 |
Ток, теплота и свет. Способы освобождения электронов
|
|
|
|
Ток, теплота и свет
Однако движение электронов в проводнике нельзя представить себе, как четкий размеренный марш колонны солдат. Свободные электроны металла по‑ прежнему сохраняют суетливость мошкары, роящейся в вечерней прохладе летнего дня. Они перескакивают от атома к атому, прыгают вправо и влево, вверх и вниз, вперед и назад.
Разность потенциалов только отчасти упорядочивает движение электронов, она хотя и понемногу, но постоянно и непрерывно отклоняет, «гонит» суетливый рой электронов в проводнике в ту сторону, в какую направлены силы поля, то есть вдоль проводника.
Толчки, которые электроны щедро раздают атомам, не остаются без последствий. Атомы металла начинают сильней раскачиваться, их колебательные движения становятся более размашистыми, увеличивается тепловое движение частиц, иначе говоря, металл, из которого сделан провод, начинает нагреваться.
Так движение электронов в проводнике – электрическая энергия – преобразуется в колебательное движение атомов – в тепловую энергию.
Но при движении потока электронов по проводнику не только может выделяться тепло.
Пока нагрев не очень велик, оболочки атомов как бы пружинят, и атомы, столкнувшись, отскакивают друг от друга, подобно мячикам. Чем температура выше, тем соударения становятся более резкими, более энергичными.
Некоторые электроны из внешних слоев не выдерживают слишком сильных толчков, они вылетают из своих орбит и попадают на другие орбиты, более удаленные от ядра.
Когда электрон поднялся на более высокий уровень, атом, поглотивший энергию удара, приходит в возбужденное состояние. Но такое состояние длится недолго. Электрон снова соскакивает на свой обычный уровень, а атом лишается избытка энергии.
|
|
|
Избыточная энергия атома не исчезает. Возвращаясь в нормальное состояние, атом излучает небольшую порцию света, которая называется световым квантом. Энергия кванта в точности равна тому избытку энергии, которого лишился атом.
Каждый «прыжок» электрона «вниз», к ядру атома, сопровождается излучением кванта.
Кванты, выбрасываемые возбужденными атомами, различаются друг от друга своими энергиями.
Наш глаз способен улавливать это различие. Кванты малой энергии дают ощущение красного света. Несколько большей энергией обладают кванты оранжевого света. Еще больше энергия квантов желтого, зеленого, голубого, синего и, наконец, фиолетового света. Смесь этих квантов в определенной пропорции дает ощущение белого света (рис. 42).
Рис. 42. Схема уровней энергии водородного атома. При переходе электрона с какого‑ нибудь уровня на другой, более низкий уровень, атом испускает квант, соответствующий излучению определенного цвета.
Пока тело нагрето слабо, оно не светится: сила толчков недостаточна для возбуждения атомов, и тело не излучает даже квантов красного света. При повышении температуры атомы прежде всего начнут испускать кванты красного света, и мы тогда говорим: тело нагрелось до красного каления.
Дальнейшее повышение температуры влечет за собой излучение квантов большей энергии. Цвет раскаленного предмета меняется. Он начинает светиться желтовато‑ золотистыми лучами, так называемое соломенно‑ желтое каление, а при температуре около 6000° свечение тела становится почти белым. При таком нагреве тело испускает примерно такие же световые кванты, что и Солнце. Температура солнечной поверхности – 6000°.
Так движения электронов в оболочках атомов, их «прыжки» с высоких уровней на более близкие к ядру атома, – порождают свет.
|
|
|
Способы освобождения электронов
Само собой разумеется, что толчки, испытываемые атомами при сильном нагреве, могут вызвать не только прыжки электронов с уровня на уровень. Достаточно энергичный толчок может выбросить электрон на такое расстояние, что притяжение ядра атома уже будет не в силах возвратить его обратно.
Электрон, выбитый из оболочки атома, перестает быть его «пленником». Электрон начинает самостоятельно странствовать. Это странствование продолжается до тех пор, пока он не попадет «в плен» к какому‑ либо другому атому.
Нагревание заставляет некоторые электроны вылетать за пределы раскаленного вещества.
Еще в 1733 году ученые заметили, что воздух вблизи раскаленного металла становится проводником электричества. С этим явлением ученые сталкивались постоянно, но объяснения ему не находили. Слишком мало тогда знала наука об электричестве.
То же самое приходилось наблюдать во время опытов с катодными трубками. Раскаленный катод выбрасывает значительно больше электронов, чем холодный.
Все эти наблюдения доказывают, что нагревание заставляет электроны двигаться быстрее, а большая скорость и, следовательно, большая энергия помогает им вылетать за пределы металла. Раскаленный металл всегда окружен легким, невидимым облачком электронов.
Бегство электронов из нагретого тела получило название термоэлектронного эффекта, или термоэлектронной эмиссии. Слово эмиссия означает – выход, выпуск.
Электроны освобождаются из оболочек атомов не только при воздействии высокой температуры. Опытами Столетова доказано, что и свет освобождает электроны.
В приборе Столетова ультрафиолетовые лучи, обрушиваясь на цинковый кружок, выбивали электроны за пределы металла. Совершив воздушный полет, они «приземлялись» на сетчатом электроде.
Это действие света на электроны получило название фотоэлектронной эмиссии или фотоэлектронного эффекта. Но эти термины употребляются сравнительно редко. Физик Казанского университета профессор В. А. Ульянин, который исследовал фотоэлектронную эмиссию одновременно со Столетовым, предложил другое, более короткое и простое название – фотоэффект; оно и получило общее признание.
|
|
|
Прибор Столетова, усовершенствованный другими физиками (рис. 43), называется теперь фотоэлементом.
Рис. 43. Схема фотоэлемента. Свет, падая на поверхность фотокатода, выбивает из нее электроны, и в цепи прибора возникает ток.
Таким образом люди научились освобождать электроны из невидимой крепости атома. Тем самым был совершен переворот, положивший начало новой эре в истории науки и техники.
Было установлено, что электроны могут двигаться не только по проводам (там они движутся очень медленно).
В предельно разреженных газах (в высоком вакууме) электроны при определенных условиях развивают скорости, немногим отличающиеся от скорости света.
Именно здесь они могут полностью проявить свои замечательные свойства.
Управление движением электронов по проводам дало человечеству телеграф, телефон, электрические двигатели, электрическое освещение (лампами накаливания).
Уменье использовать для практических целей различных областей техники движения электронов в разреженных газах составило новую эпоху в развитии электротехники. Эту молодую отрасль электротехники назвали электронной техникой или электроникой.
|
|
|
