Покоренный электрон

Недоумение Томаса Эдисона

Электрическую лампочку изобрел русский инженер Александр Николаевич Лодыгин. Привилегию на свое изобретение Лодыгин получил 11 июля 1874 года, и в том же году Академия наук присудила ему Ломоносовскую премию. Вскоре началось производство «русских лампочек», которые пользовались большим спросом как в России, так и за границей.

В 1877 году лейтенант флота Хотинский, отправляясь в служебную командировку в Америку, захватил с собой несколько лодыгинских лампочек. Хотинский показал эти лампочки известному американскому изобретателю Томасу Эдисону. Эдисон быстро оценил все достоинства нового способа освещения и принялся усовершенствовать русскую электрическую лампочку.

Наиболее существенное изменение, какое предприимчивый американец внес в устройство лампочки, состояло в том, что он заменил короткий и толстый угольный стерженек в лампочке Лодыгина длинным и тонким, то есть сделал лампочку с угольной нитью.

Пользуясь широкой рекламой, Эдисон беззастенчиво попытался выдать изобретение Лодыгина за свое. В Америке, где не знали о «русских лампочках», Эдисону это удалось. В Европе необоснованные претензии Эдисона встретили решительный отпор. Патентные бюро всех государств отказали Эдисону в выдаче привилегий «на изобретение», предложив ему ограничиться привилегией «на усовершенствование».

Французский электротехнический журнал, высмеивая притязания американцев, писал: «Почему бы не сказать уже, что и солнечный свет изобретен в Америке?»

А. Н. Лодыгин, продолжая совершенствовать лампочку, вскоре заменил угольную нить нитью из тугоплавкого металла вольфрама, то есть создал электрическую лампочку в ее современном виде.

Эдисон же в это время продолжал малоуспешные опыты с угольными нитями и никак не мог понять, что с ними происходит. Его лампочки выходили из строя чрезвычайно быстро и необыкновенно странным образом. Угольная нить почему-то перегорала как раз в том месте, где она соединялась с проволокой, ведущей к положительному полюсу батареи или динамомашины. Даже на глаз было отчетливо видно, что анодный конец нити нагрет сильнее и светит ярче, чем катодный.

Значит, нить недоброкачественна, решил Эдисон, один ее конец тоньше и поэтому он перегорает быстрее. Была сделана идеально ровная нить, но и она перегорела в том же самом месте. Тогда Эдисон стал менять местами проводники, ведущие к лампочке от динамомашины. Он присоединял к положительному проводнику то один конец нити лампочки, то другой, и во всех случаях раскалялся и сильнее светил именно тот конец, который вел к положительному полюсу.

Причина гибели лампочек заключалась не в качестве нити, а именно в разнице между плюсом и минусом. После нескольких лет бесполезных исканий, Эдисон пришел к выводу, что отрицательные электрические заряды могут как бы «испаряться» или «улетучиваться» из раскаленной нити электрической лампочки. На эту же мысль наводили и опыты с катодными трубками, в которых раскаленный катод усиливал излучение.

Эдисон поместил внутри лампочки возле нити металлическую пластинку и вывел наружу проволочку, прикрепленную к этой пластинке (рис. 44).

Рис. 44. Над раскаленной нитью вьется облачко электронов. Прибор показывает присутствие тока между нитью и пластинкой.

Между проводником, подводящим в лампочку ток, и проволочкой, припаянной к металлической пластинке, Эдисон включил чувствительный гальванометр. Когда лампочку зажгли — гальванометр отметил присутствие тока. Это доказывало, что электрические заряды действительно «улетучиваются» или «испаряются» с раскаленной нити и перелетают на металлическую пластинку. По цепи, состоящей из накаленной нити, металлической пластинки и сильно разреженного пространства между нитью и пластинкой, проходил электрический ток.

Так на опыте было доказано существование термоэлектронного эффекта или термоэлектронной эмиссии.

Однако до конца в этом явлении Эдисон не разобрался, и загадка преждевременной гибели лампочек раскрылась только 14 лет спустя, когда «электронная теория» разъяснила, что именно происходит в раскаленной нити лампочки.

