старших классов. Детям
же моложе 15—16 лет разрешать делать опыты с электрическим током
от осветительной сети ни в коем случае нельзя.
Правила проведения опытов с током от осветительной сети.
1. Все опыты производятся с током от распределительного щита
(см. главу «Короткое замыкание») с предохранителями на 2—3 а.
2. Включать собранную цепь в осветительную сеть можно только
после окончания и проверки монтажа. Во время опыта нельзя делать
никаких изменений и поправок в цепи. В случае необходимости таких
изменений нужно выключить щит и обесточить всю установку.
3. Необходимо исключить возможность случайного прикосновения
к токонесущим металлическим частям установки. Монтаж проводить
исключительно изолированным проводом, обертывая обнаженные части
его в местах присоединения изоляционной лентой. Применяемые в не-
которых опытах лампочки монтируются в соответствующих патронах,
укрепленных на деревянных дощечках. Клеммы для присоединения
проводов следует брать с карболитовыми головками, концы проводов,
предназначенные для включения в гнезда розетки, заделываются штеп-
сельными наконечниками или снабжаются штепсельной вилкой.
4. Опыты, для которых указано применение понижающего транс-
форматора, ни в коем случае нельзя проводить без него.
5. Некоторые опыты (3, 4, 5, 7, 10) лучше проводить не дома, а в
школе на занятиях кружка или вечерах занимательной физики.
ОПЫТЫ
1. Как узнать, переменный ток или постоянный? Переменный ток
в осветительной сети — это ток, меняющий 100 раз в секунду свое на-
правление. Но не только направление тока меняется, меняются и вели-
чина тока и напряжение. Направление меняется периодически, величина
же и напряжение меняются все время, то возрастая до некоторого макси-
мума, то уменьшаясь до нуля. Полный цикл изменения значений тока
происходит за 1/50 долю секунды. Этот промежуток времени называется
72

или по
периодом переменного тока, а число периодов в секунду
показывает частоту тока. Единицей частоты служит герц —
это частота, при которой за одну секунду происходит один ^\гу I [ j"
цикл изменений тока. Следовательно, ток в сети, который ч^-'-'
питает лампочки, плитки и другие приборы, есть пятидеся-
типериодный ток. Такая частота обеспечивает возможность
применения переменного тока для освещения. Раскаленный
волосок электрической лампочки не успевает сильно остыть
за то время, когда ток равен или почти равен нулю. Кроме
того, и наш глаз не может подметить быстро следующих ко-
лебаний освещенности.
Но как же тогда узнать, переменный ток у нас или
постоянный? Вот один из способов, не требующий никаких
приборов для этого. Надо взять какой-нибудь тонкий
блестящий предмет — ножницы, нож, вязальную спицу
лированную палочку — и, став спиной к зажженной электрической
лампе, держать его на вытянутой руке на расстоянии 50 см от
глаз. Затем надо делать быстрые колебательные движения рукой
с этим предметом и наблюдать отраженный от предмета свет. Если
при этом видна равномерно светящаяся полоса, то ток, идущий
через лампу, постоянный. Если же полоса распадается на ряд че-
редующихся светлых и темных участков, то сеть питается переменным
током. Таким образом, наблюдение за быстро движущимся блестящим
предметом позволяет различить изменения освещенности в различные
моменты, в различных положениях предмета.
2. Переменный ток через конденсатор. Лишь только вы установите
у себя распределительный щит, вам, конечно, захочется испытать его
в действии. Вы берете обычную пробную электрическую лампочку
25 в/п, вставленную в патрон, от которого идут два провода со штепсе-
лями на концах. Вставив эти штепселя в гнезда розетки на вашем рас-
пределительном щите, вы с удовольствием замечаете, что работа ваша
выполнена хорошо — лампочка горит. Стоит вынуть один штепсель
из розетки, свет гаснет. Ну, разумеется! Ток ведь может идти
только в замкнутой цепи. Но подождите.
Известно, что конденсатор в простейшем виде — это две парал-
лельные металлические пластинки, разделенные каким-нибудь изоля-
тором, хотя бы прослойкой воздуха. Чем больше площадь пластинок
и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше емкость кон-
денсатора. Влияет на емкость еще и род диэлектрика (изолятора) ме-
жду пластинками. В магазинах радиодеталей можно приобрести кон-
денсатор (бумажный) емкостью в 1 или 2 мкф. Может быть, у вас есть
такой конденсатор. Включите его последовательно с
лампочкой в вашу осветительную сеть. Будет ли го-
73

реть лампочка? Если ток постоянный, то, действитель-
но, он через разомкнутую цепь (ведь пластинки кон-
денсатора разделены изолятором) проходить не будет,
лампочка гореть тоже не будет. А если ток перемен-
ный? Испытайте сами на опыте. Поразительно! Вы не
верите своим глазам—лампочка светится, хотя и не
полным накалом!Еслизакоротить клеммы конденсато-
ра, то свечение лампочки достигает полной яркости.
Итак, переменный ток «проходит» через конденсатор! Невероятно!
Как же это может быть? Слово «проходит» мы взяли в кавычки, потому
что то, что происходит в конденсаторе, не похоже на постоянный ток
проводимости, о котором шла речь в предыдущих беседах.
Если включить конденсатор в цепь постоянного тока, то оказывается,
что ток в цепи тоже идет, но очень короткое время. Направленное пере-
мещение электрических зарядов происходит до тех пор, пока пластины
конденсатора не зарядятся до того же потенциала, что и клеммы источ-
ника. Мы обычно даже и не замечаем этого кратковременного явления.
Представим себе теперь, что потенциал на гнездах розетки меняется по
величине и направлению по законам переменного тока. Тогда и разность
потенциалов между гнездами розетки и соответствующими пластинами
тоже все время будет меняться. В цепи будет идти ток то от розетки к
пластине, то от пластины к розетке, изменяя, кроме того, и свою вели-
чину. Чем больше емкость конденсатора, тем сильнее будет ток в цепи.
Сопротивление конденсатора прохождению тока при прочих равных
условиях обратно пропорционально его емкости. Заметим при этом,
что если бы провода, идущие к конденсатору, не нагревались (не имели
сопротивления), то энергия, посылаемая от источника к конденсатору,
возвращалась бы за следующую часть периода без потерь к источнику.
Образное сравнение переменного тока в конденсаторе дает следующая
схематическая установка. Резервуар, наполненный водой, разделен
на две части упругой (например, резиновой) перегородкой С. Левая и
правая части резервуара соединены с соответствующими частями ци-
линдра. Цилиндр и трубки А и В тоже заполнены водой. Пусть поршень
в цилиндре движется периодически влево и вправо. При ходе поршня
влево вода из левой части цилиндра будет переходить в резервуар и
выгибать упругую перегородку С. Упругая реакция деформированной
перегородки будет уравновешивать разность давлений в левой и пра-
вой частях системы. Достигнув некоторого максимума, деформация пе-
регородки при обратном ходе поршня будет умень-
шаться, достигнет нуля, после чего начнется «сме-
щение» перегородки в обратную сторону. Смещение
перегородки в нашей модели аналогично перемен-
ному току в конденсаторе.
74

3. Переменный ток через катушку. В домашних условиях опыт
удобней всего поставить с катушкой из 400—500 витков изолированной
проволоки (0,5—0,8 мм), намотанной на картонный или деревянный
каркас (хотя бы даже от швейной катушки большого размера). В ка-
тушку должен входить железный сердечник, собранный из железных
проволок. Сердечник должен быть таким, чтобы его можно было удобно
вдвигать в катушку и вынимать из нее. Ток в этом случае берется от
понижающего трансформатора малой мощности. В магазинах электро-
сбыта можно приобрести трансформатор ТБ-30 для маловольтных бы-
товых приборов и детских игрушек (опыты 3, 4, 5, 6 и 8 проводятся также
с этим трансформатором). Он позволяет преобразовать напряжение сети
220 или 127 в в низковольтное напряжение 2, 4, 6 и т. д. до 24 в (заметим,
что напряжения до 36 в относятся к «малым напряжениям» и безопасны
для экспериментирования). Включите последовательно с изготовленной
вами катушкой маловольтную (6—12 в) лампочку. Напряжение с транс-
форматора берется меньше паспортного напряжения лампочки. Надо,
чтобы она горела слабым накалом, тогда колебания ее яркости во время
опыта будут заметнее.
Если опыт будет ставиться в школе на занятиях кружка или на
вечере занимательной физики, то под руководством учителя можно
поставить опыт для большой аудитории. В этом случае удобен так назы-
ваемый универсальный разборный трансформатор, имеющийся в физи-
ческом кабинете. Сначала включают ток, предварительно вынув сердеч-
ник из катушки. Лампочка горит так же, как и без катушки. Это можно
проверить, закорачивая клеммы катушки. При вдвигании сердечника в
катушку яркость горения лампочки уменьшается. Опыт показывает,
что катушка представляет сопротивление току. Это сопротивление на-
зывают индуктивным сопротивлением, его величина зависит от числа
витков, плотности намотки, наличия железного сердечника, диаметра
катушки и сердечника. Причиной индуктивного сопротивления служит
явление самоиндукции. Оно состоит в том, что изменение магнитного
поля, которое происходит при изменении тока, вызывает появление
электродвижущей силы. Э. д. с. самоиндукции направлена всегда так,
что она своим магнитным действием препятствует изменению поля и
тока. Явление самоиндукции принято сравнивать с явлением инерции
в механике. Как для приведения в движение поезда приходится затра-
чивать энергию, а для замедления и остановки —
поглощать накопленную кинетическую энергию,
применяя работу трения (колес о рельсы или тор-
мозные колодки), так и создание, усиление, осла-
бление и исчезновение магнитного поля катушки
сопровождается встречной работой, результат ко-
торой сводится к нагреванию проводов.
75

Один и тот же проводник в разных условиях
может обладать различной самоиндукцией. В про-
воднике, свернутом в катушку, да еще при наличии
железного сердечника, явление самоиндукции стано-
вится во много раз заметней. Поэтому электротех-
ники различают два рода цепей: «безындукционные
цепи» (так называют цепи с малым индуктивным со-
противлением), например осветительная сеть, и це-
пи с «индуктивной нагрузкой», когда в них имеются моторы, трансфор-
маторы и им подобные устройства. В цепи с постоянным током самоин-
дукция проявляется лишь при замыкании и размыкании.
Поэтому сопротивление переменному току почти всегда бывает
больше, нежели постоянному. В некоторых случаях прибор, рассчи-
танный на переменный ток, перегорает от слишком большого тока,
если его включить в сеть постоянного, хотя бы при том же напря-
жении.
4. Искра при размыкании. Вынимая штепсель из розетки, когда
вы включали какой-нибудь электроприбор, вы, конечно, замечали появ-
ление искры. Это тоже результат самоиндукции. При размыкании на-
правление индукционного тока совпадает с направлением исчезающего
тока в цепи. Поэтому в момент размыкания происходит сложение
э. д. с. размыкаемого тока и э. д. с. самоиндукции (взлет кривой э. д. с.
на графике, рис. 63), что и приводит к образованию искры. Особенно
сильно искрение при наличии индуктивной нагрузки в цепи. Индуктив-
ной нагрузкой может быть, как уже говорилось, обмотка трансформа-
тора.
Обмотайте один, зачищенный до блеска, конец провода вокруг
ножки стального напильника, а другой, заделанный в штепсельный кон-
такт, вставьте в гнездо панели трансформатора. Если вы теперь возь-
мете еще провод и, вставив его одним концом в другое гнездо транс-
форматора, начнете свободным концом водить по напильнику, то уви-
дите целый фейерверк искр. Не опасайтесь, что может быть короткое
замыкание в вашей осветительной сети. Между ней и цепью трансформа-
тора, в которую включен напильник, существует, как говорят, гальва-
нический разрыв, и проводимый опыт безвреден для неё. Разумеется,
не следует затягивать опыт, чтобы не сжечь обмотку трансформатора.
Неплотный контакт в электрическом монтаже может
приводить к нежелательным явлениям и в бытовой элект-
рической проводке. В местах разрыва контакта происходит
постоянное искрение (иногда слышится потрескивание),
и это вызывает опасное разогревание в месте соединения.
Если в вашей квартире будут жаловаться, что розетка или
штепсель при включении электрической плитки, утюга
76

сильно нагревается, то вы приобретете репутацию опытно-
го электрика, если сумеете устранить этот дефект. Только
не забудьте, что всякий ремонт электрической сети должен
производиться при выключенных предохранительных проб-
ках на групповом щитке вашей квартиры,
5. Химические действия тока. Известно, что нагре-
вательные и осветительные приборы можно без различия
включать и в сеть постоянного, и в сеть переменного тока. Можно ли
переменным током пользоваться наравне с постоянным и для
химических действий — электролиза, зарядки аккумуляторов? Про-
верьте на опыте. Приготовьте два длинных графитовых стержня
(сердцевина карандаша). Обмотайте верхние концы их зачищенным
проводом и опустите нижними концами в стакан с водой. Воду
следует подкислить несколькими каплями серной кислоты или
растворить в ней небольшое количество поваренной соли. Если
теперь присоединить свободные концы проводов к нашему транс-
форматору, то при включении тока будет заметно обильное выделение
пузырьков газа на обоих графитовых электродах. При этом не будет
какого-либо различия в явлениях на том и другом электроде. Если бы
вы применили постоянный ток, например, от батарейки карманного
фонарика, то сразу обнаружили бы значительную разницу. Пузырьки
выделялись бы преимущественно на катоде. При электролизе серной
кислоты на катоде выделяется водород и по объему его выделяется вдвое
больше, чем кислорода на аноде. При электролизе же поваренной соли
на катоде выделяется водород, а на аноде желтовато-зеленый хлор g
характерным его запахом. Если электроды взять не графитовые, а мед-
ные, то при постоянном токе пузырьки водорода будут выделяться оби-
льно на катоде, а на аноде выделения газов вообще не будет заметно.
Кислород или хлор при этом вступит с медью в соединение (голубого
или зеленого цвета), а медная проволочка довольно быстро растворится.
Описанный опыт может применяться как один из простейших способов
распознавания полюсов источника тока.
Переменный ток, при котором полюсы все время меняют знак,
для электролиза, следовательно, применяться не может.
6. Содовый выпрямитель. Приготовьте 10-процентный раствор
двууглекислой соды (питьевой соды) в дождевой или дистиллированной
воде. Опустите в раствор два электрода. Один электрод из алюминия
(проволока, зачищенный провод, ложка), другой из железа, свинца
или графита. При пропускании тока через такой выпрямитель проис-
ходит электролиз. В результате электролиза алюминиевый электрод,
когда он служит анодом, покрывается пленкой из окиси алюминия и
гидрата окиси алюминия. Такая система способна пропускать ток^/
только в направлении от железа, свинца или графита к алюминию. Полу-
77

чившийся прибор можно использо-
вать для выпрямления тока. Направ-
ление выпрямленного тока можно
определить по магнитному или хи-
мическому действию.
7. Электролиз стекла. Проводит
ли стекло электрический ток? Но
ведь стекло изолятор, скажете вы. В физическом кабинете много
приборов для опытов по электростатике, и в них стеклянные изоли-
рующие части предохраняют от утечки зарядов в землю. Надо только,
чтобы стеклянные подставки были сухими, для этого их прогревают.
Однако проделайте такой опыт. Возьмите небольшой отрезок стек-
лянной трубки или палочки диаметром 3—4 мм и обмотайте нескольки-
ми витками зачищенной медной проволоки, как показано на рисунке,
оставив между проводниками на палочке пространство около 10 мм.
Один конец не менее 10 см оставьте свободным, чтобы можно было удоб-
но и безопасно держать палочку в руке. Соедините последовательно
приготовленный прибор с лампой 60—100 вт и включите его в освети-
тельную сеть (вашего распределительного щита). Разумеется, ток
через стекло не пойдет и лампа гореть не будет. Подогрейте теперь стек-
лянную трубочку между проводниками пламенем спиртовой лампочки.
Через некоторое время трубка раскалится докрасна и электрическая
лампочка начнет постепенно разгораться. Уберите теперь спиртовку.
Несмотря на это, лампа продолжает гореть, а стекло раскаляться
все сильнее и сильнее, пока, наконец, не расплавится и цепь не разор-
вется. Объяснение этого эффектного опыта не так уж просто. Мы огра-
ничимся лишь указанием на то, что эта проводимость стекла не того
вида, как проводимость металлов. Она имеет ту же основу, что и про-
водимость жидкостей (электролитов). Происходящий здесь процесс
связан с явлениями электролиза.
8. Магнитные действия переменного тока. Неотъемлемым призна-
ком электрического тока является магнитное поле вокруг него. Направ-
ление магнитного поля зависит от направления тока. Английскому
физику Максвеллу принадлежит известное правило винта. При прохо-
ждении переменного тока по проводу будет соответственно изменяться

направление магнитных силовых линий. Если обмотать изолированным
проводом железный стержень, то при пропускании переменного тока
получится электромагнит, полюсы которого будут меняться с частотой
тока. Может ли такой электромагнит притягивать к себе куски железа?
Проверьте на опыте, и вы убедитесь, что может. Ток берите от вашего
маловольтного трансформатора при напряжении 8—12 е. Притянутый
к электромагниту якорь (кусок железа) хотя несколько вибрирует, но
не отпадает. Существуют электроизмерительные приборы (амперметры
и вольтметры), основанные на втягивании мягкого железа в катушку,
по которой идет ток. Они одинаково пригодны и для постоянного и для
переменного тока. Такие приборы очень распространены и известны под
названием электромагнитных. Их внешний отличительный знак на
шкале ^ показывает, что ими можно пользоваться для того и другого
тока. Однако в приборах более точного класса шкала для постоянного
тока не совпадает полностью со шкалой для переменного тока (вы те-
перь сможете ответить, почему). В этом случае знак — или — укажет
вам, для какого тока они предназначены.
На намагниченную стальную пластинку, стрелку компаса например,
переменный ток за каждый цикл дважды оказывает противоположные
отклоняющие действия. Если перемены направления происходят часто
(скажем, частота тока равна 50 гц), то стрелка не будет успевать откло-
няться в одну или другую сторону, а будет дрожать около положения
равновесия. Приборы, основанные на действии подковообразного маг-
нита на подвижную катушку с током, называются магнитоэлектричес-
кими. Они пригодны только для постоянного тока. На шкале их обычно
ставится условный знак —.
9. Электрическая сирена. Применим только что сказанное к устрой-
ству забавного приборчика — «электрической сирены», или «электри-
ческой жужжалки». Для этого надо иметь плоскую жестяную коробоч-
ку, внутри которой укрепим катушку с железным сердечником (рис.
153). Расстояние от конца сердечника до жестяной крышки коробочки
не больше 3 мм, диаметр сердечника не меньше 10 мм. Число витков
катушки 500 или больше. Провода от катушки пропускаются через
фарфоровые втулочки во избежание короткого замыкания. Сирена ра-
ботает от переменного тока. В качестве реостата используется большая
электрическая лампочка. В зависимости от мощности лампы жужжание
будет громче или тише. Изменение магнитного поля сердечника приво-
дит жестяную крышку (мембрану) в колебание с частотой, равной час-
тоте тока.

ЛЯДЯ НА СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ
Игорь, стоя на табуретке, пристально смотрит на
электрический счетчик, в руках часы.
— Что ты, там делаешь, Игорь? Опять устроишь короткое замы-
кание?
— Не мешай, Лиля, видишь, я проверяю наш счетчик.
— Проверяешь? Ты можешь?!
— Очень просто. Погоди, через две минуты я кончу... Ну, вот и
все! Сейчас подсчитаю и скажу, врет счетчик или нет. Хочешь, сделаем
это вместе. Пойди выключи плитку в столовой и быстро возвращайся...
Выключила? Ладно, слушай! Прежде, впрочем, скажи, что подсчиты-
вает счетчик?
— Электричество...
— Электричество, электричество. Это ничего не говорит. Кулоны,
что ли? Нет, счетчик подсчитывает израсходованную электрическую
энергию. Наш счетчик подсчитывает ее в гектоватт-часах. Бывают счет-
чики и на киловатт-часы. У вас проходили в классе, что такое ватт?
— Только что вчера Ольга Павловна объясняла. Ватт — это еди-
ница мощности, это мощность тока в один ампер при напряжении один
вольт.
— Ну,скажем, так. А как подсчитать мощность?
— Надо помножить напряжение на ток Р = UI.
— Правильно. Если же надо подсчитать расход энергии, то надо
мощность помножить на время W = P-t= U-It, вот счетчик это
умножение и делает.
— Ишь ты, какая умная машина, знает таблицу умножения!
— Нечего смеяться, это точно. Сейчас я по рисункам в книжке
объясню, как устроен и работает счетчик.
Чтобы понять лучше, вспомним, как измеряются все три величины:
напряжение, ток, время. Начнем с напряжения, как его измеряют?
— Напряжение измеряют в вольтах, значит, вольтметром. Вольт-
метр надо включать параллельно тому участку, на котором хотят изме-
рить напряжение. Чертим схему. Ток измеряют амперметром, его вклю-
чают последовательно с потребителем, вот так. У нас на лабо-
раторных занятиях Тася Иванова включила раз амперметр параллель-
80

но и испортила его. Вот ей влетело! А почему, Игорь, нельзя включать
амперметр параллельно?
— Амперметр имеет очень малое сопротивление и когда его вклю-
чают последовательно с потребителем, то через него идет ток почти
такой, какой шел бы через потребитель и без включенного амперметра.
Если же подключить амперметр параллельно, скажем, лампочке, имею-
щей сопротивление, гораздо большее, чем у амперметра, то ток в ампер-
метре будет во столько раз сильнее, чем в лампочке, во сколько раз
сопротивление амперметра меньше сопротивления лампочки. Вот этот
ток и сжег амперметр у твоей Таси.
— Ну, а почему не сгорает вольтметр, ведь его включают парал-
лельно?
— У вольтметра очень большое сопротивление, и по нему идет
только небольшой ток.
— А если вольтметр включить не по правилам, не параллельно,
а последовательно, что тогда?
— Вольтметру ничего не сделается, но покажет он тогда напря-
жение не на лампочке, а на самом себе. И, возможно, это будет гораздо
больше, чем на лампочке. Напряжения на последовательных участках
прчмо пропорциональны их сопротивлениям. Ну теперь смотри, как
делается электрическое умножение. Пусть мы хотим измерить мощность.
Для этого есть такой прибор, он называется ваттметр. На рисунке
показано его устройство и схема. Тут две катушки: одна из толстой
проволоки (амперова катушка), другая из тонкой (вольтова катушка).
Амперова катушка неподвижна, вольтова может поворачиваться внутри
ее. Если в катушках будут токи, то эти токи будут действовать друг
на друга и подвижная катушка будет поворачиваться на некоторый
угол (стать параллельно неподвижной ей мешает пружина). Поворачи-
ваясь, катушка поворачивает и соединенную с ней стрелку, которая и
указывает на шкале мощность тока. В самом деле, неподвижная катуш-
ка включена последовательно с потребителем, подвижная — парал-
лельно. В зависимости от токов в катушках угол поворота будет боль-
ше или меньше. Пусть ток в амперовой катушке будет в два раза боль-
ше, тогда и показание прибора будет в два раза больше. Пусть теперь
напряжение (а следовательно, и ток!) вольтовой катушки увеличился
в три раза, тогда показание прибора увеличится еще в три раза, а всего
показание прибора стало в 2-3 = 6 раз больше. Значит, если первона-
чально ток был 1 ампер, а напряжение 1 вольт,
т. е. мощность была 1 ватт, то теперь мощность
равна 6 ватт. Вот тебе и умножение.
— Ловко!
—В счетчиках тоже есть две обмотки, но обе
неподвижные. Они надеты на два расположен-

ных под прямым углом железных сердечника. Переменный ток
намагничивает эти сердечники. Причем, так как ток переменный,
полюсы электромагнитов все время меняются, между ними как
бы бежит магнитное поле. Нам учитель так и назвал его — «бегущее
поле». Между катушками сих сердечниками помещается алюминие-
вый диск на оси. Бегущее магнитное поле образует в теле диска
вихревые токи и увлекает его за собой. Диск начинает вращаться вок-
руг своей оси. В зависимости от величины токов в катушках и скорость
вращения диска будет больше или меньше. Значит, скорость вращения
диска будет пропорциональна потребляемой мощности.
Диск связан со счетным механизмом, который может считать число
оборотов и месяц, и год, и больше. Он состоит из системы зубчатых ко-
лес с передаточным числом 10. Вместе с зубчатками на оси насажены
колесики с цифрами на ободках: 0, 1, 2 ... до 9. Ряд этих цифр виден
через окошечки, расположенные в одну линию. Как только сменятся
все десять цифр в одном окошечке,
так появится новая, на единицу
большая, в ближайшем левом и т. д.
Я смотрел на счетчик только 2 ми-
нуты, и изменения в цифрах счет-
чика не произошло еще. Но я для
проверки счетчика считал обороты
диска, вот по красному пятнышку на
его ободке. Диск сделал 36 оборотов.
На счетчике, на его табличке (пас-
порте) написано, что 1 гектоватт-
час по его счетному механизму соот-
ветствует 200 оборотам диска. Зна-
чит, сколько же гектоватт-часов я
Ос
сжег за 2 минуты: ^ гвт'Ч = 18втч,
Предварительно я включил плит-
ку мощностью 600 ватт. За 2 минуты,
™ часа, она должна была израсходо-
вать 600- ^ = 20 вт • ну счетчик же
наш показал на 2 ватт-часа, или на
10 процентов меньше. Это слишком
большая погрешность, хотя и в нашу
пользу. Допустимая погрешность
3—4 процента. Но, может быть,
плитка, работала не на полную мощ-
82

ность, какая обозначена в его паспорте, ведь 100% напряжение сети
часто меньше нормального. Все-таки я после сделаю еще несколько
проверок с разными нагрузками.
— А у плитки тоже есть паспорт?
— Ну, конечно, он есть у каждого электроприбора. Знаешь, да-
вай проведем учет мощности всех наших домашних приборов. Я буду
записывать, а ты смотри на приборы и говори мне.
Через некоторое время опись составлена. Вот она:
Ламп по 25 вт 2 шт. Мощность 50 вт
» 60 » 3 » 180 *
» 100 » 1 » 100 »
Плитка ... 1 » 600 »
Утюг 1 » 300 »
Пылесос ... 1 » 350 »
Стиральная ма- »
шина .... 1 » 400 »
Холодильник . 1 » 100 »
Итого... 2 000 em
— Ого! А интересно, какой ток пойдет через счетчик, если все
эти приборы включить одновременно.
Т 2000 п
/=22(Г = 9а-
Предохранительные пробки у нас на 10 ампер,— значит, сеть была бы
нагружена до предела. Конечно, не может быть, чтобы все было включе-
но сразу, да при такой нагрузке и напряжение, наверно, снизилось
бы и приборы работали бы не на полную свою мощность.
Зная мощность прибора, можно наперед рассчитать, сколько будет
израсходовано электроэнергии. Например, сколько времени ты сегодня
употребила на разглаживание платья, фартука и еще чего-то?
— Полчаса.
— Ну так вот: мощность утюга 300 ватт.
W =300-0,5- 150 вт- ч.
150*4
По цене 4 копейки за киловатт-час это будет стоить tqqq-^O^ коп.
Моя проверка счетчика обошлась в * ' =0,08 коп.
6* 83

