Электронная оптика используется не только для создания микроскопа нового типа. Значение ее растет чрезвычайно быстро. Однако я ограничусь только рассмотрением примера ее применения.
Так как я говорю о наиболее современных проблемах физики, я не буду излагать теорию атома, которая была завершена в 1930 г.: это, скорее, проблема вчерашнего дня.
Нас интересует сейчас, как атомы соединяются, образуя физические тела, которые можно взвесить на весах, можно ощутить их теплоту, размеры или твердость и с которыми мы имеем дело в жизни, в технике рт.д.
Каким же образом свойства атомов проявляются в твердых телах? Прежде всего, оказывается, что квантовые законы, которые были обнаружены в отдельных атомах, сохраняют полную свою применимость и к целым телам. Как в отдельных атомах, так и в целом теле электроны занимают только вполне определенные положения, обладают только некоторыми, вполне определенными энергиями.
Электрон в атоме может находиться только в определенном состоянии движения, и, более того, в каждом таком состоянии может быть только один электрон. Не может быть в атоме двух электронов, которые находятся в одинаковых состояниях. Это тоже одно из основных положений теории атома.
Так вот, когда атомы соединяются в громадных количествах, образуя твердое тело – кристалл, то и в таких больших телах не может быть двух электронов, которые занимали бы одно и то же состояние.
Если число состояний, доступных электронам, как раз равно числу электронов, тогда каждое состояние занято одним электроном и свободных состояний не остается. В таком теле электроны оказываются связанными. Для того чтобы они начали двигаться в определенную сторону, создавая поток электричества, или электрический ток, чтобы, другими словами, тело проводило электрический ток, необходимо, чтобы электроны изменили свое состояние. Раньше они двигались вправо, а теперь должны двигаться, например, влево; под действием электрических сил должна возрасти энергия. Следовательно, состояние движения электрона должно измениться, а для этою нужно перейти в друюе состояние, отличное от прежнего, но это невозможно, так как все состояния уже заняты. Такие тела никаких электрических свойств не проявляют. Это – изоляторы, в которых не может быть тока несмотря на то, что имеется колоссальное количество электронов.
Возьмите другой случай. Число свободных мест гораздо больше, чем число электронов, там находящихся. Тогда электроны свободны. Электроны в таком теле, хотя их и не больше, чем в изоляторе, могут менять свои состояния, свободно двигаться вправо или влево, увеличивать или уменьшать свою энергию и т.д. Такие тела – металлы.
Таким образом, мы получаем очень простое определение того, какие тела проводят электрический ток, какие являются изоляторами. Это различие охватывает все физические и физико-химические свойства твердого тела.
В металле энергия свободных электронов преобладает над тепловой энергией его атомов. Электроны стремятся перейти в состояние с наименьшей возможной энергией. Этим и определяются все свойства металла.
Образование химических соединений, например водяного пара из водорода и кислорода, происходит в строго определенных соотношениях, определяемых валентностью, – один атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, две валентности атома кислорода насыщаются двумя валентностями двух атомов водорода.
Но в металле дело обстоит по-другому. Сплавы двух металлов образуют соединения не тогда, когда количества их находятся в отношении их валентностей, а тогда, например, когда отношение числа электронов в данном металле к числу атомов в этом металле равно 21:13. Ничего похожего на валентность в этих соединениях нет; соединения образуются тогда, когда электроны получают наименьшую энергию, так что химические соединения в металлах в гораздо большей степени определяются состоянием электронов, чем силами валентности атомов. Совершенно так же состояние электронов определяет все упругие свойства, прочность и оптику металла.
Кроме двух крайних случаев: металлов, все электроны которых свободны, и изоляторов, в которых все состояния заполнены электронами и никаких изменений в их распределении не наблюдается, существует еще громадное многообразие тел, которые не так хорошо проводят электрический ток, как металл, но и не вполне его не проводят. Это – полупроводники.
Полупроводники – весьма обширная и разнообразная область веществ. Вся неорганическая часть окружающей нас природы, все минералы, все это – полупроводники.
Как же случилось, что вся эта громадная область знания до сих пор никем не изучалась? Всего 10 лет, как стали заниматься полупроводниками. Почему? Потому, главным образом, что они не имели применения в технике. Но примерно 10 лет назад впервые в электротехнику вошли полупроводники, и с тех пор они с необычайной быстротой начали применяться в самых разнообразных отраслях электротехники.
Понимание полупроводников целиком строится на той самой квантовой теории, которая оказалась столь плодотворной при изучении отдельного атома.