Причина гибели лампочек

По раскаленной нити электрической лампочки движутся электроны. Нить тонка. Путь для электронов затруднен: пробираясь между атомами, электронам приходится преодолевать, большое сопротивление. Электроны энергично расталкивают атомы. Колебания атомов достигают большого размаха и силы, иначе говоря, температура волоска подымается.

Электроны наружных оболочек атомов, под градом непрерывных и сильных толчков, мечутся с орбиты на орбиту. При каждом прыжке «вниз» они испускают световые лучи. Все порции света, выброшенные отдельными атомами, сливаются в сплошной световой поток. Волосок лампочки ярко светится.

При высокой температуре скорость электронов очень значительна, и многие электроны вылетают из нити. Однако нить, потеряв часть электронов, заряжается положительно и притягивает электроны обратно. Часть электронов возвращается в нить, но на их место вылетают новые. Вокруг нити вьется облачко электронов.

Нить присоединена к источнику тока. Приложенная к ее концам разность потенциалов распределена вдоль всей нити, причем наиболее положительным оказывается, естественно, конец, соединенный с плюсом источника тока. Это место сильнее всего притягивает электроны, и значительная часть электронов возвращается в нить именно здесь. Положительный конец нити подвергается сильной электронной бомбардировке. Сталкиваясь с атомами материала нити, эти электроны отдают им свою энергию и увеличивают размах колебания атомов, то есть еще более повышают температуру.

Положительный конец нити перекаливается, материал нити в этом месте начинает испаряться, нить «перегорает».

С переводом освещения на переменный ток этот недостаток устранился. Переменный ток одинаково разогревает оба конца нити, так как ее каждый конец поочередно бывает и плюсом и минусом. Лампочки, питаемые переменным током, служат дольше.

Открытие новых лучей-невидимок

В конце 1895 года физик Конрад Рентген заинтересовался явлениями, происходящими в катодной трубке. Ученому хотелось проверить сообщение его современника Ленара о том, что катодные лучи могут выходить из трубки наружу и вызвать свечение сернистого цинка, уранового стекла или платиново-синеродистого бария, находящихся вне трубки. Все эти вещества обладают способностью светиться, когда на них падают невидимые ультрафиолетовые лучи.

Для своих опытов Ленар в 1894 году применял катодную трубку особого устройства. В том месте, где катодные лучи (электронный поток) ударяются в стенку трубки, Ленар сделал окошко и закрыл его тонкой алюминиевой фольгой. Алюминиевая фольга достаточно прочна, чтобы при малом отверстии выдержать давление наружного воздуха, и в то же время в значительной степени прозрачна для катодных лучей. Они проникают сквозь алюминий, и их действие можно наблюдать в свободных условиях — на «открытом воздухе».

Делая различные опыты, Ленар заметил, что платиново-синеродистый барий начинает светиться, если его поднести поближе к алюминиевому окошку в катодной трубке.

Рентген собирался повторить опыт Ленара без какой-либо определенной цели. Ученый приготовил экран из куска картона, покрытого платиново-синеродистым барием, и склеил для катодной трубки светонепроницаемый футляр из тонкого, но плотного черного картона.

Футляр должен был поглощать все световые и ультрафиолетовые лучи, какие только могут исходить из катодной трубки и мешать наблюдениям.

Закончив все приготовления, Рентген включил ток высокого напряжения, удостоверился, что катодная трубка работает нормально, и закрыл ее картонным футляром. После этого ему оставалось погасить в лаборатории свет, затем нащупать впотьмах кусок картона, покрытый слоем платиново-синеродистого бария, поднести его к закрытому фольгой окошечку и понаблюдать — появится ли зеленое свечение экрана.

Таков был предварительный план действий. Но ход опыта изменил его. Рентген погасил свет и увидел, что ему незачем шарить рукой по скамейке, где лежал подготовленный экран. Этот экран сам бросался в глаза, — он сверкал в темноте, испуская зеленый свет.

