СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

Как устроены твердые тела

При изучении процессов, происходящих в ионизацион­ных газоразрядных счетчиках, недостаточно знания строе­ния газов, состоящих из отдельных, свободно движущихся и мало связанных между собой атомов и молекул.

Так как газовая среда, которая используется при работе счетчика, помещается в замкнутый сосуд, необходимо иметь представление о процессах, происходящих на границе двух сред: газ — металл или газ — изолятор (диэлектрик), и следовательно, о том, как устроены твердые тела.

Известно, что все твердые тела по своей внутренней структуре делятся на два класса: кристаллические и не­кристаллические (аморфные), а по электрическим свой­ствам — на проводники (металлы) и непроводники (диэлект­рики или изоляторы). Кристаллический и аморфный ха­рактер вещества зависит как от его собственных свойств, так и от условий, при которых происходит переход тела в твердое состояние. Удавалось получить в кристалли­ческом состоянии такие типично аморфные вещества, как стекло, каучук, клей и др.

В противоположность свободно перемещающимся час­тицам газов частицы твердого тела закреплены на местах почти неподвижно и могут совершать только сравнительно незначительные колебательные движения.

Представим себе, что мы сближаем между собой два атома металла, скажем, меди. Атом меди имеет на внешней оболочке один электрон. Лри сближении у обоих атомов имеются совершенно равные шансы присоединить к себе наружный электрон другого атома. Поэтому при достаточ­ном сближении их наружные электроны, наиболее слабо удерживаемые ядрами, становятся общими для обоих ато­мов, подобно тому как это было в случае образования мо­лекулы водорода.

А если сблизить между собой не два, а несколько ато­мов меди, то мы получим гигантскую молекулу, состоящую из атомов, окутанных, как дымом, быстро движущимися электронами. Эти электроны по отдельности не принад­лежат ни одному атому, а свободно, беспорядочно движутся между ними, тем самым создавая прочную связь между отдельными атомами. В этом случае каждый атом в отдель­ности становится положительно заряженным, так как в каждый момент у него не хватает одного отрицательного электрона. Атом, потерявший электрон, называют ионизи­рованным атомом или положительным ионом. Весь же кусок металла является электрически нейтральным, так как число свободнодвижущихся электронов равно числу положительных ионов.

Особенностью структуры металлических элементов яв­ляется сравнительно слабая связь внешних электронов с ядром. Эта связь тем слабее, чем меньше число электро­нов в наружном слое. Если в наружном слое имеется один электрон, как например, у меди, хрома, молибдена и др., то он притягивается зарядом иона, равным единице. Сила притяжения в этом случае мала. При наличии двух электро­нов в наружном слое (железо, никель, вольфрам и др.) положительные ионы имеют двойной заряд; при этом каж­дый из двух электронов притягивается вдвое сильнее.

Таким образом, картина строения металлов сводится к следующему. Металл состоит из положительно заряжен­ных атомов (ионов), размещенных в строгом порядке в атмо­сфере отрицательного «электронного газа», который за­полняет промежутки между атомами (рис. 2). Между ато­мами электроны движутся беспорядочно, так же, как молекулы в газе. В своем беспорядочном движении электро­ны проникают за пределы наружного слоя положительных ионов, которые не дают им окончательно покинуть металл. Поэтому поверхность металла покрыта тончайшим слоем выступившего отрицательно заряженного «электронного газа». Под этим слоем находится слой положительных ионов, который уравновешивает отрицательный слой.

Оба эти слоя образуют двойной электрический слой, подобно обкладкам конденсатора, заряженным разноимен­ным электричеством. Этот двойной слой является как бы

Преградой, препятствующей выходу электронов из металла, носящей название потенциального барьера. Чтобы электрон смог покинуть металл, необходимо дать ему дополни­тельную энергию, достаточную для преодоления этого барьера. Работа, которую при этом нужно затратить, на­зывается работой выхода электрона из металла. Величина этой работы обычно выражается в электрон-вольтах и яв­ляется различной для различных металлов.

Если отрезок металлической проволоки подключить к источнику электрической энергии, который создаст в нем электрическое поле, то свободные электроны приобретут упорядоченное движение в направлении: положительного полюса источника энергии, и в проволоке потечет элек­трический ток. Металлы являются проводниками электри­чества.

В отличие от рассмотренной нами ионной структуры твердого вещества диэлектрики (изоляторы) строятся по так называемой атомной структуре. Она характерна тем, что в узлах пространственной решетки располагаются от­дельные атомы, а не ионы. В этом случае свободных электро­нов либо совершенно нет (рис. 3), либо имеется весьма незначительное количество. При наложении на такое

Твердое тело электрического поля по нему не потечет электрический ток. Поэтому такие тела называются диэлек­триками и применяются в качестве изоляторов.