Так можно делать подсчеты энергии и в больших делах. Вот по-
дожди, у меня где-то есть интересная запись (роется в тетрадках)...
Нашел.
На изготовление 1 тонны алюминия надо 20 000 квтч
» » 1 » электростали 1600 »
» » 1 легкового автомобиля 2000 »
Оставим Игоря и Лилю продолжать их исследования и обратимся
к числам иного масштаба, к волнующим перспективам электрификации
всей нашей страны. Гениальная формула В. И. Ленина — «Коммунизм—
это есть Советская власть плюс электрификация всей страны» —
определяет намеченные новой Программой КПСС невиданные темпы
внедрения использования электроэнергии в нашу промышленность,
наше сельское хозяйство, наш быт. Попробуйте построить диаграмму
роста выработки электроэнергии в СССР по следующим данным:
1913 .... 1,9 млрд. квт*ч
1930 .... 8,8 » »
1940 .... 48,3 » »
1958 . . . . 235,3 » »
1965 ... . 500—520 » »
1970 .... 900—1000 » »
1980 .... 2700—3000 » »
Еще интересны цифры: во всем мире в 1960 г. произведено несколько
больше 2000 млрд. квтч. Через 40 лет, т. е. в 2000 г., выработка энергии
у нас достигнет, вероятно, 10 000 млрд. квтч.
Первенец гениального Ленинского плана электрификации СССР—
Волховская ГЭС — обладал в 1926 г. мощностью 60 тыс. /сет; Днепро-
гэсч в 1933г.—600 тыс. кет; Волжская ГЭС имени В. И. Ленина (1960) —
2,3 млн. кет; Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС (1961) —
2,5 млн. кет; Братская ГЭС на Ангаре мощностью 4,5 млн. кет; Крас-
ноярская ГЭС на Енисее — 5 млн. кет.
Проектируются сверхмощные ГЭС на Енисее и Оби, их мощность
дойдет до 7 млн. кет. Наконец, исполинский гидроузел на Лене обещает
довести мощность до 20 млн. кет.
Электроэнергия гидроэлектроцентралей и тепловых электростан-
ций будет направляться на тысячи километров по высоковольтной
сети при напряжении 500 тыс. в и более. Сооружается первая в СССР
линия передачи постоянного тока под напряжением 800 тыс. в от Волж-
ской ГЭС имени XXII съезда КПСС в Донбасс. Будет создана единая
энергетическая система СССР, которая позволит перебрасывать электро-
84

энергию из восточных районов в Европейскую часть, и будет связана
с энергосистемами других социалистических стран. По мере удешев-
ления производства атомной энергии развернется строительство атом-
ных электростанций.
В одной из основных отраслей техники — энергетике ясно видны
громадные успехи, которые являются свидетельством совершающейся
в нашей стране грандиозной промышленной революции.
АК СОЗДАВАЛАСЬ КАРТИНА ЭЛЕКТРО-
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
(ФАРАДЕЙ И МАКСВЕЛЛ)
Около 1800 г. Вольта изобрел носящий его имя«вольтов столб» —
источник постоянного тока. В 1820 г. Эрстед открыл действие тока
на магнитную стрелку. Несколькими месяцами позже Ампер повторил
этот опыт и обобщил закон электромагнитного действия тока. Он уста-
новил, что два параллельных проводника, по которым идет ток в одном
направлении, притягиваются друг к другу и отталкиваются, если
токи имеют противоположные направления. Им же были исследованы
свойства соленоида и построен прибор, названный гальванометром.
В дальнейшем Ампер обнаружил взаимодействие соленоидов и подме-
тил сходство их с магнитами.
В этот же период Араго открыл намагничивание железа током и
построил первый электромагнит.
Эта эпоха больших открытий находится в непосредственной связи
с бурным прогрессом в промышленности в период начального развития
и утверждения капитализма после его победы над феодальным, застой-
ным способом производства. Резко увеличилась потребность в более
совершенной технике производства, транспорта, связи. Живейший
интерес среди ученых этой эпохи встречает каждое новое открытие в
области электричества, будь то случайное открытие доктора Гальвани
или Эрстеда, или планомерные исследования Ампера и Араго. Плеяда
первоклассных ученых, академиков, профессоров лучших универси-
тетов Европы направляет свои силы на исследование и решение со-
вершенно новых проблем, и шаг за шагом ученые проникают в до того
85

неведомый мир электрических явлений и законов
строения материи. Среди этих имен блестящих
ученых совершенно особняком выделяется имя ве-
ликого английского физика и химика Майкла Фара-
дея, ученого самоучки, получившего в школе только
начальное образование. Гению Фарадея принадлежит
идея об электромагнитном поле, которая легла в
основу всего дальнейшего развития физики и тех-
ники. Но обратимся сначала к некоторым эпизодам
в его удивительной биографии.
Один из декабрьских дней 1812 г. Сэр Гемфри
Дэви только что окончил чтение довольно странного,
поданного ему слугой письма. Некий юноша —
ученик переплетчика, подписавшийся никому в то
время не известной фамилией Фарадей, сообщал в этом
письме, что он усердно посещал курс популярных
лекций Дэви в Королевском институте. Он писал о своем горячем
желании посвятить себя научной деятельности. К письму были при-
ложены записи прослушанных лекций, тщательно переписанных и
собственноручно переплетенных автором письма.
— Вот письмо одного юноши, по имени Фарадей; он слушал мои
лекции и просит дать ему место в Институте. Что мне с ним делать? —
обратился Дэви к присутствующему при этом его институтскому то-
варищу Пипису.
— Что делать? Вели ему мыть бутылки,— отвечал Пипис.— Если он
согласится, то из него будет толк, если же нет, то он ни к чему не годен.
В марте 1813 г. по ходатайству Дэви Фарадей получает место ас-
систента в лаборатории Королевского института. Здесь проходили
все работы Фарадея, сначала в области химии, а с 1820 г. преимуще-
ственно в области электричества. Только что нашумевшее открытие
Эрстедом действия тока на магнитную стрелку возбудило в ученом мире
исключительный интерес, и открытия в этой области следовали одно
другого поразительней. Вот Араго показал, что железные опилки
притягиваются к медному проводу, когда по нему идет гальванический
ток. Повторяя опыты Араго, Дэви обнаружил, что рассыпанные опилки
на листе бумаги, сквозь которую проходит перпендикулярно к листу
провод с током, располагаются вокруг провода концентрическими
окружностями. В дневнике его ассистента Фарадея помещен рисунок,
показывающий это расположение опилок,— рисунок, кото-
рый сейчас можно видеть в любом учебнике физики. Фарадей
и сам проделал много опытов с «магнитной иглой» и проводом
с током. Поведение магнитной стрелки наводило на мысль,
нельзя ли получить непрерывное вращение ее вокруг провода
Фарадей
86

или заставить проводник с током вращаться вокруг магнита? Осуще-
ствлению такого вращения мешало то обстоятельство, что магнит
обладает двумя противоположными полюсами. Фарадей нашел способ
устранить это затруднение. На рисунке изображены опыты, дающие
понятие о том, как это было осуществлено. Проволока, подвешенная
на крючке другой проволоки, по которой подводится ток, вращается
(отклоняясь под действием центробежного эффекта) вокруг полюса
магнита. На другом рисунке показано, как вертикально плавающий в
ртути магнит, отягощенный снизу платиновым грузом, плавает вокруг
провода с током. В том и другом случае второй полюс магнита, как
более удаленный, не оказывает мешающего противоположного дейст-
вия. Описанные два опыта содержат в себе основные идеи взаимодей-
ствия электричества и магнетизма: замкнутая магнитная линия и
замкнутый контур тока («вихрь», по выражению самого Фарадея) в
том и другом случае представляют как бы два звена одной цепи.
В 1827 г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королев-
ском институте. О колоссальной работоспособности Фарадея можно
судить по его печатному труду «Экспериментальные исследования по
электричеству», выходившему отдельными сериями с 1831 по 1865 г.
Все это издание состояло из 30 серий с более чем 3000 параграфами.
Здесь выразилось умение Фарадея работать систематически. Вопросы,
которые намечались для исследования, он записывал на отдельных
листах и затем постепенно их разрешал. Собственноручные заметки
Фарадея к его работам аккуратно пронумерованы. Последний
параграф к «Экспериментальным исследованиям» носит № ... 16 0411
Убеждение в единстве сил природы — основная черта мировоз-
зрения Фарадея. Через десять лет после опытов Эрстеда, 29 августа
1831 г., Фарадею удалось на опыте получить электромагнитную ин-
дукцию при изменении тока. При размыкании тока, проходящего
через проволочную катушку, возникал кратковременный ток в парал-
лельно поставленной второй катушке, что можно было заметить по
слабым отклонениям стрелки гальванометра. В момент замыкания тока
в первой катушке во второй катушке снова пробегал ток, но обратного
направления. Рисунок 64 изображает схему опыта (в действительности
обе катушки были намотаны на один общий деревянный сердечник).
Введение внутрь катушек железного сердечника резко усиливало
наблюдаемое явление. На рисунке вы видите «кольцо Фарадея»: на
железном кольце намотаны две катушки изолированной проволоки.

Наконец, 17 октября того же
года Фарадей решает поставлен-
ную перед собой задачу — «превра-
тить магнетизм в электричество».
«...Магнит сразу был вдвинут в
катушку. Стрелка гальванометра
показала мгновенное отклонение...
Если магнит оставался внутри
катушки, то стрелка снова прихо-
дила в свое прежнее положение и
- при вынимании его отклонялась в
противоположном направлении». В таких словах записал Фарадей
сделанное им величайшее открытие.
Исторический опыт с кольцом Фарадея по сути дела ставится
сейчас в школе: замыкание тока в одной обмотке вызывало намагни-
чивание железного кольца. Получалось так, как будто во вторую
обмотку вдруг вдвигался магнит. Размыкание тока сопровождалось
размагничиванием сердечника, что соответствовало удалению магнита.
Первым после Кавендиша, труды которого еще не были опубли-
кованы, Фарадей обратил внимание на существенное влияние среды
на протекающие в ней электрические явления и взаимодействия. Фа-
радей отрицал возможность взаимодействия на расстоянии и утверж-
дал, что оно происходит через среду («мировой эфир»), которая является
материальной.
Взгляды современных Фарадею ученых были далеки от подобного
объяснения явлений электромагнитной индукции. Казалось естест-
венным, что действие одного тела на другое может передаваться на
расстояние и притом мгновенно. У большинства не возникло еще
и сомнения в возможности такой передачи без какого-либо посредника.
Чтобы понять неправдоподобность такого «дальнодействия» и наглядно
представить роль передающего посредника, рекомендуем читателям
сделать несколько опытов из области передачи механического дви-
жения. Допустим, у вас есть два шарика, подвешенных как маятники
на нитях. Как передать движение от одного шарика к другому? Это
можно сделать, во-первых, непосредственно, отведя один шарик и вы-
пустив его так, чтобы он ударил по второму шарику. Если шарики
были одинаковые, то второй шарик будет при этом отброшен на такую
же высоту, с какой упал первый, причем последний шарик остановится.
Но удар можно передать и при помощи какого-нибудь материального
посредника, например через деревянный брус. В качестве более тонкого
посредника может служить и воздух. Для опыта возьмите две картон-

ные коробки без крышек и замените дно их туго натя-
нутым пергаментом или плотной бумагой. Удар шари-
ком по одной из коробок вызовет воздушную волну, и
второй шарик (в этом случае надо взять очень легонь-
кий) отскочит от коробки. Земля притягивает находя-
щиеся над ним тела, причем это притяжение можно
наблюдать и в безвоздушном пространстве. Что же
является посредником между Землей и телом в этом
случае? Сейчас глубокое убеждение всякого физика —
что таким материальным посредником является «поле»,
«поле тяготения». Материальным посредником между
магнитом и куском железа, удаленным от него на неко-
торое расстояние, является магнитное поле, между
электрическими зарядами — электрическое пбле.
Вводя понятие поля и отвергая теорию дальнодей-
ствия, Фарадей был убежден в материальности сило-
вых линий, идущих от магнита или заряженного проводника. Для него
силовые линии были не просто графическим изображением действия
сил, а реально существующими и заполняющими все пространство
вокруг магнита или заряженного проводника.
Впоследствии Максвелл облек в математическую форму идеи Фа-
радея. Он высоко оценил идеи Фарадея за скрытый в них глубокий
математический смысл, за точность и логичность его определений.
«Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея,— пишет он,— я
заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и не пред-
ставлен в условной форме математических символов. Я также нашел,
что метод может быть выражен в обычной математической форме и
таким образом может быть сопоставлен с методами признанных мате-
матиков».
В противоположность Фарадею Максвелл, сын состоятель-
ных родителей, получил наилучшее образование, какое можно
было получить в то время в Англии. Одаренный исключительными
математическими способностями, он, когда еще учился в средней
школе, направил в Королевское общество в Лондон свою первую
работу по геометрии. В 25 лет он уже профессор физики в Абердине
(Шотландия), а с 1860 по 1865 г. в Королевском колледже в Лон-
доне.
В 1873 г. вышел в свет знаменитый «Трактат по электричеству и
магнетизму» — плод восьмилетней работы Максвелла, суммирующий
и обобщающий все практические и теоретические работы физиков в
этой области более чем за полуторастолетний период. В трактате да-
ется изложение новой теории электромагнитного поля. Выведенные
Максвеллом уравнения легли в основу современной электротехники
89

и радиотехники и до сих пор оплодотворяют научную мысль исследо-
вателей. Можно в качестве примера указать, что идея одного из совре-
менных ускорителей частиц, применяемых в ядерной физике,— бе-
татрона — использует законы электромагнитного поля, выраженные
уравнениями Максвелла. Не приводя математических расчетов, пояс-
ним принцип работы этого ускорителя. Ускоритель состоит из сильного
электромагнита, питаемого переменным током, и вакуумной камеры
в форме кольца, предназначенной для ускорения электронов в ней.
Изменение тока в электромагнитах вызывает возникновение вихревого
электрического поля в камере. Электроны увлекаются этим полем, и
скорость их увеличивается. После нескольких сот тысяч или миллионов
оборотов скорость и энергия электронов достигают огромной вели-
чины, и тогда электроны направляют на мишень.
К сожалению, математическая форма уравнений Максвелла тре-
бует для ее понимания большой подготовки и не позволяет в данной
статье показать всю глубину и изящество заложенных в уравнениях
идей. Восхищенный внутренней и внешней красотой этих математи-
ческих символов, немецкий физик Больцман выразил свой восторг
стихами, начинавшимися фразой:
War es ein Gott der diese Zeichen schrieb?..
He бог ли эти знаки начертал?..
Из четырех уравнений Максвелла, которые обычно приводятся
в учебниках высшей школы, остановимся только на двух, имеющих
непосредственное отношение и к занятиям по физике в средней школе.
Для чистого электромагнитного поля (в условии отсутствия про-
водников) они могут быть представлены так:
£ (Edl) = — -г-— уравнение электродвижущей силы;
ф (Hdl) =-уг — уравнение магнитодвижущей силы
Здесь Е — напряженность электрического поля на участке d/, H —
напряженность магнитного поля на участке dly N — поток электри-
ческой индукции, Ф — поток магнитной индукции, t — время.
Бросается в глаза симметричный характер уравнений, устанав-
ливающих: первое — связь электрических и магнитных явлений,
второе — аналогичную связь магнитных явлений с электрическими.
Физическую сущность этих двух уравнений можно выразить по-
пулярно следующими двумя положениями:
1. Изменение электрического поля всегда
сопровождается магнитным полем.
2. Изменяющееся магнитное поле всегда
сопровождается электрическим полем.
90

Рисунки а) и б) наглядно иллюстрируют эти положения. Вспом-
ните известные опыты. Изменяя магнитное поле, вдвигая и выдвигая
магнит в катушку (или замыкая и размыкая ток во внутренней катушке),
всегда получаем в последней электрический ток. Впрочем, приведенные
рисунки страдают существенным недостатком — на них замкнутыми
показаны только электрическое или магнитное поле в отдельности.
Более точную наглядную иллюстрацию уравнений Максвелла пред-
ложил английский физик Брэг в виде воображаемой модели, известной
под названием «цепочки Брэга». Представьте себе цепочку, сделанную
из чередующихся медных и железных колец. Замыкая на мгновение
ключ К, мы посылаем ток от батареи в первое медное кольцо. Следу-
ющее, сделанное из железа кольцо намагничивается. Возникновение
магнитного поля в нем вызывает появление индукционного тока в
третьем кольце. Этот ток вызовет появление магнитного поля в чет-
вертом, тот — в пятом и т. д.
Замкнутость магнитных и электрических силовых линий электро-
магнитного поля — весьма важное положение в теории Максвелла.
Чтобы иметь возможность во всех случаях говорить о замкнутом —
вихревом — характере поля, Максвелл ввел понятие о так называемом
«токе смещения», который как бы замыкает через диэлектрик элект-
рический контур (при наличии в цепи конденсатора). Магнитные
силовые линии окружают ток смещения, так же как и ток проводимости.
Максвелл в своих математических формулах показал, что наличие
вещественных носителей (металлических колец на модели Брэга),
металлических проводов на практике не является существенным для
распространения электромагнитного поля. Замкнутые на себя магнит-
ные и электрические поля распространяются от источника (излучаются)
по направлению радиусов («радиус» и значит «луч») во всех направле-
ниях.
Электромагнитное поле не вещественно, но оно ма-
териально. Физика знает две формы материи — вещество
(твердое, жидкое или газообразное) и поле (электромаг-
нитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость рас-
пространения электромагнитного поля, теоретически уста-
91

новил Максвелл, равна скорости распространения света. Отсюда
у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой электромаг-
нитное поле. Электромагнитная теория света сменила предшествующую
ей теорию Гюйгенса, который рассматривал свет как колебание эфира.
«Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая со-
держит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или
магнитном состоянии»,— писал Максвелл. Электромагнитное поле
материально. Его материальность подтверждается тем, что в нем
наблюдается действие сил, тем, что оно является носителем и передат-
чиком энергии. Эта материя всегда налицо, так как если откачать
насосом обычную, вещественную материю (Максвелл называет ее «гру-
бой» материей или «сгущенной» материей), то останется «тончайшая»
материя, способная передавать электрические или световые действия.
Наука XX в. окончательно отбросила противоречивое понятие
светового эфира физиков предшествующего столетия, хотя в разго-
ворной речи до сих пор сохранились выражения «волны эфира», «пере-
дача в эфире», когда речь идет о радиовещании и когда в сущности
мы имеем дело с колебательными явлениями в электромагнитном поле.
Максвеллу не удалось дожить до того времени, когда его идеи
получили практическое подтверждение, он умер в расцвете творческих
сил в возрасте 48 лет в 1879 г.
В 1888 г. Г. Герц экспериментально получил электромагнитные
волны, а в 1895 г. А. С. Попов применил электромагнитные волны для
радиопередачи и приема сигналов без проводов.
BET И ГЛАЗ
Немецкому физику и физиологу Гельмгольцу при-
надлежит фраза: «Если бы оптик принес мне столь
несовершенный инструмент, как человеческий глаз,
я бы тотчас выбросил его за дверь (wiirde ich ihn zur Tur hinauswerfen)».
С такой суровой оценкой можно было бы согласиться лишь в том слу-
чае, если судить о глазе только с точки зрения его качества как опти-
ческого прибора. Совсем иное будет суждение, если мы будем рас-
сматривать всю совокупность зрительного органа и будем оценивать
глаз как один из основных «анализаторов» (в свете учения И. П. Пав-
лова), воспринимающих действия раздражителей внешнего мира на
92

нашу нервную систему. Чувство неудовлетворенности
сменится тогда чувством изумления перед совершенной
слаженностью, согласованностью во всей системе. Мы
понимаем, что эта слаженность явилась в результате
длительной эволюции (развития) организма и вызвана
жесткой необходимостью ориентировки организма во
внешнем мире. Слишком большое значение имеет для
всякого живого организма действие света. Не тянется
ли к свету растение, поворачивая к солнцу, как под-
солнечник или гелиотроп, свои цветы? Попытки
природы создать орган, специально реагирующий на
световой раздражитель, на протяжении миллионов лет
истории органической жизни на Земле, иногда ошибоч-
ные, иногда неудачные и, наконец, более или менее
совершенные, можно проследить на различных ступенях
развития органических форм. Рассмотрим, например, такого
простого обитателя Земли, как дождевой червь. Напрасно стали
бы мы искать у него привычные детали: голову, нос, глаза.
Ничего подобного у него не найти. И все же дождевой червь
достаточно резко реагирует на освещение. Осветите темной ночью
электрическим фонариком выползшего из земли червяка — он
мгновенно спрячется в свою норку. А между тем органа, кото-
рый можно было бы назвать глазами, у дождевого червя нет.
Имеются только разбросанные по всему телу нервные клетки,
строение которых схоже со строением нервных клеток глаза
более высокоорганизованных существ. Светочувствительные ор-
ганы червя не локализованы, а рассеяны по всему телу, как
органы осязания у человека.
Вот раскинулась изящная сеть, которую сплел паук-крес-
товик. Его «ученое» имя — Epeira diademata — «художник в
диадеме». Но где же у него эта бриллиантовая диадема? Рас-
смотрите его в лупу, и на его головогруди вы увидите восемь
«алмазов» — это его глаза. Восемь глаз! Из них четыре главные
и две пары подсобных, слева и справа. Рисунок показывает
строение главного (а) и вспомогательного (б) глаза. Это точечные
глаза. Прозрачная, почти шарообразная линза направляет собран-
ный свет на светочувствительные клетки. В зависимости от
расположения светочувствительного слоя дальше или ближе от
линзы и кривизны последней глаза паука приспособлены к
дальнему (несколько миллиметров) или близкому видению.
Конечно, маленькая сетчатая оболочка таких миниатюрных глаз не
может содержать много светочувствительных элементов — их всего
несколько тысяч вместо миллионов клеток человеческого глаза.
93

А вот воздушная красавица стрекоза. На ри-
сунке изображены ее глаза. Вернее, множество
глаз! Как цветок подсолнечника представляет собой
соцветие тесно расположенных элементарных цве-
точков, так глаза стрекозы и других насекомых со-
стоят из множества трубчатых ячеек-фасеток. Новая
попытка природы создать более совершенный орган
зрения! Было бы совершенно ненаучно задавать воп-
рос и ломать голову над тем, какие зрительные обра-
зы получают паук или стрекоза. Не представляется
ли им мир мозаичным? Мы привели просто пример
из бесчисленных способов решения задачи, которая
стояла перед природой,— обеспечить свои создания
органом восприятия света. А сколько было еще, ве-
роятно, и более неудачных вариантов, не выдержав-
ших конкуренции в борьбе за существование и бес-
следно сошедших с мировой сцены, прежде чем
появилось то, что нам кажется таким совершенным
и прекрасным,— человеческий глаз. Сколько волну-
ющих слов сказали поэты о глазах, черных, голу-
бых... Сколько художников пытались передать их очарование.
Художники! Не связана ли их жизнь целиком с деятельностью глаза?
Не является ли одним из наиболее драматических сюжетов трагедия
слепнущего художника в романе Киплинга «Свет погас»? Однако
ведь речь-то должна идти о физике. Да. Но разве не связан с глазом
весь отдел «геометрической оптики», которой мы собирались посвятить
эту статью? Конечно! Основное понятие геометрической оптики —
луч. Оно обязано своим происхождением иллюзии глаз. Пронизываю-
щие чащу леса или вырывающиеся из-за туч потоки света действительно
создают представление о лучах. В темном зрительном зале кинотеатра
из окошечка кинобудки вырывается сноп света, освещающий нося-
щиеся в воздухе пылинки, обнаруживаемые глазами как расходящийся
конус лучей. Но, конечно, все это не собрание лучей, это пучки света,
а луч — это идеализированное понятие, геометрическая линия. Пучок
света—это физика, луч — геометрия. Геометрическое понятие прямой
линии тесно связано с понятием луча, а значит, со свойством нашего
глаза. Когда плотник проверяет прямолинейность кромки оструганной
доски, он смотрит вдоль нее по лучу зрения. Образование теней и
солнечных пятен связано с прямолинейным распространением свето-
вых пучков. Сквозь малые отверстия в густой листве деревьев про-
рываются пучки света, образуя под деревом пятна одинаковых очер-
таний — круглые, если падают на перпендикулярно поставленную
поверхность, и овальные при косом падении на землю.
94

„О Солнце! Там, где тень от лип густа и ароматна,
Кидаешь ты такие пятна,
Что жалко мне ступать по ним"
(Э. Р о с т а н , „Гимн Солнцу певца
зари" Шантеклер),
Солнечные пятна представляют собой изображе-
ния Солнца, получившиеся при прохождении пучка
света через малые отверстия. Камера-обскура —
исстари известный оптический прибор. Для получе-
ния четких изображений необходимо только подобрать
величину отверстия. Уменьшение его ведет к полу-
чению более отчетливых изображений, так как узкие
пучки света от отдельных точек предмета не нала-
гаются друг на друга. Рисунок показывает фото-
графию, полученную при помощи такого простей-
шего безобъективного аппарата. Быть может, вы
захотите сделать себе такой прибор. Однако надо
иметь в виду, что при чрезмерном уменьшении от-
верстия изображение опять становится туманным.
Здесь кончается геометрическая оптика и выступает
явление, связанное со сложной природой света,—
дифракция, о котором мы поговорим в другой статье.
Впрочем, человеческий глаз тоже представляет
собой устройство, по принципу схожее с фотоаппа-
ратом. Рисунок показывает сходство того и другого
инструмента. Через зрачок — отверстие в радужной
(окрашенной) оболочке глаза, которая подобно диафрагме
фотоаппарата может в зависимости от яркости освещения
сужаться или расширяться, лучи света проходят через хру-
сталик и дают изображение на задней, сетчатой оболочке
глаза. Задайте кому-нибудь из ваших товарищей вопрос,
как изменится изображение на фотографической пластинке
или на экране при показе диапозитивов при помощи про-
екционного фонаря, если закрыть половину объектива. Спра-
шиваемый часто попадает впросак, отвечая, что останется
только половина изображения. Ни в коем случае! Вы лег-
ко убедитесь в этом на опыте.
Диафрагма только позволяет получить более резкое
изображение, способствует увеличению резкости изображе-
ния на сетчатке, а следовательно, и более отчетливому ви-
дению и сужению зрачка нашего глаза. Вот интересное под-
тверждение этому: не прибегая к лупе, можно разобрать
мелкую печать, если страница ярко освещена солнцем.
95

