То, что раз­лич­ные тела об­ла­да­ют раз­ной спо­соб­но­стью про­во­дить тепло, т. е. раз­ной теп­ло­про­вод­но­стью, было из­вест­но давно, од­на­ко ин­стру­мен­таль­ные ис­сле­до­ва­ния на­ча­лись лишь в конце XVIII в. Идея од­но­го из опы­тов при­над­ле­жа­ла Б. Фран­кли­ну. Он пред­ла­гал по­кры­вать по­ло­су ме­тал­ла вос­ком, а затем по­гру­жать один конец в го­ря­чее масло. Счи­та­лось, что боль­шей теп­ло­про­вод­но­стью об­ла­дал тот ме­талл, у ко­то­ро­го воск за одно и то же время пла­вил­ся на боль­шей длине. Ж.-Б. Фурье пред­ло­жил иной спо­соб, по­ка­зан­ный на ри­сун­ке: в стерж­не AB, один конец ко­то­ро­го на­гре­вал­ся, на рав­ном рас­сто­я­нии друг от друга вы­свер­ли­ва­лись не­боль­шие от­вер­стия под тер­мо­мет­ры (a, b, … f). Вна­ча­ле тем­пе­ра­ту­ра каж­до­го тер­мо­мет­ра под­ни­ма­лась, но затем подъём пре­кра­щал­ся, уста­нав­ли­ва­лось ста­ци­о­нар­ное рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры вдоль стерж­ня. Ис­поль­зуя эту идею, Г. Ви­де­ман и Р. Франц в 1835 году по­лу­чи­ли дан­ные о теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов и спла­вов. Ре­зуль­та­ты их опы­тов в от­но­си­тель­ных еди­ни­цах пред­став­ле­ны в табл. 1 (наи­луч­шая про­во­ди­мость  — у се­реб­ра; наи­худ­шая  — у вис­му­та).

Экс­пе­ри­мент по Фурье яв­ля­ет­ся фи­зи­че­ски более вер­ным, чем экс­пе­ри­мент, пред­ло­жен­ный Фран­кли­ном. Дж. Тин­даль привёл такой ар­гу­мент. Возьмём два ко­рот­ких стерж­ня оди­на­ко­вых гео­мет­ри­че­ских раз­ме­ров: один из вис­му­та, дру­гой из же­ле­за; по­кро­ем один торец каж­до­го стерж­ня вос­ком, а дру­гой конец по­ста­вим на крыш­ку котла с го­ря­чей водой. Пер­вым воск рас­та­ет на стерж­не из вис­му­та, зна­чит, по Фран­кли­ну, он луч­ший про­вод­ник тепла. Опыты же Ви­де­ма­на и Фран­ца по­ка­за­ли про­ти­во­по­лож­ный ре­зуль­тат.

Тин­даль разъ­яс­нил, что на ре­зуль­та­ты опыта по Фран­кли­ну вли­я­ет не толь­ко теп­ло­про­вод­ность ме­тал­лов, но и их удель­ная теплоёмкость. Умно­жив удель­ную теплоёмкость ме­тал­ла на его плот­ность для вис­му­та по­лу­чим:

а для же­ле­за:

Сле­до­ва­тель­но, на про­грев стерж­ня из вис­му­та тре­бу­ет­ся мень­шее ко­ли­че­ство теп­ло­ты. Спла­вы ме­тал­лов также об­ла­да­ют вы­со­кой теп­ло­про­вод­но­стью. (На­при­мер, ней­зиль­бер  — сплав меди, ни­ке­ля и цинка, из ко­то­ро­го де­ла­ли сто­ло­вые при­бо­ры.) Тин­даль пишет, что если взять ку­со­чек бе­ло­го фос­фо­ра, ко­то­рый пла­вит­ся при 44 ºС и за­го­ра­ет­ся при 60 ºС, и по­ло­жить его на че­ре­нок чай­ной ложки из ней­зиль­бе­ра, опу­щен­ный в го­ря­чий чай, то фос­фор рас­пла­вит­ся. А если тот же опыт по­вто­рить с лож­кой из се­реб­ра, то фос­фор за­го­рит­ся.