Яркость свечения изумила ученого. Ведь экран находился по меньшей мере в двух метрах от катодной трубки.

Несомненно, это были не слабенькие катодные лучи, прорвавшиеся сквозь алюминий окошка, — те гасли в воздухе уже на расстоянии нескольких сантиметров от трубки.

И конечно, это были не ультрафиолетовые лучи — для них даже обыкновенное стекло непрозрачно, а сквозь картон они и подавно проникнуть не могут.

Тут действуют новые, неизвестные науке лучи!

Видимо, в трубке возникло какое-то мощное излучение, которое пронизывает всю комнату.

Источником их безусловно была катодная трубка под футляром. Рентген приблизил экран к катодной трубке, свечение платиново-синеродистого бария при этом усилилось, отодвинул экран — свечение ослабело.

Лучи, не знающие преград

Во время этих опытов Рентген случайно повернул экран, обратив его к трубке той стороной, которая не была покрыта платиново-синеродистым барием. К своему удивлению ученый увидел, что платиново-синеродистый барий сияет по-прежнему. Таинственное излучение свободно проникает не только сквозь стенки футляра, но и сквозь картон экрана.

Лучи не знают преград!

Ученый укрепил свой экран на штативе перед футляром с катодной трубкой и начал серию опытов. Он взял подвернувшийся под руку годовой комплект какого-то журнала в переплете и загородил им катодную трубку. Однако экран продолжал светиться. Том в тысячу страниц был для новых лучей прозрачен.

Ученый брал листочки станиоля, стеклянные линзы и призмы, куски алюминия, сургучные палочки, обрезки досок. И все эти материалы оказывались либо совсем прозрачными для новых лучей, либо отбрасывали на экран бледную тень. Хуже проходили лучи сквозь листовое Железо, медные пластинки, свинцовое стекло или доски, окрашенные свинцовыми белилами. Тяжелые металлы — золото, платина и особенно свинец — оказались почти непроницаемы для нового вида лучей.

Перепробовав все, что нашлось в лаборатории, Рентген поднес к экрану свою руку и увидел ее теневое изображение. Мышцы давали нежную, еле заметную тень, кости обозначались более резко, а золотое кольцо на пальце отбросило на экран густо-черную полоску.

Рентген понял, что он — первый в мире человек, который видит свой собственный скелет, и может наблюдать, как движутся кости его руки, когда он шевелит пальцами или сжимает их в кулак.

Рентген решил, что как только он окончит первые опыты и выяснит все особенности новых лучей, то сообщение о них опубликует не в физическом журнале, а в медицинском. Ведь новые лучи могут стать неоценимо полезными для врачей, особенно хирургов. Лучи покажут, где застряла пуля у раненого, избавят его от мучительной боли при поисках пули в ране зондом. Они выявят характер перелома и покажут, как сместились сломанные кости. Лучи позволят наблюдать деятельность внутренних органов. Благодаря новым лучам медицина сделается зрячей!

В течение зимы 1895–1896 года Рентген неутомимо исследовал новый вид лучей. Он дал им название икс-лучи, то есть лучи неизвестные, подлежащие выяснению.

В своих дальнейших исследованиях Рентген применил фотографию, так как оказалось, что икс-лучи вызывают почернение фотографической эмульсии.

Для фотографирования икс-лучами не требовалось фотоаппарата. Предмет клали на фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и подносили к катодной трубке. Снимки в икс-лучах получались не хуже обычных.

Рис. 45. Снимок хамелеона, сделанный рентгеновскими лучами.

Непрозрачное становится прозрачным

Фотографирование с помощью икс-лучей — или, как говорил Рентген, изготовление теневых картин — стало одним из любимых занятий ученого, и он достиг в нем большого искусства. На фотографиях непрозрачные предметы получались прозрачными. Рентген, например, сфотографировал в икс- лучах охотничье ружье. На снимке отчетливо видно, что левый ствол заряжен крупной дробью, а правый — пулей и что в металле ствола есть раковина (рис. 46).

