Покоренная плазма

И вот в дьюарах — специальных сосудах с двойными стенками — жидкий азот путешествует с завода, где его получили, к различным потребителям. Нужен он и в лабораториях, где занимаются изучением плазмы. Например, для вымораживания паров ртути из разрядных трубок, куда эти пары попадают при работе ртутных насосов.

Твердые тела тоже неохотно расстаются со своим состоянием. Если кусок олова превращается в жидкость при температуре 232 градуса выше нуля, то медь начинает плавиться только при 1073 градусах.

Люди давно научились превращать вещества из одного состояния в другое. Научились и умело этим пользуются. Вспомните, как оловом паяют различные детали. Зачистят место стыка, покроют расплавленным металлом, и тот, затвердев, прочно соединяет детали.

Каждому из нас приходилось видеть, как продавщицы мороженого достают из бело-голубых ящиков любимое лакомство, завернутое в бумагу. Несмотря на жару, мороженое не собирается «раскисать», переходить из твердого состояния в жидкое. Почему? Загляните в ящик, и вы увидите куски дымящегося сухого льда, которым переложены пачки мороженого. Это углекислота — бесцветный газ, который при «морозе» 78,9 градуса превращается в лед. Испаряясь, он забирает от мороженого тепло, не дает его температуре повыситься.

Это пример того, как твердое вещество может превращаться в газ, минуя жидкое состояние.

Что же изменяется при переходе веществ из одного состояния в другое? Состав вещества? Нет. Он остается прежним. Молекулы льда, пара и обыкновенной воды одинаковы. Газообразная двуокись углерода и сухой лед имеют одинаковый химический состав. В чем же дело?

Ответ на этот вопрос можно найти, если разгадать, как молекулы вещества взаимодействуют друг с другом.

Вот перед нами книга, стакан, ножницы — целый набор твердых предметов. Почему молекулы, из которых они состоят, не рассеиваются в воздухе, а сами предметы не рассыпаются, как домики, сделанные детьми из песка? Задумывались ли вы над этим вопросом? А вот и ответ на него, который дает физика: молекулы твердых тел прочно «держатся» друг за друга, между ними существуют так называемые силы сцепления, зависящие от строения и свойств атомов. И хотя для ученых в этом вопросе остается еще мною невыясненного, бесспорно одно: силы сцепления есть, причем у твердых тел они велики, и именно им обязаны твердые тела своей прочностью, способностью сохранять форму.

У большинства твердых тел молекулы располагаются в определенном порядке. Этот порядок назван кристаллической решеткой вещества. Но это не значит, что молекулы и атомы, из которых построено твердое тело, неподвижны. Нет, они все время колеблются, только размах этих колебаний невелик.

В жидкостях — воде, спирте, бензине, растительном масле — «дисциплины» меньше. В них молекулы тоже довольно крепко «держатся» друг за друга, но ведут себя иначе: если в твердом теле их можно сравнить со стройными шеренгами спортсменов на параде, то в жидкости они похожи на неорганизованную толпу. Здесь они беспрестанно движутся, снуют туда-сюда, хотя каждая из них, находясь в непосредственной близости от соседних двух-трех молекул, постоянно испытывает их притяжение. Стоит открыть кран, и жидкость потечет из сосуда: силы притяжения между молекулами не смогут преодолеть сил тяжести.

Близость молекул друг к другу в твердых телах и жидкостях облегчает переход электронов от одного атома к другому, соседнему. Если это происходит легко, то тело ведет себя как проводник тока, и наоборот, если электроны с трудом отрываются от атомов, то тело является изолятором.

Среди твердых и жидких тел, которые, как мы выяснили, имеют «тесное» расположение молекул, много металлов, являющихся хорошими проводниками электричества. В металлах много свободных электронов, которые с приложением сил электрического поля начинают двигаться «гурьбой», образуют ток.

У жидкости и твердых тел есть один общий признак: если их сжимать или нагревать, плотность их меняется мало. Почему? Все потому, что молекулы у этих тел расположены сравнительно близко друг от друга и силы, которые держат их вместе, достаточно велики, поэтому изменить расстояние между молекулами намного не удается. Нагревая твердое тело, можно заставить молекулы совершать большие колебания и даже превратить это тело в жидкость, но объем при этом все равно изменится мало.

Совсем другое дело — газы. Если откачать из стеклянного баллона 99,99 процента всего газа, то оставшиеся молекулы равномерно распределятся в предоставленном объеме. Плотность газа может уменьшаться неограниченно. Проверить это может каждый. Откройте флакон одеколона или духов и отойдите в противоположный угол комнаты. Вскоре вы почувствуете запах духов: испарившись, они заполнили всю комнату. Но в то же время трудно будет заметить, что уровень жидкости во флаконе изменился.

В чем причина такого поведения газов?

По-прежнему в силах сцепления между молекулами. У газов эти силы тоже есть, но они очень малы, потому что молекулы газа расположены друг от друга значительно дальше, чем в жидкостях и твердых телах.

В воздухе, например, молекулы так далеки друг от друга, что между двумя соседними молекулами можно поместить их еще десяток. Поэтому-то они так легко «разбегаются» в разные стороны.

Нужно обратить внимание еще на одно свойство тел в третьем, газообразном состоянии: все они при обычных температурах не проводят электричества; иными словами, газы — хорошие изоляторы.

Понять это тоже нетрудно. Молекулы газа находятся далеко друг от друга, и электронам, этим мельчайшим носителям электричества, трудно оторваться от своих атомов.

«А металлы, — могут спросить меня, — не перестанут быть проводниками, если их испарить?»

Оказывается, перестанут. Превратившись в газ, они «отказываются» пропускать через себя электрический ток. Такое поведение объясняется увеличением расстояния между атомами, благодаря чему заряды не могут передаваться от одного атома к другому.

Вот мы и познакомились с тремя состояниями вещества, уяснили основные черты их характеров.

Теперь настало время начать разговор о главном действующем лице нашей книги — о плазме.

Люди давно научились делать сами многое из того, что есть в природе в готовом виде.

Потребовалось заложить фундамент для нового дома — делают бетон. Для этого нужны цемент, песок, щебень и вода. Искусственный камень — бетон вполне заменяет природный, например, гранит.

Раньше люди одежду делали из волокон растений или шерсти животных. В наше время на химических заводах вырабатываются тонны искусственного волокна, шерсти и кожи. По качеству они нередко бывают даже лучше естественных.

Или возьмем электричество. В природной «кухне» его немало. Но человек не собирает его из атмосферы, не ждет, когда начнется гроза, а получает его миллиардами киловатт-часов на тысячах электростанций. И здесь разум людей сумел превзойти природу. Есть в природе и плазма — вещество в четвертом состоянии. Но стоит ли гоняться за природной плазмой — тем более, это дело нелегкое, — если можно получить плазму искусственную? Не стоит.

Все знают, что для того, чтобы изготовить что-нибудь, нужны, кроме умения, еще материал и инструмент.

Посмотрите на рисунок. На нем изображено все необходимое для получения плазмы (стр. 21).

Предположим, мы решили получить плазму в «закупоренном» виде. Для этого из стекла делается разрядная трубка — баллончик, чаще всего цилиндрической формы. В противоположных концах трубки смонтированы электроды — кружочки, которые делаются из листа меди, никеля или вольфрама. Две вольфрамовые проволочки, на которых висят электроды, выходят через стекло наружу.