Электроны и земная цивилизация
С научно-технических и исторических позиций показана фундаментальная роль элементарных носителей электрического заряда − электронов в образовании и развитии земной цивилизации. З науково-технічних та історичних позицій показано фундаментальну роль елементарних носіїв електричного заряду − електронів...
Saved in:
| Published in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143233 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Электроны и земная цивилизация / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 5. — С. 3-12. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860124295863205888 |
|---|---|
| author | Баранов, М.И. |
| author_facet | Баранов, М.И. |
| citation_txt | Электроны и земная цивилизация / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 5. — С. 3-12. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | С научно-технических и исторических позиций показана фундаментальная роль элементарных носителей электрического заряда − электронов в образовании и развитии земной цивилизации.
З науково-технічних та історичних позицій показано фундаментальну роль елементарних носіїв електричного заряду − електронів в утворенні і розвитку земної цивілізації.
The fundamental role of elementary electric charge carriers, electrons, in formation and development of Earth civilization is shown from scientific and technical and historical points of view.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:41:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 3
УДК 621.3:537.311
М.И. Баранов
ЭЛЕКТРОНЫ И ЗЕМНАЯ ЦИВИЛИЗАЦИЯ
З науково-технічних та історичних позицій показано фундаментальну роль елементарних носіїв електричного заряду −
електронів в утворенні і розвитку земної цивілізації.
С научно-технических и исторических позиций показана фундаментальная роль элементарных носителей электри-
ческого заряда − электронов в образовании и развитии земной цивилизации.
ВВЕДЕНИЕ
Все мы прекрасно понимаем важную и опреде-
ляющую роль представителей микромира для нашего
макромира. Все свойства и физические проявления
любого вещества определяются его внутренним мик-
роустройством, где "верховенствуют" волновые свой-
ства огромного числа микрочастиц и "царят" вероят-
ностные события, описываемые законами квантовой
физики. Одними из важнейших представителей таких
микрочастиц для земного мира оказались электроны.
Согласно [1] термин "электрон" происходит от древ-
негреческого слова "ēlektron", корень которого "ēlektr"
обозначает "янтарь", то есть физическое тело "смоля-
ной" природы, которое обладает свойством электри-
зации и способностью выработки при соответствую-
щем внешнем силовом воздействии на него на своей
поверхности электрического заряда. То, что такой
заряд является отрицательным, человечество узнало
сравнительно недавно − только в 19-ом столетии по-
сле открытия в 1897 году выдающимся английским
физиком Джозефом Томсоном рассматриваемой нами
элементарной частицы вещества − электрона [2, 3].
Интересно отметить, что открыт электрон был при
экспериментальном исследовании прохождения ка-
тодных лучей (электричества) через разряженные га-
зы в стеклянных отвакуумированных электроразряд-
ных трубках. За данное исследование и открытие Дж.
Дж. Томсон в 1906 году был удостоен Нобелевской
премии по физике. Этому определению рода заряда
электрона поспособствовала и разработка в данный
период основоположниками электричества физически
верной теории электризации тел [3, 4]. Первоначально
в первой половине 18-го века такое, как мы теперь
знаем, отрицательное электричество, порождаемое
"янтарем", ученые называли "смоляным", а положи-
тельное электричество, снимаемое с наэлектризован-
ных стеклянных тел, − "стеклянным" [4].
Введение во второй половине 18-го столетия вы-
дающимся американским физиком-самородком Бенд-
жамином Франклином в физику таких научных поня-
тий как положительное (+) и отрицательное электри-
чество (−) позволило людям облегчить свое воспри-
ятие электрически заряженных тел. Однако эти науч-
ные абстракции никак не способствовали раскрытию
глубинных физических знаний об электрическом за-
ряде, создающем вокруг себя такой вид физического
поля как "электрическое поле". Именно через наличие
данного электрического поля и проявляется электри-
ческий заряд микрочастицы или макрообъекта. Со-
гласно [1] в современной физике под термином "элек-
трический заряд" понимается физическая величина,
характеризующая силу взаимодействия элементарных
частиц вещества и их систем с электромагнитным и, в
частности, с электрическим полем. Истинность при-
родных фундаментальных процессов, лежащих в ос-
нове формирования и появления в веществе электри-
ческого заряда, человечеству еще только предстоит
узнать. Видимо, определенную ясность в данный
фундаментальный вопрос должны внести будущие
научные успехи человечества в области квантовой
электродинамики, физики высоких энергий, ядерной
физики и физики элементарных частиц.
Важно заметить, что величина электрического
заряда электрона с точностью измерений до 1% была
экспериментально установлена лишь в 1917 году вы-
дающимся американским физиком Робертом Милли-
кеном. Для этого потребовались годы кропотливой
работы и оригинальные разработки (например, метода
"милликеновского конденсатора") [3, 4]. Эта величина
оказалась равной элементарному электрическому за-
ряду − своего рода "кванту электричества", состав-
ляющему согласно современным уточненным изме-
рениям e0=1,602·10-19 Кл [2, 5]. О значимости этого
результата говорит тот факт, что за данное научное
исследование Р.Э. Милликену в 1923 году была при-
суждена Нобелевская премия по физике. В настоящее
время факт существования в природе такого "атома
электричества" считается твердо установленным. Ги-
потеза наличия в природе "кварков" − элементарных
частиц с дробным по отношению к величине e0 заря-
дом, до сих пор экспериментально не подтверждена.
Укажем и то, что на сегодня, несмотря на колос-
сальные усилия физиков всего мира, размеры элек-
трона пока точно не установлены [4]. Для случая при-
ближения электрона в виде элементарной частицы −
корпускулы сферической формы за его радиус er
принимается величина, вытекающая из представлений
классической электродинамики и примерно равная
er = )4/(2
00 eme πμ =2,818·10-15 м, где μ0=4π·10-7 Гн/м −
магнитная постоянная, а em =9,108·10-31 кг − масса
покоя электрона [5, 6].
Изложению и определенной систематизации из-
вестных электрофизических фактов, проливающих
свет на фундаментальную роль электронов в форми-
ровании и развитии нашей земной цивилизации, и
посвящена данная статья, относящаяся, по мнению
самого автора, к научно-популярной публицистике.
4 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5
1. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ В СТРОЕНИИ АТОМОВ И
МОЛЕКУЛ ВЕЩЕСТВА
Атом (молекула) является наименьшей частицей
вещества, обладающей химическими свойствами того
или иного химического элемента [2, 5]. В соответст-
вии с основными упрощенными моделями устройства
атома вещества, приближенно описывающими его
состояние (физическое поведение) и предложенными
в свое время выдающимся английским физиком Эрн-
стом Резерфордом (ядерно-планетарная модель атома,
1913 год) и выдающимся датским физиком Нильсом
Бором (планетарно-квантовая модель атома, 1913
год), а также согласно современной уточненной кван-
товомеханической модели устройства атома любого
вещества все атомы и образуемые ими молекулы в
своем составе содержат размещенное в центральной
области атомов положительно заряженное ядро с ве-
личиной заряда e0⋅Z (Z − порядковый номер атома в
периодической системе химических элементов
Д.И. Менделеева), вокруг которого на некотором рас-
стоянии в вакууме расположена отрицательно заря-
женная электронная оболочка сложной пространст-
венной конфигурации с модулем заряда, также рав-
ным e0⋅Z [3, 5]. В этой связи невозбужденный уеди-
ненный атом вещества является устойчивым электро-
нейтральным материальным образованием. Вся атом-
ная масса такого образования заключена практически
в его ядре, обладающем массовым числом A и содер-
жащем такие известные нам элементарные частицы
как протоны ep и нейтроны en . Напомним, что масса
протона составляет pm =1836 em , а близкая ему масса
нейтрона − nm =1839 em [2, 5]. Число протонов ep в
ядре атома точно равно его атомному порядковому
номеру Z, а число нейтронов en в нем всегда состав-
ляет величину, равную N = A − Z . Поэтому в основе
систематики известных землянам химических эле-
ментов лежит не их атомная масса или массовое чис-
ло ядра их атомов A (как первоначально установил
Д.И. Менделеев, 1869 год), а положительный элек-
трический заряд ядра этих элементов, равный e0⋅Z
(как в дальнейшем уточнил Н. Бор, 1922 год) [3, 4].
