«Покоренный электрон»

Покоренный электрон (fb2) - Покоренный электрон 4878K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Михаил Петрович Ивановский

Михаил Ивановский ПОКОРЕННЫЙ ЭЛЕКТРОН

Глава первая. Электрон заявляет о своем существовании

Первое знакомство

В 1663 году священник села Новые Ерги, именовавший себя «поп Иванище», сообщил в ближайший монастырь о некоем непонятном и страшном событии, которое в том селении наблюдалось. Поп Иванище писал: «огнь на землю падал по многим дворам, и на путех, и по хоромам, аки кудели горя и люди от него бегали, а он катается за ними, а никого не ожег, а потом поднялся вверх во облак».

Сравнение с горящей куделью помогает понять, что именно случилось в селе Новые Ерги. Кудель — это пеньковые или льняные очёсы. Их обычно хранят на чердаках или в сараях. Во время пожара восходящие потоки горячего воздуха подхватывают легкие пушистые хлопья загоревшейся кудели, и они летают над пожарищем, как огненные мячики.

Следовательно, таинственный «огнь» был похож на горящую кудель, он катался за людьми, а потом поднялся вверх. Все это позволяет думать, что поп Иванище наблюдал шаровые молнии — редкое и до сих пор плохо изученное электрическое явление.

Старинные книги рассказывают и о так называемых огнях святого Эльма, которые иногда появляются перед грозой на высоких и остроконечных предметах. Эти огни похожи на бледные, светящиеся кисти, колеблющиеся на верхушках корабельных мачт, на крестах и шпилях церквей и даже на остриях копий и пик у ратников в походе.

Издавна наблюдали русские люди полярные сияния или «пазори» — бледнозеленые, розовые или даже багряно-красные столбы света, которые иногда колышутся ясной зимней ночью на северной части неба.

И, конечно, с незапамятных времен людям было известно такое обычное проявление атмосферного электричества как молния.

Рис. 1. С этим проявлением атмосферного электричества люди были знакомы с незапамятных времен.

Но не только атмосферные электрические явления указывали людям на существование этой могучей силы природы. Более двух с половиной тысяч лет назад ремесленники древней Греции познакомились с электрическими свойствами янтаря. Обтачивая и полируя янтарные бусы, серьги, браслеты и другие украшения, греческие камнерезы заметили, что от трения этот материал начинает притягивать к себе соломинки, волоски шерсти, кусочки ниток.

В шестом веке до начала нашего летоисчисления странная особенность янтаря привлекла внимание греческого философа Фалеса Милетского. Фалес натирал янтарь сукном и наблюдал, как янтарь притягивал пушинки. Эти опыты философ показывал своим ученикам, но объяснить их не мог.

Значит, с незапамятных времен люди были знакомы с электризацией трением. Однако серьезного значения этому явлению они не придавали, — его воспринимали как редкостную диковинку. И никому не приходило в голову связать представление о молнии и громе с забавными свойствами янтаря.

О природе электрических явлений ученые древнего мира высказывали разные, не подкрепленные опытом предположения и догадки. Одно из таких объяснений предложил римский философ и поэт Лукреций Кар, живший две тысячи лет назад. О молнии Лукреций писал:

Этот тончайший огонь из огней, существующих в мире, Сделан природой весь из мельчайших и самых подвижных Тел, для которых ничто не в силах поставить преграды.

Только сравнительно недавно люди узнали, что в стихах Лукреция о молнии есть доля истины, но эта доля истины была рождена не научным исследованием, а просто догадкой.

Древние ученые ничего не сделали для того, чтобы проникнуть в суть электрических явлений, да они и не могли ничего сделать, так как техника того времени была еще очень слаба.

В течение первых полутора тысяч лет нашей эры, которые известны в истории под названием средневековья, наука почти не развивалась.

Но уже в X и XI веках начинают расти города, происходит разделение труда между городом и деревней, расширяется обмен; в городах развивается ремесленное производство и вслед за этим возникает потребность в научном обобщении накопленных знаний. В следующие столетия естествознание делает заметные успехи. Наряду с богословскими книгами все чаще появляются научные трактаты. Одно из сочинений, вышедших в свет в 1600 году, называлось: «О магните, магнитных силах и о великом магните Земли». Автором его был английский медик Уильям Джильберт.

В этой книге он рассказывал не только о магнетизме, но и описывал свои «электрические опыты с янтарем и другими веществами».

Рождение нового слова

Джильберт повторил опыты Фалеса Милетского и убедился, что не только янтарь, но и алмазы, драгоценные камни, горный хрусталь, сера, смолы, сургуч, стекло и многие другие твердые вещества, когда их натирают сукном, кожей или мехом, приобретают свойство притягивать легкие предметы.

Это уже само по себе было важным открытием. Оно показывало, что таинственная притягательная сила присуща не только одному янтарю. Эта сила, решил Джильберт, является не свойством какого-либо одного вещества, а свойством того, что скрывается во многих веществах, пропитывая их, как вода пропитывает губку.

Это нечто, содержащееся в порах разных веществ, думал Джильберт, — особая невидимая жидкость. При трении она выдавливается из пор и проявляет свои «янтарные» свойства.

Для этой жидкости Джильберт придумал название: «янтарная субстанция». Но, составляя новый термин, Джильберт взял корень греческого названия янтаря — «электрон». Отсюда и получилась «электрическая субстанция» или, короче, «электричество».

Так родилось слово, которым стали обозначать всю совокупность электрических явлений.

После Джильберта в течение полутора столетий исследованиями электрических явлений занимались многие ученые.

Для своих опытов они добывали электричество трением. В одних случаях лисьим мехом натирали сургуч, в других — кожей терли стекло. Ученому Отто Герике пришла в голову мысль соорудить машину для добывания электричества. Он налил в большую круглую колбу расплавленной серы. Когда сера застыла, Герике разбил колбу, извлек серный шар, насадил его на ось и поместил в станок так, чтобы шар можно было вращать.

Рис. 2. Серный шар и станок Отто Герике для добывания электричества.

Помощник крутил шар, а Герике прикладывал к нему различные предметы, желая найти наиболее подходящий материал, чтобы электризовать серу. Он перепробовал множество материалов и наилучшим оказались… собственные ладони ученого. С тех пор Герике и многие его последователи добывали электричество буквально собственными руками.

Рис. 3. Электричество для опытов добывали тогда собственными руками.

Во время своих опытов с наэлектризованным серным шаром Герике заметил, что пушинка, на миг притянувшаяся к шару, затем отрывается от него и больше уже не притягивается, наоборот, она отталкивается. Тогда Герике подбросил наэлектризованную пушинку вверх и, держа серный шар под пушинкой, заставил ее летать в воздухе. Наэлектризованный шар, отталкивая пушинку, мешал ей упасть. И она летала до тех пор, пока Герике не надоедало ее гонять.

Так было открыто свойство наэлектризованных тел не только притягивать другие тела, но и отталкивать их.

Наблюдая отталкивание наэлектризованных тел, Герике встретился с явлением, чрезвычайно изумившим его. Когда ученый вынул из станка наэлектризованный серный шар, маленькое перышко, лежавшее на земле, поднялось, подлетело к шару и, на мгновение коснувшись его; тотчас опустилось на землю. Едва дотронувшись до поверхности земли, перышко снова подскочило к шару. Чуть продержавшись у его поверхности, оно опять совершило путешествие до земли и вернулось затем к шару. Пляска перышка продолжалась до тех пор, пока электризация шара не ослабела.

Ученые, повторившие этот опыт, дали ему такое объяснение: серный шар имеет некоторый запас электричества. Перышко, притянувшись к шару, заимствует часть его электричества, электризуется и отталкивается от шара. Опустившись на землю, перо отдает земле захваченную им порцию электричества и снова приобретает способность притягиваться к шару.

Коснувшись серного шара, перышко захватывает новую порцию электричества, какая только может поместиться на перышке, и опять несет его на землю. Так, подобно носильщику, перышко перетаскивает электричество от серного шара в землю.

Из этого опыта родилось представление об электрическом заряде как о порции электричества, которая может поместиться на том или ином предмете. На крупном предмете, вроде серного шара, заряд большой, а на крохотной пушинке — маленький.

После было установлено, что заряд, полученный от трения на стекле или на сере, не может сам по себе передвигаться но их поверхности; он долго сохраняется в тех местах, где возник. Нужно коснуться такого места, чтобы частично снять заряд.

Далее выяснилось, что те предметы, которые не удавалось наэлектризовать трением, когда держали их в руке, прекрасно электризуются, если их поместить на подставку из вещества, легко заряжающегося трением.

При этом оказалось, что заряд растекается по всей поверхности таких предметов, а не связан с тем местом, которое подверглось натиранию. Эти вещества были названы проводниками заряда. Стало понятно, почему сначала заряды на них не были замечены, — они просто стекали на другие предметы.

Вещества, по которым заряды не могли перемещаться, тогда были названы изоляторами. Они позволяли уединить, задержать заряд, возникающий на проводнике, не давали ему растекаться по окружающим предметам.

Два рода зарядов

Во время одного опыта с Герике случилось маленькое, но забавное происшествие. Пушинка, оттолкнувшись от наэлектризованного серного шара, стремительно полетела в сторону и притянулась к кончику носа ученого. Это показало, что при трении руки о серный шар наэлектризовался не только шар, но и человек. Он тоже стал притягивать пылинки и пушинки.

Ученые наблюдали часто притяжение наэлектризованных предметов к ненаэлектризованным. Пушинка, получив электрический заряд, обязательно оседала на каком-либо предмете, не имевшем заряда.

Такие опыты показали, что электрические заряды отталкиваются друг от друга, а притяжение возникает лишь между телами, из которых одно несет электрический заряд, а другое его не имеет. Два предмета — наэлектризованный и ненаэлектризованный, притянувшись друг к другу, как бы делят заряд между собой и затем отталкиваются.

Таковы были сведения об электрическом заряде, накопленные наукой к середине XVIII столетия.

Первым прибором, позволившим измерить электрические заряды, был электрометр, построенный русским академиком Г. В. Рихманом — другом М. В. Ломоносова.

Электрометр Рихмана состоял из вертикальной изолированной смолой или стеклом металлической линейки и привязанной к ее верхнему концу нитки. Когда линейке сообщали электрический заряд, он растекался также и по нитке. Заряды, скопившиеся на линейке и на нитке, заставляли нитку отталкиваться от линейки. Нитка отклонялась в сторону тем круче, чем больший заряд она получала. Измеряя угол между линейкой и ниткой, Рихман судил о величине заряда (рис. 4).

Рис. 4. Электрометры Рихмана.

Последующие исследователи заметили еще одну важную особенность электрических зарядов.

Французский физик Дюфе изготовил для своих опытов прибор с двумя нитками вместо одной.

Сквозь пробку стеклянной банки он пропустил металлический стержень.

Верхний конец стержня был увенчан металлическим шариком, а с нижнего свешивались две тончайших длинных полоски из сусального золота или две ниточки, не доходившие до дна. Когда металлическому стерженьку сообщали электрический заряд, ниточки отталкивались друг от друга, сигнализируя о присутствии заряда. Такой прибор назвали электроскопом (рис. 5).

Рис. 5. Электроскоп.

Дюфе натер кожей стеклянную палочку и приложил ее к шарику электроскопа. Тотчас же ниточки растопырились. Затем исследователь, натер сукном сургучную палочку. Она, разумеется, тоже наэлектризовалась и стала притягивать к себе соринки. Но когда Дюфе поднес наэлектризованный сургуч к электроскопу, уже получившему заряд от стеклянной палочки, произошло нечто странное. Ниточки электроскопа, приобретя дополнительный заряд от сургуча, не разошлись в стороны еще круче, как этого можно было ожидать, а наоборот — сблизились. Они показали, что заряд исчез! Тогда Дюфе натер сукном сургуч и поднес его к электроскопу — ниточки разошлись. Затем наэлектризовал стеклянную палочку и коснулся ею шарика электроскопа. Опять ниточки, потеряв заряд, повисли.

Дюфе ставил опыт за опытом. Два бузинных шарика, подвешенные на шелковинках и получившие заряды от стеклянной палочки, отталкивались друг от друга. Точно так же вели себя шарики, заряженные от сургучной палочки. Но когда Дюфе зарядил один шарик электричеством стеклянной палочки, а другой — сургучной, то они не отталкивались, а начинали притягиваться.

Дюфе решил, что существуют два совершенно противоположных по своим свойствам электричества — «стеклянное» и «смоляное». Однородные электрические заряды отталкиваются, разнородные — притягиваются. Придя в соприкосновение, говорил Дюфе, разнородные заряды исчезают.

Другие исследователи, производившие эти же опыты, заметили, что когда натирают сукном сургуч (или кожей стекло), то электризуются сразу оба предмета — и сукно и сургуч, но заряды получаются на них хотя и одинаковые по величине, но разных «сортов», на сукне — «стеклянные», а на сургуче — «смоляные».

Ученые возражают

Не все физики согласились с предположением Дюфе. Особенно резко возражал против его гипотезы гениальный русский ученый М. В. Ломоносов. Как это может быть, спрашивал Ломоносов, чтобы что-то превращалось в ничто? Было порознь два электрических заряда, а как только они сошлись вместе — исчезли оба!

Гипотеза Дюфе противоречила одному из величайших и основных законов природы — закону сохранения материи и движения, который был установлен и доказан Ломоносовым:

«Все перемены в Натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько же присовокупится другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Что-либо не может превратиться в ничто, из ничего нельзя сделать что-то. Материя и движение неразрывны, вечны, они только изменяют форму, но ни при каких условиях не исчезают.

Современник М. В. Ломоносова В. Франклин выдвинул против Дюфе такие доводы: почему эти два сорта электричества всегда одинаковы по количеству? Почему они всегда появляются одновременно и никогда порознь? Не есть ли это то же самое, что предмет и его тень? А мы, не зная, где предмет и где его тень, считаем тень другим предметом!

Электричество — одно, оно распространено всюду, содержится во всех без исключения телах, но не проявляет себя, так как его везде поровну. Когда мы натираем кожей стекло, или сукном сургуч, то никакого особого «стеклянного» или «смоляного» электричества не возникает. При трении происходит только перераспределение зарядов: на одном из соприкасающихся при трении тел образуется избыток электричества, на другом — недостаток.

И когда наэлектризованные сургуч и стекло соприкасаются, избыток встречается с недостатком и заряды не исчезают, а лишь уравновешиваются или, как обычно говорят, нейтрализуются, действие их перестает чем-либо проявляться.

Чтобы отличить избыток от недостатка «мы условимся называть всякое тело наэлектризованным положительно, если оно отталкивается стеклянной палочкой, натертой шелком, и наэлектризованным отрицательно, если оно отталкивается сургучом, натертым кошачьим мехом», — так писал Франклин, который ввел подразделение зарядов на положительные, обозначенные знаком плюс, и отрицательные, обозначенные знаком минус.

Обозначение двух родов зарядов знаками плюс и минус сохранилось и поныне.

Современная наука установила, что в действительности во всех предметах существуют два рода зарядов: положительные и отрицательные, но пока их содержится поровну — они себя не обнаруживают. Если же отнять у предмета часть его отрицательных зарядов, он наэлектризуется положительно, а отнятые отрицательные заряды перейдут на какой-либо другой предмет, который, конечно, зарядится отрицательно.

Так, например, когда натирают стекло кожей, то на стекле образуется избыток положительных зарядов, а на коже — избыток отрицательных. Стекло заряжается положительно, а кожа отрицательно.

Однако заряд на коже не всегда проявляет себя, потому что и кожа и человек, который ее держит в руке, сравнительно хорошо проводят электричество. Заряд с кожи уходит в руку человека, а затем в землю, и, конечно, его обнаружить не удается, — он уже исчез; но если натянуть на руку резиновую перчатку или как-нибудь изолировать кусок кожи, заряд останется, и его можно обнаружить, — поднести кожу к электроскопу, и листочки электроскопа разойдутся.

Еще одно заблуждение

Вслед за Дюфе петербургский академик Эпинус сделал еще одно важное открытие, которое тоже послужило источником нескончаемых споров. Эпинус заметил, что все предметы, находящиеся вблизи какого-либо наэлектризованного тела, приобретают электрические заряды. Когда к наэлектризованному телу подносят электроскоп, то его листочки расходятся в стороны еще до соприкосновения шарика электроскопа с наэлектризованным телом.

В этом явлении для ученых XVIII века самым удивительным было то, что предметы, на которых появлялись электрические заряды, не соприкасались с наэлектризованным телом: его действие сказывалось на расстоянии.

Новое явление получило название электризации наведением или электризации путем индукции, а получившиеся при этом заряды — индуктированными.

Сначала казалось, что индуктированные заряды не совсем «настоящие», ведь стоило только удалить электроскоп от заряженного тела, как его листочки спадались и заряд электроскопа исчезал. Но это было недоразумением, и оно вскоре выяснилось.

Исследуя электризацию наведением, ученые установили, что предмет, на котором возникает индуктированный заряд, электризуется двояко, то есть на его противоположных сторонах скапливаются заряды разных знаков. Если наэлектризованное тело несет положительный заряд, то сторона предмета, обращенная к наэлектризованному телу, приобретает отрицательный заряд, а его другая сторона — положительный.

Один исследователь догадался взять для опыта предмет, состоящий из двух половинок — нечто вроде шара с разъемными полушариями (рис. 6).

Рис. 6. Половинки этого прибора приобретают разноименные заряды.

Он приблизил его к наэлектризованному предмету, а затем раздвинул половинки (каждая половина была укреплена на своей изолирующей подставке); ученый тем самым разделил заряды. Одно полушарие оказалось заряженным положительно, а другое — отрицательно, и заряды на полушариях не исчезали даже, когда наэлектризованный предмет отодвигали в сторону, значит, это были самые «настоящие» заряды.

Такой опыт доказал, что в каждом предмете действительно имеются и положительные и отрицательные заряды, но пока их в теле поровну и пока они распределены равномерно, тело остается нейтральным, а заряды, в нем содержащиеся, никак себя не проявляют. При электризации наведением, под воздействием наэлектризованного тела, заряды рассортировываются: положительные отходят в одну сторону, а отрицательные в другую — одноименные с наводящим зарядом отталкиваются, разноименные к нему притягиваются и стремятся приблизиться.

Другой исследователь захотел узнать, насколько ослабевает электрический заряд оттого, что он создает индуктированные заряды в окружающих его предметах.

Для опыта ученый взял большой металлический диск, положил его на стеклянную пластинку, наэлектризовал положительным электричеством и прикрыл другим куском стекла. Затем ученый взял другой такой же металлический круг, но только снабженный стеклянной рукояткой. Этот второй круг ученый положил поверх наэлектризованного диска, как изображено на рисунке 7.

Рис. 7. Заряд металлического диска, лежащего между стеклянными пластинками, оказался неистощимым.

Разумеется, круг при этом тоже наэлектризовался, то есть в нем разделились заряды: положительные скопились на верхней стороне круга, а отрицательные — на нижней.

Положительные заряды можно было отвести в землю, просто коснувшись круга рукой, тогда на круге остались только отрицательные заряды; их нельзя было удалить, — они удерживались притяжением положительным зарядом на нижнем круге.

Ученый взял этот круг за стеклянную рукоятку, отнес его в сторону и там разрядил. Затем снова положил свой круг поверх наэлектризованного диска, круг снова наэлектризовался, а ученый отнес его в сторону и разрядил.

Исследователь проделал это в третий раз, в четвертый… Ученый носил свой круг туда и сюда, попеременно то заряжая его у диска, то разряжая в стороне. Однако заряд металлического диска, лежавшего на стеклянной пластинке, от этого нисколько не ослабел.

Опыт пришлось прекратить, так как ученый устал таскать круг взад и вперед; он убедился, что истощить заряд металлического диска таким образом невозможно!

Этим опытом было установлено, что электрический заряд, индуктируя в других предметах наведенные заряды, сам не уменьшается и не расходуется.

Все это — и явление индукции, и явная неистощимость заряда, возбуждающего другие заряды, — было непонятно.

Люди придумывали различные, по большей части совершенно необоснованные объяснения и спорили друг с другом, безуспешно стараясь отстоять каждый свое мнение.

Тогда многие физики считали, что электризация наведением является волшебным свойством электрических зарядов и они могут действовать на расстоянии, рождая другие заряды из ничего. Это мнение противоречило ломоносовскому закону сохранения материи, оно было глубоко ошибочным и заводило науку в тупик.

Электрическое поле

Удивительное явление получило правильное объяснение только тогда, когда физики поняли, что вокруг каждого наэлектризованного тела существует что-то такое, что воздействует на другие заряды. Это «что-то» ученые стали называть электрическим полем.

Электрическое поле неразрывно связано с зарядом, однако это не сам заряд. Поле составляет как бы своеобразное продолжение заряда в окружающем его пространстве. Поле отлично от заряда, но оно не менее реально, не менее материально, чем сам заряд.

Обнаружить существование электрического поля возле заряда можно весьма простым опытом. Для этого надо наклеить на стеклянную пластинку кружочек из станиоля или фольги, наэлектризовать его и посыпать мелкими игольчатыми кристалликами гипса или хинина. Кристаллики разложатся по линиям расходящимися лучами во все стороны от заряженного кружка. Если вырезать из фольги два кружка и им сообщить электрические заряды — одному положительный, а другому отрицательный, затем на стекло насыпать мелкие игольчатые кристаллики гипса, то под воздействием электрического поля иголочки гипса улягутся в определенном порядке; их расположение отчасти напоминает размещение железных опилок возле полюсов магнита (рис. 8).

Рис. 8. Кристаллики гипса расположены в определенном порядке между наэлектризованными кружками.

Одноименно заряженные кружки, когда их обсыпают гипсом, дадут картину электрического поля, изображенную на рисунке 9.

Рис. 9. Вид электрического поля между кружками, одноименно заряженными.

Благодаря гипсовым кристалликам электрическое поле между двумя наэлектризованными кружками становится видимым.

Академик А. Ф. Иоффе рассказывал, какой случай ему однажды пришлось наблюдать. Вместе с известным физиком К. Рентгеном Иоффе работал на вершине горы. И вдруг длинные волосы Рентгена распушились, а его большая борода взъерошилась так, что Рентген стал похожим на Черномора.

Внезапное превращение Рентгена в Черномора было вызвано большой тучей, проходившей в это время над вершиной горы. Туча несла с собой большой электрический заряд; между тучей и горой образовалось электрическое поле. Под влиянием этого поля волосы Рентгена расположились так же, как и кристаллики гипса между станиолевыми наэлектризованными кружочками, то есть вдоль так называемых силовых линий электрического поля.

Рис. 10. Электрическое поле между отрицательно заряженным кольцом и кружком, заряженным положительно.

Ларчик просто открывался

Тот ученый, который носил взад и вперед свой круг, попеременно то заряжая его, то разряжая, думал, что электрические заряды возникают сами собой из ничего, и это было ошибкой. Заряды не создавались — они и до опыта присутствовали в круге, как и во всяком теле. А электрическое поле только разделило их. Круги приобрели разноименные заряды. Эти заряды, а вместе с ними и сами круги, притягивались друг к другу с определенной силой.

Чтобы оторвать верхний круг от нижнего, приходилось приложить некоторое усилие, произвести работу. И когда ученый удалял верхний круг, на нем оказывался свободный заряд, обладающий заметной энергией; она проявляла себя при разряде круга в виде яркой искры.

Эта энергия создавалась тем усилием, которое затрачивал ученый, его работой.

Учитывая работу, которую приходится производить, двигая определенный заряд в поле, можно получить наиболее точное представление о силе электрического поля в каждой его точке.

Возьмем проводник в виде шара на изолирующей подставке, заряженный положительно. Если мы поднесем к нему шарик, заряженный также положительно, на него будет действовать сила отталкивания, направленная по продолжению радиуса шара. Чем больше эта сила, тем больше напряженность поля в данной точке.

На рисунке 11 расходящиеся прямые линии показывают направления сил, действующих на положительный заряд в поле положительно заряженного шара.

Рис. 11. Силовые линии и поверхности равного потенциала вокруг положительно заряженного шара.

Эти линии называют силовыми линиями.

Поднося наш заряженный шарик к большому шару, приходится совершать работу, преодолевая сопротивление электрических сил отталкивания. Чем ближе мы поднесем шарик к шару, тем больше совершенная нами работа. Величину, пропорциональную этой работе, назвали потенциалом.

Очевидно, на одинаковых расстояниях от шара потенциал одинаков.

На рисунке замкнутые линии соединяют точки, в которых потенциал одинаков. На плоском чертеже это — окружности, а в пространстве — сферы. Поверхности; для которых потенциал одинаков, называют поверхностями уровня потенциала. Силовые линии и поверхность уровня дают представление о поле.

Разумеется, и силовые линии и поверхности уровня в действительности не существуют. Это только воображаемые линии и воображаемые поверхности, которые нам нужны для изображения сил, действующих в электрическом поле так же, как меридианы и параллели на земном глобусе нужны для указания местоположения и в действительности тоже не существуют.

Силовая линия показывает направление, в котором начнет двигаться положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Отрицательный заряд движется в противоположном направлении.

Поверхности уровня позволяют оценить величину работы, которая совершается при перемещении определенного положительного заряда из одной точки поля в другую. Для перемещения зарядов по поверхности уровня не нужно усилий, не нужна затрата работы. Переместить положительный заряд с поверхности более низкого потенциала на поверхность более высокого потенциала можно только посторонней силой, производя работу против сил поля. Обратный переход на более низкий уровень потенциала совершается силами самого поля, за счет энергии этого поля. Поле двух разноименных зарядов изображено на рисунке 12 — оно значительно сложнее, чем поле одиночного заряда, силовые линии его искривлены.

Рис. 12. Силовые линии и поверхности уровня потенциала в электрическом поле вокруг двух разноименно заряженных шариков.

Единица заряда

Постоянно наблюдая взаимодействие зарядов — их притяжение и отталкивание, ученые пришли к мысли, что сила притяжения или отталкивания может быть измерена. Ломоносов еще в 1756 году указывал, что «электрическая сила с помощью весов определена быть может».

Сила, с которой притягиваются или отталкиваются два электрических заряда, была «взвешена» французским ученым Шарлем Кулоном в 1785 году. Кулон изобрел весьма точный и чувствительный измерительный прибор, построенный по образцу крутильных весов.

Для изготовления этого прибора Кулон воспользовался круглой стеклянной банкой. Снаружи на банку он наклеил шкалу в виде узкой ленточки с нанесенными на нее градусными делениями, а внутри банки поместил легкую стрелочку, подвешенную на длинной шелковой нити. На тупом конце стрелки Кулон укрепил легкий шарик.

С помощью головки в верхней части прибора можно было поворачивать шелковую нить, а вместе с ней и стрелку с шариком (рис. 13).

Рис. 13. Прибор Кулона.

Другой точно такой же шарик Кулон прикрепил к стеклянному стерженьку величиной с карандаш. Сквозь отверстие в крышке стерженек можно было опускать в банку и доставать его, когда он не был нужен.

Начиная измерение, Кулон установил стрелку так, чтобы подвешенный шарик слегка касался шарика на стерженьке, затем он сообщил этому шарику электрический заряд.

Оба шарика, соприкоснувшись, поделили заряд поровну и, приобретя, таким образом, одноименные заряды, начали отталкиваться. Стрелочка же, преодолевая упругое сопротивление шелковой нити, повернулась.

Кулон измерил, на сколько градусов она повернулась в результате взаимодействия зарядов. Затем он вынул из банки стерженек. При этом стрелка прибора, разумеется, вернулась на прежнее место.

Коснувшись заземленного предмета шариком стерженька, Кулон нейтрализовал его заряд. Шарик лишился заряда, «опустел». Ученый вставил стерженек с «опустевшим» шариком обратно в прибор.

Шарики опять соприкоснулись. Так как на подвешенном шарике заряд оставался, то при соприкосновении шарики опять поделились зарядами. Но величина этих зарядов, очевидно, была уже вдвое меньше прежней.

Одноименные заряды оттолкнулись друг от друга. Стрелка опять отошла в сторону, но уже меньше, чем в первый раз, а Кулон записал, на сколько градусов она отошла.

Проделав этот опыт несколько раз, Кулон убедился, что сила, с какой отталкиваются два равных заряда, в точности пропорциональна произведению этих зарядов, — если каждый из зарядов уменьшается вдвое, то, следовательно, их произведение уменьшается в четыре раза, и сила, с какой они отталкиваются, ослабевает тоже в четыре раза.

В своих дальнейших опытах Кулон измерил, с какой силой отталкиваются два заряда, если изменяется расстояние между ними. Оказалось, что когда расстояние между шариками увеличивается вдвое, сила отталкивания ослабевает вчетверо. Если расстояние возрастало втрое, — сила отталкивания уменьшалась в девять раз.

Так было установлено, что сила взаимодействия двух зарядов пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта зависимость получила название закона Кулона.

С помощью крутильных весов можно определить не только силу отталкивания двух одноименных зарядов, но и величину самих зарядов. Для этого необходимо выбрать единицу заряда.

Ученые условились принять за единицу количества электричества заряд шарика, который отталкивает другой точно такой же заряд с силой в 1 дину[1] при расстоянии между шариками в 1 сантиметр и при условии, что они разделены сильно разреженным пространством — находятся в вакууме.

Для практических целей эта мера оказались слишком маленькой, и в употребление вошла другая, более крупная мера — кулон.

Кулон больше первоначальной единицы ровно в три миллиарда раз.

Электричество может течь

Уже на заре изучения электрических явлений ученые убедились, что электрические заряды могут не только накапливаться, но и перетекать с одного предмета на другой по проводнику.

Герике, привязав к серному шару хлопчатобумажную нитку с шариком из слоновой кости на конце, заметил, что заряд серного шара распространился по нитке и наэлектризовал костяной шарик, который тоже стал притягивать легкие предметы.

Другие исследователи научились передавать заряд по изолированным бечевкам и шнуркам на большие расстояния. При этом выяснилось, что лучше всего заряды движутся по изолированным металлическим проволокам.

Именно металлы, которые Джильберт называл «неэлектрическими материалами», оказались хорошими проводниками электричества, а почти все остальные твердые вещества — плохими проводниками. Изоляторы, по которым заряды совсем не передвигались, стали называть диэлектриками.

Копилка зарядов

В середине XVIII века было сделано важное изобретение. Придумали прибор, получивший название лейденской банки, ее изготовили из обыкновенной стеклянной банки. Снаружи банку обернули листом тонкого металла, который охватил ее наподобие подстаканника; внутри также поместили металлическую обкладку. Внутреннюю обкладку соединили с металлическим стержнем, увенчанным шариком и пропущенным сквозь крышку банки (рис. 14).

Рис. 14. Лейденская банка.

Чтобы зарядить лейденскую банку, шарик соединяют с каким-либо источником электричества, а внешнюю обкладку заземляют — для этого достаточно держать банку в руке. Внутренняя обкладка приобретает электрический заряд, а заряды во внешней обкладке разделяются, положительные сдвигаются в одну сторону, а отрицательные — в другую. Заряды, оказавшиеся на наружной поверхности внешней обкладки, уходят в землю, и тогда каждая из обкладок приобретает заряды разных знаков.

Заряды, разделенные стенкой банки, как перегородкой, взаимно притягиваясь, удерживают друг друга. Благодаря этому лейденская банка способна накапливать и сохранять исключительно большие заряды — гораздо больше, чем могла бы накопить каждая из ее обкладок, взятая порознь.

Чтобы обнаружить заряд банки, достаточно соединить металлическим проводником наружную обкладку с шариком. Электрический разряд происходит в виде искры, с треском проскакивающей между концом проводника и шариком.

Если разрядить банку собственными руками, то человек почувствует болезненный удар. Двести лет назад один из физиков соорудил большую лейденскую банку и дал испробовать ее действие своей любознательной жене. Разряд лейденской банки был так силен, что женщина заболела и слегла в постель.

Разряд большой банки или батареи, то есть группы банок, у которых все внутренние обкладки соединены между собой металлическим проводником, а все наружные — между собой другим проводником, может оказаться смертельным. Лейденские банки следует разряжать не рукой, а металлическим разрядником.

Позже ученые убедились, что копилку электрических разрядов не обязательно делать в виде банки. Ее может заменить тонкая стеклянная пластинка, обложенная с двух сторон металлическими листочками: фольги или станиоля. Можно также укладывать куски стекла стопкой, прослаивая их станиолем. Все четные и все нечетные металлические прослойки следует порознь соединить между собой.

Вместо стекла годится любой другой изолятор-диэлектрик: слюда, парафинированная бумага, наконец, воздух (рис. 15).

Рис. 15. Первоначально в лейденской банке внутренней обкладки не делали, а наливали в банку воду.

Такие приборы получили название: конденсаторы, то есть «уплотнители».

При разряде лейденской банки весь заряд одной обкладки переходит на другую и нейтрализует накопленный на ней противоположный заряд. По проводу, соединяющему обкладки, хотя бы он и был сделан из длинной проволоки, перетекает весь электрический заряд. Такое передвижение заряда получило название — электрический ток.

Так постепенно, шаг за шагом, на протяжении почти трехсот лет люди изучали электрические явления.

Многие исследователи ошибались и выдвигали необоснованные, не подкрепленные опытом догадки. Другие ученые увязали в разнообразных бесчисленных опытах, никак не осмысливая свою работу, и их исследования напоминали бесцельное блуждание в лесной чаще.

Но все же ценой огромных усилий, в постоянной борьбе с заблуждениями и ошибочными гипотезами, постепенно развивалась наука об электричестве.

Мнение древних философов и ученых о незначительности электрических явлений превратилось в свою противоположность — наука устанавливала, что мир электрических явлений безгранично обширен.

Не в шутку, а совершенно серьезно один ученый как-то воскликнул: «Скажите мне, что такое электричество, и я объясню вам все остальное».

В представлении этого ученого происходящие в природе электрические явления приобрели важное, всеобъемлющее значение.

Глава вторая. Ученые догадываются о существовании электрона

Творец подлинной науки

Уроженец Севера, Ломоносов еще ребенком любовался красивым и величественным явлением природы — полярными сияниями. Он видел, как ясной зимней ночью высоко над землей появляется лента, сотканная из нежных, мерцающих лучей зеленоватого света и похожая на край бархатного занавеса, спустившегося из заоблачной выси.

Занавес непрерывно колышется, как бы под дуновением неощутимого ветерка. По его лучистой бахроме пробегают волны, и сияние колеблется, словно дышит, то разгораясь, то притухая.

Иногда вместо зеленоватой ленты над полюсом встают столбы света желтоватого, розового или фиолетового оттенков. Они подымаются ввысь, неожиданно разворачиваются веером, превращаются в лучистую корону или сказочную арку, сверкающую над снежной равниной.

Спустя некоторое время сияние расплывается, тускнеет, и на его месте остается бесформенное светящееся облако, которое, постепенно слабея, исчезает, растворяясь во тьме полярной ночи.

Рис. 16. Ясной зимней ночью высоко над землей появляется лента, как бы сотканная из нежных мерцающих лучей.

Северные сияния видны не только на крайнем Севере, ими случается любоваться и в Ленинграде, в Москве и даже в более южных городах.

В 1743 году в Петербурге наблюдали особенно большое и яркое полярное сияние, и тогда М. В. Ломоносов написал торжественное стихотворение:

Но где ж, натура, твой закон? С полночных стран встает заря! Не солнце ль ставит там свой трон? Не льдисты ль мечут огнь моря? Что зыблет ясный ночью луч? Что тонкий пламень в твердь разит? Как молния без грозных туч Стремится от земли в зенит?

В этом стихотворении Ломоносов впервые выразил мысль, что полярные сияния — сродни молнии. Они, следовательно, электрические явления, — в электрической природе молнии Ломоносов нисколько не сомневался.

На мысли об электрической сущности полярных сияний Ломоносова наводил общеизвестный в те времена опыт «с трясением барометра».

Ртутные барометры делали тогда из стеклянных трубок, запаянных с одного конца. Такую трубку наполняли ртутью и затем переворачивали открытым концом в чашку с ртутью. Часть ртути выливалась в чашку, а часть, удерживаемая атмосферным давлением, оставалась в трубке. При этом в верхнем запаянном конце трубки над ртутью создавалась полость, содержащая сильно разреженный воздух и пары ртути.

Когда такой барометр сильно встряхивали, то в полости над ртутью возникало зеленоватое свечение. Некоторые ученые думали, что свечение барометра родственно свечению фосфора, но опыты не подтвердили этого предположения.

У Ломоносова имелась электрическая машина наподобие той, что была у Герике, но только вместо серного шара в ней вращался пустотелый стеклянный шар, из которого был выкачан воздух.

Когда шар вращали, одновременно натирая его ладонями, то внутри шара появлялось довольно яркое свечение, которое «в темноте изрядную палату освещать могло». Это свечение несомненно вызывалось электризацией шара. Когда на поверхности шара накапливались и искрили электрические заряды, — внутри его струился зеленоватый свет, такой же, как и в ртутном барометре.

И Ломоносов пришел к гениальному выводу: «Свет в трубках без воздуха электрический!».

Свечение разреженного воздуха в приборах было чрезвычайно похоже на игру полярных сияний, возникающих в самых верхних, разреженных слоях земной атмосферы. Высоту полярных сияний Ломоносов определил почти безошибочно — в 400 километров, а на такой высоте воздух действительно сильно разрежен. Поэтому причину полярных сияний Ломоносов видел в электрических разрядах, образующихся вследствие трения водяных паров и частичек воздуха в восходящих потоках атмосферы.

Ломоносов был прав, считая, что природа полярных сияний электрическая. Однако причина свечения — другая. Теперь известно, что Солнце выбрасывает в пространство потоки заряженных частиц. Они-то и вызывают свечение газов в верхних слоях атмосферы.

Героическая смерть Рихмана

Об электрической природе молнии некоторые ученые догадывались еще до Ломоносова. В 1698 году некто Уолл, раздобыв большой кусок янтаря, стал натирать его и получил искру в дюйм длиной.

При этом «раздался такой звук, точно в печке лопнул кусок угля».

То было подобие молнии и грома, воспроизведенных в маленьком, комнатном масштабе. Сходство имелось несомненное, но сходство — не доказательство. Чтобы убедиться в действительном родстве между электрической искрой и молнией надлежало «поймать» настоящую молнию и установить ее электрическую природу.

Это осуществили летом 1752 года М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман.

Рихман взял железный прут длиной в 180 сантиметров, продел его сквозь бутылку с отверстием в донышке и укрепил на крыше своего дома. Ученый привязал к пруту железную проволоку и, тщательно изолировав ее от стен дома, провел в комнату. С конца проволоки свешивалась линейка с льняной или шелковой нитью, служившей для измерения величины электрических зарядов. Когда в проволоке появлялись электрические заряды, нить отходила от линейки и «гонялась за пальцем».

Свой прибор ученые назвали «громовой машиной». Она служила для многочисленных наблюдений силы и характера электрических разрядов в атмосфере. Такую же «громовую машину» установили и в доме Ломоносова (рис. 17).

Рис. 17. Электрическая стрела Ломоносова.

Оба ученых самоотверженно работали, не считаясь с опасностью для жизни.

26 июля 1753 года, во время заседания в Академии наук, Рихман заметил, что приближается гроза, и поспешил домой. Он хотел в этот день показать гравировальному мастеру Соколову электрические явления и действие «громовой машины», чтобы Соколов смог выгравировать рисунки для печати.

Рихман и Соколов прошли в комнату, где находился прибор. Рихман поглядел в окно и сказал, что гроза еще далеко и опасности нет никакой. Он стоял возле самого прибора и смотрел на электрометр.

В этот миг Соколов увидел, что от «громовой машины» отделился бледно-синеватый огненный клубок, величиною с кулак, и коснулся лба Рихмана. Академик, не издав ни единого звука, упал навзничь. «В самый тот момент последовал такой удар, будто бы из малой пушки выпалено было», — рассказывал потом Соколов. Сам он отделался лишь испугом, легкими ушибами да изорванным кафтаном.

Слуга Рихмана тотчас побежал к Ломоносову сообщить, что «господина профессора громом зашибло». Ломоносов поспешил на квартиру Рихмана, но вернуть жизнь другу не удалось…

Ломоносов писал о происшедшем: «Мы старались движение крови в нем возобновить, за тем, что он был еще тепл; однако голова его повреждена и больше нет надежды. И так он плачевным опытом уверил, что електрическую громовую силу отвратить можно, однако на шест с железом, который должен стоять на пустом месте, в которое бы гром бил сколько хочешь. Между тем, умер господин Рихман прекрасной смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет».

Движение мельчайших частичек

Трагическая гибель друга не остановила М. В. Ломоносова. Он продолжал опыты.

Ломоносов не был путником, блуждающим в лесу фактов, он не искал ощупью тропинку к научной истине, а шел напрямик к ней, как бы прорубая широкую просеку. Он всегда шел к цели своим путем, не преклоняясь перед иностранными авторитетами.

В апреле 1756 года Ломоносов начал писать большую работу: «Теория електричества, разработанная математическим способом», но успел закончить только две первые главы.

Ломоносов неопровержимо установил электрическую природу молнии, а также доказал, что в атмосфере, независимо от наличия грозовых туч, всегда имеются электрические заряды. Ломоносову принадлежит открытие электрической сущности полярных сияний.

Ломоносов высказал смелое предположение, что обычный свет костра, свечи или солнца — также электрического происхождения. Эта гениальная догадка М. В. Ломоносова подтвердилась только много лет спустя.

Прекрасно понимая, что одному человеку не под силу разрешить задачу о природе электрических явлений, Ломоносов стремился привлечь к ее решению ученых всего мира. По его настоянию Петербургская Академия наук объявила конкурс на лучшую научную работу о сущности электричества. В 1753 году было объявлено:

«Санкт-Петербургская Академия наук всем натуры испытателям при обещании обыкновенного награждения ста червонных на 1755 год к первому числу июня месяца для решения предлагает, чтобы сыскать подлинную електрической силы причину и составить точную ее теорию».

Задача, которую Ломоносов намеревался разрешить в два года, потребовала почти полутораста лет и труда нескольких сот ученых. Среди них первое, почетное место бесспорно принадлежало самому Ломоносову. Он наметил правильный путь решения задачи, он первый указал на родство тепловых и электрических явлений. В основе тех и других лежит общая причина — движение мельчайших частичек, из которых состоят все вещества. «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит, — писал Ломоносов, — кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев в лесу при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек движущегося вещества, движение скрывается от взора».

Эта теория помогла Ломоносову создать представление об электричестве более глубокое и более правильное, чем у всех его предшественников и многих ученых, живших после него.

«М. В. Ломоносову по необъятности его интересов принадлежит одно из самых видных мест в истории культуры всего человечества», — писал академик С. И. Вавилов.

Батарея академика Петрова

Новая эпоха в науке об электричестве началась в марте 1800 года, когда итальянский физик Алессандро Вольта изобрел прибор, позволявший получать непрерывный поток электрических зарядов. Это давало громадные преимущества по сравнению с прежними несовершенными способами добывания электричества.

Новый прибор стал известен в науке под названием Вольтова столба (рис. 18).

Рис. 18. Вольтов столб.

Вольтов столб состоял из набора металлических и суконных кружков. Кружки укладывались в таком порядке: на серебряном кружке лежал цинковый, затем — суконный кружок, смоченный водным раствором нашатыря, на нем серебряный и цинковый кружки и снова суконный. Серебро, цинк, сукно, серебро, цинк, сукно… и наконец, серебро, цинк. Первый и последний кружки в этом «первобытном» Вольтовом столбе играли роль проводников и по сути дела были совершенно лишними.

Электричество в Вольтовом столбе возникает непрерывно в результате химического взаимодействия двух различных металлов, смоченных раствором нашатыря.

Вольтов столб был прообразом будущих гальванических элементов, которые служили главным источником электричества в первой половине XIX века.

После изобретения Вольтова столба в распоряжении ученых оказался источник, способный непрерывно поддерживать движение электрических зарядов в проводнике. Такое движение назвали постоянным электрическим током. Изобретение источника тока открыло широкие возможности для новых исследований электричества. Вольтовым столбом спешили обзавестись физики, химики, медики и просто любители науки.

В Петербурге опыты с Вольтовым столбом проводил профессор физики Медико-хирургической Академии Василий Владимирович Петров. Это был талантливый физик и искусный экспериментатор.

Петров заказал 100 цинковых и 100 медных кружков диаметром по 10 дюймов. Каждый кружок весил более фунта. Из них Петров составил Вольтов столб, применив вместо суконных прокладок бумажные кружки, пропитанные водным раствором нашатыря. Однако мощность прибора не удовлетворила Петрова. Для опытов, которые он задумал, эта батарея была слабовата, и ученый заказал другую — «наипаче огромную батарею, состоявшую иногда из 4200 медных и цинковых кружков».

Рис. 19. Батарея В. В. Петрова.

В этой батарее Петров не стал располагать кружки столбиком. Столб из 4200 кружков получался, по расчетам Петрова, высотой в 40 футов, то есть более 12 метров. Обращаться с таким столбом было бы затруднительно, пришлось бы ломать потолки в лаборатории, и батарея поднялась бы над крышей здания, как фабричная труба. А главное, ученый опасался, что под тяжестью столба влага из прокладок в нижней части батареи будет выдавлена, и ожидаемого результата не получится.

Петров заказал ящики из красного дерева, разгороженные на восемь отделений. Внутренние стенки ящика и все перегородки он облил расплавленным сургучом. Когда сургуч застыл, получилась твердая, совершенно водонепроницаемая корка, служившая прекрасной изоляцией.

В каждое отделение Петров уложил по 525 медных и цинковых кружков.

Все секции своей батареи Петров соединил изолированными проводами, употребляя для изоляции шелк, сургуч, воск, лаки. Это было крупной технической новинкой. Но никто из ученых не понимал тогда, как важно тщательно изолировать проводники. Петров доказал, что только надежно изолированная батарея способна дать наиболее сильный ток.

В одном из своих опытов он положил на стеклянную скамеечку два куска угля, проводящего электрический ток; затем двумя металлическими стерженьками (на стеклянных ручках), соединенными с полюсами батареи, он сблизил угольки на расстояние примерно в 1–3 линии (линия — 2,54 миллиметра). Между угольками появился «весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или длительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Это было великое открытие! Петров создал электрическую дугу, — открыл один из видов электрического разряда — дуговой разряд.

И техника сварки металлов, и металлургия, и осветительная техника теперь широко применяют дугу Петрова.

Впервые в мире Петров исследовал электропроводность различных материалов и установил, что уголь может по-разному пропускать электрический ток: одни сорта угля проводят ток лучше, другие — хуже.

Продолжая свои опыты с электрической дугой, Петров вносил в ее пламя листочки олова, серебра, золота, меди, цинка, и они сгорали, окрашивая пламя в особые, свойственные им цвета.

Петров разложил электрическим током воду на водород и кислород, то есть положил начало еще одному важному применению электрической энергии, которое впоследствии получило название электролиза.

Все эти опыты Петрова служили звеньями его основной работы. Он изучал, какое действие оказывает электрический ток на материалы, сквозь которые он проходит. С этой целью ученый испытывал сначала твердые тела и различные жидкости, а затем перешел к газам.

Ток проходит через газ

На медную тарелку воздушного насоса Петров поставил серебряный стакан, перевернутый вверх дном. Этот стакан он накрыл хрустальным колпаком, имевшим высоту 21,6 сантиметра и ширину 13 сантиметров.

В верхней части колпака было оставлено небольшое отверстие, плотно закрытое медной оправой. Через оправу в особом сальнике, набитом кожаными кольцами, проходил медный прут. Кожаные кольца сальника мешали наружному воздуху проникать внутрь колпака, но позволяли поворачивать, поднимать или опускать медный прут. Нижний конец прута, спускавшийся до дна серебряного стакана, в зависимости от характера опыта оканчивался либо шариком, либо стальной иголкой. Серебряный стакан понадобился Петрову только потому, что медный прут оказался коротковат (рис. 20).

Рис. 20. Прибор Петрова для исследования действия тока на разреженный газ.

Один провод своей батареи Петров присоединил к металлической тарелке насоса, а второй — к верхнему концу медного прута. Затем Петров привел в действие воздушный насос. Когда воздуха под колпаком осталось совсем мало, между иголкой и дном стакана возникло яркое свечение белого цвета, а иголка разогрелась до красного каления.

Петров заменил иглу шариком и наблюдал, что при большом разрежении воздуха в колпаке, возле шарика появилось свечение белого цвета, но у дна стакана оно было фиолетовое, а между ними — розово-красное.

Наибольшее разрежение, которого мог добиться Петров с помощью своего воздушного насоса, разнялось 1,5 миллиметрам ртутного столба, то есть 1/500 доле нормального атмосферного давления. Большего разрежения насос тогда дать не мог.

Петров был первым ученым, пропустившим электрический ток через разреженный газ. Этим он положил начало исследованию явлений, которые впоследствии раскрыли перед наукой и техникой невиданно широкие перспективы. Петров был пионером той обширной области электротехники, которая стала называться электроникой и развернулась в полном блеске только в самые последние десятилетия.

По стопам великого Ломоносова

В годы, когда В. В. Петров начинал свои исторические опыты, в переплетную мастерскую лондонского книготорговца Жоржа Рибо поступил учеником двенадцатилетний мальчик Михаил Фарадей. Заработков его отца — кузнеца не хватало на жизнь. Семья была большая. Мальчику пришлось оставить начальную школу и пойти работать.

Разлуку со школой Михаил Фарадей переживал очень тяжело. Он всячески старался пополнить свое образование, читал книги, которые приносили переплетать.

По вечерам, а также в воскресные дни, будущий ученый посещал публичные лекции по физике. Однажды ему удалось попасть на лекцию одного из крупнейших английских ученых того времени — Гемфри Дэви. Эта лекция произвела на Фарадея очень сильное впечатление.

Чтобы углубить свои знания по физике и химии, молодой переплетчик поступил слугой в лабораторию Дэви; там он мыл посуду, подметал пол и заменял Дэви в тех опытах, которые грозили взрывом.

Спустя некоторое время Фарадей начал сам производить опыты. В 1816 году он опубликовал свою первую научную работу.

В 1824 году Гемфри Дэви — президент Королевского общества (английская Академия наук) с возмущением узнал, что его бывший слуга выдвинут кандидатом в академики. Дэви потребовал, чтобы Фарадей снял свою кандидатуру. Фарадей отказался, и его единодушно избрали в члены Королевского общества при одном только голосе против. Этот единственный голос «против» принадлежал по всей вероятности Дэви.

В своей научной деятельности Фарадей развивал и углублял идеи, высказанные гениальным русским ученым — М. В. Ломоносовым.

Одной из самых любимых книг Фарадея, оказавшей большое влияние на его творчество, была книга русского академика Леонарда Эйлера: «Письма к немецкой принцессе». История этой книги такова.

В пятидесятых годах XVIII столетия Эйлер жил за границей. Между ним и Ломоносовым завязалась дружеская переписка. Взгляды Ломоносова и Эйлера во многом совпадали. Эйлер горячо поддерживал Ломоносова во всех его научных начинаниях.

В 1766 году Эйлер вернулся в Петербург и вскоре подготовил к печати книгу, высказав в ней те взгляды на природу, которые возникли у него в результате переписки с Ломоносовым и своих собственных исследований. Эта книга называлась «Письма о разных физических и философических материях, писанные к некоторой немецкой принцессе».

Читала ли какая-нибудь принцесса «Письма» Эйлера, поняла ли она в них что-нибудь — неизвестно. Но Фарадей их не только читал, но и внимательно изучал.

Эйлер, разделяя материалистические взгляду Ломоносова, предлагал решительно изгнать из науки всякие вздорные представления об «электрических жидкостях», «флюидах» и «теплородах».

Как и Ломоносов, Эйлер был убежден, что все тела, все вещества состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек — корпускул или атомов. Следуя Ломоносову, он пришел к мысли о единстве явлений: механической силы, теплоты, света электричества, магнетизма.

Фарадей также был убежден в единстве магнитных и электрических явлений и решил доказать это на опыте.

Единство магнитных и электрических явлений

Еще задолго до Фарадея было известно, что молния может намагничивать и размагничивать стальные предметы. Например, в июле 1681 года молния ударила в корабль. Кроме обычных повреждений, причиненных ею, было замечено, что все три корабельных компаса испортились: два— размагнитились, у третьего северный конец стрелки стал показывать юг.

Однажды молния ударила в лавку торговца металлическими изделиями и разбила ящик, в котором лежали ножи и вилки. Некоторые ножи и вилки оплавились, другие оказались намагниченными.

Следовательно, электрический разряд способен придавать стали магнитные свойства и отнимать их.

Несколько важных наблюдений сделали ученые, искавшие связь между магнитными и электрическими явлениями. Один из них — датский физик Эрстед заметил, что электрический ток влияет на магнитную стрелку. Эрстед натянул провод от батареи в направлении с севера на юг. Под проводом он положил компас и пропустил по проводу ток. Стрелка компаса немедленно отклонилась в сторону.

Эрстед записал свое наблюдение: «гальваническое электричество, идущее с севера на юг над свободно подвешенной магнитной иглой, отклоняет ее северный конец к востоку, а, проходя в том же направлении под иглой, отклоняет ее к западу».

Известие об этом открытии Эрстед опубликовал 21 июля 1820 года.

Два месяца спустя — 25 сентября 1820 года — французский ученый Араго намотал на стеклянную трубочку несколько витков проволоки и положил в трубочку стальную иглу.

Когда по проволоке пропустили сильный электрический ток, игла намагнитилась.

Одновременно с Араго другой французский ученый — Ампер показал, что электрический ток, текущий по проводам, обладает магнитными свойствами. Он изобрел особый прибор, устройство которого показано на рис. 21: два прочных проводника разной длины изогнуты в виде буквы Г и укреплены вертикально.

Рис. 21. Прибор Ампера.

В верхней части этих Г-образных стоек сделаны чашечки. Обе стойки укреплены в приборе так, чтобы чашечки находились одна над другой.

В чашечки Ампер налил ртуть и опустил в них иголки, служившие опорой для проволочной четырехугольной рамки. Ртуть обеспечивала надежный контакт, а на иголках рамка могла вращаться очень легко, почти без всякого трения.

Перед опытом рамка была повернута так, чтобы один ее край находился против стойки, соединенной с плюсом батареи. Как только Ампер включил ток, рамка тотчас повернулась. Ее край отодвинулся от стойки, присоединенной к плюсу батареи, и приблизился к стойке, соединенной с минусом батареи. Сколько Ампер ни поворачивал рамку, она неизменно и упорно возвращалась к стойке, соединенной с минусом батареи.

Ампер установил, что электрический ток обладает магнитными свойствами: рамка, по которой течет ток, становится как бы магнитом. Токи, текущие в одном направлении, взаимно притягиваются, а токи, текущие в противоположных направлениях, отталкиваются.

Эрстед, Араго и Ампер неопровержимо доказали существование связи между магнитными и электрическими явлениями.

Фарадей же был убежден в большем. Он считал, что электричество и магнетизм, — как орел и решка из монете, — две стороны одного и того же явления. А чтобы доказать это — требовалось «превратить электричество в магнетизм и магнетизм в электричество». Так и было записано в 1821 году в дневнике Фарадея.

Через неудачи к победе

Вот как Фарадей выполнил свою задачу. Он намотал на деревянный барабан кусок медной проволоки длиной около 8 метров; чтобы витки не соприкасались между собой, Фарадей изолировал их тонким шнурком, который он наматывал вместе с проволокой (изолированных проводников тогда делать не умели).

Первый слой своей катушки ученый обернул коленкоровой лентой и поверх нее стал наматывать второй слой. Надежно изолировав второй слой, Фарадей намотал третий. Так была изготовлена проволочная катушка из 12 слоев, изолированных один от другого.

Первый, третий, пятый… — все нечетные слои Фарадей соединил последовательно, и они составили одну общую катушку. Точно так же были соединены вторая, четвертая, шестая — все четные слои обмотки. В результате у Фарадея получились как бы две катушки, намотанные одна внутри другой и надежно изолированные друг от друга. Концы проводов от одной катушки были присоединены к чувствительному гальванометру, а концы другой катушки — к батарее.

Из опытов Ампера Фарадей знал, что наибольшим магнитным действием обладает проводник, свернутый спиралью или намотанный катушкой.

Поэтому он предполагал, что ток, пройдя по одной катушке, окажет свое действие на другую, причем настолько сильное, что в ней возникнет ток, который отклонит стрелку гальванометра.

Присоединив катушку к батарее, Фарадей посмотрел на стрелку гальванометра, она стояла на нуле.

Ток шел по одной катушке и на другую катушку никакого влияния не оказывал (рис. 22).

Рис. 22. Прибор для повторения опыта Фарадея. В момент включения или выключения рубильника во внешней катушке проходит кратковременный ток.

Фарадей повторял опыт несколько раз, менял концы проводов у гальванометра и батарей. Все было безрезультатно.

Ожидания Фарадея не оправдались.

Ученого, который слепо преклоняется перед опытом, эта неудача заставила бы бросить начатую работу. Опыт не удается — ничего не поделаешь! Но Фарадей не принадлежал к таким ученым. «Если опыт не удался, — рассуждал Фарадей, — значит я не сумел его поставить. Ток должен влиять! Ток в одной катушке должен вызвать ответный ток во второй катушке!»