Яркое освещение заставляет зрачок суживаться, и изоб-
ражение становится более резким. На рисунке показано,
как люди, читающие обычно в очках («дальнозоркие»),
могут в случае необходимости («Забыл очки!») прочитать
написанное. Оставив маленькую дырочку между сжатыми
пальцами, надо смотреть одним глазом на страницу,
зажмурив при этом другой. Тогда из туманных строчек
страницы выступит отчетливо видимая часть строки.
Посмотрите сбоку на глаз вашего товарища, и вы за-
метите выпуклость. Это роговая оболочка. За ней жид-
кость — «водянистая влага», далее хрусталик и, наконец,
студенистое «стекловидное тело» образуют оптическую
систему глаза. Подобно фотоаппарату глаз наводится на резкость, и
на сетчатке получается четкое изображение рассматриваемого пред-
мета. Это достигается изменением кривизны хрусталика. Окружаю-
щие хрусталик мышцы могут сжимать или растягивать хрусталик
и тем изменять в известных пределах его фокусное расстояние.
Сходство получения зрительных изображений в глазу с фотогра-
фическим процессом мы находим и в химических явлениях на сетчатке.
Они аналогичны процессам, которые происходят в светочувствительной
эмульсии пленки. На фотографической пленке световое изображение
снимаемого предмета вызывает разложение бромистого серебра в све-
точувствительном слое. В глазу под действием света происходит раз-
ложение (обесцвечивание) особого вещества, зрительного пурпура,
приготовляемого светочувствительным слоем сетчатки (пигментным
эпителием). Более яркие места светового изображения вызовут большее
разложение пурпура, темные — меньшее. Вследствие этого на сет-
чатке, как и на фотопленке, получается изображение. Однако оно
держится недолго, всего около 1/7 сек, после чего исчезает. Взамен
использованного пурпура пигментный эпителий приготовляет новый
слой и т. д.
На задаваемый обычно вопрос, почему мы не видим предметы
«вверх ногами», раз изображение на сетчатке получается обратное,
можно было бы и не отвечать, так как этот вопрос содержит в себе
ошибку. Самый короткий ответ был бы тот, что мы видим не изобра-
жение на сетчатке (которое действительно обратное), а предметы во
внешнем мире.
Что такое верх и низ? Это понятия относительные. Люди, находя-
щиеся на противоположной стороне земного шара, по отношению к
нам ходят «вверх ногами».
Бесспорным, выработанным всей практикой жизни будет опреде-
ление направления «вниз» как направления силы тяжести. Поднимая
руку и совершая при этом работу против силы тяжести, вы указываете
96

вашей рукой «вверх». Практика жизни позволяет
вам и в отношении видимых предметов устанавли-
вать, где у них верх, а где низ. Это одна из тех
поправок, которые опыт и мозговая деятельность
вносят в расшифровку зрительных впечатлений.
Заимствуем из прекрасной книги академика
С. И. Вавилова «Глаз и Солнце» другой пример кор-
ригирующей деятельности мозга. Рисунок изображает
фотографический снимок лежащего человека с нога-
ми, вытянутыми к нам. Подметки башмаков, расположенные к аппарату
ближе всего, вышли карикатурно большими. Оптически снимок
правилен, но взгляните на действительно лежащего в такой позе чело-
века, и в вашем сознании такого карикатурного образа не получится.
Оптическое изображение будет исправлено деятельностью мозга.
Изучая различные оптические системы, мы схематически изобра-
жаем ход лучей и делаем построение предмета и его изображения.
При этом нередко говорят о том, что через оптическую систему мы
рассматриваем- мнимое изображение предмета. Вспомним привычное
объяснение получения изображения от предмета, помещенного между
главным фокусом и линзой. Мнимое изображение в этом случае полу-
чится там, где пересекутся продолжения расходящихся лучей, попа-
дающих в глаз.
Как это понимать?
Мнимое изображение не может быть ни запечатлено на фотогра-
фической пластинке, ни получено на экране или на сетчатке глаза.
Чтобы выяснить вопрос, необходимо проследить ход лучей до
сетчатки глаза. Оптическую систему глаза изобразим условно на ри-
сунке как область, заключенную между роговицей и границей хру-
сталика. Эта система, как линза, имеет фокус на сетчатке. Тогда лучи,
вышедшие из точки Л, пойдут после прохождения лупы параллельным
пучком. Таким образом, о мнимом изображении в этом случае и речи
быть не может — оно удаляется в бесконечность. Оптическая же си-
стема глаза собирает падающие на нее параллельные лучи в фокусе
(т. е. на сетчатке), и мы получаем зрительное впечатление. Если по-
местить теперь предмет ближе к лупе, то лучи действительно станут
расходящимися, но все равно оптическая система глаза превратит их
в сходящиеся пучки, только для этого хрусталику потребуется из-
менить свою кривизну, стать более выпуклым (это делают мышцы,

окружающие хрусталик). Такое при-
способление глаза к расстояниям назы-
вается аккомодацией. Первое располо-
жение, при котором предмет находился
в главном фокусе лупы, более удобно
для наблюдателя, так как не вызывает
напряжения хрусталика и не утомляет
глаз.
Итак, повторяя слова известного
немецкого физика Поля, нужно строго
различать две вещи: лучи, изображен-
ные на бумаге, которая все терпит, и
реальные пучки света.
Но как быть с изображением в плоском зеркале? Ведь в любом
учебнике физики приводится чертеж образования мнимого изобра-
жения за плоским зеркалом. Чертеж, конечно, правилен. Но ведь вы,
читатель, сейчас смотрите только на чертеж, а не в зеркало. На чертеже
получилось мнимое изображение. Значит, говорите вы, его нельзя
получить на экране на фотографической пластинке, на сетчатке глаза.
Подождите, подождите, а проверяли ли вы это на опыте? Если нет, то
прошу вас сделать следующий опыт. Поставьте против окна зеркало,
а между зеркалом и окном — двояковыпуклую линзу. Передвигая лист
белой бумаги, вы очень скоро сумеете получить на нем перевернутое
изображение окна. Вы хотите получить свой автопортрет. Пожалуйста,
вы можете сфотографироваться в зеркало. А так как глаз принципи-
ально подобен фотокамере, то, следовательно, и на сетчатке глаза
получается действительное, а не мнимое изображение предметов,
отражающихся в зеркале. Вот ход лучей, поясняющий сказанное.
Необходимо сделать еще несколько замечаний, касающихся гео-
метрической оптики. Допустим, вы рассматриваете в лупу мелкую
печать. Вы приближаете глаз и лупу к бумаге и не успокоитесь до тех
пор, пока не получите наиболее ясное изображение рассматриваемого.
В этот момент хрусталик ваш аккомодирован на «расстояние наилуч-
шего зрения». Это расстояние обычно принимают равным 25 см> хотя
у разных лиц и в разном возрасте способность аккомодации различна.
Хотите знать, во сколько раз увеличивает ваша лупа? Из физики вы
знаете, что ответ легко получить по формуле:
25
увеличение лупы = -тг.
Но как определить F? В солнечный день это можно сделать, собрав
лучи солнца в фокус и измерив расстояние от лупы до него. Если
же солнца нет, то надо навести линзу на далекий предмет (ландшафт
98

за окном) и получить резкое его изображение на бумаге. Расстояние
от линзы до изображения можно считать практически равным фокус-
ному расстоянию. Действительно, в известной формуле линзы
1 + 1=1
d ^ f F
для далеких предметов (d=oo)-r исчезающе мало, и тогда -г=~е,, или
а /г
f=F (расстояние до изображения равно фокусному расстоянию линзы).
Описанный прием нахождения фокусного расстояния двояковы-
пуклой линзы позволит вам решить еще одну интересную и полезную
задачу. Пусть вы задумали построить себе самодельный телескоп
из очковых стекол. Но тогда вам понадобится прежде всего знать
номер очков (для дальнозорких). Номер очков показывает их «опти-
ческую силу», или величину, обратную фокусному расстоянию
Оптическая сила измеряется в диоптриях. 1 диоптрия — это оп-
тическая сила линзы, у которой ^=1 м. Поэтому, измерив F вышеопи-
санным путем, вы определите и номер очков. Например, если F=50см =
= 0,5 ж, то D = z-p = 2 диоптрии, или номер очков +2.
Для изготовления телескопа вам понадобится для объектива стекло
+2 или +1, т. е. линза с фокусным расстоянием 50 см или 100 см.
Можно вместо очкового стекла приобрести в магазине фототоваров
соответствующую насадочную линзу для фотоаппарата. Для окуляра
надо взять какую-нибудь сильную линзу (ботаническую или текстиль-
ную лупу) с фокусным расстоянием около 2 см. Тогда ваш телескоп
F 50
будет увеличивать в-~=у=25 раз. Объектив и окуляр вы укрепите
в раздвижной картонной трубке (рис.), внутренность которой надо
вычернить тушью. Исключительно важно сделать для телескопа дер-
жатель (можно использовать штатив для фотоаппарата). Если вы
вздумаете вести астрономические наблюдения без держателя и под-
ставки, держа телескоп в руках, то, кроме огорчения, ничего не полу-
чится. Невольные дрожания рук вызовут дрожание изображения,
и притом увеличенные тоже в 50 раз. Настоящие телескопы устраи-
ваются с гораздо более сложными окулярами и объективами, свобод-
ными от так называемой хроматической аберрации (радужной окраски
по краям изображения), которая в вашем
телескопе будет неизбежно портить изобра-
жение. Но тут уже ничего не поделаешь.
Расчет современных оптических систем
7* 99

телескопических объективов требовал нескольких лет вычислитель-
ной работы, пока не были изобретены электронно-счетные машины.
Для суждения о величине предмета и для лучшего различия его
подробностей имеет значение «угол зрения» — угол между лучами,
проведенными от крайних точек предмета к центру хрусталика. Чтобы
сделать видимыми неразличимые раньше детали, надо подойти ближе
к предмету. Тогда угол зрения и изображение на сетчатке увеличатся.
Насколько же близко можно подойти к предмету? Для нормального
глаза это определяется расстоянием наилучшего зрения — 25 см.
При меньших расстояниях глаз с трудом аккомодирует, а без акко-
модации он видит лишь размытое изображение. Но выпуклость глаза
можно усилить, поставив перед ним двояковыпуклую линзу. Это
позволит приблизить глаз к предмету и получить резкое изображение
без аккомодирующего усилия. В этом и состоит назначение лупы —
она позволяет увеличить угол зрения. Ну, а если подойти близко к
предмету нельзя, например если вы хотите рассматривать подроб-
ности строения Луны? Тогда получают изображение Луны при помощи
объектива. И хотя изображение во много раз меньше Луны, вы
можете приблизить к нему глаз на расстояние наилучшего зрения или,
применив в качестве лупы окуляр, еще ближе и увидеть в ваш телескоп
те заманчивые объекты, о которых вы читали в книгах по астрономии,—
горные цепи, отдельные кратеры, моря.
ИР ЗВУКОВ И КРАСОК
Мир звуков и красок!
До-ре-ми-фа-соль-ля-си...
Красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый...
Гамма звуков и спектр цветов... Существуют ли они независимо
от уха и глаза? Только ли это субъективные ощущения, и тогда мир
сам по себе беззвучен и бесцветен, или это отражение реальной дейст-
вительности в нашем сознании? Если второе, то и без нас мир будет
сверкать всеми красками света и звенеть симфонией звуков. Эта ста-
тья — попытка дать вам ответ на поставленный вопрос.
100

Семь тонов в гамме и семь цветов в спектре! Почему семь? Почему
одно и то же число там и тут?
Гамма старше спектра. Еще Пифагору (582—500 гг. до н. э.) ле-
генда приписывает открытие числовых отношений, соответствующих
разным музыкальным звукам. Проходя мимо кузницы, где несколько
рабочих ковали железо, Пифагор подметил, что звуки находятся в
отношении квинты, кварты и октавы. Войдя в кузницу, он убедился,
что молот, дававший октаву, сравнительно с наиболее тяжелым молотом
имел вес, равный 1/2 последнего, молот, дававший квинту, имел вес,
равный 2/3, а кварту — 3/4 тяжелого молота. По возвращении домой
Пифагор повесил струны с грузами, пропорциональными 1/2 : 2/3 : 3/4
на концах и нашел будто бы, что струны при ударе давали те же музы-
кальные интервалы. Физически легенда не выдерживает критики,
наковальня при ударах различными молотами издает свой собственный
один и тот же тон, да и законы колебания струн не подтверждают
легенды. Но во всяком случае легенда говорит о давности учения о
гармонии. Заслуги пифагорийцев в области музыки несомненны. Им
принадлежит плодотворная мысль об измерении тона звучащей струны
путем измерения ее длины. Им был известен прибор «монохорд» —
ящик из кедровых досок с одной натянутой струной на крышке. Если
ударить по струне, она издает один определенный тон. Если разделить
струну на два участка, подперев ее трехгранной колкой посередине, то
она будет издавать более высокий тон. Он звучит настолько схоже с
основным тоном, что при одновременном звучании они почти сливаются
в один тон. Отношение двух тонов в музыке — интервал. При отно-
шении длин струн равным 1/2 : 1 интервал называется октавой. Из-
вестные Пифагору интервалы квинта и кварта получаются, если
колку монохорда сдвинуть так, чтобы она отделяла соответственно
2/3 или 3/4 струны.
Что касается числа семь, то оно связано с каким-то еще более
древним и таинственным представлением людей полурелигиозного,
полумистического характера. Наиболее, однако, вероятно, что это
связано с астрономическим делением лунного месяца на четыре семи-
дневные недели. Это число фигурирует в течение тысячелетий в раз-
личных преданиях. Так, мы находим его в древнем папирусе, который
за 2000 лет до нашей эры написал египтянин Ахмес. Этот любопытный
документ озаглавлен так: «Наставление к приобретению знания всех
тайных вещей». Среди прочего находим там таинственную задачу под
названием «лестница». В ней говорится о лестнице чисел, представля-
ющих собой степени числа семь: 7, 49, 343, 2401, 16 807. Под каждым
числом иероглиф-картина: кошка, мышь, ячмень, мера. Папирус не
дает ключа к разгадке этой задачи. Современные истолкователи папи-
руса Ахмеса расшифровывают условие задачи так: У семи лиц есть по
101

семь кошек, каждая кошка съедает по семи мышей, каждая мышь
может съесть семь колосьев ячменя, из каждого колоса может вырасти
по семь мер зерна. Сколько зерна сберегут кошки? Чем не задача с
производственным содержанием, предложенная 40 веков назад?
Семь тонов насчитывает современная европейская музыкальная
гамма, но не во все времена и не у всех народов была семитонная гамма.
Так, например, в древнем Китае употреблялась гамма из пяти тонов.
Рисунок изображает часть клавиатуры рояля. Каждый тон обозначен
соответствующей буквой, и каждому, как мы теперь знаем, отвечает
определенная частота колебаний. Если известен один какой-то тон
этого ряда, то остальные могут быть получены из него. В целях един-
ства настройки высота этого контрольного тона должна быть строго
декларирована международным соглашением. В качестве такого ос-
новного тона с 1938 г. принят тон, соответствующий частоте 440 гц
(440 колебаний в секунду). Отправным тоном является тон а', дава-
емый небольшим камертоном. Хотите увидеть этот тон глазами? Это
очень просто можно сделать, надо только провести ножкой (ветвью)
звучащего камертона по закопченному стеклу. Получится волнооб-
разная линия, известная в математике под именем синусоиды. Не-
сколько тонов, звучащих одновременно, образуют музыкальный ак-
корд. Люди, обладающие так называемым абсолютным слухом, могут
в аккорде слышать отдельно взятые тона.
Вам, конечно, известно в основном строение человеческого уха.
Напомним его кратко. Ухо состоит из трех частей: 1) наружное ухо,
оканчивающееся барабанной перепонкой; 2) среднее ухо, которое при
помощи трех слуховых косточек: молоточка, наковальни и стремечка—
передает колебания барабанной перепонки внутреннему уху; 3) внут-
реннее ухо, или лабиринт, состоит из полукружных каналов и улитки.
Улитка является звуковоспринимающим аппаратом. Внутреннее ухо
заполнено жидкостью (лимфой), приводимой в колебательное движение
ударами стремечка по перепонке, затягивающей овальное окошечко в
костяной коробочке лабиринта. На перегородке, делящей улитку на
две части, по всей ее длине расположены поперечными рядами тон-
чайшие нервные волокна постепенно возрастающей длины. Гельмголь-
102

цем была разработана теория резонансного действия названных волокон.
Вам, конечно, известно явление резонанса. Вы наблюдали, как резо-
нируют камертоны, настроенные в унисон. Здесь я позволю себе ог-
раничиться лишь шутливым пояснением, приведенным одним физиком
XIX в. во время его популярной лекции. Что такое резонанс? «Пред-
ставьте себе собаку, откликающуюся на имя Филакс. Собака лежит
под столом. Вы говорите о Геркулесе и Платоне, называете имена
всех героев, которые вам приходят в голову. Собака не трогается с
места, хотя очень легкое движение ее уха указывает, что она следит
за вашей речью. Но стоит вам назвать имя Филакс, чтобы она бросилась
к вам с радостным лаем. Камертон похож на собаку, он отзывается на
имя Л».
Как бы ни казалась простой и убедительной теория единичных
резонаторов Гельмгольца, новейшие исследования заставили внести
в нее существенные поправки. Колеблются не отдельные нервные стру-
ны, а отдельные участки мембраны. Однако основная идея Гельмгольца
резонансного действия органов внутреннего уха остается непоколеб-
ленной.
Гамма старше спектра. Если знакомство с гармоническими звуками
уходит в дали тысячелетий, то изучение спектра принадлежит новой
истории и связано с именем Ньютона. Не Ньютон первый обнаружил
образование спектра при прохождении света через призму. Цветные,
радужные зайчики на стене от граненых стеклянных предметов были
известны задолго до Ньютона. Ньютону наука обязана объяснением
этого явления. Белый солнечный луч (по Ньютону) состоит из цветных
лучей, которые неодинаково сильно преломляются и потому становятся
порознь видны на экране. Напомним опыт Ньютона. В ставне затем-
ненной комнаты он прорезал круглое отверстие диаметром в 1/4 дюйма.
Позади отверстия он поместил стеклянную призму, а на расстоянии
22 футов от ставня поставил экран для получения солнечного изобра-
5
жения. При этом на экране появился цветной спектр в 2 ? дюйма
1
ширины и 13 -j дюйма длины с закругленными концами. Ньютон
решил, что спектр составляется из ряда кругов различных цветов,
частично входящих один в другой и потому смешанных. «Если бы можно
было уменьшать диаметры этих кругов, сохраняя неизменными рас-
стояния их центров, то они смешивались бы меньше»,— записал Нью-
тон. Однако уменьшение отверстия или замена его узкой щелью не
привело к образованию перерывов при переходе от одного цвета к
другому. Это противоречило предположению, что белый свет состоит
из небольшого количества (7) цветных лучей.
Продолжив мысленно спектр за фиолетовый край еще на такую
же длину и приняв двойную длину спектра за единицу, Ньютон нашел,
103

что расстояние от воображаемого конца спектра до конца фиолетовых
лучей равно 1/2, до конца синих — 9/16, до конца голубых — 3/5
и далее 2/3, 3/4, 5/6, 8/9 и 1 (до конца красных). Ньютону бросилось
в глаза, что эти числа пропорциональны длинам струн, издающих
последовательные тона минорной гаммы. Одного цвета, впрочем, не
хватало. В английском языке синий и голубой обозначаются одним
словом blue, и Ньютону для полной аналогии гаммы и спектра пришлось
ввести в спектр еще один цвет — «индиго» (в нашем языке этот участок
спектра обозначается словом «синий»).
Поскольку выделение основных цветов было произведено Нью-
тоном произвольно, то вся аналогия между гаммой и спектром оказы-
вается искусственной. И все же аналогия эта полезна. «Что в звуке
тон — то в свете цвет». Современник Ломоносова Леонард Эйлер в
таких словах выразил эту же мысль: «Ничто,— говорил Эйлер,— так
не способно разъяснить природу световых ощущений, как прекрасная
аналогия между зрением и слухом. Какое значение имеют по отношению
к уху различные тона музыки, такое для глаза имеют различные цвета.
Цвета разнятся между собой подобным образом, как разнятся одни
от других высокие и низкие тона. Но мы знаем, что высота в области
звука зависит от числа колебаний, действующих на ухо в продолжение
определенного времени, и что природа каждого звука определяется
числом колебаний в секунду. Отсюда можно заключить, что каждый
цвет соответствует также определенному числу колебаний, действующих
на глаз».
Сколько цветов в спектре? По Ньютону, основных цветов семь.
Среди школьников имеет хождение забавное мнемоническое правило
для запоминания их последовательности по начальным буквам слов в
фразе: «Каждый охотник желает знать, где сидят фазаны»—или в риф-
мованной форме:
Как однажды Жак звонарь
Голубой стащил фонарь.
Распределяя области отдельных цветов соответственно длинам
волн, получим такую таблицу:
Цвет
Красный ....
Оранжевый . . .
Желтый ....
Зеленый ....
Длина волны
в ммк
720—620
620—590
590—550
550—510
Цвет
Голубой . . .
Синий ....
1 Фиолетовый
Длина волны
в ммк
510—480
480—450
450—380
104

Человеческий глаз воспринимает, следовательно, световые коле-
бания в пределах одной только октавы (380—720 миллимикрон). Диа-
пазон звуковых колебаний, воспринимаемых нашим ухом, значительно
шире и охватывает десять октав от 16 до 20 000 колебаний в секунду
или в длинах волн от 21 м до 17 мм в воздухе при 15°. Между отдель-
ными цветами нет резких границ. Цвета постепенно переходят один
в другой, образуя различные оттенки, число которых у некоторых
наблюдателей доходит до нескольких сотен. И все же спектр беден
цветами по сравнению с бесконечным разнообразием красок в природе.
Вы напрасно стали бы искать в спектре коричневую, сиреневую, пур-
пурную и многие другие краски.
Как происходит восприятие цветов нашим глазом? О том, на-
сколько сложен и неясен еще этот вопрос, можно судить по тому, что
до настоящего времени высказано несколько десятков теорий цветного
зрения.
Если для ответа обратиться к анатомии глаза, то первое, что
является бесспорно установленным, это наличие двух видов светочув-
ствительных элементов в сетчатой оболочке нашего глаза: палочек и
колбочек. Так называют за их форму окончания нервных волокон
зрительного нерва. Число их громадно: около 7 миллионов колбочек
и более 100 миллионов палочек. Палочки более чувствительны к свету,
но они не различают цветов, это дело колбочек. С наступлением вечера
менее светочувствительные колбочки выходят из игры и начинается
сумеречное, или палочковое, зрение. Мир представляется нам тогда
бесцветным по поговорке «ночью все кошки серы». Имея достаточно
терпения, вы можете проверить это на опыте. С наступлением сумерек,
когда в комнате становится все темней, держите перед глазами цветную
картинку. Постепенно пестрые краски на вашей картине будут темнеть,
но все же еще можно различить цвета — красный, желтый... и вдруг
происходит нечто поразительное: очертания предметов, изображенных
на картинке, еще можно ясно различить, но краски исчезли, перед
нами картина в черных и белых тонах, как на фотографии. Что слу-
чилось, ведь только что мы видели пестрые краски картины? Вышли
из строя колбочки, нечувствительные к слабому освещению. Включите
свет электрической лампы, и яркие краски вспыхнут перед вами снова.
Вот мы с вами и подошли вплотную к трудней-
шему вопросу, вокруг которого вели и сейчас еще
ведут ожесточенные споры философы. Существуют ли
цвет и тон независимо от глаза и уха, или существуют
лишь волны света и звука различной частоты, вызы-
вающие впечатления цветности и тональности? Мы
включили этот трудный вопрос в нашу книгу зани-
мательной физики, так как уверены, что пытливый
105

ум наших читателей, юношей и девушек старших классов средней
школы, не останется безразличен к нему. Реален или иллюзорен мир
красок и звуков? Вся сложность вопроса упирается в трудность пре-
одоления свойства нашего сознания противопоставлять себя, наш
внутренний мир внешнему, окружающему нас, реальному миру. Все
станет на свое место, если мы поймем и запомним, что мы сами и наше
сознание является частью материального мира. В этом реальном мире
происходят взаимодействия различных видов материи. Думать, что
свойства тел, проявляющиеся во взаимодействии между ними, реальны
(действительны), объективны (например, вес тела как взаимодействие
тела и Земли), а свойства, выявляющиеся во взаимодействии тех же
тел с нашими органами чувств, являются лишь кажущимися, субъек-
тивными — это значит становиться на позиции идеализма.
В форме цвета свойства вещей выступают, конечно, во взаимо-
действии с организмом, обладающим соответствующими приборами
(«анализаторами», как их назвал И. П. Павлов), но в этом взаимодей-
ствии выступают свойства самих вещей. Мир выступает в своем кра-
сочном убранстве и своей звучности как реальный мир. Эти чарующие
краски и эту музыку звуков он приобрел в результате длительной эво-
люции. Яркие, нежные краски розы и сирени нужны им, чтобы при-
влекать переносящих пыльцу насекомых, трели соловья или жаво-
ронка — для того, чтобы пленять своих возлюбленных. Разве, если
мы закроем глаза или лишимся слуха, исчезнет все это и вся много-
миллионная история развития животного и растительного мира поте-
ряет всякий смысл и значение?
Мир звуков и красок реален! Но, конечно, не следует думать, что
этот мир вызывает у всех совершенно одинаковые ощущения. Спраши-
вать, воспринимают ли другие люди цвета и звуки совершенно так же,
как вы,—это ненаучная постановка вопроса. На вопрос, воспринимают ли
цвета насекомые так же, как человек, можно дать лишь шуточный ответ:
спросите у насекомых. В. И. Ленин писал (Соч., изд. 4, т. 14, стр. 214):
«Ощущений (человеческих) без человека не бывает». Не существует
«ничьих ощущений, ощущений вообще». Всякое ощущение всегда есть
ощущение определенного человека, зависящее от особенностей его
организма. Английский физик Дальтон различал только три цвета и
красные вишни отличал от зеленых листьев только по форме. А как
же воспринимают мир люди, лишенные зрения или слуха? Как же вос-
принимают они объективные свойства вещей при отсутствии у них
соответствующих анализаторов? По-своему, конечно! Вот что говорит,
например, В. Короленко в известном рассказе «Слепой музыкант».
«Слепота застилает видимый мир темной завесой, которая, конечно,
ложится на мозг, затрудняя и угнетая его работу, но все же из наслед-
ственных представлений и из впечатлений, получаемых другими
106

