ПОКОРЕННЫЙ ЭЛЕКТРОН
Космические корабли, полеты во Вселенную — это пока еще фантастика. Но космические скорости уже перестали быть достоянием одних только астрономов. Они стали достоянием инженеров.
Мир сверхвысоких скоростей завоеван техникой нашего века. Особый, чудесный мир!
Бесконечно мал он, но и велик в то же время. Говоря словами поэта:
Еще, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет,
Там — все, что здесь в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь…
В нем мы имеем дело с гигантскими скоростями, с огромными числами оборотов и колебаний в секунду.
Нам невидим этот мир ничтожно малых расстояний, ничтожных промежутков времени, ничтожных масс…
Но невидимый мир малого в руках человека делает большие дела. Нам удалось создать машины, работающие со сверхвысокими скоростями.
Благодаря им стали возможны многие достижения техники наших дней — радиолокация, телевидение, рентгеноскопия, микроскоп с увеличением в 100 тысяч раз и телескоп, с помощью которого можно заглянуть в неведомые глубины Вселенной, «машинная» математика, чудесные станки-автоматы и автоматы-контролеры…
Они стали возможны потому, что мы научились управлять невидимым потоком электронов, — мельчайших электрических частиц.
Разве можно построить машину, части которой двигаются со скоростью нескольких десятков тысяч километров в секунду? Машину, которая выполняла бы наши желания мгновенно, как мысль?
То, что дали нам электронные приборы, открыло совершенно необыкновенные возможности.
Увидеть невидимое — мир далеких звезд и мир молекул. Увидеть то, что, казалось бы, самой природой, по самой сущности вещей, навсегда скрыто от наших глаз.
Слышать на расстоянии многих тысяч километров. Передавать изображения по радио и телеграфу. Послать радиосигнал на Луну и получить отраженный сигнал, который точно ответит на вопрос, как далеко до нашего спутника. Наблюдать дожди и грозы за десятки километров. Уверенно вести корабли на море и самолеты в воздухе — ночью, в тумане, в облаках, в любую погоду.
Мгновенно решать сложнейшие математические задачи, узнавать, что делается в недрах металла, в деталях самых быстроходных машин, — не разрушая металл, не останавливая машины.
В тысячу раз быстрее сушить древесину. В тысячу раз быстрее разведывать залежи железных руд. В тысячи раз быстрее узнавать все свойства металлов и сплавов.
Управлять сложнейшими химическими превращениями, идущими с колоссальной быстротой, работой станка-автомата, проверять готовые изделия так точно и быстро, как не может самый лучший человек-контролер.
У электронных приборов необыкновенные «органы чувств». Они могут «уловить неуловимое»: электрический ток такой слабый, что его не замечают обычные наши приборы; тепло, излучаемое человеческим телом, — на расстоянии почти в пол километра; малейшее изменение яркости света — гонца из недр вещества и из глубин Вселенной; промежуток времени в миллионную долю секунды; колебания с частотой в миллиард раз в секунду…
Вес и размеры электронных приборов очень малы. Они работают бесшумно. Ими легко управлять, их легко регулировать. Они совершают чудеса. Крохотный прибор может «повелевать» огромным механизмом, следя за работой и управляя ею: электронные приборы усиливают передаваемую мощность в миллиарды раз…
Советские ученые и инженеры одержали немало побед в области электроники.
О ней теперь пойдет у нас речь.
Сколько хитроумия, изобретательности, тонкого искусства экспериментатора, сложных теоретических расчетов, опытов вложено в победы над микромиром!
Физика взвесила и измерила, изучила частицы, размеры которых так исчезающе малы, что воображение отказывается себе их представить, что цифры уже теряют свою осязательность. Только аналогия из привычной нам обстановки дает представление о них. Говорят что-то в таком роде: надо представить себе атом водорода величиной с большой зал, для того, чтобы электроны сделались едва заметными глазу — с точку, которую вы видите в конце этой фразы.
Настоящую же величину частичек из атомного мира бессильно представить наше воображение. И тем более ярко выступает перед нами мощь современной науки. На практике убеждаемся в правильности ее заключений о том, что недоступно нашим чувствам.
Когда мы слушаем радио или видим звуковой кинофильм, когда радиолокатором «достаем» до Луны, когда в десятках различных приборов послушно работает покоренный электрон, — это ведь торжество науки. Без нее невозможны все эти удивительные достижения техники.
Достижения электроники. 1. Электронный микроскоп дает увеличение в 100 тысяч — 200 тысяч раз, что позволяет видеть частицы размером до одной миллионной доли сантиметра — крупные молекулы. В оптический микроскоп, дающий увеличение до 2 тысяч раз, нельзя увидеть частицы, которые меньше двух стотысячных долей сантиметра. 2. Телевизор с электронной разверткой дает изображение из полумиллиона элементов и в ближайшем будущем сможет дать из полутора миллионов, что соответствует яркой, четкой проекции на киноэкране. Телевизор с механической разверткой давал изображение, состоящее из 19 200 элементов. 3. Электронная счетная машина может рассчитать траекторию метеорита быстрее, чем он летит от границ атмосферы до Земли. Арифмометр закончил бы такой расчет намного позднее. 4. Сверхвысокочастотные электронные лампы позволяют получать электромагнитные колебания частотой в десятки миллиардов в секунду. Машинные генераторы давали ток с частотой до 30 тысяч колебаний в секунду. 5. Электронный осциллограф (прибор для записи колебаний) регистрирует колебания с частотой до миллиарда в секунду. Осциллограф другой системы записывает колебания с частотой не более 10 тысяч в секунду. 6. В бетатроне — ускорителе заряженных частиц — электроны разгоняются до скорости, которая лишь на 0,03 процента меньше скорости света. Скорость снаряда дальнобойного орудия — около 1,5 километра в секунду. 7. Электронные приборы — реле — могут включать электрическую цепь в миллионные доли секунды. Электромагнитное реле срабатывает за тысячные доли секунды. 8. Радиолокатор обнаруживает самолет на расстоянии 10 километров за 0,00007 секунды. Звукоулавливателю понадобилось бы 30 секунд, а за это время современный скоростной самолет успеет пролететь около 10 километров.
Заглянем сейчас внутрь электронных приборов.
Основа электронной машины — электрон. Эта мельчайшая частичка материи чрезвычайно легка. 27 нулей нужно поставить в дроби после запятой перед первой значащей цифрой, чтобы написать, какую долю грамма весит электрон. В миллиардной доле грамма больше миллиарда миллиардов электронов!
Электрон — самый маленький электрический заряд. Электроны могут не только кружиться вокруг ядра в атоме, как планеты вокруг Солнца.
Ракета, преодолев притяжение Земли, путешествует между планетами. Победив притяжение Солнца, она перестает быть членом нашей солнечной системы и устремляется в глубины Вселенной, в далекий космический рейс.
Скорость, быстрое движение помогает ей разорвать оковы тяжести.
Электроны, которые непрочно удерживались ядром атома металла, освобождаются от него. Они становятся свободными, перестают быть спутниками ядра, членами его системы. Если скорость их достаточно велика, они побеждают притяжение электрических сил заряженных атомов и становятся свободными не только от своего «родного» атома, но и от всех атомов металла.
Как получить такие быстрые электроны? Что может заставить электроны покинуть металл?
Нагрев, высокая температура.
Теплота — это движение, и чем больше нагрет металл, тем быстрее двигаются его частицы, атомы и электроны.
Сначала немного, а потом все больше электронов срывается с поверхности. Возникает поток электронов, лавина электрических частиц.
Они невидимы, но дают знать о себе. Бомбардируя экран, покрытый слоем сернистого цинка, они заставляют его светиться. На светлом фоне экрана со слоем хлористого калия под ударами электронов появляются темные пятна.
Впрочем, так будет при одном условии: если электроны полетят в пустоте. В плотном воздухе или газе им не удастся добраться до экрана — движению помешают встречные газовые частички. И потому раскаленный металл — источник электронов — помещают в баллон, из которого выкачан воздух. Если в баллоне еще остается разреженный газ, то электронная лавина бомбардирует атомы газа.
Бомбардировка эта производит переполох в атомном мире. В него-ворвалась заряженная частица — быстро летящий электрон. Конечно, попасть в ядро такому электрону невозможно, его энергии недостаточно, чтобы прорваться к сердцу атома. Но тем не менее, в атоме происходят крупные события.
