Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Этот рисунок можно воссоздать на экране лучевой трубки: чем больше электронов осталось в одной точке пластины, тем ярче эта точка будет светиться на экране. Если же изображение на экране сменяется достаточно быстро, то создается эффект движущейся картинки.

Электронно-лучевой осциллограф также является частью устройства, использующего электромагнитные волны для определения расстояния до каких-либо объектов (аналогично применению звуковых волн в эхолокации).

Электромагнитные волны распространяются с точно известной скоростью — 300 000 километров в секунду. Если же электромагнитный импульс столкнется с преградой, то он, отражаясь от нее, вернется назад к источнику электромагнитного излучения. Остается лишь регулировать частоту волны: для проникновения сквозь туман, дождь и облачность необходимы волны более низкой частоты, а для более эффективного отражения от препятствий — более высокой. Идеальной является волна микроволнового диапазона, длиной от 0,5 до 100 см.

Зная скорость распространения волны и время, за которое сигнал долетел до препятствия и вернулся назад, можно определить расстояние до объекта. А по самому сильному отраженному сигналу можно определить направление.

Над разработкой подобного устройства работало сразу несколько ученых, но создать его первым удалось шотландскому физику Роберту Александру Вагсон-Ватту (1992–1972). Благодаря его прибору уже в 1935 году стало возможным отслеживать движение самолета по отражению микроволновых волн от его обшивки. Система получила название «радиообнаружение и определение дальности». По-английски система сокращенно называется радар.

Микроволновый импульс радара отклоняет луч осциллографа так, что на экране вместо горизонтальной линии появляется «клин» — эхо-сигнал, мощности намного меньшей мощности изначального импульса, так как возвращается лишь часть отраженных электронов, остальные разлетаются в разные стороны, отображается в виде меньшего по размерам клина. Так как электронный луч перемещается из стороны в сторону с огромной скоростью, то даже за те доли миллисекунды, которые необходимы для возвращения сигнала, между импульсом и эхо-сигналом образуется зазор. Именно по величине этого зазора возможно судить о расстоянии до объекта.

Можно поступить иначе, сконструировав специальную вращающуюся вокруг своей оси радарную антенну. Антенна будет принимать и усиливать слабые эхо-сигналы, а электронный луч вслед за вращением антенны рисовать на экране осциллографа линию от центра к краю экрана. Появляющиеся на экране яркие точки и будут отраженными от объектов эхо-сигналами. Тогда по расстоянию от точки до центра экрана можно будет судить о расстоянии до объекта, а по местоположению точки на экране — определить направление. При следующем обороте антенны вращающаяся линия «сотрет» все точки на экране и отобразит новые. Если использовать люминофор с более длительным свечением, то на экране появится грубое схематическое изображение длинных объектов. А если установить такой радар на самолет, то на экране появится приблизительная карта местности, так как электромагнитные волны отражает и земля, и вода, и листья, и бетон.

Впрочем, с помощью электронных приборов можно обнаруживать не только лишь созданные человеком высокочастотные излучения. Все небесные тела излучают широкий спектр электромагнитных волн. Однако практически все из них не способны пробиться сквозь атмосферу Земли. Исключением является, например, видимый свет, составляющий довольно обширную часть спектра солнечного излучения.

Существуют и другие излучения, легко проникающие сквозь земную атмосферу.

В 1932 году американский радиоинженер Карл Янский (1905–1950) занимался определением источников электростатического излучения. Устранив все известные источники, ученый смог обнаружить присутствие слабого электростатического излучения. Янский не смог определить источник этого излучения. Источник находился где-то сверху и медленно изменял свое местоположение в течение дня. Сначала Янский предположил, что источник движется вместе с Солнцем, но затем заметил, что его движение ускоряется и за день источник «обгоняет» Солнце на 4 минуты. Именно так изменяется положение звезд по отношению к Солнцу, а значит, источник излучения находится где-то за пределами Солнечной системы.

К 1932 году Янскому удалось определить, что самое сильное излучение идет со стороны созвездия Стрельца, где, по мнению астрономов, находится центр нашей Галактики.

Хотя центр Галактики и скрыт от глаз облаками пыли, полностью поглощающими свет, его все-таки можно разглядеть с помощью микроволнового излучения. После Второй мировой войны развитие радаров привело к появлению радиотелескопов. Радиотелескопы способны усиливать даже самые слабые сигналы. Началась новая эра — эра радиоастрономии.

Какое-то время ученых вполне устраивала идея о том, что все во Вселенной состоит по меньшей мере из двух типов никак между собой не связанных микрочастиц: различных видов относительно тяжелых атомов элементов и одинаковых электронов, составляющих электрический ток.

Но так ли уж они между собой не связаны? Вольт еще за сто лет до открытия электронов использовал для получения электрического тока устройство, состоявшее из помещенных в химический раствор металлических пластин. С тех пор химические источники тока претерпели большие изменения и превратились в современные батарейки и аккумуляторы.

Если несколько обладающих нейтральным зарядом химических элементов вместе способны давать состоящий из огромного количества электронов электрический ток, значит, связь между атомами и электронами все-таки существует. Теперь нужно выяснить, образуются ли электроны в процессе соединения и разъединения атомов, или же они всегда присутствуют в веществах, а во время реакции просто-напросто высвобождаются.

И у того и у другого взгляда были свои недостатки. Образование электронов, согласно закону сохранения массы (см. ч. II), а в 90-х годах XIX века ученые свято ему верили, просто невозможно. С другой стороны, если электроны в химических элементах существовали всегда, то почему тогда они никак себя не проявляли и почему заряд химических элементов остается нейтральным?

Масло в огонь подливал и следующий феномен, известный еще до открытия электрона.

Когда в 80-х годах XIX века Герц экспериментировал с радиоволнами, то обнаружил, что гораздо проще получить искру между металлическими иглами его устройства для обнаружения радиоволн, если на иглы падает свет. То есть под действием света в металле возникает электрический ток. Герц дал феномену название фотоэлектрический эффект.