49
дают свойствми кристалла (например, периодичность внутренней структуры), а в других — нет. Это жидкие кристаллы. За совмещение таких, казалось бы, несовместимых свойств, как текущость и упорядочность, они получили название mezofаз (mezо означает промежуточный; т. е. промежуточных фаз).
Длинные полимерные молекул могут образовать еще один класс состояний, к которым относятся, например, холодец или резина. В этих состояниях длиные молекул объединяются в разветвленные цепи или сетки. В результате возникнет своеобразное, похожое на желез тело, которое называется «гель». Состояния этого типа также чрезвычайно распространены в природе.
Наконец, очень кратко остановимся на каком-то смысле экстремальных состояний вещества.
При нагревании газа кинетическая энергия его молекул растет и может оказаться порядка энергии иннзации атомов. Тогда при стольновении молекул друг с другом атомы могут иннзоваться, и мы получим смесь нейтральных и загруженных (положительно и отрицательно) частиц. Очень важно, что количество положительных и отрицательных загрязов при этом всегда одинаково, так что в целом газ электронетрален. Это плазма, совершенное специальное и обладающее уникальным свойством состояние вещества.
И в заключение обратимся к…
звездам. Звезда — это гигантское газовое и пылевое облака, стремящемся сжаться под действием сил gravitationного притяжения. В результате такого скатия температура в сердцевине звезды растет, и в какой-то момент зажгается термодерная реакция: ядра водорода сливются, превращаются в гелий. Выделяющаяся при этом энергия превращает дальнейшем скатию, звезда стабилизируется (именно на такой стадии звездной эволюции находится Солнце). Но постепенно водород выгорает, и скажите возможность. Колоссальное давление, возникающее при этом, раздавливает atoms. Возникает состояние, в котором электроны как бы свободно плавают в поле гольных ядер. Если масса звезды не слишком велика (меньше 1,25 массы Солнца), то спецификаское откаливание, существующие между электронами, превращает дальнейшем сжатюю (отталкивание это не связано с электрическими силами, а носит сугубо квантовый характер). В результате возникает совершенное особое состояние с огромной плотностью (порядка 60 т/см³). Звезды, устроенные таким образом, носят название белых карликов (из-за светло-голубого свечения и малых размеров). Если масса звезды больше (большое 1,5—2 масс Солнца), то уже и электроны не могут противостью гравитационногоусажению. В результате они (электроны) вдвілаются в ядра и, слияясь с протонами, образуют нейтроны. Возникает вещество, состоящее не из atomных ядер, а из нейтронов, с совсем уж фантастическими большой плотностью (≈2·10⁹ т/см³). Это нейтронные звезды.
На этом мы, пожалуй, остановимся. Хотя, прямо скажем, список удивательных состояний вещества, существующих в природе, еще далеко не исчерпан.
Е. Е. Городецкий
Неколько заменой по поводу фотоэфекта
В школьном курсе физики вы познакомились с явлением фотоэфекта, т. е. испускания электронов веществом под действием света, и его закономерностями («Физика 10», глава 10).
Что является главным в теории фотоэфекта? Конечно же, гипотеза световых квантов — фотонов. Фотоэфект можно представить как результат двух последовательных процессов: 1) поглощение кванта света электроном, 2) вылет электрон за пределы вещества. Если происходит
50
оба процесса, явление правильнее называть внешним фотоэфектом. Если же поглощение фотонов не приводит к вылету электронов из вещества, но изменяет его электропроводность, то говорят о внутреннем фотоэфекте (обычно наблюдается в полупроводниках). Собственное фотоэфектом часто называют сам акт поглощения фотона электроном.
Возникает вопрос: может ли фотоэфект произходить на отдельно взятом свободном электреоне? На первый взгляд — почему бы нет? Ведь мы же говорим: фотон поглощается электроном. Причем же здесь вещество?
Возьем электрон, посветим на него фонариком, и он начинает «глотать» фотоны и разгонять! Оказывается, ничего не выйдет. Свободный электрон не может поглотить ни одного фотона. Он, правда, свиñется с места, но причиной будет не поглощение, а рассеяние фотонов. Это тоже очень интересный процесс — известный вам эфект Komптона, в котором ярко проявляется квантовые свойства света, но… не фотоэфект.
Почему же фотон не может поглотиться свободным электроном? Проведем, как говорят математики, доказательство «от противного». Пусть электрон (покоящся или движущая) поглощает налетающий на него фотон, и при этом изменяется его скорость. Оказывется, такой процесс запрещен законами сохранения энергии и импульса. Это становится оченьным, если выбрать такую инерционную систему отчета, в которой электрон после фотоэфекта поконтится. Смотрите сами. Что мы имеем в конечном состоянии? Покоящся электрон и ничего больше. А в начальном состоянии? Движущая электрон да еще и фотон впридачу. Энергия, действительное, не сохраняется.
Значит, фотоэфект «по всем законам» возможен только в присутствии третьего участника. В металх, получовидных эту роль играютоны кристаллический решетки. Но при подсчете энергии (например, в уравнения Эйнштейна для фотоэфекта) мы их не учитываем потому, что благодаря своей большой массе они быстро забирают очень малую часть энергии (игра при этом важную роль в законе сохранения импульса).