путями, мозг творит свой собственный мир, грустный, печальный и сум-
рачный, но не лишенный своеобразной смутной поэзии». Еще более
разительный пример находим мы в биографии Ольги Скороходовой.
В Харьковский институт дефектологии привезли слепоглухонемую
Олю Скороходову. Казалось бы, вся радость жизни навсегда закры-
лась перед ребенком. Однако путем умелого применения педагогиче-
ских воспитательных приемов удалось добиться того, что сейчас О. Ско-
роходова живет, не пользуясь посторонней помощью, и живет полно-
кровной личной и общественной жизнью. За подробностями отсылаем
читателей к интересной книге, написанной самой Скороходовой: «Как
я познаю и воспринимаю окружающий мир». Широко и разносторонне
образованный человек, она в настоящее время является научным со-
трудником Института дефектологии Академии педагогических наук
РСФСР в Москве. Лучше всего вы поймете, как богат внутренний мир
этой слепой и глухой женщины, по отрывку одного из ее стихотворений
как ответ скептикам, сомневавшимся вообще в возможности для нее
написать подобную книгу.
„Думают иные — те, кто звуки слышат,
Те, кто видят солнце, звезды и луну:
Как она без зренья красоту опишет,
Как поймет без слуха звуки и весну!?
Я услышу запах и росы прохладу,
Легкий шелест листьев пальцами ловлю.
Утопая в сумрак, я пойду по саду
И мечтать готова, и сказать: люблю...
Пусть я не увижу глаз его сиянье,
Не услышу голос ласковый, живой,
Но слова без звука — чувства трепетанье
Я ловлю и слышу быстрою рукой.
Не имею слуха, не имею зренья,
Но имею больше — чувств живых простор:
Гибким и послушным, жгучим вдохновеньем
Я соткала жизни красочный узор".
А знаете ли вы, что существуют школы слепых, где учащихся
обучают и физике? Обучать физике слепых учащихся! Вот именно!
В этих школах преподается не только механика, общие свойства тел,
теплота, но даже электричество и оптика! Достигается это примене-
нием фотоэлементов и различных электронных устройств. По словам
автора одного руководства по изготовлению таких специальных фи-
107

зических приборов, слепой, прошедший курс экспериментальной
оптики, знает о свете больше, нежели зрячий, не проходивший физики.
Здесь вы видите, какую роль играет научное познание, которое расши-
ряет и обогащает, а порой и заменяет чувственные восприятия. У нас
нет органов для восприятия электрических явлений, мы не восприни-
маем непосредственно электромагнитные волны (за исключением одной
световой октавы), а между тем мы живем в век, когда вся наша жизнь
полна применения электричества, радио, телевидения и электроники.
В параллель сказанному об обучении слепых оптике приведем
факты, показывающие, что и глухим сейчас становится доступно вос-
приятие живой речи. Было замечено, что очень сильные звуки, вызы-
вающие в ухе ощущение боли, действуют также на кончики пальцев,
вызывая в них чувство зуда и щекотания. В связи с этим возникла
мысль о возможности обучения глухих пониманию звуков на основе
чувства осязания. Звуки улавливаются микрофоном и после усиления
передаются мембране телефона, прикасаясь к которой, глухие могут
воспринимать звук. В более усовершенствованных аппаратах звуки
передаются пяти пальцам руки, причем на каждый палец действуют
колебания определенной группы частот. Пользуясь таким аппаратом,
глухие после некоторого обучения оказываются в состоянии следить
за разговором и участвовать в нем.
В течение нескольких столетий учеными делались попытки уста-
новить связь между восприятием света и восприятием звука. Обнару-
женные изменения восприимчивости глаза к отдельным цветам под
влиянием слуховых раздражений и изменения восприятия звуков от
перемен яркости, оттенка и глубины цвета показали наличие связи
между зрительным и слуховым аппаратами человека, осуществляемой
в низших отделах головного мозга. В связи с этим большой интерес
приобретают в настоящее время проблемы «светозвука» и «цветомузыки»,
над которыми работают молодой советский исследователь К. Л. Ле-
онтьев и проф. А. Я. Лернер в лаборатории кибернетики Института
автоматики и телемеханики Академии наук СССР. На советской вы-
ставке в Лондоне в 1961 г. экспонировалась первая в мире опытная
установка для демонстрации «цветомузыки». Аналогичную установку
можно видеть в Москве на Выставке достижений народного хозяйства.
Выдающийся русский композитор А. Н. Скрябин (умер в 1915 г.)
глубоко чувствовал определенную «световую окраску» различных
тонов. На основе этого он в своей симфонической поэме «Прометей»
ввел так называемую световую партию, в которой музыкальные созвучия
должны сопровождаться световыми эффектами различных оттенков,
различной интенсивности и скорости последовательной смены. Ком-
позитор имел при этом в виду погружение всего зала в цвета, указанные
им в световой партии.
108

Однако установление закономерных связей
между звуком и цветом стало возможным лишь с
применением средств современной электроники,
кибернетики и автоматики. Цветовая музыка,
по мнению К- Л. Леонтьева, сулит широчайшие
возможности в новом, прекрасном искусстве. Да
и не только в искусстве, звуковые преобразователи
могут найти применение в самых различных об-
ластях — в психологии, педагогике, медицине и
даже технике: применение в автоматике и телеме-
ханике, управление машинами «с голоса», уп-
равление вниманием человека на заводе-автомате,
на космическом корабле...
Мир звуков и красок! Сколько поэтических
переживаний, сколько философских раздумий свя-
зано с этими словами. Природа цвета! Недаром
эта тема так взволновала и потрясла душу Гёте!
Возможно, что многие наши читатели знают о Гёте
только как о великом немецком поэте, творце
художественной философской поэмы «Фауст».
Но Гёте был и естествоиспытателем. Современ-
ник Бетховена и Шуберта (музыка), Гойи и
Делакруа (живопись), восторженный почитатель природы, гениальный
поэт не мог удовлетвориться только отвлеченным математическим объяс-
нением природы, оторванным от мира чувства. Через 100 лет после Нью-
тона он выступил со своей теорией цветов как ярый противник учения о
сложном составе света. «Возможно ли, — восклицает Гёте, — чтобы цвет,
кажущийся нам наиболее чистым и однородным, именно белый свет
в каждом отдельном' тончайшем луче слагался по меньшей мере из
семи лучей, различных по величине световых частиц, соответствующих
отдельным цветам? Нет! Белый и черный представляют две основные
противоположности, два полюса, как свет и тьма, они содержатся в
известном соединении в каждом цвете и обусловливают своим соедине-
нием все цвета». В то время как Ньютон относил образование цветов
только к свету, Гёте считал, что наш орган зрения принимает значи-
тельное участие в их создании. Если пристально рассматривать зеленое
пятно на белом поле, то последнее вскоре окрашивается в пурпурный
цвет. «Морские волны, которые на освещенной стороне кажутся зеле-
ными, на теневой стороне окрашены в пурпурный цвет, а для человека,
идущего по зеленому лугу, стволы деревьев и тропинки получают
нередко красноватый оттенок — явления, которые пейзажисты давно
стали бессознательно воспроизводить. Особенно хорошо заметны эти
явления в цветных тенях». Гёте называл цвета, создаваемые глазом,
109

«физиологическими» в отличие от цветов, соответствующих самим
телам. Причину «физических» и «химических» цветов Гёте видел не в
различных по качеству световых лучах, а в поглощении в различной
степени белого луча при прохождении через мутные среды (воздух).
Цвета выступают, по его мнению, следовательно, как разновидности
«полусвета», «полутени».
В своей страстной полемике с теорией Ньютона Гёте не останав-
ливается перед самыми запальчивыми и бездоказательными обвине-
ниями и резкими выражениями в адрес теории Ньютона. «Мы застаем
это восьмое чудо света, — восклицает он, — оставленной руиной, которая
грозит обрушиться, и начинаем сносить шпили и крыши, чтобы Солнце,
наконец, заглянуло в это старое гнездо сов и мышей и осветило пора-
женному страннику бессвязный лабиринт, тесноту, случайное нагро-
мождение, намеренную искусственность и жалкую штопку». Приводя
эту цитату из гётевского «Учения о цветах», академик С. И. Вавилов
в своей биографии Ньютона добавляет: «Этот наскок великого поэта
кончился, однако, полным поражением Гёте. Старый замок оптики
Ньютона грозен и сегодня со всеми его архаизмами (устарелостями),
ибо построен он на самом прочном фундаменте — на рациональном
опыте».
ОНСУЛЬТАЦИЯ ПО ТЕМЕ
„ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА"
Николай Николаевич, учитель физики, по окон-
чании урока убрал приборы и только что собирался
запереть физический кабинет, как вдруг заметил одинокую фигуру
ученика, очевидно поджидавшего, когда учитель выйдет из кабинета.
— Ты меня ждешь, Миша? Хочешь спросить что-нибудь?
— Да, Николай Николаевич, мне очень хотелось бы задать вам
несколько вопросов по последней теме. Можно?
— Конечно, можно. Уроки кончены, я никуда не спешу. Только
почему ты не задал вопросы в классе, быть может, и товарищам твоим
было бы полезно их услышать?
— Я... мне казалось, что, наверно, это все очень простые вопросы
и ребята будут смеяться. Я хотел дождаться, когда вы будете один.
по

— Ну хорошо. Я охотно дам тебе консультацию, заходи в кабинет,
садись вот сюда к столу и выкладывай, какие у тебя сомнения.
— Вопросы по интерференции и дифракции света. Первые три
вопроса по интерференции. Во-первых, что значит само слово «интер-
ференция», как его перевести на русский язык и кто придумал этот
термин? Второй вопрос о когерентности. В учебнике хотя ответ на этот
вопрос есть, но мне хотелось бы подробней узнать, почему для водяных
и звуковых волн можно получить интерференцию от двух самостоя-
тельных источников колебаний, а для света интерференции от двух
ламп никогда не получишь. Третье: не противоречит ли интерференция
закону сохранения энергии? Потом...
— Ну подожди, подожди, давай по порядку. Если надо будет, то
после задашь другие вопросы. Итак, первое — происхождение и зна-
чение термина «интерференция». Слово «интерференция» было введено
в оптику в 1801 г. английским ученым, доктором Юнгом, причем
это слово появилось сначала в причастной форме — интерферирующий,
а через два года и в форме существительного — интерференция. Слово
это английское interference (интерференс) и означает «вмешательство»,
«столкновение», «встречу». Юнг употребил его в смысле «встречи лу-
чей», «перекрещивание лучей». Но еще до Юнга в XVII в. профессор
математики в иезуитской школе Гримальди наблюдал и описал это
явление, хотя и не дал ему ни объяснения, ни названия. Термин же
«дифракция», о котором ты, наверно, тоже будешь задавать вопрос,
принадлежит именно Гримальди.
Юнг так формулировал открытый им закон: «Везде, где две части
одного и того же света попадают в глаз различными путями, либо точно,
либо весьма близко по направлению, свет становится более сильным
там где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее
сильным в промежуточных состояниях интерферирующих частей; эта
длина различна для света различных цветов».
Две системы волн, порожденных одним и тем же источником
света, Юнг получал при помощи двух узких щелей S, и S2. Уси-
ление и ослабление в произвольной точке экрана зависело от
разности хода лучей U—/,.
Другой способ получения интерферирующих волн был при-
менен французским инженером и ученым Френелем, современ-
ником Юнга. Этот опыт хорошо описан в учебнике, и я ограни-
чусь лишь рисунком, из которого видно, что разность хода двух
волн достигалась в этом случае отражением света от двух зеркал,
поставленных друг к другу под углом, близким к 180°. Послу-
шай, я прочту тебе одно место из сочинения Френеля, оно помо-
жет' лучше понять и твой второй вопрос. «Всякому случа-
лось, бросая камень в спокойную воду, замечать, что когда
111

две группы волн пересекаются на ее поверхности, то бывают точ-
ки, где она остается неподвижной, тогда как бывают другие, где волны
вздымаются через их соединение. Причину легко усмотреть. Волно-
образное движение водяной поверхности состоит из вертикальных
движений, попеременно поднимающихся и опускающихся частиц
жидкости. Но вследствие перекрещивания волн случается, что в не-
которых точках встречи одна из волн приносит восходящее движение,
тогда как другая стремится в то же время понизить поверхность жид-
костей. Если два импульса одинаковы, жидкость не может уже подчи-
ниться одному преимущественно перед другим и должна оставаться
в покое. Напротив того, в тех точках встречи, где движения слагаются
в одну сторону, где они постоянно согласны, жидкость, гонимая в
одну сторону двумя волнами, поднимается или опускается со скоростью,
равной сумме двух полученных импульсов...» Конечно, и тебе прихо-
дилось, бросая камни в воду, наблюдать, как от места падения бегут,
расходясь кругами, волны. Если бросить в воду два камня, то можно
наблюдать, как переплетаются две системы волн. Наблюдаемая картина
слишком, однако, кратковременная Для получения устойчивой интер-
ференционной картины необходимо, чтобы источники посылали волны
непрерывно и согласованно, т. е. чтобы волны одинаковой длины вы-
ходили с постоянной разностью фаз. Эта согласованность источников и
называется когерентностью.
Для механических и звуковых волн это условие может быть вы-
полнено разными способами. Ты помнишь, что на уроке мы достигали
этого, вызывая в водяной ванне волны при помощи двух согласованных
вибраторов — двух штифтов, прикрепленных к одной пружине. Для
одновременного наблюдения всем классом мы проектировали явление
на потолок. Светлые места в проекции соответствовали участкам не-
подвижной поверхности воды, через которую свет проходил беспрепят-
ственно, а темные — местам наиболее оживленного движения частиц
воды. Располагались эти места на ветвях гипербол. Интерференцию
звуковых волн можно наблюдать при помощи двух настроенных в
унисон камертонов, которые укреплены на концах одной линейки. В за-
висимости от разности хода двух звуковых волн, посылаемых камер-
тонами, в некоторой точке будет происходить усиление или погашение
звука.
Совершенно иначе обстоит дело со светом. Из опыта повседневной
жизни мы знаем, что, освещая стену комнаты второй лампой, мы ни-
когда не получим ослабления освещения от первой лампы,
а всегда усилим его. Но почему? Раскаленная нить лампы
состоит из многих миллионов атомов. Излучение света атомами
быстро и беспорядочно меняется, так как вызывается хаотиче-
скими перескоками электронов с «возбужденных» орбит. Про-
Электрические разряды в природе и технике. В природе мощные «искровые раз-
ряды» наблюдаются в виде молний между облаками и землей или между двумя обла-
ками. Редкий случай молнии — шаровая молния.
При высоком напряжении возможен и «тихий разряд», или «корона», возникаю-
щие на проводах высоковольтных линий передач, на мачтах судов.
«Электрическая дуга» широко применяется в технике (освещение, сварка и плав-
ка металлов).
В разреженных газах происходит «тлеющий разряд», применяемый в газосвет-
ных и люминесцентных трубках.

должительность жизни «светящегося атома» измеряется 10~8 сек и
меньше. Соответственно этим изменениям в излучении происходят и
миллионы раз в секунду изменения интерференционной картины. На-
лагаясь друг на друга, различные интерференционные картины усред-
няются, и глаз получает ощущение равномерной освещенности поверх-
ности. Поэтому для наблюдения интерференции света остается лишь
один путь — заставить световую волну интерферировать саму с собой,
что и удается сделать в установке Юнга или Френеля, когда свет от
одного источника направляется к экрану двумя путями от двух щелей
или двух зеркал. В этом случае все возмущения, которые испытывают
обе системы волн, происходят согласованно, ибо являются возмуще-
ниями в одной и той же волне от одного и того же источника.
Теперь третий вопрос. Повтори-ка его, пожалуйста.
— В учебнике написано: «Совместное действие двух световых пуч-
ков может привести к возникновению темноты или, выражаясь фигу-
рально, свет плюс свет могут дать темноту». У меня и возник вопрос:
Куда же денется энергия того и другого пучка? Ведь не может же она
уничтожиться?
— Конечно, нет! Фраза учебника относится не ко всем посылаемым
источником пучкам, а лишь к интерференции на одном каком-либо
луче (на одном каком-нибудь направлении). Вся парадоксальность
таких фраз, как «Свет+свет = темнота» или «Звук-f звук = тишина»,
только кажущаяся. Недоразумение разрешится, если мы рассмотрим
не один разрез интерференционной картины, где две волны одинаковой
частоты, но в противоположных фазах взаимно уничтожают друг друга,
а все интерференционное поле в целом. В некоторых Местах поля мы
будем наблюдать темноту, в других (где происходит сложение ампли-
туд) — свет. Энергия не уничтожилась, она только перераспредели-
лась. Возникли места, где -интенсивность освещения больше суммы
освещенности слагаемых, в других — меньше или даже равна нулю.
Энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды, но известно,
что квадрат суммы двух чисел не равен (если складываются положи-
тельные числа), а больше суммы квадратов этих чисел:
(a + b)2 = a2 + b2 + 2ab.
Это упрощенное объяснение для случая, когда волны совпадают
по фазе, но, думаю, оно делает вопрос понятным. Когда же амплитуды
имеют разные знаки, то
(a—b)2 = a2 + b2 — 2ab
или при равенстве а= b в сумме имеем нуль.
В том же случае, когда накладываются друг
на друга некогерентные волны, интенсивности
Мир глазами стрекозы. Чувствительность глаза к цвету неодинакова у различ-
ных живых существ. Предполагают, что зрение стрекозы монохромно:, вместо на-
бора цветов она воспринимает лишь световую тональность. Зато поле зрения стре-
козы в несколько раз превышает поле зрения человека, она видит сразу все, что де-
лается вокруг нее — впереди, сзади, по сторонам, сверху, снизу.
8 Л1. И. Блудон

просто складываются, и освещенность двумя источниками равна сумме
освещенностей от каждого из них в отдельности. Ты понял все это?
— Да, благодарю вас. Но что будет происходить, если будут встре-
чаться волны не одинаковой длины? Будет ли при этом интерференция?
— В толковании термина Юнгом интерференция есть встреча
лучей, но обычно этим именем обозначают рассмотренные только что
случаи встречи волн одинаковой длины. Однако полезно вспомнить,
что мы знаем о сложении волн разной длины. Мы останавливались на
двух крайних случаях: сложении волн, резко отличающихся по длине,
и сложении волн, мало разнящихся по длине. В первом случае резуль-
тирующая волна сохраняет характер волны большой длины, но по-
верхность ее не гладкая, а изрытая наложенными мелкими «волноч-
ками». В акустике этот случай помогает нам понять происхождение
тембра, или оттенка, звука. Звук одинаковой силы и высоты, но произ-
веденный различными источниками (рояль, гитара, человеческий
голос), имеет разный оттенок вследствие примеси к основному тону
добавочных тонов (рис. 65).
Если складываются волны мало отличающиеся по длине, то они
периодически то усиливают, то ослабляют друг друга, и результирую-
щая волна имеет переменную амплитуду. Это так называемые биения.
Оба эти примера представляют собой лишь частные случаи интерфе-
ренции волн с различной частотой. В более сложных случаях возможно
сложение нескольких волн с различным набором частот. В результате
получается периодическая кривая, но более сложной формы. Фран-
цузский математик и физик Фурье доказал, что, и обратно, всякое
периодическое колебание можно разложить на ряд гармонических
колебаний (рис. 66).
При помощи интерференции можно измерить длину световой волны
любого цвета. Длина же световой волны положена сейчас в основу
определения единицы длины. Метр сейчас определяется уже не по
архивному эталону, хранящемуся в Севре под Парижем. 14 октября
1960 г. XI Международная конференция по мерам и весам
приняла резолюцию о новом определении метра как длины,
равной 1650 763,73 длины волны излучения в вакууме,
соответствующего оранжевой линии спектра изотопа крип-
114
Рис. 66

тона с атомным весом 86. Одновременно принято решение об отмене
прежнего определения метра. Новое определение метра придает эта-
лону единицы длины характер естественной и неуничтожимой меры
и повышает его точность примерно в 100 раз.
Кроме того, в технике интерференция используется в контрольно-
измерительных приборах. Это позволяет, например, вести обработку
поверхностей некоторых деталей с очень большой точностью. Приборы,
называемые интерферометрами и интерференционными компараторами,
служат для этой цели. Действие их основано в принципе на получении
интерференции света в тонких пластинках: луч света испытывает от-
ражение как от контрольной, идеально гладкой поверхности, так и от
поверхности исследуемой детали. При этом отраженные лучи проходят
различный путь и попадают в глаз с некоторой разностью хода. Раз-
ность хода зависит от длины световой волны, от угла падения лучей
и от расстояния между контрольной и испытуемой поверхностью. Если
бы испытуемая поверхность тоже была идеально гладкая, то при ос-
вещении однородным светом (желтым, например) в интерферометре
были бы видны светлые и темные полосы на равных расстояниях. На-
личие на испытуемой поверхности впадин, бугров и вообще каких-либо
дефектов вызывает изменение разности хода лучей, и тогда интерферен-
ционная картина меняется. Интерференционный метод позволяет
определить чистоту обработки поверхности с точностью до 0,1 длины
волны, т. е. около 0,05 микрона. Интерферометры применяются и для
анализа газов — определения концентрации примесей, для определения
ничтожных изменений давления и температуры. В медицине они по-
зволяют производить анализ крови... Но мы уклонимся от цели нашей
беседы, если я буду перечислять разнообразные практические приме-
нения интерференции. Впрочем, вот еще одно: если ты занимаешься
фотографией, то я посоветовал бы тебе поинтересоваться объяснением
современной «голубой», или «просветленной», оптики в объективах
фотоаппаратов «Смена», «Зоркий» и др. Для этого тебе надо заглянуть
в какой-нибудь курс для высших учебных заведений, например в III том
«Курса физики» Путилова и Фабриканта. А теперь перейдем к ди-
фракции. Какие сомнения у тебя в этом вопросе?
— Я боюсь, что я и так задержал вас, Николай Николаевич,
поэтому я спрошу только одно: мне хотелось бы поточнее узнать об
условиях получения резких теней, а также резких изображений при
прохождении света через малые отверстия. Ведь, насколько я понял,
дифракция и наблюдается в двух случаях: при огибании препятствий
на пути света и при прохождении света через отверстия.
— Если хочешь, оба случая сводятся к одному. Отклонение света
от прямолинейного распространения, которое ему предписывает
волновая оптика, происходит на краях непрозрачных предметов,
8*
115

Рис. 67
будут ли это экраны (французское слово, означающее заслон)
или края диафрагмы (перегородка с отверстием). Рисун-
ки показывают оба эти случая. Дифракция происходит при
отбрасывании тени от любого предмета, даже если он и не
очень мал. Иногда можно встретить неточное утверждение,
будто дифракция наблюдается только тогда, когда величина
предмета сравнима с длиной волны. В действительности же диф-
ракция представляет собой явление довольно обычное, но для
ее обнаружения в световых явлениях требуются особые условия.
Чтобы уточнить вопрос, приведу один исторический факт. Теорию
дифракции разработал Френель. Представленный им во Французскую
Академию наук«Мемуар о дифракции света» встретил, однако, сильные
возражения со стороны некоторых первоклассных математиков, в
частности со стороны Пуассона, ярого противника волновой теории
света. Пуассон показал, что из теории Френеля, если бы она была
верна, следует, что свет должен был бы проникать в середину тени
круглого предмета так же, как если бы никакого препятствия и не
было. Это казалось таким невероятным и так подрывало выдвинутую
теорию, что Араго, сразу ставший на сторону Френеля, решил про-
верить этот парадоксальный вывод на опыте. И что же ты думал? Опыт
подтвердил следствие теории Френеля — в середине круглой тени при
некотором удалении экрана от источника действительно оказалось
светлое пятно (рис. 67). Воображаю, как был удивлен Пуассон!
Вот фотографии, сделанные московским профессором Аркадьевым,
показывающие тень от тарелки на различных расстояниях от источника
и от экрана (здесь слово «экран» применяется в том смысле, в каком его
понимают зрители кино). Опыт был выполнен с уменьшенной моделью
руки с тарелкой, вырезанной из жести. Расстояния до экрана, постав-
ленные под рисунками, пересчитаны для опыта с тарелкой натуральной
величины.
Точно так же и картина дифракции от краев отверстия зависит
не только от величины отверстия, но и от расстояний от источника
света и от экрана. Если ты будешь делать себе безобъективный фото-
аппарат, камеру обскуру, то размеры отверстия тебе придется под-
бирать опытным путем, так как наиболее четкие изображения в камере
получатся лишь при определенных размерах камеры и отверстия.
Еще более любопытно то, что объектив фотоаппарата можно заменить
стальным шариком. Немецкий физик Поль в книге «Введение в опти-
ку» рассказывает, как это сделать, и приводит полученную фотографию.

