Дающие энергию

С наступлением темноты мы протягиваем руку к выключателю, и в люстре вспыхивают электрические лампочки...

Кто из нас думает в этот момент, что вспыхивающая лампочка — это величайшее чудо техники? Мы так к этому привыкли, что просто не мыслим себе, что может быть как-то иначе. А между тем, человечество пользуется электричеством чуть больше ста лет, а обходилось без него (если брать только период, когда уже существовали государства) более ста веков.

Но что же такое электричество? Все знают, что оно так или иначе связано с металлами. Действительно, рождается электрический ток в генераторе, основной частью которого является железный сердечник с медными проводами, проложенными в пазах. От генератора к потребителю ток идет по медным или алюминиевым проводам. И наконец в лампочке светится раскаленная вольфрамовая нить. Кругом металлы! Только они могут рождать электрический ток и переносить его на большие и малые расстояния. С открытием этого явления началась новая эра в истории металлургии — металлы стали использовать не только как материал для изготовления различных орудий труда, но и как вещества, скрывающие в себе новые, доселе неведомые свойства, которые можно поставить на службу человеку. Первым из этих свойств и была электропроводность. Чтобы понять физическую сущность этого явления, нам придется еще раз заглянуть «внутрь» металлического тела, в его кристаллическую решетку. И еще дальше — в атом.

Все знают, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Вращаются электроны по строго определенным орбитам, расположенным на разных, тоже строго определенных уровнях — расстояниях от ядра атома. Разные вещества имеют разное количество электронов вокруг каждого атома и, естественно, разное количество уровней. Согласно законам квантовой механики, на каждом энергетическом уровне может быть не больше определенного числа электронов: в ближайшем к ядру — два, в следующем — восемь, затем соответственно — 18,32 и т. д. В самом последнем, внешнем слое может быть не более восьми электронов. Но целиком заполненный внешний слой имеют только инертные газы (кроме гелия: у него всего один слой с двумя электронами). Инертные газы потому так называются, что не вступают в химические соединения ни с какими другими веществами. И это их свойство как раз и определяется восемью электронами во внешнем слое. Это самая устойчивая внешняя электронная оболочка.

Во время химических реакций атомы всех элементов «обмениваются» электронами, стремясь получить именно такую устойчивую внешнюю оболочку. Это можно сделать двумя путями: либо отдать все электроны своей наружной орбиты и обнажить ту, что лежит под ней, либо достроить внешнюю орбиту до восьми электронов. Атомы большинства металлов имеют на внешней орбите сравнительно малое число электронов — один, два, три... Естественно, им легче отдать. И металлы очень легко «теряют» внешние электроны. А вот у фтора, самого неметаллического из всех элементов, на внешней орбите целых семь электронов. Не хватает всего одного, и фтор яростно отнимает его почти у любого элемента. Атом, потерявший электроны, или, наоборот, захвативший «лишние», называется ионом. В первом случае ион считается положительным, во втором — отрицательным. Здесь дело вот в чем. Электроны заряжены отрицательным электричеством, протоны, входящие в ядра атомов,— положительным. В целом атом электрически нейтрален, поскольку положительные и отрицательные заряды уравновешиваются. Но с потерей электрона преобладают положительные заряды, а с приобретением «лишнего» электрона — отрицательные. Так вот, в узлах кристаллической решетки металлов располагаются, строго говоря, не атомы, а положительные ионы. И они окружены свободными электронами. На мгновение то один, то другой ион захватывают электрон, превращаясь в атом металла, но тут же теряют его. Ионы как бы обмениваются электронами между собой. Эти-то «коллективизированные» электроны образуют так называемый «электронный газ», или, как его еще иногда называют, «электронную жидкость». Именно свойствами электронного газа и определяются характерные качества металлов — механическая прочность и пластичность, электро- и теплопроводность, серовато-серебристый или золотистый цвет, способность отражать световые лучи и радиоволны. Не будем подробно объяснять, почему это так: объяснение заведет нас в «дебри» специальных разделов физики. Скажем только, что у неметаллов свободных электронов практически нет. Поэтому их электропроводность, например, в 10²⁰—10²⁵ (число с 20—25 нулями) раз меньше, чем у металлов. Наличие электронного газа — это, пожалуй, главное свойство металлов, отличающее их от других твердых тел.