Цезий - Две голубые незнакомки

| Категория реферата: Биология и химия
| Теги реферата: диплом 2011, бесплатные рефераты и курсовые
| Добавил(а) на сайт: Skorodumov.

В 1887 году известный немецкий физик Генрих Герц открыл явление внешнего фотоэффекта, т. е. "испарения" электронов с поверхности металлов под действием света. Вскоре профессор Московского университета А. Г. Столетов, заинтересовавшийся этим явлением, провел ряд опытов и на их основе сформулировал теоретические законы фотоэффекта. В чем же его суть? Оказывается, невесомый луч несет с собой энергию, вполне достаточную для того, чтобы выбить из атомов некоторых металлов наиболее удаленный от ядра электрон. Если в разрыв электрической цепи направить вереницу вырвавшихся на волю "узников", то их поток способен замкнуть цепь и в ней появится ток.

Говорят, сколько людей - столько мнений. Так и у каждого металла есть свое "мнение" в отношении фотоэффекта. Одни не считают нужным идти на поводу у света: их хоть прожектором "обстреливай", но электронов из них не выбьешь.

Другие, напротив, без сожаления расстаются с ними, как только на них попадает едва заметный луч. Самый щедрый на электроны металл - цезий, и эта щедрость отнюдь не случайна. У всех щелочных металлов, а цезий - их типичный представитель, на внешней орбите "разгуливает" всего один электрон. Но один в поле не воин, и свет расправляется с ним без особого труда. У цезия к тому же этот одинокий скиталец находится дальше от ядра, чем у его родственников по "щелочной линии". Поэтому работа выхода электрона (так называется тот "труд", который должен затратить световой луч, чтобы отнять у атома электрон) у цезия минимальна, а это значит, что он - самый подходящий материал для фотоэлементов - приборов, превращающих лучи света в электрический ток. Службу в фотоэлементах цезий несет не в одиночку, а, например, в сплаве с сурьмой, причем толщина светочувствительного слоя настолько мала, что одним граммом сплава можно покрыть поверхность примерно в 10 квадратных метров.

Все, кто пользуется услугами метрополитена, каждый день проходят мимо фотоэлементов. Они вмонтированы в контрольные турникеты, устроенные очень просто: с одной стороны - фотоэлемент, с другой - источник света, направляющий луч на своего "визави". Стоит вам, не опустив предварительно пятака, пересечь луч, фотоэлемент включит механизм рычагов и они с грозным лязгом преградят вам путь. Если же вы дадите турникету пятикопеечную "взятку", он сделает вид, что вас не заметил: механизм автоматически отключается, и рычаги не срабатывают.

Фотоэлемент - прибор несложный, но очень способный: его можно обучить любой работе. Как только в городе стемнеет, фотоэлемент включает фонари. Если рука рабочего окажется в опасной зоне, этот контролер тут же остановит станок.

Фотоэлемент умеет сортировать сигареты, подсчитывать число деталей, проплывающих мимо него на конвейере, проверять, достаточно ли хорошо отшлифована поверхность шариков для подшипников, читать запись на звуковой дорожке киноленты. Надежнее любого сторожа эти чуткие приборы охраняют ночью магазины, банки, склады.

Без фотоэлементов немыслима была бы сама идея передачи изображения на сотни и тысячи километров. Если вы вчера с интересом смотрели по телевизору хоккейный матч, концерт или очередную "порцию" захватывающего многосерийного фильма, то не грех поблагодарить за это цезий: без него ваш телевизор имел бы не больше шансов на передачу изображения, чем ящик из-под макарон.

С помощью фотоэлементов удалось "снять копию" обратной стороны Луны. А разве можно было бы передать по проводам чертежи, схемы, портреты, письма, если бы фототелеграфная связь не пользовалась услугами не равнодушных к свету электронов? Конечно, нет.

