Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - [49]
Забудем на секунду мух, фасоль и футбол и сосредоточимся на электронах, которые заполняют в атоме пустое пространство. Если атому сообщить некоторую энергию, он «возбудится». При этом один или несколько электронов, двигающихся по удаленным от ядра орбитам, «перепрыгивают» на еще более далекие от ядра орбиты. Теперь, чтобы «вытолкнуть» электрон еще дальше, нужна дополнительная энергия (так же, как вам нужна энергия, чтобы подниматься по приставной лестнице и удаляться от земли). Так атом поглощает энергию извне. Как и люди на приставных лестницах, которым не нравится шататься наверху и которые стараются побыстрее спуститься, атом хочет поскорее вернуться в первоначальное состояние, называемое стабильным. К сожалению, он может достичь этого, только отдав энергию, которую поглотил (можете сравнить его с грабителем, который старается побыстрее закопать добычу). Атом совершает это, «выбрасывая» фотон света примерно через наносекунду (миллиардная доля секунды) после того, как поглотил порцию энергии. После этого электрон внутри него занимает первоначальную орбиту. Именно тогда и возникает свет: атомы поглощают энергию (из тепловых или электрических источников), становятся неустойчивыми и «выбрасывают» свет. Почти любой свет возникает в ходе подобного простого процесса, который называется спонтанной эмиссией (излучением).
▲ Как атомы производят свет. Предположим, вы решили нагреть железный брусок на огне до красноты. Почему железо краснеет? Его атомы поглощают тепловую энергию от огня. Каждый атом при этом становится «возбужденным» и выталкивает свои электроны на более высокоэнергетические орбиты. «Возбужденные» атомы становятся неустойчивыми и стремятся вернуться в первоначальное состояние примерно через наносекунду. Для этого они «выбрасывают» поглощенную (изначально в виде тепла) энергию в виде фотонов – частиц видимого света. В случае с железом фотоны имеют красный цвет, поэтому нагретый железный брусок краснеет.
Откуда берется теплый солнечный свет в погожий день? Всего около 8,5 минуты назад он находился на поверхности Солнца, за 150 млн км от Земли. По сути, солнечный свет – очень успешный экспортный продукт, производимый ядерными фабриками в глубинах космоса. Миллиарды лет Солнце бурлит ядерными реакциями, в ходе которых атомы водорода превращаются в атомы гелия, выделяя колоссальные объемы энергии. Эта энергия, рожденная термоядерным синтезом, возбуждает атомы и заставляет их излучать огромное количество света, включая ультрафиолет, который обжигает кожу, и видимый свет, который освещает улыбки ваших друзей. Задумайтесь: слова, которые вы сейчас читаете, были некоторое время назад парой атомов, которые слились в синтезе на Солнце[155].
До электричества человечество пользовалось открытым огнем: свет тогда получали термическим способом. Для освещения был необходим процесс горения или тления. Когда вы разжигаете костер, зажигаете камин или свечи в канделябре, вы запускаете химическую реакцию (горения), в ходе которой топливо (дерево, воск, уголь или другой материал) окисляется, выделяя тепло и свет. Внешняя энергия возбуждает атомы в топливе. Возвращаясь в исходное состояние, они эмитируют энергию в виде инфракрасного излучения (когда вы ощущаете тепло) и видимого света (в котором присутствуют красный, оранжевый, желтый и белый цвета). По яркости освещения последнее место, наверное, занимают свечи. Мерцающего света одной свечи иногда еле хватает для того, чтобы читать. Но при горении свеча нагревается до очень высокой температуры (около 1400 °C), что значительно выше температуры вулканической лавы[156].
Старомодные электрические лампочки служат нам до сих пор и работают на принципе накаливания. В отличие от существовавших во времена их появления других ламп накаливания, в которых горел фитиль с топливом, электрическая лампочка питается электроэнергией. Когда электричество проходит через тонкую металлическую проволоку, атомы в ней возбуждаются настолько, что уже не в состоянии удерживать в себе электроны. Чем тоньше проволока, тем труднее электрическому току проходить по ней – здесь возникает то, что мы называем электрическим сопротивлением. Поддерживая напряжение на должном уровне, вы можете добиться разогрева проволоки до красного или даже белого цвета. Загвоздка в том, что в таких случаях легко сжечь проволоку. Поэтому ее заключают в стеклянную вакуумную оболочку, внутри которой нет кислорода. Если бы люди не додумались до этого, наши электролампочки работали бы всего несколько минут. В вакууме электричество, проходя по проволоке, разогревает ее, заставляя атомы «выбрасывать» свет.
