Рождение новых понятий
В мае 1752 году в Париже несколькими учеными делались опыты, имевшие целью доказать сходство искусственного электричества, добываемого с помощью различных аппаратов, с электричеством естественным, порожденным грозовыми облаками.
В этих экспериментах применялись железные шесты, установленные на подставках из изолирующего материала. При приближении грозовых облаков шесты электризовались и давали искры на заземленные предметы, длиной в несколько сантиметров.
В июне этого же года Вениамин Франклин в Филадельфии произвел свой известный опыт с воздушным змеем, имевшим металлическое острие, к которому была прикреплена бечева с большим железным ключом, подвязанным к ее нижнему концу. Змей был запущен под грозовую тучу, и из ключа были извлечены электрические искры.
В этом же году опыты по изучению атмосферного электричества проводились великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым и его другом Георгом Вильгельмом Рихманом. Для этих исследований ученые изобрели и построили много остроумных приборов и установок. Часть своих наблюдений М. В. Ломоносов проводил в деревне на специальной установке. На высоком дереве был установлен шест, а к нему с помощью изоляторов прикреплен длинный железный стержень. От стержня была протянута проволока через окно недостроенного помещения и укреплена на выступающей из стены балке. Проволока соединялась с железным аршином, также висящим на балке с прикрепленной к нему нитью.
Лаборатории по изучению молнии явились родоначальницами многих других, созданных в Советском Союзе и описанных ниже. Из своих исследований Ломоносов сделал замечательные научные и практические выводы. Некоторые из них сохранили свое значение и до настоящего времени. В частности, Ломоносов предложил новый способ защиты от молний.
Образование свободных зарядов
Возникновение искры и молнии связано с движением в воздухе электрических зарядов. Носителями электрических зарядов являются атомы вещества. Обычно атом упрощенно изображают в виде положительно заряженного ядра, вокруг которого по круговым орбитам различных радиусов вращаются электроны.
Частицы электричества, вращающиеся на орбитах атома, представляют собой мельчайшие заряды, называемые электронами.
Согласно современным представлениям, атом может находиться в устойчивом состоянии лишь при условии, что его электроны занимают определенные орбиты. Устойчивое состояние атома характеризуется его внутренней энергией. Изменение электрического состояния атома сопряжено с изменением размера орбиты внешнего электрона, радиус которой может принимать только определенные значения.
Потенциальная энергия атома, зависящая от взаимного расположения ядра и электронов, имеет наименьшую величину, когда электрон находится на ближайшей к ядру орбите. Ядро атома водорода, занимающее лишь очень небольшую часть объема атома, получило особое название - протон, что означает первичный.
Движение электронов в атоме подчинено строгим законам: электрон не может ни самостоятельно перебраться на орбиту более удаленную, ни занять место между орбитами.
В нормальном состоянии атома все его электроны находятся на орбитах, соответствующих минимальным, дозволенным количествам энергии.
Прыжок электрона с орбиты меньшего радиуса на орбиту более удаленную может быть вызван, например, ударом в него какой-либо посторонней частицы. Переход электрона на орбиту большего радиуса приводит к увеличению энергии атома на величину, равную разности значений потенциальной энергии электрона на первой и конечной орбитах.
Атом, электрон которого совершил скачок на одну из более отдаленных орбит, называется возбужденным, а энергия, затраченная при этом, называется энергией возбуждения. Она - тем больше, чем больше радиус новой орбиты.
Период жизни большинства возбужденных состояний, при которых электрон находится на орбите, не свойственной для нормального состояния атома, измеряется весьма малыми временами. Переход электрона с новой орбиты на нормальную происходит обычно самопроизвольно. При возврате атома из возбужденного состояния в нормальное выделяется энергия, равная той, которая была затрачена при возбуждении.
Выделение энергии происходит в виде электромагнитного колебания с вполне определенной частотой. Этот процесс знаменуется излучением небольшой порции света, которая называется световым квантом. Энергия кванта в точности равна энергии, которая была сообщена атому налетевшей на него частицей. Кванты, выбрасываемые возбужденным атомом, различаются друг от друга своими энергиями в зависимости от того, на какую орбиту совершил прыжок электрон.
Различные химические элементы имеют неодинаковые структуры электронных оболочек, поэтому возбужденные атомы каждого из них дают особый, свойственный только им свет. Глаз видит свечение различных цветов - пары ртути излучают зеленовато-фиолетовый свет, газ аргон - розовый, неон - оранжевый.
Свойство газов и паров различных веществ давать свечение находит применение для устройства осветительных приборов и, в частности, широко применяется для устройства рекламных объявлений.
Освобождение электронов из атомных систем может происходить различными способами: так, если какая-либо частица (электрон, ион или нейтральная молекула), летящая с достаточно большой скоростью, столкнется с нейтральным атомом или молекулой, может произойти распад частиц на электроны и положительные ионы.
Для осуществления такого процесса необходимо, чтобы кинетическая энергия частицы была больше определенной энергии, характерной для данного газа. Такого рода освобождения электронов из атомов называется ионизацией. Наиболее часто ионизация нейтрального атома происходит при соударении его с электроном, разгоняемым до больших скоростей электрическим полем. Если электрон обладает энергией меньшей, чем та, которая нужна для ионизации атома, он может лишь перевести атом в возбужденное состояние.