Фотоэлектрические свойства цезия позволили создать интроскоп - прибор, позволяющий заглянуть внутрь непрозрачных тел и заметить в них возможные дефекты. Чувствительность цезия к инфракрасным лучам лежит в основе конструкции "ночезрительных труб" - так М. В. Ломоносов называл приборы, о которых он мог только мечтать. А сегодня оптический "глаз", способный видеть в темноте, помогает человеку ночью вести автомобиль, прицельно стрелять, обнаруживать различные объекты.

До сих пор речь шла о фотоэлектрическом эффекте, но цезий готов поделиться своими электронами "по просьбе" не только света, но и тепла. Благодаря этому свойству он охотнее многих других химических элементов переходит в состояние ионизированного газа - плазмы. Цезиевая плазма представляет огромный научный и практический интерес. В космическом пространстве, например, где степень разрежения очень высока, поток электронов, выделяемых атомами цезия, способен создавать мощную реактивную тягу и придавать ракетам колоссальную скорость - по расчетам некоторых зарубежных ученых, до 44 километров в секунду! Возможно, недалек уже тот час, когда межпланетные корабли на цезиевом "топливе" будут заходить в самые далекие порты и гавани Вселенной.

Но цезиевая плазма не теряет времени даром и уже вовсю трудится на Земле. С ее помощью магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) преобразуют тепловую энергию в электрическую. Одно из многих достоинств этих генераторов - их простота: единственная движущаяся "часть" в них - поток ионизированного газа, как бы исполняющего обязанности вращающегося ротора. Без цезия не обходятся и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП), в которых тепловая энергия ядерного реактора без задержки превращается в электрический ток. Первая мощная установка такого типа - "Топаз" действует в нашей стране.

Цезий отнюдь не обделен вниманием науки: ученые различных стран проводят множество исследований, главный объект которых - цезий. Несколько лет назад физики Билефельдского университета (ФРГ) проделали любопытный эксперимент. Длился он всего десятую долю секунды, а на его подготовку понадобилось... два года. В чем же он заключался? На специальной установке атом цезия был подвергнут бомбардировке сфокусированным импульсом мощного лазера. В результате такого обстрела атом цезия пришел в состояние "крайнего возбуждения": орбиты электронов растянулись и размеры атома увеличились в десятки тысяч раз.

Группа американских физиков из Ок-Риджа (одного из важнейших центров атомной промышленности США) разработала методику, позволяющую пересчитать поштучно атомы некоторых элементов. В основе этой методики также лежит возбуждение атомов с помощью мощных лазерных импульсов. При первой демонстрации нового способа подсчитывались атомы цезия.

Ученые из индийского Института геофизических исследований, изучившие воду 60 горячих источников в Гималаях, пришли к выводу, что высокая концентрация цезия в воде может быть признаком магматической активности недр. Повышенная концентрация радиоактивного изотопа цезия-137 обнаружена в деревьях, сохранившихся в районе знаменитого Тунгусского взрыва, причем химическая аномалия характерна как раз для тех слоев ствола, которые относятся к 1908 году, когда произошло это событие.

Нельзя не упомянуть еще об одном очень важном "амплуа" этого элемента. В 1967 году Международная генеральная конференция по мерам и весам установила: "Секунда - время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133".

Коротко и ясно! Хотите отсчитать секунду, так это проще пареной репы: нужно только подождать, пока электрон цезия перепрыгнет с одной своей орбиты на другую указанное число раз.

Конечно, человеку такой подсчет проделать, мягко выражаясь, трудновато, а вот атомные часы на этом принципе уже работают и, надо сказать, неплохо: за три тысячелетия точность их хода может измениться всего на одну секунду. Это возможно благодаря необыкновенной стабильности основных свойств атомов цезия.

О цезии можно рассказывать тысячу и одну ночь: о его каталитических способностях и умении создавать вакуум в радиолампах, о его изотопах, применяемых в медицине, дефектоскопии, измерительной технике, о получении с помощью этого элемента сцинтилляционных монокристаллов, способных светиться холодным голубоватым или зеленоватым светом под действием любого излучения - рентгеновского, ультрафиолетового, радиоактивного. Словом, областям применения цезия, как говорится, несть числа. А перспективы его поистине безграничны!