Огромное значение имеет дифракция в теории и практике оптиче-
ских приборов — микроскопов, телескопов. Она, между прочим,
ставит предел «разрешающей силе» этих приборов.
Дифракция наблюдается и на частицах, беспорядочно располо-
женных в пространстве (дым, туман), и в правильных пространственных
решетках кристаллов. Однако для наблюдения дифракции в кристаллах
приходится применять рентгеновские лучи, длина волны которых
значительно меньше, чем длины волн видимого света.
Одним словом, надо совершенно ясно усвоить, что явления интер-
ференции и дифракции относятся ко всем видам волн: на поверхности
воды, звуковым, электромагнитным. Когда какое-нибудь неизвестное
явление обнаруживает интерференционную и дифракционную кар-
тины, то это говорит о волновых свойствах явления. В 1924 г. француз-
ский физик де Бройль высказал предположение о необходимости
приписать волновые свойства электронам. Три года спустя экспери-
ментально была получена дифракция электронов. Таким образом,
волновые свойства электронов были доказаны на опыте.
В нашу программу не входит рассмотрение еще одного явления
волновой оптики — поляризации света. Я думаю, однако, тебе ин-
тересно будет немного узнать и об этом.
Все три явления: интерференция, дифракция и поляризация —
изучались почти в одно и то же время, в первой четверти XIX в. Это
было время острой борьбы двух теорий света: корпускулярной и вол-
новой. На той и другой стороне стояли первоклассные ученые, но ог-
ромный авторитет Ньютона, творца корпускулярной теории, делал ее
почти неприступной крепостью. Однако, как всегда, решающее слово
принадлежит эксперименту. Явления интерференции и дифракции,
легко объяснимые с точки зрения волновой теории, поколебали столет-
нюю традицию, в силу которой теория Ньютона считалась незыблемой.
Но оставался нерешенным вопрос, к каким волнам, продольным или
поперечным, следует отнести световые волны. В дело вмешался случай.
Еще со времен Гюйгенса, современника Ньютона и творца волновой
теории, было известно явление двойного преломления света в кри-
сталлах исландского шпата. «Из Исландии, острова» находящегося в
Северном море на широте 66°, привезли камень (исландский шпат),
весьма замечательный.по своей форме и другим качествам, но более
всего по своим странным преломляющим свойствам»,— писал Гюй-
генс. Рассматриваемая через кристалл исландского шпата надпись
казалась двойной. Луч, входящий в кристалл, раздваивался. Один из
этих лучей назвали обыкновенным, другой— необыкновенным. Действи-
тельно, его поведение не подчинялось обычным законам преломления
света, по которым луч, упавший на поверхность раздела двух сред
перпендикулярно, входит в другую среду не преломляясь. Необык-

новенный луч преломлялся и в этом случае. В январе 1808 г. Па-
рижская Академия наук объявила конкурс на премию за решение
этого необычного явления. Молодой военный инженер Малюс с боль-
шим интересом взялся за решение этой задачи. Однажды вечером он
рассматривал через таинственный кристалл отражение заходящего
солнца от стекол в окнах Люксембургского дворца, находившегося
против его квартиры. Он заметил, что два изображения, наблюдаемые
через кристалл, при вращении кристалла меняли свою яркость, по
очереди делаясь ярче или темнее, а при некотором положении кри-
сталла вместо двух изображений получалось одно. Когда наступила
ночь, Малюс повторил опыт, но с отраженным светом свечи от поверх-
ности воды. Явление повторилось и в этом случае. Это наблюдение
побудило Малюса заняться тщательным исследованием явления. В эпоху
электрических и электрохимических открытий начала XIX в. идея
полярности (противоположности) волновала умы ученых. Поэтому
Малюс лучи, проявлявшие различные свойства, назвал поляризован-
ными, а наблюдавшееся при прохождении света через кристалл или
при отражении и преломлении явление — поляризацией. Будучи
сторонником теории Ньютона, Малюс объяснял поляризацию света
тем, что светоносные корпускулы, подобно магнитам, имеют полюсы и в
различных случаях по-разному ориентируются в пространстве. Свои
исследования Малюс проводил сначала с исландским шпатом, а потом
с зеркалами.
Прибор для наблюдения поляризации света можно изготовить
самому. Для его изготовления понадобятся две одинаковые стеклянные
пластинки, картон, электрический фонарик и клей. Из картона надо
изготовить две трубки такого размера, чтобы внутри при помощи воска
можно было укрепить стекла (задние поверхности стеклянных пла-
стинок лучше сделать черными, чтобы прошедший через них свет по-
глощался; можно взять черные негативы). Чтобы верхнюю часть при-
бора можно было поворачивать вокруг оси, надо будет сделать картон-
ный поясок (не показанный на рисунке). Пластинки надо укрепить
внутри так, чтобы свет от фонарика падал по возможности точно под
углом 56°,5. Линзу фонарика следует отрегулировать, чтобы свет
выходил параллельным пучком. Параллельные лучи через боковое
отверстие в трубке будут падать на нижнее стекло, отражаться и идти

вдоль трубки вверх на второе стекло. Если обе плас-
тинки параллельны друг другу, то интенсивность
света, выходящего через верхнее боковое отверстие,
будет наибольшая. Если же повернуть верхнюю
часть прибора на 90°, то интенсивность будет наи-
меньшая, и если угол падения будет точно 56°,5, то
вообще не будет наблюдаться отражения света от верхней пластинки.
Как же это объяснить? Свет есть колебательный процесс (перио-
дически изменяется электромагнитное поле). Атомы источника света
посылают электромагнитные волны. В каждое мгновение «загораются»
и «угасают» миллиарды атомов, посылающих излучение во все стороны.
Причем распространяющиеся от каждого атома колебания происходят
в какой-то одной плоскости. Для разных атомов эти плоскости не сов-
падают. При отражении и преломлении света на поверхности диэлек-
трика всегда происходит частичная поляризация света. Поляризация
света происходит также при прохождении света через некоторые кри-
сталлы (исландский шпат, кварц, турмалин). Можно дать наглядное
объяснение того, что тут происходит, при помощи механической мо-
дели. Проденем сквозь решетку веревку (в простейшем случае можно
использовать щель приоткрытой двери) и будем сообщать веревке ко-
лебания в различных плоскостях. Только те колебания, которые про-
исходят в плоскости щели, пройдут через нее. После прохождения
через щель колебания будут поляризованы.
В настоящее время в промышленности изготовляются вещества,
обладающие свойством поляризации света. Такие материалы называются
поляроидами и находят разнообразное применение. Если бы тебе
удалось достать две поляроидные пластинки, то прибор можно было
бы сделать и проще, и интересней, чем со стеклянными пластинками.
Наблюдение тогда надо будет вести не в отраженном свете, а в прохо-
дящем. При одном положении поляроидов свет будет проходить через
пластинки, при другом — будет задерживаться. Если «погасить» свет
скрещиванием поляроидов, а потом поместить между ними какой-
нибудь прозрачный предмет, например кристаллы, и тем нарушить
однородность промежуточной между поляроидами среды, то на темном
фоне вспыхнет эффектная картина сверкающих кристаллов. Этим яв-
лением пользуются для испытания напряженности в различных частях
строительных конструкций и деталей машин. Из плексигласа изготов-
ляют модель соответствующей части и ставят ее
в условия, в каких будет «работать» действитель-
ная техническая деталь. Вызванные в этих
условиях напряжения внутри материала создают
в нем неоднородность, которая легко прослежи-
вается в поляризованном свете,
119

БСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ СОЛНЦЕ
Абсолютно черное Солнце?! Что это — мотив
картины какого-нибудь художника-абстракцио-
ниста или глава фантастического романа типа «Туманность Андро-
меды»? Ни то, ни другое. А излучение нашего Солнца действи-
тельно происходит по законам, близким к законам излучения
«абсолютно черного тела». Так называют в физике тело, которое погло-
щает все падающие на него лучи. Не следует смешивать это физическое
понятие с тем, что обычно именуется черным. Среди окружающих нас
тел мы не найдем ни одного, которое подходило бы под вышеприведен-
ное определение. Наиболее близко приближаются к абсолютно черному
телу: черная матовая бумага, поглощающая 95% падающего на нее
света, сажа с поглощением 98%, черный бархат — 99,6%. Однако мож-
но искусственно получить почти в полном совершенстве «абсолютно
черное тело», если сделать небольшое отверстие в стенке полости, сде-
ланной из любого материала (рис. 68). Внутренние стенки полости не
обязательно при этом должны быть вычернены. Попавший через отвер-
стие внутрь этого полого тела луч как бы мечется в западне, испытывая
при каждом отражении частичное поглощение энергии. Пусть погло-
щательная способность стенок полости 80%, значит, уже после первого
отражения отразятся только 20% энергии, после второго будет отбро-
шено только0,2-20 = 4%, после третьего — 0,2-4 = 0,8%, четвертого —
0,16% и т. д. Небольшое окошко в подвале кажется черным, даже если
стены подвала окрашены в белый цвет. Зрачок (отверстие в радужной
оболочке глаза) тоже всегда кажется черным.
Не смешивайте отражение света с излучением. Излучение, зави-
сящее от температуры тела, называют температурным излучением.
Исследование этого вида излучения позволило установить его законы,
с которыми мы сейчас и познакомимся. Одним из важнейших законов
такого излучения является закон Стефана, устанавливающий зависи-
мость излучения от температуры тела. Поскольку абсолютно черные
тела все излучают одинаково, то исследование закономерностей излу-
чения проводится с абсолютно черными телами. Согласно закону Сте-
фана, излучение черного тела прямо пропорционально четвертой сте-
пени абсолютной температуры тела. Излучательная способность тела
находится в прямой пропорциональной зависимости от его поглощатель-
120
Рис. 68

ной способности. Абсолютно черное тело, обладающее максимальной
(полной) поглощательной способностью, должно обладать и максималь-
ной по сравнению с нечерными телами излучательной способностью.
Изучение поглощательной и излучательной способности представляет
практически важную задачу и производится при помощи весьма чув-
ствительных приборов — болометров и термоэлементов. На рисунке
изображена схема: исследование распределения энергии в солнечном
спектре. Изготовленный из тонкой проволочки или пластинки термо-
чувствительный элемент помещается в исследуемую часть спектра, и
изменение его электрического сопротивления под действием поглощен-
ной энергии измеряют с помощью мостика Уитстона. Отсюда может быть
вычислена и величина нагревания с точностью до 10"7°. Результат ис-
следования распределения энергии представлен на рисунке. Максимум
энергии находится в желто-зеленой части спектра.
Положение максимума энергии излучателя зависит от температуры.
Исследования с абсолютно черными излучателями (первый такой излу-
чатель построен и применен, московским профессором В. А. Михельсо-
ном) показали, что с повышением температуры максимум излучае-
мой энергии смещается все больше и больше в сторону коротких волн
(рис. 69). Сопоставление кривых распределения энергии абсолютно
черного тела с кривой распределения энергии в спектре Солнца пока-
зало, что солнечный спектр почти совпадает со спектром абсолютно
черного тела при температуре 6000° (рис. 70). Отсюда можно сделать
вывод, что и температура поверхности Солнца должна выражаться
приблизительно тем же числом. В бесконечном разнообразии звездных
миров обнаружены солнца, и значительно более горячие и менее горячие.
Подобно тому как железо при нагревании проходит последователь-
но стадии красного, желтого и белого каления, так и звезды в зависи-
мости от их температуры отли-
чаются по их цвету. Так, бли-
жайшая к нам звезда Проксима
в созвездии Центавра темно-
красного цвета с температурой
Рис. 70

поверхности всего лишь 3000°, желтые звезды типа нашего Солнца
имеют температуру около 6000°, тогда как температура голубовато-
белого Сириуса оценивается в 10 000°.
Применение законов волновой теории света к распределению энер-
гии черного тела привело, однако, к абсурдному выводу, не совпадаю-
щему с результатами наблюдения и находившемуся в резком противо-
речии даже с законом сохранения энергии. Остановимся на этом исклю-
чительно важном в истории физики моменте несколько подробнее.
Классическая волновая теория приводила к заключению, что энергия
излучения должна возрастать непрерывно при передвижении по спект-
ру от красной части к фиолетовой. Как видно при взгляде на кривые
распределения энергии по длинам волн, это действительно и наблюда-
ется, но только до некоторого предела, который является для данной
кривой максимумом. В солнечном спектре, как уже сказано, максимум
находится в желто-зеленой части спектра, в фиолетовой же части энер-
гия не возрастает, а резко падает. Создалось, таким образом, совершен-
но нетерпимое противоречие между теорией и опытом. Этот кризис
в теории получил у физиков даже название «ультрафиолетовой катастро-
фы». Действительно, если бы не было предельного максимума в кривой
излучения, то всякое нагретое тело, например почва, должно было бы
излучать в первую очередь не «тепловые лучи», а рентгеновские и еще
более коротковолновые и «жесткие» лучи. К счастью, это не так. Мак-
симум энергии излучения тел, с которыми мы сталкиваемся в обыден*
ной жизни, лежит далеко в области инфракрасных лучей. Сидя около
истопленной печки, мы ощущаем лишь приятное тепло.
Обратите внимание на кривые распределения энергии черного тела.
Один взгляд на эти кривые вызовет у вас воспоминание о законе распре-
деления скоростей молекул идеального газа, разработанном Максвел-
лом (см. часть I, статья «В мире молекул»). Уже эта аналогия подска-
зывает идею о том, что и энергия нагретого тела, возможно, сосредото-
чена как бы в некоторых центрах и излучается отдельными неделимыми
порциями. Такие порции получили название квантов. Величина кванта
энергии различна в зависимости от длины излучаемой волны. Такую
зависимость Макс Планк (1900) выразил математически.
Энергия кванта 8 = /zv, где v (ню) есть частота, а Л — постоянная вели-
чина, получившая название универсальной постоянной Планка. Это одна
из «великих постоянных природы», и вы хорошо сделаете, если поста-
раетесь ее запомнить. Никакие наглядные образы здесь не помогут,
так как по малости своей эта величина выходит за пределы всякого
воображения. Она выражается правильной дробью, в которой за деся-
тичной запятой следует еще 26 нулей и лишь на 27-м месте вы встретите
цифру 6.
Л = 6,62'10""27 эрв'сек.
122

Эрг есть единица энергии и работы. Произведение работы на вре-
мя измеряет в механике особую величину, называемую «действием».
Поэтому квантовую постоянную называют иногда также «кван-
том действия». Введение этой постоянной в довольно сложную
формулу закона распределения энергии по частотам, которую
мы приводить не будем, позволило Планку привести теорети-
ческие и практические выводы законов излучения в полное
соответствие.
Легко запоминается и дата начала квантовой теории —
1900 г., начало нового XX в. и начало новой физики.
Дальнейшее развитие квантовая теория получила в истолковании
явлений фотоэффекта. Явление фотоэффекта было открыто еще до
появления квантовой теории. Оно было открыто в 1887 г. Герцем и
обстоятельно изучено русским ученым А. Г. Столетовым. Установка
Столетова изображена на рисунке. Два металлических диска, один
из которых сплошной, а другой в виде сетки, установлены параллель-
но друг другу и включены в электрическую цепь. Поскольку диски не
касаются друг друга, цепь разомкнута и стрелка гальванометра нахо-
дится на нуле. При освещении диска лучами электрической дуги в
цепи возникает ток, обнаруживаемый гальванометром. Непременное
условие: сплошной диск должен быть соединен с отрицательным полю-
сом батареи, в случае соединения его с положительным полюсом ток
при освещении диска не возникает. Столетов установил при этом сле-
дующий закон: фотоэлектрический ток прямо пропорционален падаю-
щему на диск световохму потоку. Мы знаем теперь объяснение этому
явлению: свет, падающий на сплошную отрицательно заряженную
пластинку, вырывает из нее электроны, которые устремляются к по-
ложительно заряженной сетке. Дальнейшее исследование явления
обнаружило два обстоятельства: 1) для каждого вещества (цинк, калий,
натрий) должна существовать определенная частота световой волны,
ниже которой эффекта выбивания электронов не наблюдается. Так, для
цинка эта частота соответствует длине волны 370 ммк (ультрафиолето-
вый свет), для калия — 450ммк, для натрия — 680 ммк и т. д.; 2) энер-
гия, а следовательно, и скорость электронов, выбиваемых из метал-
ла, зависит только от частоты падающего света и совершенно не зави-
сит от его интенсивности. Волновая теория была бессильна объяснить
эти закономерности.
Объяснение было дано Эйнштейном на основе новых идей Планка
о квантах. Эйнштейн пришел к выводу, что кванты характеризуют не
только процесс прерывистого, скачкообразного излучения и поглоще-
ния энергии, но и распространения света. Процесс распространения
света представляет свободный полет в пространстве отдельных свето-
вых квантов, несущих определенные порции энергии. Световые кванты
123

получили название фотонов. Скорость полета фотонов равна скорости
света. В световом пучке имеется огромное количество фотонов. От заж-
женной свечи на острие иголки, поставленной от свечи на расстоянии
нескольких метров, падают тысячи фотонов в секунду. Отдельный фо-
тон несет ничтожно малое количество энергии, с нашей точки зрения.
Но все дело в масштабе — в мире молекул и атомов удар фотона может
быть сравнен с действием крупнокалиберного артиллерийского снаряда
в нашем мире (макромире), особенно если речь идет о фотоне ультрафио-
летовых, рентгеновских или гамма-лучей. Ведь энергия фотона зависит
от частоты колебаний. Для ультрафиолетовых лучей она в 5—10 раз
больше, чем для длинноволновой части спектра.
Энергия фотона Е = hv при попадании фотона в металл тратится,
во-первых, на преодоление связи электрона с атомом (р) и, во-вторых,
на сообщение вырванному из атома электрону кинетической энергии
^-. Таким образом, закон сохранения энергии выразится здесь уравне-
нием 2
Р называется работой выхода и имеет различные значения для различных
металлов.
Кванты неделимы. Когда молекула металла поглощает свет, то
это поглощение происходит только целыми квантами. Ослабляя интен-
сивность потока света, мы оставляем действие каждого кванта прежним
и только уменьшаем число квантов.
Квантовая теория света не противоречит волновой теории, как
противоречила некогда корпускулярная теория Ньютона теории волно-
образного колебания эфира Гюйгенса. Сама формула энергии кванта
связана непрерывно с волновыми представлениями, так как содержит
в себе чисто волновую величину — частоту колебаний. Не представляет
ли собой эта теория возврат к корпускулярной теории Ньютона, по
которой свет рассматривался как поток светоносных частиц? Сходство
фотонов с частицами вещества действительно большое: фотоны, как
и вещественные частицы, являются носителями энергии. Они имеют
и массу. Масса и энергия фотона связаны знаменитой формулой Эйн-
штейна Е = тс2.Из этой формулы может быть определена масса фотона
Е hv
где с — скорость света.
Но фотон все-таки не частица вещества. Это вытекает из теории
относительности Эйнштейна. Фотон может существовать только в дви-
жении со скоростью света, которая входит в формулу Эйнштейна. Ос-
124

тановка кванта света сопровождается превращением энергии кванта в
другой какой-нибудь вид энергии. Поглощенный молекулой квант
прекращает свое самостоятельное существование. Солнце не является
складом фотонов. Фотоны возникают при излучении, фотоны летят
со скоростью света через межзвездное пространство. Падая на Землю
и поглощаясь разными веществами, они прекращают свое существо-
вание, но ни масса, ни энергия не исчезают при этом, они только из-
меняют свой вид. Об этом будет рассказано в следующей беседе.
ЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ, ПРЕВОСХОДЯЩАЯ
ФАНТАЗИЮ
(КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ СВЕТА)
Острый тонкий пучок лучей рубинового цвета про-
резал пространство... Миновав земную атмосферу,
он устремляется в космос к далеким звездным мирам.
Давление света, сконцентрированного на малой площадке, дости-
гает миллиона атмосфер. Лучом можно проколоть или разрезать ме-
таллический лист из самого твердого и тугоплавкого металла.
Фантазия? Нет, это последнее достижение квантовой радиофизики,
известное под именем квантового генератора и усилителя света. Изоб-
ретение это сделано в 1954 г. советскими учеными, лауреатами
Нобелевской премии за 1964 год, Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым
и одновременно американскими учеными.
В США оно получило название «лазеров» и «мазеров» по американ-
скому пристрастию к сокращению слов. Полное наименование на
английском языке Light amplification by stimulated emission of ra-
diation (laser), Microwave amplification by stimulated emission of radia-
tion (maser) * соответствует двум типам усилителей электромагнитных
волн в пределах длин для видимого света (лазеры) и более длинных, но
все же микрокоротких радиоволн (мазеры).
Новые усилители уже нашли применение для сверхдальней связи.
Они позволили исследовать поверхность Луны и Венеры, они устанав-
ливаются на искусственных спутниках Земли и на космических кораб-
* Перевод: усиление света при помощи индуцированного излучения; усиление
микроволн при помощи индуцированного излучения.
125

лях, отправляемых на Венеру, на Марс. В пути они
передают сигналы на Землю с расстояния в десятки
миллионов километров и позволяют управлять дви-
жением кораблей и корректировать их траекторию.
Не правда ли, перед таким достижением науки
и техники бледнеет самая смелая фантазия?
Мечта о концентрации энергии света зародилась
еще в глубокой древности. Отражение ее мы находим в известной
легенде об Архимеде, сжегшем якобы направленными при помощи зер-
кал лучами солнца корабли римского флота во время осады Сиракуз.
А кто не читал фантастический роман А. Толстого «Гиперболоид
инженера Гарина»? Гиперболоид, при помощи которого изобретатель
инженер Гарин хотел стать властелином мира, описывается им так:
«Лучи света, собираясь в фокусе гиперболического зеркала /А/ падают
на поверхность гиперболоида /В/ и отражаются от него математически
параллельно — иными словами, гиперболоид /В/ концентрирует все
лучи в один луч или в «лучевой шнур» любой толщины. Переставляя
микрометрическим винтом гиперболоид /В/, я по желанию увеличиваю
или уменьшаю толщину «лучевого шнура». При этом я могу довести
«шнур» /практически/ до толщины иглы...
Во время первых опытов я брал источником света несколько обыч-
ных стеариновых свечей. Путем установки гиперболоида /В/ я доводил
«лучевой шнур» до толщины вязальной спицы и легко разрезал им
дюймовую доску. Тогда я понял, что вся задача — в нахождении
компактных и чрезвычайно могучих источников лучевой энергии. За
три года работы, стоившей жизни двоим моим помощникам, были
созданы вот эти угольные пирамидки. Энергия пирамидок настолько
уже велика, что, помещенные в аппарат и зажженные (горят около
пяти минут), они дают лучевой шнур, способный в несколько секунд
разрезать железнодорожный мост.
Вы представляете, какие открываются возможности? В природе
не существует ничего, что бы могло сопротивляться силе лучевого
шнура... Здания, крепости, дредноуты, воздушные корабли, скалы,
горы, кора Земли — все пронижет, разрушит, разрежет мой луч».
А вот сцена, показывающая действие «шнура». «Хлынов первый
обратил внимание на странный клубочек света высоко в небе.
Пониже первого над очертанием деревьев возник второй огнен-
ный клубок и, роняя искры, как догоревшая ракета, стал падать...
— Это горят птицы,—прошептал Вольф Они задевают за проволоку.
— Какую проволоку?
— Разве не видите, Вольф?
Хлынов указал на светящуюся, прямую, как игла, нить. Она шла
сверху от развалин по направлению заводов Анилиновой Компании.
126

Путь ее обозначался вспыхивающими листочками, горящими клубками
птиц...
— Она опускается! — крикнул Вольф. И не окончил. Оба поняли,
что это была за нить. В оцепенении они могли следить только за ее
направлением. Первый удар луча пришелся по заводской трубе,—
она заколебалась, надломилась посередине и упала. Но это было очень
далеко и звук падения не был слышен.
Почти сейчас же влево от трубы поднялся столб пара над крышей
длинного здания, порозовел, перемешался с черным дымом. Еще левее
стоял пятиэтажный корпус. Внезапно все его окна погасли. Сверху
вниз, по всему фасаду, пробежал огненный зигзаг, и еще и еще... Зда-
ние осело, рухнуло, его костяк закутался облаком дыма».
В фантастической литературе можно найти и еще много описаний
разрушительного, сжигающего действия лучей разрушения и смерти.
Несмотря на всю драматичность и в то же время остроумие выдумки,
все подобные описания грешат против законов физики, и прежде всего
против основного ее закона — закона сохранения энергии.
Невозможно путем обычных средств современной оптики нагро-
мождением только зеркал, линз или призм увеличить энергию имею-
щихся в распоряжении современной техники источников света.
Нельзя сконцентрировать при помощи зеркал солнечные лучи
в один тонкий, как игла, луч и послать его на расстояние в несколько
километров. Расчет показывает, что для объекта, находящегося на
расстоянии даже 1 км, потребовалось бы зеркало в 500 м диаметром,
а для того чтобы вызвать загорание хотя бы дерева, надо было бы обла-
дать источником света, в миллион раз превышающим яркость Солнца.
Как показал проф. Г. Г. Слюсарев в своей книге «О возможном
и невозможном в оптике», нельзя в действительности получить пучок
параллельных лучей и еще сжать его р узкий шнур, например, по схеме,
представленной на рисунке. В схемах геометрической оптики мы, ко-
нечно, пользуемся понятием точечного источника света, который,
будучи помещен в главном фокусе вогнутого зеркала (притом параболи-
ческого, а не гиперболического, как ошибочно полагал инженер Га-
рин) или в главном фокусе линзы, дает на чертеже пучок параллель-
ных лучей. Но это только на чертеже, в действительности же точечный
источник немыслим. Немыслим и пучок параллельных лучей. Приво-
димый в книге расчет доказывает математически, что если бы параллель-
ные лучи и были возможны, то они не несли бы с собой никакой энергии.
Доказательство основывается на законах оптики, вытекающих из
закона сохранения энергии.
Все фантастические проекты сжигания на расстоянии не учитывают
этого закона, не говоря уж о законах рассеяния, дифракции и интерфе-
ренции света. Чаще же всего фантастические проекты грешат и про-
127

тив элементарной оптики. Предлагаем читателям самим найти ряд оши-
бок в схеме инженера Гарина.
Посмотрим теперь, как же решается задача генерации и усиле-
ния света при помощи «квантовых генераторов». Эти новые источники
света действительно излучают почти параллельные лучи. Но физичес-
кая основа их совершенно иная, чем основа оптических систем, о ко-
торых мечтали фантасты.
Взгляните на какой-нибудь из обычных источников света — пламя
свечи, раскаленный волосок электрической лампочки или люминес-
центную трубку. Какие физические явления составляют сущность
излучения света этими источниками? В наших беседах мы уже не раз
касались этого вопроса. Излучение света источником — это освобож-
дение энергии при перескоках электронов с внешних удаленных орбит
на орбиты, ближе расположенные к ядру. Тепловые движения частиц
в раскаленном теле или высоковольтное напряжение электрического
поля в газосветных трубках забросило электроны на внешние орбиты
и привело атомы в «возбужденное» состояние. Это состояние неустой-
чиво, и почти мгновенно (через 10~8 сек и меньше) электроны возвраща-
ются на свои нормальные орбиты, отдавая при этом порциями (кван-
тами) сообщенный им излишек энергии. Кванты света, называемые
фотонами, разлетаются при этом со скоростью 300 000 км/сек.
Фотонам свойственна одновременно и волновая и корпускулярная
природа. В зависимости от величины порции энергии, отдаваемой
электроном при перескоке с одной орбиты на другую, или, другими
словами, при переходе атома с одного уровня энергии Е2 на другой,
низший, уровень Elt длина волны X излучаемого фотона может быть
вычислена по формуле
hv=E2 — E1,
где v—частота колебания, а Л — постоянная величина (постоянная
Планка), равная 6,62-10"34 дж-сек. Поскольку длина волны Х = — (с —
скорость света в м/сек), то для длины волны получаем формулу
« h-c . ч
Чем ближе орбита, с которой происходит перескок электрона, к «не-
возбужденной» орбите, тем меньше энергия кванта и тем больше длина
электромагнитной волны.
Теперь подумайте, какое громадное количество атомов участ-
вует в процессе излучения света источником, скажем, свечой. Ведь
в ничтожном объеме вещества размером с булавочную головку заклю-
Атомная энергия в мирных целях. Энергию, выделяющуюся при ядерных реак-
циях, можно использовать для приведения в действие тепловых двигателей, для пи-
тания двигателей подводных лодок, ледоколов.
Ядерные реакторы в ходе работы дают различные радиоактивные вещества (ра-
диоактивные изотопы). Образцы урановых руд: 1—уранит из Конго, 2 — карнотит,
3 — канадский уранит, 4 — образцы концентратов урановых руд в тиглях.
Применение радиоактивных изотопов: 5 — контроль уровня жидких и сыпучих
веществ, 6 — автоматизация процесса прокатки, 7 — применение в медицине —
введенный в организм изотоп накапливается в пораженном месте (опухоль мозга)
и регистрируется счетным приборам.