Влетевший электрон принес энергию. Это не может не отразиться на состоянии атома. Он возмущен вмешательством. Ведь там, в атомном мире, существует строгий порядок. По вполне определенным путям — орбитам — и только по ним разрешается двигаться вокруг ядра его спутникам-электронам. Однако они могут перескакивать с одной орбиты на другую. Энергия, принесенная извне, и помогает им это сделать.
Но даром такой прыжок для атома не проходит, ибо каждый электрон обладает совершенно определенной энергией, своей для каждой орбиты. И прыжок электрона на другую орбиту сопровождается изменением его энергии: излишек ее должен уйти. Он и уходит в виде излучения, света. Потрясенный, как говорят физики, возбужденный, атом испускает свет. Он стремится вернуться к прежней, «спокойной» жизни. Свечение атома сигнализирует нам об этих потрясениях.
Вот, кстати, почему светится раскаленный газ. Его атомы быстро двигаются, сталкиваясь между собою, их энергия увеличивается и становится достаточной, чтобы при столкновении происходили перескоки электронов с орбиты на орбиту. Попав на другую орбиту, электрон тотчас же стремится перейти на орбиту, ему разрешенную, избавившись от излишка энергии, которую он получил. Излучается порция световой; энергии — квант, излучается свет, характерный для атома данного газа. Все это происходит, разумеется, в невообразимо малые доли секунды.
И электрический ток, поток электронов в разреженном газе, также возбуждает его атомы.
Под ударами электронов газ начинает светиться. Красным, зеленым, синим цветом светятся надписи реклам. Белый свет, напоминающий солнечный, дают «лампы дневного света».
В электронных приборах удается сейчас достигнуть разрежения в тысячемиллиардную долю атмосферы! Такая пустота господствует далеко за пределами атмосферы, в межпланетном пространстве.
Она нужна в электронном приборе для того, чтобы расчистить дорогу электронам. Ведь и при давлении в миллион раз меньше атмосферного каждый кубический сантиметр пространства содержит еще около 10 тысяч миллиардов молекул воздуха.
Только в почти идеальной пустоте, при очень глубоком вакууме свободным электронам открыта свободная дорога.
Но источник электронов (его называют катодом) и глубокий вакуум еще далеко не все, что нужно для создания электронного прибора.
Потоком электронов необходимо еще управлять, ускорять его движение, изменять направление. Как же это сделать? Как повелевать частичками, которые в сотни тысяч раз меньше атома?
Здесь приходит на помощь сама природа этих частичек, мельчайших зарядов отрицательного электричества. Разноименные заряды притягиваются, а одноименные — отталкиваются. Значит, электричеством можно управлять — электричеством же.
Поставив на пути электронного потока положительно заряженный электрод (его называют анодом), мы заставим электроны двигаться быстрее, потому что анод будет их притягивать. Невообразимо мал и легок электрон. Потому и можно разогнать его электрической силой до чудовищных скоростей в десятки тысяч километров в секунду.
Инженер Г. Прудковский приводит следующий интересный пример. Чтобы переместить грамм массы детали какой-нибудь машины на один миллиметр в течение одной миллионной доли секунды, нужно усилие в 200 тонн. Для сравнения: при выстреле из артиллерийского орудия пороховые газы давят на снаряд с силой всего около 10 килограммов на каждый грамм его веса.
Напряжение в один вольт действует на ничтожно малый электрон с ничтожной силой. В пересчете же на грамм массы эта сила составляет около 2 миллионов тонн! Расстояние в один сантиметр между катодом и анодом электрон пролетает за 4 стомиллионных доли секунды. Его скорость — 600 километров в секунду. Увеличивая напряжение между катодом и анодом, можно электрон заставить двигаться еще быстрее. Так, при напряжении в 1 000 вольт скорость достигнет 18 тысяч километров в секунду. Тогда полет электрона займет всего одну миллиардную долю секунды.
Электроны в наших приборах соперничают в скорости со светом.
Физика учит, что при больших скоростях, сравнимых со световой, действуют особые законы. Масса начинает расти с увеличением скорости. И действительно, электрон разогнанный до скорости, скажем, 50 тысяч километров в секунду, весит уже несколько больше, чем весил он до начала движения — примерно на 2 процента.
Ученые получают и еще большие скорости электронов. Поток быстрых мельчайших частичек, разгоняемых электрическими силами, стал в руках человека мощным орудием для бомбардировки атомного ядра, орудием для изучения атомного мира.
В ускорителях заряженных частиц удается приблизиться к скорости света. Именно в них получена скорость, которая почти равна световой, — меньше ее всего лишь на три сотых доли процента. Это самая большая скорость, которую человек получил искусственно на Земле.
Чтобы заставить электроны нестись вдогонку за светом, их разгоняют, пользуясь электрическими и магнитными силами. Электрон, подхлестываемый ими, сотни тысяч раз проносится по своей круговой орбите в своеобразной электромагнитной «карусели». За ничтожное время он успевает пробежать по кругу путь в тысячу с лишним километров. С каждым новым оборотом набирает электрон скорость, которая к концу разгона и получается столь чудовищно большой.
А большая скорость — это большая энергия. Получившие огромную энергию, частицы, как снаряды какой-то сверхмощной артиллерии, вторгаются в недра атома. Эти «возмутители спокойствия» выбивают из его ядра отдельные частицы. Ядро одного элемента превращается в ядро другого. Один элемент превращается в другой.
Еще сравнительно недавно 92-м элементом заканчивалась таблица Менделеева. Сейчас в ней 100 элементов. Искусственно получены новые, неизвестные нам раньше элементы.
Познание атомных превращений, управление ими — вот что дают сверхбыстрые машины, где работают потоки заряженных частиц.
Из глубины Вселенной приходят на Землю космические лучи. Они врываются в земную атмосферу, сокрушая частички воздуха на своем пути, выбивая из них электроны, а иногда даже разрушая ядра атомов. Целую лавину сложнейших превращений в атомах и молекулах вызывают космические частицы.
Лауреат Сталинской премии профессор Я. П. Терлецкий высказал и обосновал предположение, что во Вселенной есть «космические циклотроны» — звезды, которые, вращаясь, создают магнитную карусель. Так космические частицы разгоняются чудовищными электромагнитными силами до огромных скоростей, запасаются энергией для далеких путешествий, для атаки атомных миров.
Мы думаем сейчас о том, чтобы на Земле получить искусственные космические лучи, чтобы еще глубже проникнуть в тайны микромира, в самую неприступную крепость природы — атомное ядро.
Электроны, разогнанные электрическими силами, летят с космической скоростью в межзвездной пустоте, созданной и заключенной нами в электронном приборе, — маленьком «кусочке Вселенной», искусственной космической лаборатории на Земле.
Что же будет, если на пути лавины электронов, несущихся с космической скоростью, встанет препятствие? К чему приведет удар электрона — маленького сверхбыстрого снаряда из атомного мира?
Оказывается, энергия движения внезапно заторможенного электрона переходит в энергию излучения. Возникают невидимые глазом, но проникающие глубоко в недра вещества, лучи. Они, в свою очередь, способны проникнуть далеко в глубь микромира.
Бетатрон — ускоритель заряженных частиц.
Но даже если электроны и не обладают космическими сверхскоростями, а летят с «небольшой» скоростью в тысячи километров в секунду, — при ударе их о препятствие также рождаются невидимые лучи.
Эти невидимые — рентгеновские — лучи позволяют заглянуть в невидимое.
Последние достижения рентгенотехники открыли перед нами новые, необыкновенные возможности.
Нетрудно сделать рентгеновский снимок с неподвижного предмета. Лучи Рентгена действуют на специальную пленку, как и обычные световые лучи на фотопластинку. Они по-разному проходят через разные предметы, и пленка темнеет по-разному в разных местах. На рентгеновском снимке можно поэтому отчетливо увидеть кости скелета человека, монеты в кошельке, трещину или раковину в слитке металла, старое изображение под слоем новой краски на картине.
Но как сделать рентгеновский снимок с предметов, которые движутся с огромными скоростями? Как заглянуть внутрь детали работающей быстроходной машины? Ведь при этом, как и при высокоскоростных процессах, иной, чем обычно, счет времени — не секунда, а милли- и микросекунда, тысячная или даже миллионная доля секунды — такова там мера времени.
За время выдержки, которая нужна при съемке и исчисляется обычно секундами или минутами, успевает совершиться очень многое. В «обычном» мире момента, мгновения достаточно, чтобы заснять быстрое движение, а в мире сверхвысоких скоростей этого сделать нельзя.
«Моментальной фотографии» не может быть там, где «момент» — большое время.