Фарадей упрямо продолжал опыты, кропотливо отыскивая причину неудач. Он продумывал каждую мелочь, каждое свое движение. На опыты ушло несколько лет настойчивого труда. Уже потеряв надежду на успех, Фарадей случайно обратил внимание на то, что он сначала присоединяет провода к батарее, а потом смотрит на гальванометр!

Оплошность!

Фарадей прикрутил провод катушки к одному полюсу батареи, поставил гальванометр так, чтобы можно было одновременно и присоединить второй провод и видеть стрелку гальванометра. Не сводя глаз со стрелки, Фарадей коснулся проводом полюса батареи. В момент соприкосновения стрелка гальванометра едва заметно вздрогнула.

Первый успех!

Фарадей коренным образом изменил свой прибор. Он намотал две медные изолированные спирали не на деревянный цилиндр, а на кольцо, сваренное из мягкого железа. Одна спираль охватывала правую половину кольца, вторая — левую. Между спиралями оставались небольшие промежутки железа. Иначе говоря, он сделал два электромагнита, для которых железное кольцо служило общим сердечником.

Концы проволок от одной спирали Фарадей прикрепил к гальванометру, затем, внимательно глядя на прибор, он подключил батарею ко второй спирали. Стрелка гальванометра не только дрогнула, она прыгнула, заметалась из стороны в сторону, далеко отлетая каждый раз от нуля. Стрелка как бы повторяла движения концов проводника, которые Фарадей держал в руках, и успокоилась только тогда, когда ученый поплотнее скрутил провода.

Это была долгожданная победа — плод беспримерного терпения, настойчивости и глубокого убеждения в правоте своей идеи.

После работ Ломоносова и Петрова открытие Фарадея было крупнейшим успехом науки об электричестве.

Единство магнитных и электрических явлений стало очевидным.

Явление, открытое Фарадеем, получило название электромагнитной индукции, то есть электромагнитного наведения или влияния.

Магнитное поле электрического тока

Опыт с магнитом и железными опилками известен с давних пор: магнит прикрывают бумажкой, а на бумагу насыпают железные опилки, и они, падая на бумагу, ложатся не бесформенной грудой, а собираются над полюсами магнита, составляя фигуру, слегка напоминающую двух многоногих пауков.

Опилки размещаются между полюсами и вокруг них по каким-то дорожкам. Магнитные силы заставляют частички металла сцепляться, укладываться вдоль магнитных «дорожек» цепочками, образуя симметричные узоры, состоящие из отдельных, правильно изогнутых линий (рис. 23).

Рис. 23. Магнит заставляет железные опилки располагаться вдоль магнитных силовых линий.

Если передвигать магнит под бумажкой с места на место, то и опилки будут перекатываться вслед за ним и располагаться в прежнем порядке вдоль дугообразных линий, окружающих полюсы магнита.

Эти дорожки-линии, по которым выстраиваются железные опилки, указывают направления, по которым действует магнитная сила.

Узор, составленный из опилок, дает наглядное представление о расположении магнитных силовых линий и доказывает, что магнит окружен магнитным полем, подобно тому, как электрический заряд окружен электрическим полем.

Магнитное поле представляет собой как бы продолжение магнита, его невидимую, но совершенно реальную материальную «оболочку». Если к северному полюсу магнита приближать северный полюс другого магнита, то сопротивление магнитных полей становится ощутимым — они пружинят, отталкивают, мешают соприкосновению одноименных полюсов.

Фарадей обнаружил, что не только природные магниты, но и каждый отрезок провода, по которому движутся электрические заряды, окружен со всех сторон кольцевыми силовыми линиями магнитного поля. Ученый доказал, что электрический ток всегда порождает магнитное поле вокруг проводника, по которому течет.

В существовании такого поля можно убедиться на опыте: проколоть кусок плотной бумаги иглой, продеть сквозь прокол провод и пропустить по нему сильный электрический ток (рис. 24).

Рис. 24. Электрический ток заставляет мелкие железные опилки укладываться возле проводника правильными кругами.

Если в это время сыпать на бумагу мелкие железные опилки, то они улягутся вокруг провода правильными концентрическими кольцами.

Теперь становится понятным опыт Эрстеда — магнитная стрелка под проводом, по которому бежит ток, отклоняется в сторону, потому что на нее действует магнитное поле электрического тока.

Магнитные свойства тока можно показать и более эффектным способом. Если к свободно подвешенному проводнику, по которому течет постоянный ток, поднести подковообразный магнит, проводник будет либо- втягиваться в подкову, либо выталкиваться из нее, в зависимости от направления тока и положения полюсов магнита (рис. 25).

Рис. 25. Подковообразный магнит втягивает в промежуток между полюсами проводник с током или выталкивает его в зависимости от положения полюсов магнита.

Открытие магнитного поля вокруг тока навело Фарадея на новую мысль.

Постоянный ток, текущий по проводу, хотя и окружен магнитным полем, но никакого влияния на соседний провод не оказывает. Индуктивного тока в нем не образуется. Он возникает только тогда, когда ток включают или выключают, то есть когда магнитное поле вокруг проводника либо разрастается, либо спадает. Следовательно, индуктивный ток порождается только изменяющимся магнитным полем.

При этом, когда в первичную обмотку включают ток, то во вторичной обмотке возникает «наведенный» индуктивный ток, он всегда течет навстречу току в первичной обмотке.

При размыкании — наоборот: во вторичной обмотке появляется индуктивный ток, текущий в том же самом направлении, что и в первичной обмотке.

Фарадей доказал, что «наведенный», индуктивный ток вторичной обмотки, в свою очередь, тоже влияет на первичную обмотку, он тоже вызывает в ней индуктивный ток. Подобное же явление наблюдается и в том случае, если для опыта возьмем только одну катушку.

Как только присоединим ее к полюсам батареи, по проводу катушки пойдет ток и в ней возникнет магнитное поле, усиливающееся вместе с током.

Усиление магнитного поля внутри катушки должно было бы индуктировать в ней же самой «встречный» ток, то есть противоположного направления. Однако по одному проводу ток одновременно в двух противоположных направлениях течь не может, и индукция будет лишь ослаблять включаемый ток. Значит, при включении тока возникающее магнитное поле замедляет нарастание его. Включенный ток достигает своей наибольшей силы не сразу, а постепенно.

Такое явление — влияние изменений силы тока в проводнике на самого себя — называется самоиндукцией. Самоиндукция имеет большое сходство с инерцией. Инерция препятствует мгновенному изменению скорости тела, а самоиндукция замедляет всякое изменение силы тока.

Особенно сильно проявляется самоиндукция у катушек с железными сердечниками. Когда включают большой электромагнит, ток в нем нарастает очень медленно — в течение нескольких секунд, и поэтому при включении в рубильнике проскакивает совсем маленькая искра, а то и вовсе ее не бывает. Зато когда выключают большой электромагнит, проскакивает сильная яркая искра, так как ток, поддерживаемый самоиндукцией, продолжает идти даже через воздушный промежуток, образующийся при разъединении контактов рубильника (рис. 26).

Рис. 26. Ток продолжает идти некоторое время после размыкания рубильника и образует яркую искру.

Явление самоиндукции особенно заметно, когда пропускают переменный ток по катушке с железным сердечником. При переменном токе движение зарядов происходит то в одну, то в другую сторону. Ток последовательно сначала нарастает, потом убывает, меняет направление и нарастает в другом направлении, вновь убывает, опять меняет направление и т. д. Он, а следовательно, и образуемое им магнитное поле все время меняются, а индуктивное действие поля все время мешает этим изменениям. Оно ослабляет ток.

Если включить в цепь лампочки накаливания, питаемой переменным током, катушку с железным сердечником, то она настолько ослабит ток, что лампочка почти потухнет. Если же сердечник вынуть, магнитное поле ослабеет, индуктивное действие его уменьшится, ток усилится и лампочка загорится (рис. 27).

Рис. 27. Железный стержень, вложенный в катушку, настолько увеличивает ее сопротивление переменному току, что лампочка гаснет.

Движения магнита рождают ток

Исследуя явление электромагнитной индукции, Фарадей решил воспользоваться для опытов самым обыкновенным магнитом. Ведь и постоянный магнит окружен магнитными силовыми линиями. Если постоянный магнит вдвигать внутрь проволочной катушки так, чтобы магнитные силовые линии пересекали витки проволоки, то в ней должен возникнуть электрический ток!

Для проверки своего вывода Фарадей намотал 220 футов медной проволоки на картонный цилиндр. Концы проводов от этой катушки он присоединил к гальванометру.

Затем он взял стальной намагниченный стержень и стал двигать его взад и вперед внутри своей катушки. Каждое движение магнита вызывало появление индуктивного тока.

Фарадей вдвигал стержень, и стрелка гальванометра отклонялась в одну сторону, а когда он выдвигал стержень, — стрелка отклонялась в другую сторону. Через гальванометр шел ток, и это был ток, рожденный не другим током, а движением обыкновенного магнита. Цель, которую преследовал Фарадей — «доказать неразрывную связь между электрическими и магнитными явлениями», была достигнута (рис. 28).

Рис. 28. Картина опыта Фарадея: движение намагниченного стержня вызывает образование электрического тока в проволочной катушке.

После открытия электромагнитной индукции Фарадей продолжал свои исследования. В январе 1833 года он закончил новую работу и установил тождественность так называемого «обыкновенного» электричества, возбуждаемого трением, и «гальванического», — возникающего в батарее.

Открытие электромагнитной индукции произвело переворот и в технике и в науке.

Начиная с 1600 по 1800 год — в течение двух веков — ученые исследовали только электрические заряды, их образование, накапливание, взаимодействие между собой, а также действие электрических разрядов.

С 1800 по 1831 год, то есть до открытия электромагнитной индукции, ученые все свое внимание обратили на новое явление — движение зарядов по проводникам исследовали особенности прохождения тока в металлах и жидкостях.

С 1831 года начинается новая эпоха. Ученые углубляются в изучение свойств полей — электрического и магнитного.

Теория Фарадея встречает возражения

Известие об открытии электромагнитной индукции облетело все академии мира. Ученые на равные лады и каждый по-своему повторяли опыты Фарадея. Некоторые замечали новые особенности этого явления, ставившие их в тупик. Возражения против выводов Фарадея сыпались, как желуди с дуба в ветреный день. У индуктивного тока обнаруживали какие-то особые свойства, отличающие его будто бы от тока, поставляемого обычной гальванической батареей. Было объявлено о существовании нового, «индуктивного» электричества.

Нашлись также «ученые», которые стали доказывать, что электромагнитная индукция позволяет осуществить вечное движение, и в подтверждение ссылались на опыты Фарадея с катушкой и магнитом, когда движение магнита внутри катушки вызывало в проволочной обмотке индуктированный ток.

Фарадей объяснял смысл своего опыта так: силовые линии магнитного поля, окружающего железный стержень, пересекают витки проволочной катушки и тем самым вызывают в ней ток.

Такое объяснение правильно, но оно не исчерпывает сути явления. Превратно толкуя результаты опыта, некоторые физики вообразили, что ток в данном случае рождается магнитом. А так как магнит, сколько его ни двигай взад и вперед, не портится, не ослабевает, и его «сила» никак не расходуется, то, очевидно, катушка с магнитом внутри является настоящим вечным двигателем, способным рождать электрическую энергию из ничего.

Основной и всеобщий ломоносовский закон: «из ничего не может возникнуть что-то» был чужд и непонятен большинству ученых того времени. Даже позже, в 1851 году, немецкого ученого Юлия Майера, который собрал неопровержимые доказательства в пользу закона сохранения энергии, попросту объявили умалишенным и поместили в сумасшедший дом.

Фарадей не довел до конца объяснение открытого им явления. Этим-то и воспользовались невежды, пытавшиеся воскресить порочную идею вечного двигателя.

Решительное слово Ленца

В 1833 году исследованиями электромагнитной индукции занялся молодой русский ученый Э. X. Ленц. Он весьма глубоко разобрал все возражения, выдвинутые против Фарадея, и методично, многочисленными опытами, показал, что все эти возражения и опровержения основаны на ошибках тех людей, которые повторяли опыты Фарадея. Они либо не умели правильно поставить эти опыты, либо совершенно произвольно их истолковывали.

Особо тщательно Ленц изучал взаимодействие между магнитом и проволочной катушкой. Он установил, что приближение намагниченного стержня к замкнутой[2] катушке вызывает в ней индуктивные токи такого направления, что их магнитное поле противодействует, сопротивляется движению стержня. Магнитное поле катушки выталкивает назад магнитный стержень, и для того, чтобы вдвинуть его в катушку, необходимо преодолеть это сопротивление, то есть совершить определенную работу против сил магнитного поля индуктивного тока.

Индуктивный ток, возникая в катушке, не рождается из ничего. Для его образования приходится затрачивать энергию, то есть работать. Значит, энергия не рождается, а лишь преобразуется: механическая энергия превращается в электрическую.

Если к проволочной катушке поднести железный стержень, а затем пропустить по катушке достаточно сильный ток, то катушка втянет в себя стержень, то есть электрическая энергия перейдет в механическую — в движение стержня.

Ленц нашел также закон преобразования электрической энергии в тепловую (рис. 29).

Рис. 29. Изображен опыт Ленца: ток, проходя по спирали, которая погружена в воду, нагревает ее, а приборы измеряют затраченную электроэнергию, термометр показывает выделение тепла.

Он ясно показал, что и для электрических явлений закон сохранения энергии остается незыблемым. И впервые мир услыхал от Ленца новое слово — электрическая энергия.

Энергия, затрачиваемая током на преодоление сопротивления проводника, превращается в тепловую энергию. Мы пользуемся ею для нагревания воды в электрическом чайнике, для накаливания нитей осветительных лампочек. В электромоторах электрическая энергия превращается в механическую работу и т. д.

Безграничны области применения этого вида энергии, впервые подробно изученной Ленцем.

Появляются новые термины

Закончив опыты с электромагнитной индукцией, свою следующую работу Фарадей посвятил исследованию химического действия тока. Ученый стал пропускать электрический ток через различные растворы, наблюдая, как под действием тока разлагаются химические соединения.

Во время опытов Фарадей убедился, что ему трудно составлять описание их, у него для этой цели не хватает терминов. Чтобы описать какую- нибудь пустяковую проволочку, опущенную в воду, приходится сочинять длинную запутанную фразу. Фарадей решил придумать новые простые и короткие названия, составив их из древнегреческих слов.

Разложение растворенного вещества с помощью электрического тока получило название: электролиз — электрическое разложение. Жидкость, которую наливают в батарею или в сосуд для разложения ее на составные части, Фарадей назвал электролит.

Проволочки, пластинки, стержни, по которым ток проникает в прибор или выходит из него, стали называться электродами.

Тот электрод, через который ток «входит» в какой-либо прибор, Фарадей назвал анод — что значит восход (ано — вверх, одос — путь; анодос — путь вверх). Электрод, через который ток уходит из прибора, — катод («иду вниз» — заход). Фарадей, следуя установившейся традиции, тоже считал, что ток идет от плюса к минусу.

Частицы вещества в электролите, которые переносят электрические заряды, Фарадей назвал ионами, что значит — странствующие. Ионы, двигающиеся при электролизе к аноду, получили название анионов; ионы, движущиеся к катоду, — катионов (рис. 31).

Рис. 31. Движение заряженных частичек — ионов — в электролите.

Все эти термины сохранились в науке до настоящего времени.

Химическое действие тока

Фарадей начал исследовать электролиз, повторяя опыты своих предшественников. Он разлагал электрическим током слегка подкисленную воду. Частицы воды при этом распадались на водород и кислород. Кислород собирался на аноде, водород — на катоде.

Чтобы эти газы во время опыта не улетучились, ученый надел на катод и на анод опрокинутые пробирки, заполненные водой. Пузырьки газов, отрываясь от электродов, подымались вверх и, вытесняя воду, скапливались под донышками пробирок. Это несложное приспособление позволяло измерять, сколько газов выделяется при электролизе (рис. 30).

Рис. 30. Размер и форма электродов не влияют на количество газов, выделившихся при электролизе.

После первых опытов у Фарадея зародилось предположение, что количество выделившихся газов зависит только от того, сколько тока было пропущено через электролит. Но прежде чем проверять свою догадку, Фарадей решил узнать, какое значение имеют размеры электродов. Он взял четыре одинаковые стеклянные банки и заполнил их слабым раствором серной кислоты. В первую банку Фарадей опустил самые большие пластинки, во вторую— поменьше, в третью — еще меньше, а в четвертую — тонкие короткие проволочки.

Все четыре банки Фарадей соединил проводами последовательно. Ток из первой банки переходил во вторую, из второй в третью, а из третьей — в четвертую. При таком соединении через каждую из банок проходит совершенно одинаковое количество электричества.

Фарадей присоединил провода к батарее и стал наблюдать. В пробирках побежали пузырьки газов.

Прошло десять минут, — водорода во всех банках выделилось поровну (то же можно было сказать и о количестве кислорода); ученый подождал еще 5 минут, — равенство не нарушилось, и на 25-й минуте опыта количество водорода во всех банках продолжало увеличиваться совершенно равномерно. Размеры электродов влияния на количество разложившегося вещества не оказывали.

За первым опытом последовали другие. Фарадей менял силу тока, концентрацию раствора кислоты, расстояние между электродами, но количество водорода всегда неизменно оставалось пропорциональным количеству электричества, пропущенного через электролит.

В последнем опыте Фарадей применил электроды одинакового размера и формы, но изготовленные из разных материалов. Катоды были платиновые, а аноды — один цинковый, другой — серебряный, третий — платиновый.

Банки, как и в первом опыте, были соединены последовательно. В результате оказалось, что водорода выделилось во всех банках поровну, а именно: 1 грамм (11,2 литра) на каждые 96500 кулонов электричества.[3]

Закон, найденный в опытах с водой, Фарадей стал проверять на других веществах. Он разлагал током соединение хлора с медью. Пропустив 96500 кулонов, получил на аноде 35,5 грамма (тоже 11,2 литра!) хлора, а на катоде 32 грамма меди.

При разложении раствора медного купороса 96500 кулонов электричества тоже выделяли 32 грамма меди.

Эти числа остаются неизменными. Любое химическое соединение, содержащее хлор, выделяет 35,5 грамма хлора на 96500 кулонов электричества. Любое вещество, содержащее медь, выделяет 32 грамма меди притом же количестве электричества.

Числа, полученные Фарадеем, свидетельствовали о неразрывно прочной связи между количеством пропущенного через электролит электричества и количеством выделившегося вещества. Это был незыблемый закон.

Фарадей записал свои выводы примерно так:

1. Количество выделяющихся на электродах веществ прямо пропорционально количеству электричества, пропущенного через электролит.

2. Вес порции каждого вещества, выделяющегося при электролизе на каждые 96500 кулонов, неизменен и зависит только от химических свойств этих веществ, то есть водорода — выделяется 1 грамм, кислорода — 8 граммов, меди — 32 грамма, серебра— 108 граммов и так далее.

Переправа электрических путешественников

Как объяснить упрямое постоянство, проявляемое химическими элементами при электролизе? В чем кроется причина такого постоянства? Что переносит вещества с такой строгой точностью: ни пылинки меньше и ни пылинки больше?

На эти вопросы Фарадей ответа дать не мог.

Но в чем же все-таки дело? Почему 96500 кулонов электричества всегда выделяют ровно 108 граммов серебра и ни одной крупиночки больше?

Представим себе мысленно реку. На ее берегах две пристани. К пристаням подходят шоссейные дороги. По шоссе спешат на пристань путешественники. Они подбегают к пристани, торопятся попасть на другой берег, но, увы, — нет ни парома, ни парохода. Имеются только одноместные рыбачьи челноки.

Броситься вплавь? Но плавать наши путешественники не умеют. Переправиться можно лишь на одноместных челноках.

Каждый путешественник садится в челнок, переправляется на другой берег и спешит дальше; брошенный им челнок остается возле пристани.

Сколько путников переправилось, столько же осталось на берегу челноков.

Но, разумеется, все это будет обстоять так при условии, что вес и рост всех путешественников и размеры всех челноков одинаковы. Окажись среди путников малыши, которые могли бы втиснуться вдвоем в один челнок, или среди челноков — большие лодки, способные вместить несколько путников одновременно, строгое соответствие между числом переправившихся путников и числом брошенных челноков неминуемо нарушилось бы.

Теперь представим себе, что путешественники — это электрические заряды, шоссе — провода, пристани — катод и анод, река — электролит, а челноки — частицы вещества.

«Челнок с пассажиром» — это заряженная частица вещества, которая движется к катоду или аноду в зависимости от знака заряда. Сколько переправилось мельчайших зарядов, столько же выделилось частиц вещества. Отсюда — строгое соответствие количества вещества и электричества при электролизе.

Электролиз показывал, что существуют наименьшие электрические зарядики и что эти зарядики все одинаковы.

Подобное рассуждение невольно наводит на мысль — нельзя ли определить вместимость «лодочки» и узнать, таким образом, величину электрического зарядика?

О постановке такого опыта во времена Фарадея не приходилось думать — тогда даже изолированная проволока считалась редкостью, а постройка сложных, точных приборов и подавно была невозможна. Самое же главное, — идея о прерывистом, зернистом строении электричества только начинала пробивать себе дорогу в науке.

То, что каждое вещество состоит из одинаковых мельчайших частичек, называемых атомами, установил гениальный Ломоносов. Химики, жившие после Ломоносова, на многих примерах убедились, что все вещества действительно состоят из атомов.

Во времена Фарадея атомистическая теория имела много приверженцев, но Фарадей к их числу не принадлежал.

Из его наблюдений следовало, что электричество, как и вещество, состоит из мельчайших частичек — наименьших зарядиков или порций. Однако сделать этот решающий вывод Фарадей не смог.

В своих исследованиях индукции и самоиндукции Фарадей поступал как ученый-материалист. Он руководствовался передовой теорией, а она заставляет каждого исследователя искать связь между явлениями, устанавливать зависимости, вскрывать причины, находить следствие. Передовая теория привела Фарадея к важным открытиям.

А для истолкования опытов с электролизом Фарадей пренебрег передовой атомистической теорией. И это сразу же обезоружило его. Он был вынужден остановиться на полдороге. Фарадей не смог сделать выводов из своих наблюдений и указать, что электролиз не только обнаруживает прерывистое «атомное» строение электричества, но и подтверждает мысль о прерывистом атомном строении вещества.

Только на склоне лет Фарадей признал атомистическую теорию, и у него зародилось смутное представление о связи между атомами и электрическими явлениями.

В одном из своих последних сочинений Фарадей писал: «Громадное количество фактов убеждает нас в том, что между атомами веществ и электрическими силами существует какая-то связь, и что именно этим силам атомы обязаны самыми поразительными свойствами и, между прочим, взаимным химическим сродством».

Эту связь установили другие ученые значительно позже, много лет спустя после смерти Фарадея.

Разница электрических уровней

Одновременно с Фарадеем жил и работал немецкий физик Георг Ом. Ом старался понять явление электрического тока, сравнивал его с другими, хорошо известными всем, явлениями природы.

«Почему река течет в море?» — спрашивал себя этот ученый. Потому, что уровень воды в ее верховьях выше, чем уровень воды в море. Разница уровней создает напор, и вода течет. А почему течет ток по проводам? Очевидно, и здесь существует разница уровней, создающая напор, заставляющая электричество течь от высокого уровня к более низкому. Если это так, то гальваническую батарею можно уподобить насосу, который перекачивает воду из одного сосуда в другой и создает разность уровней. Нижние части сосудов соединены трубкой, по которой вода течет из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с более низким уровнем, а насос, своей работой постоянно поддерживая разность уровней, заставляет воду непрерывно течь по трубке (рис. 32).

Рис. 32. Разность уровней в сообщающихся сосудах создает напор и движение жидкости в трубке, которая эти сосуды соединяет, а насос наверху непрерывно создает разность уровней.

Трубка, соединяющая сосуды с водой, может быть различной и по форме, и по материалу, и по устройству. Очевидно, что по тонкой трубке воде труднее течь, чем по толстой, по короткой — лучше, чем по длинной; по трубке с гладкими стенками — свободней, по трубке, забитой песком или шероховатой — с трудом.

Тонкий провод окажет электрическому току большее сопротивление, чем толстый, а короткий — меньшее, чем длинный. Серебряный или медный провода подобны чистым хорошим трубкам; железная или никелиновая проволоки — это как бы трубки, забитые песком и шероховатые. По такому проводу току придется «пробираться» с большим усилием.

Какая же величина соответствует высоте уровня при протекании электрического тока? Поверхностям одинаковых уровней воды в сосудах соответствуют точки одинакового потенциала в цепи. Разность потенциалов — это разность электрических уровней. Она и вызывает движение электрических зарядов.

«Отчего же зависит сила тока?» — спрашивал себя Ом. Во-первых, от разности потенциалов: чем больше «напор», тем сильнее будет ток. Во-вторых, от сопротивления проводника: чем больше будет сопротивление проводника, тем слабее потечет ток.

Ученый проверил свои соображения на опыте и установил, что сила тока в проводнике равна разности потенциалов на концах проводника, деленной на сопротивление проводника (разумеется, все величины должны быть взяты в определенных мерах). Это и есть закон Ома. Его обычно выражают в виде формулы i = u/r, где i — сила тока, u — разность потенциалов (напряжение), r — сопротивление проводника.

Закон Ома — один из основных законов электротехники. Зная две величины, из входящих в формулу закона, всегда можно найти третью. Если известны сила тока и разность потенциалов — найдем сопротивление проводника: r = u/i.

Зная силу тока и сопротивление проводника, найдем напряжение: u = i/r.

Ученые встретили закон Ома с большим недоверием. Электрические явления казались им невероятно сложными, разнообразными, не поддающимися расчету. И вдруг выясняется, что все необычайно просто: i равно u, деленному на r. Простота отпугивала ученых. Они сомневались, возражали, отрицали выводы Ома.

Около двадцати лет продолжалась борьба, однако, опровергнуть закон Ома никто не смог. Исследования русского ученого Э. X. Ленца подтвердили правильность этой зависимости, и примерно с 1847 года закон Ома получил всеобщее признание.

Электротехнические меры

В 1881 году в Париже собрался первый международный конгресс электриков. В годы, предшествовавшие конгрессу, в электротехнике создалось нетерпимое положение, напоминавшее библейскую историю Вавилонской башни, которую строители якобы не могли закончить потому, что начали говорить на разных языках. Электрики с трудом понимали друг друга, — ведь в разных государствах и даже в пределах одного государства применялись самые различные единицы для измерений электрического тока. В 1880 году насчитывалось 15 различных единиц сопротивления, 12 единиц напряжения, 10 единиц силы тока. И каждый применял те единицы, какие ему казались удобнее.

На этом конгрессе, при деятельном участии знамени! ого русского физика А. Г. Столетова, разнобой в единицах устранили и установили международные меры для электричества.

По решению конгресса электрическим единицам присвоили имена выдающихся физиков, изучавших электричество.

Тогда единица количества электричества и была названа кулоном. Кулон равен тому количеству электричества, которое выделяет из раствора серебряной соли 1,118 миллиграмма серебра.

Единица силы тока получила название ампер. Ток силой в 1 ампер, протекая через водный раствор азотнокислого серебра, выделяет на катоде 1,118 миллиграмма серебра в течение одной секунды. Иначе говоря, если через какой-нибудь проводник в каждую секунду проходит 1 кулон электричества, такой ток имеет силу в 1 ампер. Обозначается ампер буквой а или А.

Единица сопротивления проводников, по предложению А. Г. Столетова, была названа омом.

Ом равен сопротивлению, которым обладает ртутный столбик постоянного сечения высотой в 106,3 сантиметра и весом в 14,4521 грамма. Обозначается ом просто — ом или греческой буквой омега — Ω.

Единица, служащая для измерения разности потенциалов или напряжения, получила название вольт.

Вольт равен напряжению, которое создает силу тока в 1 ампер в проводнике, имеющем сопротивление в 1 ом. Обозначается буквой в или V.

Единица электрической емкости называется фарадой. Фарада равна емкости проводника, который способен вместить 1 кулон электричества при напряжении в 1 вольт. Фарада — слишком большая мера. Емкость всего земного шара не составляет 1 фарады, а потому в практике для измерения электрических емкостей применяются более мелкие меры — миллионные доли фарады — микрофарады. Обозначается микрофарада так: мкф или μF.

Глава третья. Электрон перестает быть незнакомцем

Свечение разреженного газа

Красивый яркий пурпурно-розовый свет, льющийся в трубках с разреженным воздухом, привлекал внимание многих исследователей. Ученые и даже просто школьные учителя физики многократно повторяли этот замечательный опыт академика В. В. Петрова. Они стремились понять причину загадочного свечения и дать ему объяснение. Они чувствовали себя, как мореплаватели, увидевшие на горизонте берег земли, не отмеченной на карте.

Для опытов изготовляли тонкостенные, стеклянные, запаянные с обоих концов трубки. Внутри трубки находились два металлических электрода, вводы которых были пропущены сквозь стекло.

Новые достаточно мощные воздушные насосы позволяли получать в трубках разрежение значительно более высокое, чем то, которого достигал в своих опытах Петров.

Присоединив проводники от электродов трубки к полюсам большой батарей, ученые постепенно откачивали воздух.

Сначала, когда насос только начинал действовать, в трубке ничего особенного заметить не удавалось. Воздух — плохой проводник электричества. Стрелка измерительного прибора — чувствительного гальванометра, отмечавшего даже самый слабый ток, включенного в цепь вместе с трубкой, оставалась недвижной: ток не шел.

Когда насос откачал большую часть воздуха, в трубке возникало красивое свечение в виде лучистой короны. Свет в короне струился и мерцал. Это были искусственно созданные эльмовы огни. Потом разряд принимал форму яркой нити, соединявшей электроды, нить превращалась в толстый шнурок, постепенно расслаивавшийся и, наконец, разряд заполнял всю трубку.

Непрерывно откачивая воздух, насос постепенно доводил давление в трубке до одной сотой нормального. Кистевой разряд к этому моменту сменялся пурпурно-розовым свечением, возникшим в конце трубки, возле анода, а у катода появлялось синеватое или фиолетовое свечение, но оно располагалось не возле самого катода, а чуть поодаль.

Между пурпурным свечением у анода и синеватым у катода неизменно появлялся темный промежуток. Гальванометр показывал, что через трубку в это время проходит значительный ток. Чем меньше оставалось в трубке воздуха, а следовательно, чем разреженнее становился он, тем сильнее отклонялась стрелка прибора. Казалось странным: если воздух не проводит электричества, то как может проводить его почти пустое пространство — вакуум?

При плотности воздуха в одну тысячную долю нормальной, свечение с анодной стороны распространилось почти на всю трубку и стало более ярким и слоистым. Оно напоминало пурпурные волны полярных сияний. Как мы теперь знаем— пурпурно-розовое свечение трубки и есть искусственно созданное полярное сияние.

Темный промежуток между синеватым свечением у катода и ярким у анода постепенно расширялся; световые явления в трубке располагались так, как это показано на рисунке 33.

Рис. 33. По мере того, как откачивают воздух из катодной трубки, характер свечения в ней меняется.

Делая опыты с трубками, физики изменяли состав газов и наблюдали, как при этом в трубке менялась окраска света. Особенно красивыми были световые явления в разреженном азоте. Трубки с азотом ярко сияли, струившийся из них пурпурно-красный свет озарял комнату. Столь же красиво, хотя и менее ярко, светился разреженный кислород.

Водород давал слабое розовато-фиолетовое свечение, а при сильном разрежении его свечение приобретало неприятный фиолетовый оттенок. Наиболее ярко светящиеся газы — аргон и неон — в те годы еще не были открыты. Свечение этих газов нам теперь хорошо знакомо: аргоном и неоном наполняют газосветные трубки, которыми освещают витрины магазинов или используют их для световых реклам и вывесок.

Открытие катодных лучей

В 1859 году давление воздуха в трубках удалось снизить до одной десятитысячной доли нормального атмосферного давления. При таком сильном разрежении в трубках пурпурно-розовое, слоистое анодное свечение меркнет, слабеет и, наконец, гаснет. При еще большей откачке воздуха анодное свечение вовсе исчезает. Фиолетовое же свечение катода заметно тускнеет, а стенки трубки принимают зеленоватый оттенок и сами начинают светиться, темное же пространство распространяется от катода по всей трубке.

Пространство внутри трубки выглядит почти темным, зато на ее стеклянной стенке, как раз напротив катода, появляется яркое изумрудно-зеленое светящееся пятно: стекло в этом месте становится похожим на драгоценный камень.

Это наводит на мысль, что теперь трубку пронизывают какие-то невидимые лучи, которые распространяются от катода и вызывают свечение стекла. Предметы, поставленные на их пути, отбрасывали резкую тень, как изображено на рисунке 34.

Рис. 34. Предмет, поставленный поперек катодного луча, отбрасывает в зеленом пятне явственную тень.

Эти лучи-невидимки получили название катодных лучей.

При изготовлении трубок мастеру-стеклодуву не всегда удавалось поместить катод строго напротив анода. Обычно катод был чуть-чуть наклонен или повернут в сторону; случалось также, что и трубка получалась слегка изогнутой. При малых разрежениях газа в трубке это совершенно не влияло на характер свечения. Свечение все равно струилось от катода к аноду и «находило» анод, где бы он ни помещался.

Когда ученые добились очень больших разрежений, нечаянные ошибки стеклодувов помогли обнаружить новые свойства катодных лучей: они шли по прямым линиям, строго перпендикулярно к поверхности катода, как бы «не обращая внимания» на анод; если анод не лежал напротив катода, то лучи миновали анод стороной.

Для опыта был сделан стеклянный сосуд в виде шара.

В нем поместили три анода и один катод.

Сначала путь разряда, заметный благодаря свечению газа, разделился на три ветви и они, изгибаясь дугами, шли каждый к своему аноду. Но при очень большом разрежении три ветви лучей слились в один поток и уперлись в стекло напротив катода (рис. 35).

Рис. 35. Три ветви лучей при сильном разрежении газа сливаются в один пучок.

Такое поведение разряда оставалось непонятным, а ученые, продолжая откачивать воздух, доводили разрежение в трубках уже до миллионных долей, стремясь узнать, какие еще неожиданности могут преподнести загадочные лучи-невидимки.

Но ожидания не оправдались. При предельно низком давлении катодные лучи ослабели, зеленое сияние в стекле померкло, а приборы отметили почти полное прекращение тока в цепи трубки.

Один исследователь попробовал нагреть катод в трубке, в которой вследствие слишком большого разрежения погасли катодные лучи. Когда катод раскалился, зеленое поле в стекле напротив катода вспыхнуло с прежней силой, и погасить его уже не удавалось, хотя воздушный насос продолжал откачивать последние остатки воздуха. Раскаленный катод испускал лучи, несмотря на почти полное отсутствие воздуха. Излучение прекратилось только, когда катод остыл.

Более странных явлений физикам прежде наблюдать, пожалуй, не приходилось. Что представляют собой эти таинственные лучи? В их электрической природе сомневаться было невозможно, приборы показывали, что через трубку течет ток. Но… что такое катодные лучи? Родственны ли они световым? Или, может быть, это струи каких-то новых неизвестных частиц?

Ученые заинтересовались катодными лучами и ставили один опыт за другим. Заказывали трубки самой различной, подчас фантастической формы.

Было замечено, что стекло в том месте, где сияло зеленое пятно, сильно нагревается. Это доказывало, что катодные лучи несут значительную энергию.

В одной из трубок ученые применили катод, изготовленный в виде вогнутого зеркала. Катодные лучи, испускаемые катодом такси формы, сходились в фокусе, как сходятся коническим пучком солнечные лучи, прошедшие сквозь выпуклое стекло (лупу). В фокусе солнечных лучей·, собранных большой лупой, можно плавить свинец, воспламенять бумагу. В фокусе вогнутого катода плавились и кипели такие тугоплавкие металлы, как платина или иридий.

Одно время ученым казалось, что катодные лучи — не что иное, как мельчайшие частички металла, отрывающиеся от катода и летящие с огромной скоростью. Действительно, после долгого пользования катодной трубкой на ее стенках оседал металлический налет. Но он появлялся не только там, где сияло зеленоватое свечение, а распространялся по всей трубке и отлагался гуще вблизи катода. Металлические частицы катода летели не струей по одному направлению, а веером, во все стороны. Большое значение при этом имел материал, из которого был сделан катод. Катодные лучи одинаково хорошо вылетали из серебряного и из медного катодов, но распыление шло по-разному — серебро распылялось быстрей, чем медь.

Было доказано, что катодные лучи к металлическим частицам, вылетающим из катода, отношения не имеют. Лучи двигаются сами по себе, а частицы — сами по себе.

Катодные лучи оставались загадкой.

Именно в этот период, характеризуя состояние учения об электричестве, Фридрих Энгельс писал:

«В учении же об электричестве мы имеем перед собою хаотическую груду старых, ненадежных экспериментов, не получивших ни окончательного подтверждения, ни окончательного опровержения, какое-то неуверенное топтание во мраке, не связанные друг с другом исследования и опыты многих отдельных ученых, атакующих неизвестную область вразброд, подобно орде кочевых наездников. Ив самом деле, в области электричества еще только предстоит сделать открытие, подобное открытию Дальтона, открытие, дающее всей науке средоточие, а исследованию — прочную основу. Вот это-то состояние разброда в современном учении об электричестве, делающее пока невозможным установление какой-нибудь всеобъемлющей теории, главным образом и обусловливает то, что в этой области господствует односторонняя эмпирия…»[4]

Загадочное лучистое вещество

Новые мысли зародились в результате опытов с катодной трубкой и магнитом.

Когда к трубке поднесли магнит, катодный луч изогнулся наперерез силовым линиям магнитного поля (рис. 36).

Рис. 36. Когда к трубке поднесли магнит, то катодный луч изогнулся наперерез магнитным силовым линиям.

Лучи, как видимые — световые, так и невидимые — инфракрасные и ультрафиолетовые, не отклоняются магнитом. Светоносная же струйка в катодной трубке повинуется влиянию магнита, значит, она не световой луч, а именно струйка! Но чего? Частиц какого-то вещества?

Это вещество не может быть металлом катода. Когда катод распыляется, его частицы летят не так, как движется неизвестная материя катодного луча. И это не частицы воздуха, так как катодный луч проходит в трубке, даже при самой высокой степени разрежения воздуха.

Исследователи попробовали повернуть магнит, расположенный возле катодной трубки. Его укрепили так, чтобы северный полюс оказался на месте южного, а южный — на месте северного. От перестановки магнита катодный луч изогнулся в противоположную сторону. Если в начале опыта он отклонялся вниз, то теперь он выгнулся вверх. Словом, поведение катодного луча напоминало движение провода с током в магнитном поле (см. выше рис. 25).

Эти странные явления допускали только одно, естественное объяснение: катодный луч не что иное, как поток отрицательных зарядов — мельчайших частичек отрицательного электричества, то есть электрический ток.

Уже явление электролиза наводило на мысль о существовании элементарных зарядов. Но там эти заряды были связаны с обломками молекул — с ионами, которые служили им «лодочками». Здесь же они выступали самостоятельно, так сказать, в чистом виде и летели в безвоздушном пространстве катодной трубки «вольными птицами».

Но можно ли сказать, что заряды, путешествующие на ионах, и заряды, образующие катодный луч, — это одни и те же заряды? Равны ли они между собой по величине? Нет ли между ними какой-либо разницы?

На эти вопросы ученые смогли дать ответ только после ряда новых опытов.

Подсчет атомов

К 90-м годам прошлого столетия атомистическая теория торжествовала полную победу. Атомы существуют! Это считалось окончательно доказанным. Правда, физики того времени представляли атом несокрушимо прочным шариком или кирпичиком, который никоим образом нельзя разбить на части, но это временное заблуждение тогда еще не мешало развитию науки.

В ту пору было известно 75 различных видов или сортов атомов, иначе говоря — 75 химических элементов.[5] Каждый химический элемент состоит из своих атомов: золото — из атомов золота, ртуть — из атомов ртути и так далее.

Были раскрыты законы, по которым атомы, соединяясь между собой, образуют молекулы простых веществ и химических соединений.

Ученые определили вес атомов каждого химического элемента, приняв за единицу измерения одну шестнадцатую долю веса атома кислорода.

Великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев в 1869 году построил свою знаменитую периодическую систему элементов, о которой речь будет впереди. Он уточнил определение атомных весов химических элементов и привел в стройный порядок все накопленные наукой знания об атомах.

Физики, совместно с химиками, сумели сосчитать число атомов, содержащихся в одном грамме любого химического элемента. Выяснилось, что 6,023∙1023 атомов водорода весят 1 грамм, а 6,023∙1023 атомов любого другого элемента весят столько граммов, сколько единиц в атомном весе этого химического элемента. Значит порция азота весом в 14 граммов содержит столько же атомов, сколько и порция кислорода в 16 граммов, или порция натрия в 23 грамма и так далее.

Поэтому вычисление количества атомов в одном грамме любого простого тела оказалось очень несложным делом. Надо число[6] 6,023∙1023 разделить на атомный вес химического элемента. Частное от деления покажет, сколько атомов составляют один грамм. Например, атомный вес ртути равен 200,61. Делим 6,023∙1023 на 200,61 и получаем 3∙1021. Это и есть число атомов в одном грамме ртути.

Столь несложным способом можно вычислить сколько атомов содержится б любом куске золота, железа, углерода или какого-либо иного простого тела.

Найденное правило действительно не только по отношению к атомам. С его помощью можно определить число молекул, составляющих один грамм любого химического соединения. Для этого вместо атомного веса надо знать молекулярный вес химического соединения. Например, молекулярный вес воды (Н2O) равен 18, следовательно один грамм воды состоит из 3,34∙1022 молекул, так как 6,023∙1023: 18 = 3,34∙1022.

Успехи атомистической теории чрезвычайно помогли разобраться в сущности электрических явлений.

Электрон получает признание

Ученые повторили фарадеевские опыты по разложению химических соединений электрическим током. Они заново произвели точнейшие измерения и убедились, что для разложения 6,023∙1023 молекул какого-либо вещества, через его раствор нужно пропустить самое меньшее 96500 кулонов электричества.

Для разложения стольких же молекул некоторых других веществ требуется больше электричества, например для разложения молекул сернокислого магния (английская соль) надо затратить двойное количество электричества.

Но при этом наблюдается важная закономерность: количество электричества может превысить наименьшее либо ровно в два раза, либо в три раза, но ни в коем случае не в полтора или в два с половиной раза. Иначе говоря при электролизе на каждые 6,023∙1023 молекул разлагаемого вещества порция электричества может быть больше 96500 кулонов только в целое число раз.

Значит, на каждую молекулу при разложении ее обязательно приходится расходовать целое число совершенно одинаковых зарядов электричества.

Стало быть, существует такая порция электричества, которая больше делиться не может, поэтому встречается обязательно целое, но не дробное число раз.

Из прерывного, атомного строения вещества необходимо следует и прерывное строение электричества.

Ученые сделали вывод, что электричество состоит из каких-то необычайно маленьких, уже неделимых порций, являющихся как бы «атомами» электричества.

Видимо, величину этой наименьшей и неделимой порции электричества можно определить, разделив число израсходованных кулонов на число разбитых молекул: 96500∙6,023∙1023 = 1,60∙10-19 кулона.

Это и есть заряд мельчайшей, известной современной науке порции отрицательного электричества — электрона.

Такое название этой «наименьшей порции» электричества было дано ей в 1891 году. Слово электрон быстро вошло в обиход и окончательно утратило всякую связь со своим прежним греческим значением (янтарь).

Итак, электрон получил признание и имя, но знали о нем еще слишком мало.

Он оставался таинственным незнакомцем, неизвестно где обитающим, невесть откуда появляющимся и гак же загадочно ускользающим.

Магнит и луч

Физики с новой энергией взялись за исследование явлений, происходящих в катодной трубке.

Катодный луч, который правильнее называть потоком электронов, повинуется влиянию магнита. Когда к катодной трубке подносят магнит, то под бездействием магнитного поля пути электронов, летящих от катода, искривляются, и электронный луч изгибается дугой.

Физики решили воспользоваться воздействием магнитного поля на поток электронов в разрядной трубке для того, чтобы добыть нужные сведения о массе и заряде электрона. Они рассуждали так: предположим, что в магнитном поле летит некая маленькая частичка. Если она не имеет никакого заряда, то магнитное поле на нее не подействует: частичка полетит по прямой линии.

Если же частичка несет электрический заряд, это равноценно электрическому току, ее путь в магнитном поле искривится. Чем больше будет заряд, тем сильнее отклонится в сторону частица. Но каждая частичка обладает также и некоторой массой и, следовательно, инерцией. Чем тяжелее будет частичка, тем труднее заставить ее свернуть с прямого пути. Значит, заряд содействует, а масса — инерция противодействуют искривлению пути электронов в разрядной трубке.

Для физиков это оказалось довольно досадным обстоятельством. Ведь частички с большим зарядом и большой массой отклоняются в магнитном поле точно так же, как и частички с малым зарядом и малой массой. Отличить, где какая масса или где какой заряд — невозможно.

Наблюдая отклонение электронов в магнитном поле, ученые не смогли определить отдельно ни массы, ни заряда электрона, а только узнали, какой заряд приходится на единицу массы электрона. Иными словами, удалось найти отношение заряда электрона к его массе.

Для точных измерений построили особую катодную трубку. В этой трубке, неподалеку от катода, поместили металлическую пластинку с небольшим отверстием в центре.

Металлическая пластинка предназначалась для того, чтобы задерживать большую часть электронов. Через отверстие в пластинке мог прорваться только узкий пучок лучей. Вот этот тонкий, как проволочка, пучок лучей и послужил ученым основой для необходимых опытов.

С помощью своих приборов физики измерили: магнитное поле, величину искривления электронного луча под влиянием магнита и разность потенциалов, приложенную к катодной трубке (от этой разности зависит скорость электрона).

Оказалось, что заряд электрона, выраженный в кулонах, больше его массы, выраженной в граммах, почти в 1760 тысяч раз. Иначе говоря, физики получили такую формулу: е/м = 1,76∙103 кулонов/грамм, где буквой е обозначен заряд электрона, а буквой м — его масса. В отдельности же величины е и м по-прежнему оставались неизвестными.

Правда, вычисление, сделанное на основании опытов Фарадея, дало величину заряда электрона: е = 1,60∙10-19 кулона. Подставив это значение е в формулу, можно узнать, чему равно м — масса! Для этого надо 1,60∙10-19 разделить на 1,76∙103, и мы получим 9,1∙10-28 грамма. Это и будет масса одного электрона.

Однако никто тогда не знал и никто не доказал, что наименьшая порция электричества, которая переносится одним атомом при электролизе, равна заряду электрона, летящего в катодном луче. Это еще предстояло доказать, а потому величина массы электрона в 9,1∙10-28 грамма нуждалась в подтверждении и проверке опытом.

Влияние света на искру

В восьмидесятых годах прошлого столетия замечательный русский ученый, профессор Московского университета Александр Григорьевич Столетов решил разобраться в одном странном явлении, которое было замечено немецким физиком Герцем.

Во время одного из своих опытов Герцу показалось, что свет электрической искры, проскакивающей между шариками в электрической машине, облегчает образование искры в другом приборе. Герц проверил свое наблюдение и установил, что такое же действие оказывает на искру электрическая дуга. Ее яркий сильный свет, падая на искровой промежуток, как-то помогает появлению искр. На свету искры проскакивают при меньшем напряжении, чем в отсутствие дугового освещения.

Причины этого Герц не нашел и сообщение о своих наблюдениях опубликовал без всякого объяснения.

В том, что связь между световыми и электрическими явлениями существует, Столетов не сомневался, но искру он считал неподходящим объектом исследования. Искра вспыхивает на мгновение, быстро гаснет. Измеряя что-либо при столь скоротечном явлении, легко ошибиться, а исследовать, не измеряя, — бессмысленно.

Если свет облегчает электрическому току путь через воздух, думал Столетов, то его влияние должно сказаться и на слабом токе обычной гальванической батареи, а ток от гальванической батареи можно измерять с большой точностью. Для этого существуют чувствительные гальванометры.

Свет рождает ток

Вместе со своим помощником, талантливым изобретателем И. Ф. Усагиным, Столетов построил задуманный прибор. Они вырезали из цинковой пластинки круг диаметром в 22 сантиметра, тщательно очистили его и укрепили стоймя на вертикальном изолированном штативе. Затем из металлической сетки они вырезали круг того же размера и натянули его на проволочный обод. Сетчатый кружок укрепили на стойке так же, как и цинковый.

Из лабораторного проекционного фонаря с электрической дугой Усагин вынул все линзы. Столетов знал, что стекло задерживает и поглощает ультрафиолетовые лучи, способствующие образованию электрической искры. Была также подготовлена новая батарея и подобран гальванометр (рис. 37).

Рис. 37. Когда луч света, пронизывая сетчатый электрод, падал на цинковый кружок, через воздушный промежуток между электродами шел ток.

20 февраля 1888 года А. Г. Столетов приступил к опытам. На лабораторном столе находился проекционный фонарь. В двадцати сантиметрах от него, поперек светового пучка поставили сетчатый кружок; сразу же за ним, примерно на расстоянии в двадцать миллиметров, поместили цинковый кружок. Таким образом, когда зажигали фонарь, его луч пронизывал сетчатый кружок и падал на цинковый, то есть освещал сразу оба кружка.

Провод от плюса батареи присоединили через гальванометр к сплошному кружку, а провод от минуса батареи — к сетчатому.

Оба кружка служили в приборе Столетова электродами, такими же, как и в катодной трубке, но только они не были заключены в стеклянный футляр, а располагались на открытом воздухе.

При потушенном фонаре ток через прибор не шел, потому что сетчатый электрод нигде не касался цинкового: цепь была разорвана воздушным промежутком между кружками, и стрелка гальванометра стояла на нуле.

По знаку Столетова Усагин включил фонарь. Зашипела дуга. Сильный, резкий луч яркого белого света упал на электроды. Столетов настороженно следил за гальванометром. Стрелка прибора как будто бы чуть-чуть шевельнулась, но так незначительно, так незаметно, что ее легкое колебание никак нельзя было считать предвестником удачи.

Такое поведение стрелки не обескуражило Столетова. Он поменял местами провода от батареи: отрицательный присоединил к сплошному кружку, а положительный — к сетчатому.

Снова Усагин включил фонарь. И в то же мгновение стрелка гальванометра дрогнула и отошла от нуля. Ток пошел! Воздушный промежуток между электродами перестал быть преградой.

26 февраля 1888 года Столетов отметил в лабораторном журнале первый успех.

Столетов спрашивал себя: в чем сущность этого явления? Быть может, свет, изменяя свойства воздуха, делает его проводником электрического тока? Это предположение Столетов отверг. Оно неверно. Когда плюс батареи был соединен с цинковым кружком, а минус с сетчатым — ток не шел, хотя воздушный промежуток был освещен. Значит, дело не в изменении свойств воздуха.

Столетов проверил свой вывод. Он повернул оба кружка ребром к фонарю. Теперь луч света скользил вдоль кружков, пронизывал воздушный промежуток, только слегка задевая электроды. Стрелка гальванометра оставалась на нуле. Тока не было.

Значит, причину явления следует искать в том действии, которое оказывает свет именно на электроды? Хорошо. Но на какой из них? Электродов два — сетчатый и сплошной. Может быть, свет «сдувает» электрические заряды с сетки и гонит их на цинковый кружок?

Сомнительно! Редкой сетке из тонкой проволоки достается слишком мало лучей, почти весь световой поток свободно проходит сквозь нее и падает на цинковый электрод. Ему достается подавляющее количество света. Именно в нем надо искать причину явления.

Все явление протекало так, как будто свет «вышибал» отрицательные заряды из цинковой пластинки, а затем они притягивались к положительно заряженной сетке.

Столетов записал свои выводы так: «Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно-заряженного тела, уносят с него заряд. Это действие лучей сказывается исключительно на отрицательно заряженной пластинке. Положительный заряд лучами не уносится».

Опять непонятная закономерность

Для серии новых опытов Усагин, по указанию Столетова, вырезал из плотного картона диск с семью круглыми одинаковыми отверстиями.

Усагин укрепил этот диск на оси так, чтобы его можно было вращать перед отверстием (оправой объектива) фонаря с нужной для опыта скоростью. Вращаясь, диск попеременно то открывал, то закрывал доступ свету из фонаря к цинковому электроду.

В то время, когда Усагин вращал картонный диск, Столетов следил за стрелкой гальванометра. Свет фонаря прорывался сквозь отверстия диска отдельными короткими порциями. При каждом воздействии светового луча, стрелка гальванометра совершала резкий скачок в сторону. Стремительность колебаний стрелки показывала, что ток в цепи прибора возникает мгновенно.

Ускоряя и замедляя скорость вращения картонного диска, Столетов установил, что никакой задержки или промедления в образовании тока не происходит: свет вспыхивает — ток возникает.

Хотя одно из явлений служит причиной, а другое — следствием, промежуток времени между ними был ничтожно мал. Можно считать, что свет и ток возникают одновременно.

Столетову удалось установить этот факт с точностью до одной тысячной доли секунды. Советские ученые, повторившие опыты Столетова с более совершенной и точной аппаратурой, доказали, что между вспышкой света и образованием тока в приборе не проходит даже одной трехмиллионной доли секунды.

Поразительное свойство прибора Столетова мгновенно отзываться на свет позволило в наши дни создать звуковое кино, читающие станки, «говорящие» часы и другие замечательные устройства.

Результаты своих дальнейших исследований Столетов записал в лабораторном журнале: «разряжающим действием обладают главным образом ультрафиолетовые лучи».

В этом Столетов убеждался неоднократно; достаточно было перегородить луч света от фонаря обыкновенной стеклянной пластинкой, и ток в приборе мгновенно прекращался. Самый сильный видимый свет не мог заменить даже слабого потока ультрафиолетовых лучей. Электрические заряды цинкового кружка были нечувствительны к лучам видимого света даже при большой их энергии.

Такая зависимость электрических зарядов, находящихся в цинковой пластинке, от лучей только определенного рода, показалась ученым очень важным признаком, теснейшим образом связанным со свойствами света и электричества.

Продолжая опыты, Столетов сделал еще одно наблюдение: та часто лучей, которая отражается цинковой пластинкой, никакого действия не производит. Важна только та часть, которая поглощается пластинкой, и чем больше поглощено ультрафиолетовых лучей, тем сильнее ток.

Эти закономерности удалось объяснить только много позже.

Но уже во времена Столетова его опыты над «распылением» электричества, как он сам выражался, подтверждали мысль о существовании элементарных отрицательных зарядов — частичек электричества. Действительно, опыты Столетова легче всего объяснялись предположением (потом подтвердившимся), что свет выбивает из металлов отдельные электроны.

Электроны вылетают из атомов

В 90-х годах прошлого столетия в биографии электрона оказались записанными ответы на три анкетных вопроса: «имя», «масса» и «заряд». Однако сведения, занесенные в две последние графы, не заслуживали безусловного доверия, их следовало подтвердить непосредственными лабораторными измерениями. Но должно было пройти почти пятнадцать лет, прежде чем нашли способ, как определить опытным путем точные значения массы и заряда электрона.

За этот промежуток времени ученые, продолжая исследовать мир предельно малых частиц, сумели приобрести сведения и для четвертой графы анкеты: «местожительство».

В 1896 году были впервые замечены явления радиоактивности урана, способность его испускать невидимые лучи. Три года спустя знаменитый физик Мария Склодовская-Кюри, совместно со своим мужем Пьером Кюри, нашла новые радиоактивные, то есть излучающие элементы. Радиоактивными оказались кроме урана: полоний, радий, торий.

Уран и торий были известны и ранее, а радий и полоний были открыты Склодовской-Кюри, которая выделила их из урановой руды.

Радиоактивные вещества привлекали внимание физиков своими необычайными, поистине волшебными свойствами. В присутствии радия драгоценные камни даже в полной темноте начинают сверкать и искриться, а краски, изготовленные с примесью сернистого цинка, излучают лунное зеленоватое свечение. Стекло пробирки с радием со временем меняет окраску и приобретает фиолетовый оттенок. Электрические машины в присутствии радия перестают действовать, так как воздух под влиянием лучей радия становится проводником электричества. Прикосновение пробирки с радием к коже вызывает тяжелые трудно заживляемые ожоги.

Радий портит фотографические пластинки, упакованные даже не в картонные, а в металлические коробки.

Самые обычные вещества, соприкасавшиеся с радием в свою очередь становятся радиоактивными. Лучи радиоактивных веществ проходят сквозь стекло и металлы (рис. 38).

Рис. 38. Излучение радиоактивных элементов проникает сквозь непрозрачные тела. На рисунке изображена медаль, сфотографированная с помощью радиоактивных лучей.

Открытие радиоактивных элементов подтвердило гениальное предвидение, высказанное Фридрихом Энгельсом и русскими передовыми учеными прошлого века — А. М. Бутлеровым и Н. А. Умовым том, что атомы лишь кажутся неделимыми, на самом же деле они представляют особые сложные миры.

Однажды в лаборатории Кюри произошел чрезвычайно интересный случай, показавший ученым одну важную особенность радия.

