Однако изобретатели холодных источников света не стали брать пример со светляка. Химические источники света получаются маломощными и дорогими. Внимание ученых вернулось к родоначальнице всех электронных приборов — разрядной трубке.

Было установлено, что разрядная трубка, наполненная парами натрия, светит очень ярко и превращает в свет до 50 % потребляемой электрической энергии. Натриевая лампа в 15 раз экономичнее обычной электрической лампочки. Если бы не ее желтый, неприятный свет, натриевая лампа вполне могла бы соперничать с нашими лампами. Высокая экономичность натриевых ламп доказала, что разрядная трубка, наполненная разреженными газами или парами, может стать выгодным источником света.

Возникновение электронной лавины

Примерно 40–50 лет назад, то есть, когда электрическое освещение только начинало вытеснять керосиновую лампу, наука уже стала подготовлять замену электрической лампочке.

Физики исследовали явления, происходящие в разреженном газе под воздействием потока электронов. В стеклянной трубке, наполненной разреженным газом — аргоном или неоном, атомы этих газов беспорядочно движутся, непрерывно сталкиваясь между собой и ударяясь о стенки трубки. Эта хаотичная толчея представляет собой обычное тепловое движение. При температуре, которую называют комнатной, атомы аргона движутся со скоростью около 350 метров в секунду.

Если к электродам трубки приложить напряжение, то на атомы газа это особого «впечатления» не произведет. Атомы — электрически нейтральны. Положительный заряд ядра атома уравновешен электронами, образующими оболочку атома, и нейтральный атом ни к катоду, ни к аноду не притягивается. Иное дело — электроны.

Движение электронов в металлической нити катода так же беспорядочно и хаотично, как и движения атомов в газе. Электроны вылетают из катода в окружающее пространство. Но, выскочив за пределы катода, электрон тотчас же попадает во власть электрического поля и мчится к аноду, постепенно убыстряя свой полет.

Электрон легок, он более, чем в 70 тысяч раз легче атома аргона. Налетев на атом аргона, электрон обычно отскакивает, как мячик, не теряя своей скорости и меняя только направление движения, атом же аргона вообще почти «не чувствует» толчка.

Но так обстоит дело только, когда скорость электрона при столкновении незначительна. Если же напряжение в трубке велико, а давление газа мало, электрон от столкновения до столкновения успевает набрать большую скорость, тогда его удар об атом приобретет другой характер. Электрон нарушит оболочку атома аргона и выбьет из нее электрон.

Ударивший электрон при этом потеряет значительную часть скорости. Зато свободными оказываются уже два электрона. И оба они, набирая скорость, летят дальше, наталкиваясь на другие атомы и выбивая из них новые электроны. Количество электронов возрастает лавиной.

Атом, лишившийся одного из электронов, становится ионом, то есть он теряет электрическое равновесие — приобретает положительный заряд. Этот положительный заряд заставляет ионизированный атом двигаться к катоду.

Ионы тяжелы, медлительны, им мешают постоянные столкновения с другими атомами, и они пробираются к катоду не спеша.

В конце концов ион достигает катода. Ударившись о него, ион захватывает недостающий ему электрон и отходит от катода, чтобы вновь в виде нейтрального атома продолжать беспорядочный бег в стеклянном баллоне.

Некоторые ионы налетают на катод со сравнительно большой скоростью. Эти ионы, ударяясь о катод, не только захватывают электроны, нужные им для восстановления своей оболочки, но и вдобавок вышибают из катода свободные электроны. Эти освобожденные электроны летят к аноду и по пути создают новые партии ионов.

Если быстрых ионов много, в газе возникают все новые и новые лавины электронов, и ток в трубке быстро возрастает. Если же быстрых ионов мало, мгновенный ток, возникший от одиночного электрона, сам собой угаснет. Практически, трубка не будет проводить ток.