Электроны, входящие в состав электронной обо-
лочки атомов (или молекул, состоящих из атомов),
получили название связанных. Связанные электроны
атома вещества образуют электронные слои, имею-
щие по мере удаления от ядра атома следующие обо-
значения: ;1=K ;2=L ;3=M ;4=N ;5=O 6=P
[7, 8]. Каждый электронный слой представляет собой
совокупность электронов, энергетические состояния
которых определяются соответствующим одинаковым
значением главного квантового числа n атома вещест-
ва. При этом для слоя K главное квантовое число n,
наибольшее значение которого соответствует номеру
периода элемента в системе химических элементов
Д.И. Менделеева, которому рассматриваемый элемент
принадлежит, принимает значение n =1; для слоя
nL − =2; для слоя nM − =3; для слоя nN − =4; для
слоя nO − =5; для слоя nP − =6 [2, 7]. Внутри каждо-
го электронного слоя атома связанные электроны рас-
пределяются по электронным подоболочкам, каждая
из которых соответствует некоторому значению ор-
битального квантового числа l атома, равного l =n −1.
Число связанных электронов на каждой подоболочке
атома составляет )12(2 +l [2, 7]. Поэтому, например,
для электронного слоя K с n =1 и его электронов воз-
можно только одно энергетическое состояние s (l =0);
для слоя L с n =2− состояния s (l =0) и p )1( =l ; для
слоя M с n =3− состояния s (l =0), p )1( =l и d (l =2);
для слоя N с n =4− состояния s (l =0), p )1( =l , d (l =2)
и f (l =3), а для слоя O с n =5− состояния s (l =0),
p )1( =l , d (l =2), f (l =3) и g (l =4). В этой связи в ато-
ме любого вещества число связанных электронов в
состоянии s составляет 2, в состоянии p − 6, в состоя-
нии d − 10, в состоянии f − 14 и в состоянии g − 18.
В атомной физике установлено, что порядок за-
полнения связанными электронами в атомах энерге-
тических состояний в электронных слоях и электрон-
ных подоболочках (в пределах одного слоя), в основ-
ном, должен соответствовать радиальной последова-
тельности расположения энергетических уровней с
данными значениями квантовых чисел n и l, а также
принципу Паули (в любом атоме не может быть двух
электронов, находящихся в двух одинаковых стацио-
нарных состояниях, определяемых набором следую-
щих четырех квантовых чисел: главного n, орбиталь-
ного l, магнитного m0 и спинового sm ) [2, 7]. Такой
порядок приводит к тому, что для легких атомов сна-
чала заполняется электронный слой с меньшим зна-
чением главного квантового числа n и только потом
должен заполняться электронами следующий элек-
тронный слой с бóльшим значением n. При этом
внутри каждого электронного слоя сначала заполня-
ются энергетические состояния (подоболочки) с l =0
(s− подоболочка), а затем состояния с бóльшими зна-
чениями орбитального числа l (вплоть до l = n −1).
Этот порядок застройки электронами слоев и подобо-
лочек для ряда химических элементов в периодиче-
ской системе Д.И. Менделеева может нарушаться,
начиная с калия K (n=4). Так, для так называемых пе-
реходных химических элементов электронная дост-
ройка их предыдущих слоев с меньшим значением
главного квантового числа n может происходить при
уже частично заполненных связанными электронами
их последующих слоев с бóльшими значениями n
[2, 7]. Это объясняется тем, что при достаточно боль-
ших значениях главного квантового числа n взаимо-
действия между связанными электронами оболочки
атома приводит к тому, что состояния с бóльшими n и
меньшими значениями орбитального квантового чис-
ла l могут иметь меньшую энергию и оказаться для
атома вещества энергетически более выгодными, чем
состояния с меньшими n, но с бóльшими l [5, 7].
Как видим, связанные электроны являются не-
отъемлемой составной частью любых атомов и моле-
кул вещества, встречающихся в земной природе.
2. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ В ОПРЕДЕЛЕНИИ
СВОЙСТВ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ ВЕЩЕСТВА
В атомах те связанные электроны, которые вхо-
дят в состав внешнего электронного слоя с наиболь-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 5
шим значением главного квантового числа n, а также
принадлежат s− и p− подоболочкам, то есть имеют
орбитальные квантовые числа l =0 или 1=l , получи-
ли название валентных электронов [2, 7]. Из преды-
дущего раздела 1 следует, что общее число валентных
электронов на s− и p− подоболочках атомов для ряда
элементов и образуемых ими молекул может в преде-
ле составлять восемь. Образование таких подоболочек
в атомах и молекулах приводит к созданию устойчи-
вых внешних электронных слоев и соответственно к
появлению устойчивых химических элементов и их
соединений. Именно валентные электроны и опреде-
ляют химические и оптические свойства атомов (мо-
лекул) любого известного нам сейчас вещества [7].
Молекула, как известно, может состоять из оди-
наковых или различных атомов вещества. Эти атомы
в молекуле соединены химическими связями, которые
объясняются различными взаимодействиями их ва-
лентных электронов. В основе большинства химиче-
ских реакций, протекающих благодаря указанным
химическим связям, лежит отдача или присоединение
валентных электронов атомов взаимодействующих
веществ (элементов) [2, 7]. Из атомной физики и элек-
трохимии известно, что если у взаимодействующего
атома имеются менее чем наполовину занятые свя-
занными электронами s− и p− подоболочки (энерге-
тические состояния), то для него энергетически вы-
годна отдача другим атомам собственных валентных
электронов. В случае, когда у взаимодействующего
атома s− и p− подоболочки (энергетические состоя-
ния) более чем наполовину заняты связанными элек-
тронами, для него более выгодным энергетически
оказывается присоединение к себе валентных (внеш-
них) электронов от других атомов, участвующих в
процессе взаимных химических реакций [2, 7].
Из классической физики известно, что молекулы,
образовавшиеся в результате превращения взаимо-
действующих между собой атомов вещества в проти-
воположно электрически заряженные и взаимно при-
тягивающиеся ионы, получили название ионных (ге-
терополярных) [5, 7]. Такой тип химической связи
атомов в молекуле называется ионной связью. В осно-
ве образования таких ионных молекул лежит указан-
ное выше поведение взаимодействующих атомов с
различно заполненными внешними s− и p− подобо-
лочки, обусловленное отдачей или присоединением
для них соответствующих валентных электронов. Ти-
пичным примером для ионных молекул могут слу-
жить молекулы щелочно-галоидных солей, образо-
ванные ионами атомов химических элементов I и VII
групп периодической системы Д.И. Менделеева [7].