Крупинки радиевой соли, добытые Марией Склодовской из отходов урановой руды, супруги хранили в ампулах, — в небольших, наглухо запаянных, стеклянных трубочках. Пьеру Кюри для опытов понадобилась новая порция радия. Кюри взял в одну руку ампулу, а в другую нож, намереваясь метким и осторожным ударом отбить кончик ампулы так, чтобы не рассыпать драгоценное вещество. Намечая место удара, Пьер Кюри приложил лезвие ножа к ампуле и в тот же момент услышал характерный треск электрической искры. В стеклянной стенке ампулы появилась трещинка и маленькая круглая дырочка.

Пьер Кюри позвал жену, и они вдвоем сквозь лупу стали рассматривать отверстие, пробитое неизвестно откуда взявшейся искрой.

Пьер Кюри взял из шкафа другую ампулу, и оба исследователя, напрягая слух и зрение, склонились над ней. Пьер Кюри осторожно приблизил нож к ампуле. Как только лезвие коснулось стекла, раздался треск электрической искры. Пьер Кюри почувствовал легкий толчок в руку, а в стекле ампулы появилась крошечная круглая дырочка. Сомнений не оставалось: за время хранения радий выделил электрические заряды.

Затем было обнаружено, что радий непрерывно выделяет из себя газ радон, который со временем превращается в обычный гелий. Распад атомов больше не вызывал сомнений.

Бета-частицы оказались электронами

Так как радиоактивные элементы, распадаясь, выбрасывают какие-то частицы, то физики занялись исследованием излучения радия. Они надеялись, что в лучах радия окажутся осколки атомов, и это позволит судить об устройстве самих атомов.

Чтобы исследовать все, что вылетает из атомов радиоактивных элементов, был построен несложный прибор. Его главная часть состояла из пустотелой свинцовой «бомбочки» с очень толстыми стенками. В эту бомбочку поместили небольшое количество радиевой соли.

Свинец для изготовления бомбочки был выбран потому, что он поглощает излучение радия и, тем самым, мешает частицам разлетаться во все стороны. Излучение радия должно было проникать за пределы свинцовой бомбочки только через маленькое круглое отверстие — окошко, просверленное в стенке свинцового кубика.

На некотором расстоянии против окошка поместили экран, покрытый сернистым цинком. Когда в лаборатории потушили свет, ученые увидели на экране светящееся зеленоватое пятнышко — след лучей радия, выходящих из отверстия.

Затем к невидимой струйке, вырывавшейся из отверстия в свинцовом кубике, поднесли магнит, и тотчас на экране зеленоватое пятнышко разделилось на части. Вместо одного пятнышка заискрились три. Это наглядно свидетельствовало, что струйка частиц, излучаемая радием, под влиянием магнита распалась на три самостоятельных и разнородных луча (рис. 39).

Рис. 39. Под воздействием магнитного поля поток радиоактивного излучения разделился на три ветки.

Среднее пятнышко осталось на прежнем месте, — очевидно, в излучении радия есть нечто такое, что не имеет электрического заряда и потому не поддается влиянию магнитного поля. Ученые назвали этот вид излучения гамма-лучами. По своим свойствам гамма-лучи близки свету или ультрафиолетовым лучам.

Второе пятнышко отошло от среднего положения на очень небольшое расстояние, оно только слегка отклонилось в сторону; это указывало, что масса частиц, образующих второй луч, сравнительно велика. Направление, в котором отклонялись летящие частицы, свидетельствовало об их положительном заряде. Этот поток тяжелых, положительно заряженных частиц ученые назвали альфа-лучами, а частицы — альфа-частицами. Они оказались ядрами атомов гелия.

Третья струйка изогнулась точь-в-точь так же, как и электронный луч в катодной трубке. Эта струйка состояла из отрицательно заряженных частиц, которые получили название бета-частиц. После всесторонней проверки выяснилось, что бета-частицы обладают всеми свойствами электронов, иными словами, они и есть самые обыкновенные электроны.

Этим-то и объясняется странное явление, которое пришлось наблюдать Кюри, когда они вскрывали ампулы с радиевой солью. Быстрые электроны прорывались сквозь тонкое стекло ампул, а положительный заряд накапливался в ампуле и пробивал стекло, когда Кюри касался его ножом.

Бета-частицы содержатся в излучении многих радиоактивных элементов. Следовательно, при распаде атомов наряду с другими лучами и частицами возникают также и электроны. Ученые того времени сделали поэтому вывод, что электроны входят непременной частью в состав атомов.[7] Это было необычайно важным открытием. Оно окончательно и бесповоротно доказало, что местообитанием электронов, а может быть даже и их родиной, являются атомы.

Идеалисты переходят в наступление

Большинство ученых XIX века представляли себе атом неделимым, абсолютно постоянным, обладающим неизменной массой. Они считали его первоначальным, извечным и неизменным «кирпичом мироздания».

И вдруг в мире привычных научных воззрений стали известны новые удивительные факты — ученые ознакомились с явлениями радиоактивности.

Атомы, казавшиеся до того времени несокрушимыми, разваливались буквально на глазах. Вещество исчезало, распадалось, а среди продуктов распада находились не только вещественные частицы — атомы других более легких химических элементов, но и частицы отрицательного электричества — электроны и даже гамма-лучи.

Все это было ново, необычно, странно. Все это под корень подрубало старые понятия и о веществе и об энергии. Прежние воззрения рушились. Казалось, пошатнулись основы физических наук.

Ученые-идеалисты воспрянули духом. В течение всего XIX века, под напором непрерывных успехов науки, они были вынуждены сдавать одну позицию за другой. Открытия Фарадея, Менделеева, Бутлерова, Максвелла, Столетова и многих других ученых разрушали идеалистические представления о мире.

Теперь же, на рубеже XX века, новые факты давали идеалистам удобный случай перейти в решительное контрнаступление и вернуть утраченный авторитет. С еще большим рвением ученые и философы идеалистического лагеря ринулись в атаку на материализм, надеясь, что им удастся раз и навсегда сокрушить материалистическое миропонимание.

Штурм начался с самых различных позиций. Одни, опираясь на незавершенные опыты Кюри, утверждали, что радиоактивные элементы являются неисчерпаемыми источниками энергии — вечными двигателями, в которых энергия рождается из ничего. И, следовательно, великий ломоносовский закон: «из ничего не может возникнуть что-то» — неверен. Идеалисты объявили этот основной закон природы недействительным.

Другие доказывали, что материя в радиоактивных элементах превращается в излучение, а излучение, рассеиваясь в пространстве, якобы бесследно исчезает. И они делали ложный вывод, что материя не вечна, она исчезает, уничтожается.

Третьи обращали свое внимание на природу электрона.

Эти физики признавали электрон не мельчайшей частицей вещества, а только простейшим элементарным зарядом, а электричество считали одним из видов энергии.

И все эти физики-идеалисты, искажая истину, говорили: атомы состоят из электронов, а электроны только заряды. Значит атомы не материальны, не вещественны. Материя в действительности не существует, а существуют одни заряды — одна энергия.

Наконец, нашлись ученые, которые, повторяя теории древних философов-идеалистов, отрицали все. Они пытались доказать, что будто бы ни атомов, ни электронов и вообще ничего на свете нет. Земля, Вселенная, атомы и электроны — это не более как наши ощущения, это только понятия, введенные для удобства мышления и рассуждений. Материи нет, есть только наши понятия, которые можно облачать в форму математических уравнений.

Весь этот вздор, оглушая и ослепляя исследователей природы, мешая разобраться в сущности новых и непонятных явлений, хлынул в науку.

Все сторонники идеалистического мировоззрения, несмотря на некоторое различие во взглядах, дружно стремились к одной цели. Они пытались доказать, что материя уничтожима, не вечна, не действительна, а бог, дух — неуничтожимы, вечны.

Гениальная книга В. И. Ленина

Подлинная наука выдерживала яростный штурм реакционной философии. Владимир Ильич Ленин в своей замечательной книге «Материализм и эмпириокритицизм» привел один из эпизодов этого штурма.

В начале нашего века известный естествоиспытатель Эрнст Геккель написал небольшую книгу под названием «Мировые загадки». Это было довольно наивное произведение, в котором Геккель вовсе не стремился показать себя материалистом. Он даже открещивался от этого названия. Но в книге Геккель описывал все так, как это есть в действительности: добросовестно, правдиво излагал сущность последних открытий, приводил убедительные факты. И его книга вызвала целую бурю.

В. И. Ленин писал: «Популярная книжечка сделалась орудием классовой борьбы. Профессора философии и теологии[8] всех стран света принялись на тысячи ладов разносить и уничтожать Геккеля. Знаменитый английский физик Лодж пустился защищать бога от Геккеля. Русский физик, г. Хвольсон, отправился в Германию, чтобы издать там подлую черносотенную брошюрку против Геккеля…

…Нет числа тем теологам, которые ополчились на Геккеля. Нет такой бешеной брани, которой бы не осыпали его казенные профессора философии. Весело смотреть, как у этих высохших на мертвой схоластике мумий — может быть, первый раз в жизни — загораются глаза и розовеют щеки от тех пощечин, которых надавал им Эрнст Геккель. Жрецы чистой науки и самой отвлеченной, казалось бы, теории прямо стонут от бешенства…

Он — материалист, ату его, ату материалиста, он обманывает публику, не называя себя прямо материалистом— вот что в особенности доводит почтеннейших господ профессоров до неистовства».[9]

Геккелю угрожали расправой, ему присылали подметные письма, наполненные бранью, — называли ученого «собакой», «безбожником», «обезьяной» и, наконец, когда Геккель работал в своем кабинете, кто-то запустил в окно огромным булыжником, рассчитывая размозжить ученому голову…

В это смутное время, против реакционной философии, в защиту подлинной науки, в защиту материализма выступил Владимир Ильич Ленин. В своей книге «Материализм и эмпириокритицизм» он подверг уничтожающей критике реакционные теорийки буржуазных философов и физиков.

Он объяснил, что «реакционные поползновения порождаются самим прогрессом науки. Крупный успех естествознания, приближение к таким однородным и простым элементам материи, законы движения которых допускают математическую обработку, порождает забвение материи математиками. „Материя исчезает“, остаются одни уравнения»,[10] — писал В. И. Ленин, высмеивая попытки ученых- идеалистов одними математическими формулами объяснить весь мир.

В. И. Ленин разоблачил старания теоретиков идеалистического лагеря «упразднить» материю или подменить ее энергией.

Материя — не только вещество

Физики старой школы считали материей только вещество, то есть только то, что состоит из молекул и атомов. Современная наука показала, что вещество не кончается атомами. Ведь и атомы делимы! Они состоят из различных мельчайших частиц. В ядрах атомов обнаружены положительно заряженные частицы — протоны и нейтральные — нейтроны. Окружающая ядро атома оболочка состоит из электронов. Все эти частицы тоже вещественны.

Но материя это не только вещество. Величайшая заслуга В. И. Ленина состоит в том, что он доказал ошибочность старого, примитивного понятия материи-вещества. Электрические и магнитные поля, свет и другие виды излучения, которые представляют собой колебания электромагнитного поля, — это тоже материя.

И тысячи примеров из повседневной жизни и промышленного производства эго подтверждают. Мы видим, как магнитное поле проволочной спирали, по которой течет сильный электрический ток, втягивает в себя железный стержень и переводит стрелки трамвайных путей.

Мы видим, как в быстропеременном электрическом поле высыхают гигантские фарфоровые изоляторы для высоковольтных линий и предостерегающие надписи предупреждают работающих об опасности попасть в такое поле.

Магнитные поля электромоторов движут наши трамваи, троллейбусы, автобусы ЗИС-154 и электропоезда.

Введите медный стержень между полосами сильного электромагнита и попробуйте вращать стержни вокруг его оси. Вам покажется, что стержень погружен в густую смолу, настолько трудно вращать его со сколько-нибудь большой скоростью в магнитном поле.

Электрические и магнитные поля невидимы, но это не значит, что они не материальны. Человек, нечаянно сунувший руку в быстропеременное электрическое поле, мгновенно почувствует, что оно не менее материально, чем кипяток или пламя.

«Материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение; материя есть объективная реальность…»[11]

«В мире нет ничего, кроме движущейся материи»,[12] — писал Ленин.

Материя и движение неразрывны. Нельзя представить материю без движения или движение без материи, одно без другого — бессмыслица.

В мире движется все — движутся млечные пути (звездные системы), звезды и пылинки, движутся молекулы, атомы и частицы, их составляющие.

Движение — это не только перемещение из одного пункта в другой, не только вращение или колебание, но и химическое соединение и разложение, теплота и электрический ток, кристаллизация, рост и распад, изменение видов. Движение — это всякое изменение, всякое развитие.

Наши органы чувств дают не кажущееся, не воображаемое представление об окружающем мире, как утверждают идеалисты, а действительное.

Наши знания о природе хотя и не вполне точны, приблизительны, но с каждым успехом науки они становятся точнее, правильнее. Окружающий мир именно таков, каким мы его видим, и В. И. Ленин приводит наглядный пример: «Человек в темной комнате может крайне неясно различать предметы, но если он не натыкается на мебель и не идет в зеркало, как в дверь, то, значит, он видит кое- что правильно».[13]

Так и ученые еще не вполне ясно различают, что именно происходит в мире атомов и в области электромагнитных полей, но не идут «в зеркало, как в дверь». Физики уже отыскали способ, как поставить на пользу человечеству электромагнитные поля, создали радио, научились разрушать и строить атомы — значит ученые правильно понимают некоторые явления мира малых частиц.

Гениальное произведение В. И. Ленина расчистило дорогу подлинной науке и оказало ей неоценимую помощь.

Передовые ученые, особенно русские, советские, продолжали настойчиво, упорно трудиться, постепенно, шаг за шагом раскрывая суть сложнейших явлений. Их труды полностью подтверждают основное положение марксистской философии о материальности мира.

Измерение заряда электрона

Физики прекрасно понимали, что, несмотря на все успехи электронной теории, она остается незавершенной— ни масса, ни заряд электрона еще не определены непосредственным опытом. Это было слабым местом теории — ее ахиллесовой пятой.

Измерение заряда электрона — стало первоочередной задачей, над которой начали трудиться многие специалисты.

Предшествующие исследования заряда электрона показали, что он ничтожно мал; было совершенно ясно, что если к какому-либо большому предмету добавить один электрон или, наоборот, отнять его, то уловить изменение заряда этого предмета не сможет ни один прибор на свете.

Для большого воздушного шара-стратостата майский жук, залетевший в гондолу, незаметен, а для маленького детского воздушного шарика жук будет чересчур тяжелым пассажиром.

Поэтому можно попытаться взять настолько маленькое тело, совсем ничтожную пылинку, чтобы потеря ею одного электрона уже стала заметна.

Академик А. Ф. Иоффе, намереваясь измерить заряд электронов, пошел именно по такому пути. В качестве пылинок он использовал мельчайшие капельки цинковой амальгамы, то есть ртути, к которой было добавлено небольшое количество цинка.

Две горизонтальные металлические пластины, разделенные воздушным промежутком, составляли главную часть прибора для измерения заряда. В верхней пластине имелось небольшое отверстие. С одной стороны воздушный промежуток между пластинами освещала обычная электрическая лампочка, с другой стороны стояла лампа — источник ультрафиолетовых лучей. Эта лампа имела заслонку, чтобы открывать ее на короткое время.

Спереди был пристроен микроскоп, через который можно было наблюдать все, что будет происходить во время опыта в промежутке между пластинами (рис. 40).

Рис. 40. Схема прибора, построенного академиком А. Ф. Иоффе для измерения заряда электрона.

К пластинам была приложена определенная разность потенциалов, причем верхняя пластина соединялась с положительным полюсом батареи, а нижняя — с отрицательным. Напряжение на пластинах можно было регулировать по желанию, то есть увеличивать или уменьшать так, как это могло бы потребоваться по ходу предстоящего опыта.

После проверки работы всех частей прибора А. Ф. Иоффе приступил к измерению. В промежуток между пластинами через отверстие в верхней пластинке вдули некоторое количество тончайших ртутных капелек.

Капельки рассеялись по всему воздушному промежутку и под действием силы тяжести медленно, плавно начали оседать на нижнюю пластину.

Иоффе включил напряжение. Между пластинами образовалось электрическое поле. Тотчас же капельки, которые обладали положительным зарядом,[14] стремительно понеслись вниз к отрицательно заряженной пластине, а капельки, имевшие отрицательный заряд, стали подниматься вверх, притягиваясь к положительно заряженной пластине.

Среди отрицательно заряженных капелек имелось несколько таких, которые почти недвижимо висели в воздухе, — не опускались и не поднимались.

Чтобы совсем остановить движение одной отрицательно заряженной капельки, Иоффе так подобрал разность потенциалов между пластинами, что притяжение верхней пластины точно уравновесило вес капельки. Отрицательно заряженная капелька повисла в воздухе совершенно неподвижно.

Желая убедиться, что капелька сама по себе ни опуститься ни подняться не может, Иоффе держал ее во взвешенном состоянии несколько суток, и она висела, словно привязанная невидимой ниточкой.

Перед началом опыта Иоффе записал разность потенциалов на пластинках, которая удерживала капельку во взвешенном состоянии, а затем на мгновение приоткрыл заслонку на ультрафиолетовой лампе. Лучи пронизали воздушный промежуток между пластинами и вырвали из капельки несколько электронов (вспомните опыт Столетова), заряд капли изменился, и она полетела вниз.

Иоффе увеличил напряжение на пластинах, подтянул капельку на прежнее место и опять заставил ее висеть неподвижно.

Затем он приоткрыл заслонку на ультрафиолетовой лампе, и снова лучи согнали с капельки несколько электронов, капелька стала падать, но Иоффе подтянул ее и уравновесил.

В третий раз ученый открыл заслонку, и в третий раз ультрафиолетовые лучи согнали с капельки несколько электронов, а Иоффе опять вернул ее на старое место. Так он повторял эту операцию до тех пор, пока никакое изменение напряжения на пластинах уже не могло удерживать капельку во взвешенном состоянии, и она падала, повинуясь только земному тяготению.

Притяжение положительно заряженной пластины перестало оказывать на нее свое влияние. Это означало, что ультрафиолетовые лучи лишили капельку ее заряда, электроны покинули капельку.

Капельке дали спокойно упасть, а через отверстие в верхней пластине впустили новую порцию капелек. Среди них выбрали одну, удержали ее в неподвижном состоянии, и опыт начался сначала.

В конце концов и вторая капелька, лишившись заряда, опустилась вниз; ее заменили, опыт продолжался. Только большое число одинаковых опытов могло дать надежный результат.

Проходили дни за днями. Щелкала заслонка, открывая и закрывая путь ультрафиолетовым лучам.

Через поле зрения микроскопа прошло несколько сот капель. В лабораторном журнале выстроились длинные столбцы цифр. Число измерений достигло нескольких сотен.

И среди этих измерений ни разу не случалось, чтобы заряд, выбиваемый из пылинки, оказался меньше совершенно определенной величины.

Заряд уходил всегда только целыми порциями, и этих порций было либо одна, либо две, либо три, четыре, пять, но ни разу заряд не уменьшился на полпорции или на полторы или на две с половиной.

Таким образом было установлено, что электрический заряд уходит только в виде определенных порций отрицательного электричества, то есть в виде электронов.

Работа продолжалась. Вместо ртутных капелек стали вдувать цинковые пылинки и пылинки других веществ, и всегда электрический заряд покидал пылинку одинаковыми порциями. Это означало, что «цинковый» электрон ничем не отличается от «медного». Заряд электрона, выбитого из золотой пылинки, нисколько не больше и не меньше заряда электрона, выбитого из железной пылинки. Все электроны — одинаковы.

Но это было не все! Неизвестным оставалось самое главное — заряд одного электрона. Однако невидимка уже не мог прятаться. А. Ф. Иоффе знал, что все наимельчайшие зарядики равны между собой, и знал также, сколько этих зарядиков-электронов он согнал ультрафиолетовыми лучами с каждой капельки ртути.

Оставалось решить совсем простенькую арифметическую задачу: разделить величину первоначального заряда капли на число согнанных электронов и в частном от деления получить заряд одного электрона.

Но прежде чем решать такую задачу, предстояло узнать, чему же был равен заряд капли до того, как ее стали освещать ультрафиолетовыми лучами? И это было хотя и самое трудное дело, но все же далеко не безнадежное, ведь капелька, висевшая в промежутке между двумя пластинами, подвергалась действию двух сил: сила тяжести тянула ее вниз, а электрическая сила — вверх. И обе эти силы были равны, потому что капелька не подымалась и не падала — висела неподвижно. Значит, стоило только узнать, чему равен вес капельки ртути, и тогда стала бы известна величина электрической силы.

Вес капельки надо было измерить. Однако эта капелька была так мала, что даже в поле зрения микроскопа она казалась не шариком, а только блестящей звездочкой. Измерить ее обычным способом, как измеряют маленькие шарики, было невозможно, и Иоффе применил иной способ.

Зная удельный вес ртути и измерив скорость падения капельки, можно очень точно определить ее вес. Так А. Ф. Иоффе и сделал: когда капелька в конце опыта полностью лишилась своего заряда и стала падать, ученый тщательно измерил скорость ее падения, а затем вычислил вес капельки. Так А. Ф. Иоффе узнал величину электрических сил, действовавших на каплю, а затем и величину заряда капли, потом разделил на число выбитых электронов и получил заряд одного электрона.

Величина заряда электрона была измерена таким способом непосредственно.

По современным измерениям заряд электрона равен 4,8∙10-10 абсолютных электростатических единиц, или 1,6∙10-19 кулона. Иначе говоря, в одном кулоне содержится такое количество электронов, которое определяется миллиардами миллиардов, а именно равно 6,25∙1018.

После измерения заряда электрона физики снова вернулись к опыту с магнитом и катодной трубкой, который был поставлен в конце прошлого столетия. Тогда они сумели очень точно измерить, насколько отклоняется электронный пучок в магнитном поле, и это позволило установить соотношение между зарядом электрона и его массой.

Теперь ученые повторили этот опыт и, зная величину заряда электрона, определили, что его масса действительно равна 9,1∙10-28 грамма.

Электрон — одна из мельчайших частиц материи. Он легче дробинки во столько же раз, во сколько раз дробинка легче земного шара.

Почти двадцать лет ученые трудились, чтобы измерить массу и заряд электрона и доказать его существование. Их усилия увенчались полной победой. Реальность электрона была утверждена опытом.

И вся история этого открытия блестяще подтвердила гениальное положение, выдвинутое товарищем И. В. Сталиным: «В противоположность идеализму, который оспаривает возможность познания мира и его закономерностей, не верит в достоверность наших знаний, не признает объективной истины, и считает, что мир полон „вещей в себе“, которые не могут быть никогда познаны наукой, — марксистский философский материализм исходит из того, что мир и его закономерности вполне познаваемы, что наши знания о законах природы, проверенные опытом, практикой, являются достоверными знаниями, имеющими значение объективных истин, что нет в мире непознаваемых вещей, а есть только вещи, еще не познанные, которые будут раскрыты и познаны силами науки и практики».[15]

В напряженной борьбе с мракобесами и реакционерами из идеалистического лагеря победу одержали представители передовой материалистической науки. Они на опыте доказали, что электрон — не плод воображения ученых, придумавших электрон только для того, чтобы было удобнее объяснить электрические явления.

Электрон действительно существует, и наши знания о нем — достоверные знания!

Глава четвертая. Пленники невидимой крепости

Открытие мирового значения

В 1869 году великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев совершил открытие мирового значения.

Изучая различные особенности химических элементов — их способность вступать в соединение друг с другом, их плотность, электропроводность и прочее— Менделеев обратил внимание, что среди них встречаются элементы, очень похожие друг на друга. Медь по своим свойствам родственна серебру — оба эти металла хорошо проводят тепло и электрический ток. А у серебра есть сходство с золотом.

Легкоплавкое и мягкое олово напоминает легкоплавкий и мягкий свинец.

Всем известный иод с его характерным запахом, фиолетовый в парообразном состоянии и буро-коричневый в растворе, похож на бром — вещество буро-красного цвета, очень едкое, с неприятным удушливым запахом, которому оно обязано своим названием (бром в переводе с греческого означает зловонный). Ближайшими родственниками брома являются — хлор, удушливый ядовитый газ зеленовато-желтого цвета и двойник хлора — фтор, газ желтовато-зеленого цвета с резким и неприятным запахом.

Таким образом у каждого химического элемента имеются по два-три (а иногда и больше) «родственника». Но эти «родственники» сильно отличаются друг от друга по одному признаку — по атомному весу.[16]

Если же взять элементы близкие друг другу по атомному весу, то опять наблюдается несомненная закономерность. Вот, например, натрий — это очень горючий металл. Он горит даже в воде, отнимая у нее кислород.

Его сосед по весу — магний — тоже горючий металл, его употребляют фотографы в качестве осветительного материала. Но магний загорается гораздо хуже натрия. Горюч и алюминий, сосед магния по весу, но спичкой его уже не подожжешь. Его приходится предварительно измельчать в порошок. В таком виде он входит в состав «термита», которым сваривают трамвайные рельсы.

Д. И. Менделеев с гениальной прозорливостью понимал, что сходство элементов не может быть случайным. В этом сходстве несомненно скрывается важная закономерность, и великий химик занялся поисками природы этой закономерности.

Для удобства работы ученый выписал названия химических элементов, их атомные веса и основные свойства на небольших кусочках картона. У него получилось 63 карточки, по числу известных в то время химических элементов.

Хотя многие из элементов тогда еще не были открыты, но закон, по которому повторяются сходные свойства, Менделеев установил.

В настоящее время известно сто элементов. Первым в списке стоит самый легкий элемент — водород, за ним следуют все остальные элементы, расположенные в порядке возрастающих атомных весов. К концу 1951 года список элементов замыкал уже вновь открытый элемент № 100 — центурий.

Для примера рассмотрим группу лития — натрия— калия. Все эго легкие, блестящие металлы. Если кусок калия или натрия бросить в воду, вспыхивает пламя. Металл разлагает воду на водород и кислород, жадно соединяясь с кислородом. Его окисел, растворяясь в воде, образует щелочь. Реакция идет так бурно, с таким выделением тепла, что и металл и водород загораются и пылают над водой. По своим химическим свойствам литий, натрий и калий необычайно похожи друг на друга. И в списке элементов они занимают определенные места: литий — третье, натрий — одиннадцатое, калий — девятнадцатое, то есть их разделяют восемь номеров.

Члены другого семейства химических элементов — фосфор, мышьяк и сурьма — ядовиты, хрупки, и в списке они отделены друг от друга восемнадцатью номерами. Точно также восемнадцатью номерами отделены хлор от брома и бром от иода. Между этими элементами также есть много общего.

Свойства более тяжелых элементов повторяются не через 8 или 18 номеров, а через 32 номера. На тридцать втором месте от олова стоит свинец. Золото от серебра отделено также 32 номерами.

8, 18, 32 — числа, явно связанные со свойствами элементов. Каждый восьмой, или восемнадцатый, или тридцать второй повторяют некоторые особенности своих более легких предшественников по списку. При этом следует обратить внимание, что и в этих числах 8, 18, 32 скрыта своя определенная математическая закономерность. 8 — это дважды два, помноженное на два. 18 — трижды три, помноженное на два. 32 — это четырежды четыре, помноженное на два.

Тут есть над чем призадуматься. Даже в порядковых номерах элементов, если они расположены по атомным весам, таится какой-то определенный и точный закон.

Периодическая система элементов

Менделеев открыл существование этого закона и доказал, что химические свойства элементов повторяются периодически, то есть через определенное число элементов, и образуют отдельные группы.

Чтобы значение установленного закона было очевидным и наглядным, Менделеев расположил все элементы в виде таблицы. Получилась знаменитая, всемирно известная «таблица периодической системы элементов».

В горизонтальных рядах таблицы элементы размещены в порядке последовательного изменения их свойств от металлов к металлоидам. В вертикальных столбцах они стоят по родственным признакам. Натрий расположился под литием, калий под натрием. Фосфор, мышьяк и сурьма сошлись в пятом столбце, а фтор, хлор, бром, иод — в седьмом.

Размещая карточки с названиями элементов в найденном порядке, Менделеев убедился, что атомные веса, которые были определены другими химиками, не всегда верны.

Атомный вес бериллия был указан — 13,5. Это невозможно! Бериллий по своим свойствам родственен магнию. Он должен стоять в вертикальном столбце над магнием. Следовательно, бериллий легче бора. И Менделеев, не прикасаясь к весам или к каким-либо приборам, действуя только на основании открытого им закона, зачеркивает 13,5 и пишет — 9.

Точно так же Менделеев исправил атомные веса урана, ванадия, церия, титана.

При размещении всех известных тогда элементов некоторые клетки Менделееву пришлось оставить не занятыми. Значит еще не все элементы обнаружены — сделал вывод Менделеев. Со временем «хозяева» пустующих клеточек найдутся!

И хотя никто в мире даже не подозревал о существовании новых элементов, Менделеев заранее указал их свойства и атомные веса.

Многие ученые встретили установленный Менделеевым закон с явным недоверием. Русский химик, открывает новые элементы вне лаборатории, взвешивает их без весов! Он предсказывает свойства элементов без анализа, даже не видя их!

В 1875 году поступило первое сообщение: нашелся один из предсказанных Менделеевым элементов. Его свойства и атомный вес почти в точности соответствовали предначертаниям Менделеева.

Тогда химики стали проверять атомные веса элементов. Опять оказалось, что Менделеев прав, действительно атомный вес бериллия равен 9, а уран должен занять свое место не в середине списка, как раньше, а в самом конце его.

В 1879 году открыли еще один менделеевский элемент. Затем нашли третий элемент!

Это была замечательная победа русского ученого и всей русской науки! Слава Менделеева прогремела по всему миру. Ученые оценили все величие и значение трудов Менделеева.

Менделеев помог разоблачить гнилое идеалистическое учение о непознаваемости природы. Своим открытием Менделеев доказал, что настоящий ученый обязан не только видеть, но и предвидеть факты.

Именно поэтому Фридрих Энгельс оценил открытие Менделеева как «великий научный подвиг».

Таблица Менделеева стала настольным пособием всех химиков, физиков, геологов. С ее помощью стали искать новые элементы и не наугад, а заранее зная не только их свойства, но даже горные породы, в которых они могут содержаться.

Закон Менделеева признали все. Его изучали, применяли, постоянно убеждались в его непреложности. И вместе с тем — это был закон-загадка. Почему свойства элементов повторяются с математической правильностью? В чем скрыта причина периодичности?

Планетарная модель атома

Через 15 лет после опубликования закона Менделеева, известный русский ученый и революционер Н. А. Морозов указал, что причину периодичности свойств элементов следует искать в числе электрических зарядов, заключенных в атоме. Это замечательное предвидение оправдалось только в начале нашего столетия, когда ученые получили некоторое представление об устройстве атома.

Атомы чрезвычайно малы. В пяти каплях воды содержится атомов больше, чем капель в Черном море. Чтобы напечатать в этой книге только одну точку, был израсходован миллиард атомов углерода, входящего в состав типографской краски.

Несмотря на столь незначительные размеры атом имеет весьма сложное строение.

Первая разведка внутриатомного мира была сделана в начале нашего века. Ученые старались придумать модель атома, которая позволила бы наглядно представить его строение.

Самая первая из моделей атома была крайне проста. Атом — это шарик заряженный положительно, внутри которого, как семечки в огурце, расположены электроны, — утверждал автор этой гипотезы. Однако были обнаружены явления, которые никак не согласовались с такой моделью. Было найдено, что альфа-частица из радиоактивного вещества, пролетая в воздухе, пронизывает сотни тысяч атомов, почти не отклоняясь от своего пути. И только изредка она резко меняет направление, как бы натолкнувшись на что-то непроницаемое. Значит, атом нельзя представлять себе как шарик, сплошь заполненный веществом.

Вторая модель атома называется планетарной.

Еще в сороковых годах прошлого столетия профессор М. Г. Павлов в своих лекциях по физике утверждал, что строение вещества связано с электрическими зарядами и что химические элементы имеют строение, подобное, устройству солнечной системы.

Впоследствии эта забытая гипотеза была воссоздана и разработана англичанином Резерфордом и датчанином Бором. Их модель изображала атом в виде крохотной планетной системы. В центре атома находится маленькое, но массивное, положительно заряженное ядро, представляющее собой «солнце» атомного мира. Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, обращаются по своим орбитам электроны.

Планетарная модель атома больше похожа на действительный атом, чем первая.

Однако, наряду с некоторым сходством в устройстве атома и солнечной системы, между ними существует большая разница.

В солнечной системе действует сила тяготения. В атоме действуют иные силы. Ядро атома несет положительный заряд, а электроны являются простейшими отрицательными зарядами.

В солнечной системе планеты обращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости. В атоме электроны вьются вокруг ядра по всем направлениям, охватывая ядро со всех сторон.

Планеты не могут переходить с одной орбиты на другую или, покинув солнечную систему, перекочевывать в другие планетные системы. Электроны же под влиянием внешнего воздействия — ударов других частиц материи — могут перескакивать с орбиты на орбиту и даже совсем, покидать атом, превращаясь в «вольных путешественников».

Наконец, атом в 1022 раз меньше солнечной системы. Такая огромная разница в масштабах обусловливает глубочайшие качественные различия между солнечной системой и атомом. Механика атома настолько отличается от механики больших тел, что, в сущности, вообще нельзя говорить об орбитах электронов. Мы можем только сказать, что ядро атома окружено электронным облачком или электронной оболочкой.

Электроны внутри оболочки размещены слоями, на определенных расстояниях или уровнях от ядра атома, и современная физика позволяет только указать, сколько электронов находится в каждом слое электронной оболочки атома данного элемента.

Следует, однако, сказать, что для наглядного объяснения многих явлений можно все же представлять атом в виде ядра, окруженного электронами, движущимися по определенным орбитам. Нужно только помнить, что в действительности атом гораздо сложней такой упрощенной модели.

Устройство электронных оболочек

Самый простой и легкий из атомов — это атом водорода. Водородный атом состоит из ядра, несущего один положительный заряд[17], и одного единственного электрона. Ядро атома водорода получило особое название — протон, что значит первичный.

Следующий за водородом в системе Менделеева элемент — гелий. Ядро атома гелия примерно вчетверо тяжелее протона. Оно состоит из двух протонов и двух частиц, которые почти равны протонам по массе, но лишены электрического заряда. Такие, не имеющие заряда, нейтральные частицы названы нейтронами.

Вокруг ядра атома гелия движутся два электрона.

Третью клеточку в таблице Менделеева занимает щелочной металл литий. Вокруг его ядра обращаются три электрона.

Элемент № 4 — бериллий. Его ядро содержит четыре положительные заряда, и окружено оно четырьмя электронами.

Если мы возьмем наугад какой-либо элемент из середины менделеевской таблицы, то убедимся, что этот порядок соблюдается везде. У элемента № 6 — углерода — 6 электронов. У азота — 7, у кислорода— 8, у фтора — 9 и у неона — 10. Номер элемента в системе Менделеева, количество положительных зарядов в ядре и количество электронов в оболочке всегда выражается одним и тем же числом. Например, олово: номер — 50, положительных зарядов ядра — 50, электронов в оболочке — 50.

Вот это число, выражающее одновременно и порядковый номер, и количество положительных зарядов, и количество электронов, называется числом Менделеева.

Посмотрим теперь, как располагаются электроны внутри электронных оболочек различных атомов.

Единственный электрон водородного атома обычно находится очень близко от ядра — на минимальном расстоянии, которое возможно по законам атомной механики. Принято называть этот низший уровень первым.

В атоме существует еще несколько определенных уровней, на которых могут находиться электроны.

В атоме гелия на первом уровне два электрона. Оказывается, что два электрона полностью заполняют первый уровень. Больше электронов на нем поместиться не может.

Поэтому у лития два электрона занимают первый уровень, а третий электрон помещается уже на втором уровне.

На втором уровне могут находиться восемь электронов. Поэтому у следующих за литием семи элементов электроны постепенно заполняют, как бы «достраивают» свой второй уровень. У бериллия там 2 электрона, у бора — 3, у углерода — 4, у азота — 5, у кислорода — 6, у фтора — 7, у неона — 8.

У неона второй уровень заполнен, — больше на нем свободной «жилплощади» нет. И одиннадцатый элемент — натрий помещает свой одиннадцатый электрон уже на третьем уровне.

Этим-то и объясняется то, что натрий и литий но химическим свойствам так похожи друг на друга. И у них обоих по одному электрону на верхнем уровне, то есть во внешнем электронном слое. Также сходны бериллий и магний — у них по два электрона во внешнем слое, и углерод с кремнием, — у которых по четыре внешних электрона и т. д.

Наконец у гелия, неона и аргона внешние слои заполнены целиком — и эти элементы тоже сходны между собой, — они ни в какие соединения не вступают.

У более тяжелых атомов строение электронных оболочек усложняется. Максимальное число электронов: на первом уровне — 2, на втором — 8, на третьем—18, на четвертом — 32. Эти числа и определяют постепенно усложняющуюся для более тяжелых элементов периодичность системы Менделеева.

Движение свободных электронов

Движение электронов в атоме подчинено весьма строгим законам, которые обусловлены характером сил, действующих в атоме.

Ни один электрон не может забраться на чужой «уровень» и быть девятым там, где полагается находиться восьмерым. Ни один электрон не может занять место между слоями, так же, как человек не может встать на лестнице между двумя ступеньками.

Если электрон покидает свою орбиту и переходит на другую орбиту, то он делает это только скачком, только сразу, а не постепенно. Всякое перемещение электронов с одного уровня на другой внутри атома может происходить исключительно скачками и на целое число ступеней.

В некоторых случаях электроны могут не только перескакивать с орбиты на орбиту, но и совсем покидать атом. Такие «свободные» электроны ведут самостоятельное существование, путешествуя в междуатомном пространстве, а иногда и вообще далеко, на миллиарды километров, уходят от атомов.

Особенно «непоседливы» электроны атомов металлов, и причиной этого являются некоторые особенности строения металлов.

Атомы в металлах расположены очень тесно, их оболочки почти соприкасаются. Внешние «пограничные» электроны оказываются не только иод воздействием положительного заряда атома-хозяина, их почти с той же силой притягивают заряды атомов-соседей. «Недостроенные» внешние слои атомов металлов прочностью не отличаются — их внешние электроны пристают то к одному, то к другому атому и кочуют в междуатомных промежутках.

Внутри металла эти почти свободные электроны образуют так называемый электронный газ. Сравнение с газом оправдывается тем, что эти электроны совершают беспорядочное «тепловое» движение и мечутся между атомами металла примерно так же, как мечутся молекулы обычного газа.

Существование в металле свободных электронов было доказано простым и остроумным опытом, в котором кусок проволоки исполнял роль «трамвая», а электроны служили «пассажирами».

Известно, что когда вагоновожатый резко и внезапно тормозит трамвай, то пассажиры, стоящие в проходе, продолжают движение по инерции и падают друг на друга.

Два советских ученых, академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси сделали такой опыт. Они с большой скоростью завертели медное кольцо, а затем его быстро остановили, и тотчас чувствительные приборы отметили возникновение в кольце кратковременного электрического тока. Это — свободные электроны меди, как пассажиры в трамвае, продолжая движение по инерции, ринулись вперед и образовали электрический ток, создавший в свою очередь магнитное поле (рис. 41).

Рис. 41. Когда кольцо остановили, электроны по инерции продолжали движение вперед, образуя электрический ток и сопровождающее его магнитное поле.

Черепашьим шагом

Электрический ток в проводах — это упорядоченное движение электронов. Когда светит лампочка, то это не значит, что в ней пробегают именно те электроны, которые пригнаны с электрической станции.

Ток в городской сети — переменный, он меняет свое направление 100 раз в секунду. Поэтому в лампочке взад и вперед пробегают одни и те же электроны, которые находились в металлическом волоске лампочки тогда, когда она бездействовала.

А электрическая станция по сути дела служит не поставщиком электронов, а только их толкачом.

Даже при постоянном токе, который течет в одном направлении, электроны перемещаются из одного участка провода в следующий очень медленно, примерно со скоростью миллиметра в секунду, часто и того медленнее. Электроны в металле неторопливы — их движение по проводнику похоже на движение воды в трубе, забитой песком, — настолько сильно им мешают атомы металла.

Конечно, возникает законное недоумение: телеграфный сигнал, посланный из Москвы во Владивосток на расстояние в 10 тысяч километров, прибывает на станцию назначения через 1/30 долю секунды, а электрон, посланный по проводу из Москвы, достигнет Владивостока только через триста с лишком лет. Проворством электроны в металлах не отличаются, но… почему же телеграммы идут так быстро?

Скорость сигнала

Когда телеграфист в Москве нажимает на ключ, то на концы проводов, находящихся в телеграфном аппарате, от батареи подается напряжение, и в этот момент по всей длине проводника от Москвы и до ближайшей станции возникает электрическое поле. Это поле распространяется очень быстро, почти со скоростью света, то есть около 300 000 километров в секунду.

Как приказ командующего приводит в движение сразу всю его армию, так и электрическое поле приводит в движение все электроны, находящиеся в тысячекилометровом участке провода. Хотя сами электроны движутся медленно, но зато всякие изменения электрического поля распространяются очень быстро, почти мгновенно. И через приемный аппарат проходят не те электроны, какие посланы из Москвы, а те, какие находились в приемном аппарате до получения сигнала. Телеграфный сигнал только привел их в движение. Следовательно, телеграммы и телефонные разговоры передаются по проводам не столько электронами, сколько колебаниями электрического поля, созданного в проводах.

Поворачивая выключатель или замыкая рубильник, мы тем самым даем толчок всем электронам в проводах и как бы командуем им: «Ток! Марш вперед!». И в то же мгновение все свободные электроны металла, как солдаты по команде, делают первый шаг и начинают свое медленное, неуклонно-дружное движение вперед.

Так возникает в проводнике электрический ток.

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.

Глава пятая. Служба свободных электронов

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.

Глава шестая. Самый быстрый вестник

Упрямство швейной иголки

В 1826 году физик Феликс Савар делал опыты с намагничиванием стальных швейных иголок при электрических разрядах. Но иголки почему-то вели себя странно, проявляя непонятное непостоянство.

Предшественники Савара много раз производили подобные опыты. Но, намагничивая иголки, эти ученые не интересовались, где у иголок получается северный полюс, а где — южный. Намагнитились, и ладно! Савар же хотел найти способ намагничивать иглы так, чтобы их концы принимали заранее заданную полярность.

Савар намотал на картонную трубку несколько десятков витков медной проволоки, приготовил большую лейденскую банку и запасся иголками. Одну иголку он положил внутрь катушки, запомнив, что острие иголки высовывается с левой стороны.

Затем ученый зарядил от своей электрической машины лейденскую банку и записал: «Внешняя обкладка лейденской банки приобрела положительный заряд, а внутренняя — отрицательный».

Протягивая проводники от катушки к лейденской банке, Савар также отметил в своем журнале, что провод от левого конца катушки (из которого выглядывало острие иголки) будет присоединен к обкладке с положительным зарядом.

«Теперь, — рассуждал Савар, — когда лейденская банка разрядится через катушку, я буду знать, как сказалось расположение зарядов в лейденской банке на расположении полюсов намагнитившейся иголки».

Закончив все приготовления, он поднес провода к лейденской банке. Сверкнула искра. Лейденская банка разрядилась. Иголка намагнитилась: острый конец стал северным полюсом, ушко — южным.

«Следовательно, — сделал вывод Савар, — положительный заряд создает северный полюс магнита, а отрицательный — южный. Но для проверки опыт надо повторить».

Савар проделал все в прежнем порядке: внешней обкладке лейденской банки сообщил положительный заряд, а иголку вложил в катушку так, чтобы ее острие торчало слева, и присоединил провода к лейденской банке. Сверкнула искра, иголка намагнитилась, но теперь острие стало южным полюсом, а ушко — северным.

Физик заподозрил какую-то ошибку и начал опыт с третьей иголкой. Он снова сделал все в точности так, как и в первый раз, присоединил провода к лейденской банке, и… острие стало северным полюсом.

Ученый повторял опыт множество раз. Условия опыта были одинаковы, а результат менялся совершенно беспорядочно.

Савар менял заряды на обкладках лейденской банки, менял местами, концы проводников, вкладывал иголки справа и слева, заменял иголки кусочками стальной проволоки, словом, испробовал все, но иголки намагничивались, как им «хотелось», и научный опыт превращался в нелепую игру. Только замена лейденской банки батареей делала иголки совершенно послушными.

К опыту с упрямой иголкой Савар возвращался несколько раз. Он старался разгадать, почему иголки под действием электрического разряда лейденской банки намагничиваются то так, то иначе, а под действием тока от батареи разнобоя не получается. Пропуская по катушке ток от батареи, всегда можно наперед сказать, как намагнитится любой конец иглы. Значит, разряд лейденской банки чем-то отличается от разряда батареи, но чем — тогда было неизвестно.

Разгадка странного явления была найдена много лет спустя, лишь во второй половине XIX столетия.

Особенности колебательного разряда

В любом современном радиоприемнике можно найти проволочную катушку, соединенную с конденсатором, то есть тот самый прибор, с помощью которого Савар намагничивал иголки разрядом лейденской банки. Оказывается, что пользуясь приемником, мы слышим радиопередачу в силу той самой причины, какая мешала Савару выполнить задуманное им исследование.

Электрические явления, совершающиеся в катушке, которая присоединена к конденсатору, весьма своеобразны.

Отрицательно заряженная обкладка конденсатора представляет собой как бы вокзальный зал ожидания, в котором толпятся вечные странники — электроны, ожидающие, когда им разрешат отправиться в путь.

Положительный заряд противоположной пластины конденсатора притягивает к себе электроны, но попасть туда они не могут — мешает перегородка-диэлектрик, и они скучиваются у ее поверхности.

Но вот к обкладкам конденсатора присоединила концы проводников от проволочной катушки. Для электронов образовался проход в другую обкладку. В проводе, который намотан на катушку, возникло электрическое поле. Оно привело в движение все электроны, находившиеся в катушке. Они сорвались с места и устремились в катушку.

И вот тут-то происходит нечто неожиданное, пробег по виткам катушки для электронов оказывается далеко не таким простым делом, как этого можно было ожидать.

В тот момент, когда конденсатор начинает разряжаться, электрический ток в катушке возникает не сразу, не мгновенно. Ему мешает самоиндукция. Току приходится преодолевать ее сопротивление, и он нарастает постепенно, словно берет разбег.

Достигнув наибольшей силы, ток начинает ослабевать. «Передовые отряды» электронов добрались до противоположной обкладки конденсатора, заряды обеих пластин выравнялись и, казалось бы, на этом разряд должен оборваться. Но нет! Тут опять вмешивается самоиндукция. Магнитное поле катушки вместе с током достигает наибольшей напряженности, и оно не может исчезнуть внезапно и бесследно.

Ослабевая вместе с током, магнитное поле создает вдоль проволоки электрическое поле, которое продолжает гнать электроны в уже зарядившуюся обкладку. Ток, постепенно возраставший, и ослабевает тоже постепенно, заставляя электроны в избытке скапливаться на той обкладке, которая раньше была заряжена положительно.

Конденсатор не просто разряжается, а перезаряжается. Положительно заряженная обкладка становится отрицательной, отрицательно заряженная — положительной; в конденсаторе вновь образуется электрическое поле обратного направления.

Разряд утихает, но только на одно мгновение. Электроны, увлекаемые электрическим полем уже в обратном направлении, опять устремляются через катушку в положительно заряженную обкладку, и все происходит в прежнем порядке. Самоиндукция сначала тормозит бег электронов, потом ускоряет его и загоняет их в другую обкладку. Обкладки снова меняются знаками, а затем все начинается сначала. Электроны носятся взад и вперед, от одной обкладки конденсатора до другой, как на качелях (рис. 52).

Рис. 52. Самоиндукция катушки загоняет электроны поочередно то в одну обкладку конденсатора, то в другую — получается колебательный разряд.

Катушка, присоединенная к конденсатору, поддерживающая своим магнитным полем это колебательное движение, получила название катушки самоиндукции.

Контур — электрический маятник

Теперь должно быть понятно, почему Савару не удавалось намагничивать иголки так, как он рассчитывал. Электроны, пробегая в одном направлении, намагничивали иголку, а пробегая обратно — перемагничивали ее. Угадать, в каком направлении они пробегут в последний раз, перед разрывом цепи в искровом промежутке, невозможно.

Разряд конденсатора не создает тока, текущего в одном направлении, как от гальванической батареи. В этом случае возникает колебательный разряд, в котором электроны быстро меняют направление своего движения, то есть образуют не постоянный, а переменный ток, который постепенно угасает, вследствие сопротивления проводника.

Прибор, состоящий из конденсатора и катушки самоиндукции, называется колебательным контуром (рис. 53).

Рис. 53. Колебательный контур, составленный из катушки самоиндукции и конденсатора переменной емкости; рядом условное обозначение контура.

Колебательный контур представляет собой не что иное, как электрический маятник. Каждый маятник совершает определенное число качаний в секунду.

Частота качаний маятника зависит от его длины. Чем короче маятник, тем быстрее он качается.

Электрические колебания в контуре тоже совершаются со своей определенной частотой, которая зависит от величины самоиндукции катушки и емкости конденсатора, составляющих колебательный контур. Чем меньше самоиндукция катушки и чем меньше емкость конденсатора, тем быстрее протекает его перезарядка и тем больше частота колебаний тока в катушке.

Значит, для возбуждения очень быстрых, вернее, частых электрических колебаний следует иметь маленький конденсатор и небольшую катушку из 1–2 витков проволоки.

На заре радиотехники, когда в приемных и передающих радиостанциях использовались сравнительно медленные (редкие) колебания, приходилось применять огромные катушки и «пудовые» конденсаторы. Такие «первобытные» приемники весили по 16–20 килограммов.

Изменяя длину маятника, можно изменить частоту (период) его качаний; в этом нетрудно убедиться — стоит удлинить маятник часов-ходиков, он начнет качаться реже, а часы будут отставать.

Точно так же, изменяя самоиндукцию катушки или емкость конденсатора, можно по желанию увеличивать и уменьшать частоту колебаний в контуре, то есть настраивать его на ту частоту, какая нужна.

Чтобы привести маятник в движение, не требуется большого усилия, достаточно толкнуть его, и он начнет качаться. Но заставить маятник совершать вынужденные колебания, то есть раскачиваться чаще или реже, чем ему свойственно, весьма трудно. В этом случае приходится раскачивать его, не выпуская из рук.

И электрический маятник тоже легко воспринимает колебания, происходящие с его собственной частотой, но остается почти нечувствителен ко всем остальным колебаниям.

Колебания обычного маятника, если его не подталкивать, постепенно затихают, потому что энергия, полученная от толчка, расходуется на преодоление сопротивления воздуха и на трение в точке подвеса.

И в электрическом маятнике колебания затухают, потому что электронам приходится преодолевать сопротивление проводника. Но, кроме того, в колебательном контуре есть еще одна важная статья расхода энергии: излучение — создание в окружающем пространстве меняющихся электрического и магнитного полей — так называемых электромагнитных волн, бегущих от колебательного контура во все стороны и уносящих энергию его колебаний.

Сопротивление проводников и потери энергии на излучение приводят к тому, что электрические колебания в контуре быстро прекращаются.

Именно за счет энергии, тратящейся на излучение, осуществляется передача радиосигналов.

Электромагнитные волны, встречая на своем пути проводники, вызывают в них движение электронов. С этого начинается прием сигналов — радиоприем.

Открытый колебательный контур

В приемнике потери энергии на излучение вредны, поэтому конструкторы делают катушки самоиндукции и конденсаторы так, чтобы эти потери были наименьшими.

Зато в передатчике радиоволн нужен колебательный контур, который должен как можно больше излучать энергии — создавать мощные электромагнитные волны. Ведь главная задача передатчика — это посылать энергию приемникам. Поэтому и устройство передающего контура должно отличаться от устройства приемного контура.

Заряд образует вокруг себя электрическое поле; движущийся заряд создает кроме того еще и магнитное поле.

Электроны, колеблющиеся в контуре, порождают одновременно и электрическое и магнитное поля. Эти поля зависят друг от друга. Они неразрывно связаны друг с другом. Поэтому их обычно объединяют под одним названием: электромагнитное поле.

В контуре, состоящем из обыкновенного конденсатора и катушки, оба поля почти полностью заключены в промежутке между обкладками конденсатора и внутри катушки. Во внешнее пространство они почти не распространяются. Такой контур подобен фонарю, у которого светильник заслонен со всех сторон крышками. Его излучение ничтожно мало. Чтобы фонарь стал светить, а контур излучать, — их надо раскрыть: раздвинуть и развести в стороны обкладки конденсатора, заменить катушку длинным и прямым проводником.

Вокруг открытого контура образуется электромагнитное поле, которое распространяется во все стороны и, постепенно ослабевая, уходит в бесконечность (рис. 54).

Рис. 54. Три вида колебательных контуров: закрытый, полуоткрытый и открытый, иначе называемый антенной.

Когда рыба клюет и подергивает поплавок, от поплавка по поверхности воды концентрическими кругами разбегаются волны; когда колеблются стенки колокола или ножки камертона, от них в воздухе во все стороны распространяются звуковые волны. Точно также каждое колебание в контуре вызывает соответствующие колебания (волны) в электромагнитном поле. Однако надо помнить, что эти электромагнитные волны представляют собой колебания не частиц какого-то вещества, — воды или воздуха, а колебания самого электромагнитного поля. Поэтому они могут распространяться не только в воздухе, но и в безвоздушном пространстве. Скорость их распространения много больше скорости распространения волн на поверхности воды и звуковых волн. Радиоволны распространяются со скоростью света, то есть около 300 000 километров в секунду.

Различные виды электромагнитных колебаний отличаются друг от друга своей частотой, то есть числом колебаний в секунду. От числа колебаний в секунду зависит «длина волны», то есть расстояние, которое успевает пробежать волна за время одного колебания. Чем больше частоты, тем короче волна, и наоборот.

Длину волны любого вида излучения можно получить, разделив скорость его распространения на число колебаний в секунду. Обычные радиоволны, на которых передают концерты и информацию, имеют длины от 400 метров до 1–2 километров. Диктор ежедневно объявляет, на какой волне ведется передача.

Наиболее жесткий вид излучения — гамма- лучи имеют частоту, превышающую 3∙1020 колебаний в секунду, то есть свыше трехсот миллиардов миллиардов. Длина волны гамма-лучей, следовательно, измеряется миллионными долями микрона.

У остальных видов излучения длины волн больше: они образуют как бы лестницу со множеством ступеней, на которой в порядке возрастания длины волны располагаются рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, лучи видимого света, инфракрасные лучи, лучи открытые и изученные известным советским физиком А. А. Глагольевой-Аркадьевой, ультракороткие радиоволны и, наконец, на последних, нижних, ступенях этой лестницы находятся радиоволны, применяемые широковещательными станциями. В самом низу этой «лестницы» электрических колебаний оказывается колебание звуковой частоты в телефонных проводах и наш городской осветительный ток, он ведь тоже представляет собой колебания электронов, совершающиеся всего лишь 50 раз в секунду.

Существование электромагнитного излучения, имеющего сравнительно небольшие частоты, было доказано немецким физиком Генрихом Герцем.

Работа Герца была опубликована 10 декабря 1887 года. Основой исследований Герца послужили труды Фарадея, продолженные другим замечательным ученым — Максвеллом. Все, что сделал Герц, было предсказано теорией электромагнитных колебаний, которую математически разработал Максвелл. Герц выступил в науке как искусный строитель, который воздвиг здание по чертежам, полученным от архитектора. Он на опыте обнаружил явление, ранее предсказанное теорией. Но практического применения своему открытию Герц не нашел.

Великое русское изобретение

Огромное значение радиоволн понял и по-настоящему оценил русский ученый, преподаватель физики Минных офицерских классов в Кронштадте — Александр Степанович Попов.

Мысль об использовании радиоволн для телеграфирования без проводов зародилась у А. С. Попова еще в 1891 году. Четыре года ушло на обдумывание изобретения и на первые опыты.

7 мая 1895 года, на заседании Русского физико-химического общества, А. С. Попов сделал доклад о своем изобретении и тут же показал присутствовавшим ученым первый в мире приемник электромагнитных волн. Попов назвал прибор «грозоотметчиком», так как он улавливал «сигналы гроз», то есть принимал электромагнитные колебания, рожденные молнией (рис. 55).

Рис. 55. Первый в мире радиоприемник — «грозоотметчик» А. С. Попова.

Свой исторический доклад А. С. Попов закончил вещими словами: «В заключение могу выразить надежду, что мой прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний».

В память этого события мы отмечаем ежегодно 7 мая как «День радио».

И вскоре — менее чем через год — 24 марта 1896 года А. С. Попов демонстрировал новые радиоприборы — передатчик и приемник. Передатчик был установлен в другом здании, на расстоянии примерно 250 метров от приемника. У передатчика находился верный и бессменный помощник Попова — Π. Н. Рыбкин, у приемника — сам Попов.

В глубоком молчании, охваченные волнением, прислушивались ученые к тихому постукиванию приемного аппарата, из которого ползла узкая телеграфная лента.

Расшифровывая точки и тире, старейший из присутствующих, русский физик Ф. Ф. Петрушевский, писал мелом на доске текст первой в мире радиограммы. Она состояла только из двух слов: «Генрих Герц», — это была дань уважения выдающемуся ученому.

