металі, як і у всіх твердих тілах, кожен атом займає певне місце. Правда, при деяких умовах атоми твердих тіл можуть залишати свої місця, але у всякому разі вони довгий час залишаються «прищепити-заннимі» до певного місця. Залежно від тих-ператури кожен атом більш-менш сильно колеб-лется біля цього місця, не віддаляючись від нього скільки - небудь далеко. На відміну від інших твердих тіл метали володіють однією цікавою особливістю: в просторі між атомами металів рухаються вільні електрони, тобто електрони, не пов'язані з певними атомами.
Звідки беруться такі вільні електрони?
Справа в тому, що в атомах не всі електрони однаково міцно утримуються ядром. В електронних оболонках атомів металів завжди є один, два або три електрона, дуже слабо пов'язаних з ядром. Тому, наприклад, при розчиненні різних солей входять до їх складу атоми металів легко віддають ці електрони іншим ато-мам, а самі перетворюються в позитивні іони. Відрив електронів від атомів відбувається і в шматку будь-якого ме-Таллі, але все електрони, які втратили зв'язок з атомами, залишаються в самому металі між утвореними іонами.
Число вільних електронів в металі величезна. Їх приблизно стільки ж, скільки атомів. Проте весь шматок металу залишається, звичайно, незарядженим, так як позитивний заряд всіх іонів в точності дорівнює отри-цательного заряду всіх електронів.
Таким чином, будова металу ми можемо собі уявити в такому вигляді. Атоми металу, що втратили по 1-2 електрона, стали іонами. Вони порівняно міцно сидять на своїх місцях і утворюють, можна сказати, жорсткий «скелет» шматка металу. Між іонами швидко рухаються в усіх напрямках електрони. Деякі з електронів при русі гальмуються, інші прискорити-ються, так що серед них завжди є і швидкі і мед-лені.
Рух вільних електронів цілком безладно. Не можна вловити в ньому ніяких цівок або потоків, ника-кою узгодженості. Вільні електрони рухаються в металі приблизно так, як метушаться мошки в тёп-лом повітрі літнього вечора: в рої кожна з мошок ле-тане сама по собі то швидше, то повільніше, а весь рій стоїть на місці.
Серед безладно рухаються завжди є такі, які летять у напрямку до поверхні металу. Чи будуть вони вилітати з металу? Адже якщо залишити відкритим посудину з газом, молекули якого також перебувають в хаотичному русі, як і електрони в металі, то молекули газу швидко розсіються в повітрі. Однак електрони в звичайних умовах не ви-літають з металу. Що ж їх утримує? Тяжіння іонами. Коли електрон піднімається трохи над по-поверхнею металу, над ним уже немає іонів, а внизу, на поверхні, є. Ці іони притягують піднявся електрон, і він падає назад на поверхню металу, як падає на землю кинутий вгору камінь.
Якби камінь мав досить велику началь-ву швидкість, він міг би подолати тяжіння Землі і
Мал. 7. Вирвані з розпеченого катода електрони спрямовуються до анода тільки тоді, коли анод заряджений позитивно.
Полетіти в міжпланетний простір, як відлітає пу-м'язової ядро в романі Жуль Верна. Дуже швидкі елек-трони теж можуть подолати сили електричного притому-вання і покинути метал. Це і відбувається при нагре-вання.
При нагріванні металу посилюється рух не тільки атомів, але і електронів, і при високій темпера-турі з металу вилітає стільки електронів, що їх потік можна виявити. Подивіться на рис. 7. На ньому зображена незвичайна електрична лампочка. В її балоні на деякій відстані від нитки розжарення укреп-лена металева пластинка. Платівка називається анодом, а нитка - катодом. До одного кінця нитки (все одно до якого) і до анода приєднана батарея, а між батареєю і анодом в так звану «анодний» ланцюг включений прилад, який показує наявність електричного струму. Прилад цей називається гальванометром. Сама нитка лампи включена в електричну мережу і розпечена. Якщо анод з'єднаний з негативним полюсом батареї, а нитка з позитивним, то струму в анодному ланцюзі не буде (рис. 7 зліва). Тепер спробуємо поміняти полюси і приєднання-ним пластинку до «плюса» батареї. У ланцюзі зараз же з'явиться струм (рис. 7 праворуч). Цей досвід показує, що розпечена нитка лампи дійсно випускає отри-цательного заряди - електрони, які відштовхуються від анода, якщо він заряджений негативно (рис. 7 зліва), і захоплюються електричними силами до анода, якщо він приєднаний до позитивного полюса батареї (рис. 7 праворуч).
Випускання електронів розжареним металами має величезне практичне значення. Досить сказати, що воно використовується в усіх радіолампах (про радіолампах ми ще будемо говорити в останньому розділі книжки).
Збільшити енергію електронів і змусити їх виле-тать з металу можна не тільки нагріванням, а й освітленням. Такі явища вивчив в 1888 році російський фізик, професор Московського університету А. Г. Сто-льотів. Потік світлових променів несе енергію, і якщо світло падає на метал, то частина цієї енергії поглинається ме-них металів і передається електронам. Отримавши додаткову енергію, деякі електрони долають тяжіння іонів і вилітають з металу. Це явище називається фотоелектричним ефектом. Фотоефект використовується в дуже важливому для техніки приладі - фотоелементі. Схема фотоелемента показана на малюнку 8.
Скляний балон, з якого видалений повітря, по-критий зсередини шаром металу, зазвичай натрію, калію або цезію, підданого спеціальній обробці (з цих металів електрони легко вириваються при дії видимого світла); не вкрите металом тільки невелике віконце для пропускання світла. Шар металу служить катодом фотоелемента (фотокатодом). В середині балона примі-ється або тонка металева зволікання або сітка. Це - анод. Фотокатод з'єднується з негативним по-Люсом батареї, а анод - з позитивним. Як тільки на фотокатод впадуть світлові промені, деякі електрони набувають велику енергію і вириваються з його по-поверхні. Сила електричного тяжіння жене їх до анода, і в ланцюзі з'являється струм. Якщо ж освітлення пре-припиняється, ток зникає [1]). Зауважимо, що обома описаний-ними способами вдається витягувати з металів тільки дуже невелику частину наявних у них вільних електронів.
Мал. 8. Схема дії фотоелемента.
Легко зрозуміти, що електризація тертям являє собою процес виривання електронів. Так, наприклад, при терті скла об шкіру електрони, витягнуті зі скла, переходять на шкіру.
Отже, ми знаємо, що електрони можна витягти з ато-мов. Подивимося тепер, як можна управляти електро-нами, які залишили атоми.