Советские ученые сумели создать «моментальную» фотографию для процессов сверхвысоких скоростей.
Вместо того чтобы пропускать через рентгеновскую трубку поток электронов длительное время, его пропускают лишь миллионные доли секунды. Этой вспышки, «импульса» в трубке достаточно, чтобы лучи прошли через предмет, достигли пленки и дали на ней изображение. Время выдержки сокращается примерно в 2 миллиарда раз!
Разработали специальные «импульсные» рентгеновские трубки, с помощью которых на рентгенограммах можно увидеть то, что ускользало от нашего глаза до сих пор.
Как вырываются, пороховые газы из дула винтовки, когда пуля подходит к его концу? Как изменяется форма пули в полете? Как проникает бронебойная пуля в броню? Как происходит взрыв бомбы? Как сильно при мгновенной большой нагрузке растягивается металл?
Можно увидеть, что делается в частях быстро вращающейся турбины, центрифуги, сверхскоростного электромотора и воздушного компрессора.
Электронограф.
Импульсная рентгенография становится новым могучим средством изучения мира больших скоростей. Новые, совершенные типы импульсных рентгеновских трубок построены лауреатом Сталинской премии, научным сотрудником Академии наук СССР В. А. Цукерманом.
Пучок электронов оказывается в наших руках орудием, открывающим дорогу в тайники вещества. Советские ученые создали новую отрасль электроники — электронографию, которая теперь все шире и шире применяется в технике.
Проходя через тончайшую пленку металла, пластмассы или другого вещества, электроны рассеиваются в ней. На фотографии такой пленки после рассеяния в ней электронов получаются характерные светлые пятна, кольца, круги. Это результат взаимодействия электронов с молекулами и атомами.
Ход электронных лучей в электронографе.
Картину, по которой можно судить о свойствах вещества, заглянуть внутрь мельчайших его частиц с помощью пучка электронов, назвали электронограммой.
На ней можно наглядно увидеть, как меняется тончайшее строение металла при обработке, что происходит в поверхностном слое металла при шлифовке и полировке.
Оказалось, что после полировки получаются такие же электронограммы, как и от вещества аморфной, некристаллической структуры. Строгий порядок среди атомов металла нарушает сам полировальный порошок, перетасовывая атомы в тончайшем поверхностном слое как попало.
Электронограммы дали разгадку того, что происходит при окислении железа, какие и как образуются на нем защитные пленки, как ведут они себя, если добавлять к железу примеси других металлов. Иначе говоря, можно проникнуть в тайны жароупорной, неокисляющейся стали. С помощью электронограмм изучают поведение смазки, образование минералов, растяжение пленок материалов, — все это нужно для техники, для практики, для науки.
Так пучок электронов, помогая заглядывать в недра вещества, служит науке и технике, теории и практике.
Мы говорили до сих пор об одном виде управления электронным потоком — о разгоне и торможении электронов. Но можно управлять и направлением такого потока. Это открывает новые, поистине удивительные возможности.
Пусть у нас есть простейшая электронная трубка — катод и анод, в пустом стеклянном баллоне. Анод мы сделаем в форме цилиндрика-кольца и зарядим его положительно. Тогда электроны пройдут через него, ускоряя свое движение, и выйдут узким пучком — лучом.
Анодов может быть несколько, но задача у них одна. Нужно превратить широкий электронный поток, в котором, кстати, с помощью специального электрода-сетки можно регулировать количество электронов, мощность потока, — в узкий луч. Вот почему и называют все это устройство «электронным прожектором», или «электронной пушкой».
Если электронный луч дальше предоставить самому себе, он пойдет к концу трубки, на дно, где устроен экран, покрытый светящимся составом. На нем появится светлое пятнышко — результат бомбардировки экрана электронами. Это пятнышко будет как раз против «дула» электронной пушки, откуда вылетает электронный пучок.
Так устроен один из самых распространенных и важных электронных приборов — электронно-лучевая трубка.
Электронно-лучевая трубка и ее применение.
Но наше описание будет далеко не полным, если не сказать о главном — как управляют электронным лучом в такой трубке.
Здесь снова приходит на помощь природа электрических зарядов, которые могут притягиваться или отталкиваться друг от друга.
Две пары металлических пластин, поставленных на пути луча, отклоняют его вверх или вниз, вправо или влево и таким образом управляют им.
Сначала луч встречает пару вертикальных пластин. Одна стоит справа по ходу луча, другая — слева от него. Если правая пластинка заряжена отрицательно, а левая — положительно, то луч неминуемо отклонится влево. Ведь сам луч состоит из отрицательных электрических, частичек. Правая пластинка будет его отталкивать, а левая — притягивать.
Казалось бы, на этом путешествие луча должно и закончиться. Он попал в западню. Подталкиваемый справа, притягиваемый слева, он неизбежно попадет на левую, положительную пластинку.
Но не тут-то было! Луч мчится с неслыханной быстротой и пространство между пластинками проскакивает столь быстро, что пластинки еле-еле успевают отклонить его с прямолинейного пути. Поэтому-то светлое пятнышко появится не в центре экрана, а в левом его краю. Если пластинки поменяются зарядами, то, естественно, пятнышко окажется справа.
А дальше на пути луча поставлена такая же ловушка из пары горизонтальных пластин. Одна — сверху по ходу луча, другая — снизу. Заряжая их разноименными зарядами, можно заставить луч подниматься или опускаться.
Мы получили возможность управлять электронным лучом. Можем не только заставить его «гулять» справа налево или слева направо по экрану трубки. Можем заставить его делать это в строго определенное время, например, в тысячную долю секунды. Ведь луч будет отклоняться пластинками тем сильнее, чем сильнее они заряжены. Заряды же пластинок и смена зарядов в нашей власти.
Пара вертикальных пластинок заставляет электронный луч двигаться по экрану.
Теперь пусть на другую пару пластин тоже поступили заряды. Их может дать отраженный от цели радиосигнал, который мгновенно открывает доступ зарядом так, что нижняя пластинка отталкивает, а верхняя притягивает электронный луч.
И луч «сбивается» с пути, «спотыкается». Тем самым, объявляя о получении сигнала и показывая, когда он получен, луч играет роль часовой стрелки. Путь его размерен, и пятнышко подскакивает против того или иного деления циферблата наших электронных часов.
Так, управляя электронным лучом с помощью электронно-лучевой трубки, можно измерять время в микромире.
Зная время путешествия радиолуча туда и обратно, можно измерять расстояния.
И электронно-лучевая трубка стала важнейшей частью радиолокатора.
Локаторы широко применялись в минувшей войне на суше, море и в воздухе — на самолетах и кораблях, в артиллерии и противовоздушной обороне, в авиабомбах и снарядах.
Радиолокаторы ночью, в тумане обнаруживали вражеские самолеты и опознавали свои, помогали штурманам вести морские и воздушные корабли, наводили самолеты и орудия на цель, взрывали снаряды, чтобы без промаха поразить в воздухе врага. Маленький радиолокационный взрыватель, размерами немного больше стакана, выдержав чудовищное ускорение при выстреле, взрывал снаряд, даже если тот и не попадал в самолет, а только проносился мимо него.
Но у радиолокации есть и другие цели. Она нужна в мирной жизни, чтобы безопасно летали самолеты, чтобы шли корабли — в любую погоду, днем и ночью, в тумане и во льдах.
Радиолокация обогатила науку. Много интереснейших наблюдений можно вести с помощью радиолокатора.
Метеоры не только ночью, но и днем, не только крупные, но и мелкие, незаметные даже для вооруженного глаза, обнаруживает локатор.
Он следит за полетом шара-зонда, за ракетой, наблюдает за облаками, дождями и грозами.
Точность определения расстояний в локации достаточно высока. Как-то с локатором наблюдали на высоте в сотню метров рой насекомых. Одновременно измерили высоту теодолитом — та же цифра!
Мощный радиолокатор послал волны на Луну — и был получен ответный сигнал, точно измерено расстояние до нашего спутника.
Более того, исследуя отражение волн от Луны, узнали, — это только предполагалось раньше, — что Луна покрыта тонким слоем пыли в миллиметр толщиной, и измерили температуру лунной поверхности!
Снимки, сделанные с помощью электронов и рентгеновских лучей. Слева — электронограф и электронограммы от: 1 — кристаллов поваренной соли, 2 — кристаллической сурьмы, 3 — аморфной сурьмы, 4 — пленки серебра. В середине — малогабаритный электронный микроскоп и снимки: 5 — молекул красителя гемоцианина, 6 — поверхности травленого алюминия, 7 — протравленной меди. Справа — импульсная рентгеновская трубка и снимки прохождения пули через алюминиевый лист (8).