Летом 1897 года А. С. Попов, мечтавший внедрить свое изобретение на флоте, испытывал радиоаппаратуру в открытом море. Радиостанции были установлены на кораблях Учебно-минного отряда, и А. С. Попов, совместно с Π. Н. Рыбкиным, успешно передавал на расстояние около 5 километров донесения о ходе учебных стрельб.

Два года спустя радио доказало, что оно является могущественным и незаменимым средством связи. Глубокой осенью 1899 года возле острова Гогланд сел на подводные камни броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». Для руководства спасательными работами требовалась надежная связь, и А. С. Попову было предложено соорудить на острове Гогланде и в Котке две радиостанции (рис. 56).

Рис. 56. Антенна радиостанции А. С. Попова.

24 января 1900 года первая в мире линия радиосвязи начала действовать на расстоянии в 47 километров. Первая радиограмма, полученная на Гогланде, гласила: «Командиру „Ермака“. Около Лавен-Сари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь».

Рис. 57. Текст радиограммы о спасении рыбаков.

«Ермак» вышел в море и на следующий день вернулся, доставив на берег 27 спасенных им рыбаков. Великое русское изобретение сразу же помогло спасти человеческие жизни. Этот факт был особо отмечен на Международной электротехнической конференции 1900 года.

А. С. Попов не переставал совершенствовать беспроволочный телеграф и в результате создал простой и удобный радиоприемник.

Иностранные фирмы предложили Попову переехать в Америку и работать там. Но он ответил им: «Я — русский человек, и все свои знания, весь свой труд, все свои достижения я имею право отдавать только моей Родине. Я горд тем, что родился русским. И если не современники, то, может быть, потомки наши поймут, сколь велика моя преданность нашей Родине и как счастлив я, что не за рубежом, а в России открыто новое средство связи».

С 1900 года аппаратами А. С. Попова стали оснащать корабли русского флота. К этому времени приборы Попова имели все части, хорошо известные ныне каждому радиолюбителю: антенну, колебательный контур, составленный из проволочной катушки и конденсатора, детектор, телефон или телеграфный аппарат и заземление.

Самые проворные почтальоны

Когда московская радиостанция транслирует оперу из Большого театра, то каждый звук, раздавшийся на сцене, владивостокский радиолюбитель в свои «наушники» (головной телефон) слышит раньше, чем зритель, сидящий в зале театра. Это объясняется тем, что скорость распространения радиоволн почти в миллион раз превышает скорость звука.

Пока звук долетит со сцены до середины зрительного зала, радиоволны успевают обнести его вокруг света. Это самые проворные в мире почтальоны. Они одинаково хорошо доставляют и отрывистые сигналы поверки времени, и человеческую речь, и пение, и музыку. Им можно поручить доставку любого известия.

На радиопередающей станции это делается примерно так: прибор, называемый генератором несущей частоты, вырабатывает мощные высокочастотные колебания. Каждое такое колебание ничем одно от другого не отличается, все они одинаковы и равномерны.

И вот эти-то равномерные колебания и служат почтальонами — разносчиками радиосигналов по всему свету. Они называются в радиотехнике несущей частотой.

Несущая частота поступает в другой прибор, который называется модулятором. В модуляторе «почтальон» принимает «почту», — одновременно с несущей частотой в модулятор попадают электрические колебания от микрофона. Эти колебания отличаются друг от друга и по силе и по частоте, они неодинаковы, потому что в точности соответствуют тем звуковым колебаниям, которые были восприняты микрофоном.

В модуляторе оба вида колебаний объединяются. Звуковые колебания накладываются на колебания высокой частоты, то усиливая, то уменьшая их интенсивность, они как бы отпечатываются на несущей частоте.

Из модулятора высокочастотные, колебания выходят уже неодинаковыми. Энергия колебаний становится то больше, то меньше, так как она изменяется в точном соответствии с теми звуковыми колебаниями, которые были посланы в модулятор микрофоном. Иначе говоря, высокая частота после модулятора уже несет на себе колебания звуковой частоты (рис. 58).

Рис. 58. На передающей радиостанции колебания звуковой частоты накладываются на несущую частоту, и такие модулированные колебания направляются в антенну.

В таком виде модулированные колебания несущей частоты поступают в антенны передающей радиостанции, отсюда «почтальоны» в виде радиоволн разлетаются по всему земному шару.

В мире радиоволн

Мы окружены сигналами всех радиостанций мира. Радиоволны самых различных частот пронизывают стены наших домов, проникают в нас самих, оставаясь совершенно незамеченными. Человек в мире радиоволн, как слепой в светлой комнате. Наши органы чувств не в состоянии их воспринимать. Даже стоя под мачтами радиовещательной станции, нельзя услышать музыку или речь, которую в этот момент передают по радио.

Чтобы воспринимать сигналы радиостанции, нам прежде всего нужна специальная сеть, которая улавливала бы радиоизлучение, нужно «ухо», способное «слышать» эти сигналы.

Таким электрическим «ухом» служит антенна радиоприемника. Она улавливает электромагнитные колебания, излучаемые радиостанциями.

Но если бы радиослушатель вздумал слушать все, что восприняла его антенна, то он, пожалуй, ничего не услышал бы, кроме сплошного рева. Ведь антенна принимает излучение всех радиостанций мира, а слушать всех сразу — невозможно!

Для отсева ненужных колебаний служит колебательный контур, который обладает «своей», строго определенной частотой колебаний. Изменяя самоиндукцию катушки или емкость конденсатора, можно управлять по своему желанию частотой колебаний контура, то есть настраивать его на избранную частоту и принимать сигналы только той радиостанции, какую намечено слушать.

Колебательный контур, словно сито, просеивает «улов» антенны, — в нем появляются только те колебания, на которые он настроен, все остальные беспрепятственно уходят по проводу заземления (рис. 59).

Рис. 59. Антенна приемной станции улавливает колебания, излучаемые всеми радиостанциями мира. Колебательный контур отбирает из них только те колебания, на которые он настроен.

Но и эти колебания, которые отобрал для нас контур, «непонятны» для нашего уха, оно не в состоянии воспринимать электрические сигналы, и чтобы их услышать нужен «переводчик».

Обязанности электрического переводчика исполняет детектор, что значит «обнаруживатель». Так был назван при первых опытах А. С. Попова прибор, служивший для обнаруживания сигналов передатчика. Со временем детектор изменял и свое устройство и назначение. Название «детектор» сохранилось, но приобрело новый смысл. Детектировать — значит преобразовывать модулированный переменный ток высокой частоты в ток низких звуковых частот.

Рис. 60. Расположение частей детекторного радиоприемника и его схематическое изображение.

Простейший детектор состоит из так называемого «детектирующего» кристалла, чаще всего минерала галена (сернистый свинец), и стальной спиральки, касающейся своим острием одной из граней кристалла.

Кристалл в паре с металлическим острием работает, как дверца мышеловки или как клапан насоса. В одну сторону — проход электронам свободен, назад — им дороги нет.

Электроны, проскочившие с острия в грань кристалла, обратно уже не возвращаются. Им остается только одно — идти к телефону.

Без детектора в цепи телефона шел бы переменный ток высокой частоты, с детектором характер тока меняется, детектор словно разрубает колебания: ток проходит только в одном направлении в виде отдельных толчков. Эти толчки образуют так называемый пульсирующий ток (рис. 61).

Рис. 61. Детектор как бы «разрубает» колебания, преобразуя переменный ток в пульсирующий постоянный, а блокировочный конденсатор сглаживает эти пульсации так, что в телефон поступают только колебания звуковой частоты.

В цепь детектора включен телефон. Телефон преобразует недоступные непосредственно нашему восприятию колебания силы тока в звуки.

Однако телефон сам по себе с такой задачей справиться не может. Он способен превращать в звуки человеческой речи или в музыку только колебания низкой звуковой частоты, ограниченные пределами от 16 до 20 тысяч колебаний в секунду, которые получаются после детектирования высокой частоты.

Обмотка магнита в телефоне, благодаря самоиндукции, обладает огромным сопротивлением для тока с частотой в сотни тысяч периодов в секунду. Да и мембрана телефона слишком массивна, чтобы колебаться с такой частотой. И, наконец, если бы даже телефон мог воспроизвести такие колебания, мы бы их не услышали. Мы слышим звук только тогда, когда нашего уха достигают звуковые воздушные волны с частотой от 16 колебаний в секунду до 20 000 колебаний в секунду.

Но при наличии детектора ток, хоть и толчками, идет все же в одну сторону, и мембрана телефона может теперь отклоняться под его воздействием. Она прогибается то сильнее, то слабее, соответственно средней силе тока (средней силе толчков). А так как сила толчков меняется со звуковой частотой, именно так, как был модулирован ток в радиопередатчике, то телефон воспроизводит такие же колебания, которые воздействовали на микрофон передатчика. Из телефона несутся звуки речи или музыки.

Для сглаживания толчков, происходящих с высокой частотой, иногда параллельно телефону включают конденсатор небольшой емкости.

Конденсатор накапливает электрические заряды, когда сила тока в цепи нарастает, и освобождает их, когда сила тока падает. Это его основное назначение.

Ток через детектор проходит короткими отрывистыми толчками, — электроны проскакивают стайками. Когда в проводнике возникает электрический толчок, часть электронов попадает в конденсатор, — сила толчка ослабевает. Когда наступает промежуток между толчками, конденсатор освобождает электроны и их током заполняется промежуток между толчками. Толчки тока выравниваются. Ток, благодаря конденсатору, из пульсирующего становится волнистым, он плавно нарастает и также плавно спадает со звуковой частотой (с частотой модуляции). Телефон с конденсатором звучит лучше, чем без него.

Электронная лампа

Кристаллический детектор, обслуживавший первые радиоприемники, обеспечивал очень чистое звучание телефона, но отличался крайней неустойчивостью. Он работает только в том случае, когда острие спиральки попадает на детектирующую точку кристалла. При малейшем толчке пружинка вздрагивала, острие соскакивало с чувствительной точки, слышимость пропадала. Поиски новой «точки» требовали некоторого времени, прием радиопередачи с таким детектором был ненадежен.

Неустойчивая работа кристаллического детектора заставила искать ему заместителя.

В настоящее время кристаллический детектор применяется только в простейших любительских приемниках и в некоторых установках специального назначения.

Основные части прибора, заменившего кристаллический детектор, существовали порознь задолго до изобретения радио. Это — катодная трубка и осветительная электролампочка.

Одна комбинация катодной трубки и осветительной лампочки уже была осуществлена и служила человечеству в качестве рентгеновского аппарата.

Вторая комбинация тех же частей вылилась в современную электронную лампу.

Простейшая электронная лампа состоит из стеклянного баллона, в который впаяны два электрода— катод и анод. Такая лампа с двумя электродами называется диодом. Слово диод означает «два входа».

Катодом в электронной лампе служит раскаленная вольфрамовая нить; анодом — металлическая пластинка.

Анод изготовляют из молибденовой жести, из никеля, из тантала или из меди.

Задача катода — испускать при накале как можно больше электронов, поэтому вольфрамовые нити на радиоламповом заводе обрабатывают так, чтобы облегчить электронам выход из нити. Для этой цели нити покрывают веществами, которые легко освобождают электроны. Такой катод, даже при невысокой температуре, испускает небольшое количество электронов.

Нить катода накаливают током от маленькой батареи. С повышением температуры число вылетающих из нити электронов возрастает.

Если не прикладывать к аноду положительного напряжения, то электроны будут роиться вокруг катода легким облачком и вновь возвращаться в катод. Но как только на аноде появится положительное напряжение, электроны устремятся к аноду.

Отличие электронной лампы от рентгеновской трубки состоит в том, что в электронной лампе применяют напряжения гораздо более низкие, чем в рентгеновской трубке.

Так как напряжение на электродах электронной лампы сравнительно невелико, то электроны совершают перелет с катода на анод не столь стремительно, как в рентгеновской трубке. Они «приземляются» на аноде довольно спокойно, и рентгеновские лучи поэтому не возникают.

Совершенно очевидно, что ток в электронной лампе может проходить лишь в одном направлении — от катода к аноду и ни в коем случае не наоборот, так как электроны могут слетать только с катода (рис. 62).

Рис. 62. Если к аноду присоединить минус батареи, то ток через лампу не пойдет.

Если переменить знаки напряжения на электродах: к аноду присоединить минус батареи, а к катоду — плюс, ток через лампу не пойдет, так как холодный анод электронов не испускает. Следовательно, электронная лампа-диод может исполнять роль электронного клапана, то есть служить детектором. Диод справляется с обязанностями детектора гораздо лучше кристалла с пружинкой. Он работает устойчиво, без капризов и перебоев.

Кроме того, диод применяют в качестве выпрямителя переменного тока малой мощности. Диод, предназначенный для выпрямления переменного тока, называется кенотроном.

Через год после изобретения диода, электронная лампа была так усовершенствована, что стала одним из могущественных электронных приборов.

Сетка — третий электрод

Коренное усовершенствование электронной лампы состояло в том, что в ней был устроен специальный регулировщик — третий электрод. Электронам, свободно пролетавшим через диод от катода к аноду, пришлось теперь подчиняться командам регулировщика и направляться к аноду только по его разрешению.

Этот третий электрод делают различного вида и формы: иногда это легкая проволочная решетка или сеточка, иногда — спираль, навитая вокруг проволочки катода на некотором от нее расстоянии. Но, независимо от формы, третий электрод всегда называется сеткой.

Сетка располагается между анодом и катодом, и для нее в цоколе лампы сделан отдельный вывод. Следовательно, лампа, снабженная сеткой, имеет не два входа, как диод, а три. Такие лампы называются триодами (рис. 63).

Рис. 63. Триод в разрезе, сетка в виде спирали обвивается вокруг катода. Слева — условное изображение триода с подогревным катодом.

Сама по себе сетка препятствием для электронов служить не может. Проволочки, из которых она изготовлена, тонки, а ячейки ее просторны.

Электроны могут пролетать сквозь сетку почти без всяких помех и задержек, но только до тех пор, пока на сетку не подано отрицательное напряжение.

Тогда отрицательно заряженные проволочки сетки будут отталкивать электроны назад к катоду и противодействовать их движению к аноду. Ток ослабеет и может совсем прекратиться — лампа будет «заперта».

Если триод присоединяют к колебательному контуру приемника, лампа становится общим звеном для трех самостоятельных электрических цепей.

Одну цепь составляют нить накала катода и небольшая батарейка, которая ее подогревает. В этой цепи электроны бегут от минуса батареи по нити и уходят к плюсу батареи. Роль этой цепи довольно ограничена — поддерживать накал нити.

Вторая цепь составлена мощной анодной батареей, которая своим плюсом присоединена к аноду лампы, а минусом — к катоду. Эта батарея создает сильное электрическое поле между анодом и катодом лампы. Под воздействием электрического поля электроны, клубящиеся вокруг накаленного катода, проскальзывают сквозь сетку, когда она заряжена положительно, и «приземляются» на аноде.

Третья цепь образована колебательным контуром, который одним проводником присоединен к катоду, а другим — к сетке. В этой цепи действуют высокочастотные колебания контура, они создают небольшое переменное напряжение между катодом и сеткой и меняют интенсивность потока электронов, движущихся от катода к аноду.

Воздействие цепи сетки на силу тока в анодной цепи является основой работы электронной лампы.

Сетка расположена очень близко к катоду, и поэтому она оказывается полным хозяином того облачка электронов, которые вьются возле катода. Каждое колебание напряжения на сетке заставляет облачко изменяться.

Отрицательное напряжение увеличивается — электронное облачко съеживается, прижимается к катоду, электроны, едва вылетев из нити, вынуждены тотчас возвращаться обратно: их отгоняет отрицательное напряжение сетки (рис. 64).

Рис. 64. Отрицательное напряжение на сетке запирает лампу, а положительное — усиливает анодный ток.

Когда отрицательное напряжение уменьшается, облачко разрастается.

Если же отрицательное напряжение упадет ниже определенного предела, электроны начнут прорываться сквозь сетку и лететь к аноду.

При дальнейшем ослаблении отрицательного напряжения, когда оно совсем сойдет на нет, или даже сменится положительным напряжением, электроны, ничем не сдерживаемые, ринутся сквозь сетку к аноду, и через лампу в этом случае пойдет сильный анодный ток.

Итак, сетка, в зависимости от величины и знака ее заряда, или усиливает, или уменьшает, или вовсе парализует влияние электрического поля, создаваемого анодом. Она, как водопроводный кран, может пропускать электроны и широким свободным потоком и тонкой струйкой; она может позволить им сочиться как бы по каплям или полностью прекратить их движение к аноду, — «запереть» лампу.

Сетка — в высшей степени тонкий и точный регулятор анодного тока, текущего через лампу от катода к аноду.

Напряжение на сетку подает колебательный контур. Электроны, раскачавшиеся в катушке, соединенной с конденсатором, то накапливаются на сетке, то покидают ее. Величина заряда на сетке меняется вместе с колебаниями в контуре. Электроны, вылетевшие из катода, то стремительно летят к аноду, то жмутся к нити катода, отброшенные отрицательным зарядом сетки.

Величина заряда сетки, доставляемого колебательным контуром, — незначительна. Она и не должна быть большой. Благодаря близости к катоду сетка властно управляет потоком миллиардов электронов. Ничтожнейшие изменения, легкие колебания напряжения на сетке тотчас сказываются на силе анодного тока. Сетка пропускает электроны в строгом соответствии с колебаниями, возникшими в контуре.

Поэтому колебания анодного тока, текущего через лампу от батареи, копируют модуляцию колебаний, поступающих на сетку от контура, одновременно и выпрямляя и усиливая ток.

Триод, сетка которого соединена с контуром, доставляет в телефон уже не слабенький ток, уловленный антенной и контуром, а сильный анодный ток, способный привести в действие несколько телефонов или даже громкоговоритель. Триод совмещает в приемнике две обязанности — и детектора и усилителя.

Однако этим не исчерпываются возможности лампы.

Действия обратной связи

С помощью еще одного очень несложного приспособления электрические колебания из цепи анода можно заставить вернуться обратно в лампу, и она усилит их вторично. В цепь, подводящую ток от анода лампы к телефону, присоединяют небольшую катушку и сближают ее с катушкой колебательного контура.

Мощное воздействие пульсирующего анодного тока, который течет в дополнительной катушке, скажется на катушке контура. В ней возникнут сильные колебания, в точности соответствующие толчкам анодного тока. Эти колебания передадутся на сетку. На сетке начнут появляться и исчезать электрические заряды большей величины. Они будут во много раз сильнее, чем до включения дополнительной катушки.

Электронный поток, струящийся в лампе от катода к аноду, под действием усиленных зарядов сетки начинает пульсировать еще четче, резче, энергичней.

Усиленные колебания анодного тока в лампе попадут в дополнительную катушку. Дополнительная катушка передаст их в контур. Контур — вернет сетке. Сетка — анодному току. Анодный ток через дополнительную катушку опять — контуру. В итоге получится громадное усиление сигналов.

Катушка, которая служит для связи между анодной цепью и колебательным контуром и возвращает обратно в контур усиленные лампой колебания, получила название катушки обратной связи — делает возможным радиоприем самых слабых сигналов отдаленных станций. Такой радиоприемник называют регенеративным (рис. 65).

Рис. 65. Упрощенная схема однолампового приемника с обратной связью.

Рождение русских ламп

После смерти А. С. Попова (А. С. Попов скончался в 1906 году) ученые А. А. Петровский, И. Г. Фрейман и В. П. Коваленков продолжали дело, начатое их учителем. В 1914 году молодой инженер, впоследствии академик, Н. Д. Папалекси изготовил первые радиолампы. В 1915 году М. А. Бонч-Бруевич создал первую русскую вакуумную лампу. Но все эти работы были успехами одиночек, которые не получали поддержки в царской России.

В 1915 году М. А. Бонч-Бруевич служил в чине поручика на Тверской приемной радиостанции. Радиостанция нуждалась в усилительных лампах, которые в то время привозили из-за границы. Шла империалистическая война — доставлять лампы было трудно. Бонч-Бруевич задумал изготовить собственные лампы и устроил на радиостанции небольшую мастерскую. Начальник радиостанции, капитан Аристов, не разрешал заниматься в служебном помещении «посторонними делами», и Бонч-Бруевичу пришлось перенести «лабораторию» к себе на квартиру.

В его опытах ему помогали рядовой Бобков и старший унтер-офицер Кабошин. Стеклодува не было, изготовить цельный стеклянный баллон было некому, и лампу пришлось сделать составной, скрепляя ее отдельные части замазкой.

Первую лампу собрали на обеденном столе под стеклянным колпаком. В крышке стола пришлось просверлить много дырок для стеклянных и резиновых трубок, которые вели к насосам, откачивавшим воздух из лампы, и для проводов, подводивших ток от анодной батареи и от батареи накала.

Несмотря на толстый слой замазки, которой изобретатель покрывал места соединения отдельных частей лампы, воздух просачивался внутрь баллона, и его приходилось непрерывно откачивать.

Во время опытов рядовой Бобков крутил колесо большого форвакуумного насоса, Бонч-Бруевич следил за работой ртутного насоса и смачивал замазку, чтоб она не засохла, а унтер-офицер Кабошин с наушниками ловил телеграфную передачу Эйфелевой башни в Париже.

Вскоре в одной из воинских частей нашлось два стеклодува. Их перевели на радиостанцию, и они изготовили цельные стеклянные баллоны, из которых уж не приходилось непрерывно откачивать воздух.

Первые лампы, изготовленные с помощью стеклодувов, имели два катода. Когда один катод перегорал, лампу вынимали из гнезда, переворачивали и вставляли в гнездо другим концом. Так включали второй, запасной катод (рис. 66).

Рис. 66. Один из первых тверских ламповых радиоприемников с лампой, изготовленной в лаборатории М. А. Бонч-Бруевича.

Создание Нижегородской радиолаборатории

В 10 часов утра 25 октября (по старому стилю) 1917 года радиостанция крейсера «Аврора» возвестила народам земного шара о всемирно исторической победе Великой Октябрьской социалистической революции. Радист «Авроры» передал обращение «К гражданам России», написанное Владимиром Ильичем Лениным.

«Временное правительство низложено. Государственная власть перешла в руки органа Петроградского Совета рабочих и солдатских депутатов — Военно-революционного комитета, стоящего во главе петроградского пролетариата и гарнизона.

Дело, за которое боролся народ: немедленное предложение демократического мира, отмена помещичьей собственности на землю, рабочий контроль над производством, создание Советского правительства, это дело обеспечено.

Да здравствует революция рабочих, солдат и крестьян!»[18]

С первого дня существования советского государства радио стало могущественным средством связи нашего правительства со всей страной и другими народами.

30 октября 1917 года радиостанции революционного Петрограда передали радиограмму о создании Советского правительства, подписанную В. И. Лениным.

В ноябре, когда контрреволюционный генерал Духонин, исполнявший обязанности главнокомандующего русской армией, нарушил приказ Советского правительства о перемирии, радио послужило важнейшим средством связи.

В своих воспоминаниях о В. И. Ленине, Иосиф Виссарионович Сталин приводит эпизод переговоров с мятежным генералом: «Помнится, как после некоторой паузы у провода лицо Ленина озарилось каким-то необычайным светом. Видно было, что он уже принял решение. „Пойдем на радиостанцию, — сказал Ленин, — она нам сослужит пользу: мы сместим в специальном приказе генерала Духонина, назначим на его место главнокомандующим тов. Крыленко и обратимся к солдатам через голову командного состава с призывом — окружить генералов, прекратить военные действия, связаться с австро-германскими солдатами и взять дело мира в свои собственные руки“».[19]

В ночь на 22 ноября 1917 года Ленин и Сталин приехали на военно-морскую радиостанцию в Петрограде. Здесь Ленин написал историческое воззвание: «…Солдаты! Дело мира в ваших руках…»

Радио, оказавшее огромные услуги советскому правительству, развивалось при неустанных заботах В. И. Ленина и И. В. Сталина.

В эти героические дни группу энтузиастов радио объединил в своей мастерской талантливый инженер и изобретатель М. А. Бонч-Бруевич. При Тверской радиоприемной станции организовалась тогда первая русская радиолаборатория. Лаборатория помещалась в крохотной комнатке, размером около двух квадратных сажен. Там М. А. Бонч-Бруевич с помощниками изобретали и испытывали новые типы радиоламп, которые назывались тогда катодными реле.

Успешная и плодотворная работа Тверской радиолаборатории была поддержана советским правительством и лично В. И. Лениным. Весной 1918 года лаборатория получила средства на дальнейшую работу.

К июлю 1918 года лаборатория изготовила вручную 1500 «тверских» радиоламп и 100 приемников. Их установили в различных городах Советской России.

В декабре 1918 года Владимир Ильич Ленин подписал «Положение о радиолаборатории с мастерской Народного комиссариата почт и телеграфов», которую надлежало создать в Нижнем Новгороде (ныне г. Горький) на базе Тверской лаборатории.

В этом «Положении» Владимир Ильич Ленин с гениальной прозорливостью наметил основные пути, по которым должно идти развитие радиотехники.

В те годы специалисты спорили о преимуществах различных типов радиопередатчиков. Кто отстаивал электрическую дугу, кто считал, что источником электромагнитных колебаний должны служить машины, вырабатывающие переменный ток высокой частоты. Сторонников электронной лампы было тогда очень мало.

Владимир Ильич Ленин потребовал, чтобы сотрудники Нижегородской лаборатории разработали конструкции пустотных (вакуумных) радиоламп. Его гениальное предвидение полностью оправдалось. Именно вакуумная электронная лампа обеспечила блестящий расцвет радиотехники. Ей принадлежало будущее.

Нижегородская радиолаборатория была первым научно-исследовательским институтом, созданным советским правительством. Она объединила усилия почти всех наиболее талантливых русских радиоинженеров. Душой лаборатории был М. А. Бонч-Бруевич. В Нижний Новгород приехал В. П. Вологдин, многое сделавший для развития высокочастотной электротехники, А. Ф, Шорин — один из создателей советского звукового кино. Тут же работал Д. А. Рожанский, который впоследствии совместно с Ю. Б. Кобзаревым создали радиолокационную аппаратуру, В. К. Лебединский, обучивший тысячи молодых специалистов, Б. А. Остроумов, В. В. Татаринов и многие другие.

Рис. 67. Нижегородская радиолаборатория.

Созданная по мысли В. И. Ленина, Нижегородская радиолаборатория успешно разрешила задачи, поставленные перед ней советским правительством. М. А. Бонч-Бруевич был целиком поглощен созданием радиотелефонных широковещательных передатчиков. А. Ф. Шорин совершенствовал радиотелеграфную аппаратуру. В. П. Вологдин конструировал первые советские мощные ртутные лампы для преобразования переменного тока в постоянный и улучшил изобретенные им машинные генераторы высокой частоты.

Владимир Ильич Ленин оказывал коллективу радиолаборатории большую поддержку.

В письме М. А. Бонч-Бруевичу 5 февраля 1920 года В. И. Ленин писал: «…Пользуюсь случаем, чтобы выразить Вам глубокую благодарность и сочувствие по поводу большой работы радиоизобретений, которую Вы делаете. Газета без бумаги и „без расстояний“, которую Вы создаете, будет великим делом. Всяческое и всемерное содействие обещаю Вам оказывать этой и подобным работам.

С лучшими пожеланиями В. Ульянов (Ленин)».[20]

Благодаря энергичному содействию В. И. Ленина коллектив сотрудников Нижегородской радиолаборатории быстро наверстывал все, что было упущено в дореволюционные годы.

Уже в 1919 году были поставлены первые опыты радиотелефонных передач. Опыты прошли вполне удачно, и 17 марта 1920 года, по предложению В. И. Ленина, Совет Труда и Обороны постановил построить в срочном порядке в Москве Центральную радиотелефонную станцию, радиусом действия в 2000 верст.

Стопятидесятиметровую ажурную радиобашню для московской радиостанции спроектировал и построил замечательный русский ученый, инженер и изобретатель Л. Ф. Шухов.

Осенью 1921 года работники Нижегородской лаборатории закончили сборку радиотелефонной станции и приступили к испытаниям передатчика. Приемным пунктом для опытных переговоров по телефону был избран Берлин.

В Берлине хорошо слышали московскую станцию, но ответную передачу организовать не могли. Берлинская радиостанция по мощности и совершенству оборудования значительно уступала московской. Да и вообще в Западной Европе тогда не было ни одной радиотелефонной станции, которая могла бы соперничать с передатчиком на Шаболовке. Московские передачи 1920 года были первыми радиотелефонными передачами в Европе на дальнее расстояние.

К 1921 году советская радиотехника благодаря заботам нашей партии и лично В. И. Ленина и И. В. Сталина заняла ведущее место в радиотелефонии и с тех пор более никогда его не уступала.

В пятую годовщину Советской власти — 7 ноября 1922 года — московская радиостанция начала широковещательные передачи последних известий, лекций, концертов и докладов.

От триода до октода

Дальнейшее развитие радиотехники было неразрывно связано с успехами советской науки.

Первое и очень важное усовершенствование радиолампы осуществил в 1918 году академик А. А. Чернышев — он изобрел подогревный катод.

В лампе с подогревным катодом источником электронов служит не сама раскаленная нить, а трубочка, покрытая слоем веществ, способных испускать электроны, и надетая на нить, как чехол. Нить, подобно маленькой электрической печке, подогревает катод изнутри, и он начинает испускать электроны.

Еще до изобретения подогревного катода пробовали накаливать нить катода от сети переменного тока, понижая его напряжение с помощью трансформатора. Попытки не увенчались успехом: сила тока в городской сети меняется 100 раз в секунду, поэтому и температура нити и количество вылетающих из катода электронов тоже менялись 100 раз в секунду.

Кроме того, вокруг нити накала образуется переменное электромагнитное поле, которое мешает регулирующему действию сетки.

С изобретением подогревного катода эти недостатки устранились. Толстые стенки трубочки, надетой на нить накала, не успевают охлаждаться, когда понижается температура нити, они же защищают, экранируют внутреннюю часть лампы от мешающего влияния поля, создаваемого переменным током.

Для подогревных катодов перестали быть необходимыми дорогие и недолговечные батареи или аккумуляторы. Если в распоряжении радиослушателя находится сеть переменного тока, простой и надежный трансформатор может отлично служить ему для питания цепи накала.

Инженеры, разрабатывавшие новые, более совершенные типы радиоламп, старались повысить их экономичность и мощность, улучшить их работу и создать лампы, пригодные для выполнения тех разнообразных задач, которые ставила перед ними развивающаяся радиотехника. Конструкторы ламп стремились уничтожить вредные явления, происходящие в лампах, и повысить коэффициент усиления лампы.

Прежде всего между анодом и сеткой поместили еще одну сетку, на которую подали положительное напряжение, но несколько меньшее, чем на аноде.

Вторая сетка отгородила анод от первой сетки и устранила вредное влияние емкости между ними. Это улучшило регулирующее действие первой сетки. Коэффициент усиления двухсеточной лампы получился выше, чем у триода.

Для экранирующей сетки потребовался четвертый вход, и четырехэлектродная лампа получила название: тетрод.

Вслед за этим конструкторы ополчились против помех, порождаемых вторичными электронами, которые вылетают из анода под действием электронной бомбардировки. Электрон, налетающий на поверхность металла с большой скоростью, может выбить из металла даже несколько новых электронов, которые и называют вторичными.

Чтобы обезвредить влияние вторичных электронов, пришлось поставить около анода еще одну сетку. Эта сетка стала пятым электродом, и лампе дали новое название: пентод. Пентоды — один из наиболее совершенных типов радиоламп.

Иногда бывает целесообразно применять еще более сложные лампы. Например, первой управляющей сетке можно придать в помощь вторую управляющую сетку и таким образом осуществить двойное управление анодным током. Так в лампе появилась четвертая сетка или шестой электрод. Лампа с шестью входами стала именоваться — гексод.

Все сложные лампы получают название по числу входов или по числу сеток: с семью входами гептод, или пентагрид (пять сеток).

Шестисеточная лампа называется октод или гексагрид (шесть сеток).

Для экономии места в приемнике, конструкторы начали помещать внутри одного баллона два-три анода — каждый из них со своими сетками, получающих электроны от одного или двух катодов. Такая комбинированная лампа заменяет собой две-три обычные лампы. Во многих современных приемниках можно найти двойной диод-триод, двойной диод-пентод, триод-гексод и другие комбинированные лампы.

Всего к 1951 году было изобретено около десяти тысяч различных типов радиоламп.

Благодаря применению многосеточных и комбинированных ламп наши приемники имеют сравнительно небольшие размеры и вес при весьма высокой чувствительности и мощности.

В современных приемниках шесть-семь сложных ламп заменяют несколько десятков «первобытных» трехэлектродных ламп.

Хрупкие стеклянные баллоны ламп стали заменять иногда металлическими корпусами самой различной формы. Металлические баллоны защищают — экранируют лампу от вредного влияния других радиоприборов, смонтированных вместе с нею на панели приемника.

Радиолампы последних моделей окончательно утратили наследственные черты своих прародителей — разрядной трубки и осветительной лампочки.

Усовершенствование радиоламп сделало радиосвязь привычной, повседневной и даже более распространенной, чем электрическое освещение или водопровод. Радио проникло в самые отдаленные уголки Советского Союза. Передачи Москвы звучат в горных селениях Памира и Алтая, в засыпанных снегом поселках Камчатки, в сибирской тайге и среди арктических льдов на зимовках полярников

Лампа становится генератором

Если от приемника отключить антенну, то электроны, перебегавшие в колебательном контуре по виткам катушки от одной обкладки конденсатора до другой и не подгоняемые более сигналами, приходящими извне, постепенно успокоятся, утихнут. Электрические колебания в контуре быстро затухнут — сетка перестанет влиять на анодный ток, анодный ток перестанет пульсировать.

Словом, все произойдет как в часах, у которых тяжесть гири или сила пружины окажутся недостаточными, чтобы поддерживать качание маятника. Маятник, не получая от пружины возмещения потерь на трение, качается все медленнее и медленнее и затем останавливается совсем. Его колебания затухают.

Если усилить пружину или увеличить все гири, то маятник сможет качаться долго: пока гиря не опустится до полу или не раскрутится пружина.

Все дело, следовательно, в том: получает ли маятник, все равно какой — механический или электрический, возмещение своих потерь энергии или нет. Получает — качается, не получает — затихает.

Электрические колебания контура также можно сделать непрерывными — незатухающими. Для этого надо дать контуру дополнительный источник энергии. Сделать это просто: катушку обратной связи придвинуть поближе к катушке колебательного контура.

Колебания анодного тока, текущего в катушке обратной связи, начнут подталкивать электроны контура, а контур через сетку лампы будет поддерживать колебания анодного тока, и все это будет продолжаться до тех пор, пока не иссякнет анодная батарея.

При сближенных катушках колебательный контур подобен маятнику часов с пружиной, имеющей достаточную силу, чтобы поддерживать его качания. Возмещение потерь колебательного контура происходит за счет анодного тока.

Если к приемнику, у которого сильно сближены обе катушки, присоединить антенну, то электроны контура и антенны в этом случае поменяются ролями. До сближения катушек тон «задавали» антенные электроны. Они командовали электронами в катушке, заставляли их раскачиваться в такт принимаемым сигналам.

Теперь на стороне электронов контура оказался могучий союзник — анодный ток, и они начинают подталкивать электроны антенны, заставляя их раскачиваться в такт колебаниям контура. В антенне разыгрывается уже знакомое нам явление, — колеблющиеся в ней электроны начинают излучать энергию в пространство.

Все радиослушатели в ближайших домах и квартирах от всего сердца выбранят «свинью в эфире» и будут, разумеется, совершенно правы. Их приемники захрюкают, завизжат, так как они примут, кроме передачи широковещательной станции, еще «сверхпрограммное излучение» приемника, который благодаря сближению катушек превратился в передатчик.

Усилительная лампа при большой обратной связи становится генератором электрических колебаний.

Для того, чтобы получить электромагнитные волны, перекрывающие обширные пространства, нужны мощные колебания в антенне — маленькая лампочка не может их давать. Нужны лампы больших размеров, питаемые не батареей, а мощным источником тока высокого напряжения.

И действительно, генераторные лампы больше чем приемно-усилительные, их катоды и аноды — прочнее, массивнее.

Таким образом, электронные лампы могут служить не только для приема, но и для посылки радиосигналов. Генераторная электронная лампа давно уже стала сердцем современной передающей радиостанции. Лампе мощного радиопередатчика приходится выполнять работу несравненно более тяжелую, чем лампе в приемнике.

Электронный поток между катодом и анодом генераторной лампы силен, количество электронов, бомбардирующих анод, и их скорость велики. Удары быстро летящих электронов разогревают анод до температуры плавления большинства металлов.

В первых генераторных лампах, которые строил в Нижегородской радиолаборатории Бонч-Бруевич, металлические аноды плавились, как восковые, и лампы выходили из строя. Надо было — так утверждали иностранные специалисты — делать аноды из какого-либо особого тугоплавкого металла: тантала, вольфрама или молибдена.

Советская власть унаследовала от царской России отсталую, убогую промышленность. Войска интервентов окружили молодую Советскую республику сплошным кольцом. Капиталистические страны хотели задушить Советскую Россию войной и блокадой. У нас тогда не было производства тугоплавких металлов: тантала, вольфрама и др. Работники Нижегородской радиолаборатории имели в своем распоряжении только красную медь, никель и алюминий.

Иностранные фирмы со злорадством ожидали, что советские инженеры не смогут обойтись без тантала. Однако чаяния врагов не оправдались.

17 сентября 1922 года московская радиостанция передала первый концерт, и его слышали во всей Европе. Англия и Франция смогли транслировать первый концерт двумя месяцами позднее, а Германия— только в октябре 1923 года.

За границей недоумевали — откуда в Советском Союзе добыли тантал для анодов?

Но тантала у Нижегородской радиолаборатории не было, да он и не понадобился ей. Аноды первых советских генераторных ламп изготовили из красной меди. Красная медь вследствие своей исключительной теплопроводности оказалась прекрасным материалом для анодов.

М. А. Бонч-Бруевич поместил аноды не целиком внутри баллонов, а вывел их наружу и снабдил водяным охлаждением. Снаружи аноды омывались потоками воды, которая уносила излишнее тепло. Лампе стало не опасно выделение теплоты, потому что вода быстро отводила ее прочь.

Никакой тантал не в состоянии выдержать электронной бомбардировки, которой подвергается анод в лампах, мощностью в несколько киловатт, а медные аноды с водяным охлаждением служили Нижегородской радиолаборатории хорошо, давая до 25–50 и даже 100 киловатт мощности. Иностранным специалистам пришлось спешно заимствовать замечательное достижение Нижегородской радиолаборатории.

Теперь во всем мире делают генераторные лампы с медным анодом и охлаждают их проточной водой или сильной струей воздуха. Аноды ламп, рассчитанные на воздушное охлаждение, имеют ребристые стенки, под лампами непрерывно работают вентиляторы, которые обдувают анод и отводят от него теплоту.

Генераторные лампы, посылающие энергию непосредственно в антенны крупнейших советских радиостанций, имеют большую мощность. Например, лампа типа Г-880 вдвое мощнее двигателя автомобиля «Москвич», а лампа Г-443 почти втрое мощнее двигателя «Победы». Наиболее мощные генераторные лампы обладают мощностями, превышающими тысячу лошадиных сил.

На анодах всех ламп современной радиостанции выделяется так много тепла, что его хватает для отопления станций, — систему водяного охлаждения анодов соединяют с трубами отопительных радиаторов.

Благодаря усовершенствованию генераторных ламп и огромному увеличению их мощности дальность радиопередач возросла в колоссальной степени. Наша планета давно уж стала тесна для установления рекорда дальности радиопередач. Излучение наших мощных коротковолновых станций обходит вокруг земли несколько раз.

Каждое слово, сказанное в микрофон московского радиоцентра, разносится по всему земному шару. Оно преодолевает горные хребты и безбрежную ширь океана. Его слышат десятки и сотни миллионов людей на всех материках нашей планеты.

Гениальное изобретение А. С. Попова дало новый вид связи — радио! Радио вызвало бурный расцвет электроники, и она в кратчайший срок сделала радио могучим рупором живой человеческой речи. Перед человеческим голосом рухнула преграда расстояния.

Шестнадцать разговоров

Успехи радио повлекли за собой усовершенствование проволочных линий связи. Старик-телефон, который раньше обеспечивал надежную связь всего лишь километров на 30–40, с помощью электроники (усилительных электронных ламп) шагнул на тысячи километров.

В СССР по проекту лауреатов Сталинской премии инженеров П. К. Акульшина, А. Н. Гумеля, В. 3. Малышева и П. А. Фролова построена самая длинная в мире, безукоризненно работающая телефонная линия, протяжением в 10 тысяч километров.

Эта линия связывает Москву с Дальним Востоком, и абоненты слышат друг друга так, как будто находятся в разных концах Москвы. Прекрасную слышимость на огромном расстоянии поддерживают мощные усилители. Они дают общее усиление до 30 миллионов раз.

Удивительным является, однако, не протяженность линии, а то, что по каждой паре проводов в наше время ведется 16 разговоров одновременно, и никто из разговаривающих не мешает друг другу.

Идея многократного использования одного и того же провода для телефонных переговоров была осуществлена капитаном русской армии Игнатьевым еще в 1880 году. Он передавал по одному проводу одновременно телеграммы и телефонный разговор. Электрический фильтр, состоящий из катушки самоиндукции и конденсатора, отделял постоянный ток телеграфного аппарата от переменного тока телефонного аппарата, и телеграфист с телефонистом беспрепятственно пользовались одним и тем же проводом.

Теперешнюю телефонную линию обслуживают ламповые генераторы высокой частоты. Телефонная станция состоит из 16 передатчиков и 16 приемников, соединенных лишь одной парой проводов.

Каждый передатчик и соответствующий ему приемник настроены на определенную частоту. Для каждого разговора применяется своя, отдельная частота. В проволоке получается такое же смешение различных колебаний, какое принимает приемная антенна радиолюбителя. Но электрические фильтры из настроенных колебательных контуров строго сортируют частоты так, что разговоры не мешают один другому.

«Шепот» звезд

В 1947 году советская астрономическая экспедиция, под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР А. А. Михайлова, наблюдала солнечное затмение близ берегов Бразилии. Радиоприборы, приспособленные для астрономических целей и установленные на теплоходе «Грибоедов», позволили советским ученым слушать «голос» Солнца, то есть принимать радиоволны, излучаемые Солнцем.

Источником радиоизлучения Солнца, как показали исследования советских астрономов и физиков, являются самые верхние, самые разреженные слои солнечной атмосферы. По-видимому это радиоизлучение исходит от солнечной короны — жемчужно- серебристого сияния, окружающего Солнце, и хорошо заметного во время полных солнечных затмений.

Сила радиосигналов Солнца зависит от силы извержений или огненных бурь, разыгрывающихся время от времени на его светоносной поверхности. Особо мощные вспышки радиоизлучения обычно предшествуют огненным бурям и служат их предвестниками.

Невольно вспоминается первый радиоприемный аппарат — «грозоотметчик» А. С. Попова. Теперь мы отмечаем бури и «грозы» в атмосфере солнца!

Вслед за первыми опытами приема радиоизлучения Солнца астрономы попробовали «послушать» звезды. Они направляли антенну коротковолновой радиостанции на различные участки неба и записывали принимаемые шумы.

Установлено, что наиболее сильные источники радиоизлучения находятся в самой гуще Млечного пути по направлению к созвездию Стрельца. А именно в этом направлении расположена таинственная и труднодоступная для изучения центральная область Галактики: она закрыта от нас скоплениями пыли.

Но туман, пыль, облака прозрачны для радиоизлучения, и это дает нам возможность проникнуть в закрытую от нашего взора загадочную область Галактики. Радиотехника позволила ее «послушать».

Совсем недавно «слушающая» астрономия сделала чрезвычайно важное открытие — оказалось, что радиоизлучение приходит к нам из отдельных небольших участков неба. К сожалению точность наведения радиотелескопа еще не велика, нацелить его в одну точку, как обычный оптический телескоп, не удается, и это, конечно, затрудняет исследования. Но все же установлено, что источники радиоизлучения по своим размерам раз в десять меньше полной луны, то есть, если бы мы могли их увидеть, они казались бы нам «пятачками» диаметром в несколько угловых минут.

Эти участки неба, посылающие особо сильное радиоизлучение, получили название радиозвезд.

Исследование загадочных «пятачков» с помощью оптических телескопов никаких результатов не дало. Там виднеется несколько рядовых слабеньких звездочек, каких много и там, где радиозвезд нет и в помине. Не помогает их разглядеть и фотография. Радиозвезды — невидимки!

Московский астроном И. С. Шкловский считает, что некоторые радиозвезды находятся совсем недалеко от Солнца, может быть даже ближе, чем видимые нами звезды, и вообще во Вселенной радиозвезд в несколько раз больше, чем ярких само- светящихся звезд. Что же такое эти радиозвезды, — остается пока неизвестным.

Уловленные приборами сигналы далеких светил еще не поняты. Их смысл и значение пока еще не разгаданы. Но радиоастрономия — очень молодая отрасль науки! Ученые совершенствуют радиоастрономические приборы, и нет ничего невероятного в том, что электроника в недалеком будущем создаст «слушающие телескопы» или «видящие астрорадиоприемники» (рис. 68).

Рис. 68. Приемник, улавливающий радиоизлучение звезд.

Радиоастрономия — новое могущественное средство познания Вселенной.

И возможно, что когда-нибудь среди шумов, рождаемых звездными атмосферами, мы уловим ритмичные сигналы, посланные в межзвездное пространство обитателями других планетных систем. Гениальный ученый и философ Джордано Бруно, сожженный на костре инквизиции 17 февраля 1600 года, писал: «В безмерном лоне бесконечной Вселенной возникают, развиваются, уничтожаются и снова рождаются бесчисленные миры. Существуют бесчисленные солнца, бесчисленные земли, которые кружатся вокруг своих солнц подобно тому, как наши семь планет кружатся вокруг нашего Солнца».

И мы убеждены, что в бесконечном пространстве Вселенной кроме нашей Земли есть и другие обитаемые планеты.

Хранитель неизменной секунды

Часы с маятником были изобретены Христианом Гюйгенсом в первой половине XVII века. Они верой и правдой служат людям уже свыше 300 лет. За это время механизм часов был доведен до большого совершенства, но все же самые лучшие современные часы с маятником уходят вперед или отстают на 3–4 тысячных доли секунды в сутки. Это — предел точности таких часов и большего от них добиться трудно.

Однако точность в 3–4 тысячных доли секунды уже не удовлетворяет ученых. Тысячная доля секунды — величина большая. Для тонких научных исследований нужны часы, отмеряющие время с ошибкой, которая не превышала бы стотысячной доли секунды. Именно столь высокая точность позволяет совершать важные открытия..

Наша секунда это 1/86400 доля суток, а сутки — время одного оборота земного шара вокруг его оси. Все наше измерение времени до сих пор было основано на определении скорости вращения Земли. Раньше думали, что земной шар вращается в высшей степени равномерно и сутки остаются неизменными, но это оказалось не так. Установлено, что великие часы природы — земной шар — отстают. Земля замедляет свое вращение, и вследствие этого сутки постепенно удлиняются.

Величина «погрешности» Земли невелика, она составляет примерно 1,5 тысячных доли секунды в столетие. Иначе говоря, через каждые 700 столетий сутки становятся длиннее на 1 секунду.

Кроме того, в итоге многолетних наблюдений у астрономов зародилось подозрение, что наша планета вращается не вполне равномерно.

В 1872 году известный русский астроном С. П. Глазенап решил проверить это предположение. Предпринятое им исследование подтвердило догадку.

Земля то чуть-чуть ускоряет вращение, то так же неожиданно и без видимой причины замедляет его. Небольшие изменения скорости вращения день ото дня накапливаются, а к концу года достигают величины, которая уже не ускользает от внимания астрономов.

В течение прошлого столетия Земля вращалась с ускорением — сутки укорачивались. За время с 1865 по 1898 год было «потеряно» почти тридцать пять секунд.

В конце прошлого века Земля перестала «спешить». Сутки снова начали удлиняться. Это продолжалось до 1920 года. Сейчас она вращается с небольшим ускорением.

Очевидно, что земной шар, который считался безупречным судьей всех наших часов, сам оказался не вполне надежными часами.

Так как сутки то удлиняются, то укорачиваются, следовательно, и секунда — наша основная единица измерения времени — тоже изменяется. Но как можно пользоваться мерой, которая не отличается постоянством? Куда годится гиря, сделанная из льда, кому нужен резиновый метр? Такие материалы непригодны для изготовления мер.

Наша секунда, вследствие неравномерности вращения земного шара, непостоянна. Время же надо измерять неизменной секундой. Если земной шар не может служить образцовыми часами, то, очевидно, надо создать прибор, который мог бы хранить и сообщать точную величину секунды.

Маятниковые механические часы для этой цели не подходят.

Изобретатели обратились к электронным приборам. Кандидатом в заместители механического маятника был выдвинут маятник электрический, то есть колебательный контур, соединенный с электронной генераторной лампой.

Правда, электрический маятник оказался тоже не совсем постоянным. Малейшее изменение тока накала лампы, легкое дрожание электродов, неравномерный выход электронов из катода и ряд других причин нарушают правильный ритм колебаний в контуре. Электрический маятник нуждается в надежном регуляторе.

Такой регулятор был найден. Кристаллы горного хрусталя — кварца — обладают весьма полезным свойством: кварцевая пластинка или кольцо, вырезанное из кристалла кварца, под воздействием токов высокой частоты начинают сжиматься и расширяться с частотой переменного тока (рис. 69).

Рис. 69. Кварцевое кольцо — эталон частоты.

Однако не на все частоты кварцевая пластинка отзывается одинаково. Как и камертон, когда его ударят, издает звук только одного, ему свойственного, тона, так и кварцевое кольцо обладает собственной и тоже строго определенной частотой колебаний, которая зависит от размеров и формы кольца. И если ударить кварцевое кольцо, оно начинает колебаться со свойственной ему частотой. Такое кольцо присоединяют к колебательному контуру, частота колебаний которого равна собственной частоте пластинки. В таком контуре пластинка будет служить регулятором, как маятник в стенных часах.

В сочетании с электронной лампой кварцевое кольцо (или пластинка) стало основой часов нового типа — электронно-кварцевых.

Разработка проекта первых советских часов без маятника, без пружин, без гирь или электромагнитов была начата Центральным научно-исследовательским институтом геодезии, аэрофотосъемки и картографии в 1936 году и закончена в 1940 году.

Главной частью точных часов является генераторная лампа, соединенная с кварцевым кольцом. Это кольцо, выточенное из цельного куска кварца, по своим размерам равно круглому карманному зеркальцу: диаметр — 61 миллиметр, а толщина — 10 миллиметров. Кольцо совершает 99 271,05 колебаний в секунду или 5 956 263 колебания в минуту.

Кварцевое кольцо нечувствительно к изменениям силы тяжести или к каким-либо толчкам и сотрясениям, то есть оно не боится как раз того, что больше всего нарушает равномерность качаний обычного маятника. Но и кварц имеет свои недостатки — он чувствителен к изменениям температуры и давления воздуха. Поэтому кварцевое кольцо заключают в плотно закупоренный сосуд. Его обогревает электрическая печь с автоматическим регулятором температуры, и весь механизм одет двойной рубашкой из теплоизолирующих материалов. Температура внутри рубашки постоянна, давление — неизменно. В таких оранжерейных условиях кварцевое кольцо служит прекрасно.

Частота, превышающая 99 тысяч колебаний в секунду, слишком велика, чтобы ею можно было пользоваться для измерений. Особые приборы — делители частоты — уменьшают ее. Они делят частоту сначала на 11, потом на 9, и частота, пониженная до 1002,7379 колебаний в секунду, подается к мотору, а он приводит в движение счетный механизм со стрелками, как у обычных часов.

Точность кварцевых часов пока еще одна тысячная секунды в сутки. Но это — не предел. Часы могут быть еще более усовершенствованы, и погрешность их уменьшится до десятитысячных долей секунды.

В настоящее время кварцевые часы являются главными хранителями точной величины секунды. Они занимают почетное место в подвалах Службы времени астрономических обсерваторий, института метрологии и института геодезии. Маятниковые часы уступили первенство кварцевым часам.

Но даже точность кварцевых часов порой бывает недостаточна для тончайших лабораторных исследований. Ученые работают над созданием электронно-молекулярных часов, в которых роль маятника будут исполнять колеблющиеся молекулы газа — аммиака или метана.

Электронно-молекулярные часы обещают дать точность, определяемую миллионными долями секунды!

Новые музыкальные инструменты

Когда Московская радиостанция начала передавать в эфир концерты, лекции и доклады, взрослые и школьники с увлечением принялись мастерить самодельные приемники.

Новое дело привлекло десятки тысяч энтузиастов-любителей. К началу 1925 года было зарегистрировано около 25 тысяч владельцев радиоприемников и число их росло с каждым днем.

Радиолюбители с увлечением мастерили самодельные приемники, придумывали всевозможные усовершенствования, изобретали новые схемы. Радиотехника открывала широкое поле для самостоятельных исследований, и она многим обязана первым энтузиастам радио. Из среды радиолюбителей вышли многочисленные кадры квалифицированных исследователей и практиков.

В горячую пору всеобщего увлечения радиолюбительством было замечено свойство ламповых приемников свистеть при чрезмерном увеличении обратной связи. Возникновение генерации электрических колебаний — недостаток приемника; с ним борются, тщательно экранируя алюминиевыми колпаками лампы и катушки колебательных контуров. Но в технике часто бывает, что явление, вредное в одном случае, оказывается полезным в другом.

Ленинградские радиолюбители первыми догадались, что радиоприемник с генерирующей лампой можно превратить в своеобразный музыкальный инструмент. Ведь стоило приблизить руку или металлический предмет к колебательному контуру, как тотчас же менялась высота звука. Приемник свистел на разные голоса.

Особенно удивительного в этом явлении ничего нет: приближение руки изменяет емкость колебательного контура. Он настраивается на другую частоту, и это сказывается на высоте звука. Звучанием можно управлять; следовательно, приемник способен стать музыкальным инструментом.

Для осуществления этой идеи от колебательного контура сквозь верхнюю крышку приемника вывели наружу металлический стержень, а колебательный контур и звуковые фильтры подобрали так, чтобы из громкоговорителя слышался не поросячий визг, а приятный для слуха музыкальный тон.

Новинка привлекла на первых порах всеобщее внимание, изобретатели первого в мире радиомузыкального инструмента с успехом показывали его с эстрады.

На сцену выносили небольшой полированный ящичек, из верхней крышки которого выступал металлический стержень длиной в 20–25 сантиметров.

Музыкант-исполнитель подходил к этому ящику, протягивал руку к стержню, и прибор начинал петь. Каждое приближение или удаление руки плавно меняло высоту звука.

Игра на звучащем радиоприборе производила странное впечатление. Человек, извлекая звуки из воздуха, напоминал дирижера, который управляет оркестром, но оркестр этот состоял из одного единственного инструмента.

Первый электромузыкальный прибор был весьма далек от совершенства. Он давал только один музыкальный тон, изменяющийся по высоте. На нем удавалось исполнять лишь несложные мелодии. Соперничать с обычными духовыми или струнными инструментами, а тем более с оркестром, в котором звучат одновременно десятки инструментов, он никак не мог.

За годы, прошедшие с тех пор, радиотехника сделала грандиозные успехи. Появились новые электромузыкальные инструменты. Из них наиболее совершенными считаются эмиритон и В-8.

Название эмиритона составлено из начальных букв нескольких слов. Первые три буквы э м и означают: электромузыкальный инструмент; следующие две буквы — р и и взяты от фамилий изобретателей: профессора Римского-Корсакова и инженера Иванова. Последний слог «тон» означает звук. Все вместе — эмиритон.

Другой электромузыкальный инструмент В-8 — обозначен начальной буквой фамилии своего изобретателя А. Володина. Эмиритон и В-8 — чисто электрические инструменты. В них нет струн, как у рояля или скрипки, нет звучащих язычков, как у аккордеона.

Открыв заднюю крышку эмиритона, можно увидеть сложное переплетение разноцветных монтажных проводов, катушки самоиндукции в алюминиевых экранах-чехлах, конденсаторы, дроссели, сопротивления и другие детали, все, как в большом и сложном радиоприемнике. В-8, например, имеет 46 ламп!

По внешнему виду эмиритон похож на небольшое пианино или на старинный клавишный инструмент-клавикорды. У эмиритона имеется клавиатура, и музыкант играет на эмиритоне, как на пианино, — обеими руками, нажимая пальцами на клавиши. Эмиритон издает при этом звуки в тембрах кларнета, гобоя или фагота.

Кроме клавиатуры эмиритон снабжен также грифом. Это — длинная полоса, расположенная вдоль клавиатуры и покрытая сверху цветным пластикатом.

Эмиритонист может исполнять музыкальное произведение, пользуясь по желанию либо клавишами, либо грифом. Касаясь грифа, скользя по нему пальцами, эмиритонист заставляет инструмент звучать, подражая скрипке, виолончели или человеческому голосу.

