С наступлением темноты мы протягиваем руку к выключателю, и в люстре вспыхивают электрические лампочки...
Кто из нас думает в этот момент, что вспыхивающая лампочка — это величайшее чудо техники? Мы так к этому привыкли, что просто не мыслим себе, что может быть как-то иначе. А между тем, человечество пользуется электричеством чуть больше ста лет, а обходилось без него (если брать только период, когда уже существовали государства) более ста веков.
Но что же такое электричество? Все знают, что оно так или иначе связано с металлами. Действительно, рождается электрический ток в генераторе, основной частью которого является железный сердечник с медными проводами, проложенными в пазах. От генератора к потребителю ток идет по медным или алюминиевым проводам. И наконец в лампочке светится раскаленная вольфрамовая нить. Кругом металлы! Только они могут рождать электрический ток и переносить его на большие и малые расстояния. С открытием этого явления началась новая эра в истории металлургии — металлы стали использовать не только как материал для изготовления различных орудий труда, но и как вещества, скрывающие в себе новые, доселе неведомые свойства, которые можно поставить на службу человеку. Первым из этих свойств и была электропроводность. Чтобы понять физическую сущность этого явления, нам придется еще раз заглянуть «внутрь» металлического тела, в его кристаллическую решетку. И еще дальше — в атом.
Все знают, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Вращаются электроны по строго определенным орбитам, расположенным на разных, тоже строго определенных уровнях — расстояниях от ядра атома. Разные вещества имеют разное количество электронов вокруг каждого атома и, естественно, разное количество уровней. Согласно законам квантовой механики, на каждом энергетическом уровне может быть не больше определенного числа электронов: в ближайшем к ядру — два, в следующем — восемь, затем соответственно — 18,32 и т. д. В самом последнем, внешнем слое может быть не более восьми электронов. Но целиком заполненный внешний слой имеют только инертные газы (кроме гелия: у него всего один слой с двумя электронами). Инертные газы потому так называются, что не вступают в химические соединения ни с какими другими веществами. И это их свойство как раз и определяется восемью электронами во внешнем слое. Это самая устойчивая внешняя электронная оболочка.
В обычном состоянии свободные электроны движутся беспорядочно. Но стоит к концам металлического тела подвести электрическое напряжение, и электронный газ начинает течь в одном направлении. Это и есть электрический ток, который зажигает лампочку в вашей люстре. И для того, чтобы вы могли вечером щелкнуть выключателем, целая плеяда ученых трудилась около двухсот лет.
Началось это в 1752 году, когда американский ученый Бенджамин Франклин открыл, что небесные молнии — вовсе не стрелы, которыми бог карает грешников, а просто гигантские искры. Да и гром во время грозы не от колесницы Ильи-пророка, а просто треск, всегда сопровождающий появление электрической искры. А поскольку искры гигантские, то и треск соответствующей силы. Поняв это, Франклин изобрел громоотвод, спасший неисчислимое количество человеческих жизней. Но обезопасить эту грозную силу природы было мало. Следовало заставить ее служить человеку. Впервые это было сделано пятьдесят лет спустя.
Первый в мире электрический свет вспыхнул в лаборатории молодого русского физика Василия Владимировича Петрова 23 ноября 1802 года. Ученый подвел ток к двум электродам и сблизил их между собой. Тогда между электродами появилась ослепительная дуга. Через восемь лет английский ученый Гемфри Деви повторил это открытие и назвал его вольтовой дугой в честь знаменитого итальянского физика Алессандро Вольта.
От лабораторных опытов до практического применения шаг немалый. И только в 1849 году первая в мире дуговая лампа зажглась на Адмиралтейской игле в Петербурге. Но потребовалось еще 25 лет, прежде чем «русское солнце», усовершенствованное Павлом Николаевичем Яблочковым, начало свое триумфальное шествие по миру. Электрические фонари разгоняли мрак на улицах Лондона, Парижа, Берлина, Мадрида, Брюсселя, Афин, Неаполя. Затем электрические лампы осветили читальный зал библиотеки Британского музея, Гаврский порт, дворцы персидского шаха и короля Камбоджи, рестораны, концертные залы и просто особняки богатых людей.