Быть может, в будущем удастся добраться радиолучом до Марса, заглянуть за густую пелену облаков, скрывающую от нас лик Венеры…
Радиоволны стали межпланетными, путешественниками. Когда в мировое пространство отправятся космические корабли, радио свяжет их с Землей.
Электронный луч необыкновенно чувствителен. Он откликается на сигналы продолжительностью в миллионные доли секунды. Вот почему с помощью электронно-лучевой трубки можно наблюдать быстро идущие электрические процессы, высокочастотные колебания.
Техника же умеет превращать в электрические колебания великое множество происходящих везде и всюду явлений. Ведь электрические свойства связаны с другими: меняется сопротивление нихромовой проволочки, когда изменяется ее длина; свет в фотоэлементе превращается в ток. И в конце концов всегда можно получить «электрическую картину» явлений, получить его точную копию, но уже на языке электрических колебаний.
На циферблате электронных часов можно наблюдать, как разыгрываются во времени различные явления, интересующие физика, химика, биолога, врача.
Тогда одна пара пластин, как и раньше заставляет луч гулять по циферблату-экрану, выполняя роль стрелки часов. А на другую пару пластин подается электрическое напряжение, но уже не от радиосигнала, преобразованного в ток, как в радиолокаторе, а от любого другого прибора, который измеряет и превращает в электрические колебания какой-либо интересный для нас процесс.
Колебания, поданные на пластины, отклоняют пятнышко на экране, подобно тому, как это было с сигналом, полученным трубкой от радиолокатора. Повторяясь много раз, они и чертят пятнышком кривую, которая говорит нам, как меняется во времени та или иная величина, как происходит тот или иной процесс.
И на экране видим, как растет и падает давление в цилиндре автомобильного мотора, изменяется со временем частота, сила, напряжение тока в различных электрических устройствах, цвет и состав вещества при химических превращениях, как пропускает свет открывающийся затвор фотоаппарата и какие токи возникают при работе человеческого сердца.
Электронно-лучевая трубка выступает как помощник не только ученого, но и инженера, конструктора, химика, биолога, врача.
Электронный луч, послушно следующий быстрым электрическим сигналам, дает возможность видеть на расстоянии.
Заглянем в студию телевизионного центра, откуда идет передача, и там увидим электронно-лучевую трубку.
Эта трубка — особого устройства. Ее экран состоит из множества крохотных фотоэлементиков. В фотоэлементиках под действием света появляется электрический ток.
Во всяком изображении есть светлые и темные места. Если посмотреть через лупу на снимок, помещенный в газете или книге, то видно, что он весь состоит из темных и светлых пятен. Свет отражается не одинаково от разных мест предмета. Поэтому на фотоэлементики экрана трубки падает свет местами более сильный, местами более слабый. Разные в них поэтому возникают и электрические токи.
Электронный луч, обегая фотоэлементики ряд за рядом, включает их по очереди в цепь. Слабые электрические сигналы затем усиливаются и в конце концов преобразуются в радиоволны.
Применение радиолокации. 1. Радиолокатор предупреждает столкновение самолетов в воздухе. 2–3. Позволяет «видеть» землю в темноте и тумане и облегчает посадку на аэродром. 4. Радиолокатор обеспечивает безопасность судовождения. 5. Позволяет наблюдать на большом расстоянии облака, дожди и грозы, метеоры — не только ночью, но и днем (6), следить за полетом ракеты (7) и шара-зонда (8). 9. С помощью радиолокатора измерено расстояние до Луны.
В телевизоре все происходит в обратном порядке. Полученные сигналы подаются в приемную электронно-лучевую трубку — важнейшую часть телевизора. В ней электронный луч также двигается по экрану, как и в передающей трубке. Но поток электронов все время изменяется, следуя изменениям принятых сигналов. Поэтому и экран светится неравномерно. На нем появляются светлые и темные места, в точности воспроизводящие передаваемое изображение.
Электронный луч на экране трубки «рисует» изображение. Повторяясь много раз в секунду, оно сливается в нашем глазу в один сплошной рисунок.
Мы видим сплошной след от тлеющего уголька, если его быстро двигать. Мы видим световую рекламу, когда быстро зажигаются и гаснут лампочки, сливаясь в одно яркое изображение цифр или букв. И вспышки от ударов электронов, бегущие по экрану, сливаются в один рисунок.
Чтобы картина на экране была четкой, луч, передающий изображение, и луч в приемной трубе должны одновременно начинать и кончать обход каждого ряда фотоэлементиков, одновременно переходить с одного ряда на другой. Для этого лучу, принимающему изображение, подаются специальные сигналы. По этим сигналам луч начинает обход каждого ряда.
Так электронно-лучевая трубка передает и принимает изображение.
С помощью электронно-лучевой трубки взгляд человека проник и глубоко во Вселенную и глубоко в недра вещества.
Схема передачи и приема изображений в электронной системе дальновидения.
Самый сильный микроскоп увеличивает предметы в 2 тысячи раз. В нем еще можно увидеть предмет размером в одну десятитысячную миллиметра. А дальше природа света ставит предел проникновению в микромир.
На помощь пришел электронный микроскоп и предел отодвинут далеко. Невидимые электронные лучи помогают видеть невидимое.
В этом нет ничего удивительного. Во многом похожие на световые, электронные лучи также могут собираться в узкий пучок линзами.
Они так же, как и световые лучи, могут, проходя через прозрачные для них предметы, по-разному ими поглощаться, в зависимости от их толщины и плотности.
Но если световые лучи бессильны обнаружить предметы меньше десятой доли микрона, то электронный луч «видит» в 50 раз лучше. Он дает увеличение в 100 тысяч раз! А новейшие конструкции подобных микроскопов, возможно, дадут увеличение еще в несколько раз больше.
Все та же электрическая природа электронных лучей помогает использовать их, чтобы увидеть то, что долгое время оставалось скрытым от глаз человека.
Действуя на электроны электрическими или магнитными силами, можно изменить направление их движения и собрать в одну точку, подобно тому, как это делает обычная линза со световыми лучами.
Источником электронов будет здесь, как и во всех электронно-лучевых трубках, электронная пушка.
Система электрических или магнитных линз служит для увеличения в электронном микроскопе. Проходя через тонкую пленку какого-нибудь исследуемого вещества, электроны рассеиваются в нем. И на светящемся экране или фотопластинке появляется увеличенное «теневое» изображение светлых и темных мест образца.
Мы видим на экране или снимке жизнь мельчайших бактерий и вирусов, тайны химических превращений и строения вещества. В электронном микроскопе можно наблюдать даже отдельные молекулы.
Он открывает новые возможности для тончайших исследований строения металлов и сплавов и состояния их после обработки.
Электронный микроскоп.
Создатели первого советского электронного микроскопа академик А. А. Лебедев, кандидат физико-математических наук В. Н. Верцнер и инженер Н. Г. Зандин удостоены Сталинской премии. Теперь во многих научных институтах нашей страны ученые применяют электронные микроскопы — новое могучее средство изучения микромира.
Электроны делают видимыми тепловые излучения, которые не воспринимает наш глаз. Невидимыми инфракрасными лучами предметы выдают себя ночью, в сумерки, в тумане.
Пучком таких лучей «освещается» цель. Достигнув ее, лучи отражаются и возвращаются обратно, подобно радиоволнам, посылаемым локатором.
Радиоволны, идущие от цели, принимаются приемником локатора. Инфракрасные лучи попадают на чувствительный к таким лучам слой, из которого выбивают электроны. Они бомбардируют экран, заставляя его светиться.
Вместо невидимого изображения в инфракрасных лучах на святящемся экране электронного «телескопа» появляется видимое глазом изображение. Так электричество превращается в свет.
Электронно-лучевая трубка делает это, открывая окно в невидимый мир.
Чувствителен и послушан электронный луч. Можно разогнать электроны до такой скорости, какую не дает ни одна машина.
Можно заставить электроны мгновенно изменить свой путь.
«Мгновенно!» Это привычное для нас выражение, когда говорят о чрезвычайно маленьком промежутке времени. Однако мгновение — немалое время в микромире.
Оно длится десятые доли секунды!
А электронному лучу, который дошел до края экрана, нужны всего миллионные доли секунды, чтобы вернуться обратно и снова начать движение.
Никакая обычная машина не может сделать такое. Никакое человеческое чувство не в состоянии уловить сверхмгновения времени. И только электроника способна на это.