Переключение с одного тембра на другой, — с кларнета на фагот или со скрипки на контрабас, — производится мгновенно, для этого достаточно нажать на клавиши тембров.

Эмиритон обладает примерно пятьюдесятью различными тембрами и может подражать звучанию почти всех существующих музыкальных инструментов — от самой маленькой флейты-пикколо до большого контрабаса.

С помощью ножной педали, эмиритонист управляет силой звука, меняя ее от еле слышного журчания до могучего рева органных труб.

По богатству тембрами эмиритон не имеет себе равных среди всех обычных музыкальных инструментов: Несколько эмиритонов могут составить оркестр, не уступающий по звучанию симфоническому оркестру полного состава.

И все же разносторонние свойства электронной лампы — этого гибкого, универсального и точного прибора — далеко еще не полностью использованы в эмиритоне.

Ведь было время, когда и автомобиль «учился ходить», а самолет «учился летать». Так и электромузыкальные инструменты. Они еще только «учатся петь». Пройдут годы, будут созданы новые конструкции, и тогда электромузыкальные инструменты займут место в оркестрах рядом с обычными струнными и духовыми инструментами.

Глава седьмая. Электрон открывает невидимый мир

Третий потомок разрядной трубки

Световые явления, возникающие в разрядной трубке, привлекали ученых прошлого столетия своей красотой, разнообразием и загадочностью. Во второй половине XIX века не было ни одной физической лаборатории, которая не обзавелась бы набором разрядных трубок. Физики на разные лады повторяли опыты Петрова и Фарадея, но никто из них не мог найти разрядной трубке практического применения.

Разрядная трубка, давшая начало двум могущественным электронным приборам — рентгеновскому аппарату и электронной лампе, — сама долго оставалась неусовершенствованной.

В 1907 году два русских ученых Б. Л. Розинг и Л. И. Мандельштам обратили внимание на одну особенность разрядной трубки, которая до тех пор оставалась неиспользованной. При достаточно сильном разрежении воздуха в трубке электронный поток устремляется от катода перпендикулярно к его поверхности и не зависит от положения анода. Анод в такой трубке может помещаться не напротив катода, а где-либо сбоку, как в некоторых типах рентгеновских трубок.

В том месте, где электронный поток падает на стенку трубки, возникает зеленоватое свечение. Если внутреннюю поверхность трубки в этом месте покрыть каким-либо веществом, которое может светиться под ударами электронов, то это свечение становится особо ярким и удобным для наблюдения.

Электронный луч в катодной трубке отличается необычайной подвижностью и «отзывчивостью» к влиянию магнитных и электрических полей.

Магнитным полем можно заставить электронный поток отклоняться в сторону, изгибаться дугой, сжиматься в струнку, завиваться штопором. Чувствительность электронного луча исключительно велика: на каждое изменение электрического или магнитного поля он отзывается мгновенно. Наше слово «мгновенно» в данном случае, пожалуй, даже непригодно.

Длительность мига, то есть «мгновения ока», составляет примерно 40 тысячных долей секунды. Только для того, чтобы открыть глаз, требуется около 25 тысячных секунды, — миг вовсе не так короток, как нам это кажется!

Наиболее быстрое движение, какое удается наблюдать в живой природе, это колебание комариного крыла. Комар делает до 500 взмахов в секунду! Две тысячных доли секунды на каждый взмах! Но даже комариное крыло не может соперничать с электронным лучом. Он отзывается на внешнее воздействие даже не в тысячные, а в миллиардные доли секунды.

Это свойство электронного луча объясняется малой массой электрона — его малой инерционностью.

Струйки голубоватого дыма, которые вьются над горящей папиросой, состоят из мельчайших частиц углерода. Величина этих частиц определяется долями микрона. Одна такая «дыминка» весит примерно 1,5∙10-15 грамма. Однако, несмотря на столь ничтожную величину «дыминки», в ней содержится 500 миллионов атомов углерода. Настолько малы атомы! Электроны же еще меньше. Электрон в 22 тысячи раз легче атома углерода.

Понятно, что частицу столь ничтожной массы очень легко заставить изменить направление своего движения. При малой массе электронам свойственна столь же малая инерция. Вот почему электронный луч в разрядной трубке так чувствителен.

Русские ученые Б. Л. Розинг и Л. И. Мандельштам начали совершенствовать катодную трубку и приспосабливать ее для регистрации самых быстрых, самых кратковременных явлений, как например образование электрических искр. Эти работы продолжил Д. А. Рожанский.

Б. Л. Розинг, мечтая изобрести прибор для передачи изображений по проводам, старался приспособить катодную трубку для этого своего изобретения. Л. И. Мандельштам и Д. А. Рожанский, понимая, что необычайная чувствительность электронного луча окажется незаменимой при различных исследованиях, трудились, чтобы найти практическое применение катодной трубке. А для этого было необходимо научиться управлять электронным лучом и заставить его «рисовать» или «писать».

Такой способ они нашли, и катодная трубка превратилась в электроннолучевую трубку, которая послужила родоначальницей новой обширной семьи электронных приборов: электроннолучевого осциллоскопа, кинескопа, иконоскопа, электронного микроскопа и многих других замечательных приборов.

Электронная пушка

Современная электроннолучевая трубка имеет форму колбы с длинным горлом и широким, слегка выпуклым, дном. Дно трубки покрыто люминофором, то есть веществом, способным светиться под действием электронного луча. Обычно для этой цели применяют кремнистые цинк или кадмий. Дно трубки служит экраном, на котором исследователь наблюдает светящийся след электронного пучка.

Для получения мощного электронного луча и фокусировки его, то есть для образования на экране маленького ярко светящегося пятнышка служит электронная пушка, которая помещена в узкой части колбы против экрана (рис. 70).

Рис. 70. Схематическое изображение электроннолучевой трубки.

Катод электронной пушки выполнен в виде металлического стаканчика, обращенного дном к экрану. Изнутри стаканчик подогревается миниатюрной электрической печкой, а снаружи на его дно нанесено немного состава, легко испускающего электроны при нагревании, — он-то и служит источником электронов.

Анод делают обычно в виде двух цилиндров, по оси которых проходит пучок электронных лучей. На цилиндры подают такие напряжения, что образуемое ими электрическое поле приобретает свойство линзы, оно собирает их в одну точку на экране.

Электроны, вылетающие из катода во все стороны расходящимся пучком лучей, проходя сквозь цилиндры анода, не только ускоряются, но и изменяют свой путь. Расходящийся пучок лучей становится сходящимся и дает яркую и маленькую звездочку на экране. Электронная линза фокусирует поток электронов так же, как стеклянная линза — световой поток (рис. 71).

Рис. 71. Схематическое изображение электронной пушки: К — катод, С — управляющий электрод, А1 и А2 — аноды, Б — стенка трубки.

Между катодом и анодом помещается еще один, также цилиндрический, электрод. Он называется управляющим электродом и играет такую же роль, как сетка в электрической лампе. Подавая на него то или иное положительное или отрицательное напряжение, можно регулировать число электронов, проходящих к аноду и, следовательно, изменять Яркость пятнышка на экране. Достаточно большое отрицательное напряжение на управляющем электроде вообще прекращает доступ электронов к экрану, то есть «запирает» электронный луч.

Луч начинает рисовать

Чтобы электронный луч приобрел «дар рисования», трубку снабдили дополнительным устройством, которое заставило луч бегать по экрану и чертить на нем линии, фигуры, знаки.

Такое «рисующее» устройство располагается сразу же за анодами. Оно состоит из двух пар металлических пластинок. Первая пара пластинок поставлена вертикально, следующая за ней — горизонтально.

От каждой пластинки сделан вывод наружу (рис. 70).

Если к вертикальным пластинкам присоединить провода от какого-либо источника тока, то одна пластинка получит положительный заряд, другая — отрицательный, а электронный луч изогнется и отклонится в сторону положительной пластины. Светящаяся точка переместится от одного края экрана к другому, но, как только напряжение снимут, светящаяся точка вновь вернется на прежнее место.

Заряды, подведенные к вертикальным пластинам, заставляют точку двигаться вправо и влево.

Разумеется, незачем включать ток вручную. Это с большим успехом сделает специальная радиолампа, называемая тиратроном, соединенная с конденсатором. Она автоматически очень точно включает и выключает ток, причем подача напряжения на вертикальные пластины происходит в таком порядке: сначала конденсатор постепенно заряжается, и напряжение плавно нарастает; электронный луч, а вместе с ним и светящаяся точка на экране, так же плавно бегут слева направо. Потом конденсатор, а вместе с ним и пластины разом разряжаются, и точка прыгает назад. Затем все начинается сначала — плавное движение в одну сторону и стремительный скачок в обратную.

Частотой перескоков светящейся точки вправо и влево можно управлять по желанию. При быстрой смене зарядов, благодаря инерции зрения и остаточного свечения люминофора, на экране получается светящаяся прямая горизонтальная линия определенной длины.

Разумеется, рассматривать ровную горизонтальную линию — занятое бесполезное. Поэтому действия только одних вертикальных пластин мало.

Надо дать работу и горизонтальным пластинам и заставить электронный луч двигаться вверх и вниз. Присоединим к ним провода от городской осветительной сети, в которой течет переменный ток. Следуя колебаниям напряжения переменного тока, положительные и отрицательные заряды на горизонтальных пластинах станут сменять друг друга 100 раз в секунду.

Электронный луч, повинуясь влиянию зарядов на горизонтальных пластинах, начнет колебаться и двигаться вверх и вниз, а не только вправо и влево.

Дружные одновременные усилия зарядов на обеих парах пластин заставят электронный луч рисовать на экране плавную кривую линию, показывающую, как происходят изменения силы переменного тока с течением времени (рис. 72).

Рис. 72. Кривая изображающая колебание напряжения переменного тока.

Мы увидим на экране трубки чертеж или график колебаний осветительного тока, нарисованный самим же током. Чертеж представляет кривую линию, называемую синусоидой.

Прибор, показывающий колебания

Если имеется какой-нибудь другой источник еще неизвестных для нас электрических колебаний, то достаточно подключить провода от этого источника к горизонтальным пластинам электроннолучевой трубки, и электронный луч нарисует зубчатую, пилообразную или волнистую линию, которая наглядно покажет, с каким видом колебаний мы имеем дело. Такая трубка, оснащенная вспомогательными приборами, называется электроннолучевым осциллоскопом или осциллографом. Слово осциллоскоп означает «показывающий колебания», а осциллограф — «записывающий колебания».

Все лаборатории и научно-исследовательские институты, в которых изучают быстрые колебательные процессы, обязательно оснащаются электроннолучевыми осциллоскопами. Так, например, эти приборы применяют в научно-исследовательском институте имени И. П. Павлова (в Колтушах под Ленинградом) для записи очень быстрых электрических колебаний, какие возникают во время работы головного мозга или сердца.

Лаборатория, в которой изучают электрические колебания мозга животных, состоит из двух смежных комнат. В одной из них помещается подопытное животное — кошка или кролик. В этой комнате почти нет никакой мебели, кроме станка, в котором закреплено животное во время опыта.

Стены комнаты под штукатуркой обиты металлической сеткой, окна тоже затянуты частой медной сеткой. Это — экран, он необходим, чтобы защитить животное и приборы от радиоволн и прочих электрических колебаний, которые могут помешать наблюдениям.

Во второй комнате установлен электроннолучевой осциллоскоп, и во время опыта там находятся исследователи.

Кошке, предназначенной для опытов, предварительно делают операцию: в мозг вводят тончайшие металлические проволочки — электроды. Деятельность мозга изучают обычно с помощью шестилучевого осциллоскопа, и в мозг вводят шесть электродов — по числу лучей. Их располагают в различных областях мозга — возле зрительных, слуховых, двигательных и других центров, или же размещают на равных расстояниях по прямой линии.

Подготовленное таким образом животное закрепляют в станке, а к электродам присоединяют провода от управляющих пластинок осциллоскопа. Затем кошку оставляют в полном одиночестве и начинают опыт.

Исследователь нажимает ту или иную кнопку. В изолированной комнате возле кошки вспыхивают и гаснут белые и синие электрические лампочки, щелкают шумовые приборы, кошку заставляют испытывать легкие уколы электрического тока.

Световые и звуковые сигналы действуют на зрение и слух животного. Под влиянием сигналов в различных участках мозга возникают электрические токи. Мощные усилители воспринимают эти токи и передают их на управляющие пластинки осциллоскопа, — каждый из шести лучей прибора начинает чертить на экране линию, отображающую характер колебаний, возникающих в различных местах мозга.

Киносъемочный аппарат, поставленный напротив экрана осциллоскопа, фотографирует зигзаги, вычерчиваемые лучами. Пленку проявляют и изучают, какие токи и в каких участках мозга возникали, когда вспыхивали лампочки, когда щелкал метроном или пищал зуммер.

Осциллограммы сличают между собой. Ученые устанавливают связь между причиной и следствиями, между сигналами и электрическими колебаниями в различных участках мозга; раскрывают законы деятельности мозга и нервной системы животных.

Работа человеческого организма может быть исследована с помощью новых электронных приборов.

В поликлиниках и больницах с успехом применяют электронные приборы для записи электрических токов сердца — электрокардиографа и электрических импульсов мозга — энцефалографа. Приборы помогают исследовать больной орган и уверенней его лечить.

Мир невидимых существ

В конце прошлого столетия на табачных плантациях Бессарабии и Украины распространилась заразная болезнь растений. На листьях табака появились белые, буро-желтые и ярко-зеленые пятнышки различной формы. Они испещряли листья причудливыми узорами, отчего эта болезнь получила название «мозаики». Листья, пораженные мозаичными пятнами, изъязвлялись. Растение увядало и гнило на корню, а соседние растения заражались и также погибали.

Загадочное заболевание табака охватывало одну плантацию за другой. Погибал урожай.

Молодой русский ученый-ботаник Д. И. Ивановский отправился на юг, чтобы изучить новую болезнь и постараться найти средство борьбы с ней.

Табачная мозаика была явно заразной болезнью, она быстро переходила от одного растения на другое, и вполне естественно, что Ивановский предполагал найти возбудителя заболевания в виде каких- либо микроорганизмов — бактерий или грибков.

Ученый исследовал соки и ткани заболевших растений, но не нашел даже следов болезнетворных бактерий.

Тогда ученый предположил, что вредоносные микроорганизмы только временные гости на табаке. Они. появляются, гнездятся на листьях, отравляют растение выделяемыми ими ядами — токсинами и перекочевывают дальше. Оставленный же ими яд разъедает растение.

Ивановский принялся искать яд табачной мозаики. Он сорвал лист больного растения, растер его в кашицу, кашицу развел водой, а полученный раствор профильтровал сквозь тончайший фарфоровый фильтр, имеющий столь маленькие поры, что ни одна бактерия сквозь них пройти не могла. Тщательно профильтрованную жидкость Ивановский впрыснул совершенно здоровому растению. И оно заболело.

Результат первого опыта как-будто убедил ученого, что причиной заболевания является именно яд. Профильтрованная жидкость была прозрачна, бесцветна и при наблюдении в микроскоп в ней не было видно ничего постороннего. Но Ивановский был человеком пытливого, ясного ума и он продолжил опыт, то есть сорвал лист с того растения, которое сам заразил, растер его в кашицу, развел водой и тщательно профильтровал сквозь мелкопористый фильтр. Полученную жидкость впрыснул здоровому растению. И это растение заболело.

«Странный яд! — размышлял Ивановский. — Был взят ядовитый сок только одного листа. Его развели водой. Разбавленным и, значит, ослабленным ядом вызвали заболевание другого растения. У этого растения тоже взяли сок одного листа. Опять развели его водой, значит, еще больше ослабили ядовитость, но растение все-таки заболело…»

Ивановский сорвал лист второго зараженного им растения, растер его, сок развел водой, профильтровал и вспрыснул третьему, совершенно здоровому растению. И оно немедленно заболело. Сколько бы раз упорный исследователь ни повторял этот опыт, растения заболевали. Сколько бы раз ни разбавляли яд водой и соком подопытного растения, — яд ни на йоту не терял болезнетворной силы.

Любое ядовитое вещество, если его разбавлять водой, в конце-концов потеряет ядовитость, а токсин табачной мозаики не ослабевал, он, наоборот, усиливался. Значит, причина табачной мозаики — не яд. Это, по всей вероятности, микроорганизмы, подобные бактериям, но настолько маленькие, что они невидимы в микроскоп и свободно проскальзывают сквозь отверстия самого мелкопористого фарфорового фильтра. Попадая в новое растение, они размножаются в нем и поэтому действие заразного начала не ослабевает.

14 февраля 1892 года Ивановский сделал в Академии наук доклад о своем открытии.

Микробы-невидимки были названы вирусами. Ивановский по праву считается основателем новой отрасли науки — вирусологии.

Многие ученые продолжали исследования Ивановского и доказали, что не только заболевания растений, но и многие болезни людей — корь, грипп, оспа, свинка, энцефалит, водобоязнь, ящур — вызываются именно вирусами.

Измерение размеров вирусов

Не видя вирусов даже в самые сильные микроскопы, ученые все же определили приблизительные размеры вирусов по их способности проходить сквозь фильтры с более или менее крупными порами.

Было найдено, что вирус ящура имеет размеры несколько более 75 миллимикронов. Вирус табачной мозаики в два с половиной раза меньше вируса ящура — его размер 30 миллимикронов. Понятно, что его нельзя увидеть, ведь миллимикрон — это чрезвычайно малая величина.

Толщина спички 2 миллиметра. Толщина человеческого волоса измеряется уже не миллиметрами, а тысячными долями миллиметра — микронами. Паутинка еще тоньше волоса. Ее толщина — 5 микронов.

Если одну пятую толщины паутины, то есть один микрон разделить на 1000 частей, мы получим миллимикрон, или одну миллионную долю миллиметра.

Следовательно, шестьдесят пять тысяч вирусов табачной мозаики, уложенных цепочкой один к одному, займут в длину всего-навсего 2 миллиметра, — они поместятся поперек спички.

Через несколько лет после смерти основоположника вирусологии Ивановского (он умер в 1920 году) ученые столкнулись с еще одним таинственным явлением, но уже не вредным, а полезным.

Биологи обнаружили, что в природе существует нечто невидимое, расправляющееся с дизентерийными бактериями, как тигр с ягнятами. В банке с водой кишат дизентерийные бактерии. Достаточно только одной капли жидкости, содержащей таинственное нечто, и в банке не останется ни одной болезнетворной бактерии.

Эта жидкость совершенно прозрачна. При наблюдении в микроскоп в ней решительно ничего не видно. Через самые мелкопористые фильтры целебная жидкость проходит, не теряя своих свойств. Ученые назвали это невидимое «нечто» — бактериофагом, то есть «пожирателем бактерий». Но что такое бактериофаг — было неизвестно.

Ученые причислили бактериофаг к вирусам, но к вирусам полезным, которые уничтожают врагов человека — болезнетворных бактерий.

Эти открытия доказали людям, что имеется многочисленный, разнообразный мир необычайно маленьких существ, из которых одни являются нашими злейшими врагами, другие — друзьями.

Но изучение этого мира было очень затруднено: он был невидим даже в самый лучший микроскоп.

Зоологи, ботаники, медики, ветеринары, агрономы обратились к оптикам с требованием — усовершенствовать микроскопы, сделать их более мощными и помочь науке раскрыть тайну невидимого мира.

В битве с вирусами человечество несет неисчислимые потери. В первой империалистической войне, длившейся с 1914 по 1918 год, было убито и умерло от ран 18 миллионов человек. В битве с вирусами гриппа, длившейся два года — с 1919 по 1920 год, — погибло 20 миллионов человек.

«Дайте же нам оружие для борьбы с этим свирепым и беспощадным врагом! — говорили врачи оптикам. — Дайте нам такой микроскоп, чтобы мы могли разглядеть врага».

Оптики отвечали: «Увы, мы бессильны. Микроскоп, дающий полезное увеличение более чем в 1000 раз, сделать невозможно. Мы, конечно, сумеем построить микроскоп, который будет увеличивать изображение предмета в 2000–3000 раз — даже больше, но, увы, с его помощью вы увидите то же самое, что и при тысячекратном увеличении. Предмет будет казаться больше, крупнее, но нужных деталей или каких-либо подробностей различить не удастся; даже, наоборот, появятся искажения, которые помешают исследованию и будут вводить наблюдателя в заблуждение. 1000 — это предел полезного увеличения, за который не может переступить оптика».

Удивительный опыт

Известно, что тень от непрозрачного диска, если его держать поперек светового луча, будет иметь форму круга. От квадрата тень получится квадратной, от кольца — кольцевой. Но всегда ли тень предмета соответствует предмету? У всякого ли непрозрачного тела обязательно должна иметься тень?

Был сделан такой опыт. На просторный ровный луг привезли мощный прожектор. Его установили на одном краю луга, а на противоположном — врыли в землю большой щит вроде тех, что ставят на стрельбищах.

Вечером, когда стемнело, запустили мотор прожекторной станции и включили ток. Луч прожектора направили вдоль поверхности земли на щит, стоявший примерно в четырех километрах от прожектора. Щит, выкрашенный белой краской, ярко осветился.

Один из производивших этот опыт вынул из портфеля фанерный диск размером с обыкновенную обеденную тарелку. Диск укрепили на заостренном шесте и понесли по направлению к прожектору. Пройдя примерно 500 метров, воткнули шест в землю так, чтобы диск стал поперек луча прожектора и его тень упала бы на шест.

К великому удивлению прожектористов и местных жителей, заинтересовавшихся опытом, тень от круга не была сплошным кругом. В середине тени от деревянного диска виднелось ярко освещенное пятно, как будто в центре диска имелось отверстие.

Но никакого окошка в диске не было, а его тень получилась почему-то кольцеобразной! (Рис. 73.).

Рис. 73. Дифракция света. Фотография тени руки, которая держит тарелку. На верхнем снимке: тень, получившаяся на расстоянии трех метров между источником света и тарелкой, на втором снимке это расстояние равно примерно двум километрам, а на третьем — семи километрам.

Причина этого, на первый взгляд странного и необъяснимого, явления кроется в самой природе света.

Свет огибает препятствия, встречающиеся на его пути, как огибают их морские волны или звуковые колебания. Именно благодаря своей колебательной, волновой природе свет обладает такой способностью.

Лучи прожектора, скользнувшие возле краев деревянного диска, обогнули их, отклонились от прямолинейного пути и упали на щит в центре тени от диска, образовав там светлое пятно. Тень диска приобрела вид кольца.

Световые лучи, огибающие препятствие, отклоняются от прежнего направления на очень небольшой угол. Поэтому для опыта требуется, чтобы щит стоял на большом удалении от диска и от источника света, но для маленьких предметов это расстояние может быть соответственно меньше.

Теперь мысленно представьте себе совсем маленький диск. Не может ли случиться так, что световые лучи, обогнув его края, сойдутся и тени от диска не получится вовсе?

Действительно, так и происходит. Очень маленькие предметы свет огибает полностью.

Свет как бы «не замечает» очень малых препятствий. И их поэтому нельзя увидеть, и никакое увеличение тут не поможет.[21]

Предметы, имеющие в поперечнике меньше 0,2 микрона, не отбрасывают тени, свет их огибает со всех сторон, как звуковые волны мебель в комнате, и они остаются невидимыми при любых увеличениях микроскопа.

Предел полезного увеличения

Человеческий глаз очень зорок, он способен заметить паутинку, натянутую между деревьями, особенно если она освещена солнцем, а толщина паутинки — 5 микронов. При обычном освещении мы в состоянии увидеть тонкий волос, толщиной в 25 микронов. Предмет, вчетверо больший, толщиной около 100 микронов — как, например, тире в этой книге — уже виден прекрасно.

Следовательно, чтобы разглядеть предмет диаметром в 0,2 микрона, его видимые размеры надо увеличить до 100 микронов, то есть до размеров, хорошо видимых глазом. А для этого достаточно иметь увеличение всего лишь в 500 раз, так как 100: 0,2 = 500!

Оптики считают, что увеличение в 1000 раз еще помогает различать новые детали или особенности рассматриваемого предмета, но большее увеличение уже совершенно бесполезно. Оно не позволит увидеть более мелких частиц, не позволит различить никаких новых деталей наблюдаемой в микроскоп картины.

Именно поэтому тысячекратное увеличение оказалось пределом полезного увеличения обычного микроскопа; и именно поэтому такой микроскоп не дает возможности видеть вирусы, размеры которых много меньше 0,2 микрона.

Но раз все дело в длине волны, естественно возник вопрос — нельзя ли воспользоваться такими электромагнитными колебаниями, у которых длина волны меньше, чем у видимого света?

Прежде всего обратились к ультрафиолетовым лучам. Ультрафиолетовый микроскоп, в особенности тот тип его, который был разработан в Советском Союзе Е. М. Брумбергом по идее академика С. И. Вавилова и под его руководством, оказался очень полезным для многих исследований. Многие биологические препараты, в тонких срезах слишком прозрачные для видимого света, гораздо сильнее поглощают ультрафиолетовые лучи. Поэтому в ультрафиолетовом микроскопе такие препараты дают гораздо более контрастную картину, чем в обычном микроскопе.[22]

Однако волны света, применяемые в ультрафиолетовом микроскопе, только немногим короче волн видимого света, и поэтому наблюдать вирусы и другие столь же мелкие объекты ультрафиолетовый микроскоп не позволяет.

У рентгеновских лучей длины волн в тысячи раз меньше. Но они почти не преломляются, и поэтому для них нельзя изготовить линз, дающих увеличенное изображение. Кроме того, большинство веществ для рентгеновских лучей прозрачно, и сквозь какой-нибудь вирус они пройдут без задержки, не давая никакой тени от него.

Задачу решают электроны

Не помогут ли электроны увидеть невидимое? На первый взгляд электроны здесь бесполезны Ведь мы представляем их себе в виде мельчайших частичек. Разве могут частички соперничать со световым лучом и даже заменять его? А почему бы и нет?

Если сыпать из сита муку на руку, то на столе образуется «тень» руки — место, куда мука не насыпалась (рис. 74).

Рис. 74. Сравнение тени от руки, полученной в световом потоке и в потоке мелких просеянных сквозь сито, частиц муки.

Художники иногда вместо кисти пользуются пульверизатором. Выдувая краску из пульверизатора мелкой пылью и прикладывая к окрашиваемой поверхности заранее заготовленные шаблоны — трафареты, они быстро получают нужный узор.

Там, где в трафарете вырезаны отверстия, распыленная краска ложится на раскрашиваемый предмет, где отверстий нет, остается «тень» — незакрашенное место.

Распыленной краской можно рисовать не хуже, чем кистью.

Наука пока еще имеет весьма смутные представления о размерах электрона. Известно лишь только то, что они очень малы. Их поперечник по всей вероятности определяется миллионными долями миллимикрона. Не миллиметра, а именно миллимикрона! Это значит, что вирус табачной мозаики во много миллионов раз крупнее электрона!

Если мысленно увеличить электрон до размеров маленькой дробинки, то вирус табачной мозаики придется представить себе в виде огромной горы.

Дробинка, выпущенная из ружья, не может облететь гору стороной, подобно птице. Так и электроны, вылетевшие из электронной пушки, не смогут обогнуть «гору» — вирус. Электроны могут пронизать его насквозь в миллионе мест и долететь к экрану. Но не все электроны беспрепятственно пролетят сквозь вирус. Для электронов вещество почти не прозрачно и только сквозь тончайшие слои могут пролетать быстрые электроны.

Некоторые из электронов, пролетая близко от атомов (а вирусы, как и все тела в природе, состоят из атомов), будут отклонены электромагнитными полями атомов и изменят свой путь.

Там, где у вируса имеется какое-либо утолщение или уплотнение, электроны встретят больше атомов и многие из них отлетят в стороны, то есть рассеются, не достигнув экрана.

В тех местах, где вирус тоньше, где атомов меньше, электроны пройдут более свободно. И на экране получится тень вируса — более темная там, где вещество уплотнено, и более светлая, где веществе тонко.

Однако пытаться разглядеть электронную тень вируса — дело совершенно бессмысленное. Тень вируса будет почти столь же мала и так же невидима, как и сам вирус, — портрет этого врага человека, сделанный в натуральную величину, бесполезен.

Получить сильно увеличенные изображения вирусов и других мельчайших телец можно только в том случае, если найдется способ подчинить электронный луч законам оптики, то есть заставить его преломляться и фокусироваться — давать увеличенное изображение предмета.

Само собой разумеется, что применить для этой цели стеклянные линзы не удастся. Не только стекло, но даже воздух почти непроницаем для электронного луча. Налетая на атомы и молекулы газов или других веществ, электроны отскакивают от них, почти как мячи, и рассеиваются в окружающем пространстве.

Следовательно, электронный микроскоп должен быть безвоздушным. Условия нелегкие, — только в сказках бывают такие загадки. Но все же эту трудность удалось преодолеть. Воздух из корпуса микроскопа откачали, а линзами послужили электрические или магнитные поля.

Магнитным полем можно заставить электрон лететь по спирали, проделывать сложные сальто и петли.

Поэтому магнитные поля, создаваемые катушками определенной формы, оказались прекрасными линзами для электронного луча (рис. 75).

Рис. 75. Магнитное поле служит линзой для электронных лучей.

Теоретические расчеты показывали, что электронный микроскоп при достаточном его усовершенствовании способен дать полезное увеличение не в тысячу раз, как оптический микроскоп, а в миллионы раз. Он должен позволить четко различать частицы размером в сотые доли миллимикрона. Электронный микроскоп может снять «шапку-невидимку» с вирусов, со всего необъятного мира ничтожно-малых телец и даже с молекул.

Советский электронный микроскоп

В начале 1940 года академик А. А. Лебедев вместе со своими сотрудниками В. Н. Верцнером и Н. Г. Зандиным начал проектировать и строить первый советский электронный микроскоп.

В обычном световом микроскопе в его нижней части помещается источник света или зеркальце, отражающее лучи какого-либо источника света. Его лучи проходят сквозь стеклянную линзу, которая называется конденсорной или собирательной. Она собирает световые лучи в конический пучок и направляет их на стеклянную пластинку, на которой лежит исследуемый предмет.

Световые лучи, прошедшие сквозь этот предмет, попадают в первую увеличительную линзу микроскопа, которая называется объективной линзой, так как обращена к объекту исследования.

Объективная линза увеличивает изображение предмета примерно в 50 раз.

Это увеличенное изображение исследователь рассматривает сквозь окулярную линзу, тоже дающую увеличение в 10–20 раз.

В результате общее увеличение обеих линз — объективной и окулярной — получается равным произведению этих чисел, то есть от 500 до 1000 раз.

В электронном микроскопе вместо источника света имеется электронная пушка. Она посылает пучок электронных лучей, который попадает в первую — конденсорную линзу микроскопа.

Разумеется, эта линза не стеклянная, стекло было бы тут только помехой, и ее форма ничем не напоминает увеличительное стекло. Это всего лишь электромагнитная катушка с отверстием по оси. Сквозь это отверстие проходит электронный луч. Внутри катушки нет ни стекол, ни воздуха, так как из электронного микроскопа выкачан почти весь воздух. Но называется такая катушка — линзой, потому что ее действие на электронный луч подобно действию стеклянной линзы на световой луч (рис. 76).

Рис. 76. Устройство электронного микроскопа подобно устройству оптического микроскопа.

Световые лучи, выходящие из одной точки, пройдя сквозь двояковыпуклую линзу, преломляются в стекле, отклоняются от прежнего направления и собираются коническим пучком на объекте.

Точно также и электроны, пролетев сквозь отверстие катушки-линзы, фокусируются — сходятся конусом и попадают на предметный «столик», создавая на нем яркое «электронное освещение». В центре «столика» вырезано круглое отверстие. Поверх этого отверстия натягивают тончайшую (толщиной 0,1–0,2 микрона) прозрачную пленку коллодия, на которой помещают то, что хотят исследовать.

Объектом исследования могут служить колонии вирусов или бактерий, частицы какого-либо вещества, мельчайшие кристаллы и т. п.

Электроны, летящие со скоростью в несколько тысяч километров в секунд}у, пронизывают предметы, лежащие на пленке.

В тех местах, где вещество более плотно или имеется какое-либо утолщение, электроны встречают больше препятствий и, рассеиваясь, несут большие потери в своих рядах. Места менее плотные электроны преодолевают с меньшим отсевом: электронный поток получается здесь плотнее, гуще.

Чтобы изображение предметов получилось увеличенным, электронный пучок по пути от предметного столика до экрана проходит сквозь две магнитные линзы.

Сразу же за предметным столиком электронный ноток перехватывает объективная катушка-линза.

Она собирает электроны, выходящие из каждой точки предмета, и таким образом дает промежуточное, сильно увеличенное изображение.

Следующая линза, которая в оптическом микроскопе называется окулярной, потому что посылает лучи в глаз наблюдателя (по-латински окулюс — глаз), в электронном микроскопе получила название проекционной, потому что она отбрасывает изображение на светящийся под ударами электронов экран.

Проекционная линза еще больше увеличивает изображение.

Экран электронного микроскопа будет светиться не везде одинаково. Где электронов упадет побольше, там и свечение будет поярче, а где электронный поток потерял значительную часть электронов, экран будет светиться слабее. На экране вырисуется изображение предмета.

Кроме линз на пути электронного пучка стоят еще диафрагмы — металлические пластинки с отверстиями, ограничивающими ширину пучка. Электроны, которые в результате встреч с атомами рассматриваемого предмета слишком сильно отклонились в сторону, натыкаются на диафрагмы и не проходят сквозь их отверстия. Диафрагмы служат возле линз как бы привратниками: они пропускают вперед только ту часть пучка электронных лучей, которая несет к экрану правильное, неискаженное изображение.

Кроме того, в электронном микроскопе имеется несколько вспомогательных механизмов — два насоса, которые откачивают воздух из внутренней полости прибора, электрооборудование, которое подает высокое напряжение, фотокамера для фотографирования изображений, приборы управления.

Первый образец советского электронного микроскопа был готов в середине 1940 года и давал увеличение в десять тысяч раз, то есть вдесятеро больше своего оптического собрата.

Ободренные первым успехом, ученые стали строить вторую модель, которая должна была дать увеличение в 25 тысяч раз!

Увеличение в сто тысяч раз

Создателям первого советского электронного микроскопа академику А. А. Лебедеву, В. Н. Верцнеру и Н. Г. Зандину была присуждена Сталинская премия.

В модели 1947 года, законченной к тридцатилетию Советской власти, изобретатели применили много новых усовершенствований.

Рис. 77. Расположение основных частей электронного микроскопа.

Так как электронный микроскоп увеличивает изображение в 25 тысяч раз, а фотографию можно увеличить еще в 4 раза — общее увеличение достигло 100 000 раз!

И это далеко не предел. Электронный микроскоп еще далек от совершенства и пока только «учится» смотреть.

Но учится он быстро, быстрей своего предшественника. За 300 лет оптический микроскоп достиг наибольшего полезного увеличения в тысячу раз. Электронный микроскоп уже дал увеличение в 100 000 раз.

Когда электронный микроскоп приобретет полную меру своей зоркости, он поможет науке еще глубже проникнуть в мир ничтожно-малых существ и даже молекул.

Уже самые первые наблюдения, сделанные с помощью электронного микроскопа, раскрыли загадки, перед которыми наука стояла до сих пор как бы с завязанными глазами.

До изобретения электронного микроскопа врачи не знали, почему человек, заболевший туберкулезом, несмотря на самое энергичное лечение, иногда буквально сгорает в несколько недель; в других же случаях он сравнительно быстро поправляется. Иногда туберкулезные палочки оказываются невероятно живучими и зловредными, а иногда настолько слабыми, что гибнут сами собой.

Электронный микроскоп раскрыл секрет этого злейшего врага человека. Оказалось, что туберкулезные бациллы способны надевать на себя панцырь — плотную жировосковую оболочку, которая оберегает их от действия лекарств и защитных сил организма. Тайна панцыря этого маленького чудовища теперь раскрыта, и медицина нашла способ борьбы с опаснейшей болезнью человека.

С помощью электронного микроскопа удалось увидеть бактериофагов. Эти таинственные друзья- невидимки оказались маленькими шариками с длинными хвостиками. Длина хвостика бактериофага равна примерно 100 или 120 миллимикронам, а его круглое тельце раза в 2–3 меньше хвостика. Поперек самой тонкой, паутинной, нити уляжется 30 телец бактериофагов.

«Почуяв» присутствие дизентерийной бактерии, бактериофаги устремляются к ней со всех сторон и облепляют ее, как муравьи гусеницу, забравшуюся в муравейник. Присосавшиеся бактериофаги вызывают быстрый распад болезнетворной бактерии (рис. 78).

Рис. 78. Бактериофаги атакуют возбудителя дизентерии. Увеличение 28 000 раз.

К сожалению, в безвоздушном пространстве электронного микроскопа под воздействием электронного луча гибнет все живое. Поэтому на снимке видны не живые бактериофаги, а мертвые.

Они погибли вместе с дизентерийным микробом в тот момент, когда шли на него в атаку.

Возможно, что ученым удастся преодолеть этот недостаток электронного микроскопа, и тогда можно будет понаблюдать, как движутся бактериофаги и как они нападают и уничтожают микробов.

Особенно поразительные результаты дали наблюдения вирусов. Рисунок 79 изображает вирусы гриппа — оказывается, они имеют вид шариков.

Рис. 79. Снимок вирусов гриппа. Увеличение 35 000 раз.

Об их размерах позволяет судить масштаб, — на рисунке нарисована черная линия, длина которой соответствует одной десятитысячной доле сантиметра — микрону.

Некоторые вирусы, выделенные из зараженных тканей, кристаллизуются почти так же, как кристаллизуются соль, сахар или квасцы. В кристаллическом виде это полупрозрачное белковое вещество. Его можно несколько раз подряд растворять в воде и снова кристаллизировать. Никаких признаков жизни оно не подает.

Попадая в живые ткани растений, это вещество заражает его. Кристаллы вируса начинают увеличиваться в числе, проявляя тем самым способность размножаться.

Белковые вещества, из которых состоят вирусы, — это особая форма организованной материи, которая, как предполагают биологи, стоит на грани живой и мертвой природы.

В течение многих веков в науке господствовало убеждение, внушенное религией, будто бы жизнь, все живое, способное питаться, дышать, расти и размножаться, есть творение божественных сил и что оно резко отличается от неживого, неспособного питаться, расти и размножаться.

Идеалистическая философия учила, что между живой и мертвой природой лежит непреодолимая пропасть, разграничивающая эти два противоположных мира. Никакого звена, связывающего живое с неживым, она не допускала.

Против порочного идеалистического мировоззрения, увлекавшего науку на ложный путь, страстно боролся Владимир Ильич Ленин. Еще в 1908 году он писал: «Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи».[23]

Электроника заставила воочию убедиться в справедливости гениального предвидения В. И. Ленина. Она подвела исследователей к грани между живой и неживой природой, и никакой пропасти там не оказалось. Грань между живым и неживым действительно условна, относительна, подвижна.

Изучение нуклеопротеидов, возможно, позволит ученым разгадать еще одну тайну природы — создать своими руками молекулы живого белка, способного питаться, дышать, расти и размножаться.

И это будет величайшим открытием, грандиозной победой человеческого ума, равной которой не было за всю историю науки.

Глава восьмая. Электрон в разреженном газе

Тепловые источники света

У разрядной трубки есть еще и четвертый потомок, история которого начинается с первых электрических опытов Ломоносова и Петрова. Эти ученые наблюдали свечение разреженного газа под действием электрических разрядов.

Другие исследователи меняли состав газов в трубках, через которые пропускали электрический ток, и убедились, что каждый газ дает особый, только одному ему свойственный цвет свечения.

Свечение газов было самым первым явлением, которое заметили ученые в разрядных трубках. Но именно этой удивительной игре света, струящегося между катодом и анодом, практического применения долгое время они не находили.

Было сделано несколько робких попыток приспособить разрядную трубку для освещения, но эти попытки успеха не имели — изобретателей отпугивало применение высокого напряжения, которое приходилось подавать на электроды трубки.

Затем Лодыгиным была изобретена электрическая лампочка накаливания. Над ее усовершенствованием трудились сотни инженеров и изобретателей. Лампочка прочно вошла в быт. Интерес к свечению газов в разрядных трубках на время ослабел.

Инженеры изучили процессы, происходящие в лампочке накаливания, и установили, что, несмотря на многие достоинства, лампочка является растратчицей, расхитительницей электрической энергии.

Все это подтверждалось убедительными расчетами. Самая совершенная электрическая лампочка мощностью в 100 ватт превращает в свет только 3 % потребляемой ею энергии. Лампочки, по сути дела, не столько осветительные, сколько нагревательные приборы. Они расходуют электрическую энергию не по назначению.

Правда, наши лампочки переводят в энергию излучения почти всю потребляемую ими электрическую энергию, но беда-то в том, что лампочка излучает, главным образом, невидимые инфракрасные лучи. Да и в видимой части излучения она дает слишком много красного света, тогда как глаз наиболее чувствителен к зеленому свету, с длиной волны в 0,555 микрона. Если бы лампочка всю свою мощность расходовала на излучение света с такой длиной волны, она светила бы в 33 раза ярче.

Но в сущности мы не в праве требовать от наших источников света, чтобы они всю электрическую энергию превращали в зеленый свет. Это было бы неприятно и вредно для глаз, — кто захочет сидеть по вечерам при ярком… зеленом свете!

Идеальный источник света должен расходовать всю свою мощность на излучение именно белого света.

Лампа накаливания дает света почти в двенадцать раз меньше, чем давал бы идеальный источник белого света. Одиннадцать двенадцатых долей энергии она превращает в невидимые для глаз лучи. Это бесполезная трата энергии.

В 1937 году в Советском Союзе на освещение было израсходовано около 6 миллиардов киловатт- часов. Из них 5500 миллионов киловатт-часов ушло только на обогрев атмосферы, что при цене в 25 копеек за киловатт-час составило потерю народного дохода в 1 миллиард и 375 миллионов рублей! (Рис. 80.)

Виновник — лампочка.

Рис. 80. Современные электрические лампы накаливания весьма разнообразны по величине и мощности.

Потомок прадедовской лучины

Причиной непроизводительной траты энергии служит, однако, отнюдь не низкое качество ламп. Напротив, современные электрические лампочки с витой вольфрамовой нитью очень хороши: их температура накала — 2700–3000 градусов — только вдвое ниже температуры Солнца! Срок службы — 1000 часов! Очень неплохие показатели!

В настоящее время ученые работают над созданием ламп с карбид-танталовыми и карбид-циркониевыми нитями. Применение сверхтугоплавких веществ позволит повысить температуру накала до 4000 градусов. Лампочка станет более экономичной. Но, если даже ученые добьются предельно выгодной — «солнечной» температуры в 6000 градусов, то все равно лампочка использует на преобразование в свет только 13 % потребляемой ею самой энергии.

Электрическая лампочка расточительна не потому, что не усовершенствована, а потому, что она по своей сущности является тепловым источником света — своеобразным электрифицированным потомком прадедовской лучины. И в лампочке и в лучине светятся раскаленные частицы твердого вещества: в лампочке — вольфрама, в пламени лучины — углерода.

Прежде чем превратиться в энергию света, электрическая энергия в лампочке преобразуется в теплоту. Чтобы добиться более экономичного использования электрической энергии, надо исключить промежуточную стадию — теплоту, сделать лампочку холодной. И здесь гениальный Ломоносов оставил ученым и изобретателям наказ: «Надо подумать о безвредном свете гниющих деревьев и светящихся червей. Затем надо написать, что свет и теплота не всегда взаимно связаны и потому различествуют».

В самом деле, почему для получения света нужно подражать лучине, костру или каганцу?

Глубоководные рыбы — различные киасмодоны и диаболидиумы — плавают в полной темноте на глубине 1–2 километров ниже уровня моря и охотятся, освещая себе путь светоносными органами, как автомобиль дорогу — фарами. Источники света глубоководных рыб — холодные (рис. 81).

Рис. 81. Глубоководные рыбы снабжены светящимися органами.

Грибки, которые селятся в гниющем дереве, и светящиеся моллюски южных морей также светятся, оставаясь холодными.

Жук-светлячок, который теплой летней ночью поблескивает из листвы зеленым огоньком, может гордиться своим фонариком. Холодный фонарик светлячка большую часть затраченной им энергии превращает в свет, тогда как человек довольствуется только тремя процентами.

Однако изобретатели холодных источников света не стали брать пример со светляка. Химические источники света получаются маломощными и дорогими. Внимание ученых вернулось к родоначальнице всех электронных приборов — разрядной трубке.

Было установлено, что разрядная трубка, наполненная парами натрия, светит очень ярко и превращает в свет до 50 % потребляемой электрической энергии. Натриевая лампа в 15 раз экономичнее обычной электрической лампочки. Если бы не ее желтый, неприятный свет, натриевая лампа вполне могла бы соперничать с нашими лампами. Высокая экономичность натриевых ламп доказала, что разрядная трубка, наполненная разреженными газами или парами, может стать выгодным источником света.

Возникновение электронной лавины

Примерно 40–50 лет назад, то есть, когда электрическое освещение только начинало вытеснять керосиновую лампу, наука уже стала подготовлять замену электрической лампочке.

Физики исследовали явления, происходящие в разреженном газе под воздействием потока электронов. В стеклянной трубке, наполненной разреженным газом — аргоном или неоном, атомы этих газов беспорядочно движутся, непрерывно сталкиваясь между собой и ударяясь о стенки трубки. Эта хаотичная толчея представляет собой обычное тепловое движение. При температуре, которую называют комнатной, атомы аргона движутся со скоростью около 350 метров в секунду.

Если к электродам трубки приложить напряжение, то на атомы газа это особого «впечатления» не произведет. Атомы — электрически нейтральны. Положительный заряд ядра атома уравновешен электронами, образующими оболочку атома, и нейтральный атом ни к катоду, ни к аноду не притягивается. Иное дело — электроны.

Движение электронов в металлической нити катода так же беспорядочно и хаотично, как и движения атомов в газе. Электроны вылетают из катода в окружающее пространство. Но, выскочив за пределы катода, электрон тотчас же попадает во власть электрического поля и мчится к аноду, постепенно убыстряя свой полет.

Электрон легок, он более, чем в 70 тысяч раз легче атома аргона. Налетев на атом аргона, электрон обычно отскакивает, как мячик, не теряя своей скорости и меняя только направление движения, атом же аргона вообще почти «не чувствует» толчка.

Но так обстоит дело только, когда скорость электрона при столкновении незначительна. Если же напряжение в трубке велико, а давление газа мало, электрон от столкновения до столкновения успевает набрать большую скорость, тогда его удар об атом приобретет другой характер. Электрон нарушит оболочку атома аргона и выбьет из нее электрон.

Ударивший электрон при этом потеряет значительную часть скорости. Зато свободными оказываются уже два электрона. И оба они, набирая скорость, летят дальше, наталкиваясь на другие атомы и выбивая из них новые электроны. Количество электронов возрастает лавиной.

Атом, лишившийся одного из электронов, становится ионом, то есть он теряет электрическое равновесие — приобретает положительный заряд. Этот положительный заряд заставляет ионизированный атом двигаться к катоду.

Ионы тяжелы, медлительны, им мешают постоянные столкновения с другими атомами, и они пробираются к катоду не спеша.

В конце концов ион достигает катода. Ударившись о него, ион захватывает недостающий ему электрон и отходит от катода, чтобы вновь в виде нейтрального атома продолжать беспорядочный бег в стеклянном баллоне.

Некоторые ионы налетают на катод со сравнительно большой скоростью. Эти ионы, ударяясь о катод, не только захватывают электроны, нужные им для восстановления своей оболочки, но и вдобавок вышибают из катода свободные электроны. Эти освобожденные электроны летят к аноду и по пути создают новые партии ионов.

Если быстрых ионов много, в газе возникают все новые и новые лавины электронов, и ток в трубке быстро возрастает. Если же быстрых ионов мало, мгновенный ток, возникший от одиночного электрона, сам собой угаснет. Практически, трубка не будет проводить ток.

Свечение разреженного газа

Электроны, сталкиваясь с атомами, не всегда ионизируют их. Гораздо чаще такие столкновения влекут за собой иные последствия. Свободный электрон, ударившись об электронную оболочку атома, не разрушает ее; атом не становится ионом, но один из электронов его внешней оболочки силой толчка отбрасывается на большее расстояние о г ядра. Он переходит на более высокий уровень энергии.

Обычно электрон не может долго оставаться на высоком уровне, когда есть для него свободное место на более низком. Электрон возвращается на прежний уровень, и атомы, у которых были «повреждены» или «возбуждены» электронные оболочки, переходят в свое нормальное состояние и отдают полученную ими при столкновениях энергию, испуская световые кванты. Газ, по которому течет ток, светится.

Электронные оболочки атомов различных химических элементов неодинаковы. Они отличаются друг от друга числом электронов и их размещением на разных расстояниях от ядра. Поэтому атомы каждого химического элемента дают особый, свойственный только им свет. На глаз их свечение отличается по цвету, а призма разлагает их свет на ряд характерных для каждого элемента спектральных линий. Так, например, пары ртути излучают зеленовато-фиолетовый свет, пары натрия — желтый, газ аргон — розовый, неон — оранжевый и т. д.

Если в цепь газоразрядной трубки включено значительное внешнее сопротивление, ток не может достигнуть большой силы. Он заставляет газ светиться, но почти не нагревает его. Перед нами типичный случай люминесценции — холодного свечения.

Но стоит уменьшить сопротивление во внешней цепи, чтобы ток возрос. Тогда газ станет нагреваться, электроды накаливаться, и холодный разряд переходит постепенно в горячий — образуется электрическая дуга. При дуговом разряде свечение происходит и за счет люминесценции газа и за счет сильного нагрева его.

Ртутные лампы при сравнительно небольшом расходе энергии дают много света. К сожалению, их свет обладает крайне неприятным зеленовато-фиолетовым оттенком и кроме того содержит много ультрафиолетовых лучей, невидимых, но вредных для глаз. Ртутные лампы оказались полезными в светокопировальных аппаратах, потому что их свет сильно действует на копировальную бумагу и обеспечивает быструю копировку.

Осветительные ртутные лампы, несмотря на их мертвенно-синий свет, ввел на своих предприятиях Форд, известный автомобильный фабрикант и покровитель фашистских организаций. Применение ртутных ламп резко снизило расходы на освещение цехов. То, что ртутные лампы дают свет, необычайно вредный для зрения, Форда интересовало меньше всего. Но вскоре в цехах, где ввели «фордовское освещение», у рабочих начали болеть глаза; ожоги зрительного нерва обрекали рабочих на слепоту. Только неоднократные забастовки, направленные против «ядовитого света», вынудили Форда заменить слепящие лампы обыкновенными.

Непригодные для освещения, ртутно-кварцевые лампы оказались полезными в медицине. Их называют лампами «горного солнца» или просто «кварцем». Врачи стали применять их для лечебных целей. Колбы таких ламп делают из кварца, так как кварц очень прозрачен для ультрафиолетовых лучей.

Человеку для сохранения здоровья нужен солнечный свет, особенно его ультрафиолетовая часть. Зимой люди не получают необходимой им порции солнечных лучей: у них начинается «световое голодание», которое служит причиной многих заболеваний.

В Советском Союзе в рудниках, угольных шахтах, на строительстве тоннелей, или в цехах, где люди работают исключительно при искусственном свете, а также в школах, ремесленных училищах, расположенных в северных широтах, устраивают специальные фотарии.

Фотарий — это как бы столовая для питания человеческого организма ультрафиолетовыми лучами. В фотариях горят лампы «горного солнца», их излучение дает человеку ультрафиолетовые лучи, необходимые для укрепления организма. Разумеется, когда применяют ртутно-кварцевые лампы для лечебных целей, то глаза защищают специальными очками (рис. 82).

Рис. 82. Лечение «горным солнцем» — светом ртутнокварцевых ламп.

Лампами «горного солнца» снабжены в Советском Союзе все детские лечебные учреждения. Лучами этих ламп лечат рахит и многие другие заболевания, вызываемые «световым голоданием».

Победа русского света

Газосветные трубки, наполненные неоном; аргоном, гелием, парами натрия, украсили улицы и витрины магазинов огнями разноцветных вывесок и реклам.

Рис. 83. Газосветные трубки приспособили для рекламных надписей и освещения витрин.

Но эти осветительные приборы излучают цветной свет, и поэтому все попытки заменить электрическую лампочку — газосветной потерпели неудачу. Ни один газ и никакая смесь газов не дают нормального белого света.

Пытаясь создать новые светильники, изобретатели меняли давление газов в трубках; вместо того, чтобы откачивать газ, создавая разрежение, накачивали его в лампу, доводя давление до 20, 30 и даже до 100 атмосфер.

При давлении в 100 атмосфер яркость аргонортутных ламп превышает яркость Солнца, но свет остается все равно неприятным, зеленовато-фиолетовым. Ртутные лампы высокого давления нашли применение в прожекторных установках, но для комнатного освещения они совершенно непригодны.

Белый свет испускают только твердые или жидкие тела, и поэтому изобретение белых газосветных ламп казалось совершенно невозможным делом. Ведь для того, чтобы заставить вещество в газосветной трубке светиться, его надо превратить в пар, а превратившись в пар, оно неминуемо теряет способность излучать белый свет. Это был тупик, препятствие, которое кроется в самой природе вещества.

Однако непреодолимость этого препятствия оказалась кажущейся. Выход из тупика нашел в 1931 году академик С. И. Вавилов.

Советские физики, продолжая труды русских изобретателей, создавших электрическое освещение, положили начало новой эпохе в светотехнике. В 1938 году появились первые люминесцентные лампы дневного и белого света.

Лампа дневного света — это стеклянная трубка диаметром от 15 до 50 миллиметров и длиной в 40 сантиметров и более. В трубку введено несколько миллиграммов ртути и небольшое количество аргона. Аргон в лампе нужен для лучшего использования электрической энергии в разряде, свечение же разряда дают в основном пары ртути.

Лампочка питается переменным током обычного «городского» напряжения в 127 вольт.

Разряд в лампе поддерживается электронами, вылетающими из раскаленных электродов. Электроды лампы предварительно накаливают электрическим тонком. Как только электроды прогреются и возникнет интенсивный разряд, особое реле автоматически выключает ток накала. В дальнейшем температура электродов поддерживается за счет ударов ионов о поверхности электродов.

В такой трубке светятся пары ртути, но их ультрафиолетовое излучение не выходит наружу. Оно целиком остается в трубке, а глаз видит свет, испускаемый твердым веществом — люминофором, которым покрыта внутренняя поверхность трубки.

В этом-то и состоит основная идея С. И. Вавилова: цветное излучение газового разряда превращается в белый свет с помощью люминофоров — веществ, которые способны светиться под воздействием ультрафиолетовых лучей. Люминофоры были известны раньше, ими покрывали экраны осциллоскопов, стрелки компасов и самосветящиеся циферблаты и пр.

Состав смеси люминофоров можно подобрать так, что она будет испускать «дневной» свет, то есть свет, подобный свету ясного дня (солнце плюс голубое небо), или белый свет, похожий на свет, рассеянный облаками. Люминофор служит в трубке световым трансформатором, он поглощает одни лучи и испускает другие, нужные нам. Хотя свет паров ртути очень богат ультрафиолетовыми лучами, но эти вредные для зрения лучи полностью поглощаются люминофором и стеклом. Мягкое матово-белое свечение люминофоров в этих лампочках совершенно безвредно и приятно для глаз.

Лампы «дневного» света втрое экономичнее электрической лампочки.

Лампы «белого» света дают свет более «теплый», с легким желтоватым оттенком; они в четыре раза экономичнее электрических лампочек, так как преобразуют в свет 10–12 % потребляемой энергии.

Новые источники света быстро завоевали всеобщее признание. У нас в Советском Союзе лампы «дневного» света спустились в шахты, освещают заводские цехи, музеи, выставки, витрины магазинов. Новые лампы уже начали вытеснять лампочку накаливания.

Лампы «черного» света

Лампы «белого» света не дают ультрафиолетовых лучей. Оказалось возможным создать лампы, которые, наоборот, не дают видимого света, а испускают только ультрафиолетовые лучи. Эти лампы действительно черные, они сделаны из черного стекла, и заметить — горит такая лампа или не горит — может только опытный человек.

Конструкция ламп «черного» света разработана тоже под руководством академика С. И. Вавилова. Первая лампа этого типа, построенная советскими учеными, называлась «Аида» (рис. 84).

Рис. 84. Лампа «Аида».

Последующие выпуски черных ламп обозначаются маркой «ЧРК», что значит: черная ртутно-кварцевая (рис. 85).

Рис. 85. Лампа «черного света».

По своему устройству «ЧРК» — обычная ртутно-кварцевая лампа, в которой светятся пары ртути.

Эта лампа помещена внутри колбы из специального сорта стекла, так называемого «увиолевого», прозрачного для ультрафиолетовых лучей. Чтобы сделать колбу непрозрачной для видимых лучей, к стеклу примешивают окиси никеля и кобальта. Такое стекло не пропускает видимого света, но оно прозрачно для ультрафиолетового излучения.

Освещать комнату лампами «черного» света — бесполезно. Темноты они не рассеют. Но эти лампы могут заставлять светиться люминофоры и некоторые другие вещества и делать их видимыми.