Однако дуговая лампа была неудобной в обращении. Угли быстро сгорали, их надо было часто заменять. К тому же открытое пламя дуги грозило пожаром. И в том же 1876 году, когда Яблочков сделал доклад в Парижской Академии наук об усовершенствовании им дуговой лампы, витрина одного из магазинов Петербурга была освещена другими лампами — лампочками накаливания. Изобрел их Александр Николаевич Лодыгин значительно раньше Эдисона, которому приписывают это изобретение. Кстати, Лодыгин нашел и лучший материал для нитей своих ламп — вольфрам. У Эдисона вначале была угольная нить.
Сейчас появился третий вид ламп — трубки дневного света. В них свечение порождается потоком электронов, летящих в разреженном газе. Но чтобы создать такой электронный поток, необходимы металлы, способные испускать со своей поверхности электроны.
Впервые это явление — испускание электронов нагретым металлом — обнаружил знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон еще в 1883 году. Но объяснить причины этого явления сумели гораздо позднее. Пока металл находится в холодном состоянии, свободные электроны не покидают его и движутся только внутри кристаллической решетки. Но повышение температуры придает электронам дополнительную энергию, которая тем больше, чем сильнее нагрев. В конце концов электроны разгоняются до такой скорости, что некоторые из них вылетают наружу. И в 1904 году англичанин Джон Флеминг изобрел электронную лампу, основанную на этом явлении. Лампа Флеминга была чрезвычайно проста: в баллон, из которого выкачан воздух, впаяны два электрода. Катод раскаляется электрическим током и начинает интенсивно испускать свободные электроны со своей поверхности. На анод подается напряжение противоположного знака, и электроны «перекидывают мост» через вакуум от катода к аноду. Через лампу начинает проходить электрический ток. Этот принцип лег в основу всех позднейших электронных ламп гораздо более сложной конструкции. Он применяется и в телевизионных трубках, в электронных микроскопах и ряде других устройств.
26 марта 1971 года газета «Правда» сообщила об успешном завершении комплексных испытаний первой в мире советской атомной термоэмиссионной установки с непосредственным преобразованием атомной энергии в электрическую.
Во всех ныне действующих в мире атомных электростанциях атомная энергия преобразуется сначала в тепловую. Это тепло нагревает специальный жидкий теплоноситель. (Теплоносителем может быть не только вода, но и металлы — опять металлы! — например натрий. В этом случае расплавленный металл отдает свое тепло воде, превращая ее в пар.) Этот пар движет турбины, которые в свою очередь вращают роторы электрогенераторов, а те уже вырабатывают энергию. Вот как сложно, а главное, на каждой промежуточной стадии неизбежны какие-то потери энергии.
Действие термоэмиссионного (его называют также и термоионным) преобразователя основано на том же принципе, что и у электронной лампы — на способности металлов в нагретом состоянии испускать со своей поверхности электроны. И устроен он так же просто, как и простейшая электронная лампа — два электрода, разделенные вакуумом. Только катод здесь раскаляется не электрическим током, а энергией ядерного распада. Поток электронов, вылетающих из катода, попадает на анод и течет далее по внешней цепи. Как видите, в термоэмиссионных преобразователях (сокращенно ТЭПы) нет никаких механических движущихся частей, а значит, нет ни потерь на трение, ни износа деталей. ТЭПы могут длительное время исправно работать без систематического ухода и обслуживания человеком, а это очень важно, скажем, для космических источников электроэнергии.
Металлы могут и иным способом превращать тепловую энергию в электрическую. Если спаять две проволоки из разных металлов и место спая нагревать, а свободные концы держать при комнатной температуре или, что еще лучше, охлаждать, то в проволоках появится электрический ток. И он будет тем сильнее, чем больше температурная разница между спаем и свободными концами. Это происходит потому, что концентрация электронного газа, или, образно говоря, его «давление», у разных металлов неодинакова, и «побеждает» тот металл, у которого концентрация электронов больше. Это свойство широко используется в технике, в частности в металлургии, для определения температуры расплавленного металла. В ванну мартеновской или электрической печи, где выплавляют сталь, опускают так называемую термопару — спай двух проволок из тугоплавких металлов. Свободные концы подсоединены к измерительному прибору, который по силе образующегося тока и определяет величину нагрева. Но термопара может найти и гораздо более широкое применение. В частности, она может стать источником энергии в будущем, когда человечество исчерпает запасы природных топлив. Например, если опустить спаянные концы на десятки километров под землю, где всегда высокая температура, то на поверхность непрерывно потечет «даровое» электричество. И не надо будет строить сложных и дорогих электростанций. Правда, для осуществления этой идеи необходимо разработать такие металлические сплавы, которые давали бы электроток большой силы, но это дело будущего.