чаются миллиарды миллиардов атомов. Возбуждение их происходи
неодновременно, а потому и отдача энергии возвращающимися на cboi
нормальные орбиты электронами происходит неодновременно, а слу
чайно, беспорядочно, с излучением различной величины квантов с раз
личными длинами волн, словно нестройный многоголосый хор, которьп
создает невообразимый шум, когда каждый поет свое, кто во что горазд
Квантовые генераторы предназначены навести порядок в этол
хаотическом излучении, сделать его параллельным (избежать рассея
ния), монохроматичным (однотонным, с одной определенной длино!
волны) и когерентным (согласованным по фазе).
Самопроизвольные (научный термин — спонтанные) и потому несо
гласованные перескоки электронов надо заменить вынужденными, про
текающими как бы по команде.
Команду подают направляемые на вещество фотоны от внешнегс
источника света. Однако действие фотонов на вещество различно i
зависимости от состояния, в каком находится вещество. Если атомь
вещества находятся в невозбужденном состоянии, как это обычно v
бывает, то происходит поглощение энергии, сопровождаемое перехо-
дом электрона на более высокий энергетический уровень (рис. а) с
последующим спонтанным возвращением на прежний уровень и спон-
танным же излучением — лучеиспускание (рис. б).
Если же фотон падает на атомы, находящиеся уже в возбужденном
состоянии (рис. в), то он «сталкивает» электрон на нормальный уровень,
не поглощаясь. Так как электрон, переходя на низший уровень, излу-
чает в свою очередь фотон, то получается усиление излучения — был
один фотон, стало два. Оба фотона, как ударивший, так и выделенный
при перескоке, совершенно одинаковы и по энергии, и по фазе, к
по длине волны. Покидая атом, они движутся в одном направлении.
Такое излучение называется вынужденным или «индуцированным»,
Разрешенных энергетических уровней атома обычно не два, а не-
сколько. «Населенность» их увеличивается в направлении к нижнему
уровню энергетической лестницы. Это соответствует естественному
закону стремления системы к минимуму потенциальной
энергии. Но такое распределение электронов не обеспе-
чивает работы квантового генератора. Важнейшим усло-
вием его работы является преобладание электронов на
верхнем уровне. Только тогда будет достигнуто мощное
усиление. Необходимо создать «опрокинутое» распределе-
ние с максимальным «населением» верхних энергетических
уровней. Такое распределение называется «инверсией».
Возникла задача найти вещество, в котором состоя-
ние инверсии было бы легко достигаемо. Таким веществом
ЕЭС. Единая энергетическая система обеспечивает надежное снабжение элек-
троэнергией, так как электростанции связаны между собой двумя вводами («заколь-
цованы»). Если на каком-нибудь участке линии электропередачи произойдет авария,
снабжение потребителей электроэнергией не прекратится — энергия будет пода-
ваться в обход поврежденного участка.

Кожух
оказался рубин. Да, тот самый рубин, который как
драгоценный камень используется в качестве украше-
ния для колец, брошек и других ювелирных изделий.
По химическому составу он представляет собой окись
алюминия (Al2Os), в кристаллической решетке которой
некоторые атомы алюминия замещены хромом. Хром
поглощает цвета спектра от желтого, зеленого и до
фиолетового и пропускает красный и оранжевый цвета. Этим
объясняется великолепный красный цвет рубина. В настоящее
время рубин умеют изготовлять искусственно.
Для изготовления квантового генератора света берется
кристаллический стерженек рубина толщиной с карандаш и
длиной от 3 до 10 см. Торцы стерженька обтачиваются
строго параллельно друг другу и тщательно полируются, а
затем серебрятся, так чтобы они образовали два направлен-
ных друг против друга зеркальца. С одного конца серебрение
плотное, с другого — полупрозрачное.
Для возбуждения рубин освещается с боковых сторон при
помощи импульсной лампы, которая в виде спиральной трубки
окружает стержень рубина. Трубка наполнена газом ксеноном,
и лампа работает по тому же принципу, как лампы-вспышки,
применяемые фотографами. В лазере эту лампу называют лам-
пой накачки. Рисунок показывает последовательные стадии
процесса, протекающего в рубине при освещении его светом
лампы. Л/атомы кристалла находятся в невозбужденном состоя-
нии (черные точки), £/«накачка» светом (беспорядочные
стрелки) переводит большую часть атомов хрома в возбужден-
ное состояние. Главную роль при этом играет зеленая сос-
тавляющая часть спектра лампы, так как именно зеленые
лучи поглощаются красным рубином.
Важнейшую роль в работе генератора имеют ионы хрома:
в них создается индуцированное излучение. Ионы хрома за-
мечательны тем, что они имеют три энергетических уровня.
Поглотив фотоны зеленого света, они переходят на самый
верхний энергетический уровень. Но на нем они остаются
недолго (около 10~8 сек) и сами собой, спонтанно, переходят
на средний уровень. На этом уровне они могут оставаться
без внешнего воздействия от долей секунды до миллиона лет.
За это средний уровень получил наименование метастабильного
уровня. Внешнее воздействие (фотонов) переводит ионы в невоз-
бужденное состояние. Но для этого должен появиться хотя
бы один фотон, движущийся в направлении оси кристалла.
Он на своем пути станет вынуждать испускание новых фото-
130

нов. Поток фотонов нарастает, отражаясь попере-
менно от посеребренных торцов кристалла (этим
удлиняется его путь в кристалле и достигается
большое усиление потока /Г, Д). Наконец, интен-
сивность излучения достигает такой величины, что
пучок фотонов, как острая игла, прокалывает полупрозрачное сереб-
рение одного из торцов и ослепительно-красный лучевой шнур про-
низывает пространство.
Фотоны, летящие не в направлении оси кристалла, уходят из
него через боковые стенки. Кристалл при этом испускает флюоресцент-
ное красное свечение, равномерно разлитое по всему объему.
Мы ограничимся в нашей беседе описанием только лазера на ру-
бине, работающего в импульсном (толчкообразном) режиме. Таков
был первый практически построенный в 1960 г. лазер. С тех пор много-
численные исследователи нашли способы изготовления лазеров непре-
рывного действия и не только на рубине, но и на других кристаллах,
на газах и на полупроводниках.
Огромные перспективы открываются перед исследователями этого
поразительного явления индуцированного излучения. Использование
когерентного пучка в радиотехнике и телевидении позволит переда-
вать одновременно десятки тысяч программ. Применение лазеров в
радиоастрономии неизмеримо увеличит дальность действия радиотеле-
скопов. Ученые мечтают в будущем о беспроволочной передаче энергии
на большие расстояния. Много сулит новая отрасль физики и для тех-
ники вычислительных машин, число операций которых поднимется
до десятков тысяч миллиардов в секунду.
= тс
На расстоянии почти 150 млн. км от нашей планеты
сияет огнем своих лучей Солнце. Оно непрерывно
излучает огромное количество энергии. На площадку
1 см2, поставленную перпендикулярно к солнечным лучам, посылает
оно нам около двух калорий энергии в минуту, или 1 млн. кал в год.
Поверхность шара, описанного из центра Солнца радиусом, равным
расстоянию от Солнца до Земли, составляет приблизительно 3- 1027см2.
Следовательно, общее излучаемое Солнцем количество энергии рав-
но 12,5- 1036дж, или 3-10033 кал в год. Из года в год излучает Солнце
9*
131

эту энергию, а существует оно уже десятки миллиардов лет! Откуда
же черпает оно такое, превосходящее всякое воображение, количество
энергии? Ни одна из прежних теорий, искавших ответа на этот вопрос
в падении на Солнце метеоритов или в сжатии солнечного шара, не
могла выдержать проверку расчетом. В лучшем случае указанные ис-
точники могли бы обеспечить Солнце энергией на десятки или сотни
миллионов лет. Лишь физика XX в. нашла удовлетворительное реше-
ние загадки Солнца. Источником солнечной энергии являются те самые
термоядерные реакции, которые так волнуют современных ученых,
реакции, овладение которыми и использование которых в мирных це-
лях обеспечит человечество неисчерпаемыми запасами энергии.
Основной термоядерной реакцией, обеспечивающей Солнце энер-
гией, является реакция превращения водорода в гелий (точнее, прев-
ращение протонов в ядра гелия, так как при чудовищной температуре
20 миллионов градусов в недрах Солнца водород и гелий полностью
ионизируются). Такая реакция совершается как при прямом столкнове-
нии (протонов), так и через серию промежуточных ступеней, на кото-
рых ядра углерода поглощают ядра водорода, в так называемом «угле-
родном цикле». Приводим схемы этих двух циклов.
Протоновый цикл
1. iH1 + 1Hl^1H2 + e + Y
2. ,№ + ,№—tH' + Y
3. 2H3 + 2H3-,2H4 + 21H, + y
Углеродный цикл
1. 6C12 + iH1->7N13 + y 4. 7N14-f1H1-,8015 + Y
2. 7N,s — 6C,3-be + Y 5. 8015 — 7N15 + e + y
3. £» + ,№ — 7N14 + Y 6. ?N15 + 1H1-.6C12 + 2H4 + Y
Для понимания написанных ядерных реакций надо иметь в виду,
что индексы, стоящие слева внизу перед латинским обозначением
элемента, показывают заряд ядра, или порядковый номер элемента в
периодической таблице. Числа, поставленные справа вверху — мас-
совые числа, или, иначе, общие числа протонов и нейтронов в ядре.
Углерод в этом цикле не расходуется; он, можно сказать, является
только катализатором. Строительным материалом для образования
ядер гелия служат протоны.
Попробуем сравнить массу ядерного вещества до и после реакции,
в результате которой из четырех протонов получается ядро гелия.
Не учитывая массу электронов, мы можем принять массу «строитель-
ного материала» равной массе четырех атомов водорода, т. е. 1,008-4 =
= 4,032 атомной единицы. Масса получившегося ядра гелия почти не
132

отличается от массы атома гелия, следовательно,
равна 4,003. Баланс, как видите, не сходится.
Масса «расходной» части (ядра водорода) оказы-
вается больше «приходной» (ядро гелия) на 0,029.
Этот поразительный факт получил название «де-
фекта массы» и буржуазными физиками истолко-
вывался как доказательство возможности прев-
ращения массы или даже материи в энергию.
Но разве можно отрывать массу или энергию от
материальных носителей этих свойств? Материю
современная физика знает в двух формах: в форме
вещества и в форме поля. В той и другой форме
материя обладает массой и энергией. Энергия
способна к превращениям, оставаясь притом
неуничтожимой (закон превращения и сохранения
энергии), равным образом и масса способна к
превращениям и точно так же подчиняется закону
сохранения. Обнаруженный выше при подсчете «дефект массы» озна-
чает не уничтожение массы вещества, а лишь превращение ее в равное
количество массы поля, массы квантов Y- Но что такое масса? Масса
есть мера инертности материального объекта. В классической механике
масса тела считалась постоянной, и потому очень легко было прийти к
отождествлению ее с количеством вещества. В теории относительности,
без которой немыслима современная ракетная и атомная техника,
масса не может считаться постоянной, она изменяется в зависимости
от скорости движения тела. Эйнштейн, которому физика обязана соз-
данием теории относительности, дает для массы тела, движущегося
со скоростью vy новую формулу:
т = — *— .
где т0 — «масса покоя».
В частности, для квантов света — фотонов — скорость движения
v равна с (скорости распространения света в вакууме) и, следовательно,
1/1—~ = 0. Тогда из предыдущей формулы находим т0 = 0.
Это значит, что фотоны не имеют массы покоя. Не может быть у фо-
тона и никакой другой скорости, кроме скорости света. Скорость фо-
тонов всегда одна и та же (с = 300 000 км/сек). Вдумчивый читатель
может спросить: «Как же так? Ведь когда свет проникает в какую-
либо прозрачную материальную среду (стекло, воду и т. п.), то, как
известно, он замедляется. Показатель преломления света как раз и
9 М. И.Блудш* 133
А. Эйнштейн

показывает, во сколько раз скорость света в какой-нибудь среде мень-
ше, чем в вакууме. Например, в стекле в зависимости от его сорта ско-
рость света в 1 */2 раза меньше, чем в пустоте». Истолкование этого дей-
ствительно существующего уменьшения скорости света дается такое.
Каждый отдельный фотон и в стекле летит с такой же скоростью, как
в пустоте, но при встрече с каким-нибудь атомом фотон поглощается
им. Затем спустя некоторое время («время жизни возбужденного атома»)
этот атом испускает новый фотон. Вследствие таких остановок в пути
следования средняя скорость света в среде (v) оказывается меньше, чем
скорость движения отдельных фотонов. Каждый, кому приходилось
ездить на пригородных поездах, знает, что средняя скорость поезда,
идущего с большим количеством остановок, меньше, чем скорость поез-
да, движущегося безостановочно. Это сравнение страдает только тем
недостатком, что для движения поезда с остановками большое значе-
ние имеет потеря времени на разгон и замедление около каждой оста-
новки, тогда как полет фотона безынерционен, ни об ускорении, ни
о замедлении фотона речи быть не может.
Возникает также другой вопрос: куда девается масса фотона при
поглощении фотона каким-нибудь атомом? Не происходит ли здесь
уничтожение массы? Нет! Поглощенный фотон вызывает возмущение
в системе поглотившего его атома, и масса возмущенного атома воз-
растает ровно на величину массы поглощенного фотона. При излучении
атомом фотона его энергия и его масса уменьшаются на величину энер-
гии и массы излучаемого фотона. Полная масса всех участвующих в
описанных превращениях материальных частиц (вещества и поля)
остается постоянной, равно как остается постоянной и энергия их.
Рассмотрим наиболее яркий пример превращения вещества в поле,
пример так называемой аннигиляции (уничтожения) пары электрон —
позитрон при встрече их. Позитроне — элементарная частица с массой,
равной массе электрона, но обладающая положительным зарядом,
был открыт в 1932 г. сначала в космических лучах, а затем удалось
наблюдать его и в лабораторных условиях. В земных условиях про-
должительность жизни его ничтожна. Позитрон, пришелец из межзвезд-
ных просторов, проникая в земную атмосферу и проходя через вещество,
теряет вследствие соударений свою скорость и, когда она оказывается
близкой к нулю, вступает во взаимодействие с каким-нибудь электроном.
Результат этой встречи оказывается гибельным для той и другой элемен-
тарной частицы. Удар! И только всплеск электромагнитной волны в виде
двух разбегающихся в разные стороны гамма-фото-
нов — вот все, что осталось после катастрофы:
+ -
134

Но наблюдается и обратное явление — рождение
пары электрон — позитрон при взаимодействии фо-
тонов высоких энергий с веществом.
Взаимосвязь массы и энергии была предсказа-
на еще Максвеллом в его электромагнитной тео-
рии света. Знаменитыми опытами русского физика
П. Н. Лебедева эта теория была подтверждена. Ве-
личина давления света, измеренная им, совпала с
предсказанной теорией Максвелла.
Математическое выражение: пропорциональность
массы и энергии — выражается формулой Эйн-
штейна
Е = тс2.
Сообщение телу энергии увеличивает его массу.
Старинный вопрос, не становится ли нагретое тело
тяжелее (массивнее), получает, таким образом, по-
ложительный ответ. Конечно, увеличение массы при этом ничтожно
и никакие весы его подметить не смогут: 215 т воды при нагревании на
100° С получат прибавок к массе всего 1 мг. Точно так же уве-
личивается масса тела, приведенного в движение. Если в формулу
Эйнштейна подставить выражение массы движущегося тела, данное
выше, то получим
v* __■_
Разложим (1 г) 2 по формуле бинома Ньютона в ряд:
V с2) l ^2с2 ^ 8 с* ^ ••"
Отсюда энергия движущегося тела
г? 2 , m0v2 .3 v* .
£-m0c2 + -|- + -g-m0?+ ...
Так как коэффициент с — скорость света — огромное число, а возве-
денный в квадрат и высшие степени еще больше, то членами ряда, начи-
ная с третьего, можно пренебречь и тогда выражение энергии будет
С 2 , WnV2
Е = т0с2 + -±-.
Прирост энергии движущегося тела мы обычно и
оцениваем, называя его кинетической энергией, как
f __ "чу2
135
П. Н. Лебедев
9**

Как видно, эта энергия составляет весьма незначительное слагае-
ма мое; главное же количество энергии тела выражается первым членом
вышеприведенного ряда. При скорости тела 30 км/сек (скорость Земли
на орбите) первое слагаемое в 100 миллиардов раз больше второго.
Для покоящегося тела (v = 0) энергия Е = mQc2.
Сделаем расчет для энергии тела массой 1 г = 0,001 кг:
£ = 0,001-9-101в вт-сек = 9-1010 квт-сек = 25 млн. квт-ч.
Впервые о наличии огромной энергии, таящейся в недрах вещества,
люди узнали, когда было открыто явление радиоактивности. 1 г радия
выделяет в час 140 кал, или 0,00016 квт-ч энергии. В урановой атомной
бомбе или атомном реакторе 1 г урана при расщеплении выделяет
22-103 квт-ч.
Рассмотрим несколько подробнее на примере самопроизвольного
распада радия, какие превращения энергии происходят при этом
(рис. 71).
Для обнаружения излучений радия некоторое количество его
помещают на дне узкого углубления, сделанного в массивном куске
свинца. Перпендикулярно к плоскости рисунка приложено сильное
магнитное поле, направленное от наблюдателя. Над куском свинца
на некотором расстоянии помещается фотопластинка. После некоторой
экспозиции и проявления пластинки на ней можно обнаружить три
различные полоски. Полоса слева образовалась под действием альфа-
лучей, крайняя справа — результат воздействия на пластинку бета-
лучей, средняя образовалась под действием гамма-лучей, не отклоняе-
мых магнитом. Тщательное исследование всех трех видов лучей пока-
зало, что а-лучи представляют собой положительно заряженные ядра
гелия, летящие со скоростью 10 000 км/сек. Сильно отклоненные вправо
(3-лучи состоят из потока отрицательно заряженных электронов, а
улучи оказались потоком невидимого света, электромагнитным излу-
чением очень короткой длины волны в 0,1 А° (1 А°—ангстрем = 10"8 см,
или 0,1 ммк). Для лучшего запоминания этой основной картины радио-
активного распада на рисунке дана сравнительная модель излучения
радия и «излучения» артиллерийского орудия. В этой модели наиболее
массивная и, следовательно, наиболее инертная часть — выпущенный
снаряд — соответствует самой массивной части излу-
чения радия—а-частицам с массой, в четыре раза
превышающей массу протона, дым и продукты сгорания
пороха соответствуют мельчайшим (i-частицам, масса
каждой из которых составляет примерно гщг часть
массы протона. Блеснувший же при выстреле огонь —
полная аналогия улУчей.
136

Внутренняя энергия атома радия частично идет на сообщение кине-
тической энергии всем летящим частицам — продуктам распада, а
также испускается в виде энергии излучения фотонов и тепловых кван-
тов. Применяя известный теперь и в школе счетчик Гейгера, ученые
подсчитали, что 1 г радия ежесекундно испускает 3,7 • 1010 а -частиц, т. е.
каждую секунду происходит распад 3,7-1010 ядер радия. (Отметим,
что это число принято за единицу для измерения радиоактивности в
других процессах распада и получило название «кюри».) Всякое ра-
диоактивное вещество характеризуется периодом полураспада. У ра-
дия он равен 1600 лет. Надо ждать 1600 лет, чтобы любая взятая пор-
ция радия распалась наполовину. Еще через 1600 лет произойдет
распад половины оставшейся половины и т. д.
Некоторые радиоактивные вещества имеют очень короткую продол-
жительность жизни с периодом полураспада в доли секунды, для дру-
гих этот период достигает миллиардов лет. Это зависит от продолжи-
тельности «жизни» атомов данного элемента.
Статистика продолжительности жизни атомов напоминает статис-
тические расчеты продолжительности жизни человека. Как в том, так
и в другом случае учитывается средняя величина ее. Невозможно
точно сказать, когда произойдет распад именно этого атома радия.
Это может случиться в следующую секунду, а может быть, через год
или через миллиарды лет.
Вернемся снова к квантам видимого света. Мы знаем теперь, что
они обладают массой. Но понятие массы связывается не только с поня-
тием инертности, но и с понятием тяготения. Поскольку инертная и
гравитационная массы связаны неразрывно и являются пропорцио-
нальными друг другу, а при выборе одинаковых единиц равны, то
естественно предположить, что обладающие инертной массой фотоны
должны обладать и «весом», т. е. на них должно действовать поле тяго-
тения. Конечно, заметить это явление в земных условиях было бы чрез-
вычайно трудно вследствие малости сил притяжения. Но ведь при рас-
пространении света в мировом пространстве фотонам приходится проле-
тать и мимо гигантских солнц огромной массы, не будет ли отклоняться
луч света, проходя мимо таких солнц?
Проверка предположения о том, что лучи света, идущего от дале-
кой звезды отклоняются, когда свет проходит вблизи Солнца, пред-
ставляет собой пример одного из наиболее драматичных эпизодов в
истории физики. Еще Ньютон в своей «Оптике» ставил вопрос: «Не
действуют ли тела на свет, не изгибают ли они своим действием
его лучи и не бывает ли это действие сильнее всего на малых
расстояниях?» В 1915 г. Эйнштейн предложил астрономам произвести
проверку отклонения луча света звезды, когда он проходит вблизи
Солнца.
137

Но разве можно видеть звезды днем около
Солнца? Да, вовремя полного солнечного за-
тмения можно. Необходимо только, чтобы во
время затмения около Солнца находились какие-нибудь яркие звезды.
Ближайшим затмением, удовлетворявшим этому условию, было пол-
ное солнечное затмение 1919 г. Несмотря на крайне неблагоприятное
время первой мировой войны, когда германские подводные лодки бло-
кировали Англию, английское правительство субсидировало две науч-
ные экспедиции — одну на остров Принчипе в Гвинейском заливе у
западных берегов Африки, другую в местечко Собраль в Бразилии.
Известный астроном и физик Эдингтон возглавил первую из этих групп.
Задача экспедиции сводилась к тому, чтобы проверить, существует
ли видимое смещение звезд в ближайшей области к Солнцу по сравне-
нию с тем, когда они будут в наибольшем удалении от него на небе,
скажем, ночью через полгода. Если применить теорию тяготения Нью-
тона, то смещение должно было быть 0",87, тогда как по теории Эйнштей-
на оно получилось двойной величиной Г,75. Но вдруг будет плохая
погода? Тогда пропадут двухлетние труды по организации дорогостоя-
щей экспедиции. Вот для того чтобы предохранить себя от подобной
случайности, вторая группа под руководством Креммелина направилась
в Собраль, чтобы под ясным небом Бразилии провести контрольные
измерения. Приводим описание работы экспедиции по книге В. Львова
«Альберт Эйнштейн» (Серия «Жизнь замечательных людей»).
«Полная фаза затмения на Принчипе продолжалась 302 сек. Едва
лишь диск Луны прикрыл Солнце и вспыхнул бледный венец короны,
набежавшие облака окутали небо и, казалось, все обречено на неуда-
чу. Сохраняя спокойствие, Эдингтон приказал наблюдателям выпол-
нять установленный заранее план. В тишине, прерываемой стуком мет-
ронома, в удушливо влажной мгле внезапно опустившейся тропической
ночи кипела напряженная работа. Перезаряжались кассеты с фотогра-
фическими пластинками, отсчитывались секунды, люди не смотрели
вверх, людям некогда было следить за волшебным небесным зрелищем.
16 фотографий было получено, и на первых снимках звезды
не вышли совсем. На 14 и 15-й сквозь разрывы в облаках
проступило несколько звездных изображений. На 16-й, сня-
той перед самым концом, отчетливо получились отпечатки
всех избранных для измерения звезд».
Группа Креммелина на Собрале, пользуясь благопри-
ятной погодой, также выполнила свою программу.
16 ноября 1919 г. собрались на объединенное заседа-
ние члены обоих королевских обществ — Британского и
Лондонского астрономического. Председательствовал Дж.
Дж. Томсон.
138

Результаты окончательной обработки данных, полученных обеими
экспедициями, таковы:
В заливе Собраль Г, 98
На острове Принчипе Г,61
Среднее из двух Г',79
Предсказанное по теории Эйнштейна Г,75.
Глубокое молчание воцарилось в зале...
Восторг, вызванный подтверждением теории Эйнштейна, его швей-
царские друзья-физики выразили следующим присланным ему позд-
равлением:
В миг исчезли все сомнения,
Луч подвержен искривлению,
Звездный луч издалека!
Славен наш Альберт в веках!
Теория тяготения, разработанная Эйнштейном в его общей теории
относительности, выдержала еще две другие экспериментальные про-
верки.
Однако подробное рассмотрение теории тяготения Эйнштейна,
равно как и ознакомление с частной теорией относительности, далеко
выходит за пределы современной школьной программы, и мы на этих
вопросах не останавливаемся.
ТО ТАКОЕ Мэв?
Один из величайших в мире ускорителей элементар-
ных частиц — синхрофазотрон в Международном
объединенном институте ядерных исследований в
Дубне — ускоряет протоны до энергии в 100 млрд.
электрон-вольт, или 10 000 Мэв (Мэв— это миллион электрон-вольт).
Много это или мало?
1 электрон-вольт = 1,6-10"12 эрг;
10 миллиардов электрон-вольт = 1,6-10"2 эрг!
Эрг, как вы знаете, очень мелкая единица энергии. 10 миллионов
эргов составляют только 1 джоуль. 1 килограммометр = 9,8 джоулей.
Моргнув глазом, вы производите работу в несколько эргов. Как же так?!
139

Величайшая установка ядерной техники, позволяющая расщеплять
атомы и производить исследования, имеющие огромное значение не
только для современной, но и будущей науки и техники... и какие-то
сотые доли эрга?! Давайте разберемся, в чем же тут дело.
Представьте себе шар, скатывающийся с наклонной плоскости.
Пройдя свой наклонный участок пути равноускоренно под действием
составляющей силы тяжести, он продолжает катиться по горизонталь-
ному полу и сбивает расставленные на полу кегли. Очевидно, импульс
шара будет зависеть от высоты горки, с которой скатился шар, и от
его массы. Электрически заряженная частица ускоряется в электри-
ческом поле подобно нашему шару в поле тяготения. При этом разности
высот, определяющей скорость шара, будет соответствовать разность
потенциалов на участке пробега частицы, а массе шара — электричес-
кий заряд частицы. Поэтому эффективность удара частицы в мишень
будет тем больше, чем больше разность потенциалов, которую пробе-
жит частица, и чем больше заряд частицы. Вот почему единицей энергии,
приобретаемой частицей, выбран электрон-вольт, т. е. величина энер-
гии, какую получает электрон, разгоняемый электрическим полем,
после пробега участка с разностью потенциалов в 1 вольт.
Электрон-вольт — излюбленная единица энергии в атомной и
ядерной физике. Распространенность в ядерных исследованиях еди-
ницы электрон-вольт объясняется просто. Действительно, если мы
хотим сообщить элементарному заряду энергию £, то для того чтобы
определить необходимую для этого разность потенциалов (или, как
иногда говорят, «скорость в вольтах»), достаточно Е разделить на е
(заряд). С другой стороны, ведь удобство той или иной единицы меры
зависит от масштаба измеряемых величин: длину волны в спектре
удобно выражать в ангстремах, в молекулярном мире мы для расчетов
расстояний пользуемся микронами, в обыденной жизни обычны единицы
метр и километр, а для межзвездных расстояний в будущих космических
полетах хорошей единицей будет световой год. Единица энергии элект-
рон-вольт удобна в атомной физике особенно в тех случаях, когда речь
идет об одной элементарной частице.
Работа выхода электрона из металла, работа ионизации газа слиш-
ком малы, чтобы их выражать в обычных механических единицах—
эргах, джоулях или килограммометрах. Разумеется, переходя к вопро-
сам ядерной техники, мы столкнемся с энергиями, необходимыми для
расщепления атомных ядер, и тогда придется увеличивать единицу
энергии в тысячу, миллион и биллион (миллиард) раз. Выражения
10 Мэв, 10 Бэв говорят о том, до скольких миллионов и биллионов элект-
рон-вольтАудается разогнать частицу в той или другой ускорительной
установке, чтобы поток частиц с такой сокрушительной энергией на-
править на считавшуюся раньше неприступной цитадель атомного ядра.
140

