Читаем Покоренная плазма онлайн бесплатно

Осенью 1958 года ученые Москвы готовились к важному событию: в столицу съезжались их коллеги из многих городов страны. Большой отряд профессоров, доцентов, научных работников прибыл из Ленинграда, немало посланцев науки было из Киева, Харькова, Львова, из городов Сибири, Средней Азии, Дальнего Востока. Ехали ученые и из-за рубежа.

Прибыв в Москву, все задавали один и тот же вопрос: как попасть на Ленинские горы, в Университет?

Что за конференция собиралась в стенах прославленного русского университета и почему на нее торопились попасть ученые многих стран?

Конференция была посвящена плазме. Правда, официально она называлась иначе: Вторая Всесоюзная конференция по газовым разрядам. Но даже малоискушенные в науке люди знают, что электрический разряд в газах и плазма — это две стороны одной медали. Там, где возникает разряд, там, как правило, рождается и плазма.

Но что же такое плазма?

С таким вопросом в дни работы конференции обратился корреспондент одной московской газеты к академику Льву Андреевичу Арцимовичу.

Академик Л. А. Арцимович — крупнейший специалист по физике плазмы. Он — лауреат Ленинской премии, удостоенный этой высокой награды за работы по исследованию высокотемпературной плазмы. Чаще эти исследования называются работами по управляемым термоядерным реакциям.

Все это говорит о том, что корреспондент обратился по надежному, верному адресу.

Но ученый был очень занят. Участие в конференции, работа в научно-исследовательском институте, лекции в Университете — все это оставляет мало времени для бесед с журналистами. Поэтому он давал короткие, лаконичные ответы.

Журналист не успел исписать двух-трех страниц в своем блокноте, как академик был увлечен водоворотом новых дел. Извинившись, он исчез.

— Не густо, — пробормотал корреспондент и побрел по длинному факультетскому коридору вдоль застекленных дверей лабораторий.

Тут я его и встретил. Я участвовал в работе «штаба» конференции, обеспечивающего четкую работу всех ее секций, и поэтому бóльшую часть дня находился среди участников.

— Не можете ли вы мне помочь? — спросил меня корреспондент.

— Чем?

— Ну хотя бы порекомендовать популярную книжку о плазме. Поверьте, нелегко писать о научной проблеме, когда ее представляешь только в общих чертах.

Я согласился помочь журналисту.

Не откладывая дела в долгий ящик, я направился в нашу университетскую библиотеку.

А через час пожалел, что так неосмотрительно пообещал корреспонденту достать нужную ему книгу. Я перерыл весь каталог университетской библиотеки, но ничего подходящего не нашел.

В библиотеке имелись толстые книги, посвященные плазме, но это были либо учебники, либо монографии, щедро заполненные математическими формулами. Читать подобные книги может только хорошо подготовленный человек, знающий высшую математику. Моему случайному знакомому журналисту мало что дали бы эти затейливые кривые, многоэтажные формулы и таблицы, которыми были усеяны страницы специальных книг. Ему нужен был простой рассказ о плазме.

Но я не сдавался. Вечером этого же дня побывал в главном каталоге Библиотеки имени В. И. Ленина. И там ждало меня разочарование. Научно-популярных книг о плазме и ее применении не оказалось даже здесь.

Когда я позвонил журналисту и рассказал о своей неудаче, то услышал от него такой ответ:

— Жаль, конечно, что так получилось! Но читатели нашей газеты не могут ждать, когда физики раскачаются написать популярную книжку о плазме. А она так нужна! Ну, а мою беседу с академиком Арцимовичем решили поместить в газете как обычное интервью…

И вот в моих руках газета. В глаза бросается заголовок, набранный красными буквами: «Что такое плазма?» Под ним одна небольшая колонка текста с высказываниями Льва Андреевича Арцимовича.

«Каждому, вероятно, известно, — прочел я, — что все вещества в природе находятся либо в твердом, либо в жидком, либо в газообразном состоянии. А нет ли еще какого нового, четвертого состояния вещества?

Оказывается, есть. В этом случае вещество находится в виде так называемой плазмы…»

И дальше академик Арцимович рассказывает, что такое плазма, перечисляет основные ее применения. Просто, понятно и… коротко.

По четкости мысли, образности изложения, умению выразить сложное через простое чувствовалось, что говорит именно академик Арцимович. Его лекции и доклады мне не раз приходилось посещать.