Например, более конкретно молекулы поваренной
соли NaCl, состоящие из положительного иона натрия
Na+ и отрицательного иона хлора Cl−. Заметим, что
щелочные металлы I группы имеют сравнительно не-
большие значения потенциала и соответственно энер-
гии ионизации E0 (например, для одновалентного на-
трия первый ионизационный потенциал 01E =5,12 эВ =
= 8,20·10-19 Дж [5]). Следует напомнить, что значение
E0 соответствует энергии освобождения одного внеш-
него (валентного) электрона из нейтрального атома
вещества. Так как все щелочные металлы обладают
минимальными ионизационными потенциалами, то
поэтому их такой представитель как натрий Na актив-
но и ведет себя в химических процессах. В тоже вре-
мя атомы элементов-металлоидов VII группы харак-
теризуются большой величиной "электронного срод-
ства", то есть величиной количества энергии, выде-
ляющейся в случае присоединения к атому металло-
ида данной группы валентного электрона от атома из
другой группы периодической системы элементов
Д.И. Менделеева [5, 7]. В этой связи переход валент-
ного электрона от атома натрия Na к атому металло-
ида-хлора Cl приводит к образованию ионов, каждый
из которых обладает устойчивой внешней совместной
восьмиэлектронной (s + p)− подоболочкой, что во
многом и определяет химические свойства образую-
щегося нового вещества. Такой переход валентного
электрона обуславливает образование в итоге устой-
чивой ионной молекулы поваренной соли NaCl. Мож-
но уверенно говорить о том, что мы на конкретном
примере убедились в определяющей роли валентных
электронов в протекании химических реакций и в ко-
нечном формировании с их (электронов) помощью
новых химических свойств у получаемых в ходе этих
химических реакций новых соединений.
Другим примером молекул являются так назы-
ваемые атомные (гомеополярные) молекулы. Химиче-
ская связь атомов в гомеополярных молекулах назы-
вается ковалентной связью [2, 7]. Типичным приме-
ром атомной молекулы является молекула простей-
шего газообразного вещества − водорода H2 , состоя-
щая из двух ядер − протонов ep и двух связанных и
вращающихся вокруг них электронов. Неразличи-
мость тождественных связанных электронов-
фермионов согласно квантовой статистике Ферми −
Дирака [4] в молекуле водорода H2 приводит здесь к
существованию так называемого "квантовомеханиче-
ского обменного взаимодействия", возникающего
между этими двумя связанными электронами [5, 7].
Благодаря такому взаимодействию электрон каждого
из атомов молекулы водорода H2 проводит некоторое
время у ядра другого атома. Таким путем в молекуле
водорода H2 осуществляется связь обоих атомов, об-
разующих единую атомную молекулу. Современные
квантовомеханические расчеты показали, что при
сближении двух водородных атомов H на расстояние,
соизмеримое с первым боровским радиусом электро-
на 1er =0,529·10-10 м в планетарно-квантовой модели
Н. Бора для атома водорода [4, 5], в случае антипа-
раллельности спинов (собственных вращений) рас-
сматриваемых связанных электронов атомарного во-
дорода возникает притяжение обоих атомов друг к
другу и, в конце концов, образуется устойчивая атом-
ная молекула водорода H2 [7]. При параллельности же
спинов связанных электронов водородные атомы H
отталкиваются друг от друга и молекула водорода H2
не образуется [5, 7]. Нам теперь совершенно ясно вид-
но, что внешние связанные или валентные электроны
в атоме вещества могут оказывать сильное влияние на
протекание на квантовофизическом уровне обменных
межатомных микропроцессов, ведущих к образова-
6 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5
нию новых химических элементов и веществ (мате-
риалов) с новыми физико-химическими свойствами.
Остановимся далее на влиянии связанных элек-
тронов атомов и молекул вещества на их оптические
свойства. Среди оптических свойств атома вещества
важнейшим является его спектр излучения. Так, час-
тоты спектральных линий v в дискретном линейчатом
спектре атома водорода H описывается известной
формулой Бальмера − Ридберга [5, 7]:
v = ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −
22
11
mn
R , (1)
где −ε= )8/( 32
0
4
0 hemR e постоянная Ридберга, равная
3,2931193·1015 с-1; ε0=8,854·10-12 Ф/м − электрическая
постоянная; h=6,626·10-34 Дж·с − постоянная Планка.
В (1) целое положительное число n =1,2,3,... при-
нято называть главным квантовым числом для элек-
тронной оболочки атома (именно оно и нумерует от
центра атома к его периферии возможные орбитали
связанного электрона в этой стратифицированной
оболочке), причем 1+= nm , 2+n , 3+n ,... Группа
линий с одинаковым значением квантового числа n
называется "серией". Приведем известные нам "се-
рии" водородного спектра [7]: n =1 − "серия Лаймана"
(переход вышерасположенного электрона на уровень
с n =1); n =2 − "серия Бальмера" (переход вышераспо-
ложенного электрона на уровень с n =2); n =3 − "серия
Пашена" (переход вышерасположенного электрона на
уровень с n =3); n =4 − "серия Брэкета" (переход вы-
шерасположенного электрона на уровень с n =4); n =5
− "серия Пфунда" (переход вышерасположенного
электрона на уровень с n =5); n =6 − "серия Хемфри"
(переход вышерасположенного электрона на уровень
с n =6). Из (1) следует, что переходы связанного элек-
трона в атомарном водороде H с разных вышераспо-
ложенных энергетических уровней (возбужденных
состояний) на те или иные нижерасположенные энер-
гетические уровни (условно стационарные состояния)
сопровождается соответствующей частотой v элек-
тромагнитного излучения, отвечающей знаменитой
формуле Планка [5]. Поэтому можно обоснованно
заключить, что частоты v в спектре электромагнитно-
го излучения (оптические свойства) для атома водо-
рода H целиком определяются квантованными пере-
ходами в электронной оболочке данного атома его
единственного связанного электрона с одних энерге-
тических уровней (орбиталей) на другие.
При изучении взаимодействия света с веществом
физиками было установлено, что на процессы распро-
странения в нем переменного электромагнитного поля
световой волны определяющую роль в области види-
мого и ультрафиолетового электромагнитного излу-
чения играют вынужденные колебания внешних и
наиболее слабо связанных (валентных) электронов
атомов и молекул вещества. Поэтому данные элек-
троны иногда называют еще и оптическими электро-
нами [7]. Эти электроны, совершая под действием
света вынужденные колебания, излучают вторичные
световые волны той же частоты. Данные вторичные
волны когерентны (согласованы по фазам) и интерфе-
рируют при своем наложении. В случае изотропной
среды эти вторичные волны образуют проходящую в
веществе волну, направление которой совпадает с
направлением распространения первичной световой
волны длиной
с
λ . Для оптически неоднородной сре-
ды, показатель преломления которой изменяется от
точки к точке вследствие флуктуаций ее плотности, в
результате наложения первичной и вторичной волн
возникает рассеяние света [7]. Согласно классической
электронной теории дисперсии света переменное
электромагнитное поле белого света вызывает элек-
тронную поляризацию среды, приводящую к измене-
нию относительной диэлектрической проницаемости
ε этой среды и ее зависимости от частоты v волн па-
дающего на нее света [5, 7]. В процессе этой поляри-
зации среды основная роль отводится оптическим
электронам ее атомов. Изменение ε обуславливает
изменение показателя преломления cn для среды, в
которой распространяется свет, и его частотную зави-
симость. Такое изменение cn ведет к изменению фа-
зовой скорости света и ее зависимости от частоты v,
что и приводит к дисперсии света. Поэтому связанные
электроны атомов вещества могут оказывать сильное
электрофизическое влияние на рассеяние, поглощение
и дисперсию падающего света в этом веществе.