Рис. 46. Рентгеновский снимок охотничьего ружья.

Главная задача, которую ученый поставил себе, — было узнать, где возникают икс-лучи, какова их природа?

Место возникновения лучей Рентген нашел без особого труда. Загораживая отдельные части катодной трубки толстой свинцовой пластинкой, он установил, что икс-лучи исходят из зеленого пятна в стекле трубки, то есть из того места, куда падает катодный луч.

Для проверки своего наблюдения Рентген взял сильный магнит и поднес его к трубке. Повинуясь магниту, катодный луч отклонился в сторону, зеленое светящееся пятно тоже переместилось, а вместе с ним передвинулся и тот участок, из которого исходили икс-лучи. Следовательно, икс-лучи возникают именно в стекле трубки, и причиной их образования служит воздействие катодных лучей на стекло.

Убедившись в этом, Рентген внес усовершенствование в катодную трубку. Внутри трубки на пути катодных лучей он поместил металлическую пластинку, которую теперь называют антикатодом. Катодные лучи, ударяясь о пластинку антикатода, вызывали появление икс-лучей. Металл оказался для этой цели более подходящим материалом, чем стекло, и катодная трубка стала более мощной. Катодную трубку, предназначенную для получения икс-лучей, назвали рентгеновской трубкой (рис. 47).

Рис. 47. Схема рентгеновской трубки — видны катод и антикатод.

Рентген установил, что проникающая способность (или как ее называют — жесткость) икс-лучей зависит от напряжения тока, подведенного к трубке; чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем «жестче» лучи. При малой разности потенциалов икс-лучи получаются «мягкие». Такие лучи применяют для просвечивания человеческого тела, дереза, картона. Более «жесткие» лучи обладают способностью проникать сквозь сталь и другие металлы.

Первую часть поставленной себе задачи Рентген решил.

Чтобы выяснить природу икс-лучей Рентген применил уже испытанный прием — он попробовал воздействовать на них сильным магнитом и электрическим полем. Но ни магнит, ни электрическое поле заметного действия на икс-лучи не оказали. Как и световые лучи, икс-лучи магнитным или электрическим полем не отклонялись.

Это доказывало, что икс-лучи, рожденные катодной трубкой, по своим свойствам резко отличаются от катодных лучей, и, следовательно, их природа — различна.

Вот и все, что узнал Рентген о своих лучах. Какова их природа, в чем причина их возникновения, как они образуются — этого ученый не объяснил.

Он и не мог этого объяснить, потому что не. признавал существования электрона, не хотел принять новой прогрессивной электронной теории. А между тем электронная теория делала успех за успехом и легко смогла объяснить и причину перекала анодной части нити лампочки, смущавшего Эдисона, и загадочную природу икс-лучей, не разгаданную Рентгеном, и целый ряд других явлений.

Рис. 48. Рентгеноснимок ноги в ботинке.

Вредное становится полезным

Термоэлектронная эмиссия, губившая лампочки Эдисона, оказалась не только вредным явлением. Она была использована учеными во многих приборах и в том числе для усовершенствования рентгеновских трубок. Вредное стало полезным.

В современной рентгеновской трубке катодом служит короткая спираль из тугоплавкой вольфрамовой проволоки. Эта спираль накаливается электрическим током напряжением в 8—12 вольт и служит источником электронов.

Электроны массами вылетают из раскаленной проволоки, но образовать вокруг нее облака не могут: к аноду рентгеновской трубки приложено высокое напряжение — не менее 50 000 вольт.

Гигантская разность потенциалов, подобно урагану, подхватывает вылетевшие электроны от катода и стремительно уносит их к аноду.

Скорость полета электронов в рентгеновской трубке достигает 200 000 километров в секунду и более, тогда как скорость винтовочной пули составляет только 800 метров в секунду. Пуля при ее сравнительно небольшой скорости, ударившись о броню, расплавляется. В момент удара энергия движения пули преобразуется в теплоту.