Необыкновенные свойства электронных машин объясняются природой частиц, которые в них работают, природой электронов.
Они малы и легки. Поэтому так мала их инерция и так велика их «поворотливость». Чем больше масса, тем больше инерция. Тяжелое тело дольше не может остановиться. Невообразимо легкий электрон останавливается «мгновенно» (мгновение — дань привычному!).
Поток электронов можно не только ускорить или повернуть. Его можно усилить.
В этом кроются новые возможности.
Какой машиной можно управлять, затрачивая мощность в такие доли ватта, что и прочитать-то их нельзя: после нуля, отделенного запятой, стоит еще 14 нулей! Ватт составляет 0,00136 лошадиной силы. Значит речь идет о совершенно ничтожных мощностях.
В какой машине можно, получив очень малую мощность, усилить ее в сотни миллиардов раз!
Неуловимое нашими чувствами становится осязаемым, зримым, доступным.
Свет от звезд — вестник далеких миров во Вселенной. Они так далеки от нас, что некоторые уже, быть может, погибли, а свет от них еще идет к Земле. И многие звезды остаются скрытыми от человека, вооруженного мощными телескопами, потому что слишком мало света доходит из глубин Вселенной от этих небесных миров.
Открылась бездна, звезд полна,
Звездам числа нет, бездне — дна! —
восклицал Ломоносов. Звездам нет числа… Сколько звезд мы не можем увидеть глазом!
Электронные машины открыли новую главу в астрономии — астрономию невидимого. Столетия прошли, но мы лишь силой воображения представляли себе спутников звезд, на которых возможна жизнь, лишь догадывались о них.
Теперь мы их изучаем. И это помогла сделать электроника.
Электроника стала и помощником астрономов, которым нужна очень большая точность при измерении очень малых величин.
С помощью фотоэлементов можно чрезвычайно точно определить, насколько потемнела пластинка от самого слабого света, как расположены спектральные линии, раскрывающие тайны строения звезд.
Электронные часы измеряют время с точностью до одной стомиллионной доли секунды. В точных астрономических исследованиях они незаменимы.
Следящее устройство с электронным усилителем поворачивает телескоп, неотступно направляя его туда, куда нужно астроному. Счетно-решающие устройства производят сложнейшие астрономические вычисления с астрономической точностью, с фантастической скоростью.
И в астрономию проникает автоматика!
Мы много говорили о чудесных сплавах для техники больших скоростей. Создавая их, нужно точно выдерживать заданный нагрев и состав. Обычные приборы, не говоря уже о наших органах чувств, не могут уловить малейшие изменения температуры или количества примесей, а от этого зависит рождение сплава.
Выдерживать температуру с точностью до тысячных долей градуса, точный состав сплава, мгновенно изменять ход плавки, если она отклонилась от нужного режима, могут только электронные приборы.
В станках-автоматах идет обработка с точностью до десятых долей микрона. С огромной быстротой автоматы контролируют готовые изделия. И здесь встретим мы электронные приборы.
Рождается множество веществ с новыми свойствами. Нужно точное и быстрое управление различными процессами, недоступное человеку и его обычным машинам. И электроника приходит на помощь.
Нужно управлять автоматически моторами. Нужно наблюдать за горением в топках, не допуская излишнего расхода топлива. Нужно бороться с дымом. Нужно нагревать металл токами высокой частоты.
Можно в сотни и тысячи раз ускорить расчеты при проектировании машин.
Можно ответить на разнообразнейшие вопросы, вроде: что будет с самолетом при пикировании? Какими выбрать размеры данной машины? Как будет работать турбина, электромотор, трансформатор? Что случится с сооружением через несколько лет?
И все это делает электроника.
Электронная лампа с управляющей сеткой. Сверху вниз: на сетке нет заряда, на сетке отрицательный заряд, на сетке положительный заряд.
Мы уже привыкли к разговору без проводов, радиосвязи на сотни и тысячи километров. Радио, прочно вошедшее в нашу жизнь, также немыслимо без электроники. Век радио — это и век электроники, потому что не было бы современного радио без электронной лампы.
Вернемся ненадолго к простейшей электронной трубке — катоду и аноду в стеклянном баллоне.
Схема радиопередачи.
Поставим на пути электронов, между катодом и анодом, еще один электрод — металлическую спираль, называемую сеткой.
Эта сетка не будет мешать полету электронов, но лишь пока она не заряжена.
Что же случится, если сетку зарядим?
Электроны, вылетевшие из катода, не летят к аноду, правильным пучком. Не все они имеют достаточно скорости, чтобы долететь до него. Недаром приходится в электронно-лучевой трубке электроны «подталкивать» по дороге и собирать в узкий пучок — луч.
Если этого не сделать, электроны будут беспорядочно носиться около электродов, как мошкара вокруг зажженной лампы. Лишь небольшая часть их доберется до цели — анода. Ток в цепи будет мал.
И вот в этом рое электронов появляется сетка.
Она управляет движением электронов, как светофор уличным движением.
Красный свет! Стоп! На сетке — отрицательный заряд. Она не пускает электроны к аноду.
Зеленый свет! На сетке — положительный заряд. Она притягивает теперь электроны. Электронный рой, притягиваемый и ускоряемый сеткой, направляется к аноду. Сетка заставляет лететь к нему значительно больше электронов, чем полетело бы без нее. Растет ток в цепи. Он усиливается во много раз.
В этом секрет электронной лампы-усилителя. С несколькими лампами можно довести усиление тока до миллиарда, до сотни миллиардов раз. И еле-еле слышимый шепот, слабые, незаметные сигналы с их помощью говорят полным голосом. Мы «слышим голос» руды под землей, которая действует на магнитный прибор пролетающего над месторождением самолета, узнаем свойства металла, которые обнаруживают себя при пропускании по нему тока, слышим, как растет трава, ловим малейшие изменения, которые говорят нам о том, что нас интересует, — температуре, давлении, скорости, влажности и о многом другом.
Сейчас созданы самые разнообразные конструкции электронных ламп. Их ежегодное производство достигает нескольких сот миллионов штук. Как и электронно-лучевая трубка, эта лампа — самый распространенный электронный прибор современности.
Электронную лампу-усилитель встретим в радиотехнике, где нужно усилить слабые сигналы, где нужно получить такие частые изменения силы тока в цепи, какие недоступны никакому другому электрическому прибору. Какой переключатель смог бы делать миллионы переключений в секунду! А электронная лампа легко делает это, потому что управлять ее током можно с огромной скоростью, создавая колебания тока до миллиардов раз в секунду.
Электронный счетчик может сделать до 100 тысяч отсчетов в секунду. Никакой другой не угонится за ним!
Схема радиоприема.
Радиотехника овладела сейчас сверхбыстрыми колебаниями. Сверхвысокочастотные радиолампы создают колебания частотой в десятки миллиардов в секунду! Эта новая электронная техника стала основой радиолокации, телевидения, высококачественной радиосвязи.
Электронные лампы, создающие быстрые колебания, работают не только в радиотехнике.
Они применяются для нагрева токами высокой частоты металла, пластмасс, древесины. Высокочастотный нагрев завоевал прочное место в нашей промышленности.
Электронные лампы-усилители и генераторы высокочастотных колебаний необходимы для автоматического контроля и регулирования производственных процессов, для сверхбыстрого испытания металлов, для управления станками-автоматами, электросваркой, плавного переключения скорости электромоторов, для мгновенного решения сложнейших математических задач в «машинной математике».
Теперь, когда мы познакомились со многими электронными приборами, надо сказать еще и о том, как электроника ведет счет и решает задачи самые разные, самые сложные, да еще с небывалой быстротой.
Ответ здесь наполовину известен. Техника умеет создавать «электрическую картину» многих явлений, преобразуя изменения разных величин в разные электрические токи.
Она может создавать и «электрические модели» различных процессов. На языке математики многие непохожие друг на друга явления описываются совершенно одинаково.
«Казалось бы, что может быть общего между расчетом движения небесных светил под действием притяжения к Солнцу и между собою и качкой корабля на волнах? Между тем, если написать только формулу и уравнения без слов, то нельзя отличить какой из этих вопросов решается: уравнения одни и те же», — писал академик Крылов.
В этом проявляется единство природы. И этим пользуется техника.
Вместо «настоящего» явления, скажем, действия аэродинамических сил на летящий самолет, составляется электрическая цепь, где токи, напряжения и другие величины, с какими имеет дело электротехника, заменят определенные силы, скорости, нагрузки. Для того и другого формулы одинаковы.
