РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ

РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Лагодаря редким металлам созданы фотоэлементы — электрические приборы, в которых световая энергия непосредственно превращается в электрическую энер­гию [24]). Фотоэлементы используются в звуковом кино, при передаче изображений по радио и автоматизации многих сложных производств, в управлении на расстоянии рабо­той агрегатов и машин.

Наиболее интересными и важными редкими метал­лами, применяющимися в фотоэлементах, являются цезий и рубидий. Они обладают чувствительностью к свету. До­статочно лучу света упасть на поверхность цезиевой пла­стинки, как в ней произойдут глубокие физические изме­нения. Под действием света цезий становится источником электрической энергии: с его поверхности устремляется поток электронов. С прекращением светового облучения исчезает и ток. Возникновение электрического тока под воздействием света было открыто выдающимся русским физиком А. Г. Столетовым ещё в 1888 году. Оно получило название фотоэффекта, а электрический ток, возникающий при облучении проводника светом,— фотоэлектричества.

В чем причина фотоэффекта?

Мы уже знаем, что кристаллическая решётка метал­лов построена из положительных ионов, между которыми находятся свободные электроны. В обычных условиях электроны не могут вылететь из куска металла в окру­жающее пространство. Этому мешают силы притяжения и взаимной связи атомов, действующие на поверхности твёрдого тела. Чтобы вырвать хотя бы один электрон, нужно затратить некоторую работу, называемую «рабо­той выход а». Световые лучи способны «выбивать» из металла электроны. В этом и состоит сущность фотоэф­фекта.

Известно, что солнечный свет является сложным. Его можно при помощи стеклянной призмы разложить на «простые» или одноцветные лучи. Но, кроме видимого глазом, Солнце и другие источники света испускают не­видимое излучение, например ультрафиолетовые лучи, ко­торые дают «загар» кожи, и инфракрасные лучи, несущие много тепла. Все световые лучи сходны друг с другом тем, что все они представляют собой электромагнитные волны. Отличие же их одного от другого состоит в том, что длина волны у разных лучей неодинакова. Ультра­фиолетовое излучение имеет более короткую волну, чем все видимые и инфракрасные лучи.

Какое же излучение вызывает фотоэффект? Для каж­дого металла нужны лучи со строго определённой длиной волны. Цинковую пластинку, например, можно сколько угодно освещать видимыми лучами и не вырвать ни од­ного электрона. Но если хотя бы на мгновение осветить её ультрафиолетовыми лучами, как с её поверхности выле­тит в пространство огромное количество электронов и пла­стинка получит избыточный положительный заряд.

Фотоэффект обнаруживается почти у всех металлов, если их поверхность облучать ультрафиолетовыми лучами - или лучами с ещё более короткой длиной волны.

Только у таких металлов, как натрий, калий, особенно у редких металлов цезия и рубидия, фотоэлектрический эффект наблюдается и при облучении их обычным види­мым светом, несущим меньшую энергию по сравнению с ультрафиолетовыми лучами. Значит, эти металлы тре­буют самую меньшую «работу выхода» для вырывания свободных электронов. Вот почему они нашли широкое применение при изготовлении фотоэлементов.

Фотоэлектрические свойства вещества объясняются особенностями их атомного строения; они зависят от ве­личины атомов. Атомы калия, рубидия, цезия больше своих соседей по размерам. Например, атом натрия имеет диаметр 1,86 ангстрема (ангстрем в 100 миллионов раз меньше сантиметра), а диаметр атома цезия — 5,42 анг­стрема. Чем больше по своим размерам атом и чем больше в нём электронов, тем меньше внешние электроны свя­заны силами притяжения с ядром атома.

Установлено, что у некоторых сильно разогретых ме­таллов (например, у вольфрама), помещённых в сосуд, из которого выкачан воздух, с поверхности вылетают сво­

Бодные электроны, и металл становится положительно заряженным. Правда, поток электронов настолько мал, что его трудно даже измерить. Но если вольфрам покрыть тончайшим слоем цезия, то электронный поток увели­чится в 4 миллиона раз. Это свойство цезия и использо­вано в фотоэлементах.

Удивительные свойства цезия и рубидия заинтересо­вали учёных всего мира. Начались усиленные поиски но­вых месторождений цезиевых и рубидиевых руд. Оказа­лось, что эти металлы содержатся не только в минералах, но и в воде. В каждой тонне морской воды имеется 0,32 грамма хлористого рубидия.

Учёным известны источники, в ко­торых каждая тонна воды содержит до 40 граммов хлористого рубидия и до 0,35 грамма хлористого цезия.

Способы получения этих металлов в чистом виде основаны на открытии русского химика Н. Н. Бекетова, ко­торый еще в 1888 году получил металлический рубидий путём вос­становления гидроокиси рубидия алюминиевым порош­ком. Н. Н. Бекетов использовал свойство алюминия при высокой температуре активно взаимодействовать с кислородом. Тонко измельчённый алюминий при высокой температуре отнимает кислород из окислов цезия и руби­дия, т. е. восстанавливает эти металлы.

Как и многие другие химические элементы таблицы Д. И. Менделеева, цезий был открыт методом спектраль­ного анализа в 1860 году. В спектре он даёт две линии яр­коголубого цвета. «Цезий» в переводе на русский язык и означает «небесно-голубой». Металлический цезий золо­тисто-жёлтого цвета.

Цезий — самый легкоплавкий металл; он плавится даже от тепла ладони (рис. 15). Температура его плавле­ния 28,5°, удельный вес 1,87. На воздухе металлический пезий настолько активно соединяется с кислородом, что моментально вспыхивает, поэтому хранят его под слоем керосина. Высокая химическая активность цезия по отно­шению к кислороду и азоту воздуха используется при изго­товлении радиоламп для создания в них высокого ва­куума. Достаточно поместить в колбу лампы мельчайший
кусочек сплава цезия с кальцием и барием (сплав этот более устойчив, чем чистый цезий), как воздух, который не удалось откачать насосом, будет поглощён этим кусочком.

Рубидий по свойствам и химической активности похож на цезий. Он ещё более лёгок, чем цезий. Удельный вес его 1,532. Температура плавления рубидия 39°. Это очень мягкий металл серебристо-белого цвета. Если руби­дий нагреть до температуры 180°, то его пары примут пурпурно-красный оттенок. При повышении температуры свыше 350° цвет паров постепенно меняется. Вначале они становятся оранжевыми, а при увеличении нагревания — жёлтыми. Свойства паров рубидия менять окраску используют для обнаружения рубидия в других вещест­вах. Некоторые соединения рубидия обладают интерес­ными и важными для науки свойствами радиоактивности.

Интерес к цезию и рубидию не ослабевает, так как изучение всех превращений в атомах этих элементов под действием световой энергии открывает перед наукой за­манчивые перспективы. Фотоэлемент — это источник эле­ктрической энергии, рождённой светом. Он превращает световую энергию сразу в электричество. Может быть, возможно солнечный свет превращать непосредственно в электрическую энергию? Может быть, эти два редких ме­талла позволят в недалёком будущем создать мощные фотоэлектрические машины, питающиеся неисчерпаемой световой энергией Солнца?