Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Как он работает? Диоды изготавливаются из маленьких кристаллов кремния (маленькие черные точки на вашей ладони, если на нее высыпать немного сухого песка)[158]. Вырастите этот маленький фрагмент в кристалл, и вы получите сырье для внутренностей компьютеров, мобильных телефонов и других электронных устройств. В нормальном состоянии кремний не очень хорошо проводит электричество. Чтобы заставить его работать в светодиодах, к нему необходимо добавить примеси других материалов. Разрежьте кристалл на две части и к одной из них добавьте атомы бора. В результате некоторые атомы кремния потеряют свои электроны, на их местах останутся «дырки», и атомы получат некоторый положительный заряд (так называемая акцепторная примесь). К другой половине кристалла кремния добавьте атомы сурьмы; в нем появятся лишние электроны и отрицательный заряд (так называемая донорная примесь). Главное произойдет, когда вы соедините два этих «легированных»[159] кристалла кремния вновь. Включите их в цепь (она будет называться диодной), и вы увидите, что электрический ток течет в ней только в одном направлении. По мере протекания тока лишние электроны «перепрыгивают» через место контакта кристаллов и занимают свои места в дырках, в результате чего их атомы рекомбинируют с облегчением – излучением фотона. Вот что происходит в светодиоде: электроны перепрыгивают через область контакта двух кристаллов. Именно поэтому это такой эффективный способ получения света: впустую не тратится практически ни капли энергии.

Светящиеся червячки и светлячки

Живые организмы тоже могут излучать свет. Но не для того чтобы читать в темноте или освещать себе путь, а чтобы привлекать партнеров или отпугивать хищников. На земле хвосты светящихся червяков и светлячков мерцают, точно огонек свечи в ночи. В глубинах океанов замечены величественные кальмары, сардины и морские звезды, которые освещают океанскую толщу таинственным голубоватым светом. По-научному этот подводный фейерверк называется биолюминесценцией. Он порожден возбужденными атомами, которые выплескивают избыточную энергию.

Разумеется, живые существа создают свет по-своему. Светлячки не поджигают себя, как свечи, и не работают на батарейках, как карманные фонарики. Они заставляют химические вещества, которые накапливаются в их теле (люциферин и люциферазу), взаимодействовать друг с другом и генерировать свет. Это похоже на химические фонари, которые развешивают по стенам поездов на случай аварии. Разломите такой фонарь пополам, и вы разрушите стеклянный контейнер, смешав два вещества и создав свет в качестве побочного продукта реакции. От личинок или светлячков много света получить невозможно. Чтобы добиться яркости свечи, нужно более сотни светлячков[160]. Однако само явление выглядит впечатляюще.

Наука о сверкающих ботинках

Когда я был ребенком, то не понимал, почему меня постоянно заставляют чистить ботинки. В чем смысл? Начищенные ботинки оставляли пятна гуталина на полу в кухне. А уж запах от них исходил – точно от химического завода. Когда я шагал по грязи, то презирал свои чистые ботинки. Держа нос по ветру, я никогда не обращал внимания, что происходит на земле. Сегодня, гуляя по английской глубинке, я понял всю пользу, которую может принести моим тяжелым ботинкам обувной крем. Он не только защищает обувь от влаги, но и заставляет ее служить чуть ли не вдвое дольше (крем для обуви смазывает ее и предохраняет от растрескивания при сжатиях и натяжениях).

Почему начищенные ботинки сверкают? Простая кожа выглядит непривлекательно, потому что покрыта морщинами и трещинами. Когда свет падает на такую поверхность, он рассеивается во все стороны. Но лучи света попадают в ваши глаза, поэтому вы, собственно, и видите свои ботинки и различаете их цвет – коричневый, голубой или какой-то еще. Лучи света отражаются от поверхности ботинок неравномерно. Такое отражение называется диффузным. При этом лучи света расходятся от отражаемой поверхности во всех направлениях и под разными углами. Она совсем не похожа на плоское полированное зеркало. Отражения всех ваших прыщиков и морщин падают на зеркало под определенным углом и под тем же углом достигают хрусталиков глаз. Так что вы получаете идеальное отражение своего лица. И оно называется зеркальным.

Когда вы чистите туфли, вы покрываете их кремом на основе воска, который заполняет все неровности на коже и создает более или менее однородную поверхность. Это похоже на то, как в ходе ремонта дороги рабочие заделывают ямки. Попадающие на кожу лучи света отражаются более упорядоченно, поэтому поверхность ботинка становится немного похожей на зеркало.

Если вам нравится видеть свое отражение в сверкающей обуви, но ненавистна мысль потратить на достижение такого блеска 10 минут, подумайте о людях, которые делают телескопы. Компания Perkin Elmer, которая изготавливала зеркало для гигантского телескопа «Хаббл» диаметром 2,4 м, работала над ним 18 месяцев. Почему так долго? Потому что, когда вы имеете дело с таким явлением, как свет, и пытаетесь найти объекты в центре Вселенной, малейшие изъяны и царапины на поверхности зеркала даже размером с атом могут вам помешать. Зеркало для телескопа компания Perkin Elmer полировала с точностью до 20–30 нм (это примерно сумма диаметров 50 атомов, помещенных друг на друга). Если бы это зеркало имело размеры Земли, то изъяны на нем были бы меньше вашей ладони (около 10 × 4 см). К сожалению, инженеры компании были так одержимы идеей идеальной полировки зеркала, что форму ему придали неправильную.

Но это уже совсем другая история[161].

Глава 11. Радио «Туфта»

Из этой главы вы узнаете…

Почему мачты с радиоантеннами тянутся высоко в небо – а мобильные телефоны легко умещаются в кармане.

Как «червяк» помог создать современную глобальную сеть связи.

Почему вы не можете приготовить корму из курицы[162] с помощью смартфона.