В качестве оптических свойств молекул вещест-
ва выберем их оптические спектры, представляющие
собой совокупность полос, образованных тесно рас-
положенными спектральными линиями [7]. Указан-
ные полосы в молекулярных спектрах наблюдаются в
инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапа-
зонах шкалы электромагнитных волн. Близко распо-
ложенные полосы образуют группы полос. Известно,
что у простейших двухатомных молекулах наблюда-
ются несколько групп полос, а у многоатомных слож-
ных молекулах в видимой и ультрафиолетовой облас-
тях спектра наблюдаются широкие сплошные полосы
испускания и поглощения электромагнитного излуче-
ния [5, 7]. Согласно физическим данным, приведен-
ным в [7], наиболее заметное влияние на частоту v и
энергию фотона, испускаемого молекулой при изме-
нении ее энергетического состояния, оказывает дис-
кретное квантованное изменение энергии движения
связанных электронов в оболочках ее атомов. Отме-
тим, что на частоту фотонного излучения из молеку-
лы вещества дополнительное влияние, но в меньшей
по сравнению с изменением энергии электронов ее
атомов степени, оказывает изменение энергии колеба-
тельного движения ядер ее атомов и изменение энер-
гии вращательного движения молекулы [7]. И на оп-
тические свойства молекул вещества, как нам теперь
хорошо видно, существенное влияние оказывают свя-
занные электроны ее атомов, соответствующим обра-
зом расположенные в их электронных слоях.
3. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ В ФОРМИРОВАНИИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПРОВОДНИКАХ
В твердых металлических проводниках сущест-
вуют так называемые свободные электроны, обра-
зующие электроны проводимости с усредненной про-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 7
странственной плотностью 0en , способные под дей-
ствием внешнего электрического поля с усредненной
напряженностью zE = прU / прl , где прU − приложен-
ное к проводнику длиной прl электрическое напря-
жение, упорядочено перемещаться (дрейфовать) по
кристаллической решетке материала проводников.
Величина 0en определяет усредненную объемную
плотность отрицательного электрического заряда в
указанных проводниках 0eρ = 0e · 0en , составляющую,
например, для широко используемого в электротех-
нике такого проводникового материала как медь Cu
( 0en =16,86·1028 м-3 [5]), колоссальную величину,
примерно равную 2,7·1010 Кл/м3 [9]. Поэтому благода-
ря такой огромной величине 0eρ в проводниках ока-
зался и возможным процесс формирования в их ме-
талле электрического тока проводимости прi различ-
ных амплитудно-временных параметров (АВП), кото-
рый, как известно, соответствует всякому упорядо-
ченному движению электрических зарядов. Будем
придерживаться той научной концепции, что свобод-
ные электроны в материале любого проводника обра-
зуются из внешних связанных (валентных) электро-
нов его атомов [2, 7]. В рассматриваемых проводни-
ках происходит просто обобществление этих валент-
ных электронов атомов их материала, которые из-за
внешнего силового энергетического влияния отдели-
лись от "своих" атомов и образовали так называемый
коллективизированный "электронный газ" металла
проводника с огромной усредненной плотностью 0eρ .
С учетом изложенного нами выше в разделе 1
очевидно, что валентные электроны расположены на
s (l = 0)− и p (l = 1) − подоболочках внешнего элек-
тронного слоя атомов металла проводника. Их общее
максимальное число в каждом атоме для наиболее
распространенных проводниковых материалов (на-
пример, для меди Cu, серебра Ag, железа Fe, цинка Zn
и алюминия Al) составляет согласно периодической
системе химических элементов Д.И. Менделеева три
(два на s− подоболочке и один на p− подоболочке)
[5, 7]. Что касается непроводниковых материалов (на-
пример, инертных газов, образующих VIII группу в
указанной периодической системе химических эле-
ментов), то для них максимальное число валентных
электронов может достигать восьми (два на s− подо-
болочке и шесть на p− подоболочке). Такая электрон-
ная конфигурация для элементов VIII группы обеспе-
чивает их инертность к химическим взаимодействиям
с другими элементами, что и служит гарантом для их
устойчивого существования в природе.
Отметим, что сейчас в теории электричества и
прикладной электротехнике за положительное на-
правление электрического тока принято направление
упорядоченного движения положительных электри-
ческих зарядов [10], хотя в действительности в метал-
лических проводниках ток вызван упорядоченным
движением его свободных электронов с отрицатель-
ным электрическим зарядом в направлении, противо-
положном указанному чуть выше. Для постоянного во
времени t напряжения прU , приложенного к противо-
положным концам проводника, электрический ток
прi в нем будет соответствовать однонаправленному
перемещению (дрейфу) в металле проводника его
свободных электронов. Для переменного (двухполяр-
ного импульсного) напряжения прU , действующего
на металлическую структуру проводника, электриче-
ский ток проводимости прi будет представлять собой
гармонические (осциллирующие) продольные коле-
бания вдоль оси проводника его "электронного газа"
или "электронного облака" во взаимно противопо-
ложных направлениях. Чем выше частота fU измене-
ния во времени t приложенного к проводнику элек-
трического напряжения прU , тем будет больше час-
тота соответствующих пространственных колебаний
"электронного газа" металла проводника и соответст-
венно частота колебаний fi = fU электрического тока
прi в металлическом проводнике [9].
Читателю необходимо помнить, что свободные
электроны металлических проводников как квантовые
объекты имеют дуалистическую природу [5, 9]: они
одновременно являются элементарными частицами −
корпускулами и электронными волнами соответст-
вующей длины eλ . Дуализм свободных электронов
металлических проводников приводит к проявлению
ряда электрофизических особенностей при формиро-
вании с их помощью электрического тока проводимо-
сти прi различных АВП и его волновом квантованном
продольном (радиальном) распределении в металли-
ческих проводниках [11, 12]. Причем, учет данных
квантованных проявлений поведения свободных
электронов в металле оказался крайне важным для
области высоковольтной импульсной техники (ВИТ)
и техники больших импульсных токов (БИТ). Именно
в областях ВИТ и БИТ используются высокие плот-
ности электрического тока, когда наиболее ярко и
наглядно для нас в металле проводника проявляются
волновые свойства его свободных электронов. Здесь
эти особенности могут проявляться в виде квантово-
физических продольно-радиальных периодических
макроскопических электронно-тепловых структур с
наличием "горячих" и "холодных" участков провод-
ника [13−15]. Основные результаты многолетних ис-
следований данных структур с квантовомеханических
позиций наиболее полно изложены автором в его не-
давно вышедшей из печати монографии [16]. Поэтому
можно констатировать, что при получении электриче-
ского тока проводимости различных АВП в твердых
металлических проводниках главную электрофизиче-
скую роль выполняют их свободные электроны.
4. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ,
ПЕРЕДАЧЕ И ПОТРЕБЛЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ
На заключительном этапе производства электри-
ческой энергии в промышленных условиях в турбоге-
нераторе силового энергоблока электростанции (ЭС),
как известно, используется фундаментальный закон
8 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5
электромагнитной индукции Майкла Фарадея [5,17],
открытый этим великим английским электрофизиком-
самородком еще в 1831 году [3, 4]. Суть этого закона
сводится к тому, что изменяющееся во времени t или
в пространстве магнитное поле создает (индуктирует)
в размещенном в таком поле металлическом провод-
нике электродвижущую силу (ЭДС), которая при со-
ответствующих условиях для проводника вызывает в
его металле протекание индукционного электрическо-
го тока проводимости. Поэтому при круговом враще-
нии ротора турбогенератора энергоблока, создающего
своими магнитными полюсами с обмотками возбуж-
дения (или без них) в рабочем кольцевом воздушном
зазоре между ротором и статором турбогенератора
бегущее (вращающееся) магнитное поле (было изо-
бретено великим сербско-хорватским электротехни-
ком и электрофизиком Николой Теслой в 1882 году
[4, 18]), в распределенных по окружности и изолиро-
ванных от заземленного металлического корпуса тур-
богенератора обмотках его статора будет индуктиро-
ваться переменная ЭДС. Данная ЭДС (переменное
электрическое напряжение) будет во времени t в со-
ответствии с характером поведения круговых функ-
ций изменяться по гармоническому закону. При гене-
рации трехфазной ЭДС (переменного трехфазного
электрического напряжения cU ) электрические об-
мотки статора турбогенератора, содержащие изолиро-
ванные между собой и от корпуса статора витки
сложной формы из обычно медного провода, разно-
сятся между собой на угол 120°. Полученные с элек-
трических обмоток статора переменные ЭДС соответ-
ствующих фаз (фазные электрические потенциалы
или напряжения) выводятся с помощью изолирован-
ных металлических проводов (шин) на соответст-
вующие клеммы распределительного электрического
щита турбогенератора силового энергоблока ЭС [19].
Далее возникает задача передачи выработанных
с помощью турбогенератора энергоблока ЭС фазных
электрических потенциалов (переменных электриче-
ских напряжений cU разных фаз) к потребителю
электрической энергии. Вот тут-то активно и "всту-
пают" в действие описанные выше в разделе 3 сво-
бодные электроны твердых металлических проводни-
ков. Сначала эти проводники со своими внутриструк-
турными "электронными облаками" обеспечивают в
соответствующих преобразующих, технологических и
защитных электроустройствах (например, силовых
трансформаторах, токовыводах, реакторах) подготов-
ку фазных напряжений cU (прежде всего, их резкого
повышения по амплитуде) для применяемой сейчас
проводной передачи электрической энергии с помо-
щью воздушных или кабельных линий электропере-
дачи (ЛЭП) к ее различным потребителям [19].
Потом проводящие структуры металлических
токопроводов ЛЭП напрямую участвуют в процессе
передачи электрической энергии от распределитель-
ных устройств генерирующей станции к подстанциям
и ее отдельным потребителям. Данное участие метал-
лических токопроводов ЛЭП в передаче электроэнер-
гии, по мнению автора, сводится к ее направлению в
требуемое месторасположение потребителя этой энер-
гии. В этом случае металлические токопроводы ЛЭП
со своими свободными электронами выполняют важ-
ную роль направляющих электромагнитных структур,
определяющих требуемое направление потока элек-
тромагнитной энергии от ЭС к ее потребителю [20].
Без таких металлических структур со своими свобод-
ными электронами просто невозможно обеспечить в
указанном безизлучательном режиме канализации
электроэнергии ее доставку в заданную точку терри-
тории того или иного региона. В тоже время сама
электроэнергия в рассматриваемом проводном спосо-
бе ее транспортировки от ЭС к потребителю будет
передаваться лишь вдоль изоляционной среды, при-
мыкающей к металлическим поверхностям токопро-
водов ЛЭП [17, 20]. Наличие в токопроводах ЛЭП
металлических структур будет приводить и к пара-
зитным джоулевым потерям электромагнитной энер-
гии, вызванным рассеиванием квантованных элек-
тронных волн де Бройля, порождаемых дрейфом сво-
бодных электронов металлических токопроводов, на
тепловых колебаниях регулярно расположенных по-
ложительных ионов кристаллической решетки основ-
ных электропроводящих структур ЛЭП [20].
Что касается роли свободных электронов метал-
лических токопроводов в процессе потребления элек-
трической энергии, то она по физике мало чем будет
отличаться от их роли непосредственно при подго-
товке этой энергии к передаче и при ее самой провод-
ной передаче к потребителю. При чисто омической
электрической нагрузке у потребителя (например,
лампах накаливания) роль свободных электронов ее
металлических элементов будет сводиться к диссипа-
ции (рассеиванию) подводимой к нагрузке электро-
энергии на их кристаллической решетке. Ясно, что
для постиндустриального человеческого общества
электроны металлических проводников имеют важное
значение при производстве, проводной передаче и
потреблении (скажем, путем активного рассеивания
на омическом сопротивлении) электрической энергии.
5. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ В СОЗДАНИИ
ПРОВОЛОЧНОЙ И БЕСПРОВОЛОЧНОЙ
ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
Первоначально, как всем нам хорошо известно,
был изобретен телефонный аппарат, базирующийся
на передаче через коммутационную станцию посред-
ством телефонного кабеля электрического сигнала от
одного его пользователя (абонента) к другому. Про-
изошло это во второй половине 19 − столетия в США.
Автором этого великого изобретения от 1876 года в
истории человечества считается известный американ-
ский электротехник Александр Белл [21]. Передача по
телефонному кабелю, содержащему прямой и обрат-
ный тонкие изолированные металлические (как пра-
вило, медные) провода (или иначе называемые "про-
водные пары"), электрического сигнала с амплитудой
электрического напряжения до 30 В даже в режиме
постоянного электрического тока, как мы знаем (см.
разделы 3 и 4), невозможна без участия свободных
электронов металла его проводных пар. Кроме того,
данный тип электронов используется и в самой теле-
фонной трубке, где с помощью токонесущих метал-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 9
лических элементов наушников и микрофона проис-
ходит преобразование электрического сигнала в зву-
ковой и наоборот. Из мировой истории телефониза-
ции известно, что наиболее проблемной задачей для
человечества оказалась задача создания трансатлан-
тического подводного телефона, имеющего общую
протяженность около 4000 км [22]. Здесь специали-
сты, начиная с 40-х годов 20-го столетия, столкнулись
с проблемой большого пространственного затухания
передаваемого электрического сигнала вдоль метал-
лических жил подводного коаксиального кабеля с
полиэтиленовой изоляцией. Так как при этом исполь-
зовались частоты передаваемого сигнала порядка 100
кГц, то тепловые (джоулевые) потери энергии в мед-
ных жилах кабеля (яркое проявление в них уже пара-
зитного влияния свободных электронов) на участке
глубоководной трассы всего лишь длиной порядка
100 км сводили практически «на нет» вводимую в нее
полезную электрическую мощность. Проблема транс-
океанской телефонии была успешно решена лишь к
осени 1956 года с помощью подводных автономных
промежуточных электронных усилителей электриче-
ской мощности, размещенных по телефонной трассе
на расстоянии в 70 км друг от друга и работающих в
спектре частот 20 − 160 кГц с усилением сигнала в 60
дБ (в 1000 раз) на наивысшей частоте [22].
Что касается современного мобильного телефо-
на, то и здесь без участия свободных электронов ме-
таллических структур пока никак не обойтись: они не
заменимы при зарядке и рабочей разрядке его миниа-
тюрного электрического аккумулятора (автономного
источника электрического питания на напряжение до
12 В, обеспечивающего протекание микротоков в
электроблоках телефона), функционировании его ос-
новных электрических схем и приемно-передающих
устройств, работающих в диапазоне электромагнит-
ных волн порядка 1 ГГц, а также при указанном выше
преобразовании электрических и звуковых сигналов.