И все же мне стало немного обидно. Обидно за плазму, за то, что о ней слишком мало говорят и пишут наши популяризаторы науки. А плазма — стóящий герой для научно-популярной книги. Герой со своей обширной историей, богатым настоящим и замечательным будущим. И хотя само слово «Плазма» как обозначение физического понятия живет еще только сорок лет (его ввел в 1923 году известный американский физик И. Ленгмюр), люди давно пользуются ее помощью, ее благами. Целый ряд научных открытий был сделан благодаря тому, что вещества могут находиться в четвертом, плазменном состоянии. Тысячи удивительных машин и приборов работают потому, что в них «впряжена» плазма.

«И очень обидно, — думал я, читая газетную статью, — что о плазме почти не написано книг для рядового читателя, для читателя-нефизика».

И все же не эти размышления заставили меня испробовать перо и начать свой рассказ о плазме.

Наука о плазме сравнительно молода. Но человек уже сумел добиться больших успехов в ее покорении. Однако главные достоинства, главные «козыри» плазмы раскроются в будущем. Сейчас ученые прилагают огромные усилия, чтобы это будущее приблизить, заставить осуществиться раньше.

Для этого нужно, чтобы ряды покорителей плазмы множились.

Кто питает науку новыми силами, новыми энтузиастами?

Молодежь, школа.

Именно для тех, кто молод, кто еще учится сейчас в школе, прежде всего и написана эта книжка.

И если среди ее читателей найдутся такие, которые, перевернув последнюю страницу, заинтересуются удивительным миром четвертого состояния вещества и захотят узнать о нем побольше, я буду считать, что не напрасно написал свой рассказ о плазме.

Две с половиной тысячи лет назад в Древней Греции жил один замечательный ученый. Звали этого ученого Фалес. Родился он не в Греции, а в малоазиатском городе Милете, поэтому современники звали его Фалесом Милетским.

Ученый этот сделал немало открытий в самых различных науках — в арифметике, геометрии, астрономии. Это он первый доказал, что углы у основания равнобедренного треугольника равны между собой, это ему принадлежит доказательство известной теоремы о равенстве треугольников, у которых одинаковы одна сторона и два прилежащих к ней угла.

Славу выдающегося ученого Фалесу принесла, однако, не геометрия, а наука, которой тогда увлекались многие, — астрономия.

В 585 году до н. э. ученый предсказал солнечное затмение. До него никому в Греции не удавалось этого сделать. Фалес первый установил также и то, что год на Земле равен 365 дням.

Все эти открытия, которые для нас являются азбучными истинами, в те времена были большим шагом в познании природы.

Но о Фалесе Милетском я заговорил совсем по другой причине. С именем этого ученого связана легенда, которая имеет отношение к тому, что будет рассказано в этой книжке.

У Фалеса Милетского была дочь. Отец старался воспитать ее старательной и трудолюбивой, поэтому заставлял выполнять всевозможную домашнюю работу: готовить пищу, ткать, наводить в доме чистоту и порядок.

Однажды дочь пряла шерсть. В ее руке ловко кружилось веретено. Веретено было особенное. Оно было сделано не из дерева, а из особой ископаемой смолы светло-желтого цвета — янтаря.

Во время работы к веретену прилипло так много шерстинок, что девушка решила обтереть его шерстью. Но что за чудо? Чем больше терла она веретено, тем больше кусочков шерсти к нему прилипало. Некоторые наиболее легкие шерстинки даже подскакивали к веретену со стола.

О «чуде» дочь рассказала отцу. Тот проверил ее рассказ и приписал янтарю особые силы, способные притягивать шерсть. Эти силы он назвал янтарными. А так как янтарь по-гречески «электрон», то и непонятные тогда и таинственные силы стали называться электрическими.

Так, если верить легенде, было открыто электричество.

Как шло дальше познание природы электричества, известно уже любому восьмикласснику, поэтому я расскажу об этом коротко.

Об электричестве после Фалеса Милетского заговорили лишь в XVII веке, то есть более чем через два тысячелетия. Стали изучать непонятное явление и обнаружили, что такие же свойства, как у янтаря, есть и у других тел — сургуча, каучука, стекла.

Но сразу же «электрические» тела стали удивлять ученых. Пришлось разбить их на две группы, потому что одни тела вели себя как янтарь, а другие — как стекло. Значит, и электричество было двух сортов: «янтарное» и «стеклянное». Позднее заряды, возникающие у янтаря, стали называть отрицательными, а «стеклянные» — положительными.

Ничего не зная о природе электричества, ученые уверенно демонстрировали опыты, в которых наэлектризованные тела словно оживали. Янтарная и стеклянная палочки, подвешенные на нитях, притягивались друг к другу; если же рядом оказывались палочки, заряженные электричеством одного и того же «сорта», например две стеклянные, они взаимно отталкивались.

— Чудеса, — говорили зрители, наблюдавшие за опытами.

Ученые только пожимали плечами. Они знали так мало, что сами были не прочь назвать электричество чудом.