В момент удара электрона о поверхность анода или антикатода энергия его движения также преобразуется. Часть ее тратится на то, чтобы раскачать атомы металла анода (анод сильно нагревается, и его приходится охлаждать проточной водой), часть же энергии электронов преобразуется в энергию квантов нового мощного излучения — получаются рентгеновские лучи.

Тут происходит явление, несколько напоминающее то, что происходит в оболочке атома, когда образуются кванты видимого света. Каждый «прыжок» электрона в оболочке атома с более высокого уровня на более низкий рождает квант света. Причем энергия кванта в точности равна энергии, потерянной атомом при одном «прыжке» электрона.

В рентгеновской трубке электроны совершают гораздо большие прыжки — они перелетают с катода на анод. По дороге электроны сильно разгоняются в электрическом поле и при ударе теряют большую энергию.

Чем большую разность потенциалов проходит электрон, тем большую скорость он приобретает и тем больше энергии теряет при ударе, а следовательно, тем больше энергия излучаемых рентгеновских квантов.

В современных рентгеновских аппаратах применяется напряжение от 50 тысяч и до двух миллионов вольт. При этом возникают такие жесткие лучи, что с их помощью фотографируют внутреннее строение очень крупных металлических изделий: валов машин, стенок паровых котлов и т. д.

В приборах, созданных советскими учеными Терлецким и Векслером, удается разгонять электроны до скоростей, приближающихся к скорости света!

Ударяясь об анод, такие электроны рождаю г лучи, которые превосходят по своей проницающей способности даже гамма-лучи, образующиеся в атомах радиоактивных элементов при их распаде. Мощные советские рентгеновские аппараты превратились в приборы для получения и использования гамма-излучения.

Искусственные гамма-лучи дают возможность просвечивать слои тяжелых металлов большой толщины.

Эта победа советской науки показывает, как ученые, проникая в сущность явлений, научаются управлять ими и использовать их для практических целей.

Применение рентгеновских лучей

Первый рентгеновский аппарат в России построил в 1896 году Александр Степанович Попов для кронштадтского госпиталя.

К настоящему времени рентгеновские аппараты и приемы работы с ними достигли большого совершенства. В Советском Союзе есть несколько заводов, изготовляющих рентгеновские аппараты и фотоматериалы для них. Созданы мощные рентгеновские установки для сложных исследований и легкие переносные приборы, которые умещаются в двух небольших чемоданах.

В нашей стране, где осуществлено бесплатное медицинское обслуживание населения, рентгеновская аппаратура широко применяется в поликлиниках, больницах и санаториях. В случае надобности рентгеновские аппараты доставляют к больному на дом.

Рентгеновские лучи пригодились в медицине не только для просвечивания. Они оказались также хорошим лечебным средством и помогают врачам бороться со злокачественными опухолями и другими тяжелыми недугами.

Широкое применение нашли рентгеновские аппараты в советской промышленности. Их устанавливают в цехах, в заводских лабораториях, с их помощью проверяют качество изделий. Скрытые трещины, внутренние пороки, раковины, совершенно незаметные при наружном осмотре, не могут укрыться от проницательного взора инженера-рентгенографа.

Огромную пользу принесли рентгеновские лучи науке. Они позволили ученым проникнуть взглядом в такие тайники природы, о которых физики прошлого столетия не могли даже мечтать.

Например, издавна было известно, что алмаз, уголь и графит состоят из одного и того же химического элемента — углерода. По своему химическому составу алмаз от графита решительно ничем не отличается. Но как непохожи они друг на друга! Алмаз — самый твердый из минералов, он легко режет стекло. Графит — один из самых мягких минералов, его без труда можно растереть пальцами. Алмаз блестящ и прозрачен, графит черен и непрозрачен. Оба вещества построены из одних и тех же атомов, а разница между ними огромная.

Таких химических элементов, которые могут образовывать разные вещества, известно несколько: фосфор бывает стекловидным — желтым и красным — почти металлическим; сурьма иногда имеет вид твердого серебристо-белого металла, а иногда — желтой хрупкой массы.