Намного раньше зарождения и развития телефо-
нии в мире в первой половине 19-го века происходило
становление проволочной электросвязи в виде теле-
графии [3, 4]. Данный вид связи позволял осуществ-
лять быструю передачу и прием сообщений на боль-
шие расстояния при помощи электрических сигналов,
передаваемых по проводной линии. В начале такая
передача производилась при помощи специальных
знаковых символов и кодов (например, азбуки Морзе
от 1837 года [4]), а в настоящее время широко приме-
няются буквопечатающие телеграфные аппараты (на-
пример, телетайпы). Отметим, что сейчас в мире по-
лучило весьма широкое распространение междуна-
родное абонентское телеграфирование (телекс) − про-
водная электрическая связь между абонентами (от-
дельными лицами, организациями), ведущими доку-
ментальные переговоры, прямо фиксируемые на бу-
маге [1]. При практической реализации телеграфии в
режиме передачи и приема электрических сигналов
напрямую используются свободные электроны метал-
лических проводов линий связи (см. разделы 3 и 4).
В конце 19-го столетия, благодаря пионерским
работам, прежде всего, известных физиков того вре-
мени − Генриха Герца (Германия) и Александра По-
пова (Россия), человечество получило в свое распо-
ряжение крупнейшее научно-техническое изобрете-
ние − беспроволочную электросвязь, осуществляемую
на дальние расстояния при помощи высокочастотных
электромагнитных колебаний (радиоволн) [3, 4].
Большой вклад в развитие этого вида электросвязи
(радиотелеграфии), но не в ее открытие, внес и италь-
янский инженер − радиотехник Гульельмо Маркони,
получивший в 1909 году Нобелевскую премию по
физике за изобретения в области беспроволочной
электросвязи (радиосвязи). И здесь люди не обошлись
без непосредственного участия свободных электронов
в получении электромагнитных волн радиочастотного
диапазона (в электроцепях радиопередатчика), их пе-
редаче через воздушное пространство и в приеме
пользователем (в электроцепях радиоприемника) [23].
Необходимо указать, что в настоящее время в
силовой радиоэлектронике при создании мощных ра-
диопередатчиков основным типом сверхвысокочас-
тотных электрических генераторов в сантиметровом и
длинноволновой части миллиметрового диапазонов
радиоволн является магнетрон [4,23]. В таком элек-
тровакуумном приборе как магнетрон, содержащем
двухэлектродную коаксиальную систему "катод −
анод" и являющемся источником мощного потока
сверхвысокочастотной электромагнитной энергии,
основным генерирующим элементом служит мощный
вращающийся в постоянном магнитном поле вихре-
вой поток электронов. Вывод усиленной магнетроном
сверхвысокочастотной электромагнитной энергии
осуществляется из его настроенных в резонанс ми-
ниатюрных объемных резонаторов, круговым образом
размещенных вдоль электрода-анода. Кроме того,
электроны не заменимы и в таких мощных современ-
ных радиоэлектронных устройствах как лампа бегу-
щей (ЛБВ) и лампа обратной (ЛОВ) волны, исполь-
зуемых в мощных радиопередатчиках при генериро-
вании электромагнитных колебаний соответственно в
сантиметровом и миллиметровом диапазонах радио-
волн [4, 23]. Накопленная в ЛБВ или ЛОВ кинетиче-
ская энергия движущимися электронами в их уско-
ряющей вакуумной системе "катод − анод" после ее
частичной передачи в конце ускорения тормозящему
их сверхвысокочастотному электромагнитному полю
выводится наружу при помощи волноводов и направ-
ляется в излучающую систему радиопередатчика.
6. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ В СОЗДАНИИ
ПРОМЫШЛЕННОЙ ИНДУСТРИИ, ТРАНСПОРТА,
БЫТОВОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И
КОМПЬЮТЕРОВ
Современная промышленность не мыслима без
электротранспорта при доменном производстве ме-
талла, металлургических прокатных станов (блюмин-
гов и слябингов), металлообрабатывающих станков,
подъемных электрокранов, наземных и воздушных
транспортных средств, ткацких станков, деревообра-
батывающих и бумагоделательных машин. Указанные
основные производственные механизмы и средства, в
свою очередь, не мыслимы без использования элек-
тродвигателей, в которых электромагнитная энергия
обмоток статора и сети преобразуется в механиче-
10 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5
скую энергию движущихся частей их ротора. Круго-
вое вращение ротора электродвигателя через систему
промежуточных механизмов может преобразовывать-
ся в иные виды движения отдельных частей указан-
ных основных производственных средств. Работа же
электродвигателя, как и электрогенератора, в свою
очередь, также не мыслима без участия свободных
электронов, дрейфующих в металле проводов их
электрических обмоток. Именно данное направленное
движение (дрейф) свободных электронов вызывает
появление в металлических проводах электрических
обмоток статора электродвигателя (ротора электроге-
нератора) переменного электрического тока проводи-
мости, вызывающего создание вокруг витков указан-
ных обмоток вращающегося переменного магнитного
поля. Взаимодействие данного магнитного поля в
электродвигателе с металлическими частями ротора
(например, его электрическими обмотками) приводит
в соответствии с законом электромагнитной индукции
Фарадея к возникновению в них переменных ЭДС и
протеканию, благодаря свободным электронам, в их
металле соответствующих электрических токов. Си-
ловое взаимодействие переменных магнитных полей
и токов статора и ротора электродвигателя вызывает в
рассматриваемой электромагнитно-механической сис-
теме появление электродинамических сил, обуславли-
вающих круговое вращение ротора электродвигателя.
Вся наша бытовая электротехника (например,
холодильники, пылесосы, кухонные комбайны, элек-
тробритвы и телевизоры) использует для своего
функционирования косвенно или прямо электроны.
Так, все вышеперечисленные бытовые электроприбо-
ры, кроме последних, не могут обойтись при своей
работе без электродвигателей и протекающих в их
электрообмотках электрических токов проводимости,
представляющих собой направленное движение сво-
бодных электронов. В телевизорах же, электроны,
кроме создания электрических токов в металлических
проводах и тонких токопроводящих "дорожках" плат
разнообразных схем их взаимосвязанных электробло-
ков, применяются при создании черно-белого или
цветного изображения на экране электронно-лучевой
трубки (ЭЛТ) [4]. Заметим, что в последние годы бла-
годаря научно-техническому прогрессу в телевизорах,
наряду с применением обычных ЭЛТ, используются
плазменные и жидкокристаллические экраны.
Принципиально не обойтись без помощи элек-
тронов и современной компьютерной технике. Работа
основного блока компьютера, его дисплея (особенно с
ЭЛТ), клавиатуры, принтера и выход в Интернет на-
прямую связаны с использованием проводной как
внутриблочной, так и междублочной электрической
связи. Главным действующим "лицом" в этой провод-
ной электросвязи компьютера является все тот же его
Величество Свободный Электрон.
7. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ В ИЗУЧЕНИИ
МИКРОСКОПИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
И ПОЛУЧЕНИИ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
В настоящее время одним из современных мето-
дов физико-химического анализа многих веществ яв-
ляется метод просвечивающей электронной микро-
скопии [24]. Данный метод базируется на применении
электронных микроскопов [25], в которых при уско-
ряющих электрических напряжениях до 100 кВ в сис-
теме "остроконечный катод с цилиндром Венельта −
дисковый анод с центральным отверстием" сфокуси-
рованные в вакууме в пучок при помощи электронных
линз нерелятивистские электроны направляются на
тонкие препарированные элементы исследуемого
объекта. После "просветки" таких прозрачных для
электронов тонких срезов наблюдаемого объекта эти
электронные лучи при помощи системы электронных
диафрагм и линз попадают на плоскость экрана ко-
нечного изображения с люминофором, где с помощью
камеры наблюдения, имеющей бинокулярный микро-
скоп, и фотокамеры производится фиксация получае-
мых микроснимков изучаемого образца вещества.