Энергии химических реакций, с которыми человек имел дело за
весь предыдущий период его истории, не идут ни в какое сравнение с
энергиями ядерных процессов. Открытие и применение огня явилось
поворотным пунктом в истории цивилизации, а между тем сгорание
углерода
с+о2=со2
сопровождается выделением 96 ккал/моль, что в переводе на электрон-
вольты составит всего 4,17 эв на одну молекулу. Взрыв гремучего газа
приводит к образованию воды
2Н2 + 02 = 2Н20
и выделяет 68 ккал/моль, или около 3 эв на одну молекулу.
При химических реакциях ядра атомов остаются незатронутыми,
реакции происходят только между электронами внешних оболочек
(«валентными электронами»). Картина резко меняется, когда мы об-
ратимся к ядерным реакциям. При синтезе ядра гелия из протонов
освобождается 23,84 Мэв, т. е. в несколько миллионов раз больше
энергии, и все же это только небольшая доля энергии, скрытой в нед-
рах вещества. Так называемый дефект массы, уменьшение массы ве-
щества при образовании одного грамм-атома (4 г) гелия соответствует
энергии, которая выделилась бы при сжигании 5—6 вагонов лучшего
каменного угля. Общее же количество энергии, соответствующее 1 г
массы любого вещества, равно
5,6.1026 Мэв, или 2,Ы018 кал.
С ядерными реакциями человек вплотную столкнулся только тог-
да, когда Беккерель (1896) и супруги Кюри (1898) открыли явление
радиоактивности. Первыми открытыми радиоактивными веществами
были уран, радий, полоний и торий. Поражало непрерывное выделение
энергии этими веществами. Температура радиоактивных веществ все
время оставалась выше температуры окружающей среды. Вызываемые
ими явления фосфоресценции и действия в темноте на фотографичес-
кую пластинку не ослабевали со временем, независимо от срока хране-
ния. Очень скоро пришлось столкнуться и с их сильным физиологичес-
ким действием. Беккерель, положивший в жилетный карман трубочку
с радиоактивным порошком и проносивший ее там в течение несколь-
ких часов, получил весьма болезненную язву, залечить которую удалось
лишь через несколько месяцев. К счастью для человека, концентрация
радия в земной коре крайне ничтожна. В Европе в то время наиболее
известным месторождением урановых руд, из которых Кюри удалось
выделить радий, было в Иоахимстале (ныне в Чехословакии). Добы-
валась руда также и в Африке, в Конго, тогда бельгийской колонии.
Но даже в этом богатейшем месторождении радия приходилось
141

100 мг на тонну руды, так называемой урановой смоля-
ной обманки. Урановая смоляная обманка — минерал
черного цвета, под действием атмосферных агентов
принимающий великолепную зеленую, желтую и крас-
ную окраску. Кюри пришлось провести гигантскую
работу в течение трех с лишним лет, пока из несколь-
ких тонн фабричных отбросов руды удалось, наконец,
получить несколько миллиграммов хлористого радия.
Вас, быть может, интересует, а что представляют собой
чистые уран и радий? Это металлы серебристого цвета,
но изменяющие окраску на воздухе: уран — в жел-
тую, радий — в черную. Удельный вес урана 18,7 Г/см\
радия — около 6 Г/см3; уран плавится при 1132° С, ра-
дий — при 700°. Количество добытого во всем мире
радия до сих пор еще меньше одного килограмма.
Цена радия, естественно, чрезвычайно высока.
Обращение с препаратами радия требует чрез-
вычайной осторожности: толстые свинцовые экраны
должны защищать работающего. Мария Склодовская-Кюри*—первая
исследовательница ядерных превращений радия и первая жертва его
смертоносных лучей. Она умерла в 1934 г. от белокровия. «Радий,
который она извлекла подобно фениксу из пепла, привел Марию Кюри
на вершину славы. Этот же радий убил Марию Кюри». Уместно вспом-
нить слова Пьера Кюри при вручении ему и Марии Кюри Нобелевской
премии в 1903 г.: «Нетрудно предвидеть, что в преступных руках радий
может сделаться крайне опасным, и вот возникает вопрос: действи-
тельно ли полезно для человечества знать секреты природы, дейст-
вительно ли оно достаточно зрело для того, чтобы их правильно
использовать, или это знание принесет ему только вред? Пример сде-
ланного Нобелем открытия (изобретение динамита) является в этом
отношении характерным. Мощные взрывчатые вещества позволили
людям совершить замечательные деяния, и они же явились страшным
средством разрушения в руках великих преступников, толкавших
народы на путь войн... Я принадлежу к числу тех, кто верит, что
новые открытия приносят человечеству больше пользы, чем вреда...»
Естественная радиоактивность, т. е. распад и превращения таких
элементов, как уран, радий, в элементы с меньшим атомным весом, пред-
ставляет собой процесс, протекающий помимо нашей воли, ни уско-
рить, не замедлить его мы не можем. Первое искусственное расщепление
атомного ядра было осуществлено в 1919 г. Резерфордом. Схема этого
исторического опыта показана на рисунке. На
диске В нанесен тонкий слой радиоактивного
вещества, являющегося источником а-лучей..
142

Поток альфа-частиц направлялся на экран, покрытый сернистым цин-
ком. Подобно тому как это происходит в известном приборе — спин-
тарископе, каждая альфа-частица, ударяясь в экран, должна вызы-
вать вспышку (сцинтилляцию), которую можно наблюдать в микроскоп
М. Однако если камера Т наполнялась кислородом или углекислым
газом, то при некотором расстоянии диска от экрана сцинтилляции
не наблюдались, очевидно, а-частицы поглощались газом. Если же
камера наполнялась азотом, то, несмотря на то что отверстие перед
экраном было заделано серебряной пластинкой, чтобы поглотить наи-
более быстрые а-частицы, сцинтилляции можно было отчетливо видеть.
Резерфорд сделал отсюда вывод, что сцинтилляции вызывались час-
тицами высоких энергий, возникшими при столкновении а-частиц с
ядрами азота. Много раз повторенные опыты не оставили сомнения
в том, что это были протоны (ядра водорода), возникшие при бомбарди-
ровке атомов азота а-частицами.
В несколько другой установке Резерфорду удалось расщепить
бор, фтор, натрий, алюминий и фосфор. Неон, магний, кремний, сера,
хлор, аргон, калий оказались тоже расщепляющимися. Не удавалось
расщепить гелий, литий, бериллий, углерод, кислород, а также все
элементы с атомным весом, большим атомного веса калия. Но почему?
Энергия частиц, использованных Резерфордом, была 7,7 Мэв. Если
бы он применял частицы с энергией 17,5 Мэв> то ему, вероятно, удалось
бы расщепить и такие легкие элементы, как гелий, углерод и кислород.
Что касается более тяжелых элементов, то мы сейчас знаем, что с увеличе-
нием порядкового номера элемента увеличивается положительный заряд
ядра, и, следовательно, силы отталкивания положительно заряженных
альфа-частиц, которые отклоняют их от мишени. Возникла идея искус-
ственно ускорять «снаряды», применяемые для обстрела атомных ядер.
Простейшим ускорителем частиц является уже электровакуумная
трубка, в которой электроны летят в электрическом поле. Электро-
форная машина может дать напряжение в несколько десятков тысяч
вольт, индукционная катушка — сотни тысяч, электростатические
генераторы Ван де Граафа — миллионы вольт. Какова энергия катод-
ных лучей в электровакуумной трубке, напряжение между анодом и
катодом которой равно, например, 30 000 в? Вы легко
ответите на этот вопрос, если вспомните, что пред-
ставляют собой катодные лучи и каково определение
единицы энергии, электрон-вольта. Ударяя во встре-
чающиеся на пути их полета атомы, электроны могут
при соударениях с ними передать валентным элект-

ронам энергию, достаточную для того, чтобы привести их
в возбужденное состояние, а то и полностью выбить иа
атома (вызвать ионизацию).4Ударяя о твердую пластинку
антикатода, катодные лучи вызывают рентгеновские лучи
различной жесткости.
Однако для расщепления атомного ядра необходима
большая энергия, энергия в несколько миллионов элект-
рон-вольт. Для получения столь высоких энергий
применяются специальные ускорители частиц. В так
называемых линейных ускорителях ускорение частиц
вызывается высокочастотным переменным электрическим
полем. Ускоритель состоит из ряда трубок постепенно
увеличивающейся длины. Трубки по очереди соединены
то с одним, то с другим полюсом источника переменного
напряжения. Допустим, что ускорить надо положитель-
ную частицу — протон. С некоторой начальной скоростью
частица попадает в первую трубку. Поля в трубках нет,
и частица летит по инерции, сохраняя начальную ско-
рость. В промежутке между трубками существует напряже-
ние, так как обе трубки находятся под разным потенциа-
лом. Поэтому в момент прохождения заряженной частицей электричес-
кого поля в промежутке между трубками она ускоряется. Далее частица
проходит свой путь внутри второй трубки с постоянной, но теперь
увеличенной скоростью. Если длина трубки рассчитана так, что при
выходе из нее частицы прошло как раз полпериода переменного напря-
жения, приложенного к трубкам, то при переходе в следующую трубку
частица снова ускоряется. При многократном повторении процесса
удается получить частицы с энергией в несколько Мэв. Существенным
недостатком подобных линейных ускорителей является их чрезмерно
большая длина. Так, например, ускоритель электронов, строящийся
в Станфорде (США), сможет разогнать электроны до 1000 Мэву но его
длина должна быть 60 м\ Избежать этого недостатка удастся, если за-
ставить частицы двигаться не по прямой линии, а по спирали. Эта идея
осуществлена в циклотроне, принцип действия которого является ос-
новным принципом устройства современных ускорителей.
Что же может заставить заряженные частицы изменить их прямо-
линейное движение на круговое или спиральное? Вспомните опыт
Фарадея с вращением проводника с током в магнитном поле (статья
«Как создавалась картина электромагнитного поля») или опыт, кото-
рый вам, вероятно, показывали на уроке, с обвиванием гибкого про-
водника с током вокруг магнита (рис.72).Циклотрон состоит из большого
электромагнита, между полюсами которого помещена ускорительная
камера (рис.73). Камера представляет собой огромную круглую метал -
144

лическую коробку, разделенную на две части. В центре камеры
помещается источник ионов. Половинки камеры, называемые дуан-
тами за их внешнее сходство по форме с латинской буквой D (дуо—
два), присоединены к полюсам высокочастотного лампового генерато-
ра переменного напряжения. Таким образом, в зазоре между дуан-
тами создается переменное электрическое поле. Частота электричес-
кого поля подбирается так, что за время движения частицы внутри
дуанта по дуге окружности (искривление ее траектории происходит
под действием магнитного поля) направление электрического поля
меняется на противоположное. Тогда, проходя между дуан-
тами, частица каждый раз ускоряется. Процесс повторяется до тех
пор, пока частица не достигнет нужной скорости. Далее она выво-
дится на мишень. Внутри камеры большего радиуса ускорителя
мощными насосами создается высокий вакуум во избежание тормо-
жения частиц молекулами газа. В приборах этого типа удается
довести протоны, дейтроны (ядра тяжелого водорода) и альфа-час-
тицы до энергии в несколько миллионов электрон-вольт. На
рисунке показано, как смертоносный поток дейтронов вырывается
из циклотрона с энергией 20 Мэв. Но возможности ускорения
частиц в циклотроне ограничены. Эти возможности ограничены не
только размерами ускорительной камеры и магнитов. Основное
препятствие лежит в физическом явлении, которое наблюдается при
движении частиц со скоростью, близкой к скорости света.
С увеличением скорости растет масса частиц. Это приводит
к увеличению периода полного оборота частицы, и она уже
начинает попадать в зазор между дуантами не в нужные моменты
времени, как говорят, выпадает из синхронизма. Для тяжелых
частиц это явление наблюдается позже, для легких раньше. Так,
например, при напряжении электрического поля 100 000 в пре-Х"Ц
дельная величина энергии, которую циклотрон может сообщить
протонам, 21,9 Мэв, тогда как электронам только 0,51 Мэв.
Поэтому циклотрон оказался непригоден для ускорения
электронов. Ускорители электронов, получившие название
бетатронов (бета-лучи, вы помните, это поток электронов),
основаны на совсем другом принципе. В основу их
расчета положены уравнения Максвелла, согласно
которым вокруг изменяющегося магнитного поля
возникают замкнутые линии электрического поля
(см. статью «Как создавалась картина электромаг-
нитного поля»). Для получения изменяющегося
магнитного поля электромагниты бетатрона, в отли-
чие от электромагнитов циклотрона, питаются не
постоянным, а переменным током с частотой порядка
145

60—600 гц. Уже построены бетатроны, ускоряющие электроны до
100 Мэв. Максимальная энергия, до которой могут быть разогнаны
электроны в бетатроне, 500 Мэв.
Советский физик В. И. Векслер предложил в 1945 г. идею устрой-
ства ускорителей, в которых по мере роста массы ускоряемых частиц
изменяется и частота электромагнитного поля установки и, таким об-
разом, частицы не выходят из режима ускорения. На этом принципе
устроены современные усовершенствованные ускорители — синхротрон,
фазотрон и, наконец, синхрофазотрон. Не вдаваясь в теоретические и
технические детали их устройства, приведем интересные данные, отно-
сящиеся к одному из величайших в мире ускорителей, установленному в
Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Этот ускори-
тель (синхрофазотрон) занимает отдельное здание. Гигантский магнит
ускорителя, диаметр которого достигает почти 60 м, весит 36 000 т. Для
обслуживания этого электромагнита потребовалась постройка специ-
ального энергетического корпуса. Для создания и поддержания необ-
ходимого вакуума в ускорительной камере синхрофазотрона работают
56 мощных вакуумных насосов. Ускоряемые частицы, сделав в камере
4,5 миллиона оборотов за 3,3 сек, пробежав путь, в два раза превышаю-
щий расстояние от Земли до Луны, приобретают скорость, почти равную
скорости света. Энергия протонов, ускоряемых в синхрофазотроне,
достигает 10 млрд. эв. Во время работы ускорителя персонал не может
находиться в помещении ускорителя. Управление, регулировка и
контроль за работой установки осуществляется из другого зала.
10 000 Мэв\ Много это или мало? Для ответа не забудьте, что энер-
гия эта указана для одной летящей частицы. В вырывающемся же из
ускорителя потоке летит огромное число частиц. Представьте себе
тяжелый артиллерийский снаряд, вылетающий из орудия со скоростью
1000 м/сек. Энергия снаряда —несколько миллиардов килограммометров,
и разрушительная сила огромна. Но если вы сделаете расчет на отдель-
ный атом снаряда, то получите всего несколько тысяч эргов. Частица,
ускоренная до 10 млрд. эв, мы подсчитали, обладает энергией 1,6- 10~2эргу
но в микромире атомов ее разрушительный эффект можно сравнить с
действием снаряда мощнейшей артиллерии.

РЕСТУПЛЕНИЕ В ХИРОСИМЕ
В 8 часов утра 6 августа 1945 г. радарные установки
в японском портовом городе Хиросиме обнаружили
три приближавшихся к японским берегам самолета.
В этом не было ничего необыкновенного, так как обескровленная воен-
ными неудачами японская авиация проявляла мало активности и аме-
риканские самолеты почти беспрепятственно совершали разведыва-
тельные полеты над островами. Война проиграна, это было очевидно
каждому, Германия капитулировала еще в мае, квантунская армия
разгромлена советскими войсками на полях Маньчжурии и Китая,вопрос
о капитуляции Японии был вопросом ближайших дней. Появление аме-
риканского бомбардировщика Б-29 поэтому не вызвало большого бес-
покойства у населения города. Трудовой день начинался в обычном
порядке.
В 8 часов 14 минут Клод Изерли, летчик супербомбардировщика
Б-29, нажал кнопку, и атомная бомба полетела на Хиросиму. Взрыв
произошел в воздухе на высоте примерно 500 м от поверхности земли.
Сначала появился светящийся шар, расширившийся до диаметра 800 м.
Через несколько секунд он взорвался и превратился в море огня, из
которого поднялся белый столб дыма. Этот столб продолжал расти и,
наконец, принял форму чудовищного гриба высотой 15—18 тыс. м.
Через несколько секунд после взрыва в Хиросиме возник огненный
шторм. Ветер дул со скоростью 64 км/ч, деревянные
строения горели в районе радиусом 3 км, телефонные
столбы оказались срезанными на уровне земли. В районе
радиусом 800 м были разрушены все здания независимо
от типа построек, а в радиусе от 1,6 до 2,6 км поврежде-
ния были настолько значительны, что ремонт оказывался
невозможным. По оценке японских властей из 75 тысяч
домов, имевшихся в Хиросиме, полностью было разрушено
50 тысяч, а частично — 18 тысяч. Падающие здания и
летящие обломки несли смерть и увечья тем, кто не
погиб в море огня. «Мгновенные ожоги» (ожоги, вызван-
ные световым излучением) сопровождались временной
слепотой, делали кожу лица неузнаваемой («маска Хи-
росимы») и сопровождались даже обугливанием поверх-
ности кожи.
147

Ко времени нападения в Хиросиме насчитывалось около 300 ты-
сяч жителей. По сведениям официальных учреждений Японии и США»
в день взрыва погибло свыше 60 тысяч человек, ранено около 100 ты-
сяч и тысячи пропали без вести. Военная цензура всеми способами
препятствовала распространению истинных сведений о последствиях
атомного взрыва. Мир лишь постепенно, с запозданием в несколько
лет, узнавал страшные подробности этого бесцельного и бесчеловеч-
ного акта. Вследствие паники и хаоса, царивших после взрыва, лишь
немногие пострадавшие были отправлены в дальние больницы. Трам-
ваи сжигали целиком, не освобождая от трупов. Мусор и нечистоты
не убирались в течение трех месяцев. У выживших людей наблюдались
глубокие изменения в организме, и еще в настоящее время, через 19
лет после катастрофы, наблюдаются смертельные последствия прони-
кающей радиации. Трудно описать отчаяние и горе матерей, когда
вместо нормальных детей у них рождаются дефективные уроды, монстры
(чудовища) без рук, без ног, не имеющие человеческого подобия. Атом-
ные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки,— преступление,
перед которым меркнут злодеяния величайших извергов прошлого.
Летчик, сбросивший бомбу, был награжден медалью и получил чин
майора. Когда он вернулся в родной Техас, его встретили как нацио-
нального героя фанфарами, знаменами и цветами. Однако «герой» повел
себя странно. Он отказался служить в авиации, отказался играть в
фильме, в котором он должен был изображать самого себя, отказался
работать вообще. Часто по ночам он начинал метаться во сне и кричать
нечеловеческим голосом: «Бросайте, бросайте же!» Потом: «Нет! Не
сейчас! Подумайте о детях! Дети горят!..» Начиная с 1955 года Клод
Изерли стал гангстером, он совершил несколько краж и ограблений с
единственной целью: «Я хочу, чтобы меня наказали»,— говорил он
судьям. Наконец, его поместили в психиатрическую больницу.
В городе Хиросиме воздвигнут памятник жертвам катастрофы.
На нем надпись: «Спите спокойно, мы сделаем все для того, чтобы это
больше не повторилось».
Через три дня после Хиросимы была сброшена
плутониевая бомба на Нагасаки с аналогичными
результатами. После окончания войны был прове-
ден ряд испытательных взрывов у островов Бикини в
воздухе и под водой.
За урановой и плутониевой бомбами после-
довало изобретение водородной бомбы, превышаю-
щей действие урановой бомбы больше чем в мил-
лион раз. Бомба, сброшенная на Хиросиму, по
хвастливому заявлению тогдашнего президента США
Трумэна, была равносильна 20 000 т тринитрото-
148

луола (взрывчатки). Что сказать о бомбах, эквивалентных 50 и
100 млн. т взрывчатки? Советское правительство последовательно
борется за всеобщее и полное разоружение и в первую очередь за
запрещение проведения испытательных ядерных взрывов.
Откуда берется чудовищное количество энергии атомных бомб?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к физике атомной
бомбы. В настоящее время известно два вида атомных бомб — урановые
и водородные. Действие их основано на двух совершенно противопо-
ложных принципах: деления и синтеза атомного ядра.
Вспомним, что представляет собой ядро атома. В настоящее время
считается, что ядра атомов построены из относительно тяжелых частиц —
положительно заряженных протонов и не имеющих никакого заряда
нейтронов. Масса протона 1,0076 единицы атомного веса, нейтрона —
1,00892. Общее название этих двух видов элементарных частиц —
нуклоны (от латинского nucleus — ядро). Число нуклонов в ядре назы-
вается массовым числом. Например, для гелия 2Не4 М = 4. Если вы-
разить в граммах массу нуклона, то мы получим 1,67-10~24 г. Объедине-
ние протонов и нейтронов общим названием «нуклон» имеет, кроме
того, объяснение и во взаимной превращаемости этих частиц: протон
может при некоторых условиях превращаться в нейтрон, и обратно,
нейтрон может превращаться в протон, как будто оба эти вида элемен-
тарных частиц являются двумя состояниями одного и того же нуклона.
Электронов в атомном ядре не содержится. Как же объяснить появ-
ление их при радиоактивном распаде? Ведь р-лучи радия представляю?
собой поток электронов. Откуда же берутся тогда эти электроны? Ос-
тается допустить, что они рождаются в момент распада ядра, подобно
тому как рождаются и уфотоны.
Обычным вопросом у людей, знакомящихся со строением ядра,
бывает вопрос: как возможно совместное и притом тесное сосущество-
вание в ядре протонов, частиц заряженных одноименным положитель-
ным электричеством? Почему они не разлетаются, как, например, оттал-
кивается положительно заряженный шарик от положительно заряжен-
ной стеклянной палочки? Силы, удерживающие нуклоны в ядре, на-
зываются ядерными силами. Имеется несколько попыток объяснить
далеко еще и сейчас не ясную природу ядерных сил. Советские физики
И. Е. Тамм и Д. Д. Иваненко, а также немецкий физик Гейзенберг
разрг лгали теорию так называемых обменных сил. Эта теория пред-
полагает, что между протонами (р) и нейтронами (п) в ядре происходит
ряд последовательных взаимных превращений с образованием при
этом новых элементарных частиц — электронов (ё) и нейтрино (v):
n—^e + v + P
Р+'ё+v-^n
10 М. И Блудов
149

Как в стремительной игре в теннис, летают электроны и нейтрино
между двумя нуклонами поочередно от протона к нейтрону и обратно.
Законы волновой механики приводят к заключению, что в таком слу-
чае должны возникать силы взаимного притяжения между нуклонами.
Напомним читателю о теории ковалентной связи при обмене электро-
нами в молекулах, о которой мы говорили раньше.
Согласно теории японского физика Юкава, связь между протонами
и нейтронами обеспечивается обменом между ними новыми частицами —
мезонами (я-мезонами). Рисунок поясняет эту теорию. Проблема, впро-
чем, оставляет еще много места для дальнейших исследований.
Большой интерес для понимания ядерных реакций представляет
также ядерная модель, получившая название «капельной модели».Теория
предложена и разработана американским физиком Гамовым, советским
физиком Френкелем и датским физиком Бором.Согласно этой теории ядро
атома следует рассматривать как некую жидкую каплю, обладающую
поверхностным натяжением. Расщепление ядра путем выбрасывания
какой-нибудь частицы аналогично испарению молеку^ жидкости. Но
как для испарения молекул необходимо сообщить жидкости энергию,
например, нагреванием, так и выброс нуклона из ядра требует сообще-
ния ему энергии извне. На рисунке 74 показана механическая модель,
предложенная Бором, для пояснения этого. Величина внесенной энер-
гии должна быть достаточна, чтобы какой-нибудь из шариков, находя-
щихся в углублении, мог преодолеть «потенциальный барьер» и выско-
чить из лунки.
Если в качестве снарядов для расщепления ядра применяют поло-
жительно заряженные частицы, то приходится учитывать и отталкива-
тельные силы, действующие на снаряд со стороны протонов ядра.
В каждой точке электрического поля ядра имеется соответствующий
электрический потенциал, который возрастает с приближением к ядру
по закону обратной пропорциональности. Получается картина, анало-
гичная подъему шарика в гору, поверхность которой имеет форму ги-
перболоида (гипербола графически выражает закон обратной пропор-
циональности). Только шарикам, обладающим достаточной энергией,
удается взобраться и провалиться в «потенциальную яму», как в кратер
вулкана. Не обладающий достаточной энергией шарик не достигает
вершины и сворачивает с дороги или скатывается назад. Подобные ис-
кривленные следы положительных «снарядов» удается сфотографиро-
вать в известной камере Вильсона.
Рассмотрим подробнее случай расщепления ядра азота в опытах
Резерфорда. Когда обладающий достаточной энергией «снаряд» по-
падает в ядро азота, он вызывает там возмущение и возникшее «состав-
ное ядро» оказывается в неустойчивом состоянии. Выбрасывая затем
150

(«испаряя») протон, оно переходит в стабильное состояние
Обычно промежуточную стадию составного ядра опускают и записывают
реакцию так:
2H4 + 7N14->8017 + 1H1.
При ядерных реакциях могут быть выброшены не только протоны,
но и нейтроны. Тот или другой процесс приводит к превращению ве-
щества, причем исходный элемент превращается в один из ближайших
с ним в периодической таблице элементов.
Испускание или поглощение нейтронов у большинства элементов
не изменяет их химической природы. Элемент-продукт обладает преж-
ним числом валентных электронов, равным числу протонов, а от этого
и зависит химическая природа вещества. Изменяются в этом случае лишь
число нейтронов и массовое число, а так как заряд ядра определяется
числом протонов, то порядковый номер элемента остается прежним.
Элементы, имеющие одинаковый порядковый номер, занимают в пе-
риодической системе одно и то же место и называются изотопами, что
в переводе с греческого на русский язык и означает «занимающие оди-
наковое место» (isos — одинаковый, topos — место). Многие изотопы
радиоактивны.
В ядрах тяжелых элементов, например урана, содержится много
протонов, взаимное отталкивание которых преодолевается сдерживаю-
щим действием ядерных сил. Попадание нейтрона в такое ядро не огра-
ничивается расщеплением ядра с выбрасыванием маленькой частицы,
а может приводить к развалу, или, как называют, делению ядра. Вос-
пользуемся опять капельной теорией ядра, чтобы лучше представить
себе этот процесс. Распадение шарообразной капли на две разные по-
ловинки связано с увеличением поверхности. Это требует затраты энер-
гии. Если в ядро урана влетит нейтрон, то он внесет с собой необходи-
мую энергию. При этом возбужденное ядро начнет пульсировать, как
некая упругая капля. В какой-то момент оно примет вытянутую форму,
затем образуется перехват, и отталкивательные силы положительно
заряженных частей разорвут ядро на примерно равные куски, которые
разлетятся в разные стороны. Кроме двух образовавшихся ядер-про-
дуктов, при делении образуются два или три новых нейтрона, которые
в свою очередь вызовут деление новых ядер. Количество нейтронов
будет расти и расти, а вместе с тем все больше и больше ядер будет
распадаться под их ударами. Это и есть знаменитая цепная реакция,
приводящая к чудовищной силы взрыву атомной бомбы. Зная дефект
массы по уравнению Эйнштейна, можно легко подсчитать количество
освобождающейся при этом энергии. Оказывается, при делении одного
1С* 151