Урок физики, посвященный люминесценции и «черному» свету, учитель может вести при черных лампах в полной темноте. Обыкновенный мел, смешанный со светящимся веществом — люминофором, будет чертить на классной доске яркие цветные линии, и все написанное будет прекрасно видно.

Географическая карта, обработанная растворами светящихся красок, засверкает под ультрафиолетовыми лучами желтовато-зеленой сушей и голубыми морями. Всякая бумага слегка светится под ультрафиолетовыми лучами, а родаминовые чернила оставят на ней огненные, оранжево-красные строчки. Нафтионовые чернила дадут светящийся фиолетовый след. Благодаря светящимся чернилам и карандашам, ученики будут видеть записанное, решать задачи, чертить и рисовать, хотя в классе будет царить темнота.

Составами, которые светятся при освещении их лампами «черного» света, можно окрашивать мебель, стены, двери, ткани. Яркость свечения зависит от концентрации раствора, а цвет можно подобрать любой: белый, золотисто-желтый, розовый, оранжево-красный, коричневый, желтовато-зеленый, изумрудный, голубой, сине-фиолетовый. Ткани, пропитанные такими составами, позволяют шить очень нарядные, светящиеся, лучезарные платья.

Рецепты таких волшебных красок разработаны советскими учеными Д. П. Лазаревым и Е. М. Брумбергом.

В лампе «дневного» света люминофор наносится на внутреннюю поверхность самой лампы, и поэтому она светится. Для пользования лампой «черного» света люминофором покрывают те предметы, какие нужно видеть в темноте. В этом своеобразие лампы «черного» света.

Лампы «черного» света стали теперь необходимой принадлежностью сценического оборудования. Театральные декорации и костюмы, раскрашенные разноцветными люминофорами, в лучах черных ламп сверкают и искрятся, позволяя создавать феерические, сказочно-великолепные картины. С помощью ламп «черного» света возможны эффектные постановки фантастических картин подводного царства в опере «Садко» или сцен из «Конька-Горбунка».

Огонек горит светлее, Горбунок бежит скорее, Вот уж он перед огнем, Светит пале словно днем; Чудный свет кругом струится, Но не греет, не дымится. Диву дался тут Иван, «Что, — сказал он, — за шайтан? Шапок с пять найдется свету, А тепла и дыма нету; Эко — чудо-огонек!»

Сказочный чудо-огонек создан советской наукой. «Не нужно обладать особым даром предвидения, — пишет академик С. И. Вавилов, — чтобы предсказать заранее то недалекое время, когда „холодный“ свет станет для каждого из нас столь же неизбежным и привычным предметом обихода, каким является электрическая лампа накаливания. „Холодный“ свет — это единственное рациональное решение светотехнической проблемы, это освобождение от проторенной дороги тепловых источников света, на которую толкает нас природа, это овладение природой, ее переделка. „Холодный“ свет — это неотъемлемая часть культурной жизни будущего коммунистического общества».

Лампа с «дверцей»

Разрядная трубка, наполненная разреженным газом или парами ртути, послужила прообразом не только для газосветных ламп, но и для многих других важных приборов. Среди них большое значение имеют различного рода выпрямители переменного тока.

Двухэлектродная лампа с раскаленным катодом, наполненная разреженным газом или парами ртути, как и вакуумная электронная лампа, обладает способностью пропускать ток только в одном направлении — от катода к аноду.

Однако сила тока, который пропускает вакуумная электронная лампа, ограничивается величиной термоэлектронной эмиссии — числом электронов, выходящих из раскаленного катода в единицу времени (секунду). Силу тока в лампе можно увеличить во много раз, если наполнить лампу разреженным газом или парами ртути. Тогда ток будет передаваться не только электронами, вылетающими из катода, но и значительно большим числом электронов и ионов, возникающих благодаря ионизации газа. Такая лампа с двумя электродами и газовым наполнением названа газотроном.

Особенно сильный ток дают ртутные лампы с дуговым разрядом, называемые ртутными выпрямителями. У них катодом служит поверхность жидкой ртути, легко отдающая электроны при дуговом разряде.

Академик В. Ф. Миткевич еще в 1903–1905 годах исследовал явление дугового разряда и указал, что его можно использовать для выпрямления переменного тока.

Первые высоковольтные ртутные выпрямители промышленного типа построил в 1918 году в Нижегородской лаборатории В. П. Вологдин.

Разработанные советскими учеными, ртутные выпрямители пропускают токи силой до 6000 ампер. Такие выпрямители применяются на промышленных предприятиях, на радиостанциях, и всюду, где необходим постоянный ток большой силы. Так, например, не все знают, что трамваи получают ток не непосредственно с электрической станции, а от ртутных выпрямителей с дуговым разрядом, которые помещаются на трамвайных подстанциях и преобразуют переменный ток в постоянный. Моторами постоянного тока легче управлять, так как они меняют направление вращения при изменении направления тока, легко давая и передний и задний ход.

Введение третьего электрода — сетки — обращает газотрон в новый прибор — тиратрон, действие которого до известной степени похоже на действие вакуумного триода. Но вместе с тем между обеими лампами есть и существенное различие.

На сетку в тиратроне подается отрицательное напряжение. Пока оно достаточно велико, электроны, едва вылетев из катода, сразу же вынуждены возвращаться обратно. Они не успевают столкнуться с атомами газа, а если сталкиваются, то все равно оказываются не в состоянии их ионизировать: скорость движения электронов для этого еще слишком мала и ток через лампу не идет.

Если постепенно уменьшать отрицательное напряжение, то наступит момент, когда часть электронов прорвется сквозь сетку. Эти «счастливцы» попадут в сильное электрическое поле анода и получат необходимый разбег. На длинном пути от сетки до анода почти каждый из прорвавшихся электронов встретит какой-нибудь атом газа и ионизирует его. Число свободных электронов резко увеличится, начнется лавинная ионизация. Ток резко возрастет, мгновенно дойдя до максимального. Если теперь вновь увеличить на сетке отрицательное напряжение до первоначальной величины, ток отнюдь не прекратится. Наоборот, он будет идти с прежней силой.

Тиратрон — это лампа с «дверцей». Но «дверца» эта весьма своеобразна: ее легко открыть, а закрыть не удается.

Чем же объясняется такое резкое отличие тиратрона от вакуумного триода, который, как известно, способен очень тонко регулировать силу анодного тока? Отличие объясняется именно наличием газа в тиратроне. Когда через лампу проходит сильный ток, в газе появляется много положительных ионов. Они, еще не дойдя до катода, окружают проволоки отрицательно заряженной сетки, притягиваются к ней, образуют вокруг проволочек сетки нечто вроде чехла и своими положительными зарядами нейтрализуют ее действие.

Между такими заэкранированными проволоками продолжают свободно проходить электроны, летящие к аноду. Ток продолжает идти, хотя на сетку и подано, как будто достаточно большое отрицательное напряжение. Его сила будет зависеть только от мощности источника тока и от сопротивления в цепи. Напряжение на электродах лампы при этом сильно снизится, а мощность, затрачиваемая на газовый разряд — неизбежные потери — станет наименьшей.

Чтобы прекратить ток, нужно либо разомкнуть цепь, либо дать отрицательное напряжение на анод. Тогда он притянет к себе положительные ионы от сетки и оттолкнет электроны к катоду. Ионизация прекратится, сетка лишится экранирующих ее ионов, и тиратрон будет вновь заперт — «дверца» закроется.

Тиратрон часто служит для выпрямления тока. При этом на его катод и анод подается переменное напряжение. При переменном токе не требуется разрывать цепь анода, так как при каждом периоде на аноде появляется отрицательное напряжение. Переменный ток сам приводит тиратрон к готовности для работы. «Дверца» закрывается — ток прекращается в тот момент, когда переменное напряжение на аноде, пройдя через нуль, станет отрицательным.

При обычном переменном токе в 50 периодов, ток всегда запирается 50 раз в секунду, а отпирается только при соответствующем уменьшении отрицательного напряжения на сетке. В этом случае он пропускает своеобразный пульсирующий выпрямленный ток.

При помощи сетки можно регулировать среднюю силу этого выпрямленного тока. Он проходит толчками, импульсами, за те полупериоды, при которых на анод подается положительное напряжение. Так как это напряжение возрастает не сразу, а постепенно, в течение каждого рабочего полупериода, то чем большее отрицательное напряжение подадим мы на сетку, тем позже будет прорываться поток электронов сквозь сетку в эти полупериоды, тем короче будут промежутки времени, когда ток идет, и сила проходящего через лампу тока в среднем будет меньше. Таким образом тиратрон может и выпрямлять переменный ток и регулировать его силу.

Весьма важное значение имеет тиратрон как пусковое реле для всевозможных автоматических устройств. Весьма малое уменьшение отрицательного напряжения на сетке тиратрона приводит к образованию анодного тока большой мощности. Иначе говоря, ничтожное изменение напряжения на сетке приводит к включению сильного тока, ранее запертого тиратроном.

Применение коронного разряда

В истории мореплавания записан случай, когда капитан корабля, увидев на мачтах огни святого Эльма, приказал матросу принести ему один из этих огней. Матрос полез на мачту, к которой был прикреплен флаг. На его древке виднелась светящаяся кисть. Матрос хотел снять огонь вместе с флагом, но как только он взял древко в руки, огонь перескочил на верхушку мачты, и оттуда его снять не удалось. Опустившись на палубу, матрос рассказал, что огонь святого Эльма холодный, совсем не греет, но шипит, как сырое дерево в костре.

Ученые исследовали это интересное явление и научились воспроизводить огни святого Эльма в лабораторных условиях.

Рис. 86. Огни святого Эльма.

Эти огни — один из видов электрического разряда, возникающего только на остроконечных, игольчатых или проволочных электродах и при давлении воздуха, близком к атмосферному. Такой разряд получил название «коронного». Коронному разряду кашли неожиданное и весьма остроумное применение, он стал исполнять обязанности трубочиста-дымоулавливателя и сортировщика пылевых частиц.

Внутри металлической трубы, диаметром около полуметра и длиной до 10 метров, натягивают тонкую проволоку. Получается прибор, подобный газотрону, только очень больших размеров — с трехэтажный дом. Тонкая проволока по середине трубы служит катодом, а стенки трубы — анодом. Между ними поддерживается постоянное высокое напряжение в десятки тысяч вольт.

Благодаря тому, что поверхность отрицательного электрода — проволоки — очень мала по сравнению с площадью внутренней стенки трубы — положительного электрода, — электрическое поле в трубе весьма неоднородно. Оно очень сильно у проволоки и слабо у стенок трубы. Поэтому ионизация газа и образование короны происходят только вокруг проволоки. Только здесь заметно свечение, только здесь образуются ионы. Ток через всю толщу воздуха в трубе поддерживается образовавшимися около проволоки отрицательными ионами.

Сквозь трубу прогоняют подлежащие очистке топочные газы. Содержащиеся в них частицы несгоревшего топлива и золы притягивают к себе отрицательные ионы и сами заряжаются отрицательно. Зарядившись, все эти пылинки под влиянием электрического поля начинают двигаться к аноду — к стенкам трубы и оседают на них. Разрядившись у стенок трубы, пыль легко отделяется от нее и ссыпается в специальные бункера.

Таким образом удается улавливать до 99 % дымовых частиц.

Количество дыма, выбрасываемого фабрично- заводскими трубами большого промышленного города, достигает чудовищных размеров. Одним из самых неблагоустроенных в этом отношении городов является Лондон.

За год на территорию Лондона выпадает свыше 125 тысяч тонн дымовых и зольных частиц. Если бы оседающие на лондонских улицах дымовые частицы не смывало дождем, если бы их ежедневно не убирали, британская столица давным-давно была бы засыпана золой и сажей до самых крыш. Загрязнение воздуха лишает лондонцев половины солнечного света.

Советское правительство, проявляя повседневную заботу об охране здоровья трудящихся, издало особое постановление об охране атмосферного воздуха. Этим постановлением запрещено вводить в эксплуатацию предприятия и котельные установки, не оборудованные приборами — фильтрами для очистки газов.

Очистку производят разными способами, и очень часто наиболее пригодными оказываются электрофильтры с коронным разрядом.

Частицы различного химического состава по разному ведут себя в электрическом фильтре. Одни движутся скорей, другие — медленней. Это позволяет не только осаждать частицы дыма и пыли, но и сортировать их. Фильтры с коронным разрядом могут отделять вредные частицы от безвредных, годные для использования — от негодных.

Фильтры, сконструированные советскими инженерами и физиками, служат в цехах, размалывающих цемент и фосфориты, не допуская напрасных потерь этих веществ. На химических заводах фильтры улавливают капельки серной кислоты и других ценных продуктов, которые раньше беспрепятственно улетали с топочными газами и через вентиляционные трубы. Одновременно с очисткой воздуха электрофильтры сберегают эти ценные материалы.

Глава девятая. Борьба за короткие волны

Неожиданное открытие

В двадцатых годах нашего столетия чуть ли не в каждом городе строилась радиостанция. Многие любители обзаводились собственными передатчиками. Каждый работал на той волне, какая ему больше нравилась: в эфире образовалась вредная неразбериха.

Тогда было предпринято распределение радиоволн между государствами и типами станций. Волну в 600 метров выделили исключительно для подачи сигналов бедствия — SOS. Длинные волны предоставили широковещательным станциям. Короткие волны, считавшиеся негодными для устойчивой и дальней связи, уступили радиолюбителям.

По тогдашнему мнению специалистов короткие волны позволяли вести передачу всего лишь на 20–30 километров. Дальнейшие события скоро опровергли это заблуждение.

В 1923 году радиолюбители на волне около 20 метров установили двустороннюю связь через Атлантический океан. Специалисты были удивлены: маленькая коротковолновая радиостанция, мощностью всего лишь в 40 ватт, сделала то, чего не могли добиться длинноволновые станции в десятки киловатт. Короткие волны, которые, как казалось, не могли преодолеть даже 50 километров, перенесли человеческое слово на расстояние в 10 000 километров.

В Советском Союзе подобные опыты по организации связи на коротких волнах были выполнены профессором М. А. Бонч-Бруевичем и В. В. Татариновым. Они установили круглосуточную связь Москвы с Ташкентом и Владивостоком передатчиками мощностью в несколько десятков ватт (на волнах 15–30 метров).

Ученые, инженеры, радиолюбители занялись исследованием свойств радиоволн короче 50 метров.

Эти волны распространяются очень своеобразно. Известен такой курьезный случай. Однажды в окрестностях Рима возник большой пожар. Телефон бездействовал. Вызвать пожарную команду было невозможно. Один из местных радиолюбителей-коротковолновиков стал посылать в эфир сигналы бедствия. В это время какой-то датчанин вел двусторонний разговор с римским радиолюбителем. Приняв сигналы бедствия, датчанин немедленно сообщил своему римскому собеседнику, чтобы тот вызвал пожарную команду. Через 8 минут после подачи сигнала римские пожарные выехали на место. Так связь с Римом была установлена… через Копенгаген.

Чтобы выяснить дальность действия радиопередатчиков, сделали опыт. Возле длинноволновой радиостанции поместили коротковолновую. Оба передатчика работали несколько суток подряд.

На автомобиль погрузили два радиоприемника. Один из них принимал передачу длинноволновой станции, другой — коротковолновой. Силу сигналов, принимаемых каждым из приемников, отмечал на телеграфной ленте записывающий автомат.

Автомобиль-лабораторию отправили в путь. По мере удаления автомобиля слышимость коротковолнового передатчика быстро падала. На расстоянии около 50 километров она исчезла совершенно. Передача длинноволновой станции была слышна хорошо, хотя сила принимаемых сигналов и ослабела, но совсем не в такой мере, как у коротковолнового передатчика.

На пятисотом километре слышимость длинноволновой станции пропала, но зато появились сигналы коротковолнового передатчика. Вскоре они достигли полной силы и были слышны так, как будто автомобиль находился возле самой станции. И сколько бы лаборатория ни удалялась от радиостанции, сила сигналов уменьшалась очень медленно.

Существование «мертвого» пространства вокруг коротковолнового передатчика и малая зависимость силы приема от расстояния на большом удалении от передатчика навели на мысль, что короткие волны распространяются не вдоль земной поверхности, как предполагали раньше, а иным путем, и что на расстоянии в несколько тысяч километров радиоприемник улавливает не прямые сигналы радиостанции, а отражение этих сигналов. Нужно было найти то зеркало, от которого отражаются радиосигналы.

Еще в 1920 году М. В. Шулейкин указывал, что следует изучить верхние слои атмосферы. Воздух на высоте в 90 километров над землей сильно ионизирован ультрафиолетовым излучением солнца. Ионизированные газы, как и все проводники, отражают короткие радиоволны.

Следовательно, те сигналы коротковолновой станции, которые распространяются вдоль земной поверхности, быстро слабеют и гаснут. Сигналы же, посланные вверх, достигают ионизированных слоев воздуха — ионосферы — и отражаются от нее, как от зеркала, обратно к земле. Попав на влажную землю или на морскую поверхность, они вновь отражаются к ионосфере, чтобы потом опять вернуться к земной поверхности (рис. 87).

Рис. 87. Длинные волны по мере удаления от радиостанции слабеют, а короткие волны, многократно отражаясь от поверхности земли и ионосферы, облетают вокруг земного шара.

Радиосигналы гигантскими прыжками летят между ионосферой и землей на десятки тысяч километров. Они могут таким образом совершить даже кругосветное путешествие.

Эти соображения скоро подтвердились на опыте. Приемник, расположенный возле передатчика, иногда принимает вслед за сигналами передающей станции эхо этих же сигналов, облетевшее вокруг земного шара. Такое кругосветное эхо, — а их иной раз бывает несколько подряд, — сильно искажает прием, так как, вследствие большой скорости распространения радиоволн, эхо отстает от сигналов всего лишь на несколько десятых долей секунды и смешивается с ними.

Контур надо уменьшить

Ученые, изобретатели, радиолюбители отчетливо поняли преимущества коротких волн перед длинными — радиопередача на коротких волнах звучит чище, отчетливее, «атмосферики», то есть трески и шумы, создаваемые грозовыми разрядами в атмосфере, меньше мешают приему; короткие волны позволяют поддерживать дальнюю связь с минимальной затратой мощности и даже вести направленную передачу. Впоследствии они оказались незаменимыми для локационных станций, радиодальномеров и других навигационных приборов, а также для телевидения.

И всем скоро стало совершенно ясно, что чем короче волны, тем надежнее и устойчивее работают на них многие радиоаппараты.

Надо осваивать более короткие волны, говорили конструкторы и, чтобы добиться этого, стали уменьшать размеры катушек самоиндукций и конденсаторов колебательных контуров. Ведь чем меньше самоиндукция и чем меньше емкость, тем короче получаются волны.

Изобретатели дошли в конце концов до того, что в катушке самоиндукции остался всего лишь один единственный виток, а в конденсаторе — две совсем маленькие пластины. Казалось, что дальше сокращать контур уже некуда.

Развитие радиотехники в этой области несколько затормозилось: надо было как-то преодолеть возникшие затруднения. Изобретатели попытались соединить в одно целое катушку самоиндукции и конденсатор и изготовили колебательный контур из двух прямых и параллельных друг другу медных проволок, соединенных перемычкой, наподобие буквы П. Параллельные проволоки служили одновременно и емкостью и самоиндукцией.

Однако самое существенное препятствие, мешавшее освоению ультракоротких волн, заключалось не в форме и размерах колебательного контура. Дело в том, что любой, пусть даже самый маленький, контур надо подключать к лампе с помощью соединительных проводов, а соединительные провода, да и сама лампа, тоже обладают собственными самоиндукциями и емкостями. И все эти самоиндукции и емкости — контура, соединительных проводов и лампы — складываются, и укоротить длину волны ниже определенного предела не удается.

Следовательно, прежде всего надо изгнать из схемы все соединительные провода — они только мешают, а из контура и лампы составить одно целое, один прибор.

Наиболее удобным для этой цели оказался контур, изготовленный наподобие покрышки автомобильного колеса, то есть в виде пустотелого кольца с разрезом вдоль его внутренней окружности.

Контур подобной формы получил название полого или объемного резонатора. Для присоединения такого резонатора к лампе никаких соединительных проводов не требуется: его, как бублик, надевают прямо на баллон лампы.

Электрон недостаточно быстр

Но и этого усовершенствования оказалось недостаточно. Обнаружилось новое, еще более серьезное препятствие, которое зависит от свойств самого электрона.

При длине волны в 1 метр частота колебаний на сетке лампы составит почти 300 миллионов в секунду. Если же укоротить длину волны до 10 сантиметров, а именно этого и добивались ученые, то частота достигнет 3 миллиардов колебаний в секунду!

Как ни велика скорость электрона в электронной лампе, все же он летит недостаточно быстро. Он не успевает пролететь расстояние от сетки до анода, как напряжение на сетке уже изменяется; анодный ток перестает следовать за командами сетки.

Регулировщик уличного движения на перекрестке должен включать зеленый или красный фонарь светофора, обязательно сообразуясь со скоростью транспорта. Нельзя менять сигнал раньше, чем трамваи и автомашины пересекут перекресток. Если же регулировщик начнет спешить, то шоферы, не успевая следовать командам светофора, просто перестанут его слушаться, и на перекрестке произойдет беспорядок.

Сетка в лампе служит регулировщиком «уличного» движения электронов. И в лампе тоже возникнет беспорядок, если на сетку подать слишком высокую частоту. Электроны начнут прибывать на анод не вовремя, опаздывать. Вся работа контура нарушится.

Лампа — морской прибой

Электронной суматохи в лампе казалось бы можно избежать. Для этого надо уменьшить расстояние между катодом и анодом, — сблизить их, это сократит время полета электронов в баллоне лампы.

Конструкторы взялись за переделку ламп. Появились лампы размером с пальчик — «пальчиковые» пентоды и размером с желудь — лампы «желуди».

Но, увы, «хвост вытащишь — нос увязнет». В «желудях» электронной «толчеи» не получается, но зато между чересчур сближенными электродами увеличилась емкостная связь. Опять плохо!

При большой внутренней емкости через лампу начинает проходить переменный ток. Лампа перестает выполнять одно из своих назначений — служить выпрямителем тока.

Все это привело к мысли, что надо не только объединить контур с лампой в одном приборе, но создать совершенно новый тип лампы, предназначенный специально для очень коротких волн.

Такие лампы были созданы советскими учеными. В 1932 году Д. А. Рожанский разработал проект лампы, получившей название клистрона.

Постройку клистрона осуществили в 1935 году А. Арсеньева и О. Хейль. Слово клистрон в переводе с греческого означает «морской прибой», и то, что происходит за стеклянными стенками клистрона, действительно напоминает морской прибой, когда волны равномерной чередой накатываются на берег.

Клистрон представляет собой стеклянную трубку, на которой надеты два «бублика», то есть два объемных резонатора, исполняющие обязанности колебательных контуров.

Как видно на рисунке 88 в объемном резонаторе клистрона роль емкости — конденсатора — исполняют сетки, а катушка индуктивности заменена металлической трубкой, согнутой в кольцо и разрезанной внутри. Стрелки показывают, как по ней движутся электроны, когда в резонаторе происходят электрические колебания.

Рис. 88. Объемный резонатор клистрона в форме бублика, сделанного из металлической трубки с разрезом по внутреннему диаметру. Часть трубки вырезана, чтобы было видно, как он устроен. Стрелки указывают направления движения электронов в резонаторе при колебаниях.

В одном конце трубки помещается электронная пушка, по своему устройству похожая на электронную пушку осциллоскопа. Она посылает узкий и прямой пучок электродов вдоль оси трубки по направлению к аноду, который расположен в противоположном конце трубки (рис. 89).

Рис. 89. Схема клистрона: сетки группирователя разбивают электронный поток на отдельные сгустки, которые отдают свою энергию сеткам улавливателя.

По пути от электронной пушки к аноду электронам приходится пролетать через две пары сеток, которые являются продолжением стенок объемных резонаторов.

К первому резонатору, то есть к первой паре сеток подведено переменное напряжение высокой частоты. Знаки зарядов на этих сетках непрерывно и очень быстро сменяют друг друга, — когда на одной сетке появляется минус, то на другой — плюс. А через несколько десятимиллиардных долей секунды плюс сменяется минусом, минус опять плюсом и так далее.

Электроны, выброшенные пушкой, летят до первой пары сеток все с одинаковой скоростью и сплошным потоком. Попав в пространство между сетками, электроны оказываются во власти высокочастотного поля этих сеток.

Постоянное электрическое поле действует на электроны подобно ветру — на пылинки. Оно увлекает, гонит и несет электроны, ускоряет их движение или, наоборот, замедляет его.

Переменное же поле можно сравнить с ветром, который дует то спереди, то сзади, то есть поочередно и подгоняет электроны, и тормозит.

Электронные сгустки

В тот момент, когда на сетке, более близкой к электронной пушке, появляется плюс, на второй сетке будет минус. Электроны, оказавшиеся в междусеточном пространстве, испытывают одновременно воздействие обеих сеток.

Сетка, которую они уже пролетели, то есть оставшаяся у электронов позади, притягивает их к себе, — замедляет движение электронов. Вторая сетка, которую еще предстоит проскочить, отталкивает электроны назад, то есть тоже замедляет их полет.

В целом же получается так, как будто «ветер дует электронам в лоб», — электрическое поле сеток тормозит их движение, и электроны покидают междусеточное пространство с пониженной скоростью.

Разумеется, что электроны, потеряв часть своей скорости, отстают от тех электронов, которые проскочили сетки раньше их и летят впереди. В электронном потоке образуется разрыв.

В следующий миг сетки обмениваются знаками зарядов. На первой сетке, более близкой к электронной пушке, появляется минус, и она начинает отталкивать электроны, подгонять их. На второй сетке минус сменяется плюсом, и она начинает притягивать к себе электроны, то есть тоже ускоряет их движение. И эти электроны покидают сетки, так сказать, с «попутным ветром» и летят с повышенной скоростью.

Вполне очевидно, что они тоже оторвутся от тех электронов, которые движутся позади и занимают их место в междусеточном пространстве. В потоке электронов, миновавших первую пару сеток, образуются обособленные стайки.

Так как электроны, составляющие головной отряд такой стайки, летят с пониженной скоростью, а электроны, оказавшиеся в хвосте стайки, летят с повышенной скоростью, то, очевидно, задние будут нагонять передних, и по мере продвижения вперед стая электронов будет становиться все плотнее и плотнее. Стайка собьется в довольно плотный электронный сгусток, или, как иногда говорят, — «пакет».

Такие электронные стайки-сгустки получаются после каждой смены зарядов на сетках первого резонатора. Следовательно, число электронных сгустков, образующихся за секунду, равно частоте колебаний на сетках, а плотность электронов в каждом сгустке соответствует силе этих колебаний.

Итак, сетки первого резонатора рубят электронный поток на отдельные стаи и уплотняют их, сбивая электроны в «пакеты».

Подлетая к сеткам второго резонатора, который называется улавливателем, эти электронные сгустки-пакеты обрушиваются на них подобно волнам морского прибоя.

Сгустки один за другим проходят сквозь сетки улавливателя и в силу индукции отдают им свою энергию, возбуждая во втором резонаторе колебания той же частоты, что и в первом, но более мощные. Потеряв в улавливателе значительную часть своей энергии, «отработавшие» электроны налетают на коллектор, который выводит их из лампы.

Но невольно возникает вопрос: откуда же берется высокая частота, которой питают первый «бублик»? На это легко ответить — от улавливателя. Внутрь полостей обоих резонаторов введены концы проводника, соединяющего резонаторы между собой (рис. 89).

Это устанавливается между обоими резонаторами связь, благодаря которой клистрон самовозбуждается, как и обычная генераторная лампа с обратной связью в колебательном контуре.

В последние годы чаще всего применяют клистроны, работающие на волнах от 9 до 11 и от 3 до 3,3 см. Но уже изготовляются клистроны и для волн в 7–8 миллиметров.

В вихре магнитного поля

Еще раньше клистрона появился другой прибор, тоже предназначенный для создания очень коротких радиоволн и названный магнетроном.

Магнетроны отличаются от всех остальных радиоламп тем, что управление электронным потоком производится в них не электрическим полем сетки, а магнитным. Если электрическое поле сравнимо с обычным ветром, то магнитное поле — это вихрь или смерч.

Электрон, пересекая магнитное поле, движется по дуге окружности, и чем сильнее поле, тем круче изогнется траектория полета электрона. Электрон в магнитном поле вьется, как песчинка, подхваченная вихрем (рис. 90).

Рис. 90. Движение электрона, попавшего в магнитное поле.

Эту особенность магнитного поля использовали для создания магнетронов. Первый в мире мощный магнетрон построили в 1939 году советские инженеры Д. Е. Моляров и Η. Ф. Алексеев.

В магнетроне только два электрода — анод и катод; сеток нет. Анод изготовлен в виде полого, металлического цилиндра с толстыми стенками. Катод имеет форму палочки или стержня и помещается внутри полости анода в самом ее центре, то есть он расположен по оси анода. В стенках анода, параллельно его оси, высверлены каналы, соединенные боковой стороной с внутренней полостью магнетрона; это объемные резонаторы (рис. 91).

Рис. 91. Основные части разрезного магнетрона. Электроны крутятся вихрем вокруг катода. Электрические колебания возникают внутри каждого цилиндрического канала, разрез которого служит конденсатором.

Оба электрода находятся в сильном магнитном поле, направленном так, что его силовые линии пронизывают пространство между анодом и катодом вдоль их оси.

На катод, как и в обычной лампе, подают отрицательное напряжение, на анод — положительное.

Катод подогревают электрическим током. Он испускает электроны. Увлекаемые электрическим полем, электроны мчатся от катода к аноду. Если б не было магнитного поля, они полетели бы по прямым линиям, то есть по радиусам, и без помех «приземлились» бы на аноде.

Но магнитное поле диктует им свои законы. Пересекая магнитные силовые линии, электроны сворачивают с прямого пути и несутся по кругу, как щепки, попавшие в водоворот.

Напряжение на электродах и сила магнитного поля подобраны с таким расчетом, чтобы электроны поворачивали обратно к катоду как раз возле самой поверхности анода. Они скользят вдоль анода и летят назад. Ток через магнетрон почти не идет.

Электроны же, вылетая из раскаленного катода, накапливаются в «вихре» магнитного поля: в пространстве между катодом и анодом сосредоточивается мощный электрический заряд.

Этот заряд не остается неизменным, на нем сказывается влияние полых резонаторов, высверленных в стенках анода. Под их воздействием электронный вихрь начинает пульсировать, он то сжимается, то расширяется. Но, расширяясь, электронный вихрь каждый раз касается анода.

На анод обрушиваются миллиарды миллиардов электронов сразу. Возникает резкий отрывистый толчок, создающий в цепи анода колебания электрического тока. Такие толчки следуют один за другим — магнетрон генерирует колебания.

Эти колебания происходят с частотой, которая определяется размерами резонаторов и устройством магнетрона.

Анодное напряжение на магнетрон подается не все время, а только на очень короткие промежутки времени мощными импульсами, например, на одну стотысячную долю секунды через каждую сотую долю секунды. После каждого такого импульса магнетрон, создав в течение его колебания огромной мощности, может «отдохнуть», а общий расход затраченной в секунду энергии оказывается не очень большим — магнетрон каждую 0,00001 секунды работает, а 0,01 секунды отдыхает.

В результате разных усовершенствований, соединив в себе колебательный контур с мощной лампой, магнетрон стал очень портативным прибором.

Современный мощный магнетрон свободно умещается на ладони. Несмотря на столь скромные размеры, он служит генератором исключительно мощных электромагнитных колебаний (рис. 92).

Рис. 92. Внешний вид магнетрона.

Магнетрон, создающий радиоволны длиной около 3 сантиметров, способен на короткие промежутки времени развивать мощность свыше тысячи киловатт, а магнетрон, предназначенный для генерации радиоволн около 10 сантиметров, развивает мощность в 2500 киловатт. Это делает магнетрон незаменимым прибором для радиолокационных станций, которые должны посылать сигналы мощными короткими импульсами.

Глава десятая. Современный «Золотой петушок»

Полет летучих мышей

Летучая мышь издавна интересовала натуралистов. Это очень странный зверек. Глаза у него крошечные, слабые; с такими глазками даже днем трудно что-либо разглядеть, а летучие мыши летают ночью, охотятся впотьмах, да еще как ловко охотятся! Черными стрелами носятся они меж ветвей деревьев или под стропилами крыш, на лету ловят комаров и ночных бабочек, и при этом ни разу не заденут крылом за ветку или за балку.

Если впустить летучую мышь в большой темный сарай, в котором по всем направлениям натянуты веревки, проволоки, понаставлены шесты и палки, то летучая мышь все равно будет носиться по сараю, удивительно легко и ловко огибая все препятствия.

Птицы так летать не могут. Воробей, выпущенный в комнате из клетки, прежде всего ринется к окну и, ударившись о стекло, расшибется. Летучая мышь в закрытое окно не полетит. Но если форточка будет открыта, мышь быстро найдет лазейку и шмыгнет в нее.

Натуралисты хотели узнать, каким органом чувств руководствуется летучая мышь в полете? Что помогает ей ориентироваться ночью и в весьма трудных условиях? Чтобы выяснить это, делали различные опыты. Нескольких летучих мышей ослепили и выпустили. Слепые мыши летели не хуже зрячих. Значит, в полете мышь «смотрит» не глазами.

Быть может она пользуется осязанием? Кончик носа и лапки летучей мыши покрыли лаком и отпустили ее. Мышь летала, как ни в чем не бывало.

Может быть, у летучих мышей важную роль играет обоняние? Липким пластырем заклеили мышам носы и отпустили, — полетели прекрасно!

Остается еще слух! Уши у летучих мышей отменно большие. Уже сама величина ушей показывает, что этот орган особо важен. Нескольким мышам залепили воском уши.

С заткнутыми ушами мыши стали летать плохо: одна ударилась о столб и разбила крыло, другая налетела на веревку.

Но как можно смотреть… ушами? Понятно, что на ночной охоте слух незаменим. Комар летит — звенит. Мышь слышит комариный писк и ловит комара. Но ведь веревки, палки, ветки, стекла не издают звуков! Мышь не может слышать веревку, натянутую в сарае, а все-таки огибает ее. При чем же тут слух? Это было неясно.

Единственное, чего не догадывались сделать ученые, — это заклеить мышам липким пластырем рты и посмотреть, как будут мыши летать с закрытыми ртами. Людям и в голову не могло прийти, что мышь может «освещать» дорогу голосом и «смотреть» ушами.

Опыты, которые ученые делали с летучими мышами в конце XVIII века, ни к чему не привели. Тайна полета мышей осталась тогда неразгаданной.

Только в недавнее время ученые нашли способ видеть и ориентироваться ночью в тумане не хуже летучих мышей и только недавно способ ориентировки этих ночных летунов стал нам понятен.

Открытие русского ученого

Летом 1897 года учебно-минный отряд Балтийского флота ушел на Транзундский рейд в Выборгском заливе, где обычно производили учебные стрельбы.

По уставу минный офицер, проводивший практические занятия, должен был докладывать в штаб отряда результаты каждой стрельбы. Он сообщал: какая мина благополучно всплыла после выстрела, какая утонула, за какой следует выслать шлюпку. Передать семафором все эти известия было затруднительно, поэтому связь решили организовать с помощью беспроволочного телеграфа.

На транспортном судне «Европа», с которого производились стрельбы, помощник А. С. Попова — Π. Н. Рыбкин установил передатчик, а на крейсере «Африка», где помещался штаб отряда, — приемник.

Крейсер 2 ранга «Африка» был очень удобным кораблем для опытов. Его огромные грот и фок-мачты не несли парусного такелажа. Это позволяло поднять антенну на большую высоту и увеличить дальность передачи до пяти километров.

Во время этих опытов А. С. Попов заметил новое и своеобразное явление. Каждый раз, когда между транспортом «Европа» и крейсером «Африка» проходил крейсер «Лейтенант Ильин», передача прерывалась. Приемная станция не слышала работы передатчика. Перерыв продолжался до тех пор, пока суда не сходили с одной линии. Крейсер «Лейтенант Ильин» заслонял собой передатчик. Он как бы «бросал тень» на приемную радиостанцию, и она переставала принимать донесения.

В своем отчете об опытах А. С. Попов правильно оценил огромное значение сделанного им открытия. Он предвидел, что оно со временем может стать необычайно полезным: «применение источников электромагнитных волн на маяках в добавление к световому или звуковому сигналам может сделать видимыми маяки в тумане и в бурную погоду… Направление маяка может быть приблизительно определено, пользуясь свойством мачт, снастей задерживать электромагнитную волну, так сказать, затенять ее».

А. С. Попов начал изучать замеченное явление. Два года спустя, на лекции для минных офицеров в Кронштадте, Попов показывал опыты, поясняющие, как отражаются электромагнитные колебания от металлических зеркал.

Преждевременная смерть прервала важные исследования ученого. Открытие радиотени и отражения электромагнитных волн от металлических предметов — радиоэхо — было на время забыто.

Явления «радиотени» и «радиоэха» были исследованы только в советское время академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Они выяснили, как распространяются радиоволны различной длины, нашли законы, по которым эти волны огибают препятствия и кривизну земной поверхности, в каких случаях они отражаются, а в каких поглощаются (рис. 93).

Рис. 93. Распространение длинных, коротких и ультракоротких сантиметровых волн. Ультракороткие волны распространяются по прямой линии, как свет.

Свет огибает те препятствия, размеры которых значительно меньше длины световой волны. Так же ведут себя и радиоволны. Но если свет «не замечает» препятствий в доли микрона, радиоволны легко огибают предметы в десятки метров, — ведь длина волны широковещательной станции измеряется сотнями метров. Поэтому трудно говорить о сходстве распространения длинных волн и света.

Но чем короче радиоволны, чем больше они похожи на световые. Метровые волны дают отчетливую тень от предмета в несколько метров величины, а параболическое зеркало диаметром в 10–12 метров сможет направить их узким, малорасходящимся пучком, похожим на луч прожектора. Чем короче радиоволны, тем легче их направлять в нужную сторону, и тем более мелкие предметы можно ими нащупывать, улавливая волны, отраженные или рассеянные этими предметами.

Основываясь на трудах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, а также на своих исследованиях, член-корреспондент Академии наук СССР Д. А. Рожанский и профессор Ю. Б. Кобзарев в 1932 году создали проект первого советского радиодальномера. Впоследствии радиодальномер усовершенствовали — появилась радиолокационная станция, определявшая местонахождение цели, то есть направление на цель и расстояние до нее.

Сигнал возвращается назад

Недавно ученые повторили старинный опыт с летучими мышами. В большом и темном сарае натянули множество веревок и проволок. Затем поймали несколько летучих мышей, но им не стали делать каких-либо операций, не выкалывали глаза, не отрезали уши, а просто залепили мастикой рты и отпустили.

Мыши летать на смогли. Они ударялись о натянутые в сарае веревки, потому что перестали их «видеть».

Оказалось, что мышь в полете издает неслышимые человеческим ухом звуки, так называемые ультразвуки. Человеческое ухо в состоянии слышать звуки, имеющие от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Самые низкие звуки, какие только доступны нам, это гудение толстой струны контрабаса. Самый высокий слышимый звук — скрип стеклом по стеклу.

Летучая мышь издает в полете писк, недоступный для нашего уха, имеющий частоту 45 тысяч колебаний в секунду. Она посылает звуки короткими отрывистыми сигналами.

При взлете мышь попискивает 16 раз в секунду. В полете частота ее сигналов увеличивается до 30, а в трудных условиях полета среди натянутых веревок она попискивает 60 раз в секунду.

Рот у летучей мыши устроен рупором. Он направляет звук только вперед. Большие уши служат мышам приемником, которым они улавливают эхо своего писка, отраженного от стен и других препятствий. Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 метров в секунду. Мышь летает со скоростью до 20 метров в секунду. Значит, она успевает послать сигнал и получить его отражение — эхо. В этом — секрет уверенного полета мыши. Мышь летит только туда, откуда нет эха, где нет никаких препятствий. Поэтому летучую мышь не обманывает прозрачное стекло, — она слышит эхо от стекла и не летит на него. Летучие мыши — живые локаторы. Мыши пользуются короткими звуковыми волнами, а в радиолокаторах используются очень короткие радиоволны.

Рис. 94. Летучая мышь.

Антенна коротковолновой радиолокационной станции имеет форму вогнутого прожекторного зеркала. Для уменьшения веса ее делают не из сплошных металлических листов, а решетчатой или сетчатой. Такая антенна посылает радиоволны не во все стороны, как широковещательная радиостанция, а узким лучом, подобно прожектеру.

Направление радиолуча можно изменять по желанию: поворачивать антенну, подымать ее или наклонять в любую сторону, как прожектор.

Если поток радиоволн не встретит на своем пути препятствий, то он уходит в межпланетное пространство. Если же встретится какой-либо предмет— корабль, самолет, скала, айсберг, здание, — радиолуч отразится от него и пойдет обратно. Этот отраженный радиосигнал улавливает приемник. Время, которое потратил сигнал на путешествие до цели и обратно, можно точно измерить.

Следовательно, направление на цель с помощью радиолокатора определяется довольно легко. Цель, например самолет или корабль, находится там, откуда вернулось эхо. Указателем направления служит антенна — она «смотрит» на цель. Если цель движущаяся, то. наблюдатель, поворачивая антенну или изменяя ее наклон, может неотступно следить за целью, как следят за самолетом прожектористы, когда его удается «поймать» лучом прожектора.

Современные радиолокационные станции указывают направление цели с точностью в несколько сотых долей градуса. Когда цель расположена примерно в 15 километрах от прибора, то ошибка по вине локаторов составит всего лишь около 10 метров.

Радиолокатор, как и летучая мышь в полете, посылает свои сигналы отдельными, отрывистыми импульсами. Длительность каждого импульса составляет несколько миллионных долей секунды. Передатчик обязан прерывать работу, чтобы приемник в паузах мог улавливать эхо, вернувшееся от цели. «Рот» должен молчать, когда «уши» слушают.

В первых радиолокаторах «рот» и «уши» помещались вдали друг от друга. Но так как передатчик и приемник все равно не могут работать одновременно, то такое разделение оказалось бесполезным, и приборы объединили. Антенна радиолокатора поочередно обслуживает то передатчик, то приемник.

Иногда антенну радиолокатора связывают с мощным световым прожектором; он зажигается по сигналу радиолокатора и направляет свой мощный световой поток прямо на неприятельский самолет, делая его видимым на фоне темного ночного неба.

Измерив время, потраченное сигналом на путешествие до цели и обратно, наблюдатель определяет расстояние до нее. Вычисления несложны: одна десятимиллионная доля секунды соответствует 15 метрам (за это время сигнал проходит 30 метров — 15 метров туда и 15 метров обратно).

Главная трудность заключается не в вычислениях, а именно в измерении необычно малых промежутков времени — миллионных и десятимиллионных долей секунды.

Измерение расстояний

Никакие часы, — ни астрономические с маятником, ни кварцевые эталоны частоты, не в состоянии здесь помочь. Задача осталась бы нерешенной, если бы не существовало электроннолучевой трубки.

Этот замечательный прибор стал в радиолокаторах счетчиком мельчайших долей секунды и одновременно вычислителем расстояний.

Известно, что вертикальные пластины в электроннолучевой трубке заставляют электронный пучок перемещаться в горизонтальном направлении. К этим пластинам в радиолокаторе присоединено пульсирующее напряжение. Оно постепенно и равномерно нарастает, а затем резко, мгновенно обрывается, — падает до нуля.

Под воздействием вертикальных пластин электронный луч очень быстро пробегает от левого края экрана до его правого края. Там он гаснет и в тот же миг снова начинает свой путь слева направо. Глаз видит на экране ровную горизонтальную линию.

Вторая пара пластин в электроннолучевой трубке управляет движением луча в вертикальном направлении. К этим пластинам присоединена антенна радиолокатора. Как только передатчик пошлет в антенну очередной импульс, на пластинах появляются мгновенные электрические заряды, и электронный луч отклоняется — подскакивает вверх. Глаз видит на горизонтальной светящейся линии, у ее левого конца, словно всплеск, — остроконечный зубец.

Спустя некоторое время антенна уловит радиоэхо, отраженное препятствием. В антенне снова возникнут электромагнитные колебания, и на управляющих пластинах опять появятся мгновенные электрические заряды.

Электронный луч вторично отклонится, а на горизонтальной линии образуется еще один всплеск — второй остроконечный зубец.

Так как сигналы быстро следуют друг за другом, а свечение экрана исчезает не сразу, то оба зубца — и от отправленного сигнала и от пойманного радиоэха — бывают видны на экране одновременно. Один — у левого конца горизонтальной линии, другой — правее его. Расстояние между зубцами соответствует времени, которое затратил сигнал на полет до цели и обратно. Если расстояние до цели увеличивается, зубцы расходятся. При приближении предмета — они сближаются.

Под горизонтальной линией на экране локатора нанесена шкала расстояний.

Глядя на шкалу и на всплески электронного луча, наблюдатель сразу отсчитывает расстояние до цели.

На рисунке изображен светящийся экран радиолокатора, имеющего дальность действия до 300 километров. Всплеск, получившийся от радиоэха, показывает, что до цели 140 километров (рис. 95).

Рис. 95. Экран радиолокатора.

Группа ученых, работавших под руководством профессора Ю. Б. Кобзарева, за создание радиолокационной аппаратуры была удостоена Сталинской премии первой степени.

Сквозь тьму и туман

В пушкинской сказке о «Золотом петушке» говорится:

Чуть опасность где видна, Верный сторож как со сна Шевельнется, встрепенется, К той сторонке обернется И кричит: «кири-ку-ку!..»

Современная техника осуществила сказочную идею «Золотого петушка» и создала приборы более совершенные, чем предвидела народная фантазия.

При правильном выборе длины волны, работа радиолокатора не зависит от времени суток и погоды. Эти приборы «видят» ночью нисколько не хуже, чем днем. Они «видят» и в тумане, непроглядном, как молоко. Густые тучи, сплошные облака, клубы пыли, дымовая завеса или мгла, иногда застилающая горизонт, — для радиоволн прозрачны, почти как чистый воздух.

Все, что скрыто от глаз тьмой, расстоянием, туманом, дымом или пылью, благодаря радиолокаторам становится видимым.

Некоторые радиолокационные станции имеют вращающиеся антенны, и их радиолуч непрерывно обшаривает небо и землю, показывая наблюдателю план окружающей местности и все, что происходит над ней и на ней.

Вспомогательные электронные приборы сообщают не только направление и расстояние до цели, но и ее высоту над землей, скорость и направление ее движения. Такими радиолокаторами с экраном кругового обзора снабжают самолеты и морские суда.

Наконец, современная техника создала приборы еще более удивительные. Имеются, например, радиолокационные станции, которые не только замечают появление самолета или корабля, но и определяют, чей он — свой или чужой. Если чужой, они начинают следить за ним, одновременно приводя в действие артиллерийские приборы. Орудия, ведомые локатором, подымают и поворачивают свои жерла навстречу врагу. Они неотступно следуют за каждым его движением. Артиллеристу остается только нажать кнопку и в нужный момент открыть огонь, чтобы уничтожить противника.

Один из морских боев во второй мировой войне длился всего лишь 30 секунд: корабли противника были обнаружены радиолокационной станцией и молниеносно поражены огнем артиллерии главного калибра.

Зоркость радиолокаторов не уступает зоркости оптических приборов. Радиолокатор может заметить консервную банку, прыгающую на волнах в 10 километрах от станции.

В последние месяцы войны подводные лодки даже ночью с опаской всплывали на поверхность и делали это в случаях крайней необходимости. Для пополнения запасов свежего воздуха и перезарядки аккумуляторов они предпочитали подымать на поверхность трубу воздухопровода. Однако даже такие предосторожности не спасали немецкие подводные лодки.

Радиолокаторы «морских охотников» и гидросамолетов замечают перископ или конец воздухопровода, едва высунувшиеся из воды. Из 1174 подводных лодок, которыми располагала фашистская Германия, было обнаружено и уничтожено 785.

Радиолокационные станции бывают самых различных размеров. Одни из них весят десятки тонн и снабжены исполинскими антеннами, другие — немного больше чайного стакана.

Локаторы-лилипуты предназначены для снарядов зенитной артиллерии. Эти локаторы представляют собой маленькое чудо современной техники. Они помещаются в головке зенитного снаряда. В столь малом пространстве располагаются: передатчик, приемник, антенна, пять крошечных радиоламп, источники питания и другие детали радиолокационной станции.

Раньше зенитные снаряды, даже при очень меткой стрельбе, зачастую пролетали возле самолета, не причиняя ему никакого вреда. Подсчитано, что на каждый сбитый самолет тратилось до 5000 обычных зенитных снарядов.

Снаряд, снабженный радиолокационными взрывателями, не слеп: он «видит» цель и, оказавшись на расстоянии 15–20 метров от вражеского самолета, взрывается, поражая его осколками (рис. 96).

Рис. 96. Разрез радиовзрывателя зенитного снаряда.

Такими снарядами английская зенитная артиллерия в годы войны вела огонь по немецким самолетам-автоматам— «Фау-1». До применения «видящих» снарядов, из каждой сотни «Фау-1» удавалось сбить над морем 5–6. Снаряды, снабженные «радиоглазом», изменили это соотношение. Из сотни «Фау-1» Лондона достигали только 4–5, остальные уничтожались огнем зенитной артиллерии.

Первый «разговор» с Луной

В Советском Союзе радиолокаторы быстро нашли себе применение в народном хозяйстве. Они широко обслуживают морской и воздушный транспорт.

Теперь грузовой или пассажирский пароход идет в туманной мгле или ночью так же уверенно, как и в ясный солнечный день. Радиолокатор заранее предупреждает капитана о приближении встречного судна или айсберга, в тумане пересекающего путь корабля. Штурман не сетует на облака, скрывающие от него солнце и звезды и мешающие ему ориентироваться.

Радионавигационные приборы, принимая сигналы радиомаяков, позволяют уверенно вести корабль по заданному курсу. Радиорулевой управляет рулем, не позволяя кораблю «рыскать» и уклоняться в сторону. Радиокурсограф автоматически прокладывает на карте курс, отмечая положение корабля. Точность определения места корабля на расстоянии 2000 километров от радиомаяка весьма велика, ошибка не превышает 100–200 метров.

Когда корабль находится близ суши, радиолокаторы показывают панораму берега — скалы и рифы, прибрежные города и гавани (рис. 97).

Рис. 97. Экран кругового обзора. 1 — самолеты, 2 — кучевые облака, 3 — слоисто-кучевые облака, 4 — озера, 5 — крыши домиков, 6 — место наблюдателя, 7 — след газов от моторов самолета, на котором находится наблюдатель.

Летчик на самолете, снабженном радиолокатором с трубкой кругового обзора, сквозь густые облака видит землю под собой. Яркими ниточками светятся на экране железные дороги, сверкают металлические крыши зданий, темнеют ленточки рек и пятна озер. На экране видна карта местности, над которой летит самолет, и летчик без особого труда может ориентироваться. Благодаря радиолокации и радионавигации так называемый «слепой» полет стал «зрячим».

В короткой, но богатой событиями летописи радиолокации записано замечательное достижение. Вечером 10 января 1946 года, когда взошла Луна, радиосигнал, посланный человеческой рукой, ворвался в межпланетное пространство, достиг Луны и вернулся обратно, чтобы доложить о расстоянии, отделяющем Землю от ее соседа и спутника (рис. 98).

Рис. 98. Радиолокация Луны.

Способ радиосвязи с Луной и ближайшими к Земле планетами указали советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Они же разработали приемы измерения межпланетных расстояний при помощи радиосигналов.

Первый опыт измерения расстояния до Луны показал могущество современной науки.

Когда настанет час старта первого космического корабля, его поведут сигналы астрорадиомаяков, и радиостанции Земли будут поддерживать с отважными путешественниками непрерывную связь.

Глава одиннадцатая. Свет и ток

Успехи фотоэлемента

Впервые десятилетия своего существования фотоэлемент, как и катодная трубка, был только физическим прибором. Он служил для научных исследований, но практического применения ему не находилось.

Инженеры, совершенствуя фотоэлемент, ничего по существу в нем не изменили. Основные части прибора оставались теми же, что были и у Столетова: два электрода — чувствительный к свету катод с большой поверхностью; анод, имеющий вид небольшого колечка или сеточки; батарея или другой источник постоянного тока.

Оба электрода заключены в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Современный фотоэлемент похож на электрическую лампочку. Но их сходство только внешнее. Эти приборы имеют совершенно противоположное назначение: осветительная лампочка преобразует электрическую энергию в свет, а фотоэлемент преобразует световую энергию в электрическую.

Когда на катод фотоэлемента падают световые лучи, через прибор идет ток. Чем ярче свет, тем сильнее фототок. Однако даже самый яркий свет рождает в фотоэлементе незначительный по силе ток, измеряемый миллионными долями ампера.

Поэтому физики присоединили к фотоэлементу ламповый усилитель. Через усилитель фотоэлемент может приводить в действие реле — автоматический выключатель тока.

Простейшее реле представляет собой небольшой электромагнит с легким и подвижным якорьком на пружинке. Когда через обмотку электромагнита проходит даже очень слабый ток, — магнит притягивает якорек, а тот, замыкая цепь от какого-либо сильного источника тока, приводит в действие двигатели и механизмы, соединенные с этим источником тока (рис. 99).

Рис. 99. Схема, составленная из фотоэлемента, реле и вентилятора. Лучи света, падая на катод фотоэлемента, включают ток и приводят в движение вентилятор.

Возможно и другое включение реле: когда магнит притягивает к себе якорек, — цепь разомкнута. Но как только ток в обмотке электромагнита прекращается, якорек перестает притягиваться, пружинка отрывает его от сердечника электромагнита и прижимает к контактам источника сильного тока: происходит включение исполнительной цепи.

В союзе с усилительной радиолампой и реле фотоэлемент перестал быть только физическим прибором. Он начал нести службу в промышленности.

Сначала фотоэлемент приспособили для автоматического подсчета изделий на конвейерах и транспортерах.

С одной стороны ленты транспортера поставили маленький фонарик, бросавший поперек ленты узкий пучок параллельных лучей. С другой стороны транспортера, напротив фонарика, поместили фотоэлемент. Световой пучок падал на фотоэлемент, и через фотоэлемент шел ток.

Изделия, двигаясь по транспортеру, проходили мимо фотоэлемента и заслоняли собой свет фонарика. Ток в цепи фотоэлемента прекращался. Электромагнит реле отпускал якорек. Падая, якорек приводил в движение механизм счетчика. Каждый раз, когда изделие преграждало луч света, счетчик прибавлял единицу. Так, изделия, проходя мимо фотоэлемента, считали «сами себя».

Фотоэлемент, соединенный с радиолампой, реле и счетчиком, учитывал готовую продукцию спокойно, аккуратно — дни, недели, месяцы, не утомляясь, не ошибаясь и не требуя особого ухода.

После первых удачных опытов, фотоэлементы начали устанавливать на многих рабочих местах, а провода провели к счетчикам в диспетчерскую комнату. Диспетчер, глядя на выстроившиеся перед ним счетчики, видел, как идет работа на любом участке, сколько заготовлено деталей и сколько выпущено готовой продукции.

Фотоэлемент заставили охранять банк. В стенах коридора, ведущего в хранилище, установили несколько потайных фонариков. Они бросали тонкие пучки невидимых инфракрасных лучей. Лучи пересекали коридор, образуя незримую решетку.

На противоположной стене напротив каждого фонарика укрепили фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Провода от каждого фотоэлемента шли к реле сигналов тревоги.

Достаточно было пересечь хотя бы один луч, — по всему зданию заливались звонки, с грохотом захлопывались стальные створки дверей-ловушек, которые преграждали выход злоумышленнику. Фотоэлемент оказался прекрасным «сторожем».

У входных дверей гостиниц тоже стали устанавливать фотоэлементы. Каждый посетитель, входя в подъезд, неминуемо пересекал световой луч: фотоэлемент «замечал» появление человека и через реле включал несколько механизмов. Небольшие электромоторы распахивали двери, в вестибюле вспыхивал полный свет, а чучело медведя раскрывало пасть и произносило человеческим голосом: «Милости просим!», «Добро пожаловать!» или «Извините, сегодня в гостинице свободных номеров нет!..» Фотоэлемент стал «швейцаром».

В Советском Союзе «электрический глаз» занял почетное место в технике безопасности. Световыми лучами ограждают опасные пространства под паровыми молотами, под штампами прессов, высоковольтные установки. Достаточно рабочему нечаянно попасть рукой или даже пальцем в опасную зону — фотоэлемент мгновенно включит тормозное устройство, и машина остановится.

Достоинства фотоэлемента — мгновенность действия, постоянная бдительность и, в соединении с реле, способность приводить в движение любой исполнительный механизм — были по заслугам оценены конструкторами и изобретателями.

На одной международной выставке фотоэлемент приладили к телескопу.

Телескоп направили на определенную точку неба, а реле фотоэлемента соединили со всеми механизмами выставки.

Настал вечер. Гости, съехавшиеся на выставку, толпились у ворот. Тысячи любопытных облепили ограду, всматриваясь в безлюдную территорию выставки.