До последних лет никто не мог сказать, почему так резко отличается алмаз от графита или желтый фосфор от красного.

Причину такого различия удалось разгадать с помощью рентгеновских лучей, — ими начали исследовать строение кристаллов.

Разведка в мире атомов

Вдумчивых людей давно интересовала причина удивительного постоянства формы кристаллов. Поваренная соль всегда кристаллизуется в виде кубиков. Горный хрусталь имеет форму шестигранных столбиков, сера — иголочек, а снежинки — шестиугольных пластинок, которые, сцепляясь между собой, образуют красивые шестилучевые звездочки.

Геометрически правильная форма кристаллов наводила на мысль, что атомы и молекулы вещества располагаются в кристаллах в строгом порядке. Кристаллы — это своеобразные архитектурные сооружения, в которых каждый атом занимает свое место (рис. 49).

Рис. 49. Расположение атомов в кристалле поваренной соли.

Рентгеновские лучи позволили проверить и подтвердить эту догадку.

На кристалл сернистого цинка направили узкий пучок рентгеновских лучей, а позади кристалла на некотором расстоянии поставили фотографическую пластинку (рис. 50).

Рис. 50. Схема прибора для просвечивания кристаллов.

Если бы вещество в кристаллах было не ажурным, а сплошным, то и тень кристаллов получилась бы сплошной, равномерно серой. Однако изображение кристалла на рентгеноснимке получилось не однообразным.

В центре изображения темнело круглое пятно с расплывчатыми краями. Оно было образовано теми лучами, которые прошли сквозь кристалл прямо, не меняя своего направления. Вокруг центрального пятна виднелись весьма сложные узоры, составленные из маленьких черных точек. Эти точки располагались дугами, которые причудливо перекрещивались и переплетались между собой.

Глядя на какое-нибудь здание, нельзя представить себе, как расположены внутри него перегородки, комнаты, проходы, коридоры. Точно также, глядя снаружи на кристалл, нельзя догадаться, как он «распланирован» внутри.

Для рентгеновских лучей кристаллы прозрачны. Пронизывая кристалл, рентгеновский луч встречает на своем пути слои и ряды атомов, образующих как бы внутренние перегородки. Отражаясь от этих перегородок, луч изменяет свой путь, отклоняется в сторону и, покидая кристалл, он запечатлевает на пластинке все особенности внутреннего строения кристалла.

Правильное симметричное расположение пятнышек и точек на снимке доказывало, что атомы в кристалле размещены не в беспорядке, они образуют, как говорят физики, пространственную решетку. Расстояние между атомами и их расположение в кристалле подчинены определенным и строгим законами, обусловленным природными особенностями атомов, образующих кристалл, и их связью между собой.

Рентгенограмма кристалла — это донесение разведчика, побывавшего в мире атомов.

В 1913 году, по узорам, обозначавшимся на фотопластинке, московский профессор Ю. В. Вульф расшифровал особенности внутреннего строения некоторых кристаллов, установил расположение атомов в частицах вещества и научился по рентгеноснимку определять, какие именно атомы входят в состав того или иного химического соединения или сплава.

Удивительная разница между алмазом и графитом получила простое объяснение. Эти два вещества имеют различное строение. В алмазе атомы углерода размещены тесней, чем в графите, расположены они по углам трехгранных пирамид и крепко спаяны друг с другом. В графите атомы размещены просторнее и расположены слоями (рис. 51).

Рис. 51. Расположение атомов углерода в алмазе (слева) и в графите (справа).

Итак, электрон, покоренный человеком, стал нести службу в рентгеновских трубках. Ударяясь со всего разгона об анод, теряя скорость, он излучает рентгеновский квант, обладающий большой энергией.

Рентгеновские лучи помогают борьбе за здоровье и жизнь человека.

Они сделали наши глаза настолько зоркими, что позволили человеку проникнуть взглядом в мир атомов, помогли разгадать строение вещества.

Невидимое стало видимым, непрозрачное — прозрачным.

Это был лишь первый шаг новой отрасли электротехники — электроники.