Оказалось также, что металлы испускают электроны не только под действием тепла, но и под действием света.
Впервые это явление открыл Генрих Герц, а в 1888 году русский физик А. Г. Столетов начал его детальные исследования. Его опыты показали, что свет как бы вырывает из металла электроны. Это совершенно не согласовывалось с физическими воззрениями того времени. Лишь в 1905 году великий физик Альберт Эйнштейн дал этому явлению теоретическое обоснование, предположив, что свет поглощается (и выделяется) веществом не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Эти порции света получили название фотонов.
Падая на поверхность металла, фотоны сталкиваются с электронами и сообщают им дополнительную энергию, которая и дает возможность электронам вырваться за пределы кристаллической решетки. Естественно, чем слабее заполнена внешняя орбита атома, чем меньше на ней электронов, тем легче их «оторвать». В этом смысле наиболее легко «поддающимися» металлами являются те, у которых на внешней орбите всего один электрон. Это — литий, натрий, калий, рубидий, цезий. Технически наиболее удобным оказался цезий. Он в основном и применяется в фотоэлементах, передающих телевизионных трубках, а также в термоэмиссионных преобразователях, о которых мы уже говорили.
С фотоэлементом, прообраз которого создал еще Столетов, мы сталкиваемся сейчас на каждом шагу. Например, в метро. Вы опускаете в автомат 5 копеек и беспрепятственно проходите на эскалатор.
Но попробуйте проскочить бесплатно! Тут же перед вами из пазов выскочат два рычага и преградят дорогу. Командует ими фотоэлемент, расположенный на одной стороне прохода. С другой стороны на него падает луч света от лампочки. Если вы, не заплатив, пересекаете световой луч, мгновенно включается механизм рычагов.
Пока еще коэффициент полезного действия (КПД) лучших преобразователей приближается к 15 процентам. Это значит, что только 15 процентов «уловленной» солнечной энергии превращается в электрическую. Немного? Да, но все же лучше, чем, скажем, у самых последних моделей паровозов, которые ходили по железным дорогам до введения электрической тяги. И ничего, считались хорошими машинами. А что касается преобразователей, то еще в 1930 году КПД первых полупроводниковых элементов не превышал сотой доли процента, и ученые мечтали, чтобы он «перешагнул» хотя бы за один процент. А теперь они рассчитывают в относительно скором времени довести КПД не менее чем до 25 процентов. Когда-нибудь раскаленные пески наших среднеазиатских пустынь покроются огромными «полотнищами», из которых на солнце будут смотреть миллионы глаз-фотоэлементов.
Но это в будущем. А сейчас все большее значение приобретают атомные электростанции, в которых металлы тоже играют главную роль.
Первой «жертвой» атомной бомбы стал... американский писатель-фантаст. Причем самой бомбы тогда еще и в помине не было. В 1941 году Роберта Хайнлайна вызвали в федеральное бюро расследований — учреждение, которое, как известно, шутить не любит,— и по всей форме предъявили обвинение... в государственной измене. Ошеломленному писателю объявили, что в своем романе «Злосчастное решение» он разгласил государственную тайну, не только подробно описав создание атомной бомбы на основе урана-235, но и выдав планы его использования для завершения второй мировой войны... От тюрьмы Хайнлайна спасло лишь то, что роман он написал в 1940 году, когда работа над атомной бомбой еще не начиналась.
Второй «жертвой» атомной бомбы стал... еще один американский писатель-фантаст Картмилл. В рассказе «Мертвый коридор», опубликованном в 1944 году, он описал даже устройство бомбы, причем настолько точно, что его немедленно арестовали.