В поле зрения телескопа появился Арктур — звезда первой величины из созвездия Волопаса. Луч света Арктура скользнул в телескоп и упал на фотоэлемент. Реле замкнуло контакт, и в тот же миг на всей территории выставки вспыхнули огни, осветились павильоны и дорожки. Распахнулись сами собой ворота, ударили фонтаны. Заиграла музыка, заработали все действующие модели машин и станков. Побежали вагончики электрической железной дороги. На мачте, освещенной прожекторами, взвился флаг, а в воздух взлетели сотни разноцветных ракет. Все это «проделал» слабенький луч звезды, пойманный фотоэлементом. Это он привел в движение множество различных механизмов — выключателей, моторов, фонтанных кранов, радиол, ракетниц и прожекторов.

Но и это было лишь началом применения фотоэлемента, его первыми шагами в практической жизни.

Служба вторичных электронов

Советские ученые выработали для катодов фотоэлементов составы, чувствительные и к ультрафиолетовым лучам, и к видимому свету, и к невидимым инфракрасным лучам.

У современных фотоэлементов катоды изготовляют в основном двух типов — кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые. И те и другие чувствительны к видимому свету, однако, наибольшую чувствительность они проявляют, когда их освещают лучами определенного цвета. Кислородно-цезиевые даю г ток наибольшей силы при освещении инфракрасными лучами. Сурьмяно-цезиевые чувствительны к ультрафиолетовым и видимым лучам.

Баллоны фотоэлементов, после откачки воздуха, иногда наполняют разреженным газом — неоном или аргоном. Присутствие этих газов в фотоэлементе повышает его чувствительность.

Электроны, вылетевшие из катода, сталкиваясь с атомами газа, могут ионизировать их. В результате таких столкновений возрастает число электронов, попадающих на анод, и сила тока увеличивается.

Это большое преимущество. Но ему, к сожалению, сопутствует недостаток, свойственный газовым приборам. В создании тока в газонаполненном фотоэлементе участвуют не только легкие, подвижные электроны, но и сравнительно тяжелые, неповоротливые ионы. (Ион аргона почти в 70 тысяч раз массивнее электрона.) Пока эти ионы раскачиваются да пока доберутся до катода, — проходит время. Поэтому газонаполненный фотоэлемент начинает действовать не мгновенно, ему требуется некоторое время на «раскачку». За быстрыми изменениями силы светового луча ток не поспевает: с прекращением действия света, разогнавшиеся ионы в течение нескольких миллионных долей секунды еще продолжают по инерции налетать на катод. Ток прекращается не сразу.

У фотоэлементов, наполненных разреженным газом, ослаблено их важное достоинство — мгновенность действия — безинерционность. Впрочем это зло на практике часто неощутимо.

Присутствие разреженного газа в баллоне фотоэлемента увеличивает его чувствительность в 6 — 12 раз. Это уж не столь большое достижение. Техника настоятельно требовала создания значительно более чувствительных фотоэлементов.

Остроумное решение этой задачи нашел ленинградский инженер Л. А. Кубецкий. Он увеличил силу тока фотоэлемента ни мало ни много, а в несколько миллионов раз!

В своем фотоэлементе изобретатель, кроме катода и анода, поместил еще несколько электродов. Эти дополнительные электроды получили название эмиттеров, что означает — испускатели.

Л. А. Кубецкий покрыл эмиттеры кислородно-цезиевым составом, который легко отдает свои электроны. Работает фотоэлемент Кубецкого так: свет вырывает из катода электроны. Они летят к первому эмиттеру и ударяются об его поверхность. Каждый электрон выбивает 3–4 электрона, а иногда даже и больше.

Электроны, вылетевшие из первого эмиттера, направляются ко второму эмиттеру и выбивают еще по 3–4 электрона, которые устремляются к третьему эмиттеру. Там повторяется то же самое. Третий эмиттер в свою очередь умножает количество электронов и отсылает их к четвертому (рис. 100).

Рис. 100. Схема фотоумножения. Показано, как между эмиттерами возникает лавина электрона.

Поток электронов растет, как снежный ком.

Конечно, чтобы электрон был способен выбивать из эмиттеров новые электроны, он должен обладать достаточной энергией. Поэтому на каждый последующий эмиттер подается напряжение примерно на 100 вольт более высокое, чем на предыдущий. Кроме того, чтобы электроны попадали с одного эмиттера на другой, не сбивались с дороги, применяются различные системы управления при помощи электрических или магнитных полей.

На фотографии трубки Кубецкого видно, что трубка имеет 16 электродов. 2 из них — катод и анод, а 14 — эмиттеры (рис. 101).

Рис. 101. Фотоумножитель Кубецкого.

Какое же усиление могут дать эти 14 эмиттеров? Допустим, что каждый электрон, ударяясь о поверхность эмиттера, выбивает всего лишь по 3 вторичных электрона. Значит, каждый электрон, вылетевший из катода, выбьет из первого эмиттера 3 электрона.

От второго эмиттера их полетит уже 3 х 3 = 9, от третьего—27, от четвертого — 81, от пятого — 243. От девятого эмиттера в путь отправится 19 683 электрона, от двенадцатого — 531 441. После четырнадцатого эмиттера на анод попадает 4 782 969 электронов! Свыше четырех с половиной миллионов!

Одна трубка Л. А. Кубецкого может заменить множество усилительных ламп, которые обслуживают фотоэлементы других типов, усиливая их сигналы. Прибор Л. А. Кубецкого получил название фотоумножителя. Его автор был удостоен Сталинской премии.

Фотоумножители были значительно усовершенствованы профессорами П. В. Тимофеевым и С. А. Векшинским (рис. 102).

Рис. 102. Фотоумножитель Векшинского.

Зоркие помощники

Изобретения и усовершенствования, сделанные советскими учеными, намного улучшили фотоэлементы, и круг их обязанностей необычайно расширился.

Когда, например, полагается включать уличное освещение? Обычно это делается в заранее установленные часы. И в пасмурную погоду и безоблачным ясным вечером фонари вспыхивают на улицах в одно и то же время. Утром же они гаснут, когда захочется диспетчеру. Иной раз приходится видеть, как фонари горят до полудня. Это — напрасная трата энергии.

Теперь во многих городах Советского Союза за силой дневного света следят фотоэлементы. Как только становится действительно темно, они включают свет — в пасмурные дни и в узких улицах раньше, в ясные вечера и на площадях и набережных — позже. Утром фотоэлементы так же аккуратно гасят свет.

Фотоэлементы, помещенные внутри фабрично-заводских труб, контролируют и регулируют работу котельных топок. Густой дым затемняет, ослабляет свет фонарика, обслуживающего фотоэлемент. Фотоэлемент приводит в действие механизмы, управляющие топкой: прочищаются колосники, подается больше воздуха, устанавливается нормальный режим горения топлива.

На боевых кораблях фотоэлемент помогает соблюдать маскировку. Черные столбы дыма, вырывающиеся из труб, делают корабли заметными задолго до появления эскадры на горизонте. Фотоэлемент зорко следит, чтобы топливо сгорало без дыма.

С каждым годом расширяется применение контрольных и сигнальных фотоэлементов. Они становятся такими же привычными, как пишущая машина, электрическая лампочка, термометр, телефон, водопровод.

Искусственный глаз астронома

Астрономы уже давно задумывались, что хорошо бы в некоторых случаях заменить наблюдателя у телескопа автоматическим прибором.

Ученые знали, что света звезды достаточно для срабатывания фотоэлементов, но не умели заставить его отметить с точностью до нескольких тысячных долей секунды момент прохождения звезды через меридиан обсерватории.

Η. Н. Павлов, астроном и одновременно радиолюбитель, решил изобрести прибор, заменяющий наблюдателя. Ученый начал работу в 1934 году и вскоре узнал, что и за границей тоже конструируют электрический наблюдатель. Опыты неизменно заканчивались неудачей. Изобретатели не находили способа создать искусственный глаз, который мог бы соперничать с человеческим.

Советский ученый продолжал работать, он был уверен в успехе, потому что он жил и трудился в советской стране.

Первый прибор, построенный Павловым, был слеповат, он видел фонари, но не замечал звезд. Чувствительность заграничных фотоэлементов, выписанных в обсерваторию, была слишком мала. Слабые лучи звездного света не оказывали на них никакого действия. Перышко самозаписывающего аппарата, соединенного с фотоэлементом, чертило унылую, совершенно прямую линию.

Вскоре советские ученые изобрели новый тип фотоэлементов. Павлов приобрел его и поставил в свой прибор.

В декабре 1935 года Η. Н. Павлов приступил к опыту. Для начала была выбрана самая яркая звезда нашего неба — Сириус.

Лучу звездного света надлежало скользнуть в астрономическую трубу и сквозь узкую щель упасть на фотоэлемент. В это мгновение в фотоэлементе возникнет слабенький электрический ток. Усиленный радиолампами, этот ток должен подействовать на магниты самозаписывающего прибора — хронографа. Магниты притянут якорек, якорек щелкнет, и прикрепленное к нему перышко поставят на телеграфной ленте зубчик.

Наступал решительный момент: Сириус приближался к меридиану обсерватории. Профессор Павлов следил за медленным перемещением звезды в поле зрения инструмента.

Вот еще мгновение! Еще полсекунды…

Громко щелкнули магниты хронографа. Перышко дрогнуло и поставило на ленте отчетливый зубчик. Это Сириус своим лучом расписался в прибытии на меридиан обсерватории. Прибор впервые «увидел» звезду.

Правда, Сириус очень ярок, заметить такую звезду — не велика заслуга, но, как говорится, лиха беда начало!

Ученый продолжал совершенствовать свое изобретение, и два года спустя его искусственный глаз по чувствительности сравнялся с человеческим.

В 1946 году работа в основном была закончена. Профессор Павлов опубликовал свое изобретение.

«Электрический глаз» астронома имеет вид круглой коробки величиной с литровую банку. Он привинчен к окуляру астрономического инструмента и составляет с ним одно целое.

В тот момент, когда звезда проходит через меридиан обсерватории, луч ее света падает на фотоэлемент, и на ленте самозаписывающего прибора появляется зубчик. Второе перышко самозаписывающего прибора, соединенное с точными астрономическими часами, отмечает на той же ленте секунды.

Астроном берет ленту с отмеченными сигналами звезды и часов, спокойно, не торопясь, измеряет промежуток между сигналами и определяет, насколько ошибаются — спешат или отстают — астрономические часы. А по этим часам потом проверяют ход всех часов Советского Союза.

Электрический глаз, в отличие от живого наблюдателя, никогда не спешит, не волнуется, не устает, не допускает ошибок.

Советские астрономы выиграли битву за точность и обеспечили отечественной Службе времени более надежную работу, чем в любой капиталистической стране.

Правительство СССР присудило профессору Η. Н. Павлову Сталинскую премию.

«Великий немой» заговорил

Как только на экранах кинотеатров появились первые «немые» кинофильмы, изобретатели начали думать, — нельзя ли сделать слышимой речь героев фильма? Некоторые предприимчивые владельцы кинотеатров решали эту задачу наипростейшим способом, — они нанимали актеров-чтецов, усаживали их позади просвечивающего экрана, и актеры, глядя на экран, говорили те слова, какие должны были произносить действующие лица в кинофильме. Зрители слышали голоса за экраном, и наиболее легковерным казалось, что картина «говорящая».

Такое «озвучивание» картины, разумеется, не решало задачи создания звукового кино.

Внимание изобретателей привлек граммофон. Его стали соединять различными способами с кинопроекционным аппаратом. Демонстрация картины сопровождалась звуками, записанными на граммофонной пластинке.

Однако и эти опыты, казавшиеся вначале многообещающими, не увенчались успехом, потому что изобретателям не удавалось добиться дружной работы киноаппарата и граммофона. Согласованность все время нарушалась.

Действующие лица на экране начинали говорить с закрытыми ртами, реплики путались; зрители, когда нужно было плакать, хохотали.

Встретились и другие препятствия. Пластинки, даже изготовленные по особому заказу — «голиафы» диаметром в полметра, были малы. На них не умещалось звучание целой части фильма. Во время демонстрации картины приходилось останавливать киноаппарат, чтобы сменить пластинку. Изобретатели поняли, что «в одну телегу впрячь не можно коня и трепетную лань»; граммофон невозможно объединить с киноаппаратом.

Звук надо записывать не отдельно от изображения, а вместе с ним — на той же киноленте. Воспроизводить звук и проектировать изображение на экран также должен один аппарат.

Эта совершенно правильная идея была вначале осуществлена механическим способом. Звуковую бороздку на киноленте прорезали острым резцом или продавливали иглой.

В проекционном аппарате игла скользила по бороздке и заставляла колебаться мембрану, передавая звучание через рупоры в зал. Зритель видел картину на экране перед собой, а звуки неслись к нему сзади. Это портило впечатление. К тому же звучание было слабым, усиливать его еще не научились.

Главный недостаток оставался неустраненным: звук записывался механически, а изображение — фотографически. Звуковая бороздка быстро снашивалась, действующие лица в картине начинали сипеть, кашлять; фильм становился не говорящим, а хрипящим.

Стало ясно, что «великий немой» (так называли кино до того, как оно стало говорящим) обретет дар речи только тогда, когда звук будет записан инструментом, несравненно более точным и более острым, чем стальной резец. Таким резцом мог стать только световой луч.

Возможность графической записи звука светом— в виде черной или светлой волнистой линии — была доказана еще в 1883 году замечательным русским физиком П. Н. Лебедевым, и подтверждена в 1889 году изобретателем А. Винцемским.

Однако создать звуковое кино даже в начале нашего века было невозможно. Тогда не было аппарата, способного «читать» светопись звука, не было «электрического глаза».

Фотоэлемент, изобретенный А. Г. Столетовым в 1888 году, оставался еще недостаточно совершенным прибором.

«Великий немой» заговорил лишь в тридцатых годах нашего столетия. С развитием электроники были созданы более чувствительные фотоэлементы и усовершенствованные усилительные радиолампы.

Над созданием звукового кино работали одновременно три советских изобретателя — П. Г. Тагер, А. Ф. Шорин и В. Д. Охотников. У всех трех изобретателей звук записывался тонким световым лучом на светочувствительной кинопленке. Разница заключалась в способах, какими заставляли световой луч «записываться».

А. Ф. Шорин включил в цепь микрофона металлическую ленточку, натянутую между полюсами магнита. На ленточку падал узкий пучок света, который затем направлялся на кинопленку. В спокойном состоянии лента затеняла ровно половину светового пучка и оставляла на пленке ровную темную полоску. Но когда перед микрофоном говорили, пели или играли на музыкальных инструментах, по ленте протекал переменный так, вызываемый звуковыми колебаниями мембраны микрофона.

Под влиянием тока лента двигалась, колебалась в магнитном поле и пропускала то более, то менее узкий пучок света на пленку. И на движущейся пленке звук записывался в виде Зубчиков разной высоты в соответствии с шириной пучка света, пропущенного лентой.

В аппаратах В. Д. Охотникова и П. Г. Тагера звуковая дорожка получалась в виде полоски одинаковой ширины, без зубцов, но зато почернение пленки на ней было различным в разных местах дорожки. В этих системах токи микрофона изменяли не ширину светового пучка, а его интенсивность.

Приборы звукового кино читают оба вида записи одним и тем же способом. Луч света пронизывает движущуюся в аппарате звуковую дорожку и падает на фотоэлемент. Дорожка ослабляет луч то больше, то меньше: или зубчики уменьшают его ширину, или же почерневшая в той или иной степени пленка — ослабляет интенсивность луча. И в том и в другом приборе фотоэлемент получает то больше, то меньше света и дает ток, колеблющийся по силе. Этот ток поступает в усилители, а оттуда в громко- говорители, поставленные рядом с экраном, и зритель слышит все звуки, сопровождающие съемку.

Аппаратом Тагера — «тагефоном» — была заснята первая советская звуковая картина «Путевка в жизнь». Потом в студиях появились более совершенные аппараты Шорина.

Ныне Советский Союз располагает самой совершенной техникой звукозаписи и звуковоспроизведения.

Говорящие часы

Звукочитающие аппараты нашли самое разнообразное применение. Благодаря им мы можем пользоваться так называемыми «говорящими» часами, которые в любую минуту сообщают по телефону точное время.

Набрав номер «говорящих часов», человек слышит в трубке спокойный, внушительный голос:

— Двадцать часов пятьдесят две минуты.

Если абонент не повесит трубку, то «говорящие часы» так же невозмутимо повторят:

— Двадцать часов пятьдесят две минуты.

Если в этот момент минута кончилась, часы скажут:

— Двадцать часов пятьдесят три минуты.

Говорящие часы находятся на телефонной станции. Там они занимают отдельное затемненное помещение, на дверях висит табличка: «Вход воспрещается».

«Говорящие часы» любят одиночество и темноту.

На обыкновенные часы они совершенно не похожи. У них нет ни циферблата, ни стрелок. Точный часовой механизм соединен с большим алюминиевым барабаном. На одном краю барабана надеты ленты, на которых записан голос человека, произносившего часы: ноль часов, один час, два часа и так далее до двадцать третьего часа. На другом краю барабана надеты ленты с записью минут.

Сбоку барабана укреплено два электрических глаза — фотоэлемента. С помощью тонкого светового луча они читают запись звука — каждый на своей ленте.

Первый читающий прибор целый час читает одно и то же: «двадцать часов», «двадцать часов»… Как только час пройдет, механизм передвинет электрический глаз к следующей ленте, и он начнет читать: «двадцать один час», «двадцать один час»…

Левый читающий прибор переходит с ленты на ленту быстрее, так как он читает только минуты.

Оба «электрических глаза» читают строго поочередно: сначала правый прочтет часы, затем левый добавит минуты.

Читают эти приборы «про себя». Воспринятые световые колебания они превращают в колебания электрического тока и посылают их в усилители. А из усилителей сигналы передаются по телефонным проводам.

Поэтому в помещении «говорящих часов» не только темно, но и тихо. «Говорящие часы» умеют говорить только по телефону.

Со временем фотоэлемент станет настоящим читающим прибором. В 1949 году на XIII Всесоюзной радиотехнической выставке два радиолюбителя демонстрировали прибор для слепых. Он позволяет слепым читать книги, напечатанные типографским способом, но только не буквами, а особой узорчатой линией.

Изобретатели работают над созданием буквочитающего аппарата, который мог бы читать газеты и книги так же, как читаем их мы. В этом нет ничего невозможного. Такие приборы будут вслух читать книги слепым или людям со слабым зрением.

На все века

После усовершенствования звукозаписи на кинопленке, изобретатели нашли новый, очень простой способ сохранения и воспроизведения звуков. Этот способ осуществлен в аппарате, который назван магнитофоном.

Из пластмассы, смешанной с порошком ферромагнитного вещества (например, магнетита), изготовляют гибкую ленту, узкую, как тесьма. Эта лента скользит между электромагнитами магнитофона, к которым подведен электрический ток от микрофона, несущий звуковые колебания. Под воздействием колеблющегося магнитного поля порошок, который содержится в ленте, намагничивается в точном соответствии со звуковыми колебаниями.

В магнитофоне соединены вместе звукозаписывающий, звукоснимающий и звукостирающий приборы. Намагниченная лента, проходя сквозь звуковоспроизводящую часть аппарата, вызывает своим магнитным полем индуктированные токи, которые в телефоне дают очень чистое, без всяких посторонних шумов, звучание. Слушая радио, невозможно отличить передачу из студии от передачи магнитофонной записи.

Если же запись оказалась неудачной или же она больше не нужна, включают звукостирающий прибор, где магнитофонная лента размагничивается. После этого ее можно употреблять снова.

В радиоцентрах, наряду с книжными библиотеками, имеются обширные фонотеки, где на полках стоял плоские картонные коробки, а в них — оперы, концерты, лекции, доклады и записи выдающихся событий.

Очень часто в тот момент, когда мы слушаем лекцию или концерт, лектор, читавший эту лекцию, или актеры, выступавшие перед микрофоном, сидят дома, пьют чай и слушают сами себя: их выступления были предварительно записаны магнитофоном.

Пройдут многие годы, века. Наши потомки смогут услышать те самые оперы и песни, какие слушаем мы, в исполнении артистов, которых давно не будет в живых.

Люди будущего увидят на экранах наши замечательные звуковые фильмы: «Ленин в Октябре», «Ленин в 1918 году», «Великий перелом», «Клятва», «Сталинградская битва», «Падение Берлина».

Перед нашими потомками пройдут героические годы нашего исторического столетия, когда народы Советского Союза мужественно отстаивали свою Родину и дело мира. Они будут слышать голоса великих деятелей нашей Сталинской эпохи.

Дальновидение

В 1922 году профессор Петроградского Технологического института Б. Л. Розинг отмечал 25-летие своих первых попыток изобрести телевизор или, как он называл его тогда, — электрический телескоп.

В этот памятный для него год 54-летний ученый решил подвести итог всей прошлой деятельности, оглянуться на пройденный путь, посмотреть, что же в конце концов сделано, и передать преемникам свой богатый опыт.

Профессор Розинг написал маленькую книжку, где на 56 страницах изложил итог многолетних трудов. Он писал, что может дать человечеству дальновидение: «Нам откроются тайны и богатства большей части поверхности нашей планеты, которая до сих пор скрыта под покрывающими ее водами. Опуская приемные аппараты подобного телескопа в глубину океанов, можно будет видеть жизнь и сокровища, которые там таятся. Можно будет проникнуть в расщелины гор и в потухшие вулканы, заглянуть внутрь твердой оболочки земли».

«Инженер будет видеть все, что делается в мастерских, в складах, на работах».

«Больной, прикованный к кровати, через посредство этого прибора войдет в связь с недоступной ему общественной жизнью. Он будет в состоянии видеть все, что делается на улицах, площадях и в театрах».

«Вы, ожидая приезда своего друга, заранее увидите его выходящим с платформы вокзала».

«Такой прибор не только будет способствовать расширению нашего кругозора, он сможет заменить человека в разных обстоятельствах, например, в тяжелой сторожевой службе… Такой глаз, конечно, не закроется от усталости или сна. Он будет сторожить на путях сообщения, около хранилищ, в больницах…»

И затем изобретатель начинает рассказывать о пройденном им тернистом пути.

Б. Л. Розингу сначала казалось, что для дальновидения можно попользовать светочувствительные фотопластинки, особым образом приготовленные. Воображение рисовало ему схему будущего фотохимического телевизора: в нем должно быть две пластины, покрытые бесчисленным множеством светочувствительных элементов. Одна из этих пластин будет служить приемником изображения, другая — экраном, показывающим это изображение. Обе пластинки должны соединяться между собой проводами.

Ученый начал опыты, стараясь найти способ приготовления светочувствительных фотопластинок, годных для дальновидения. Опыты не привели к удаче, да и сама идея прибора, как убедился Розинг, была в корне неверна. Соединение бесчисленного множества светочувствительных элементов бесчисленным множеством проводов — практически неосуществимо.

Изобретатель решил, что его «видящий» прибор должен иметь мозаичный (составленный из кусочков) светочувствительный электрод, и соединять его с прибором, показывающим изображение, следует одним проводом.

Банки с хлористым серебром, из которого Розинг пытался приготовить светочувствительные пластинки, были оставлены. Началась новая серия опытов. Изобретателю пришла счастливая мысль — приспособить к телевизору электроннолучевую трубку. Безынерционный, быстрый электронный луч, бегая по мозаичному электроду, может помочь делу.

Розинг начинает знаменитые опыты с электроннолучевой трубкой. Он водит по экрану приемного аппарата металлической палочкой, а электронный луч рисует на экране трубки вензеля.

Это удача! Электроннолучевая трубка может показывать изображение!

Успех окрыляет, но победа одержана только частичная. Прибор «видит» то, что нарисовано на экране палочкой, но не видит изображения, отброшенного световыми лучами.

Изобретатель обращается к селену. Селен — простое вещество, родственное сере и чувствительное к свету. В темноте селен плохо проводит ток, а на свету в 3–4 раза лучше.

Эта особенность селена объясняется тем, что в нем происходит то же явление, что и в фотоэлементе Столетова: свет «выбивает» электроны из оболочек атомов. Только в фотоэлементе Столетова электроны, освобожденные светом, вылетают наружу — за пределы фотокатода, а в селене они остаются внутри вещества и только содействуют прохождению электрического тока.

Поэтому явление, происходящее в фотоэлементах Столетова, называется внешним фотоэффектом, а явление, происходящее в селене — внутренним фотоэффектом. Приборы, приготовленные из материалов, подобных селену, меняющие на свету сопротивление электрическому току, получили название фотосопротивлений.

Розинг применил селеновые фотосопротивления для изготовления «видящего» электрода и остался ими недоволен. Селен не мгновенно отзывается на изменения силы света. Он уменьшает сопротивление электрическому току не сразу, тратит время на раскачку, а потом, когда свет перестает падать, селен так же постепенно, с затяжкой, увеличивает сопротивление. «Неповоротливость» селена разочаровала Розинга.

Селеновые пластинки были оставлены, как и банки с хлористым серебром. Вместо селеновых фотосопротивлений изобретатель взял столетовские пустотные фотоэлементы.

Найден правильный путь

«Опыты развиваются дальше, — описывает профессор Розинг новый этап работы, — одна оптическая система сменяется другой, катодная трубка покрывается обмотками проволок… прибор со всех сторон обставляется батареями, реостатами, выключателями, измерительными приборами; опыты как бы переносятся в подземелье — в комнату, закрытую от дневного света, где по целым часам гудят быстро вращающиеся зеркала; полосы яркого электрического света мелькают кругом, а перед глазами на темном поле флуоресцирующая точка непрерывно бежит по бесконечной зигзагообразной линии как бы со скоростью почтового поезда».

«Необходимость регулирования нескольких реостатов и батарей, отсчеты измерительных приборов, замыкание и размыкание десяти выключателей держат нервы в напряженном состоянии.

А между тем опыты дают все еще неопределенные результаты».

Наконец в записной книжке появляется запись: «9 мая 1911 г. в первый раз было видно отчетливое изображение четырех параллельных светлых линий…»

Проходит около года, и опыты показывают, что вполне определенных результатов получить нельзя с самыми лучшими фотоэлементами, пока фотоэлектрический ток не будет усилен каким-либо образом во много десятков раз. Тогда начинается погоня за различными приемами усиления этого тока.

С сентября 1912 года по декабрь того же года составляется около 30 схем фотоэлектрической цепи, имеющих одну цель — усиление тока. К марту 1913 года число их возрастает до 52. К концу октября записывается 85 схем. 23 мая 1914 года придумывается сотая схема. Под конец их число доходит до 123!..

Наша страна является родиной самой совершенной системы дальновидения или, как иногда говорят, соединяя греческий корень слова с русским, — «телевидения», основанной на применении электронного луча. Профессор Б. Л. Розинг нашел верный путь для осуществления телевизионной передачи. Он придумал светочувствительный мозаичный электрод, приспособил для целей телевидения электроннолучевую трубку, применил столетовские фотоэлементы. Телевизор был изобретен, но все еще оставался слепым. И это нельзя считать виной или ошибкой Розинга. И фотоэлементы, и усилительные радиолампы, и электроннолучевые трубки в ту пору находились в младенческом состоянии. Идеи Розинга на два десятилетия опередили развитие электроники.

Другие изобретатели, не имея возможности использовать надлежащим образом свойства электроннолучевой трубки, были вынуждены пойти по пути, намеченному польским инженером П. Нипковым. В аппаратах Нипкова, как в передающих, так и в приемных, главную роль играл вращающийся диск с несколькими десятками маленьких отверстий, просверленных по спиральной линии (рис. 103).

Рис. 103. Диск Нипкова.

В «видящем» приборе позади такого диска помещался фотоэлемент, а в «показывающем» приборе — неоновая лампочка.

Объектив давал на вращающемся диске четкое изображение рассматриваемого предмета, и отверстия диска пробегали по нему, выделяя из него узенькие полоски. Фотоэлемент воспринимал разное количество света в зависимости от того, по каким участкам изображения пробегало очередное отверстие диска и соответственно изменял силу тока. Этот фототок, во много раз усиленный электронными лампами, поступал на приемную станцию и питал неоновую лампочку, которая изменяла свою яркость в зависимости от силы сигналов, полученных ею от фотоэлемента.

Приемный диск быстро и синхронно вращали, так что его отверстия проходили перед лампочкой точно такие же пути, как отверстия передающего диска по изображению предмета, даваемому объективом. Отверстия в диске одно за другим пробегали мимо неоновой лампочки, и глаз видел мигающее, мелькающее изображение.

Телевизоры Нипкова были не электронными, а механическими аппаратами со всеми недостатками, присущими таким устройствам. Советские инженеры И. А. Адамиан, С. И. Какурин, М. А. Бонч-Бруевич, М. В. Шулейкин создали несколько различных конструкций телевизоров с диском Нипкова. Их аппараты отличались сравнительной простотой устройства и дешевизной.

В 1928—30 годах в Советском Союзе началась большая и планомерная работа по созданию телевизионных приемников и передатчиков.

Во Всесоюзном электротехническом и в Ленинградском электрофизическом институтах, наряду с разработкой механических систем телевизоров, деятельно совершенствовался электронный телевизор Розинга. Были изучены свойства серебряно-цезиевых фотоэлементов, разработаны усилительные устройства, изобретен фотоумножитель. Все это закладывало фундамент будущих высококачественных телевизионных станций и приемников.

Механические телевизоры просты. Их без особого труда строили даже пионеры в детских технических станциях. Конструкторы механических телевизоров быстрей добились успеха, и их аппараты первыми вышли в эфир, опередив электронные телевизоры на несколько лет.

Первая советская телевизионная передача состоялась 2 мая 1931 года. О ней было объявлено так: «2 мая, впервые в СССР, будет произведена опытная передача телевидения по радио с коротковолнового передатчика РИЗИ-1 Всесоюзного электротехнического института (Москва) на волне 36,6 м. Будут передаваться изображения живого лица и фотографии. Любители телевидения смогут увидеть тех, кто работал в ВЭИ над осуществлением этой передачи, увидят фотографии вождей революции и, наконец, увидят рабочих-экскурсантов, которые полуторатысячной массой вольются в этот день в стены института для осмотра его лабораторий…»

1 октября 1931 года через московские широковещательные станции начались регулярные передачи телевизионных программ. Успех телевизионных передач был необычайный.

Телевидение, как и радио, в нашей стране с первого дня служит общественно-полезным целям. За рубежом — иначе. Первая телевизионная передача в США была, например, устроена с места… казни негра. По радио также передавались вопли и стоны казнимого.

Иконоскоп — электронный глаз

Б. Л. Розингу — основоположнику электронного дальновидения еще при жизни удалось видеть осуществление его идеи. Два советских изобретателя— инженеры Константинов из Ленинградского электрофизического института (в 1930 году) и Катаев из Всесоюзного электротехнического института (в 1931 году) изобрели «зрячую» электроннолучевую трубку, получившую название — иконоскоп, что означает «изображение смотрящий».

Глаз может служить моделью фотоаппарата. У глаз — веки, у фотоаппарата — затвор. Диафрагма — радужная оболочка. Линзе объектива условно соответствует хрусталик, а светочувствительной пленке — сетчатка (рис. 104).

Рис. 104. Глаз послужил моделью и для фотоаппарата и для видящих приборов телевидения.

В фотоаппарате светочувствительная пленка состоит из множества отдельных мельчайших частичек бромистого серебра. Под действием света бромистое серебро разлагается, и изображение запечатлевается на пластинке.

И глаз и фотоаппарат послужили образцами для создания основного прибора современного телевидения «иконоскопа». Иконоскоп тоже имеет «веки» — затвор, «зрачок» — диафрагму и набор линз, составляющих объектив прибора. Напротив объектива на задней стенке иконоскопа расположена «сетчатка» — светочувствительный электрод, называемый фотокатодом. Он имеет зернистую, мозаичную поверхность, то есть состоит из множества отдельных чувствительных к свету элементиков.

Фотокатод изготовляют из тонкой слюдяной пластинки, на которую наносят несколько миллионов мельчайших капелек серебра. Капельки серебра прилипают к слюде, покрывая ее крошечными точками. Серебряные крупинки, обработанные цезием, становятся маленькими, но совершенно самостоятельными фотоэлементиками.

Каждый такой фотоэлементик держится особняком: серебряно-цезиевые точки сидят на слюде изолированно, как островки.

Тыльную сторону слюдяной пластинки покрывают сплошным слоем какого-либо металла — алюминия, серебра, меди, и этот сплошной металлический слой через сопротивление соединяют с землей. Таким образом, каждый серебряно-цезиевый фотоэлементик одновременно является и конденсатором. Одной обкладкой этого микроскопического конденсатора служит серебряно-цезиевая крупинка, другой — слой металла, а диэлектриком — слюда.

К металлической обкладке припаян проводник, передающий сигналы изображения с фотокатода к другим приборам телевизионной станции — к усилителям и передатчику.

Объектив отбрасывает изображение передаваемого предмета на фотокатод. Каждый фотоэлементик получает определенную порцию света. Фотоэлементы, оказавшиеся в темных, теневых местах изображения, получают света меньше, оказавшиеся в светлых местах — больше.

Свет выбивает электроны из атомов серебряно-цезиевых крупинок. В местах, где света падает больше, электронов будет выбито много; в затемненных местах, где освещенность слабее, — поменьше, а в совсем черных, густых тенях, куда свет не падает, электроны вовсе не будут выбиты.

В результате воздействия светового потока, принесшего изображение, каждый из нескольких миллионов самостоятельных фотоэлементов, составляющих фотокатод, потеряет определенное количество электронов. Иначе говоря, каждая серебряно-цезиевая крупинка приобретет какой-то положительный заряд. Величина этого положительного заряда на каждом отдельном фотоэлементе будет в точности соответствовать количеству упавшего на него света.

На фотокатоде получится невидимое изображение, нарисованное мельчайшими положительными электрическими зарядами, причем темным местам соответствуют маленькие заряды, а светлым — более крупные.

Но каждый фотоэлемент одновременно и конденсатор. Когда на одной обкладке конденсатора возникают электрические заряды, то на другой обкладке накапливаются заряды точно такие же по величине, но противоположные по знаку.

Фотоэлементы, потеряв электроны, приобрели положительные заряды. Следовательно, за слюдяной перегородкой в слое металла возникнут равновеликие отрицательные заряды.

Теперь на сцену выступает главное действующе лицо иконоскопа — электронный луч.

Луч «читает» изображение

Электронная пушка посылает на фотокатод тонкий электронный луч, а управляющие пластины (или заменяющие их катушки) передвигают его по фотокатоду точно так же, как наш взгляд пробегает по строчкам, когда мы читаем страницу книги.

Мы начинаем читать ее с верхней строчки, с левого края. Буква за буквой, слово за словом — взгляд доходит до конца строки и тотчас перескакивает на вторую строчку. Прочитав вторую строку до конца, он переходит на третью, с третьей на четвертую и так, строка за строкой, прочитывается вся страница.

При этом скорость чтения обычного текста составляет примерно 750 знаков в минуту (при чтении вслух) и 1500–2000 знаков при чтении про себя.

Электронный луч пробегает сначала вдоль верхней кромки фотокатода — по верхнему ряду фотоэлементов, затем луч перескакивает чуть ниже и пробегает слева направо вторую строчку. За второй строчкой он «прочитывает» третью, за третьей — четвертую и, таким образом, пробегает по всем строчкам фотокатода, «осматривая» все изображение, точку за точкой.

Иконоскопы, в которых луч прочеркивает на фотокатоде 625 строк за одну двадцать пятую долю секунды, дают очень высокое качество изображения и применяются только в СССР. В США лучшие телевизионные центры пользуются 525-строчной разверткой. Английские телевизионные станции применяют иконоскопы с разверткой на 405 строк.

Электронный луч — не что иное, как поток электронов. Следовательно, в тот момент, когда электронный луч падает на какой-либо фотоэлемент, убыль электронов, выбитых светом из этого фотоэлемента, мгновенно пополняется. Положительные заряды под действием электронного луча нейтрализуются. Электронный луч не «читает» изображение, он стирает, уничтожает его, как тряпка стирает мел с классной доски (рис. 105).

Рис. 105. Электронный луч, нейтрализуя положительный заряд фотоэлемента в мозаичном электроде, тем самым освобождает в металлической пластинке равновеликий отрицательный заряд, который стекает на сетку усилительной лампы.

В тот миг, когда электронный луч касается самого первого фотоэлемента в верхнем ряду и нейтрализует его положительный заряд, тотчас стайка электронов в металлической пластинке, которая была связана этим положительным зарядом, получает свободу. Она бросается к выходу из металлической пластинки. В проводнике возникает мгновенный ток — импульс, толчок. А сила этого импульса соответствует величине положительного заряда, нейтрализованного электронным лучом, и вместе с тем яркости изображений в самой левой верхней точке фотокатода.

Пробегая по всем фотоэлементам фотокатода и «стирая» один за другим положительные заряды на этих фотоэлементах, электронный луч освобождает соответствующие им по величине стайки электронов в металлической пластинке.

Эти стайки по очереди устремляются в проводник, создавая в нем цепочку мгновенных импульсов электрического тока. Стайки с большим числом электронов дают сильные импульсы. Если в стайке мало электронов — импульс слаб.

И что же получается? Электронный луч «стирает» с мозаичной поверхности фотокатода изображение, «нарисованное» положительными зарядами, и тем самым создает в проводнике цепочку сигналов — отрывистых импульсов электрического тока различной силы. Эти импульсы отводятся к усилителю, который обращает их в более мощные электрические сигналы. Изображение разлагается на ряд импульсов, следующих друг за другом, и «бежит» по проводам, как телеграфные знаки азбуки Морзе, Электронный луч в иконоскопе разрезает изображение на 625 строк-ленточек, превращает его в своеобразную телеграмму. Ее можно послать и по проводам и без проводов — по радио (рис. 106).

Рис. 106. Схема иконоскопа.

Электронный луч пробегает по всем точкам поверхности фотокатода за 1/25 долю секунды. Он делает ежесекундно по 25 кадров-снимков, почти не отличаясь в этом отношении от киносъемочного аппарата, который фотографирует на пленку 24 кадра в секунду. Такая частота обеспечивает передачу движущихся изображений, не уступающих по качеству кинофильму.

Так как электронный луч в советских телевизорах прочеркивает на фотокатоде 625 строк, а каждая строка содержит примерно по 832 элементика развертки, то, очевидно, общее число элементов в кадре составит 625 х 832 = 520 000, а полное число элементов в 25 кадрах, передаваемых за секунду, составляет 25 х 625 х 832 = 13 000 000 в секунду!

Уже из этого видно, какое огромное преимущество имеет электронная система телевидения перед механической, передававшей обычно только 100 х 100 х 10 = 100 000 элементов в секунду.

Объектив иконоскопа во время работы ни на один миг не закрывается. Он «смотрит, не мигая». Свет падает на фотокатод не отрывистыми порциями, как через дырочки в диске Нипкова, а сплошным потоком. Фотоэлементы находятся под непрерывным воздействием световых лучей и непрерывно накапливают заряды.

Электронный луч посещает каждый фотоэлемент через 1/25 долю секунды, а «гостит» у него всего лишь 1/13000000 долю секунды. За столь короткий промежуток времени он забирает у фотоэлемента весь накопленный им заряд.

Фотоэлемент в иконоскопе для накапливания зарядов имеет больше времени, чем для их высвобождения. И ясно, что видеосигналы, то есть сигналы, несущие изображения, в иконоскопе получаются много сильнее, чем в механических телевизорах, где фотоэлементы совсем не имеют времени для накапливания зарядов.

Несмотря на такое преимущество иконоскоп все же немного «подслеповат» и при обычном дневном освещении «видит» плохо. В студиях телевизионных станций поэтому приходится применять мощные «юпитеры» и «кинопрожекторы», заливающие сцену потоками яркого света.

В 1933 году два советских ученых, П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев, изобрели новый, значительно более совершенный тип «видящего» прибора, названный ими «суперэмиттрон».

Дальнейшие усовершенствования еще более повысили чувствительность передающей трубки. Если раньше передачу можно было вести только из специальных студий, где артисты страдали от жары, создаваемой множеством прожекторов, то сейчас можно передавать театральные постановки, футбольные матчи, различные моменты производственной работы из заводских цехов. Везде, где светло для человека, достаточно светло и для телевизионного передатчика.

Трудами советских ученых и изобретателей создан подлинный электронный глаз!

Приемник изображения

Сигналы, посланные телевизионным центром, улавливаются антеннами телевизионных приемников. Главной частью такого приемника является кинескоп, то есть электроннолучевая трубка, показывающая движущееся изображение. (Слово кинескоп означает «движение показывающий».)

Кинескоп почти ничем не отличается от электроннолучевых трубок, применяемых в осциллоскопах. В узком горлышке кинескопа помещаются электронная пушка, по сторонам ее управляющие катушки (как у иконоскопа), а широкое дно, покрытое люминофором, служит экраном.

«Пушка» посылает на экран электронный луч диаметром всего лишь в одну десятую миллиметра.

Управляющие катушки заставляют электронный луч бегать по экрану, в точности повторяя движения электронного луча в иконоскопе.

Он начинает свой путь с левого верхнего угла экрана и пробегает все 625 строк за 1/25 долю секунды.

Видеосигналы, то есть сигналы, несущие изображение, попадают на управляющий электрод пушки и изменяют его потенциал, а это в свою очередь сказывается на числе электронов в луче. Сильные импульсы, соответствующие светлым местам изображения, увеличивают число электронов в луче, и светлая точка на экране вспыхивает ярче.

Слабые импульсы, соответствующие темным местам изображения, уменьшают число электронов в луче, и светлая точка на экране тускнеет. Совсем слабые сигналы гасят луч, и на экране получаются черные тени.

Электронный луч рисует изображение, в точности подобное изображению на фотокатоде иконоскопа или суперэмиттрона.

Обычный радиоприемник, смонтированный в одном ящике с телевизором, передает звучание. Зритель, пользующийся телевизионным приемником, видит и слышит все, что происходит перед объективом передающего аппарата.

Телевидение в будущем

Основной недостаток современного телевидения — это малый радиус действия телевизионных передатчиков.

Чтобы получать высококачественные изображения, передачу телевизионной программы приходится вести на волнах длиной в 6 метров, а столь короткие волны почти не огибают выпуклость земного шара и почти не отражаются от ионосферы, они распространяются по прямой линии, как свет.

Эта особенность шестиметровых волн ограничивает радиус действия телевизионных центров примерно шестьюдесятью километрами. Вести передачу на большее расстояние не удается — мешает выпуклость земного шара.

Ученые упорно работают, чтобы сделать телевидение настоящим дальновидением. И несомненно, через несколько лет или через несколько десятков лет телевизоры позволят москвичам любоваться извержением Ключевской сопки на Камчатке, а жителям Камчатки видеть демонстрации на Красной площади или салюты на Москве-реке. Радиозрители смогут путешествовать вместе с отважными стратонавтами в заоблачных высотах или спускаться в «батистатах» в неисследованные глубины океана.

Советские ученые работают также над созданием телевизоров с большим экраном. Когда эта задача будет осуществлена, у нас, наряду с кинотеатрами, появятся телевизионные театры, в которых зрители смогут смотреть не кинофильмы, а театральные постановки, футбольные матчи, физкультурные парады, шахматные турниры и другие события, происходящие в данный момент. Студенты-медики будут следить за каждым движением руки опытного хирурга и воспринимать тонкие приемы современной хирургической техники (рис. 107).

Рис. 107. Телевизор, установленный в операционной, позволяет студентам-медикам видеть каждое движение хирурга.

Нет ничего несбыточного и в так называемой конференц-связи, которая позволит проводить съезды или конференции, не созывая ее участников в одно помещение. Участники совещания смогут находиться у себя дома, возле своих телевизоров, снабженных приборами конференц-связи. Каждый будет видеть и слышать всех выступающих, независимо от того, где он находится, и каждый может выступить, зная, что его увидят и услышат везде, где работают приборы конференц-связи.

Задумано осуществление видеотелефона — прибора, в котором сочетаются телевизор и телефон. Разговаривающий по телефону получит возможность не только слышать своего собеседника, но и видеть его. Видеотелефон позволит мастеру цеха обращаться в конструкторское бюро за разъяснениями и получать указания, поясняемые эскизами или чертежами.

Видеотелефон облегчит пользование сокровищами библиотек, музеев и архивов. По телефону можно будет посмотреть страницу любой книги, рисунок, документ, чертеж, не вынося его из хранилища.

Телевидение необычайно расширит деятельность высших учебных заведений, так как число студентов уже не будет ограничено вместимостью аудиторий.

Новое могучее средство связи вместе со скоростным транспортом содействует уничтожению разницы между городом и деревней. Люди, живущие в городе и вдали от города, смогут в равной мере пользоваться всеми благами культуры.

Телевизионная техника — частица быта коммунистического общества.

Ночезрительная труба

Размышляя об особенностях зрительных труб и о нуждах мореплавания, Ломоносов пришел к выводу, что морскую подзорную трубу можно сделать «ночезрительной», то есть способной не только приближать изображение удаленных предметов, но и показывать их явственнее в сумеречное время.

Современники Ломоносова отнеслись к его открытию с недоверием. Несмотря на все доказательства, они не смогли понять разницы между обычной подзорной трубой и ночезрительной.

Только уже в наше время академик С. И. Вавилов доказал правоту Ломоносова, и под его руководством были построены ночезрительные бинокли и трубы.

Однако преимущества ночезрительной трубы перед обыкновенной невелики. Ночезрительная труба способна улучшать видимость в 3–4 раза и то только в сумеречное время, ночью же и она бессильна.

Такая труба не может считаться настоящим «ночеглядом», потому что ее устройство основано на применении световых лучей. Где света нет — труба «слепа». Но ведь кроме лучей видимого света в природе существуют родственные световым «черные» лучи — инфракрасные и ультрафиолетовые. Нельзя ли ими воспользоваться для создания настоящего «ночегляда»?

Ультрафиолетовые лучи не способны преодолевать в воздухе большие расстояния. Они быстро гаснут, то есть рассеиваются и поглощаются частицами воздуха. Их применять в ночезрительной оптике нет смысла.

Инфракрасные лучи, наоборот, вполне пригодны. По своим оптическим свойствам они мало отличаются от световых. Инфракрасные лучи преломляются и отражаются так же, как и световые, но лучше их проходят сквозь туман.

Источником инфракрасных лучей служат любые раскаленные или даже нагретые предметы. Не только свеча, костер, лампочка или солнце испускают этот вид лучей, но и кипящий самовар, вытопленная печь, горячий утюг — также являются инфракрасными «фонарями».

Лучами-невидимками воспользовались сначала фотографы. Они изобрели особые химические составы, которые делают фотографические пластинки чувствительными к инфракрасному излучению.

Снимки, сделанные на таких пластинках, показали, как выглядит мир, озаренный инфракрасными лучами. Черный уголь, вытащенный из печки, получался белым, как снег, а снег — черным, как уголь. Стог сухого сена выглядел темным, а стог гниющего, прелого сена — светлым.

Печи, самовары, утюги — все горячее светилось, было видно, как сияние горячего утюга озаряет окружающие его предметы.

Пейзаж, сфотографированный в жаркий июльский полдень при ярком солнечном свете, производит впечатление снимка, сделанного при лунном освещении в январе: черное небо и белый снег (рис. 108 а и б). Листва деревьев и трава очень хорошо отражают инфракрасные лучи, и поэтому зелень кажется как бы усыпанной снегом.

Рис. 108а. Снимок, сделанный на обычных пластинках.

Рис. 108б. Тот же пейзаж, но сфотографированный в инфракрасных лучах.

Воздух же прозрачен для этих лучей, и небо выглядит темным.

Самая важная особенность снимков, сделанных в инфракрасных лучах, заключается в том, что на них хорошо видны очень удаленные предметы — горы, высокие башни, заводские трубы. С помощью инфракрасной фотографии удавалось получать «портреты» гор, расположенных в 200 километрах от фотоаппарата.

Математический расчет показывает, что гора высотой в 5000 метров видна на расстоянии 268 километров. Однако видеть горы на таком удалении случается только при очень большой прозрачности воздуха, а это бывает крайне редко.

Для инфракрасных лучей даже облака, клубы дыма или пыли до некоторой степени прозрачны. Легкая дымка, заволакивающая даль, и подавно не служит для них препятствием.

Поэтому все, скрытое от глаз этой дымкой, прекрасно получается на снимках, сделанных в инфракрасных лучах.

Замечательные свойства инфракрасных лучей не замедлили привлечь внимание изобретателей, работавших в области электронных приборов. Эти лучи давали возможность построить приборы, позволяющие видеть в полной темноте.

Задача изобретателей облегчалась тем, что современные кислородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны именно к инфракрасным лучам. Они даже более восприимчивы к ним, чем к обычным видимым лучам.

Каждый объектив ночезрительного бинокля отбрасывает изображение рассматриваемых предметов на отдельный полупрозрачный кислородно-цезиевый фотокатод.

Фотокатоды делают полупрозрачными, то есть светочувствительный состав наносят прямо на стекло баллона с его внутренней стороны. Свет падает на кислородно-цезиевый слой сквозь стекло. Инфракрасные лучи выбивают из фотокатодов электроны. В темных местах изображений, где лучи слабы, из фотокатодов вылетает электронов меньше, а в светлых — больше. Но электроны, выбитые светом, вылетают не на освещенную сторону фотокатода, а на противоположную, теневую сторону, они летят внутрь баллона, в том же направлении, в каком идут световые лучи.

Получается нечто вроде эстафеты — инфракрасные лучи приносят изображение на фотокатод, а дальше его подхватывают электронные лучи.

За фотокатодами помещаются электронные линзы — электронные объективы, дающие электронные изображения фотокатодов на люминесцирующих экранах. На них тогда появляются видимые глазом изображения предметов, которые можно рассматривать в окуляры обоими глазами, как в театральном бинокле (рис. 109) с увеличением в 2–3 раза.

Рис. 109. Схема одной из трубок бинокля для видения в инфракрасных лучах.

Такой прибор получил название электроннооптического преобразователя — он преобразует невидимое изображение в инфракрасных лучах в видимое.

В таинственную область Галактики

Это замечательное достижение творческого гения человека с большим успехом было применено астрономами для исследования недоступных телескопу областей окружающей нас части Вселенной.

«Ночегляды», построенные тремя советскими учеными, астрономами А. А. Калиняком, В. Б. Никоновым и электрофизиком В. И. Красовским, позволили узнать, что находится позади темных туманностей, которые виднеются на небе в созвездии Стрельца.

Все окружающие нас звезды, как яркие и крупные, так и мельчайшие звездочки Млечного пути, образуют огромное скопление, которое называют Галактикой. В Галактике насчитывается свыше ста миллиардов звезд, и одна из них — наше Солнце.

Размеры звездного облака таковы, что даже быстролетный свет тратит на путешествие от края и до края этого облака почти сто тысяч лет.

Все звезды, входящие в состав Галактики, и наше Солнце в их числе, обращаются вокруг ее центра.

Уже много лет ученых интересует, — что находится в центре Галактики? Вокруг чего обращаются звезды? Узнать это до сих пор не удавалось, так как центральная область Галактики закрыта от наших взоров огромными непрозрачными тучами темной космической пыли. Эти тучи чернеют на фоне Млечного пути, как «угольные мешки», и мешают рассмотреть, что находится за ними.

Рис. 110. Одна из соседних галактик, на которую, как предполагают ученые, похожа наша Галактика.

Летом 1948 года астрономический электронный «ночегляд» был готов. Астрономы повезли свой прибор в Симеизскую обсерваторию в Крыму, чтобы с его помощью проникнуть в таинственную область Галактики. Если за пылевыми облаками находятся звезды, то может быть их инфракрасное излучение прорывается сквозь толщу космической пыли, и тогда «ночегляд» ею заметит!

В течение нескольких ночей астрономы исследовали небо в созвездии Стрельца и убедились, что позади темных облаков действительно расположено большое скопление ярких звезд. Если бы можно было убрать мешающие тучи пыли, мы видели бы в созвездии Стрельца яркое светящееся пятно овальной формы.

Дальнейшее усовершенствование электронных приборов для видения в инфракрасных лучах обещает дать еще больше сведений об этой, пока еще неизученной, области нашей Галактики, но даже то, что уже сделано, является замечательной победой новой отрасли астрономии, получившей название «астрономии невидимого».

Рис. 111. Один и тот же участок неба, сфотографированный в обычных лучах (наверху) и на пластинках, чувствительных к красным лучам (внизу).

Электронные и фотографические «ночегляды» помогли установить, что кроме сверкающих звезд, какие мы видим на небе, в мировом пространстве есть много несветящихся небесных тел — «темных звезд». Наша Галактика, по- видимому, населена небесными телами гораздо гуще, чем мы думали прежде. Электронные приборы уже начали во многом помогать старым оптическим системам — телескопам, а в некоторых случаях даже заменять их.

Дальнейшие успехи электронных ночезрительных телескопов — дело недалекого будущего. Первый опыт постройки такого телескопа был сделан в Советском Союзе в марте 1936 года.

Фотоэлементы с запирающим слоем

Электроника изучает и применяет фотоэлементы трех типов. О двух из них уже шла речь — это столетовские фотоэлементы, в которых используется внешний фотоэффект (электроны, выбитые светом, вылетают наружу — за пределы вещества фотокатода), и фотосопротивления, в которых используется внутренний фотоэффект (электроны, выбитые светом, остаются внутри вещества и уменьшают его сопротивление электрическому току).

Разработан еще третий вид светочувствительных приборов, называемых вентильными фотоэлементами или фотоэлементами с запирающим слоем. В них, как и в фотосопротивлениях, электроны, выбитые светом из оболочек атомов, не вылетают наружу, а остаются внутри вещества. Этим они похожи на фотосопротивления, но отличаются от них одной важной особенностью.

Фотосопротивления, как и столетовские фотоэлементы, работают только тогда, когда к ним присоединен источник тока (батарея). Свет, выбивая из вещества фотокатода электроны, тем самым облегчает прохождение тока через вакуум в столетовских фотоэлементах или через вещество в фотосопротивлениях.

Элементы с запирающим слоем не нуждаются в дополнительных источниках тока. Они сами служат источником тока. На них падает свет, и они дают ток. Эти фотоэлементы — генераторы тока, непосредственно преобразующие световую энергию в электрическую.

Для изготовления фотоэлементов с запирающим слоем первоначально применяли закись меди. Толстую пластинку красной меди прокаливали в электрической печи так, чтобы она покрылась массивным слоем закиси меди. Затем с одной стороны пластинки закись полностью счищали, а с другой — поверх слоя закиси наносили тончайшую прозрачную пленку какого-либо металла — той же красной меди или золота.

К изготовленному таким способом фотоэлементу присоединяли проводники — один к нижнему слою металла, а другой к верхнему, прозрачному слою.

Как только на поверхность прозрачного слоя падает свет, в фотоэлементе возникает электрический ток. Электроны, выбитые светом из молекул закиси меди, проскакивают в верхний прозрачный слой металла, а оттуда устремляются в проводник. Совершив путешествие по проводам, электроны возвращаются обратно в слой закиси меди, проникая в нее с теневой стороны и замыкая цепь. И вот в этом-то и скрыта странная особенность вентильных фотоэлементов.

Что заставляет электроны проделывать длинный кружной путь по проводам? Что мешает им вернуться в слой закиси тем самым путем, каким они вышли из нее, то есть просто перескочить из прозрачного слоя металла обратно в закись? Этот путь, казалась бы, наиболее короткий, но электроны почему-то путешествуют по проводам и возвращаются в слой закиси, так сказать, с «черного хода». Причина этого явления пока еще в точности не установлена.

По-видимому между тонким прозрачным слоем металла и закисью меди существует особый пограничный слой, обладающий свойствами клапана: выход свободен, а вход — воспрещен. Пограничный слой беспрепятственно выпускает электроны из закиси меди, но запирает для них обратный путь. Отсюда и возникло название фотоэлементов такого типа — фотоэлементы с запирающим слоем.

Чувствительность меднозакисных фотоэлементов оказалась небольшой. Изобретены иные, более выгодные конструкции фотоэлементов с запирающим слоем.

Например, на железную пластинку наносят слой селена и покрывают его тончайшим прозрачным слоем золота. Запирающий слой образуется между селеном и золотом. Чувствительность селеновых фотоэлементов вчетверо превышает чувствительность меднозакисных (рис. 112).

Рис. 112. Внешний вид селенового фотоэлемента с запирающим слоем.

Однако и они преобразуют в электрическую энергию только сотые доли процента энергии световых лучей.

Один из исследователей фотоэлементов этого типа, Б. Т. Коломиец, в течение нескольких лет «путешествовал» по клеткам таблицы Менделеева. Он искал вещества, подобные селену, и, перебирая один за другим химические элементы и их соединения, испытывал их пригодность для изготовления более совершенных фотоэлементов.

В клеточке № 81, между ртутью и серым тяжелым свинцом, Коломиец нашел то, что искал. Серебристо-белый, мягкий и легкоплавкий таллий в соединении с серой и кислородом приобретает нужные свойства.

Коломиец проделал очень много интересных исследований таллия, значительно продвинувших вперед наши знания о фотоэлементах. Серно-таллиевый фотоэлемент оказался во много раз чувствительнее селенового.

Разработанный в Киеве, в Украинской Академии наук, серно-серебряный фотоэлемент с запирающим слоем, также оказался весьма совершенным. Он обладает чувствительностью почти в сто раз большей, чем меднозакисный, и очень чувствителен к инфракрасным лучам. Коэффициент полезного действия этого элемента равен почти двум процентам.

