Путешествие в Страну элементов

Космический корабль преодолел земное притяжение. Мощные двигатели уже не нужны. Они требуют слишком много горючего. Что же заменит их в космосе? Ионный двигатель. Он очень прост. Вот его схема. Мощные солнечные батареи раскаляют пластины вольфрама. На них подается самый легкоплавкий и самый активный щелочной металл цезий.

Под действием тепла, излучаемого вольфрамом, цезий ионизируется. Образовавшееся ионное облако разгоняется в электростатическом поле при напряжении порядка 10 100 вольт. Со скоростью 12 миллионов сантиметров в секунду ионы цезия вылетают из сопла ракеты. Образуется необычайно мощная удельная тяга в 12 000 кг·сек/кг^[3], но масса ионного луча очень мала, общая тяга двигателя, сообщают американцы, не превышает одного килограмма.

Однако в космосе и такой двигатель сообщит современному планетолету высокую скорость. Отметим: в ионном двигателе цезий не топливо, он лишь переносчик энергии солнца, подобно пару, переносчику энергии сжигаемого угля.

Ионный пар окажет огромную услугу людям и на Земле. В будущем плазменные генераторы вытеснят современные паровые котлы, турбины, генераторы и конденсаторы, такие привычные и вместе с тем, что греха таить, очень неудобные, громоздкие и неэкономичные переводчики тепла в электричество.

Принцип работы плазменных генераторов сравнительно прост. Из сопла газовой турбины со сверхзвуковой скоростью, с оглушающим ревом вырывается нагретый до 3000 °C поток ионизированного газа. По выходе из сопла его стережет сильное магнитное поле. Но, как известно, газы очень слабо ионизируются даже при такой высокой температуре. Их электропроводность несравнима с электропроводностью металла. Чтобы значительно повысить электропроводность газа, необходимо ввести в поток заряженные частицы.

И снова на помощь приходят активные, легкоионизирующиеся щелочные металлы. Цезий (рубидий, калий) впрыскивают в газовый поток.

Для получения электрического тока надо пересечь магнитное поле металлическим проводником: здесь роль металла выполняет электропроводящий газовый поток.

В плазменном генераторе тепло нагретого газа непосредственно переходит в электричество. Его коэффициент полезного действия равен 50–60 процентам, то есть в два раза больше, чем у обыкновенных генераторов тока: паровых котлов, турбин, электрогенераторов и т. д.

Трассы космических кораблей

Щелочные металлы связали свою судьбу с космосом. В этом 2 января 1959 года убедилось все человечество.

В морозную зимнюю ночь в назначенное время от невидимой ракеты, мчащейся к Луне, отделилось желтое пятнышко — облако паров атомарного натрия. Во вселенной появилась первая искусственная комета. С ее помощью определили точные координаты ракеты в момент выброса натриевого облака. Образованное на расстоянии 113 тысяч километров от Земли, оно обладало яркостью звезды шестой величины, звезды, заметной невооруженному человеческому глазу.

Для создания искусственных комет можно использовать все щелочные металлы. Все они легко испаряются и ярко светятся. Каждый элемент таблицы Менделеева светится по-своему, обладает своим, только ему присущим спектром.

Натрий окрашивает пламя в ярко-желтый цвет: киньте щепотку поваренной соли на пламя газовой горелки, и вы в этом легко убедитесь.

В космосе атомы натрия рассеивают желтую часть солнечного спектра, поглощая все остальные. Получается желтая комета, очень яркая. Общее количество света от кометы, на образование которой потребовался один килограмм натрия, такое же, как от электрического прожектора мощностью в 70 тысяч киловатт.

Но можно создать еще более яркую комету, воспользовавшись литием. Во-первых, атомы лития сильно рассеивают определенную часть солнечного спектра; во-вторых, в одном килограмме их в три раза больше, чем атомов натрия. Литиевая комета, образованная одним килограммом металла, будет светиться в 40 раз ярче натриевой. Только она окажется не желтой, а карминово-красной. Калиевая комета будет розово-фиолетовой. При помощи щелочного металла можно сделать путь космического корабля трассирующим: для этого надо выбрасывать литиевые облачка через определенные промежутки времени.

Реагируют со светом

В 1888 году известный русский физик А. Г. Столетов обнаружил, что свет электрической дуги выбивает электроны из цинковой пластинки. Это явление было названо фотоэлектрическим эффектом. Его величина зависит от подвижности электронов в металле, от того, насколько легко вырвать их из атома, ионизировать его. Напряжение поля, в котором внешний электрон атома покидает свою орбиту, называется ионизационным потенциалом.

Для щелочных металлов ионизационные потенциалы малы по сравнению с другими металлами. Для цезия, например, всего лишь 3,9 вольта. Не удивительно, что калий, натрий, а особенно рубидий и цезий очень чувствительны к свету. Немалое количество двух последних идет на производство фотоэлементов.

Что такое фотоэлемент?