В элек­три­че­ском утюге есть не­сколь­ко ос­нов­ных узлов. На­гре­ва­тель­ный эле­мент вы­пол­нен в виде ни­хро­мо­вой спи­ра­ли внут­ри ке­ра­ми­че­ских колец. Элек­три­че­ский ток на­гре­ва­ет спи­раль, а от неё тепло пе­ре­даётся глад­кой по­дош­ве из не­ржа­ве­ю­щей стали, по­верх­ность ко­то­рой рав­но­мер­но про­гре­ва­ет­ся до тем­пе­ра­ту­ры, за­да­ва­е­мой тер­мо­ста­том. Тер­мо­стат уста­нав­ли­ва­ет ре­жи­мы гла­же­ния для раз­ных ма­те­ри­а­лов  — от ней­ло­на до льна. Утюг оснащён си­сте­мой по­да­чи пара, ко­то­рой управ­ля­ют с по­мо­щью кно­пок на ручке утюга: одна от­ве­ча­ет за по­да­чу струи го­ря­че­го влаж­но­го воз­ду­ха через от­вер­стия в по­дош­ве, дру­гая  — за раз­брыз­ги­ва­ние воды. Утюг рас­счи­тан на на­пря­же­ние 220 В, по­треб­ля­е­мая мощ­ность со­став­ля­ет 2 кВт при по­да­че пара 40 г/мин.

1.  Не­об­хо­ди­мо вклю­чать утюг в элек­три­че­скую сеть с за­зем­ле­ни­ем.

2.  За­пре­ща­ет­ся вклю­чать утюг в сеть влаж­ны­ми ру­ка­ми.

3.  При пе­ре­ры­вах в ра­бо­те утюг не­об­хо­ди­мо ста­вить на тер­мо­изо­ля­ци­он­ную под­став­ку.

4.  Не­об­хо­ди­мо сле­дить за тем, чтобы го­ря­чая по­дош­ва утюга не ка­са­лась элек­три­че­ско­го шнура.

5.  При глаж­ке не сле­ду­ет обиль­но сма­чи­вать ма­те­ри­ал водой.

В элек­три­че­ском утюге есть не­сколь­ко ос­нов­ных узлов. На­гре­ва­тель­ный эле­мент вы­пол­нен в виде ни­хро­мо­вой спи­ра­ли внут­ри ке­ра­ми­че­ских колец. Элек­три­че­ский ток на­гре­ва­ет спи­раль, а от неё тепло пе­ре­даётся глад­кой по­дош­ве из не­ржа­ве­ю­щей стали, по­верх­ность ко­то­рой рав­но­мер­но про­гре­ва­ет­ся до тем­пе­ра­ту­ры, за­да­ва­е­мой тер­мо­ста­том. Тер­мо­стат уста­нав­ли­ва­ет ре­жи­мы гла­же­ния для раз­ных ма­те­ри­а­лов  — от ней­ло­на до льна. Утюг оснащён си­сте­мой по­да­чи пара, ко­то­рой управ­ля­ют с по­мо­щью кно­пок на ручке утюга: одна от­ве­ча­ет за по­да­чу струи го­ря­че­го влаж­но­го воз­ду­ха через от­вер­стия в по­дош­ве, дру­гая  — за раз­брыз­ги­ва­ние воды. Утюг рас­счи­тан на на­пря­же­ние 220 В, по­треб­ля­е­мая мощ­ность со­став­ля­ет 2 кВт при по­да­че пара 40 г/мин.

1.  Не­об­хо­ди­мо вклю­чать утюг в элек­три­че­скую сеть с за­зем­ле­ни­ем.

2.  За­пре­ща­ет­ся вклю­чать утюг в сеть влаж­ны­ми ру­ка­ми.

3.  При пе­ре­ры­вах в ра­бо­те утюг не­об­хо­ди­мо ста­вить на тер­мо­изо­ля­ци­он­ную под­став­ку.

4.  Не­об­хо­ди­мо сле­дить за тем, чтобы го­ря­чая по­дош­ва утюга не ка­са­лась элек­три­че­ско­го шнура.

5.  При глаж­ке не сле­ду­ет обиль­но сма­чи­вать ма­те­ри­ал водой.

