Покоренная плазма

Глава I Прежде чем говорить о плазме

Две с половиной тысячи лет назад в Древней Греции жил один замечательный ученый. Звали этого ученого Фалес. Родился он не в Греции, а в малоазиатском городе Милете, поэтому современники звали его Фалесом Милетским.

Ученый этот сделал немало открытий в самых различных науках — в арифметике, геометрии, астрономии. Это он первый доказал, что углы у основания равнобедренного треугольника равны между собой, это ему принадлежит доказательство известной теоремы о равенстве треугольников, у которых одинаковы одна сторона и два прилежащих к ней угла.

Славу выдающегося ученого Фалесу принесла, однако, не геометрия, а наука, которой тогда увлекались многие, — астрономия.

В 585 году до н. э. ученый предсказал солнечное затмение. До него никому в Греции не удавалось этого сделать. Фалес первый установил также и то, что год на Земле равен 365 дням.

Все эти открытия, которые для нас являются азбучными истинами, в те времена были большим шагом в познании природы.

Но о Фалесе Милетском я заговорил совсем по другой причине. С именем этого ученого связана легенда, которая имеет отношение к тому, что будет рассказано в этой книжке.

У Фалеса Милетского была дочь. Отец старался воспитать ее старательной и трудолюбивой, поэтому заставлял выполнять всевозможную домашнюю работу: готовить пищу, ткать, наводить в доме чистоту и порядок.

Однажды дочь пряла шерсть. В ее руке ловко кружилось веретено. Веретено было особенное. Оно было сделано не из дерева, а из особой ископаемой смолы светло-желтого цвета — янтаря.

Во время работы к веретену прилипло так много шерстинок, что девушка решила обтереть его шерстью. Но что за чудо? Чем больше терла она веретено, тем больше кусочков шерсти к нему прилипало. Некоторые наиболее легкие шерстинки даже подскакивали к веретену со стола.

О «чуде» дочь рассказала отцу. Тот проверил ее рассказ и приписал янтарю особые силы, способные притягивать шерсть. Эти силы он назвал янтарными. А так как янтарь по-гречески «электрон», то и непонятные тогда и таинственные силы стали называться электрическими.

Так, если верить легенде, было открыто электричество.

Как шло дальше познание природы электричества, известно уже любому восьмикласснику, поэтому я расскажу об этом коротко.

Об электричестве после Фалеса Милетского заговорили лишь в XVII веке, то есть более чем через два тысячелетия. Стали изучать непонятное явление и обнаружили, что такие же свойства, как у янтаря, есть и у других тел — сургуча, каучука, стекла.

Но сразу же «электрические» тела стали удивлять ученых. Пришлось разбить их на две группы, потому что одни тела вели себя как янтарь, а другие — как стекло. Значит, и электричество было двух сортов: «янтарное» и «стеклянное». Позднее заряды, возникающие у янтаря, стали называть отрицательными, а «стеклянные» — положительными.

Ничего не зная о природе электричества, ученые уверенно демонстрировали опыты, в которых наэлектризованные тела словно оживали. Янтарная и стеклянная палочки, подвешенные на нитях, притягивались друг к другу; если же рядом оказывались палочки, заряженные электричеством одного и того же «сорта», например две стеклянные, они взаимно отталкивались.

— Чудеса, — говорили зрители, наблюдавшие за опытами.

Ученые только пожимали плечами. Они знали так мало, что сами были не прочь назвать электричество чудом.

Но никакого чуда не было. Просто тогда наука только начинала выходить из пеленок и еще была не в состоянии объяснить вещи, которые сейчас понятны каждому школьнику.

Давайте ответим на такие два вопроса: как должен был Фалес Милетский объяснить дочери странное поведение янтарного веретена, знай он современную теорию строения вещества? И второй вопрос: что должны были в этом случае рассказывать ученые XVII века во время опытов с заряженными телами?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно заглянуть в глубь микромира, узнать, из чего состоят окружающие нас тела.

Уже в Древней Греции, правда после смерти Фалеса, ученые говорили, что материя, все тела состоят из атомов — мельчайших, абсолютно плотных, неизменяющихся частиц. Друг от друга атомы отличаются только формой. Они — неделимы. Об этой особенности атома говорит само название. Атом по-гречески значит «неделимый».