Вентильные фотоэлементы широко применяются в приборах для измерения силы света, — в электрических фотометрах, — приборах, позволяющих по отклонению стрелки гальванометра, измеряющего фототок, судить об освещенности. Фотометрами этого рода постоянно пользуются фотографы, кинооператоры, светотехники и астрономы. Лучшие в мире, наиболее чувствительные и точные, астрономические фотометры построены советским ученым В. Б. Никоновым.

Важно, чтобы фотоэлементы отзывались на действие предельно слабого света. С этой целью и стремятся повысить их чувствительность. Для фотоэлемента с запирающим слоем повышение чувствительности в известной степени связано с повышением коэффициента полезного действия. А так как некоторые фотоэлементы уже могут значительную часть световой энергии преобразовывать в электрическую, возникает мысль — нельзя ли их использовать в качестве генераторов электрической энергии?

Солнце посылает несколько сот киловатт энергии на каждый квадратный километр земной поверхности. Несколько квадратных километров земной поверхности, сплошь устланные светоэлементами с достаточно высоким коэффициентом полезного действия, дали бы электрическую мощность, сравнимую с мощностью крупнейших электростанций. Без затраты топлива, без особо сложных сооружений, светоэлектростанции черпали бы энергию непосредственно от Солнца.

Пока на пути к такому использованию фотоэлементов стоят еще большие трудности. Даже сама идея кажется фантастичной. Но советская наука идет вперед гигантскими шагами. И то, что сейчас кажется лишь темой для фотографического рассказа, через несколько лет может стать реальностью.

Глава двенадцатая. В заводских цехах

Победы творческого труда

Еще недавно пределом скорости работы бумагоделательной машины было 300 метров в минуту. Ныне бумага изготовляется со скоростью 450 метров; за сутки машина дает бумажную ленту длиной в 648 километров!

Скорость прокатки стали на непрерывно действующих станах, блюмингах достигла 1600 метров в минуту. Это означает, что раскаленная болванка движется в прокатном стане со скоростью курьерского поезда.

Скорости новейших станков таковы, что человек при всем желании не в состоянии вручную регулировать и контролировать их работу. Наши органы чувств для этого недостаточно восприимчивы, а движения слишком медлительны. С такой задачей могут справиться только проворные автоматические регуляторы.

Человеку незачем вручную управлять машинами. Он может спокойно перепоручить это дело автоматически действующим реле, фотоэлементам, электронным и ионным приборам. Себе же человек оставляет почетную роль творца новых «умных» машин- автоматов, роль управляющего приборами управления, контролера механических контролеров и автоматических регуляторов. Тяжесть труда в нашей стране перекладывается на плечи машины. Труд становится с каждым годом интереснее, легче и намного производительнее.

Замечательные успехи советской науки и техники облегчили труд, повысили его производительность, это в свою очередь изменило характер управления производством и его организацию.

Не так уж давно на автозаводе блок автомобильного двигателя обрабатывался на 56 станках, занимавших 500 квадратных метров производственной площади. Работали на этом участке в три смены 180 станочников и мастеров.

Теперь корпус двигателя обрабатывается на автоматической поточной линии из 16 станков. Они занимают всего лишь 200 квадратных метров. На всех 16 станках одновременно действует 504 режущих инструмента и 20 электродвигателей общей мощностью 35 киловатт.

Каждые две минуты с конвейера сходит готовый блок.

Обслуживают эту поточную линию только 3 человека при помощи нескольких десятков электрических и электронных приборов: реле, тиратронов, усилителей, электронных переключателей и сигнальных аппаратов.

В Советским Союзе недавно построен завод- автомат, вырабатывающий тысячи автомобильных поршней за смену. Сложное оборудование завода обслуживают 7 человек!

Создание станков-автоматов и автоматизированных заводов с быстродействующими приборами управления, регулирования и контроля стало возможным лишь благодаря электронике.

Автоматический контроль и управление изменяют и характер производства и самый облик заводских цехов. Мастер может закрыть цех на замок и уйти от станков на такое расстояние, на какое протянуты линии связи, соединяющие приборы управления со станками и машинами. Он может занять пост в центральном командном пункте, как главнокомандующий, и оттуда управлять не одним каким-либо станком, а целой группой станков или механизмов, цехом или даже заводом.

Буржуазные романисты воспользовались этой особенностью технического прогресса как темой для фантастических повестей. Машины, сделавшись «бесконтрольными», якобы могут взбунтоваться и покорить человека. Разумеется, подобная фантастика— сплошной вздор. Романы подобного рода пишутся не для того, чтобы показать успехи автоматики, а для того, чтобы замаскировать капиталистическое рабство, сделать виновным в порабощении человека не капитализм, а технику, как таковую. В капиталистических условиях техника действительно порабощает человека. Там рабочий прикован к конвейеру, он — раб завода.

В условиях социализма техника покорна человеку и освобождает его от тяжелой работы.

Автоматический контроль и автоматическое управление — характерная черта техники великой Сталинской эпохи — эпохи, когда создается материально-техническая база коммунистического общества.

Машины остаются одни

Телеуправление в первую очередь применяется на энергетических предприятиях и в установках, расположенных друг от друга на большом расстоянии. Примером может служить канал имени Москвы.

Это замечательное сооружение является детищем второй Сталинской пятилетки.

Канал обеспечивает столицу нашей Родины чистой питьевой водой, связывает Москву со многими районами страны, а также с Белым, Балтийским и Каспийским морями.

Канал — сложный гидротехнический комплекс. Он состоит примерно из 200 отдельных сооружений, связанных единой цепью, но размещенных на всем протяжении его 128-километровой трассы.

Гидроэлектрические станции канала питают энергией все механизмы, обслуживающие канал, а излишки энергии подают в общее энергетическое кольцо Москвы.

Пять насосных станций перекачивают в канал воду, которая затем наполняет Москву-реку. На этих станциях работает двадцать пропеллерных насосов. Насосы канала являются самыми мощными в мире. Каждый из них перекачивает в минуту по 145 тысяч ведер воды, доставляя ее на высоту 8 метров.

Пароход, идущий из Московского моря в Москву, подымается по пяти водным ступеням-шлюзам на высоту 40 метров и затем опускается к городу по трем таким же ступеням-шлюзам.

Машинные залы всех основных сооружений канала — шлюзов, насосных и гидроэлектрических станций — заперты на замок. Людей там нет. Механики и электрики приходят туда в определенные дни для осмотра и ремонта машин. Машины работают в полном одиночестве.

Контролеры-автоматы следят за состоянием обмоток электрических машин, за температурой подшипников, уровнем масла, числом оборотов валов.

Автоматы управления, повинуясь вахтенному начальнику, самостоятельно включают и выключают механизмы в той последовательности, в которой эти механизмы должны действовать.

Тяжелые щиты опускаются, запирая камеру шлюза. Как только щиты дойдут до дна и наглухо закроют камеру, автоматы включат электродвигатели, и насосы начинают накачивать воду в шлюз. Когда вода заполнит камеру, поплавковый автомат выключает насосы и приводит в действие затворы— выходные «ворота» шлюза. Тяжелые затворы легко опускаются в подводную нишу, открывая дорогу судну. Во время всех этих операций рука человека даже не прикасается к каким-либо рычагам или рубильникам: все делается автоматически.

Провода от контрольных автоматов и приборов, управляющих всеми механизмами шлюза, проведены в помещение вахтенного начальника. Для пропуска судна вахтенный начальник поворачивает только одну рукоятку, — сначала он ставит ее в «положение подготовки», затем, когда приборы доложат об исправности и готовности всех механизмов, переводит рукоятку в «положение судопропуска», — на шлюзных светофорах вспыхивают разрешающие огни.

Центральный пункт управления насосами и гидроэлектрическими станциями расположен от подчиненных ему механизмов еще дальше, чем пульт вахтенного начальника шлюза.

Он находится в 42 километрах от самой дальней насосной станции и в 65 километрах от Иваньковской ГЭС, построенной на берегу Московского моря.

Иваньковская ГЭС была первой в СССР полностью автоматизированной, «безлюдной» электрической станцией.

На диспетчерском пульте перед глазами дежурного горят светящиеся разноцветные сигналы — кружочки, квадратики, треугольники. Они сообщают диспетчеру о состоянии и работе всех механизмов на всех станциях.

Диспетчер видит: одна группа сигналов погашена, — одна станция не работает, находится в резерве. Но вот возникла необходимость увеличить выработку электрической энергии. Диспетчер принимает решение — пустить в ход резервную станцию. На панели резервной станции он нажимает кнопку «пуск».

Тотчас приходят в действие сложные приборы телемеханического управления. Они включают все вспомогательные механизмы. На пульте загораются зеленоватым мигающим огнем сигналы: кружок, означающий, что подготовлен турбогенератор; квадратики — включены масляные выключатели. Механизмы приняли команду, «поняли» ее и «доложили» о своей готовности.

На станции щелкают реле и контакторы, приходят в действие вспомогательные электродвигатели, поворачиваются направляющие лопасти турбины. Ротор турбогенератора начинает вращаться.

Теперь на диспетчерском пульте зеленый мигающий свет в кружочке сменяется красным. Это — донесение автоматов о том, что турбогенератор работает с полной нагрузкой. Ток включен в общую сеть.

На все это уходит 30–35 секунд, не более!

Частица техники будущего

Автоматы управляют работой электрических подстанций лучшего в мире — Московского метрополитена имени Л. М. Кагановича. Все тяговые подстанции закрыты на замок. Диспетчер находится на центральном посту за несколько километров. Телемеханическое устройство позволяет диспетчеру мгновенно передавать по линиям связи до 150 различных команд всем механизмам подстанций. Диспетчер — полновластный хозяин сложного энергетического оборудования метро.

Один из участков Казанской железной дороги еще несколько лет назад был полностью переведен на автоматическую систему управления. На перегоне длиной в 65 километров нет ни стрелочников, ни сигналистов. Управление стрелками и движением поездов сосредоточено здесь в руках одного человека — дежурного диспетчера. Перед ним на диспетчерском пульте изображен план всего участка и находятся кнопки и рукоятки, управляющие стрелками и светофорами. Огоньки сигнальных лампочек говорят диспетчеру о положении каждой стрелки, каждого светофора. Поворот рукоятки, нажим кнопки, и — стрелка переведена, зажегся или погас разрешающий огонь светофора.

Контрольно-защитные приборы оберегают механизмы от случайных ошибок. Неправильно поданный приказ не будет выполнен, и на пульте загорится предупреждающий сигнальный огонек. В дождь, в буран, ночью и днем автоматы исправно несут службу, не зная усталости и ошибок.

Телемеханика и автоматика — враги аварий, которые возникают вследствие неправильно расслышанных, ошибочно понятых или, что хуже всего, превратно истолкованных и несвоевременно выполненных приказаний. Механизмы принимают команду мгновенно и тотчас же сигнализируют об исполнении. Если приказ почему-либо не исполнен, это немедленно станет известно диспетчеру. Сложные автоматизированные механизмы безусловно покорны воле и руке управляющего ими человека!

На участках железных дорог с телемеханическим управлением почти полностью предотвращены аварии: наезды, столкновения, разрезы стрелок. Значит, ускорилось прохождение составов, увеличилось число поездов, повысилась безопасность движения.

Механизированные хлебозаводы, предприятия нефтяной промышленности, заводы, обрабатывающие пластмассы, электрические станции и линии электрических передач, отдельные механизированные цехи автотракторных и станкостроительных заводов, а также химические заводы и предприятия, где производственный процесс опасен для здоровья обслуживающего персонала, широко используют приборы управления на расстоянии.

Телемеханика и автоматика немыслимы без электронных приборов. Только мгновенность действия, исключительная чувствительность электронных, ламп, тиратронов, фотоэлементов, электронных реле гарантируют быстроту, безукоризненную четкость передачи приказаний или сигналов, мгновенность и автоматичность их выполнения.

В советских условиях автоматизация и механизация производства способствуют увеличению производительности труда и содействуют воспитанию многочисленных кадров высококвалифицированных инженеров, техников, рабочих. В условиях социализма новая электронная техника способствует стиранию грани между умственным и физическим трудом.

Машины с «высшим образованием»

В некоторых машинах и станках-автоматах, которые выпускает наша советская промышленность, применены «читающие» фотоэлементы. Первые опытные экземпляры «зрячих» станков были изготовлены еще в 1934—35 году в Москве (рис. 113).

Рис. 113. Один из первых советских «видящих» станков.

Эти станки, созданные советскими инженерами и учеными представляют собой подлинное чудо техники.

Приступая к работе на станке с «читающим» прибором, станочник заготавливает материал, устанавливает инструмент, заправляет станок охлаждающей жидкостью, проверяет смазку, а затем — вручает станку чертеж той детали, которую надлежит изготовить. Под «читающим» прибором укрепляется лист бумаги с изображением контуров будущего изделия.

Если станку будет что-либо «непонятно» в чертеже, или возникнет какое-либо препятствие, — затупится инструмент, не хватит материала, недостанет смазки, — он остановится и звонком или сигнальной лампочкой подзовет к себе мастера, чтобы тот «объяснил» ему, что и как следует делать, или устранил неполадки.

Устройство прибора, читающего чертежи, не так уж сложно. Маленький фонарик укреплен в одном корпусе с фотоэлементом. Луч света от фонарика падает крошечным круглым пятнышком на линию чертежа, а небольшое зеркальце отражает изображение этого пятнышка — светлой точки — в фотоэлемент. Таким образом, электрический глаз «видит» только светлое пятнышко и ничего больше.

В начале работы станочник наводит «читающий» прибор на одну из линий чертежа так, чтобы ровно половина светлого пятнышка от фонарика приходилась на белую бумагу, а половина — на черную линию. Край черной линии должен делить светлое пятнышко точно пополам.

Установив пятнышко, мастер включает станок. И с этого момента станок начинает работать самостоятельно.

Фотоэлемент воспринимает свет, отраженный той половиной пятнышка, которая лежит на белой бумаге. Другая половина пятнышка, падающая на черную линию, света почти не отражает и, следовательно, на фотоэлемент не действует. В фотоэлементе возникает электрический ток определенной силы. Ток идет в усилители. Из усилителей он поступает в приборы, управляющие движением фотоэлемента с фонариком и связанного с ними резца.

Луч света скользит вдоль края черной линии, а резец повторяет движение «читающего» прибора — режет металл. Линия на чертеже поворачивается направо — луч и резец поворачивают направо. Линия изгибается дугой — луч послушно следует за ней. Линия описывает зубцы, и луч делает то же самое. Резец, неразрывно связанный с «читающим» прибором, придает металлу ту форму, какая изображена на чертеже.

Луч света все время падает на черную линию так, чтобы ее край делил светлое пятнышко строго пополам. Чуть только луч сойдет с черной линии на белую бумагу, фотоэлемент получит больше отраженного света и даст более сильный ток. Приборы, управляющие движениями фотоэлемента с фонариком и резца, воспримут усиление тока как приказ возвратить луч света обратно на черную линию.

Если же «читающий» прибор слишком надвигается на черную линию, количество света, отраженного от бумаги, уменьшится, ток, текущий через фотоэлемент, ослабеет. Это послужит приказом для регуляторов — пододвинуть луч света так, чтобы он вновь сошел с черной линии на половину своего сечения (рис. 114).

Рис. 114. Круглое пятнышко светового луча на читающем фрезерном станке падает на самый край линии чертежа.

Светлое пятнышко автоматически движется по краю черной линии, как по тропинке. Куда отклоняется линия-тропинка, туда же отходит и луч света. А резец, связанный с «читающим» прибором, следует за ним, как слепой за поводырем.

Такие станки могут «выкраивать» из листовой стали пластины сложнейшей формы, фрезеровать фигурные пазы, выполнять токарные работы.

Станки, снабженные электронной автоматикой, образно называют «станками с высшим образованием». В них вложены последние достижения советской науки и техники — фотоэлементы, электронные лампы, электроискровой инструмент — ряд сложнейших и точных приборов.

Советские «станки с высшим образованием» возвещают могучее развитие техники в коммунистическом обществе, когда заводы будут оборудованы «видящими», «читающими», «слушающими» станками; машинами, способными производить математические вычисления; станками, которыми можно управлять на расстоянии с центрального поста. Множество подобных станков уже работает на советских предприятиях.

Электроника помогает математике

Чем больше развивается наука и техника, тем сложнее становятся математические вычисления, связанные с научными исследованиями и техническими расчетами. Правда, многие вычисления давно уже упрощены такими приборами, как логарифмическая линейка, арифмометр и т. п. Но все они позволяют решать только простые задачи: делить, множить, возводить в степень и т. д. А проектирование современных машин и разных ответственных сооружений требует применения высшей математики, которая в свою очередь все более усложняется. Приходится решать дифференциальные уравнения и производить множество разных трудоемких и сложных расчетов. Счетно-решающие машины работают недостаточно проворно. Чтобы автоматизировать такие вычисления, механических счетных машин недостаточно. Здесь могут помочь сложные быстродействующие электрические и радиотехнические схемы. Снова на смену выступает электроника — электроны получают новые поручения, очень сложные и ответственные.

В 1947 году инженеры Н. В. Корольков, В. П. Лебедев, Б. А. Волынский, под руководством профессора Л. И. Гутенмахера, построили прибор для решения сложных математических задач, возникающих при конструировании машин и при исследовании технологических процессов. Новый прибор получил название электроинтегратора. Его создатели удостоены в 1948 году Сталинской премии.

Развивающаяся наука все более усложняет труд ученых. Но она же дает способы для облегчения умственного труда.

Тайна булатной стали

Хороши были старинные клинки! В прошлые века их ценили на вес золота. Любого скакуна мог отдать казак за настоящую булатную саблю. Булатным клинком можно было рубить железо, и лезвие клинка не зазубривалось. Да что железо! Легкий шелковый платок, подброшенный в воздух, толедская и дамасская сабля рассекала надвое. То была чудо-сталь, но никто в мире не знал, как ее варили и закаливали. Производство клинков из знаменитой стали прекратилось много сотен лет назад. Оружейники, ревниво оберегавшие секрет изготовления булата, унесли его с собой в могилу.

Ученые разных стран пытались раскрыть секрет изготовления дамасской стали или индийского харасана. Они перечитывали старинные рукописи, собирали рассказы людей, которые хоть что-нибудь слыхали о закалке стали от своих дедов и прадедов.

Много фантастических рассказов было записано об утраченном секрете. Говорили, что якобы всадник на всем скаку выхватывал раскаленный клинок из кузнечного горна и мчался во весь опор, бешено вращая шашкой над головой. Остывая в воздушных струях, клинок приобретал замечательную твердость и прочность. Рассказывали также, что толедские оружейники раскаленным клинком протыкали жирного барана, и сталь закаливалась, остывая в сале…

Но все это оказалось легендами. Секрет оставался нераскрытым:

Отделкой золотой блистает мой кинжал; Клинок надежный, без порока; Булат его хранит таинственный закал — Наследье бранного востока…

писал М. Ю. Лермонтов об этих кинжалах.

Лишь в прошлом столетии знаменитый уральский металлург Π. П. Аносов научился варить все сорта булата. Он раскрыл секрет изготовления и дамасской стали, и индийского харасана. Аносов разработал и обосновал научные методы закалки. Он доказал, что сталь нельзя закаливать целиком, — от такой закалки она становится не только твердой, но и хрупкой — «сухой». «Насухо» закаленный клинок от резкого удара может разлететься на куски так, как будто он не стальной, а стеклянный.

Стальное изделие следует закаливать только с поверхности, одевая его панцырной «корочкой». Сталь внутри изделия должна оставаться мягкой. Именно такая закалка придает стали прочность.

Секрет закаливания стали, открытый русским ученым, оказался очень важным не только для изготовления холодного оружия; современные станки и машины строятся по высоким классам точности. Коленчатые валы моторов, шестерни, оси, разнообразные детали станков, инструменты требуют умелой, поверхностной закалки.

Однако закалить изделие только по поверхности — дело нелегкое. Ведь в горне изделие нагревается все целиком, а не только снаружи. Способы закалки поверхностного слоя изделий разрабатывались, но они были сложны и не всегда давали надежные результаты.

Эта трудная задача была наконец решена с помощью электроники.

Волшебство высоких частот

Лет сорок назад в цирках показывали забавный фокус. На арену выходил «факир» и ставил на простой деревянный стол обыкновенную сковородку. Кто-нибудь из зрителей осматривал сковородку и убеждался, что она совершенно холодная, а стол действительно деревянный.

Фокусник бросал на сковородку кусочек масла, оно начинало шипеть, — фокусник жарил на «холодной» сковородке яичницу и на глазах изумленной публики съедал ее.

Зрители придирчиво проверяли все манипуляции фокусника и видели, что сковорода, поставленная на деревянный стол, от какой-то неведомой причины раскалялась до того, что на ней жарилась яичница.

Объясняется фокус просто. Под крышкой стола был скрыт электромагнит. В обмотку этого электромагнита пропустили сильный переменный ток. В свои права вступила электромагнитная индукция. Под влиянием переменного тока, протекавшего по обмоткам электромагнита, в металле, из которого сделана сковорода, возникли индуктивные токи. Они-то и разогрели ее.

Индуктивный нагрев металла был достаточно хорошо известен электротехникам. Он считался вредным явлением, так как возникавшие индуктивные токи вызывали перегревание электрических машин и бесполезную трату энергии.

До 1920 года никому из техников не приходило в голову, что индуктивный нагрев металла можно использовать для производственных целей. Эта идея впервые родилась в Нижегородской радиолаборатории. М. А. Бонч-Бруевичу, изготовлявшему генераторные лампы, понадобилось прогреть анод одной из ламп. Но как нагреть анод, если он заключен внутри стеклянного баллона? Извлечь анод из баллона нельзя — погибнет лампа, да и нагревать анод надо было именно в безвоздушном пространстве. Задача казалась совершенно неразрешимой. Проникнуть в лампу нельзя, а не проникнув, — не нагреешь анода.

Бонч-Бруевич нашел выход из положения. Он изготовил проволочную катушку и надел ее на баллон в том месте, где находится анод. Затем он пропустил по катушке переменный ток высокой частоты. Стекло — плохой проводник тока — осталось совершенно холодным, а анод, под влиянием возникших в нем индуктивных токов, раскалился докрасна, — цель была достигнута.

В. П. Вологдин заимствовал этот опыт и начал применять индуктивные токи для нагрева анодов ртутных выпрямителей, которыми он тогда занимался. Но так как в лаборатории шла напряженная работа по созданию первых советских радиостанций, то В. П. Вологдин на время отложил исследования по высокочастотному нагреву.

Несколько лет спустя, когда В. П. Вологдин вернулся к прерванным исследованиям, он установил, что токи высокой частоты, если их включать на короткое время, прогревают металл, не проникая в глубь его; раскаляется только поверхностный слой, сердцевина же остается холодной.

Далее было найдено, что глубина прогреваемого поверхностного слоя зависит от частоты колебаний тока. Городской осветительный ток, имеющий частоту 50 периодов в секунду, прогревает металл на глубину в несколько сантиметров. Если же включить на короткий срок переменный ток частотой 50 тысяч периодов в секунду, то он нагреет изделие на глубину всего лишь в один миллиметр. Чем выше частота, тем меньше глубина прогреваемого слоя.

И это было именно то, о чем мечтали русские инженеры со времен Π. П. Аносова. Именно такой поверхностный нагрев требовался для безупречно правильной закалки стальных изделий.

С помощью токов высокой частоты удалось разрешить задачу, над которой ученые и инженеры тщетно бились несколько десятилетий.

Лучше толедских мастеров

Первые опыты по высокочастотной закалке были поставлены В. П. Вологдиным в 1925 году на Кировском заводе в Ленинграде. Здесь применили токи высокой частоты для закалки фрез. Затем техническую новинку ввел у себя один из самых передовых заводов нашей страны — автомобильный завод имени Сталина, для быстрой и надежной закалки шеек коленчатых валов автомобильных двигателей.

Был построен закалочный станок. На шейку вала надели петлю из тонкой медной трубки. По этой петле пропустили ток высокой частоты. Прошло 2–3 минуты — поверхность шейки вала нагрелась. Со стороны торна вала было видно, что наружные слои металла раскалились до соломенно-желтого цвета, а сердцевина шейки вала осталась темной и холодной.

Ток выключили, шейку вала быстро охладили. Закалка, длившаяся всего лишь несколько минут, закончилась. Поверхность шейки осталась чистой и гладкой, как и до закалки. Никакой окалины не образовалось.

Отечественная промышленность получила новый, исключительно быстрый, дешевый и надежный способ закалки стальных изделий. Регулируя частоту и мощность тока, можно прогревать изделия на любую глубину и создавать закаленный «панцырный» слой толщиной в 1 миллиметр, а если нужно — и в несколько сантиметров (рис. 115).

Рис. 115. Схема закалки токами высокой частоты.

Резко изменился даже — внешний вид закалочного цеха. На смену старым «калилкам» с их дымом, жарой и чадом пришли сверкающие чистотой высокочастотные установки — ТВЧ. Не черный фартук кузнеца, а синий комбинезон электрика носит теперь мастер закалки.

Многие металлообрабатывающие предприятия Советского Союза ввели высокочастотную закалку. На заводах теперь имеются либо машинные генераторы высокой частоты, либо ламповые генераторы.

Электрон оказался неплохим «толедским кузнецом».

С неменьшим успехом токи высокой частоты служат и для плавки металлов.

Некоторые сплавы можно готовить только с помощью токов высокой частоты. При обычной тигельной плавке на огне расплавленный металл впитывает в себя газы и загрязняется, качество сплава значительно ухудшается. Токи высокой частоты позволяют плавить металл в вакууме, без доступа воздуха и, таким образом, дают идеально чистые сплавы. При этом плавка 100 килограммов металла длится не более 15 минут.

За разработку и внедрение в производство нового метода закалки поверхностей стальных изделий член-корреспондент Академии наук СССР В. П. Вологдин удостоен Сталинской премии, и в апреле 1948 года В. П. Вологдину, первому из ученых, была присуждена золотая медаль имени А. С. Попова.

За создание нового типа кузнечного цеха В. П. Вологдин был вторично удостоен Сталинской премии — настолько ценны оказались его работы по электронике.

Искусственная электрическая лихорадка

Для разогрева неметаллических изделий применяется не индукционная катушка, а конденсатор. Такие конденсаторы промышленных установок напоминают своим видом большие книжные полки.

К пластинам конденсатора подводится напряжение высокой частоты, и между ними возникает быстропеременное электрическое поле, которое воздействует на материал, помещенный в пространстве между пластинами.

Воздействие высококачественного электрического поля на неметаллические изделия своеобразно. В них так же как в металлах получается выделение тепла за счет энергии высокочастотного поля, но нагрев распространяется не по поверхности изделия, а по всей его толще. Колебания электрического поля между пластинами конденсатора высокочастотной установки, проникая в глубь материала, устраивают его частицам, особенно частицам воды, содержащимся в изделии, весьма основательную встряску.

Объятые такой «электрической лихорадкой», частицы воды быстро превращаются в пар и улетучиваются. Высокочастотные установки прекрасно сушат фарфор, фаянс, древесину.

Сырую древесину пускать в дело нельзя. Изделия из непросушенного материала неминуемо рассохнутся, растрескаются и покоробятся. Для изготовления мебели, фанеры, оконных рам, деревянных частей самолетов или музыкальных инструментов древесину приходится подолгу сушить. Чтобы высушить дубовый брусок квадратного сечения размером 10х10 сантиметров, его приходится выдерживать в сушилке 100 дней.

Обычная сушка березы в печах занимает примерно 350 часов. Расход топлива при этом весьма велик: чтобы высушить одно полено, другое полено надо сжечь. Качество сушки невысоко: от нагревания дерево коробится и растрескивается. Из двух досок — одна идет в брак. При обычной сушке под влиянием теплоты влага прежде всего испаряется из наружных слоев. Внутри древесина остается сырой, сохраняет свой объем. Наружные слои, подсыхая, съеживаются и, встречая сопротивление внутренних слоев, трескаются. Поэтому сушку ведут нарочито медленно, так, чтобы внутренние и наружные слои, по возможности, подсыхали бы одновременно. И на это уходят годы!

В сушильных цехах деревообрабатывающих заводов электроника произвела такой же переворот, как и в закалке стали.

Совершенно сырые доски, только что вышедшие из лесопильной рамы, укладывают на полки высокочастотной «этажерки». Включают ток. Минута, и доски окутываются паром. Еще несколько минут, и доски перестают парить: «электрическая лихорадка» полностью выгнала из них всю влагу.

Толстые дубовые брусья высыхают в течение нескольких часов, березовые — за 30 минут. Под действием токов высокой частоты древесина становится даже более прочной, чем после обычной сушки горячим воздухом.

Такая же техническая революция произошла и в сушильных цехах керамических заводов. Фарфоровые изоляторы для высоковольтных линий электропередач прежде выдерживались в сушилках неделями, так как размеры изоляторов велики, больше человеческого роста, и сушка велась осторожно, медленно, чтобы не получалось брака.

Высокочастотные установки ускорили сушку изоляторов в сотни раз.

Токи высокой частоты помогли спасти много ценнейших книг Государственной Публичной библиотеки им. Салтыкова-Щедрина. Во время блокады Ленинграда книги в нетопленых хранилищах отсырели. Разрушительная плесень поползла по переплетам и страницам. Высушить книги обычным способом было невозможно. Бумага сохнет плохо и, высыхая, коробится. Токи высокой частоты высушили книги без всякого вреда для бумаги, уничтожили плесень, а заодно и всех жучков-точильщиков, которые успели завестись в книгах.

Токами высокой частоты вытапливают жир из тресковой печени, сшивают без ниток ткани из различных сортов пластиката или искусственного волокна, нагревают пластмассы, вулканизируют автомобильные шины.

Применение токов высокой частоты в народном хозяйстве Советского Союза составляет важную часть той материально-технической базы коммунизма, которую создает советский народ в годы сталинских послевоенных пятилеток.

Глава тринадцатая. Впереди еще много открытий

Успехи электронной теории

Открытие электрона и обобщение сведений, накопленных о нем наукой, заставили ученых рассматривать во взаимной связи и отдельные электрические заряды, и электромагнитные поля, окружающие заряды.

Постепенно возводилось здание, электронной теории, установившей, что заряд и электромагнитное поле органически связаны друг с другом, зависят друг от друга, обусловливают друг друга.

Заряд всегда создает вокруг себя электрическое поле. Когда заряд движется, он создает, кроме того, и магнитное поле.

Внешнее электрическое или магнитное поле направляет движение электрона и изменяет его скорость. Оно может увеличивать и уменьшать энергию электрона.

При торможении электроны излучают электромагнитную энергию в виде электромагнитных волн и, наоборот, электромагнитные волны могут отдавать свою энергию электрону.

В итоге почти 50-летних исканий мы узнали, что электроны образуют ободочку атома, располагаясь в ней на определенных уровнях.

Заряд электрона равен 1,6∙10-19 кулона.

Масса электрона составляет 9,1∙10-28 грамма.

Электрон в 1836,6 раза легче протона — ядра водородного атома.

Электрон в невозбужденном водородном атоме находится от ядра на расстоянии в 0,529∙10-8 сантиметра.

Электронная теория объяснила и связала воедино разнообразнейшие проявления электрической энергии, осветила путь практической электронике.

Хотя увидеть электрон еще невозможно, но уже удается видеть след его в насыщенном водяном царе, — цепочку маленьких водяных капелек, прекрасно различимых при ярком освещении.

На рисунке 116 представлены сфотографированные следы того, как быстрая частица А в магнитном поле, столкнувшись с атомом, выбила из него электрон Б, движущийся со значительно меньшей скоростью и потому искрививший свой путь под действием магнитной силы, а сама пролетела дальше. Скорость А была столь велика, что магнитное поле могло лишь едва-едва искривить ее траекторию.

Рис. 116. Видеть электрон пока еще не удается, но можно видеть след, который он оставляет, пролетая в поле зрения прибора. На снимке: быстрая частица А, столкнувшись с атомом, выбила из него электрон Б, который летел медленно и потому описал в магнитном поле кривую линию.

Электроника стала одной из тех «волшебных палочек», с помощью которых человек творит чудеса, оставляющие далеко позади вымысел сказок.

Богатая фантазия русского народа, проникнутая глубокой верой во всемогущество творческого гения человека, позволяла героям наших сказок летать на ковре-самолете, разгуливать в семимильных сапогах, слушать, как растет трава и перешептываются звезды…

В наши дни, благодаря замечательным успехам науки и победам человека над природой, сказки становятся былью. У нас есть теперь и ковер-самолет, и семимильные сапоги — железные дороги, и послушный ветерок — радиосвязь, и волшебное зеркальце — телевизоры, и чудо-огонек — люминесцентная лампа.

Гениальное предвидение В. И. Ленина

Под влиянием успехов электронной теории некоторым ученым, не отрешившимся еще от своих идеалистических воззрений, стало казаться, что наука уже достигла своего предела.

У некоторых физиков сложилось представление, что электрон будто бы является наипростейшим элементом мироздания, все свойства которого исчерпываются его массой и зарядом.

В 1908 году, то есть на заре современных представлений об электроне и атоме, когда электронная теория только делала свои первые шаги, Владимир Ильич Ленин в своем гениальном произведении «Материализм и эмпириокритицизм» беспощадно разоблачил физиков-идеалистов, извращавших науку. Он указал на реакционность утверждений тех «ученых», которые вообразили, что, углубляясь в недра вещества, они уже «дошли до предела природы». В. И. Ленин писал: «…если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»[24]

Гениальное предвидение В. И. Ленина подтвердилось всем ходом развития науки. Ученые вслед за открытием электрона установили его место в атоме, открыли существование ядра атома и других простейших частиц.

В свете новых фактов электронная теория претерпевала серьезные изменения. В ней обнаружились глубокие противоречия, которые одно время даже казались неразрешимыми. Создатель электронной теории физик Лоренц однажды выразил сожаление, что он не умер раньше, чем обнаружились эти противоречия.

Электрон не укладывался в рамки первоначальных упрощенных представлений о нем. Так, например, опыты неопровержимо доказывали, что два электрона, находящиеся в атоме на одном и том же энергетическом уровне, все же чем-то отличаются один от другого.

Приблизиться к объяснению этого различия в движении электронов физике помогла астрономия. Ведь планеты не только обращаются вокруг Солнца, они одновременно вращаются вокруг своих осей. Может быть, и электроны вертятся, как волчки?

Многие наблюдения хорошо объясняются таким допущением. Однако против него есть и серьезные возражения.

Зато магнитные свойства электрона доказаны несомненно. Электрон имеет магнитную ось, он представляет собой маленький магнитик; это доказано прямыми опытами.

Не так-то оказывается проста эта «простейшая частица», и много задач задает она ученым, много задач задаст и в будущем.

Электрон — и волна и частица

В те же годы, то есть в первой четверти XX века, зародилась мысль, что электроны не всегда ведут себя как частицы вещества. Иногда они обнаруживают волновые свойства, которые роднят быстролетящие электроны со световым лучом.

Чтобы проверить это предположение, в 1926 году повторили опыт с просвечиванием кристаллического вещества, только вместо рентгеновских лучей, какие обычно применяют для этой цели, употребили электронный луч, то есть заменили рентгеновские лучи потоком электронов и посмотрели, что получится от такой замены (рис. 117).

Рис. 117. Схема опыта, которым было доказано сходство между рентгеновскими лучами и электронным пучком. В — тонкий металлический листок, сквозь который проходил электронный поток.

Рентгеновские лучи, проходя сквозь листок металла, который состоит из множества мелких кристалликов, дают на фотографической пластинке своеобразный рисунок: в центре появляется круглое пятно, отпечатанное теми лучами, какие прошли сквозь кристалл без рассеяния, а вокруг этого центрального пятна вырисовываются концентрические круги, которые делают фотоснимок похожим на стрелковую мишень или на вид луны, когда она светит сквозь тонкие облака.

Эти кольца дают возможность судить о внутреннем строении вещества, сквозь которое прошли рентгеновские лучи.

И эти же кольца неопровержимо доказывают колебательную, волновую природу рентгеновских лучей, позволяют определить длину волны исследуемых лучей: проходя сквозь одну и ту же пластинку, рентгеновские лучи разной длины волны дают кольца различного диаметра.

Велико же было удивление ученых, когда электронный луч, то есть поток быстро летящих частиц, пройдя сквозь тончайший металлический листок, тоже отпечатал на фотографической пластинке концентрические кольца. Поток электронов в этом опыте вел себя так же, как рентгеновский луч определенной длины волны (рис. 118).

Рис. 118. Электронный луч, пройдя сквозь металлический листок, отпечатал на фотопластинке концентрические кольца.

Дальнейшие исследования показали, что поток электронов действительно обладает всеми особенностями луча с очень малой длиной волны.

Это открытие сразу же приобрело практическое значение, оно позволило применить электроны для исследования строения вещества. Были построены приборы — электронографы, которые в ряде случаев дают лучшие результаты, чем рентгеновские аппараты.

Именно с помощью электронографов химики убедились, что молекулы шерсти, шелка, целлюлозы, древесины, искусственного волокна и многих пластмасс имеют форму нитей или цепочек, состоящих из отдельных звеньев.

«Капли света»

Открытие волновых свойств электронов еще больше увеличило сумбур в воззрениях западноевропейских и американских физиков. Электрон стал казаться им чем-то вроде двуликого Януса или сказочного оборотня, который может оборачиваться по своему желанию то волной, то частицей.

Этот сумбур усугубляли новые исследования природы света. Свет, такое типично волновое, колебательное явление, в то же время оказался состоящим из отдельных частичек — фотонов.

В волновой природе света никто не сомневался, но и в то же время никто не мог объяснить, почему синяя обложка школьной тетради на свету становится серой, почему под солнечными лучами постепенно выцветают ткани, изменяются краски и многие другие вещества.

Когда морская волна накатывается на песчаный пляж, прибрежный песок, накрытый волной, сразу становится мокрым. Не может быть такого положения, чтобы при этом одна песчинка намокла, а другая, лежащая рядом, осталась бы сухой. Так бывает только, когда начинается дождь. Песчинки, на которые упали первые капли, намокают, а остальные остаются сухими до тех пор, пока на них в свою очередь не упадут дождевые капли.

В окрашенной ткани распределены мельчайшие частицы — молекулы краски, которые можно уподобить песчинкам на берегу. На окрашенную ткань падает свет. Под его воздействием частицы краски разрушаются — краска выцветает. И всем прекрасно известно, что частицы краски распадаются не сразу, не одновременно, а по очереди, постепенно. Чтобы обложка тетради полностью выцвела, ей надо пролежать на солнце несколько месяцев. Словом, свет действует на частицы краски не как накатившаяся волна, а как капли дождя. Только прямое попадание световой «капли» — фотона раскалывает молекулу краски, а бесчисленное множество фотонов пролетает мимо молекул, не причиняя им никакого вреда.

«Капельность» света наблюдал и Столетов, исследовавший явление фотоэффекта. Только благодаря «капельности» света возможны фотография и кино. Сотни примеров подтверждают вывод о прерывистой природе света.

Световые волны оказались не только волнами, но и частицами, а электроны — не только частицами, но и волнами.

Тут, конечно, было над чем призадуматься.

И некоторые физики поспешили объявить электроны не частицами вещества, а чем-то промежуточным между веществом и светом. Но это предположение только глубже заводило физику в тупик.

Ученые наблюдали движение потоков не электронов, а более тяжелых частиц — протонов, то есть ядер водородных атомов. В их вещественности уж никто сомневаться не мог. Мощным электрическим полем разгоняли протоны до очень большой скорости. Оказалось, что и они при этом тоже проявляют волновые свойства.

И тогда пришлось признать, что между светом и веществом, которые так непохожи друг на друга, есть много общего: то и другое обладает свойствами и волн и частиц.

Более того, оказалось, что свет обладает массой. Собственно говоря уже из опытов знаменитого русского ученого Π. Н. Лебедева, доказавшего, что свет давит на те предметы, на какие он падает, следовало вывести такое заключение. Но всеобщее признание оно получило несколько позже.

Единство мира в его материальности

В наше время уже не только установлен самый факт существования массы света, но и найден точный способ вычисления этой массы. Так, например, подсчитано, что Солнце посылает на Землю каждую секунду около двух килограммов света.

«Существующий материальный мир — движущаяся материя— представляется нам в двухосновных формах — как вещество и свет», — говорит академик С. И. Вавилов.

Свет — одна из форм движущейся материи. В этом смысле вещество и свет едины. Но между ними есть и существенное различие.

Частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны, атомы, молекулы — так же как и большие тела, могут двигаться, как с очень малыми, так и с большими скоростями. Ограничение для них одно — они не могут достигать скорости света.

Частицы света — фотоны — наоборот в вакууме могут двигаться только с одной скоростью — со скоростью света, около 300 000 километров в секунду.

Частицы вещества обладают определенной массой даже при самом медленном движении. Так, например, «масса покоя» электрона равна 9,106∙10-28 грамма.

Фотон же, частица света, «массы покоя» не имеет. Вся его масса связана с его колоссальной скоростью.

Правда, масса любой частицы вещества зависит от ее скорости и возрастает с увеличением скорости. Но вещество не теряет своей «основной» массы даже в состоянии относительного покоя, а фотон вообще не может существовать, не двигаясь с огромной скоростью. Электрон в сильном электрическом поле можно разогнать до скоростей, близких к скорости света. Опыт показал, что масса его при этом действительно сильно возрастает.

Электрон неисчерпаем

Чем дальше идут исследования, тем больше нового мы узнаем об электроне. И никто не может сказать, что сведения об электроне полностью исчерпаны. Каждое углубленное исследование приносит еще что-нибудь новое, остававшееся до сих пор неизвестным. Сумма знаний об электроне непрерывно увеличивается.

Примерно 20 лет назад было обнаружено существование «родного брата» электрона — частицы, равной электрону по массе и по величине электрического заряда, но обладающей не отрицательным зарядом, а положительным. Такой положительный электрон получил название «позитрон».

Позитрон, так же как и электрон, рождается при ядерных реакциях, когда атомы одного элемента превращаются в атомы другого элемента, но в отличие от нашего старого знакомого — обычного электрона, позитрон очень недолговечен.

Его жизнь обычно исчисляется малыми долями секунды. Он существует только до встречи с электроном.

На рисунке 119 представлена редкая фотография, на которой удалось снять момент рождения электрона и позитрона в магнитном поле.

Рис. 119. Рождение электрона и позитрона и их следы в перенасыщенном паре. Так как заряды их по знаку противоположны, то магнитное поле искривляет их пути в разные стороны.

Так как заряды их совершенно одинаковы по величине, но по знаку противоположны, то магнитное поле искривляет их пути в разные стороны. Это ясно показывают те следы, которые они оставили в перенасыщенном паре.

Встретившись, электрон и позитрон «гибнут». Разумеется их «гибель» условна. Материя вечна, она только видоизменяется. В результате столкновения позитрон и электрон превращаются в два фотона гамма-излучения, которые разлетаются в противоположные стороны. Гамма-излучение родственно рентгеновским лучам, но только фотоны гамма-излучения несут еще большую энергию, чем фотоны рентгеновских лучей.

Так, постепенно, год за годом у электрона обнаруживались все новые и новые свойства. Эти открытия убедительно доказали справедливость гениального ленинского утверждения о неисчерпаемости электрона.

Кризис буржуазной науки

Со времени выхода в свет работы В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм» прошло немногим более 40 лет. За этот период наука шагнула далеко вперед, но пропасть между идеалистическим направлением в физике и подлинной наукой не стала меньше. Наоборот, она углубилась и окончательно разделила ученых на два противоположных и непримиримых лагеря.

Наука в капиталистических странах переживает тяжелый и безвыходный для нее кризис упадка и загнивания. Этот кризис является непосредственным отражением распада и разложения буржуазного общественного строя.

Физики-идеалисты стремятся всеми силами помочь гибнущему капитализму и свое стремление осуществляют двумя путями.

Они создают теории, которыми пытаются задержать дальнейшее развитие науки, запутать ее, доказать существование потустороннего мира, который якобы способен влиять на судьбы человечества.

Они утверждают, что, углубляясь в мир атомов, электронов и фотонов, ученый попадает в мир непознаваемого, где физическое соприкасается с божественным.

Эти ученые, например, стараются доказать, что электроны движутся в оболочке атома не по законам природы атомного мира, а руководствуясь лишь своей «свободной волей».

Некоторые «ученые» договорились даже до того, что усмотрели у электрона душу. Все это в конечном счете сводится к желанию во что бы то ни стало, любыми способами доказать существование бога и небесного рая, в воздаяние за тот вполне, реальный ад, который капитализм устроил народам на одной половине земного шара.

Второй путь физиков враждебного идеалистического лагеря — это усиленная разработка атомных бомб и других средств уничтожения людей. Эти ученые скатились до «людоедского» образа мышления. Их буржуазная наука перестала быть наукой, потому что она направлена не на благо общества, а на его уничтожение.

Подлинной науке открыт широкий простор только в нашей стране и в странах народной демократии. Советские ученые в острой борьбе со всякого рода реакционерами отстаивают ясное материалистическое мировоззрение. В своих работах они руководствуются мудрыми положениями диалектического материализма, сформулированными великим корифеем науки товарищем Сталиным.

Товарищ Сталин в своих философских трудах указывает, что «мир по природе своей материален, что многообразные явления в мире представляют различные виды движущейся материи, что взаимная связь и взаимная обусловленность явлений, устанавливаемые диалектическим методом, представляют закономерности развития движущейся материи, что мир развивается по законам движения материи и не нуждается ни в каком „мировом духе“».[25]

Отечественная наука непрерывно обогащает и углубляет наши знания о природе, — она увеличивает золотой фонд точных, проверенных фактов, сведений, наблюдений, законов, и постепенно раскрывает картину строения внутриатомного мира и все точнее устанавливает роль одной из частиц этого мира — электрона.

На пользу и славу Отчизны!

Советский человек властной рукой изменяет облик нашей планеты. Он не только покоряет природу, он исправляет ее и создает новую природу — природу, достойную человека коммунистического общества.

Создавая новую природу, человек, разумеется, сам остается неотъемлемой ее частью: «…на каждом шагу факты напоминают нам о том, что мы отнюдь не властвуем над природой так, как завоеватель властвует над чужим народом, не властвуем над нею так, как кто-либо находящийся вне природы, — что мы, наоборот, нашей плотью, кровью и мозгом принадлежим ей и находимся внутри ее, что все наше господство над ней состоит в том, что мы, в отличие от всех других существ, умеем познавать ее законы и правильно их применять».[26]

Наука, постигающая законы природы и углубляющаяся в ее тайны, с каждым годом приобретает все большее и большее значение. В условиях советской действительности она стала могучей движущей силой прогресса.

Мы имеем полное право гордиться мощью наших машин, совершенством станков, точностью автоматических и телемеханических устройств, победами авиации и всеми другими успехами социалистической науки и техники, созданными трудами советских людей.

Многими из этих успехов мы обязаны электронике.

«Ум человеческий, — писал В. И. Ленин еще в 1908 году, — открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней».[27]

Вдохновенно работают советские ученые. Они видят непосредственное воплощение достижений науки в исторических делах нашей эпохи, в грандиозном преобразовании природы, в великих стройках коммунизма. Советские ученые работают вместе с людьми производства, в тесном содружестве с ними, обогащая науку их опытом.

С каждым годом напряженного творческого труда всего советского народа, с каждой сталинской пятилеткой коммунизм в нашем Отечестве становится все более близким и реально ощутимым.

Великая цель народов Советского Союза — построение коммунистического общества, достижение изобилия материальных и духовных благ для всех трудящихся, для процветания и счастья всего человечества — рождает великую энергию в народных массах. Эта грандиозная цель вдохновляет миллионы людей на замечательные трудовые подвиги, на новые творческие искания, на новые победы советской науки и техники.

Наша великая Сталинская эпоха — эпоха грандиозных открытий и преобразований, совершаемых советскими людьми, — неутомимыми искателями, пытливыми исследователями, упорными тружениками!

Что читать по электронике

Вавилов С. И., Глаз и солнце, Акад. наук СССР, 1950.

Вавилов С. И., О «теплом» и «холодном» свете, Акад. наук СССР, 1949.

Головин Г. И., Ленин и Сталин о радио, Лениздат, 1947.

Иоффе А. Ф. Электрический заряд, Детгиз, 1945.

Корсунский М. И., Атомное ядро, ГИТТЛ, 1950.

Кудрявцев П. С., История физики, т. I, Учпедгиз, 1948.

Лебедев В. И., Исторические опыты по физике, 1937.

Лебедев В. И., Электричество, магнетизм и электроника в их историческом развитии, 1937.

Малов Η. Н. — Радио на службе у человека, Воениздат, 1948.

Мезенцев В. А., Из чего построен мир, Госкультпросветиздат, 1950.

Сборник «Очерки по истории физики в России», Учпедгиз, 1945.

Научно-технический сборник «50 лет радио». Связьиздат, 1945.

Рыбкин Π. Н., Десять лет с изобретателем радио, Связьиздат, 1945.

Шателен М. А., Русские электротехники, ГЭИ, 1950.

Честнов Ф. И., Радио сегодня, Воениздат, 1950.

Научно-популярная библиотечка ГИТТЛ

Гапонов В. И. — Электроны.

Гладков К. А. — Дальновидение.

Данцигер А. С. — Электрическая лампочка.

Жданов Г. С. — Рентгеновы лучи.

3исман Г. А. — Мир атома.

Клементьев С. Д. — Зоркий помощник.

* * *

Схематичный план электронных оболочек атома.

Примечания

1

Дина — единица силы, принятая в физике. Приблизительно равна весу 1 миллиграмма.

(обратно)

2

Индуктивный ток не может возникнуть в разомкнутой катушке, около нее не образуется магнитного поля, и она не мешает движению магнита.

(обратно)

3

Подсчет дан в современных мерах.

(обратно)

4

Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат. 1950, стр. 83–84. Дальтон ввел в пауку понятие об атомных весах.

(обратно)

5

Теперь известно 100 химических элементов, а разновидностей атомов (изотопов) значительно больше.

(обратно)

6

Это число называется числом Авогадро. Число Авогадро, как и многие другие большие или очень малые числа, записано здесь сокращенным способом: 6,023∙1023 означает шесть и двадцать три тысячных, умноженные на десять в двадцать третьей степени, то есть на число, состоящее из единицы и двадцати трех нулей.

Для изображения малых чисел пишут, например, так: 9,1∙10-28 (масса электрона). Это значит 9,1 деленное на десять в двадцать восьмой степени, то есть на единицу с 28 нулями.

(обратно)

7

Ученые того времени сделали правильный вывод из… ошибочных предпосылок. Теперь мы знаем, что у радиоактивных атомов распадаются ядра, в которых электронов не содержится. Они именно родятся в момент распада. И все же в любом атоме действительно есть электроны, только не в ядре, а в оболочке.

(обратно)

8

Теология — «наука» о божестве.

(обратно)

9

В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 334–335.

(обратно)

10

В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 294.

(обратно)

11

В И. Ленин, Соч. т. 14. стр. 133.

(обратно)

12

В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 162.

(обратно)

13

В. И. Ленин, Соч., т. 14. стр. 263,

(обратно)

14

Капельки жидкости электризуются при распылении.

(обратно)

15

И. Сталин, Вопросы ленинизма, Госполитиздат, 11 изд., стр. 543.

(обратно)

16

Атомным весом называется отношение, показывающее во сколько раз вес одного атома химического элемента больше одной шестнадцатой доли веса атома кислорода.

(обратно)

17

То есть заряд по величине равный заряду электрона, но противоположный по знаку.

(обратно)

18

В. И. Ленин, Соч., т. 26, стр. 207.

(обратно)

19

И. В. Сталин, Соч., т. 6, стр. 63.

(обратно)

20

В. И. Ленин, Соч., т. 35. стр. 372.

(обратно)

21

Невидимыми остаются все предметы, размеры которых в 2–3 раза меньше длины световой волны, то есть меньше 0,40—0,75 микрона.

(обратно)

22

В ультрафиолетовом микроскопе увеличенная картина препарата изображается на экране, который светится видимым светом под воздействием ультрафиолетовых лучей или на фотографической пластинке, чувствительной к ультрафиолетовым лучам.

(обратно)

23

В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 265

(обратно)

24

В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 249.

(обратно)

25

И. Сталин, Вопросы ленинизма, 11 изд., стр. 541.

(обратно)

26

Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1950, стр. 141.

(обратно)

27

В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 268.

(обратно)

Оглавление

Глава первая. Электрон заявляет о своем существовании

  Первое знакомство

  Рождение нового слова

  Два рода зарядов

  Ученые возражают

  Еще одно заблуждение

  Электрическое поле

  Ларчик просто открывался

  Единица заряда

  Электричество может течь

  Копилка зарядов

Глава вторая. Ученые догадываются о существовании электрона

  Творец подлинной науки

  Героическая смерть Рихмана

  Движение мельчайших частичек

  Батарея академика Петрова

  Ток проходит через газ

  По стопам великого Ломоносова

  Единство магнитных и электрических явлений

  Через неудачи к победе

  Магнитное поле электрического тока

  Движения магнита рождают ток

  Теория Фарадея встречает возражения

  Решительное слово Ленца

  Появляются новые термины

  Химическое действие тока

  Переправа электрических путешественников

  Разница электрических уровней

  Электротехнические меры

Глава третья. Электрон перестает быть незнакомцем

  Свечение разреженного газа

  Открытие катодных лучей

  Загадочное лучистое вещество

  Подсчет атомов

  Электрон получает признание

  Магнит и луч

  Влияние света на искру

  Свет рождает ток

  Опять непонятная закономерность

  Электроны вылетают из атомов

  Бета-частицы оказались электронами

  Идеалисты переходят в наступление

  Гениальная книга В. И. Ленина

  Материя — не только вещество

  Измерение заряда электрона

Глава четвертая. Пленники невидимой крепости

  Открытие мирового значения

  Периодическая система элементов

  Планетарная модель атома

  Устройство электронных оболочек

  Движение свободных электронов

  Черепашьим шагом

  Скорость сигнала

  Ток, теплота и свет

  Способы освобождения электронов

Глава пятая. Служба свободных электронов

  Недоумение Томаса Эдисона

  Причина гибели лампочек

  Открытие новых лучей-невидимок

  Лучи, не знающие преград

  Непрозрачное становится прозрачным

  Вредное становится полезным

  Применение рентгеновских лучей

  Разведка в мире атомов

Глава шестая. Самый быстрый вестник

  Упрямство швейной иголки

  Особенности колебательного разряда

  Контур — электрический маятник

  Открытый колебательный контур

  Великое русское изобретение

  Самые проворные почтальоны

  В мире радиоволн

  Электронная лампа

  Сетка — третий электрод

  Действия обратной связи

  Рождение русских ламп

  Создание Нижегородской радиолаборатории

  От триода до октода

  Лампа становится генератором

  Шестнадцать разговоров

  «Шепот» звезд

  Хранитель неизменной секунды

  Новые музыкальные инструменты

Глава седьмая. Электрон открывает невидимый мир

  Третий потомок разрядной трубки

  Электронная пушка

  Луч начинает рисовать

  Прибор, показывающий колебания

  Мир невидимых существ

  Измерение размеров вирусов

  Удивительный опыт

  Предел полезного увеличения

  Задачу решают электроны

  Советский электронный микроскоп

  Увеличение в сто тысяч раз

Глава восьмая. Электрон в разреженном газе

  Тепловые источники света

  Потомок прадедовской лучины

  Возникновение электронной лавины

  Свечение разреженного газа

  Победа русского света

  Лампы «черного» света

  Лампа с «дверцей»

  Применение коронного разряда

Глава девятая. Борьба за короткие волны

  Неожиданное открытие

  Контур надо уменьшить

  Электрон недостаточно быстр

  Лампа — морской прибой

  Электронные сгустки

  В вихре магнитного поля

Глава десятая. Современный «Золотой петушок»

  Полет летучих мышей

  Открытие русского ученого

  Сигнал возвращается назад

  Измерение расстояний

  Сквозь тьму и туман

  Первый «разговор» с Луной

Глава одиннадцатая. Свет и ток

  Успехи фотоэлемента

  Служба вторичных электронов

  Зоркие помощники

  Искусственный глаз астронома

  «Великий немой» заговорил

  Говорящие часы

  На все века

  Дальновидение

  Найден правильный путь

  Иконоскоп — электронный глаз

  Луч «читает» изображение

  Приемник изображения

  Телевидение в будущем

  Ночезрительная труба

  В таинственную область Галактики

  Фотоэлементы с запирающим слоем

Глава двенадцатая. В заводских цехах

  Победы творческого труда

  Машины остаются одни

  Частица техники будущего

  Машины с «высшим образованием»

  Электроника помогает математике

  Тайна булатной стали

  Волшебство высоких частот

  Лучше толедских мастеров

  Искусственная электрическая лихорадка

Глава тринадцатая. Впереди еще много открытий

  Успехи электронной теории

  Гениальное предвидение В. И. Ленина

  Электрон — и волна и частица

  «Капли света»

  Единство мира в его материальности

  Электрон неисчерпаем

  Кризис буржуазной науки

  На пользу и славу Отчизны!

Что читать по электронике Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg