Но только давайте сразу внесем ясность. Во-первых, движение каких зарядов? Мы установили, что реальными носителями электрического заряда могут быть либо электроны, либо протоны. Другие заряженные частицы живут настолько мало, что, во всяком случае, в явлениях, описываемых в этой главе, они никакого участия не принимают. Во-вторых, какое движение? Если электроны или положительно заряженные ионы (мы не оговорились, положительный заряд иона — это заряд протонов атомного ядра) движутся совершенно беспорядочно, никакого тока нет. Ток возникает тогда, когда движение становится хотя бы частично упорядоченным, т. е. когда среднее количество движения всех заряженных частиц оказывается отличным от нуля.
Здесь в точности та же ситуация, как и в рассмотренных раньше примерах с теплотой и механическим движением. Соответственно и понятие электрического тока можно определить по-другому. Можно сказать, что сила электрического тока равна количеству заряженных частиц, участвующих в процессе, умноженному на среднюю скорость этих частиц. При вычислении средней скорости нужно учитывать реальные скорости, причем скорости положительно заряженных частиц брать со знаком плюс, а отрицательных — со знаком минус.
Протекание электрического тока по проводнику сопровождается преобразованием электрической энергии в тепловую. До чего же завидно становится, когда думаешь, какой простой и прозрачной была физика XIX века. Вот, например, электрический ток. Движется по проводнику рой маленьких твердых блестящих шариков — электронов. Двигаясь, они сталкиваются тоже с твердыми блестящими, но побольше размером, шариками — атомами. Что случается, когда сталкиваются два шарика? Тот, который двигался, отдает часть своей энергии и замедляется, а тот, который был неподвижен (атом), начинает двигаться. Поскольку заранее никак не угадать, с какой стороны и в какой бок ударит по атому электрон, то и движение атомов оказывается совершенно беспорядочным. А это и есть тепловое движение.
Прелесть, а не картина! До того все хорошо, что даже в самых современных книгах мы нет-нет да и пытаемся объяснить электрическое сопротивление именно таким образом. Но вот ведь беда какая! Охладим этот самый проводник до температуры, близкой абсолютному нулю. Что произошло? Электроны остались, атомы остались и даже в еще большей степени находятся на своих местах, чем в случае нагретого проводника. Под действием электрического поля электроны могут двигаться — им до температуры никакого дела нет. Однако электрическое сопротивление, правда, не у всех проводников, но у многих, падает до нуля. Проводник превращается в сверхпроводник. Почему-то электроны перестают сталкиваться с атомами.
Скорость электрона, движущегося в проводнике, примерно 1 см/с. На пути в 1 см электрон встречает около 100 млн. атомов и не сталкивается ни с одним. Скажем, более того: на сегодня единственная возможность как-то объяснить многочисленные явления, связанные с поведением электронов в твердом теле, состоит в том, чтобы полностью отказаться от взаимодействия электронов с атомами. Холодный проводник или нагретый — электроны свободно проходят через всю чащу атомов или, точнее, атомных ядер, не взаимодействуя ни с одним из них. 0;»;.Цо з>лектрическое сопротивление все же есть? Да, есть.' И причина в том, что электроны взаимодействуют с особого рода частицами, называемыми фононами.
В кристаллическом твердом теле атомные ядра довольно прочно закреплены в определенных местах, называемых узлами кристаллической решетки. Они могут совершать лишь малые колебания относительно своих положений равновесия. Тем не менее они взаимодействуют друг с другом. Стоит одному ядру как-то изменить свое состояние, все остальные это сразу «чувствуют». Чувствуют потому, что ядра непрерывно обмениваются фононами. Чем выше температура, тем больше фононов, тем чаще взаимодействуют с фононами электроны, передавая им свою энергию. Но почему электроны сталкиваются с фононами (которых, может, на самом деле п не существует) и не взаимодействуют с ядрами? Опять-таки единственное разумное объяснение этого обстоятельства таково: не взаимодействуют потому, что электрон — это все что угодно, но не твердый шарик.
В начале нашего века ученые вынуждены были смириться с мыслью, что электроны, как и вес прочие элементарные частицы, имеют двойственную природу. Где-то они проявляют себя как твердые материальные частицы, а где-то как волновые процессы. Мы не станем сейчас обсуждать вопрос о том, насколько такое представление о двойствености элементарных частиц проясняет физическую картину. Вместо того чтобы говорить, что электрон когда-то обладает свойствами частицы, а когда-то свойствами волны, можно сказать просто и ясно: электрон обладает свойствами электрона, а дальше описать эти •свойства. Описать их на языке математики, как это повсеместно принято в современной науке, и не пытаться найти аналогию с предметами, знакомыми на основании свидетельств наших органов чувств, по той простой причине, что такой аналогии нет.