Сейчас от старых представлений об атоме осталось только название. Наука доказала, что атом — сложное физическое тело, он состоит из различных частиц, каждая из которых обладает своим «характером». В центре атома находится ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. Вокруг ядра вращаются электроны, которые образуют так называемую электронную оболочку атома.

Предположим, мы создали прибор, посмотрев в который, можно было бы увидеть атом вместе с ядром. Чтобы ядро стало видимым, заняв пространство, скажем, в одну десятую миллиметра, прибор наш должен увеличивать в добрый десяток миллиардов раз. Так малó ядро!

Где же в этом случае окажутся электроны? Они будут отстоять от этого увеличенного ядра метров на десять, не меньше. Так велик атом по сравнению с ядром!

Выходит, древние греки ошибались, утверждая, что атом состоит из абсолютно плотной, неделимой массы.

Почему же электроны не улетают, если они так «далеко» отстоят от центра?

Между ядром и электронами существуют силы притяжения. Ядро несет в себе положительный заряд, электроны — отрицательный, а, как известно, разноименные заряды притягиваются. Не «падают» электроны на ядро потому, что они вращаются вокруг ядра. Ведь и Земля не падает на Солнце, хотя испытывает колоссальное притяжение.

Атомы различных элементов не похожи друг на друга. И ядра у них имеют разный заряд и вес, и число электронов у них неодинаково.

Разобраться в этом вопросе будет легко, если посмотреть на Периодическую систему элементов Менделеева. Великий русский ученый составил ее в 1869 году. Все известные тогда элементы он расположил по строгому, научно обоснованному порядку.

На первом месте в этой таблице стоит водород. У него самый легкий атом. Затем идут гелий, литий и другие элементы по мере возрастания их атомных весов.

Современная наука считает: каков порядковый номер того или иного элемента в системе Менделеева, столько и электронов «кружится» вокруг ядра. Значит, у водорода есть всего один электрон, у гелия — два, у лития — три, у неона — десять. Соответственно этому число положительных зарядов ядра неодинаково. Оно точно равно числу электронов.

У электронов, которые непрерывно совершают свой бег вокруг ядер, тоже существует строгий порядок. Как планеты солнечной системы имеют каждая свою орбиту, так и электроны распределены по своим орбитам вращения. Ученые установили, что на ближайшей к ядру орбите может быть не более двух электронов. Остальные, если они есть у атома, располагаются на других орбитах, более удаленных от ядра. На этих орбитах тоже может быть вполне определенное число электронов на каждой.

Я подробно рассказываю о сложном «атомном хозяйстве» потому, что без этого трудно понять, как возникает плазма и почему она (и не только она) излучает свет.

Пожалуй, теперь вы сами можете разгадать тайну электризации янтарного веретена, натертого шерстью.

В самом деле, почему янтарное веретено оказалось заряженным отрицательным электричеством? Очевидно, потому, что у него оказался избыток электронов.

Натирая шерстью янтарь, мы «отбираем» электроны у атомов шерсти и переносим их на поверхность янтаря.

Со стеклом получается иное: натирая его кожей, мы «сдираем» с поверхности стекла электроны. Недостаток электронов в стеклянной палочке тоже сказывается: в ней остается больше положительно заряженных ядер атомов и ведет себя палочка тоже как заряженное тело, но заряженное другим «сортом» электричества.

Из этого разговора можно сделать два важных вывода, которые нам пригодятся, когда мы заглянем внутрь плазмы.

Во-первых, электроны не так уж «навечно» привязаны к своим атомам. При известных условиях их можно отделить.

Во-вторых, если мы у тела или отдельного атома отнимем один или несколько электронов, то «остаток» оказывается заряженным положительно; добавка же электронов сверх положенного делает тело заряженным отрицательно.

Итак, секрет электризации тел нами раскрыт, механизм появления зарядов ясен.

Теперь нужно объяснить, почему заряженные тела влияют друг на друга, почему они взаимодействуют. Какие нити связывают ядро и электроны атома или янтарное веретено и кусочки шерсти, лежащие на столе? Почему наэлектризованные стеклянная и янтарная палочки, оказавшись по соседству, стремятся друг к другу, а две стеклянные палочки стараются разойтись, оттолкнуться?

Ответить на эти вопросы можно только тогда, когда уяснишь себе, что такое электрическое поле.

В школе на уроке физики вам, наверное, демонстрировали такой опыт: брали обыкновенный магнит, клали на него лист плотной бумаги или картона и посыпали его железными опилками. Потом, когда встряхивали лист, опилки, как по волшебству, образовывали красивый узор.

Учитель объяснял вам, что причина этого явления состоит в том, что вокруг магнита существуют магнитные силы, или магнитное поле. Благодаря этому кусочки железа намагнитились и заняли места вдоль магнитных силовых линий.

В природе существует не только магнитное, но и электрическое поле. Оно — непременный спутник любого электрического заряда. Собственно, мы узнаём о существовании заряда по электрическим силам, которые обнаруживаются вокруг него, по электрическому полю, которое возникает одновременно с возникновением заряда.

Электрические силы влияют на любой заряд, который попал в пространство, где существует поле. Предположим, мы наэлектризовали стеклянную палочку. Вдруг около нее оказывается пылинка, на которой «осели» электроны, зарядившие эту пылинку отрицательным электричеством. Ее неудержимо потянет к стеклянной палочке. Сделают это силы поля.

Если бы палочка была не стеклянной, а янтарной, то есть несла бы не положительный, а отрицательный заряд, то силы поля погнали бы пылинку прочь от палочки. Конечно, и пылинка отталкивает палочку, но она почти невесома, а палочка массивна и сдвинуть с места такую тяжесть не так просто.

Это легко понять из такого сравнения: вы подплыли к барже, потом уперлись в ее борт ногами и оттолкнулись. Барже хоть бы что, она осталась на месте, а вы оказались в нескольких метрах от нее.

Теперь легко понять, почему к янтарному веретену в опыте Фалеса Милетского прыгали легкие шерстинки. Благодаря электрическому полю на ближайших к веретену шерстинках скопились положительные заряды. Их потянуло к отрицательно заряженному веретену. Электрические силы преодолели силы тяжести, и шерстинки начали прыгать на веретено.

Когда заряженные тела «равноправны», например две стеклянные палочки, то электрические силы заметно отклоняют и то и другое тело. Поэтому мы и видим, как притягиваются или отталкиваются обе заряженные палочки.

Чтобы лучше разобраться в том, как взаимодействуют друг с другом заряженные тела, английский физик Фарадей предложил изображать электрические поля с помощью линий. Чем больше электрические силы, тем гуще располагаются электрические силовые линии в данном месте.

На рисунке показана картина поля между двумя разноименно заряженными телами. Электрические силовые линии наиболее густы вблизи зарядов. Выйдя из одного заряда, например, положительного, они веером расходятся в стороны и вновь сходятся в другом заряде.

Можно получить равномерное электрическое поле. Для этого нужно взять две металлические пластины, поместить их одну против другой и зарядить разноименным электричеством. Силовые линии, как видно из второго рисунка, распределяются между пластинами равномерно.

Давайте поместим мельчайший электрический заряд в пространство между пластинами. Если это будет отрицательный заряд, например, электрон, то электрические силы неудержимо увлекут его вверх, к положительно заряженной пластине. Заряд противоположного, положительного знака будет двигаться к нижней пластине.

Силовые линии показывают направление действия электрических сил. Вдоль этих линий и движутся в электрическом поле заряды.

Образно выражаясь, силовые линии — это невидимые бороздки, по которым катятся заряды. Уйти из борозды, изменить направление движения электрический заряд не может. Он во власти сил поля, он не может двигаться, куда ему вздумается.

«Массовое» упорядоченное движение электрических зарядов и образует электрический ток.

Возьмем обыкновенную батарейку от карманного фонаря. Подключим к ней лампочку. Она загорится. Почему?

Внутри батарейки идут химические превращения веществ. Благодаря им на одном зажиме создается избыток электронов, на другом — недостаток. Но электроны с отрицательного зажима не могут «перепрыгнуть» по воздуху на положительный — слишком велико сопротивление воздушной среды.

Другое дело, когда мы соединим полюса батарейки проводами. В металле много свободных электронов, не связанных с атомами. Электрические силы поля подхватят эти электроны и заставят их двигаться по проводнику. В цепи возникнет ток, который тотчас начнет совершать работу — заставит светиться нить лампочки, начнет нагревать провода и т. д.

А источник тока — батарейка — будет добросовестно выталкивать в цепь все новые и новые электроны, расходуя заключенную внутри нее химическую энергию.

Газ — изолятор, но в нем тоже может возникать ток. Как это происходит, вы узнаете позже, когда будет ясно значение слова «плазма».