Не нужно удивляться чиновникам из ФБР, которые никак не могли поверить, что обыкновенный писатель способен самостоятельно додуматься до тщательно охраняемых государственных секретов. Достаточно вспомнить Жюля Верна, предсказавшего множество технических новинок, которые считали чепухой даже виднейшие ученые того времени. Так и с атомной бомбой. Даже Эрнест Резерфорд — родоначальник исследований атомного ядра — заявил однажды, что люди, толкующие о получении атомной энергии в больших масштабах, говорят вздор. Такой же точки зрения придерживались вначале и Нильс Бор, и Альберт Эйнштейн, и ряд других крупных ученых. И если правы оказались не они, а писатели-фантасты, то в этом ничего обидного для ученых нет. Просто ученые скованы реальными фактами, в то время как писатели, уловив общую тенденцию развития той или иной отрасли науки, имеют право дать волю своей фантазии, которая, кстати говоря, далеко не всегда попадает в цель. Если скрупулезно подсчитать количество сбывшихся и несбывшихся предсказаний фантастов, то придется удивляться как раз тому, как много их не сбылось...
В конце концов, несмотря на неверие многих ученых, атомная бомба была создана и один раз использована в военных целях — в 1945 году американцы сбросили две бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки. Весь мир содрогнулся, узнав, какое страшное оружие появилось на Земле. Сбылось мрачное пророчество Пьера Кюри, который сказал при вручении ему и Мари Склодовской-Кюри Нобелевской премии: «Нетрудно предвидеть, что в преступных руках радий может сделаться крайне опасным, и кот возникает вопрос: действительно ли полезно для человечества знать секреты природы, действительно ли оно достаточно зрело для того, чтобы их правильно использовать, или это знание принесет ему только вред?»
Пьер Кюри ошибся только в одном: в атомных бомбах применяется не радий, а уран и другие радиоактивные металлы. Радий — очень редкий элемент. Получение его так трудно и дорого, что о промышленном использовании пока не может быть и речи.
Атомный взрыв работает сейчас в мирных целях. С его помощью гасят газовые и нефтяные пожары, создают подземные резервуары, вскрывают пласты полезных ископаемых, прокладывают дороги... Но главное применение атома в наши дни — получение электрической энергии. 27 июня 1954 года в печати появились сообщения о том, что первая в истории человечества промышленная атомная электростанция начала работать в Советском Союзе. В качестве «горючего» в ней применялся металл уран. Вернее, его изотоп уран-235 (изотопами называют вещества, имеющие одинаковые химические и почти одинаковые физические свойства, но разный атомный вес).
Чистый уран имеет серебристо-белый цвет и внешне очень напоминает сталь. Это мягкий и очень тяжелый металл. Он в два с половиной раза тяжелее железа.
Уран — чрезвычайно химически активный элемент. При нагревании он загорается. Легко соединяется со многими веществами. Он вступает в химическую реакцию даже с водой, имеющей комнатную температуру. С горячей же водой он реагирует очень бурно. Вот почему получить чистый уран в обычных условиях невозможно: он тут же вступит в реакцию с парами воды, всегда имеющимися в воздухе. Нужны специальные заводы. И в ряде стран некоторые из них расположены... под землей. А в цехах не воздух — искусственная атмосфера из инертного газа. Разумеется, люди этим газом дышать не могут и работают в костюмах космонавтов. Кстати, подобные заводы созданы и для получения некоторых особо чистых материалов, например полупроводников.
Работа с ураном требует большой осторожности не только из-за его радиоактивного излучения, но и потому, что его химические соединения очень ядовиты.
Мы уже говорили в этой главе, как работает атомный реактор. Теплоноситель нагревает воду, та превращается в пар, пар движет турбины, турбины вращают электрогенераторы, которые и вырабатывают электроэнергию... Но, несмотря на всю эту сложность, атомные электростанции в настоящее время — наиболее реальная надежда человечества: они позволяют сберечь ценные полезные ископаемые, из которых на химических заводах изготовляют тысячи самых разнообразных продуктов — от нежных духов и лекарств, до мощных взрывчаток. Особенно перспективны так называемые реакторы на быстрых нейтронах, работающие на уране с атомным весом 238, который составляет основную массу природного урана.