Заметим, что разрешающая способность в обычных
светооптических микроскопах, равная минимальному
радиусу кружка дифракционного рассеяния света ρ0
на предметном столе наблюдения микроскопа, опре-
деляется следующим выражением [25]:
0ρ =
0бsin
л610
c
с
n
,
, (2)
где −λ
с
длина световой волны; cn − показатель пре-
ломления среды, расположенной между исследуемым
объектом и объективом светового микроскопа; α0 −
апертурный угол наблюдения исследуемого объекта в
световом микроскопе или возможно и в ином типе
микроскопа, использующем вместо белого света дру-
гой вид воздействующих на объект лучей.
Так как минимальная длина волны
с
λ в видимой
части спектра электромагнитного излучения (для бе-
лого света) составляет порядка 400 нм [7], то согласно
(2) для высококачественных объективов с апертур-
ным углом не более α0=70° (при этом sinα0=0,94) да-
же при использовании в светооптическом микроскопе
перед его объективом специальных иммерсионных
жидкостей с наибольшим показателем преломления
cn =1,5 максимальная разрешающая способность та-
ких микроскопов ρ0 составляет величину, примерно
равную
с
λ /2, то есть численно составляющую в на-
шем случае около 200 нм [25].
Электронный же микроскоп, использующий для
формирования изображения структуры исследуемого
образца остро направленное электронное излучение
(электронный пучок лучей), позволяет кардинально
улучшить разрешающую способность ρ0 при наблю-
дении очень малых (микроскопических) объектов.
Обусловлено это тем, что в соответствии с известной
в волновой механике формулой де Бройля длина вол-
ны электрона eλ , движущегося со скоростью ev , вы-
ражается следующей формулой [5]:
eλ =
eevm
h
. (3)
Поэтому согласно (3) при практическом исполь-
зовании в современном электронном микроскопе
электронов с досветовыми скоростями ( ev <c, где
с=3·108 м/с − скорость света в вакууме [5]) величиной
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 11
равной реально около 1,8·108 м/с длина их волны eλ
может составлять примерно 0,004 нм. Тогда с учетом
(2) оценочная разрешающая способность ρ0 электрон-
ного микроскопа будет примерно равной eλ /2, что
может для рассматриваемого случая численно соста-
вить величину около 0,002 нм. Сравнивая приведен-
ные выше численные данные для ρ0, можно заклю-
чить, что в нашем случае теоретически разрешающая
способность электронного микроскопа в 105 раз вы-
ше, чем для светооптического микроскопа. Однако на
практике, как оказалось, реально достижимое разре-
шение электронных микроскопов превышает разре-
шение световых микроскопов лишь в 103 раз [25].
Данное расхождение связано с тем, что в электронно-
оптических линзах по сравнению со световыми лин-
зами значительно больше ошибки изображения объ-
екта наблюдения или так называемые аберрации [25].
В этой связи для снижения влияния аберраций в элек-
тронных микроскопах приходиться уменьшать вели-
чины апертурных углов α0 практически в 102 раз по
сравнению с апертурными углами α0 в светооптиче-
ских микроскопах и соответственно во столько же раз
увеличивать величину разрешения ρ0.
Электронные микроскопы позволяют проводить
прямое электронно-микроскопическое исследование
самых разнообразных объектов, начиная с легких ор-
ганических структур и заканчивая тяжелыми метал-
лами. Получаемая с их помощью информация не ог-
раничивается только сведениями о геометрических
характеристиках объектов, но и включает в себя дан-
ные об их внутренней кристаллографии и о возни-
кающих несовершенствах (дислокациях) в микроско-
пических структурах исследуемых материалов. По-
следнее является весьма важным при получении но-
вых видов материалов (например, различных компо-
зиций, упрочненных металлов и градиентных струк-
тур) с улучшенными физико-механическими свойст-
вами, упорядоченными внутренними структурами и
содержащими минимум дефектов в своем строении.
Важным физическим инструментарием при изу-
чении внутреннего строения вещества (материи) ока-
зались линейные (ЛУЭ) и циклические (ЦУЭ) ускори-
тели электронов [4, 5]. Ускоренные в вакууме до ог-
ромных скоростей ev в данных сложных, крупнога-
баритных и дорогостоящих электрофизических уста-
новках, принцип работы которых практически анало-
гичен работе миниатюрной вакуумной радиоэлек-
тронной лампы, суб − и ультрарелятивистские элек-
троны при встрече на своем пути движения с ядерной
мишенью способны вызвать в ней эффекты взаимо-
действия, связанные с конечными микроскопически-
ми размерами ядер ее атомов, а также с размерами их
(ядер) образующих элементарных частиц [4, 5]. Для
этого необходимо, чтобы длина волны электронов eλ ,
ускоренных в ЛУЭ или ЦУЭ (например, в микротро-
нах, бетатронах), была порядка 10-15 м и менее (по-
рядка радиуса ядра атома изучаемого вещества и
меньше). Для получения таких длин электронных
волн eλ энергия электронов eW в ускорителе данных
элементарных частиц должна в соответствии с ниже-
приведенной квантовомеханической формулой, выте-
кающей из закономерностей волновой механики [5,7],
eW =
e
hc
λ
, (4)
составлять значение, равное около 1,24 ГэВ. Заметим,
что, например, на Стэнфордском ЛУЭ (США) были
получены в свое время рекордные значения энергии
ультрарелятивистских электронов eW , составляющие
примерно 20 ГэВ [4, 5]. При этом их длина eλ на вы-
ходе электронного пучка из указанного ЛУЭ на осно-
вании (4) составляла величину, примерно равную
6,2·10-17 м. Видно, что найденная нами согласно (4)
длина волны электрона eλ практически на два поряд-
ка меньше его приближенного радиуса er , оцененно-
го нами на основании представлений классической
физики и указанного автором выше во Введении дан-
ной статьи. К этому следует добавить то, что даже
при современной предельной разрешающей способ-
ности физических измерений микрообъектов в 10-18 м
размеры электрона достоверно определить пока все
же не удалось [4, 5]. Именно такой физический пара-
докс и заставляет физиков-ядерщиков проводить
дальнейшие углубленные работы по эксперименталь-
ному уточнению физико-квантовомеханических па-
раметров такой совсем не тривиальной элементарной
частицы как электрон, возможно способному дать
новую оценку существующим физическим теориям,
научным концепциям и нашим представлениям по
устройству микромира и макромира в земных услови-
ях [5, 26]. Можно с полным на то основанием утвер-
ждать, что ускоренные до больших скоростей ev не −
и релятивистские электроны в настоящее время зани-
мают важную нишу в физическом экспериментальном
инструментарии, предназначенном для опытного изу-
чения микроустройства любого вещества.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Выполнена определенная систематизация из-
вестных электрофизических фактов, непосредственно
указывающих на фундаментальную и основообра-
зующую роль электронов в зарождении (например, в
образовании атомов и молекул вещества), формиро-
вании (например, в определении свойств атомов и
молекул вещества и макрообъектов в целом) и разви-
тии (например, в получении электрического тока в
проводниках; в производстве, передаче и потреблении
электрической энергии; в создании проволочной и
беспроволочной электросвязи; в создании промыш-
ленной индустрии, транспорта, бытовой электротех-
ники и компьютеров; в изучении микроскопического
строения вещества) нашей земной цивилизации.