Гамма-из­лу­че­ние было от­кры­то в на­ча­ле XX в. при изу­че­нии ра­дио­ак­тив­но­го из­лу­че­ния радия. Гамма-из­лу­че­ние – ши­ро­кий диа­па­зон элек­тро­маг­нит­но­го спек­тра, по­сколь­ку он не огра­ни­чен со сто­ро­ны вы­со­ких энер­гий. Мяг­кое гамма-из­лу­че­ние с энер­ги­ей от 100 кэВ об­ра­зу­ет­ся при энер­ге­ти­че­ских пе­ре­хо­дах внут­ри атом­ных ядер. Более жёсткое, с энер­ги­ей от 10 МэВ,  — при ядер­ных ре­ак­ци­ях. Су­ще­ству­ют кос­ми­че­ские гамма-лучи, ко­то­рые почти пол­но­стью за­дер­жи­ва­ют­ся ат­мо­сфе­рой Земли, по­это­му на­блю­дать их можно толь­ко из кос­мо­са.

Гамма-кван­ты сверх­вы­со­ких энер­гий (от 100 ГэВ) рож­да­ют­ся при столк­но­ве­нии за­ря­жен­ных ча­стиц, разо­гнан­ных мощ­ны­ми элек­тро­маг­нит­ны­ми по­ля­ми кос­ми­че­ских объ­ек­тов или зем­ных уско­ри­те­лей эле­мен­тар­ных ча­стиц. В ат­мо­сфе­ре они раз­ру­ша­ют ядра ато­мов, по­рож­дая кас­ка­ды ча­стиц, ле­тя­щих с око­ло­све­то­вой ско­ро­стью. При тор­мо­же­нии эти ча­сти­цы ис­пус­ка­ют свет, ко­то­рый на­блю­да­ют с по­мо­щью спе­ци­аль­ных те­ле­ско­пов на Земле.

Где и как об­ра­зу­ют­ся гамма-лучи уль­тра­вы­со­ких энер­гий (от 100 ТэВ¹), пока не впол­не ясно. Зем­ным тех­но­ло­ги­ям такие энер­гии не­до­ступ­ны. Самые энер­гич­ные на­блю­да­е­мые кван­ты (10²⁰–10²¹ эВ), при­хо­дят из кос­мо­са край­не редко  — при­мер­но один квант в 100 лет на квад­рат­ный ки­ло­метр.

Гамма-кван­ты не­га­тив­но воз­дей­ству­ют на ор­га­низм че­ло­ве­ка и яв­ля­ют­ся му­та­ген­ным фак­то­ром. Об­ла­дая вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью, они иони­зу­ют и раз­ру­ша­ют мо­ле­ку­лы, ко­то­рые, в свою оче­редь, на­чи­на­ют иони­зи­ро­вать сле­ду­ю­щую пор­цию мо­ле­кул. Про­ис­хо­дит транс­фор­ма­ция кле­ток и по­яв­ле­ние му­ти­ро­ван­ных кле­ток, ко­то­рые не спо­соб­ны ис­пол­нять воз­ло­жен­ные на них функ­ции.

Не­смот­ря на опас­ность таких лучей, их ис­поль­зу­ют в раз­лич­ных об­ла­стях, со­блю­дая не­об­хо­ди­мые меры за­щи­ты, на­при­мер для сте­ри­ли­за­ции про­дук­тов, об­ра­бот­ки ме­ди­цин­ско­го ин­стру­мен­та­рия и тех­ни­ки, кон­тро­ля над внут­рен­ним со­сто­я­ни­ем ряда из­де­лий, а также для куль­ти­ви­ро­ва­ния рас­те­ний. В по­след­нем слу­чае му­та­ции сель­ско­хо­зяй­ствен­ных куль­тур поз­во­ля­ют ис­поль­зо­вать их для вы­ра­щи­ва­ния на тер­ри­то­рии стран, из­на­чаль­но к этому не при­спо­соб­лен­ных. При­ме­ня­ют­ся гамма-лучи и при ле­че­нии раз­лич­ных он­ко­ло­ги­че­ских за­бо­ле­ва­ний. Метод по­лу­чил на­зва­ние лу­че­вой те­ра­пии.

----------------------

¹ 1 ТэВ = 10¹² эВ; 1 эВ = 1,6·10⁻¹⁹ Дж

Рент­ге­нов­ские лучи (пер­во­на­чаль­но на­зван­ные Х-лу­ча­ми) были от­кры­ты в 1895 г. не­мец­ким фи­зи­ком Рент­ге­ном. От­крыв Х-лучи, Рент­ген тща­тель­ны­ми опы­та­ми вы­яс­нил усло­вия их об­ра­зо­ва­ния. Он уста­но­вил, что эти лучи воз­ни­ка­ют при тор­мо­же­нии на ве­ще­стве быст­ро ле­тя­щих элек­тро­нов. Ис­хо­дя из этого об­сто­я­тель­ства, Рент­ген скон­стру­и­ро­вал и по­стро­ил спе­ци­аль­ную труб­ку, удоб­ную для по­лу­че­ния рент­ге­нов­ских лучей (см. рис. 1).

Рент­ге­нов­ские труб­ки пред­став­ля­ют собой стек­лян­ные ва­ку­ум­ные бал­ло­ны с рас­по­ло­жен­ны­ми внут­ри элек­тро­да­ми. Раз­ность по­тен­ци­а­лов на элек­тро­дах нужна очень вы­со­кая  — до сотен ки­ло­вольт. На воль­фра­мо­вом ка­то­де, по­до­гре­ва­е­мом током, про­ис­хо­дит тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия, то есть с него ис­пус­ка­ют­ся элек­тро­ны, ко­то­рые, уско­ря­ясь элек­три­че­ским полем, «бом­бар­ди­ру­ют» анод. В ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствия быст­рых элек­тро­нов с ато­ма­ми анода рож­да­ют­ся фо­то­ны рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на.

Было уста­нов­ле­но, что чем мень­ше длина волны рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, тем боль­ше про­ни­ка­ю­щая спо­соб­ность лучей. Рент­ген на­звал лучи с вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью (слабо по­гло­ща­ю­щи­е­ся ве­ще­ством) жёстки­ми.

Раз­ли­ча­ют тор­моз­ное и ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние. Элек­тро­ны могут, встре­ча­ясь с ано­дом, тор­мо­зить­ся, то есть те­рять энер­гию в элек­три­че­ских полях его ато­мов. Эта энер­гия из­лу­ча­ет­ся в виде рент­ге­нов­ских фо­то­нов. Такое из­лу­че­ние на­зы­ва­ет­ся тор­моз­ным. Тор­моз­ное из­лу­че­ние со­дер­жит фо­то­ны раз­ных ча­стот и, со­от­вет­ствен­но, длин волн. По­это­му спектр его яв­ля­ет­ся сплош­ным (не­пре­рыв­ным). Энер­гия из­лу­ча­е­мо­го фо­то­на не может пре­вы­шать ки­не­ти­че­скую энер­гию по­рож­да­ю­ще­го его элек­тро­на. Ки­не­ти­че­ская же энер­гия элек­тро­нов за­ви­сит от при­ло­жен­ной к элек­тро­дам раз­но­сти по­тен­ци­а­лов.

Ме­ха­низм по­лу­че­ния ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го из­лу­че­ния сле­ду­ю­щий. Быст­рый элек­трон может про­ник­нуть внутрь атома и вы­бить какой-либо элек­трон с одной из ниж­них ор­би­та­лей, то есть пе­ре­дать ему энер­гию, до­ста­точ­ную для пре­одо­ле­ния по­тен­ци­аль­но­го ба­рье­ра. Об­ра­зо­вав­ша­я­ся в ре­зуль­та­те вы­би­ва­ния ва­кан­сия за­пол­ня­ет­ся элек­тро­ном с од­но­го из вы­ше­ле­жа­щих уров­ней. За­ни­мая более низ­кий уро­вень, элек­трон из­лу­ча­ет из­ли­шек энер­гии в форме кван­та ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее быст­рые элек­тро­ны могут вы­бить элек­трон с K-обо­лоч­ки, менее быст­рые  — с L-обо­лоч­ки и т. д. (рис. 2а).

Элек­трон­ная струк­ту­ра атома  — это дис­крет­ный набор воз­мож­ных энер­ге­ти­че­ских со­сто­я­ний элек­тро­нов. По­это­му рент­ге­нов­ские фо­то­ны, из­лу­ча­е­мые в про­цес­се за­ме­ще­ния элек­трон­ных ва­кан­сий, также могут иметь толь­ко стро­го опре­делённые зна­че­ния энер­гии, со­от­вет­ству­ю­щие раз­но­сти уров­ней. Вслед­ствие этого ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние об­ла­да­ет спек­тром не сплош­но­го, а ли­ней­ча­то­го вида. Такой спектр поз­во­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать ве­ще­ство анода  — от­сю­да и на­зва­ние этих лучей. На рис. 2б по­ка­зан ха­рак­те­ри­сти­че­ский спектр на фоне тор­моз­но­го спек­тра.