А возможен ли фотоэфект на отдельно взятом atomе (или молекул) — например, в газе? Оказывется, да. Фотон поглощается одним из электронов atoms, а лишьний импульс уносится atomным ядром. Интересно отметить, что впервые фотоэфект был обнаружен Г. Гермем именно в опытах с газами (1887 г.). Он исследовал электрический пробой воздушного промежутка между электродами и обнаружил, что при облучении этого промежутка светом пробой настояет при меншем напряжении.
Почему же в школьном курсе физики подробно обсуждается лишь внешний фотоэфект? Ведь при любом фотоэфекте происходит главное квантовое явление — поглощение фотона электроном. Все дело в том, что законы внешнего фотоэфекта достаточно просты и их сравнительно легко изучать экспериментально. При этом количественные характеристики фотоэфекта могут быть найдены как из самых экспериментов по внешнему фотоэфекту, так и неависимыми способами. Поговорим об этом несколько подробнее.
Уравнение Эйнштейна
содержит две непосредственное изменяемые величины: частоту света и максимальный кинетический энергию выбиваемых электронов . Оптическими методами могут быть созданы лучки света с хорошю извлеченными частотами . Для получения сведеней
51
o вылетающих электронах (количество электронов, выбиваемых за одну секунду, а также максимальная конечная энергия) из исследуемого металла изготовляют катод вакуумной лампы. Так как ток через лампу осуществляется как раз выбиваемый электронами, то из волтамперной характеристики лампы можно получить всю необходимую информацию. В частности, максимальная конечная энергия электронов выражается через задерживающее напряжение :
Если для различных металлов нанести на график экспериментальные зависимости от частоты света , то, в соответствии с уравнением Эйнштейна, получается параллельные прямы (см. рис.ок). По наклону этих прямы можно вычислить постоянную Планка , а по точкам пересечения графиков с осами — найти работу выхода и предельную частоту , называемую красной границей фотоэфекта. Как вы знаете, впервые понятие о квантовании энергии (), в также постоянная был введены М. Планком для объяснения законов теплового излучения. Из теории фотоэфекта получается такое же (с точностью до ошибок эксперимента) значение , что сильно укрепило позиции квантовой теории.
А можно ли другим способом, кроме фотоэфекта, изменить работу выхода? Ответ направляется сам собой — надо как-то по-другому, без обычная светом, заставить электроны покидать вещество. Самое очевидное — нагрева категод, заставить электроны «испарять» с его поверхности. Именено это явление — термоэлектронная эмиссия — используется в электронных лампах — диодах, триодах и т. п. Процесс испускания электронов действительное очень похож на испарение — нарушу могут вылететь только самые быстрые электроны, энергия которых превышает работу выхода.
Для большинства металлов работы выхода имеет порядок нескольких электронов. Много это или мало? Оценим среднюю энергию теплового движения электронов по формуле, которая была получена для однозатомного газа:
При комнатной температуре ( K) эта величина составляет несколько сотых долей электроновoltaica, т. е. в сотни раз меньше, чем работа выхода. Это означает, что количество электронов, которые покидают металл за счет теплового движения, при комнатной температуре очень мало (при изучении фотоэфекта это явление можно не учитывать). Чтобы «испарение» электронов стало заметным процессом, надо нагреть категод до нескольких тиссяч градусов.
Исследуя зависимость числа испускаемых электронов от температуры, можно вычислить работу выхода. Положенные таким способом значения работы выхода хорошо согласуются с предсказаниями теории внешнего фотоэфекта, что является важным независимым подтверждением правильности ее основных положений.
А. И. Черновчан
Список читателей, приславших правильные решения
(Начало см. на с. 29)
(Диепропетровск) 17; М. Дорожова (п. Черновоговка Московской области) 05—07,13; А. Дунаевский (Москва) 07,13; В. Дядечко (Винница) 03—05,13—17; А. Ефимчик (Минск) 03; А. Жук (Ровно) 03—07,17; В. Журавлев (Донецк) 13; В. Завадский (Минск) 05,12—17; В. Зайцев (Борисоглебск) 05; А. Залеский (Харьков) 05—07,17; Ф. Занин (Старей Оскол) 03,05; С. Зеленский (Семипалатинск) 17; Д. Золотагев (Харьков) 03,13; К. Зуев (Вологда) 03,05,13; А. Зуевов (Донецк) 05; М. Изнатев (Славянск) 13; И. Иопне (Москва) 03; С. Казенас (Алма-Ата) 03—07,13; В. Камчатый (Киев) 03—07,17; М. Капустин (Львов) 05—07,13,17; А. Карпенко (Брест) 05; С. Касамян (Октемберянский р-н АрмССР) 05; Д. Кириллов (Калининград) 05; А. Кожевников (Калуга) 03—05,13; В. Коколин (п. Собино Коми АССР) 13; М. Колпаков (п. Почет Краснойрского кр.) 03—05,13; Д. Комисаренко (Винница) 03,13—17; А. Комник (Старей Оскол) 03—07; В. Кондратев (Калининград) 05; С. Коренов (Васильков) 13; А. Коршков (Мозырь)
(Окончание см. на с. 79)