2. Учитывая важную роль электронов в электро-
химических обменных процессах, происходящих на
молекулярном и клеточном уровнях в живой и нежи-
вой материи и приводящих к выработке биоэлектри-
ческих потенциалов в клетках и тканях человека, жи-
вотных и растений, которые активно участвуют в ре-
гулировании их жизнедеятельности, можно с учетом
современных достижений в области биофизики и био-
12 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5
энергетики вполне обоснованно утверждать, что та-
кие рассмотренные нами выше и входящие в состав
атомов всех веществ элементарные частицы как
ЭЛЕКТРОНЫ составляют физическую основу наше-
го земного мира.
3. Данный научно-технический панегирик (это
иностранное слово происходит от сочетания грече-
ских слов "logos panēgyrikos" − "торжественная речь
в честь кого-либо или чего-либо" [1]) основным и наи-
более часто проявляющим себя в области электриче-
ства представителям нашего земного микромира −
ЭЛЕКТРОНАМ представляется его автору − элек-
трофизику достаточно обоснованным с современного
уровня научно-технических знаний человечества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Большой иллюстрированный словарь иностранных слов.
− М.: Русские словари, 2004. − 957 с.
2. Астафуров В.И., Бусев А.И. Строение вещества.− М.:
Просвещение, 1977. − 160 с.
3. Кудрявцев П.С. Курс истории физики.− М.: Просвещение,
1974. − 312 с.
4. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Моно-
графия. В 2-х томах. Том 1: Электрофизика и выдающиеся
физики мира.− Харьков: Изд-во НТУ "ХПИ", 2008. − 252 с.
5. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики / Отв. ред.
В.К. Тартаковский.− Киев: Наукова думка, 1989.− 864 с.
6. Баранов М.И. Приближенный расчет сверхсильных элек-
трических и сильных магнитных полей в атоме вещества //
Електротехніка і електромеханіка.− 2006.− №6. − С. 60−65.
7. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.− М.:
Наука, 1990.− 624 с.
8. Баранов М.И. Эвристическое определение максимального
числа электронных полуволн де Бройля в металлическом
проводнике с электрическим током проводимости // Елект-
ротехніка і електромеханіка. − 2007. − №6. − С. 59−62.
9. Баранов М.И. Новые физические подходы и механизмы
при изучении процессов формирования и распределения
электрического тока проводимости в проводнике // Технічна
електродинаміка.− 2007. − №1. − С. 13−19.
10. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы
электротехники: Учебник для вузов. Том 1.− Л.: Энергоиз-
дат, 1981. − 536 с.
11. Баранов М.И. Волновое распределение свободных элек-
тронов в проводнике с электрическим током проводимости
// Электротехника.− 2005.− №7. − С. 25−33.
12. Баранов М.И. Волновое радиальное распределение сво-
бодных электронов в цилиндрическом проводнике с пере-
менным электрическим током // Технічна електродинамі-
ка.− 2009.− №1. − С. 6−11.
13. Баранов М.И. Квантовомеханический подход при расче-
те температуры нагрева проводника электрическим током
проводимости // Технічна електродинаміка.− 2007.− №5.−
С. 14−19.
14. Баранов М.И. Экспериментальное исследование кванто-
вого эффекта локальной продольной концентрации дрей-
фующих свободных электронов в металлическом проводе с
импульсным током большой плотности // Технічна електро-
динаміка.− 2008.− №2.− С. 9−15.
15. Баранов М.И. Экспериментальное обнаружение и иссле-
дование "горячих" и "холодных" продольных участков в
тонком металлическом проводе с импульсным током боль-
шой плотности // Електротехніка і електромеханіка.− 2008.−
№3. − С. 63−68.
16. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо-
нография. В 2-х томах. Том 2, Книга 1: Теория электрофи-
зических эффектов и задач. − Харьков: Изд-во НТУ "ХПИ",
2009. − 384 с.
17. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы
электротехники: Учебник для вузов. Том 2. − Л.: Энергоиз-
дат, 1981. − 416 с.
18. Баранов М.И. Гениальный изобретатель Никола Тесла //
Электропанорама. −2008.− №9. − С. 106−108.
19. Князевский Б.А., Липкин Б.Ю. Электроснабжение промы-
шленных предприятий. − М.: Высшая школа, 1972. − 430 с.
20. Баранов М.И. Полевая и цепная формулировки фунда-
ментальной задачи о передаче электромагнитной энергии в
системе "металлический провод − проводящая земля" с пе-
ременным электрическим током // Електротехніка і елект-
ромеханіка.− 2008.− №2. − С. 59−63.
21. По материалам сайта http://www.thephone.ru.
22. Чернихов Ю.В. Создание трансатлантического подвод-
ного телефона // Электропанорама. −2007.− №12. − С.81−84.
23. Мельник Ю.А., Стогов Г.В. Основы радиотехники и
радиотехнические устройства.− М.: Советское радио, 1973.
− 368 с.
24. Хейденрайх Р. Основы просвечивающей электронной
микроскопии.− М.: Мир, 1966. − 472 с.
25. Пилянкевич А.Н., Климовицкий А.М. Электронные мик-
роскопы.− Киев.: Техніка, 1976. − 168 с.
26. Барвинский А. Роль физических теорий в научно-
технической практике // Электропанорама.− 2008. − №9. −
С. 98−99.
Поступила 15.06.2009
Баранов Михаил Иванович, д.т.н., с.н.с.
НИПКИ "Молния" Национального технического
университета "Харьковский политехнический институт";
61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, НИПКИ "Молния"
НТУ "ХПИ"
тел. (057) 707-68-41, факс (057) 707-61-33,
e-mail: eft@kpi.kharkov.ua
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143233 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:41:52Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Баранов, М.И. 2018-10-27T11:48:43Z 2018-10-27T11:48:43Z 2009 Электроны и земная цивилизация / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 5. — С. 3-12. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143233 621.3:537.311 С научно-технических и исторических позиций показана фундаментальная роль элементарных носителей электрического заряда − электронов в образовании и развитии земной цивилизации. З науково-технічних та історичних позицій показано фундаментальну роль елементарних носіїв електричного заряду − електронів в утворенні і розвитку земної цивілізації. The fundamental role of elementary electric charge carriers, electrons, in formation and development of Earth civilization is shown from scientific and technical and historical points of view. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Электроны и земная цивилизация Electrons and Earth civilization Article published earlier |
| spellingShingle | Электроны и земная цивилизация Баранов, М.И. Електротехніка. Визначні події. Славетні імена |
| title | Электроны и земная цивилизация |
| title_alt | Electrons and Earth civilization |
| title_full | Электроны и земная цивилизация |
| title_fullStr | Электроны и земная цивилизация |
| title_full_unstemmed | Электроны и земная цивилизация |
| title_short | Электроны и земная цивилизация |
| title_sort | электроны и земная цивилизация |
| topic | Електротехніка. Визначні події. Славетні імена |
| topic_facet | Електротехніка. Визначні події. Славетні імена |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143233 |
| work_keys_str_mv | AT baranovmi élektronyizemnaâcivilizaciâ AT baranovmi electronsandearthcivilization |