Но никакого чуда не было. Просто тогда наука только начинала выходить из пеленок и еще была не в состоянии объяснить вещи, которые сейчас понятны каждому школьнику.

Давайте ответим на такие два вопроса: как должен был Фалес Милетский объяснить дочери странное поведение янтарного веретена, знай он современную теорию строения вещества? И второй вопрос: что должны были в этом случае рассказывать ученые XVII века во время опытов с заряженными телами?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно заглянуть в глубь микромира, узнать, из чего состоят окружающие нас тела.

Уже в Древней Греции, правда после смерти Фалеса, ученые говорили, что материя, все тела состоят из атомов — мельчайших, абсолютно плотных, неизменяющихся частиц. Друг от друга атомы отличаются только формой. Они — неделимы. Об этой особенности атома говорит само название. Атом по-гречески значит «неделимый».

Сейчас от старых представлений об атоме осталось только название. Наука доказала, что атом — сложное физическое тело, он состоит из различных частиц, каждая из которых обладает своим «характером». В центре атома находится ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. Вокруг ядра вращаются электроны, которые образуют так называемую электронную оболочку атома.

Предположим, мы создали прибор, посмотрев в который, можно было бы увидеть атом вместе с ядром. Чтобы ядро стало видимым, заняв пространство, скажем, в одну десятую миллиметра, прибор наш должен увеличивать в добрый десяток миллиардов раз. Так малó ядро!

Где же в этом случае окажутся электроны? Они будут отстоять от этого увеличенного ядра метров на десять, не меньше. Так велик атом по сравнению с ядром!

Выходит, древние греки ошибались, утверждая, что атом состоит из абсолютно плотной, неделимой массы.

Почему же электроны не улетают, если они так «далеко» отстоят от центра?

Между ядром и электронами существуют силы притяжения. Ядро несет в себе положительный заряд, электроны — отрицательный, а, как известно, разноименные заряды притягиваются. Не «падают» электроны на ядро потому, что они вращаются вокруг ядра. Ведь и Земля не падает на Солнце, хотя испытывает колоссальное притяжение.

Атомы различных элементов не похожи друг на друга. И ядра у них имеют разный заряд и вес, и число электронов у них неодинаково.

Разобраться в этом вопросе будет легко, если посмотреть на Периодическую систему элементов Менделеева. Великий русский ученый составил ее в 1869 году. Все известные тогда элементы он расположил по строгому, научно обоснованному порядку.

На первом месте в этой таблице стоит водород. У него самый легкий атом. Затем идут гелий, литий и другие элементы по мере возрастания их атомных весов.

Современная наука считает: каков порядковый номер того или иного элемента в системе Менделеева, столько и электронов «кружится» вокруг ядра. Значит, у водорода есть всего один электрон, у гелия — два, у лития — три, у неона — десять. Соответственно этому число положительных зарядов ядра неодинаково. Оно точно равно числу электронов.

У электронов, которые непрерывно совершают свой бег вокруг ядер, тоже существует строгий порядок. Как планеты солнечной системы имеют каждая свою орбиту, так и электроны распределены по своим орбитам вращения. Ученые установили, что на ближайшей к ядру орбите может быть не более двух электронов. Остальные, если они есть у атома, располагаются на других орбитах, более удаленных от ядра. На этих орбитах тоже может быть вполне определенное число электронов на каждой.

Я подробно рассказываю о сложном «атомном хозяйстве» потому, что без этого трудно понять, как возникает плазма и почему она (и не только она) излучает свет.

Пожалуй, теперь вы сами можете разгадать тайну электризации янтарного веретена, натертого шерстью.

В самом деле, почему янтарное веретено оказалось заряженным отрицательным электричеством? Очевидно, потому, что у него оказался избыток электронов.

Натирая шерстью янтарь, мы «отбираем» электроны у атомов шерсти и переносим их на поверхность янтаря.

Со стеклом получается иное: натирая его кожей, мы «сдираем» с поверхности стекла электроны. Недостаток электронов в стеклянной палочке тоже сказывается: в ней остается больше положительно заряженных ядер атомов и ведет себя палочка тоже как заряженное тело, но заряженное другим «сортом» электричества.

Из этого разговора можно сделать два важных вывода, которые нам пригодятся, когда мы заглянем внутрь плазмы.

Во-первых, электроны не так уж «навечно» привязаны к своим атомам. При известных условиях их можно отделить.

Во-вторых, если мы у тела или отдельного атома отнимем один или несколько электронов, то «остаток» оказывается заряженным положительно; добавка же электронов сверх положенного делает тело заряженным отрицательно.

Итак, секрет электризации тел нами раскрыт, механизм появления зарядов ясен.