А для математики безразлично, что именно мы решаем. Формулы-то ведь одни и те же. Поэтому, меняя электрические величины, тем самым по их изменению можно судить о других, их «заместителях», о том, что делается с самолетом, когда меняются условия полета — силы, скорости, нагрузки.
Таких примеров можно было бы привести множество, суть же одна: «электрическая модель» точно показывает явление, позволяет узнавать, как оно произойдет.
Но так как дело свелось к электричеству, то здесь без электронных ламп не обойтись! Они управляют токами в электрических моделях, затрачивая на это очень малую мощность.
В счетно-решающих устройствах работают тысячи ламп.
На большом самолете их несколько сотен.
Радиолампы поднимаются на ракетах в стратосферу, обеспечивая управление и связь с землей. Одновременно передается около трех десятков разных сведений, которые сообщают автоматические приборы: и о воздухе, и о солнечных и космических лучах, и о положении ракеты, и о работе ее механизмов.
Надо отметить, что создать электронные лампы для таких летающих лабораторий было нелегко.
Эти лампы должны быть прочными. Ракете приходится испытывать в полете большие перегрузки, толчки и колебания.
Они должны быть в то же время маленькими и легкими. В ракете мало места! И вдобавок нужно обеспечить герметическую защиту всех деталей рации, — ракета летит туда, где воздуха почти нет. Лампы же для самолетной аппаратуры должны быть еще и долговечными.
Радиотехники создали миниатюрные лампы и электронные приборы, которые выдерживают всё, что достается при тяжелой их «летной» службе.
Есть сверхминиатюрная лампа чуть побольше рисового зерна! Между концами электродов такой лампы — расстояние в половину микрона, а сами электроды диаметром всего в сотую долю микрона.
Миниатюрные радиоприборы — лампа и передатчики.
Вес крохотных радиоприборов — передатчиков, приёмников, усилителей — исчисляется всего граммами, а размеры сантиметрами. Передатчик значительно меньше спичечной коробки и весит несколько граммов.
Как же удалось этого добиться?
Схемы в радиоприборах — соединения деталей между собой — стали печатать на баллоне лампы, нанося линии из проводящих материалов толщиною в микроны. Конденсаторы, сопротивления, все детали собираются в крошечные блоки и заливаются герметизирующей смолой.
Невольно вспоминается рассказ Лескова о том, как тульский кузнец блоху подковал… Ведь сборку радиоприбора надо вести чуть ли не под микроскопом.
Так электроника приспосабливается к службе, которую ей надо нести в стратосфере и за атмосферой, при фигурных полетах и сверхзвуковых скоростях.
Многообразные применения электронных ламп трудно даже перечислить!
Электронные лампы применяются в приборах, которые помогают управлять артиллерийской стрельбой, автоматически вести прицеливание и огонь с самолета, находить цели, летящие с огромными сверхзвуковыми скоростями, обнаруживать за много километров суда и самолеты, и даже перископ подводной лодки. Так электроника служит военной технике.
Электроника — оружие агрессии в странах империализма, готовящихся к войне.
Управляемые бомбы и снаряды, автоматические прицелы для бомбардировщиков, телеуправляемые самолеты нуждаются в электронных приборах.
Вот почему тратятся империалистами огромные деньги на развитие электроники, автоматики и телемеханики.
Только в Советском Союзе покоренный электрон, мир сверхвысоких скоростей поставлен на службу человеку и широко применяется для мирных целей.
Советская наука двигает электронику вперед.
Советский ученый, лауреат Сталинской премии Л. А. Кубецкий разработал новые типы электронных усилителей — вторично-электронные приборы, открывающие перед техникой и наукой удивительные перспективы.
Расширить возможности наших органов чувств, обнаружить неуловимое и реагировать на него с недостижимой для человека быстротой — вот какую цель он поставил. В построенных им сверхчувствительных электронных приборах усиление светового сигнала достигает миллиарда раз! Это в сотни тысяч и миллионы раз больше, чем может дать «искусственный глаз» — фотоэлемент.
О фотоэлементе мы вскользь упомянули, когда объясняли принцип телевидения. Но о нем стоит поговорить поподробнее.
Наряду с электронно-лучевой трубкой и электронной лампой эта самый распространенный в электронике прибор.
Не только тепло может заставить электроны вырваться из металла. Великий русский физик Столетов открыл, что свет выбивает с поверхности металла электроны, создавая фототок («фотос» — свет).
Он проделал такой опыт. Металлическую пластинку и металлическую сетку присоединили через измерительный прибор к электрической батарее.
Между пластинкой и сеткой в цепи был разрыв, и прибор не показывал тока. Но как только на пластинку падал свет, стрелка прибора отклонялась. В цепи шел ток, хотя пластинка и сетка по-прежнему не были соединены.
Почему возник ток? Потому что свет может вырывать с поверхности некоторых металлов электроны. Поток электронов — электрический ток — и замыкал цепь.
Фотокатод из светочувствительного металла цезия служит источником электронов в фотоэлементе. Ток, рожденный светом, бывает слаб — на помощь приходит усилитель, электронная лампа, делающая его сильнее в сотни тысяч раз.
Некоторые фотоэлементы для усиления фототока наполняются газом. Тогда электроны, вылетевшие с поверхности фотокатода, сталкиваются с молекулами газа.
При столкновениях из молекул вылетают их собственные электроны. И общий электронный поток возрастает. Кстати, некоторые лампы-усилители тоже наполняют газом, чтобы получить больший ток.
Без фотоэлемента не было бы звукового кино. Сбоку на кинопленке есть «звуковая дорожка», состоящая из полосок разной прозрачности или из дорожки волнистой (зубчатой) формы. Это запись звука, который мы слышим, когда демонстрируется фильм.
Через дорожку пропускают луч света. Он перестает быть одинаково ярким, будет колебаться в зависимости от формы или прозрачности идущей перед ним звуковой дорожки.
А дальше берется за работу фотоэлемент, превращающий колебания света в колебания электрического тока. Ток попадает в усилитель, а затем в громкоговоритель и заставляет электромагнит притягивать пластинку — мембрану, которая колеблет воздух, создавая звуки.
Разнообразную службу несут фотоэлементы. В современной технике — это телевидение, фототелеграфия, фотоэлектронная автоматика, где свет работает как контролер, регулятор, управитель в машинах и приборах.
Фотоэлемент замечает мельчайшие изменения в силе света, в освещенности — и этот волшебный глаз служит в «органах чувств» автоматов.
Вторично-электронный прибор, одно из интереснейших достижений электроники, — родственник фотоэлемента, его старший брат.
Фотоэлемент уступает по чувствительности человеческому глазу. Глаз человека замечает столь слабый свет, какой искусственный глаз не уловит, — слишком мало электронов он рождает, слишком мал тогда фототок. Академик С. И. Вавилов на остроумном опыте показал, что человеческий глаз может заметить ничтожную световую вспышку — всего несколько квантов.
Чтобы повысить остроту «волшебного глаза», усилить ток в фотоэлементе во много раз, надо заставить электроны «размножаться».
Было замечено, что некоторые металлы под действием электронного потока начинают сами испускать электроны. Новых вторичных электронов получается больше, чем первичных.
Электронный поток, уже усиленный однажды, можно снова и снова усилить таким же путем. В этом и состоит принцип устройства вторично-электронного прибора, или, как его еще иначе называют, фотоэлектронного умножителя.
В таком приборе электронный пучок, рожденный светом, как в фотоэлементе, попадая на пластинку со специально изготовленным поверхностным слоем, выбивает из него новые электроны. Повторяя умножение электронного потока, и можно добиться общего усиления его в миллиард раз.
Вторично-электронные приборы расширят наши возможности в технике и науке.
Они открыли невидимые человеческим и искусственным глазом — фотоэлементом звездные миры.
Они помогут рождению новых высококачественных сплавов, управляя плавкой с непостижимой быстротой. Сопоставляя спектр сплава — нужный и получаемый при плавке, они мгновенно отзовутся на малейшее отклонение от нормы.
Вторично-электронная трубка может «читать» показания на шкалах приборов и посылать сигналы, идущие затем в радиопередатчик. Приборы сами сообщат о своей работе.
«Читая» чертеж, она будет управлять работой станка-автомата.
Таких примеров можно было бы привести немало. В автоматике и телемеханике — управлении на расстоянии — найдут широкое применение вторично-электронные приборы, которые станут в наших руках новым важнейшим средством научных исследований и технического прогресса.
