Павел Ощепков - Жизнь и мечта

Это они, валентные электроны ответственны за многообразные превращения химических веществ. Они же ответственны и за биохимические связи, поскольку синтез и ресинтез есть также результат взаимодействия электронных оболочек атомов. Твердость и ковкость металлов определяется электронными взаимосвязями атомов и молекул, входящих в состав кристаллической решетки металлов. Электропроводность и теплопроводность также зависят от атомарных электронов. Электроны определяют собой подавляющее большинство физических и химических свойств окружающих нас тел.

С другой стороны, электроны интересны еще и тем, что из всех известных нам пока элементарных частиц только они продолжают движение даже при абсолютном нуле температуры, когда всякое другое движение атомов и молекул в кристаллической решетке, согласно общим законам термодинамики, практически прекращается.

В этих условиях только электроны сохраняют свою кинетическую энергию и приобретают даже более правильный порядок распределения по своим энергетическим уровням.

Уже сказанное дает повод проявлять значительно больший интерес к электрону. Однако у него есть и другие свойства, которые, как нам кажется, должны вызвать особый интерес в свете поставленной нами проблемы;

Чтобы решить задачу об организованном перераспределении тепловой энергии в окружающем нас пространстве, о таком распределении, при котором доминирующим было бы не выравнивание температуры (следовательно, и энергии) в нем, а повышение ее в одном месте. и понижение в другом, на первых порах надо ответить на два вопроса. Первый вопрос: возможно ли прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства без перепада температуры в электрическую или какую-либо иную форму энергии?

Второй вопрос: возможно ли перемещать тепловую энергию из одной зоны в другую настолько быстро, чтобы естественная теплопередача за тот же промежуток времени не привела к заметному выравниванию температур?

260

Независимо от конкретного способа решения главной задачи мы обязаны будем ответить на эти два вопроса, ибо в окружающем нас пространстве при полном рассеянии энергии действительно нет никаких существенных перепадов температур и, кроме того, в силу теплопроводности среды и всех известных материалов есть опасение, что перемещенное из одной зоны пространства в другую какое-то количество тепловой энергии тут же вновь рассеется.

Электрон поможет положительно ответить и на эти два вопроса. В самом деле, известно, что в каждом атоме электроны строго распределены по энергетическим уровням, соответствующим данной химической природе вещества и его температуре. Нет и не может быть в атоме (а следовательно, в сложном веществе) электронов с произвольными скоростями движения, с произвольными уровнями энергии. Следовательно, при переходе электрона из проводника одной химической природы в проводник другой химической природы (а при наличии тока такой переход обязательно совершается) должен существовать процесс взаимного обмена энергиями между движущимся электроном и кристаллической решеткой вещества. Не может, например, электрон, пришедший из меди в алюминий, оставаться с той же средней энергией, какую он имел в меди, ибо средняя скорость кинетического движения электронов в алюминии значительно ниже, чем в меди. При переходе электрона через границу алюминий — медь в обратном направлении имело бы место обратное явление, так как средняя энергия электронов проводимости в меди значительно выше, чем в алюминии.

Может ли электрон, пришедший в данное вещество с энергией, не соответствующей его химической природе, сохранять ее сколь угодно долго? Конечно, нет.

Взаимодействуя с другими электронами кристаллической решетки вещества, он обязательно вынужден будет изменить свое энергетическое состояние и приобрести ту энергию, которая характерна для данного химического вещества (проводника). В одном случае, например при переходе из меди в алюминий, он должен отдать кристаллической решетке часть своей энергии, а в другом случае — при переходе из алюминия в медь — он должен приобрести от кристаллической решетки недостающую ему энергию.

261

Схема движения электронов на границах разных проводников

Что будет, если мы составим замкнутую цепь из проводников разной химической природы и заставим электроны проводимости двигаться в них в преимущественном направлении? Правда, мы пока не умеем еще создавать спонтанного (самопроизвольного) преимущественного направления в движении электронов проводимости внутри металлов.

С собственными скоростями они движутся во всевозможных направлениях, и только случайное (флюктуационное) несовпадение между количеством электронов, движущихся, например, вправо и влево, приводит к образованию потенциалов на концах металлического проводника. Но эти потенциалы носят шумовой характер (эффект Джонсона), и они не могут приниматься за преимущественное движение электронов. Создание преимущественного движения электронов в металлах или полупроводниках остается еще задачей на будущее. Но предположим, что мы ее уже решили. Что было бы тогда?

В случае замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, мы обязательно имели бы две границы их раздела, или, как часто говорят, два спая. При движении электронов в такой цепи, преимущественно в каком-либо одном направлении, получилось бы двойное преобразование энергии движущегося электрона. На предлагаемом рисунке можно наглядно видеть схему такого преобразования.

На границе I при переходе электрона из проводника с меньшей средней энергией движения электронов в проводник с большей средней энергией в ближайшей же зоне нового проводника произойдет захват недостающей части энергии, а на границе II произойдет обратный процесс— электрон отдаст свою избыточную энергию этому новому проводнику. И нужно заметить, что в этом случае электрон отдаст энергии ровно столько, сколько он захватил ее при своем переходе через границу раздела I, ибо он вновь попадает в проводник той же химической природы, из какой он вышел при переходе первой границы раздела.

262

На первый взгляд все это элементарно просто. Но какие важные выводы можно сделать из такой мыслимой схемы? Вот эти выводы.

Во-первых, захват и преобразование тепловой энергии решетки металла в энергию движущегося электрона в этом случае происходит без какого-либо температурного перепада. Во-вторых, перемещение этой энергии вдоль проводника до места нового ее выделения происходит с максимальной скоростью — со скоростью света.