Позвольте остановить ваше внимание на одной интересной стороне этих материалов. Раньше твердое тело представлялось в таком виде. Атомы соединяются в одну систему, соединяются не как попало, а каждый атом с соседним атомом сочетается в таких положениях, на таких расстояниях, при которых их энергия стала бы наименьшей.
Если это верно для одного атома, то это верно для всех остальных. Поэтому все тело в целом многократно повторяет одни и те же расположения атомов на строго определенном расстоянии друг от друга, так что получается решетка из правильно расположенных атомов. Получается кристалл, обладающий вполне определенными гранями, определенными углами между гранями. Это – проявление внутреннего порядка в расположении отдельных атомов.
Однако эта картина является только приближенной. В действительности тепловое движение и реальные условия роста кристалла приводят к тому, что отдельные атомы срываются со своих мест на другие места, часть атомов выходит наружу и удаляется в окружающую среду. Это – отдельные нарушения в отдельных местах, но они приводят к важным результатам.
Оказывается, достаточно увеличить количество кислорода, заключающегося в закиси меди, или уменьшить количество меди на 1%, чтобы электропроводность увеличилась в миллион раз и резко изменились бы все остальные свойства. Таким образом, небольшие изменения в строении вещества влекут за собою громадные изменения в их свойствах.
Естественно, изучив это явление, можно воспользоваться им, чтобы сознательно изменять полупроводники в желательную для нас сторону, изменять их электропроводность, тепловые, магнитные и другие свойства так, как нужно для решения данной задачи.
На базе квантовой теории и изучения как нашего лабораторного, так и производственного опыта заводов мы пытаемся решать технические задачи, связанные с полупроводниками.
В технике полупроводники получили первое применение в выпрямителях переменного тока. Если медную пластинку окислить при высокой температуре, создав на ней закись меди, то такая пластинка обладает очень интересными свойствами. При прохождении тока в одном направлении сопротивление ее невелико, получается значительный ток. При прохождении же тока в обратном направлении она создает громадное сопротивление, и ток в обратном направлении оказывается ничтожно мал.
Это свойство было использовано американским инженером Грондалем для того, чтобы «выпрямить» переменный ток. Переменный ток 100 раз в секунду меняет свое направление; если поставить на пути тока такую пластинку, то заметный ток проходит только в одном направлении. Это мы и называем выпрямлением тока.
В Германии для этой цели стали применять железные пластинки, покрытые селеном. Результаты, полученные в Америке и Германии, были воспроизведены у нас; была разработана технология заводского изготовления всех выпрямителей, которыми пользуется американская и германская промышленность. Но, конечно, основная задача заключалась не в этом. Нужно было, использовав наши знания полупроводников, попробовать создавать лучшие выпрямители.
Это нам до некоторой степени удалось. Б.В. Курчатов и Ю.А. Дунаев сумели создать новый выпрямитель, который идет значительно дальше, чем то, что известно в заграничной технике. Выпрямитель из закиси меди, представляющий собой пластинку шириной примерно 80 мм и длиной 200 мм, выпрямляет токи порядка 10–15 А.
Медь – дорогой и дефицитный материал, а между тем для выпрямителей нужны многие и многие тонны меди.
Выпрямитель Курчатова – небольшая алюминиевая чашечка, в которую насыпается полграмма сернистой меди и которая закрывается металлической пробкой со слюдяной изоляцией. Вот и все. Такой выпрямитель не надо греть в печах, и он выпрямляет токи порядка 60 А. Легкость, удобство и дешевизна дают ему преимущество перед типами, существующими за границей.
В 1932 г. Ланге в Германии заметил, что та же самая закись меди обладает свойством создавать при освещении электрический ток. Это твердый фотоэлемент. Он в отличие от других создает ток без всяких батарей. Таким образом, мы получаем электрическую энергию за счет световой – светоэлектрическую машину, но количество получаемой электроэнергии очень мало. В этих фотоэлементах только 0.01–0.02% световой энергии превращается в энергию электрического тока, но все-таки Ланге построил маленький моторчик, который вертится, если ею выставить на солнце.
Спустя несколько лет в Германии был получен селеновый фотоэлемент, который дает примерно в 3–4 раза больше тока, чем медно-закисный, и коэффициент полезного действия которого достигает 0.1%.
Мы попытались построить еще более совершенный фотоэлемент, который и удалось осуществить Б.Т. Коломийцу и Ю.П. Маслаковцу. Их фотоэлемент дает ток в 60 раз больше, чем медно-закисный, и в 15–20 раз больше, чем селеновый. Он интересен еще в том отношении, что дает ток от невидимых инфракрасных лучей. Чувствительность его настолько велика, что его оказалось удобным применить для звукового кино вместо тех видов фотоэлементов, которые применялись до сих пор.