Объясняя, как излучают нагретые твердые предметы, Планку пришлось ввести в науку понятие о квантах света — фотонах.
Чтобы понять, как действуют фотоны на вещество, поставим опыт. В вакууме помещены две металлические пластины. Соединим их извне проводом с включенным в него гальванометром. На одну из пластин направим свет. В гальванометре появится ток. Его создадут электроны за счет энергии, полученной ими от фотонов. Если в цепь включить батарею Б так, чтобы освещенная пластина была положительным электродом, промежуток между электродами станет проводящим. Фотоны выбивают из положительно заряженной и освещенной пластины отрицательные заряды. С увеличением напряжения между пластинами ток начнет падать и при некотором напряжении станет равным нулю. Это происходит потому, что не у всех отрицательных зарядов, выбитых фотонами из пластины, достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение положительного электрода.
Когда напряжение на положительном электроде достигнет такой величины, что даже самый «быстрый» электрон, выбитый из него фотоном, не дойдет до отрицательного электрода, ток в цепи гальванометра прекратится.
А разве электроны могут быть разными? Быть может, электрон на Марсе отличается от электрона на Сириусе? Или электроны в атоме железа не похожи на электроны, вращающиеся в атомах водорода? Нет. Физики совершенно точно знают, что все электроны, во всем мироздании, повсюду совершенно одинаковы.
Чем же тогда они различаются в атоме? Почему от этого зависят химические свойства элементов? Как периодический закон Менделеева связан со строением атома?
Эти вопросы очень трудны. Хотя они еще не все и не полностью решены наукой, но все же очень много тайн в строении атома уже разгадано. Хотите узнать их? Тогда прочтите внимательно, лучше с карандашом в руках, чтобы самому просчитать все оболочки и орбиты, следующую главу.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике «сидит» в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Участвуя в тепловом движении, атомы раскачиваются и теряют наружные электроны. При нагревании полупроводника в нем увеличивается количество электронного газа, т. е. свободных электронов, способных переносить электрический ток.
Значит, полупроводник при нагревании не уменьшает, как металл, а, наоборот, увеличивает свою электропроводность. В этом заключается важный физический признак любого полупроводникового материала.
Характерна и другая особенность. Оказывается, в полупроводнике переносят ток не только оторвавшиеся от атомов электроны, но и электроны, которые сравнительно слабо связаны с атомами и могут освобождаться под действием тепловых колебаний или под действием электрического поля.
В куске полупроводника, соединенном с полюсами электрической батареи, атомы кристаллической решетки колеблются. Электроны с них срываются, тотчас подхватываются электрическим полем и летят к положительному полюсу. Но в каждом атоме, избавившемся от электрона, остается как бы «свободное место». Оно остается пустым лишь ничтожное мгновение.
Когда я впервые заглянул в ядерный реактор «плавающего типа», т. е. в реактор, в котором урановые стержни погружены в воду, мое внимание привлекло яркое голубоватое свечение, окружавшее стержни. «Смотри, это черенковское излучение»,— сказал мне товарищ. Это излучение было открыто задолго до пуска первого реактора, в 1934 г. в Ленинграде, советским физиком Павлом Алексеевичем Черенковым.
Атомы разреженных газов и нагретых твердых тел, поглощая какую-либо энергию, например световую, могут переходить в возбужденное состояние и отдавать эту энергию в виде светового излучения. Если от момента поглощения этой энергии атомом до его высвечивания проходит какое-то определенное время, то излучение называется люминесценцией.
Изучая люминесценцию солей урана под действием -лучей радия, Черенков обратил внимание, что так же, хотя и значительно слабее, светится вода, в которой этих солей нет. Сначала он предположил, что свечение происходит за счет находящихся в жидкости примесей. Но контрольные опыты не подтвердили это предположение: под действием -лучей одинаково светились любые чистые жидкости. Кроме того, люминесценцию обычно можно «потушить», добавляя в жидкость некоторые соединения, например йодистый калий или азотнокислое серебро. Но излучение, открытое Черенковым, «потушить» не удавалось. Следовательно, это было совсем не люминесценцией. И надо было установить: какова же природа этого излучения?
Гамма-лучи — такие же электромагнитные колебания, как и свет. Только энергия -кванта, например, испускаемого радием, превосходит энергию кванта зеленого света в сотни тысяч раз.