Фотоэлемент и его применение. 1. Схема фотоэлемента: 1) светочувствительный слой (катод), 2) анод, 3) окно для доступа света. 2. Фотоэлемент в кино: 1) источник света, 2) кинолента, 3) фотоэлемент, 4) усилитель, 5) репродуктор. 3. Фотоэлемент в фототелеграфии: 1) источник света, 2) барабан с текстом, 3) фотоэлемент, 4) модулятор света, 5) барабан с фотобумагой. 4. Фотоэлемент в телевидении. 5. Схема фотореле: 1) фотоэлемент, 2) усилитель, 3) исполнительный механизм. 6. Фотоэлектронный автоматический счетчик готовых изделий. 7. Фотоэлектрический пирометр для контроля нагрева металла в прокатном стане. 8. Фотоэлектронная автоматическая защита рабочего от попадания под пресс.
Сейчас нет, пожалуй, ни одной отрасли науки и техники, где не участвовала бы электроника. «Послужной список» электронных приборов — надежных помощников человека — можно было бы продолжать и продолжать.
«В электричестве человек нашел путь к решению самых разнообразных, самых фантастических задач своего ума», — сказал знаменитый русский физик Столетов.
То, что делает в наших руках покоренный электрон, — одна из побед науки и техники наших дней, побед, которым нет и не будет конца.
* * *
«Мы находим достижения лаборатории природы излишне скромными и не соглашаемся ограничиться тем небольшим ассортиментом веществ, которые в готовом виде предлагает нам природа. Нити для тканей мы научились делать лучше тутового шелкопряда, наши искусственные резины превосходят натуральный каучук, природа не знает веществ с таким причудливым сочетанием свойств, какое мы сообщаем нашим пластмассам. Список этих побед велик, а мы только открываем его. Важным элементом успеха этого увлекательного соревнования с природой является возможность исследовать свойства вещества в крайних условиях. В том, что мы можем помещать его в несуществующие обычно условия, выражается могущество нашей науки. Нет в природе тех низких температур, какие ныне доступны физикам. Установлена возможность создавать в результате ядерных реакций высокие температуры, которые соизмеримы только со звездными. Величайшие напряжения электрического разряда, превосходящие сильнейшие молнии, высочайшие степени разрежения газов — все это доступно нам, и проникновение в эти крайние области ежедневно приносит нечто новое и важное для нашего знания», — говорит академик Н. Д. Зелинский.
Вторично-электронный прибор.
Мы совершили путешествие в мир электроники — мир сверхвысоких скоростей. Но только ли электронам подвластны космические скорости? Какие есть еще у нас возможности, чтобы устроить «космическую» лабораторию на Земле, в которой можно изучать сверхвысокие скорости и управлять ими?
В космосе — не только скорости, за которыми не может угнаться наше воображение. Там, в недрах звезд, давления в тысячи и миллионы атмосфер, температуры и десятки миллионов градусов.
Химики получили давление почти в полмиллиона атмосфер, физики — температуру в 20000°.
Предел ли это?
Нет, не предел. И не только электроны в приборах могут соперничать в скорости со светом. И не только в лаборатории можно оперировать космическими давлениями и температурами, мощностями в миллиарды киловатт.
Взрыв — вот что дает нам и сверхвысокие скорости, и давления, и температуры, и мощности. В самом деле, взрыв даже небольшого заряда взрывчатого вещества — уже несколько миллионов лошадиных сил, несколько тысяч градусов, несколько сот тысяч атмосфер.
Но нельзя забывать — это и всего лишь несколько стотысячных или миллионных долей секунды. Вот секрет необычайно большой мощности взрыва. Энергии при взрыве выделяется сравнительно немного, зато чрезвычайно быстро. А мощность — работа в секунду. И небольшая энергия, выделяемая в стотысячные доли секунды, в пересчете на секунду возрастает во много раз. Нет ни одной машины, которая могла бы по мощности сравниться со взрывом.
Взрывчатое вещество необычайно компактный, легкий и мощный аккумулятор энергии. Он нашел себе место в технике, не только военной, в той, которая разрушает, но и в той, которая строит.
Земляные работы при прокладке дорог, каналов, добычу руды и угля, борьбу со льдами — облегчает взрыв. Огромные массы земли, выброшенные им, и крохотные заклепки, головки которых он расплющивает, плотно соединяя металлические листы, — примеры полезной работы взрыва.
Скорость при обычном взрыве достигает нескольких километров в секунду. Я сказал «обычном» потому, что бывают и необычные взрывы.
О них мы и поговорим. Ведь они открывают путь к еще более высоким скоростям.
Во время второй мировой войны применялись снаряды, буквально «прожигавшие» при взрыве танковую броню, железобетонный панцырь дота, броневые плиты на палубе корабля.
Раскаленная газовая струя и жидкий металл — то, что было оболочкой снаряда, — со скоростью в два с половиной десятка километров в секунду легко, как нож в масло, проникали в твердь брони, которая не поддается обычным бронебойным снарядам.
Броня переставала быть броней для этих кумулятивных снарядов.
Кумуляция, или направленный взрыв, о котором мы уже говорили, дает скорости значительно более высокие, чем при обычном, ненаправленном взрыве.
Уже не невидимые глазом электроны, а газовые потоки или струя металла, который превращается в жидкость при сверхдавлениях взрыва, летят с космическими скоростями.
Потоком электронов научились управлять. Научились управлять и взрывом.
Кумулятивный взрыв можно использовать для переброски огромных масс грунта. Профессор Г. И. Покровский считает, что такой взрыв можно сделать «строителем». Взрыв, например, перебросит грунт туда, где нужно насыпать плотину. Подводным направленным взрывом можно уплотнить грунт водохранилища.
Мы начали говорить о необычных взрывах. Рассказали о взрыве направленном. А бывает и взрыв без взрывчатого вещества, когда метеорит с космической скоростью врезается в землю. При этом вся энергия скорости переходит в тепло, и мгновенно развиваются огромные температура и давление.
Теперь поговорим о другом необычном взрыве — взрыве атома.
Энергия, выделяемая при распаде атома, колоссальна. Она примерно в 20 миллионов раз больше энергии самого сильного взрывчатого вещества — тротила, в 1 700 тысяч раз больше, чем при сгорании бензина, в миллион раз больше — углерода. Температура при атомном взрыве превышает 20000000°. Давление исчисляется многими миллиардами атмосфер.
Все это — температура и давление, которые можно встретить лишь в недрах Солнца и звезд, — возникает мгновенно.
При направленном взрыве скорость возрастает, достигая иногда 40 километров в секунду. Неизмеримо больше скорость атомного распада. Так, осколки распавшихся ядер атомов радия двигаются со скоростью около 20 тысяч километров в секунду!
Можно уменьшить скорость взрыва пороха. Его прессуют, и он сгорает постепенно, слоями. Но это уже не взрыв, а горение — оно продолжается не тысячные доли секунды, а дольше.
Порох и другие взрывчатые вещества, если их много, трудно и опасно заставить работать, двигать, а не взрывать. Они детонируют — взрываются от малейшего толчка, тряски, даже от собственной тяжести.
Другое — при атомном взрыве. Энергии выделяется намного больше, но ею можно управлять. И можно говорить не об атомном взрыве, а об освобождении энергии атома, управление которым — в наших руках.
В установке для добывания атомной энергии — урановом котле — происходит цепочка ядерных превращений, сопровождающихся выделением энергии. Их вызывают нейтроны — частички, не имеющие заряда и потому легко проникающие в электрически заряженную неприступную крепость атомного ядра. Чтобы освобождение энергии не шло слишком бурно и быстро, в котле имеются стержни, изготовленные из материала, который сильно поглощает нейтроны. Выдвигая или вдвигая стержни, регулируют доступ нейтронов к ядрам атомов урана и управляют получением энергии.
Здесь нет нужды описывать подробно способ получения атомной энергии — это завело бы слишком далеко от нашей темы. Но нужно сказать о том, что атомная энергия, несомненно, откроет перед техникой и наукой грандиозные перспективы.
Атомная техника — одно из величайших достижений нашего века.
Уже можно создавать новые, неизвестные раньше в природе химические элементы.
Искусственные радиоактивные вещества уже используются в технике, промышленности, науке.
Снаряды ядерной артиллерии вызывают такие превращения в мире атомов, которые делают их радиоактивными. Радиоактивный атом — это не обычный, рядовой, а «меченый» атом, дающий о себе знать излучением. Во всем остальном он не отличается от своих собратьев. За меченым атомом легко следить, что открывает для нас интереснейшие возможности.