ядра урана освобождается в среднем 200 Мэв энергии. Если перевести это
в калории,тона один атом урана получим3,83-10""20-200=7,66-10"18 кал.
Но надо помнить, что 1 грамм-атом урана содержит 6,023-10" атома.
Произведя простой расчет, вы получите, что 1 кг урана при делении
выделяет 5,1 1026 Мэв, или 20-1012 кал. Такое количество тепла дало
бы сжигание 2500 т угля. Выделяясь за очень короткий промежуток
времени, эта энергия вызывает повышение температуры продуктов
взрыва до нескольких миллионов градусов. Стальная мачта, на кото-
рой была подвешена первая испытательная бомба в Нью-Мексико,
мгновенно испарилась от этого жара. Взрыв такой бомбы эквивалентен
взрыву десятков тысяч тонн тринитротолуола. Сверхмощная ударная
волна производит не сравнимые с другими взрывами разрушения.
На месте взрыва образуются радиоактивные осадки и губительные
для всего живого излучения.
Можно ли использовать колоссальныезапасыэнергии, выделяющиеся
при делении ядер, не для разрушительных, а для мирных целей? Атомные
электростанции (первая была пущена 7 июня 1954 г. в Советском Союзе),
атомные реакторы, атомный ледокол «Ленин», атомные подводные лодки
свидетельствуют о том, что техника в настоящее время обладает сред-
ствами управления цепной реакцией. Для получения управляемой
реакции применяют искусственное замедление и поглощение нейтронов
различными замедлителями и поглотителями.
Дело в том, что используемый для ядерных реакций уран состоит
из изотопов U288 и U23S. Первый в реакции не участвует, но обладает
способностью поглощать быстрые нейтроны. Чтобы «уберечь» эти ней-
троны для бомбардировки U2SS, их замедляют. Однако слишком боль-
шое количество медленных нейтронов в реакторе может привести к
чрезмерно бурной цепной реакции — к взрыву. Поэтому их число при-
ходится ограничивать специальными поглотителями.
В качестве замедлителей особенно пригодны легкие вещества.
Действительно, из механики мы знаем, что при столкновении упругих
шаров, если шар малой массой ударяет в шар с массой гораздо большей,
то происходит просто отражение малого шара почти без потери энер-
2 гии. Напротив, если движущийся
малый шар ударит в неподвижный
шар равной ему массы, то он отдаст
этому шару всю свою энергию, а
сам остановится. Точно так же и
нейтрон при ударе с почти равным
по массе протоном потеряет макси-
мум своей энергии, передав ее
ядру атома водорода. Однако га-
зообразный водород мало пригоден
152

практически, чтобы служить замедлителем. Обычно в качестве замед-
лителя применяется тяжелая вода (соединение тяжелого водорода дей-
терия 1Н2 с кислородом) или более дешевый графит. Регулирование
работы атомного реактора осуществляется при помощи мощных погло-
тителей медленных нейтронов в виде подвижных кадмиевых стержней 2>
вдвигаемых в нужный момент в блок графитового реактора 3. Поскольку
радиоактивные излучения чрезвычайно опасны, реактор окружен тол-
стыми бетонными стенами 4, а управление производится дистанционно,
с находящегося в отдельном помещении пульта управления П.
Для охлаждения реактора применяются вода или легкоплавкие
металлы. Жидкий охладитель нагревается в реакторе до 250—300° и
затем отводится в парообразователь /с, пар которого поступает в турбины
турбогенераторов 7\ В последней инстанции мы имеем электрическую
энергию, которая и используется обычным способом.
Кратко остановимся на втором возможном процессе освобождения
энергии при синтезе ядер легких элементов в термоядерных реакциях.
Пока этот колоссальный источник энергии применяется в качестве
средства разрушения невиданной силы в виде водородной бомбы. Опи-
сание реакции синтеза гелия из водорода было дано раньше в статье
«Е = тс2», мы не будем его повторять.
Современная химия знает 104 элемента (из них 92 встречаются в
природе на Земле, а 12 получены искусственно в результате ядерных
превращений), но почему ядерные реакции наблюдаются только или
с наиболее легкими элементами — водородом, гелием, или, наоборот,
с самыми тяжелыми — ураном, торием, радием? Почему легкие элементы
выделяют энергию в реакциях синтеза, тяжелые — в реакциях деле-
ния и расщепления? Можно ли надеяться использовать внутреннюю
энергию средних элементов периодической таблицы? Нельзя ли, напри-
мер, высвободить энергию связи, таящуюся, скажем, в куске желез-
ного лома, ведь такого ядерного горючего, как уран, неизмеримо мень-
ше запасов железа?
Взгляните на диаграмму, показывающую зависимость энергии свя-
зи от массового числа элемента. Но прежде, что называется энергией
связи? Энергией связи называется энергия, соответствующая дефекту
массы при образовании ядра какого-нибудь элемента из составляющих
его нуклонов. Масса ядра атома всегда меньше суммарной массы сос-
тавляющих его протонов и нейтронов. Например, ядро гелия состоит
из двух протонов и двух нейтронов. Подсчитаем сумму их масс
(в атомных единицах массы):
протоны нейтроны сумма
2-1,0076+ 2-1,0089-4,033.
153

Масса же ядра гелия, весьма точно измеренная, равна 4,003. Поэтому
при образовании ядра гелия освобождается количество энергии со-
ответствующее дефекту массы при таком синтезе:
£ = тс2 = 0,03.1,66.10-24(3-1010)2 эрг, или 28 Мэв.
В диаграмме по вертикальной оси откладывается энергия свя-
зи в расчете на один нуклон. Для гелия эта средняя энергия равна
f = 7 Мэв.
4
По горизонтали на диаграмме отложены массовые числа. Из рас-
смотрения левой части этой диаграммы становится понятно, что ядра
атомов с большим массовым числом более устойчивы, поскольку они
с большей энергией связи. Переход к укрупненным ядрам возможен
путем синтеза. Наоборот, в правой падающей ветви кривой переход
к более устойчивым ядрам происходит в направлении влево, в сторону
меньших массовых чисел, т. е. практически в процессе деления. В сред-
ней части диаграммы размещены наиболее устойчивые элементы с мак-
симальной энергией связи, и наиболее устойчивым элементом среди из-
вестных в периодической системе является железо с массовым числом 56.
Чтобы ответить на вопрос, почему легкие элементы выделяют энер-
гию в реакциях синтеза, а тяжелые в реакциях деления, сделаем еще
два подсчета для того и другого случая.
1. Синтез гелия. Полная энергия связи ядра гелия 28 Мэв. До-
пустим, происходит синтез этого ядра из двух ядер дейтерия (тяжелого
водорода). По диаграмме ядро дейтерия, состоящее из одного протона
и одного нейтрона, имеет энергию связи 2-1,09 = 2,18 Мэв. Энергия
связи для двух ядер дейтерия равна 2-2,18 = 4,36 Мэв. Следовательно,
при синтезе гелия освобождается 28—4,36 = 23,64 Мэв.
2. Деление урана-235 (изотоп урана, примененный в бомбе, сбро-
шенной на Хиросиму).
Полная энергия связи ядра урана-235, содержащая 235 нуклонов,
равна 235-7,6 = 1786 Мэв. При делении ядро урана распадается на
два примерно равных осколка из 117 и 118 нуклонов. Энергию связи
их найдем в средней части диаграммы по соответствующим массовым
числам. Эта энергия равна 8,6 Мэв. Сумма энергий связи осколков
(полной) 118-8,6 + 117-8,6 = 2021 Мэв.
При делении, следовательно, освобождается 2021—1786 = 235 Мэв.
Может показаться, что при делении урана выделяется больше энер-
гии, чем при синтезе гелия, но ведь расчет был проведен для одного
атома того и другого элемента. Если же произвести расчет для равных
количеств урана и гелия, скажем для одного килограмма, то мы уви-
дим, что реакция синтеза гелия освобождает энергии в 10 раз больше,
чем деление урана.
154

Реакции синтеза протекают только при темпера-
турах порядка десятков и сотен миллионов градусов.
В водородной бомбе для создания такой высокой тем-
пературы служит взрыв включенной в нее урановой
бомбы. Чудовищные температуры и давления при взрыве
создают необходимые условия и для термоядерных
реакций взрыва смеси изотопов водорода — tH2 (дей-
терий) и 1Н3 (тритий). Но как создать температуры
в миллионы градусов не в бомбе, а в эксперименталь-
ных и технических установках? Это достигается про-
пусканием через разреженный газ электрического тока
в сотни тысяч ампер. Такой большой ток получается
при разряде батарей мощных конденсаторов. Во время
разряда температура газа становится очень высокой, а
газ — полностью ионизированным, т. е. атомы теряют
все свои электроны. Вещество в таком состоянии носит
название плазмы. Но какой же материал может выдер- И- в- Курчатов
жать температуру в несколько миллионов градусов?
Трудная задача стала перед учеными: как изолировать высокотемпе-
ратурную плазму от стенок камеры? В 1950 г. советские академики
А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм внесли большой вклад в разрешение этой
проблемы. Они предложили использовать для изоляции плазмы силь-
ное магнитное поле. Заряженные частицы (ядра водорода) не могут
свободно двигаться поперек магнитных силовых линий. Вследствие
ограничения, накладываемого сильным магнитным полем на движение
заряженных частиц, такое поле играет роль прослойки, удерживающей
плазму от контакта со стенками камеры.
В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова имеются экспери-
ментальные установки: одна в форме пустотелого тороида (трубы, со-
гнутой кольцом), другая прямая, цилиндрическая. Каждая установка

получила собственное имя: первая — «Альфа», вторая — «Огра». Нет
сомнения, что трудная задача управления термоядерной реакцией и
синтеза легких элементов будет успешно решена нашими учеными.
А о том, что сулит народному хозяйству успешное решение этих проб-
лем, можно видеть хотя бы по следующему отрывку из одной статьи
академика И. Е. Тамма:
«Из дейтерия, содержащегося в 1 л воды, можно получить столько
же энергии, сколько из 350 л бензина. Таким образом, с энергетической
точки зрения четыре земных океана равноценны 1440 океанам бензина.
Даже при стократном увеличении потребления энергии такого запаса
хватит человечеству на миллиарды лет».
Отметим, что в термоядерных процессах не выделяется никаких
вредных радиоактивных отходов. Это замечание не относится к водо-
родным бомбам, которые представляют собой сочетание с атомной ура-
новой бомбой. Даже испытательные взрывы этих бомб засоряют и
отравляют атмосферу радиоактивной пылью. Советское правительство
поэтому неуклонно добивается полного запрещения ядерных испыта-
ний во всех их видах. Ужасы Хиросимы не должны повториться!
ОСЛЕДНИЙ ЗВОНОК
Последний день учебных занятий в выпускном клас-
се. Сегодня будет последний звонок. Идет уже пос-
ледний урок, урок физики. Чем же закончим мы с вами наши беседы?
Я хочу закончить наш курс тем, чего нет в школьной программе,
хочу немного приоткрыть перед вами дверь в будущее нашей науки
и даже помечтать с вами о физике завтрашнего дня. Какие проблемы
можно назвать в числе важнейших проблем, выдвигаемых перед физи-
кой?
Электроника? Атомная энергия? Космические полеты? Создание
новых материалов?
Конечно, эти задачи грандиозны и увлекательны, решение их
сулит человечеству чрезвычайно много. Много в этих областях уже
достигнуто, особенно в Советском Союзе. Но не о них намереваюсь
я говорить сегодня. Есть проблемы, которые перекрывают и проблему
использования атомной энергии и завоевания космического пространств
156

ва. Фронт наук передвигается ныне от ядра атома к исследованию эле-
ментарных частиц и связанных с ними ядерных сил, от полетов на ра-
кетах к решению загадки тяготения, от создания искусственных мате-
риалов к разгадке тайны жизни. «Не исключено, что в ближайшие
десять—двадцать лет,— писал член-корреспондент Академии наук Д. И.
Блохинцев в одной из статей при обсуждении проекта Программы
КПСС,— что человек окажется способным создавать вещество и жизнь,
т. е. творить то, что считалось привилегией богов». Эти проблемы гран-
диозны, для решения их необходима и богатейшая материальная база,
и привлечение к науке наиболее талантливых и творчески активных
людей. «Привлечение талантливой молодежи нужно начинать уже
со средней школы. Именно там надо выискивать, поддерживать и раз-
вивать будущих ученых, инженеров и мастеров»,— пишет далее автор
той же статьи. Что же касается материальной базы, то у нас нет никакого
сомнения в том, что в соответствии с великим планом развития нашей
страны, намеченным Программой партии, наука будет полностью обес-
печена всем необходимым для решения стоящих перед ней грандиозных
задач. «Применение науки становится решающим фактором могучего
роста производительных сил. Развитие науки и внедрение ее в народное
хозяйство будет и в дальнейшем предметом особой заботы партии»,—
говорится в новой Программе КПСС.
Попробую немного уточнить содержание трех названных мною
задач. Не так давно элементарными частицами считались молекулы и
атомы, которые рассматривались как неделимые порции вещества.
Легенда об их неделимости, как известно, сейчас развеяна открытием
радиоактивности и последующими наблюдениями превращения эле-
ментов. Молекулы и атомы, оказалось, обладают сложной структурой.
Атомная и ядерная физика наших дней оперирует с частицами значи-
тельно более мелкими. И хотя этим элементарным частицам наука боль-
ше не приписывает отсутствия структуры и сейчас достоверно известны
случаи возникновения, уничтожения и превращения частиц, но всегда
они возникают, существуют и уничтожаются как нечто целое. Мы не
знаем ни одного случая, где бы можно было говорить о половине элект-
рона, четвертой части протона и т. д. За эту неделимость они и полу-
чили название «элементарных частиц». За последние 50 лет открыто
три десятка элементарных частиц. Для большинства из них известны
их «зеркальные» двойники — античастицы, обладающие или противо-
положным электрическим зарядом, или обратным магнитным моментом.
Вот некоторые из известных вам пар:
+
электрон ё позитрон е
протон р антипротон р
нейтрино v антинейтрино v
157

На уроках я рассказывал вам о частицах, занимающих по их мас-
се среднее место между электронами и нуклонами. За такое средин-
ное положение они получили название мезонов (от греческого «мезос» —
средний). Известно несколько разновидностей мезонов (легкие я-ме-
зоны, обусловливающие связь нуклонов в ядре, и тяжелые ^-мезоны).
Необычайные свойства й-мезонов так поразили физиков, что их назвали
«странными частицами». К этой группе относятся и так называемые
Л-частицы и гипероны (частицы с массой больше массы нуклона). По-
являясь всегда попарно, они быстро уходят одна от другой, и, вероятно
поэтому, их жизнь в огромное число раз превышает продолжительность
жизни, какая полагалась бы им согласно теоретическим представле-
ниям ядерной физики (10~8 сек вместо 10"*20 сек). К этой группе частиц
относятся и открытый в марте 1960 г. в Дубне анти-сигма-минус-гипе-
рон и открытый в апреле 1960 г. в Италии анти-плюс-гиперон. Все новые
и новые элементарные частицы обнаруживают физики и в космических
лучах, и в потоках, вырывающихся из современных ускорителей. Нет
сомнения, что величайшие открытия сулит эта область исследования.
Но что особенно важного в частицах, вся продолжительность
жизни которых измеряется миллиардными и миллиардными долями
секунды? Какова роль в строении материи античастиц, например по-
зитрона и антипротона? Ведь в атомах их нет.
Действительно, в нашем мире, в мире нашей Галактики античасти-
цы — случайные гости, или залетевшие из космических далей, или
рожденные в мощных ядерных установках. Стоит в нашем мире поя-
виться какому-нибудь позитрону, как он в ничтожные доли секунды
натолкнется на свою противоположность — электрон — и погибнет. Но
почему не допустить возможность существования миров, где ядра
атомов составлены из антипротонов и антинейтронов, вокруг которых
обращаются позитроны? Уже одна такая возможность расширения на-
шего познания о строении вещества оправдывает интерес физиков к
проблеме античастиц. Далее, я уже говорил однажды о том, что не-
которые из частиц, в частности я-мезоны, позволяют нам объяснить и
природу ядерных сил. Мезоны являются квантами ядерного (иногда
говорят, мезонного) поля, склеивающего, так сказать, нуклоны ядра.
Изучение частиц поможет раскрыть строение другой формы материи —
поля, а изучение природы поля и ядерных сил откроет перед техникой
такие возможности, которые не может предвидеть наша фантазия.
Фантазия и научная мечта часто живут рядом. И не только живут
рядом, но и весьма плодотворно влияют друг на друга. Идея об анти-
веществе и антимирах исходит от физиков. Она понадобилась для того,
чтобы спасти другую идею — о симметричности мира. Преобладание в
нашем мире вещества над антивеществом нарушило бы симметричность,
и для уравновешивания этого преобладания хотелось допустить воз-
158

можность существования иных миров, в которых все, так сказать, на-
выворот.
В последнее время возникает новая теория, ждущая пока еще экспе-
риментальной проверки. Эта теория тесно связана с вопросами космо-
гонии, т. е. вопросом о происхождении и развитии той части Вселенной,
в которой мы сейчас живем. Высказывается предположение, что основ-
ная часть вещества нашего мира состоит из нейтрино и антинейтрино,
из этих все пронизывающих частиц, мельчайших из всех нам извест-
ных. Сгустки материи в виде звезд, согласно этой теории, ничтожно
малы по сравнению с примерно количественно уравновешенными неис-
тово мечущимися в нашем мире нейтрино и антинейтрино. Наличие
звездных сгустков тогда может быть рассматриваемо как вполне допус-
тимое, случайное и ничтожное уклонение от равновесия, и тогда не-
обходимость поисков антимиров отпадает.
Перейдем теперь ко второй проблеме современной физики — гра-
витации (тяготению). В свое время Ньютон, установивший закон все-
мирного тяготения, отказывался высказать какие-либо предположения
(гипотезы) о природе тяготения. «Тяготение к Солнцу составляется
из тяготения к отдельным частицам его и при удалении от Солнца
убывает в точности пропорционально квадратам расстояний даже до
орбиты Сатурна *... Причину же этих свойств силы тяготения я до
сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю»,—пи-
сал Ньютон в конце третьей книги своих бессмертных «Начал».
Но в наши дни развитие науки властно требует разгадки тайн
тяготения. Специальные гравитационные конференции в Москве, Па-
риже, в США показывают огромный интерес физиков к этой проблеме.
Какова природа тяготения? Как распространяется тяготение, ведь
нельзя же допустить, что это происходит мгновенно? Существует ли
гравитационное излучение, аналогично электромагнитному излучению?
Какова энергия гравитационного излучения? Постоянна или изменяет-
ся со временем сила тяготения? Если существует гравитон-квант грави-
тационного поля, то следует ли допустить еще существование антигра-
витона и, как следствие отсюда, антигравитацию? Возможны ли и
если да, то каковы превращения гравитонов в известные нам виды
частиц (в частности, нейтрино)? Один перечень этих вопросов показы-
вает, какие захватывающие перспективы открываются здесь перед
исследователями. В Институте ядерных проблем в Дубне задуман экс-
перимент, который позволил бы обнаружить антигравитацию. Появ-
ление новой науки — нейтринной астрономии — связывает вопросы
ядерных исследований с важнейшими вопросами космологии.
* Последняя из планет солнечной системы, известная во времена Ньютона.
159

Третья проблема — это проблема всех проблем. Раскрыть тайну
жизни, управлять жизненными процессами, подчинить воле челове-
ка законы наследственности, расширить не удовлетворяющие чело-
века рамки продолжительности его жизни — что может быть важ-
нее?
Биофизику называют иногда физикой будущего, но уже и сейчас
в этой области имеются поразительные достижения — в биоэнерге-
тике (исследования переноса и превращений энергии в живых организ-
мах), в биомеханике труда и спорта, в учении о биологических явле-
ниях (электрических, оптических), в учении о физико-химических
основах строения клеток и пр. Совместная работа биологов, физиков,
химиков и математиков позволила достичь того, что издавна считалось
несбыточной мечтой. Наука вплотную подошла к созданию живого
вещества. Даже в йопулярную литературу проникли названия амино-
кислот, играющих важнейшую роль в создании белков. Открыты новые
безбелковые формы жизни. Молекулы РНК и ДРК (как сокращенно
записывают мудреные названия — рибонуклеиновой и дезоксирибону-
клеиновой кислот) дают ключ к разгадке законов наследственности.
Мало того, они обладают таким, казалось бы, специфическим для жи-
вого вещества свойством, как свойство воспроизведения себе подобных.
А проблема, если не бессмертия, то долголетия? Поскольку мы сегодня
вышли за рамки программы и даже мечтаем, я хочу зачитать вам вы-
держку из стихотворения современного поэта Сергея Острового.
Послушайте:
В день, когда ракета во Вселенной
На Луне оставила свой след,
У меня скончался друг бесценный,
Молодой... Шестидесяти лет.
Шестьдесят! А разве это много?
Середина жизни! Полувек!
Вот уже и кончилась дорога!
Мало жил на свете человек!
Шестьдесят! Да разве старость это?
Или вы бессильны, доктора?
Шестьдесят—еще пора расцвета,
Мудрости весенняя пора!
Надо людям жить сто сорок!
Надо жить на свете двести лет!
Хорошо, когда в столетних кронах
Золотая зреет благодать.
Я еще хочу на стадионах
Бегунов столетних увидать!
Шутка? Да! Но где тому порука,
Что не сдастся старости пора?
Говори по совести, наука!
Отвечайте людям, доктора!
Вы выходите в жизнь, и жизнь эта будет прекрасна, в какой бы
отрасли ни сосредоточивались ваши интересы — в технике, в науке,
в медицине, перед вами широчайшее поле деятельности и небывалые
в другой стране и в другое время возможности. Миру, в котором вы
будете жить, нельзя дать какое-нибудь одно название: атомный век,
век электроники, век синтетической химии — все эти названия были
бы слишком односторонними. Его можно назвать лишь единым все-
т

охватывающим словом — коммунизм. Позвольте закончить наши с
вами беседы обращением физика, академика А. Ф. Иоффе к молодежи:
«Желаю и горячо советую вам, мои молодые друзья, все силы своей
молодости и зрелости сосредоточить на творческом движении к ком-
мунизму. Ищите и осуществляйте новое, лучшее — оно есть в каждом
деле. Дышите своим делом. Никогда не переставайте учиться и дви-
гаться вперед; помните, что вы и ваши товарищи — один дружный
коллектив строителей счастья!» Но, кажется стучат? Кто там? Вой-
дите!
Это маленький первоклассник входит в класс и, волнуясь, по тра-
диции произносит: «Урок окончен! Директор просит вас всех пройти в
актовый зал. Там будет дан последний звонок».
161

ПРОЧТИТЕ ЭТИ НОВЫЕ КНИГИ
Литература для внеклассного чтения
Абрамов А. И., Измерение «неизмеримого», Атомиздат, 1964.
Эта книга о мире атомов и элементарных частиц, о том, как были изучены
свойства и измерены основные характеристики микрочастиц; о тонких и остроумных
экспериментах, задуманных и выполненных учеными с большой изобретательностью.
Бублейников Ф. Д., Галилео Галилей, изд. «Просвещение», 1964.
Автор рассказывает о жизни и научной деятельности великого итальянского
ученого, основоположника физики — Галилео Галилее.
Владимиров Л., Путь к абсолютному нулю, изд. «Молодая гвардия», 1963.
Рассказы о технике низких и сверхнизких температур.
Конфедератов И. Я., Основы энергетики, изд. «Просвещение», 1964.
Книга рассказывает о видах энергии и физических основах ее получения, о
перспективах развития энергетики.
Ландау Л. Д., Румер Ю. Б., Что такое теория относительности, изд.
«Советская Россия», 1963.
Соколовский Ю. И., Начала теории относительности, изд. «Просвеще-
ние», 1964.
В 1965 году издательство «Просвещение» выпустит для учащихся следующие
книги*
Бублейников Ф. Д., Физика и опыт. Исторический очерк.
В занимательной форме автор излагает историю открытия физических законов,
увлекательно рассказывает о жизни и деятельности ученых, о тех приборах, кото-
рыми они пользовались для своих исследований.
Н е с и с Е. И., Путешествие в глубь атома.
Читателя ожидает увлекательное путешествие в таинственный атомный мир, в
котором он познакомится с удивительными приборами и машинами, позволившими
человеку проникнуть в этот мир. Книга оформлена занимательными цветными
рисунками.
Ротарь А. В., Задачи для юного космонавта.
Сборник задач на космические темы.
162

ОГЛАВЛЕНИЕ
К читателям II части «Бесед по физике» 3
Короткое замыкание! 5
Как был открыт электрон 12
Дрейф электронов IS
Понятие о зонной теории электропроводности 31
Стремителен молнии бег 37
Четвертое состояние вещества (плазма) 45
Старое и новое об элементах и батареях 53
Как Ом «математически разрабатывал» свой закон 62
Десять опытов с переменным током 71
Глядя на счетчик электрической энергии 80
Как создавалась картина электромагнитного поля 85
Свет и глаз 92
Мир звуков и красок 100
Консультация по теме «Волновые свойства света» 110
Абсолютно черное Солнце 120
Действительность, превосходящая фантазию (квантовые генераторы
и усилители света) 125
Е = тс2 131
Что такое Мэв? 139
Преступление в Хиросиме 147
Последний звонок 156

Михаил Иванович Блудов
БЕСЕДЫ ПО ФИЗИКЕ
Редактор В. Г. Разумовский
Суперобложка и цветные иллюстрации художника
В. И. Добровольского
Рисунки художников: Л. В. Кондратьева и
Ю. А. Сайчука
Художественный редактор М. Л. Фрам
Технический редактор М. Д. Козловская
Корректоры Л. С Рыбакова и Л. Л. Рукосуева
Сдано в набор 24/VIII 1964 г. Подписано к
печати 11/1 1965г. 70x90i/ie- Печ.л. 10,25(11,99)
+ 0,5 (0,58) вкл. Уч.-изд. л. 10,67 + 1,01 вкл.
Тираж 70 тыс. экз. (пл. 1964 г. № 329) А00009.
Издательство .Просвещение" Государственного
комитета Совета Министров РСФСР по печати.
Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41
Первая Образцовая типография имени А. А. Жда-
нова Главполиграфпрома Государственного
комитета Совета Министров СССР по печати.
Москва, Ж-54, Валовая, 28. Заказ 1864.
Цена без переплета 43 к., переплет 10 к.