Свечение разреженного газа

Электроны, сталкиваясь с атомами, не всегда ионизируют их. Гораздо чаще такие столкновения влекут за собой иные последствия. Свободный электрон, ударившись об электронную оболочку атома, не разрушает ее; атом не становится ионом, но один из электронов его внешней оболочки силой толчка отбрасывается на большее расстояние о г ядра. Он переходит на более высокий уровень энергии.

Обычно электрон не может долго оставаться на высоком уровне, когда есть для него свободное место на более низком. Электрон возвращается на прежний уровень, и атомы, у которых были «повреждены» или «возбуждены» электронные оболочки, переходят в свое нормальное состояние и отдают полученную ими при столкновениях энергию, испуская световые кванты. Газ, по которому течет ток, светится.

Электронные оболочки атомов различных химических элементов неодинаковы. Они отличаются друг от друга числом электронов и их размещением на разных расстояниях от ядра. Поэтому атомы каждого химического элемента дают особый, свойственный только им свет. На глаз их свечение отличается по цвету, а призма разлагает их свет на ряд характерных для каждого элемента спектральных линий. Так, например, пары ртути излучают зеленовато-фиолетовый свет, пары натрия — желтый, газ аргон — розовый, неон — оранжевый и т. д.

Если в цепь газоразрядной трубки включено значительное внешнее сопротивление, ток не может достигнуть большой силы. Он заставляет газ светиться, но почти не нагревает его. Перед нами типичный случай люминесценции — холодного свечения.

Но стоит уменьшить сопротивление во внешней цепи, чтобы ток возрос. Тогда газ станет нагреваться, электроды накаливаться, и холодный разряд переходит постепенно в горячий — образуется электрическая дуга. При дуговом разряде свечение происходит и за счет люминесценции газа и за счет сильного нагрева его.

Ртутные лампы при сравнительно небольшом расходе энергии дают много света. К сожалению, их свет обладает крайне неприятным зеленовато-фиолетовым оттенком и кроме того содержит много ультрафиолетовых лучей, невидимых, но вредных для глаз. Ртутные лампы оказались полезными в светокопировальных аппаратах, потому что их свет сильно действует на копировальную бумагу и обеспечивает быструю копировку.

Осветительные ртутные лампы, несмотря на их мертвенно-синий свет, ввел на своих предприятиях Форд, известный автомобильный фабрикант и покровитель фашистских организаций. Применение ртутных ламп резко снизило расходы на освещение цехов. То, что ртутные лампы дают свет, необычайно вредный для зрения, Форда интересовало меньше всего. Но вскоре в цехах, где ввели «фордовское освещение», у рабочих начали болеть глаза; ожоги зрительного нерва обрекали рабочих на слепоту. Только неоднократные забастовки, направленные против «ядовитого света», вынудили Форда заменить слепящие лампы обыкновенными.

Непригодные для освещения, ртутно-кварцевые лампы оказались полезными в медицине. Их называют лампами «горного солнца» или просто «кварцем». Врачи стали применять их для лечебных целей. Колбы таких ламп делают из кварца, так как кварц очень прозрачен для ультрафиолетовых лучей.

Человеку для сохранения здоровья нужен солнечный свет, особенно его ультрафиолетовая часть. Зимой люди не получают необходимой им порции солнечных лучей: у них начинается «световое голодание», которое служит причиной многих заболеваний.

В Советском Союзе в рудниках, угольных шахтах, на строительстве тоннелей, или в цехах, где люди работают исключительно при искусственном свете, а также в школах, ремесленных училищах, расположенных в северных широтах, устраивают специальные фотарии.

Фотарий — это как бы столовая для питания человеческого организма ультрафиолетовыми лучами. В фотариях горят лампы «горного солнца», их излучение дает человеку ультрафиолетовые лучи, необходимые для укрепления организма. Разумеется, когда применяют ртутно-кварцевые лампы для лечебных целей, то глаза защищают специальными очками (рис. 82).