В самом деле, разве можно взвесить на весах одну триллионную долю грамма какого-либо вещества? Чтобы написать это число, придется поставить пятнадцать нулей после запятой, прежде чем дойти до одной нужной доли.
Такое количество радиоактивного вещества замечают благодаря меченым атомам. Даже один меченый атом — один атом! — и то обнаруживают прибором — счетчиком заряженных частиц.
Нельзя не удивляться достижениям физиков, которые наблюдают то, что находится далеко за пределами казалось бы возможного.
Один атом… Более того, удалось наблюдать, как вылетает из крошечной металлической пылинки электрон под действием света, как разлетается атомное ядро под ударом космической частицы. Видят следы движения мельчайших обитателей атомного мира. Сфотографирован след электрона, диаметр которого две десятибиллионные доли миллиметра.
Но вернемся к меченым атомам. Как они выдают себя?
Маленькая металлическая трубочка, наполненная газом, и тонкая проволочка внутри нее присоединены к электрической батарее. Тока нет, потому что цепь разорвана, трубка и проволочка не соединяются между собой. Когда в трубочку попадает заряженная частица, она ионизирует газ, выбивает из его атомов электроны, и лавина электронов на мгновение ликвидирует разрыв в цепи. Появляется ток — сигнал частицы о самой себе. Разряд в счетчике передается на усилитель, и счетчик отмечает частицу.
Направленный взрыв.
Врач может проследить путь различных веществ, введенных в организм, его покажут меченые атомы. Биолог изучит дыхание растений. Химик определит, как растворяется то или иное плохо растворимое вещество в воде — меченые атомы покажут его присутствие в столь малом количестве, какое не уловишь обычными весами, даже особо чувствительными, замечающими миллиардную долю грамма. Меченые атомы помогают ему изучать механизм химических реакций. Физик наблюдает, как двигаются атомы в газах, жидкостях, твердых телах, как идет перемешивание, испарение, движение газов.
Меченые атомы сами себя фотографируют — их излучение действует на фотопластинку. Появилось новое слово — радиография (вспомним другое — фотографию!). И металлург может с помощью меченых атомов увидеть на снимке (радиоснимке!), как меняется расположение атомов в металле при разнообразных его превращениях. Инженеру, изучающему трение и износ металлов, подбирающему наилучшую смазку, меченые атомы показывают, что происходит с атомами металлических поверхностей, когда они трутся друг о друга, куда и как перемещаются ничтожные количества веществ при трении и износе.
Можно было бы рассказать еще о многом, что дают нам меченые атомы. Но и из приведенных примеров ясно, каким важным средством изучения множества явлений стали радиоактивные вещества, вырабатываемые атомной промышленностью.
Мы на Земле можем воочию видеть то, что происходит в недрах Солнца и звезд.
Высокие температуры в химии и металлургии позволят добиться новых успехов, которые сейчас еще трудно предвидеть. Не случайно говорят теперь о промышленности высоких температур — новом детище атомного века.
В энергетике атомная техника вызовет настоящий переворот, когда научатся получать дешевую ядерную энергию в больших количествах.
Это будет. Атомная техника — техника коммунизма, и мы заставим силу, скрытую в недрах атома, служить советским людям. Она вооружит нас энергией, — энергией, переделывающей мир.
«Исследовательские работы по применению пара высоких давлений и температуры подводят нас к проблеме использования атомной энергии, — говорит академик Г. М. Кржижановский. — Часть ядерной энергии, идущую на нагревание воды… можно использовать для получения пара высоких давлений, который будет поступать в турбины мощной электростанции, построенной на месте получения атомной энергии. Электрический ток, вырабатываемый на подобных электростанциях, может быть передан затем при помощи высоковольтных линий на большие расстояния».
Атомные газовые турбины на электростанциях, судах, самолетах, тепловозах… Пока мечта, но мечта, которой суждено осуществиться.
Возможное устройство атомной силовой установки и ее применение.
Что может дать атомная энергия высокоскоростной технике?
Конечно, на этот вопрос нельзя еще ответить достаточно определенно и полно. Но кое-что можно сказать уже сейчас.
Считают, что применение атомной энергии позволит значительно повысить скорость истечения газов из ракетного двигателя. Так, если нагревать теплом атомного распада газообразный водород, то он сможет вытекать примерно в 2–3 раза быстрее, чем продукты сгорания самого лучшего топлива. Это обещает ракете высокие космические скорости и далекие космические рейсы с высадкой на планетах. И можно было бы тогда решить главную задачу межпланетных путешествий — обеспечить ракетный корабль энергией.
Но прост ли здесь путь? Нет. Уже не раз видели мы, что большие скорости — большие трудности.
Атомная энергия потребует от инженеров и нового двигателя и новой конструкции самой ракеты.
Огромные температуры, сопровождающие освобождение скрытой в атоме силы, вредные радиоактивные излучения — с этим придется столкнуться конструктору атомной ракеты.
Химическое, неатомное топливо недостаточно энергично.
Атомное, ядерное топливо слишком энергично.
Теплоты при атомном распаде выделяется очень много. Ракета немедленно испарилась бы, если не отвести быстро это тепло. Предполагают, что одним из возможных решений будет применение пористых материалов. Площадь их поверхности огромна — вспомните хотя бы пчелиные соты! Значит, и тепло отводится быстрее, двигатель не нагревается чересчур сильно.
Энергия химического, неатомного топлива прямо, без посредников, преобразуется в ракетном двигателе в энергию вытекающих продуктов сгорания.
Энергию атомного, ядерного топлива в ракете пока что можно будет использовать лишь через посредника — такого, как водород, создающего направленную газовую струю. Водород очень легок, а потому потребует для себя больших баков. И атомная космическая ракета, вероятно, на первых порах будет весьма солидных размеров. Пожалуй, перед ней современная крупная ракета покажется карликом.
Говорить обо всем этом совершенно уверенно, разумеется, еще рано. Но можно не сомневаться в одном: хотя трудностей много, инженерная, научная мысль не стоит на месте и, используя свой богатый опыт, справится с созданием атомной транспортной техники, техники сверхвысоких скоростей.
Быть может, в будущем появятся и такие ракеты, в которых движущей силой послужит отдача продуктов атомного распада, если удастся получить их направленную струю. Тогда скорость истечения дойдет до нескольких десятков тысяч километров в секунду. Но тогда, конечно, и ракета будет устроена совсем иначе, чем те, какие мы знаем сейчас.
И так же, как сверхзвуковые скорости вызовут к жизни необычные для нас самолеты, так, возможно, с ростом скорости будет меняться и ракета, которая обещает нам покорение Вселенной.
Далекие космические рейсы ракет в другие миры, покорение морских глубин подводными лодками и стратосферы стратопланами с атомными двигателями даст нам атомная энергетика.
Век атомной энергии наступает.
«Мы поставили атомную энергию на выполнение великих задач мирного строительства, мы хотим поставить атомную энергию на то, — говорил А. Я. Вышинский еще в 1949 году на Генеральной Ассамблее Организации Объединенных Наций, — чтобы взрывать горы, менять течение рек, орошать пустыни, прокладывать новые и новые линии жизни там, где редко ступала человеческая нога…»
Прошло немного времени — и советский народ приступил к грандиозным работам по переделке природы, провел новые линии жизни там, где были мертвые земли пустынь. Наступление на природу разворачивается все шире и шире. Атомная энергия стала одним из видов оружия в этом наступлении.
Совсем другая картина в США. Американский экономист Джеймс Аллен в книге «Атомная энергия и общество» пишет:
«Современные опыты по применению атомной энергии в мирных целях в США имеют жалкие масштабы и ведутся черепашьими темпами по сравнению с усилиями, затраченными на изготовление и усовершенствование атомных бомб, для которых используются все наличные запасы сырья и лучшие научные силы. Трудно найти где-либо еще, помимо атомной промышленности США в ее современном состоянии, столь же яркий пример вырождения науки и удушения стремлений народа к улучшению условий жизни, вызываемого новыми открытиями».
Размахивая атомной бомбой, американские империалисты пытаются шантажировать мир. Однако теперь, как сказал товарищ Сталин, «…секретом атомного оружия обладают не только США, но и другие страны и, прежде всего, Советский Союз».
Советская техника и наука успешно работают в новой области знания — атомной энергетике.
Взрыв атома — величайшее достижение человеческого ума — для нас «созидающий взрыв», который создаст невиданный еще расцвет культуры нашего века, великой сталинской эпохи, когда все дороги ведут к коммунизму.
