Электричество. Строение атома

Начать этот безусловно интересный, но бесконечно запутанный и необычный раздел физики стоит также необычно: со старого хорошего анекдота.

Представления об электричестве

В романе «Франкенштейн» английской писательницы Мэри Шелли молодой ученый-натуралист Виктор Франкенштейн становится одержим идеей, что электричество представляет собой некий род текучей жидкости, которая имеет силу наделять материю жизненной энергией. Эта одержимость, немудрено, приводит к трагедии.

К слову, понимание Шелли электрических явлений, условно говоря, базировалось на том, что научный мир XIX века принимал под словом «электричество»: буквально за пару десятилетий до публикации романа итальянский физик Луиджи Гальвани экспериментально показал, что разряд статического электричества приводит в движение лапки расчлененной лягушки. Гальвани заключил, что виной всему, должно быть, — существование «животной электрической жидкости».

Но тем не менее. Анекдот актуальный. Готовьтесь к тому, что в вашей голове будут образовываться вопросы. Все время. Со скоростью света. И удовлетворительные ответы на них, к сожалению, находиться будут далеко не всегда. Хотя бы потому, что всякое электрическое явление происходит на субатомарном уровне и подсмотреть за тем, как происходит «движение» заряда, невозможно.

Но мы по крайней мере попробуем выстроить наше электрическое повествование таким образом, чтобы вопросов, подразумевающих неудовлетворительный ответ, было как можно меньше.

А поэтому начать придется издалека. С кое-чего, что нельзя увидеть.

Внутри материи — молекулы

Матрешка — очаровательная деревянная расписная кукла, которая уже не первое столетие символизирует русский культурный стиль. И чему же традиционная матрешка может научить нас, в переложении на физику?

Нужно всего лишь вспомнить, как эта кукла устроена изнутри. Технология изготовления матрешки базируется на принципе «одно в другое»: открывая игрушку, вы непременно находите еще одну, похожую, просто меньше в размерах. И так до тех пор, пока в ваших руках не окажется совсем маленькая куколка, которая делиться уже не будет. Изумительно, но именно по такому принципу, по принципу матрешки, устроена любая материя Вселенной, от человеческого тела до чайного пакетика.

Если взять супер-мощный микроскоп и увеличить что угодно, например, содержимое стакана с водой, мы заметим, что любое вещество состоит из каких-то странных «шариков». Все эти «шарики», в свою очередь, связаны друг с другом некоторой «цепочкой». Представьте себе: всего лишь в одной капле воды найдется примерно полтора секстиллиона (число с 21 нулем) таких «шариков», что уж говорить про стакан!

Поздравляем, вы только что открыли молекулярный уровень строения вещества и обнаружили его мельчайшую единицу — молекулу.

Молекула (от лат. ‘molecula’, уменьш. от ‘moles’ — в переводе «частичка») — наименьшая частица вещества, обдающая всеми его свойствами.

А все же: как открыли молекулы?

«Эм, молекулы явно не вчера открыли, а увидеть их можно только под супер-мощным микроскопом, и то — это трудоемкая задача. Как их вообще нашли?»

Согласны с возражениями. Впервые в высоком разрешении молекула была сфотографирована недавно, в 2013 году, физиками из лаборатории Беркли. Тем не менее, молекулярная теория строения сформировалась задолго до того, как появилась соответствующая передовая техника.

Молекула, улыбочку.
Вас фотографируют!

Необязательно изобретать авангардные технологии для того, чтобы предположить, что вещество имеет свойства делиться и на «терминальном», последнем уровне состоит из чего-то уже неделимого. И это неделимое, сколь угодно маленькое, в любом случае является частью вещества, со всеми его свойствами.

Вот вам на вскидку чуть-чуть пищи для размышления:

1. Вы режете пирог. Разрезав его напополам, вы получаете два кусочка поменьше. Каждый из этих кусочков ведь является пирогом? Определенно да. Что мешает нам резать, резать и резать, до тех пор, пока не получится часть, которую уже никакими средствами не разрезать?
2. Вы чувствуете запах. Запах, к тому же, имеет свойство распространяться по помещению. Что же переносит этот запах?
3. Если смешать воду, подкрашенную красным, и воду, подкрашенную желтым, результат выйдет третьего цвета — оранжевого. Почему?

И еще тысяча и один пример из окружающего мира, подталкивающий нас мысленно к тому, что материя на невидимом нам уровне состоит из чего-то маленького. Это «маленькое» мы и договорились называть «молекулой».

Во многом подобные размышления отражают то, как устроена наука. Мы можем чего-то не видеть, не иметь возможности потрогать или запечатлеть, но в ходе опытного познания среды можем понимать — что-то есть. Если предположить, что что-то есть, придумать этому название, начать это что-то изучать, проводить эксперименты и выводить формулы, которые из раза в раз будут подтверждаться, то… это что-то действительно есть!

Мы многого не видим. Мы, скорее, просто знаем.

Электричество, кстати, относится именно к этой категории вещей.

Теория Джона Далтона

Оу, и это еще не все. Наша история таки берет начало аж в 450 году до н. э. в Древней Греции, с философа по имени Демокрит. Демокриту, как и нам минуту назад, в свое время было интересно, что случится с материей, к примеру, с яблоком, если продолжать резать ее на все более мелкие кусочки. Он выдвинул предположение, что рано или поздно дело дойдет до того, что материя будет более не разрезаемой. Эти кусочки он назвал «атомом», от древнегреческого ‘ἄτομος’, «неделимый».

До того, как британский химик и педагог Джон Далтон в свободное от преподавания время случайно не наткнулся на экспериментальные доказательства существования атома и возродил тем самым философское наследие Демокрита.

Долгое время ученый «колдовал» над свойствами химических соединений (читать: молекул, состоящих из двух или более элементов) и пришел к выводу, что соединение всегда состоит из одних и тех же элементов в одних и тех же соотношениях. C другой стороны, Далтон выяснил, что различные соединения состоят из различных элементов, что вполне логично, поэтому вещества и отличаются друг от друга.

Самое главное — вывод: подобное возможно только в случае, если вещества состоят из мелких частичек, которые могут соединиться друг с другом, образуя самые разнообразные соединения.

Даже спустя более двухсот лет теория Далтона до сих пор частично отвечает современному пониманию строения вещества, но, конечно, она была не идеальна. Химик лишь подстегнул научное сообщество копать глубже, а своими экспериментами показал: на молекуле ничего не заканчивается, ведь они сами по себе иногда состоят из элементов — из атомов.

Что такое атом?

Итак, внутри нашей молекулярной матрешки обнаружилась матрешка атомная. Возможно, вы не до конца уловили, как мистеру Далтону удалось без микроскопов, практически с завязанными глазами, показать, что молекулы ряда веществ имеют деление на элементы еще более маленького порядка. Это нормально: подноготная подобных экспериментальных заключений станет яснее далее при изучении курса химии. Как и полная история открытия современного понятия атома. Вы обязательно познакомитесь с атомом снова — полнее и фундаментальнее.

Сейчас нам достаточно разобрать матрешку до куколки, где «рождаются» электрические процессы.

Поэтому чтобы не запутать и без того запутанную тему, опустим детали, как Томпсон открывает электрон экспериментами с вакуумной трубкой, как к делу подключаются Резерфорд, Бор, Планк, Содди, Гейзенберг, внося лепту в понимание подлинного строения вещества — это все впереди. Просто чтобы вы осознавали: ученые на протяжении десятилетий взаимодополняли опыты друг друга, постепенно открывая все новые и новые положения. Атом — коллективная находка, и к ней шли очень долго.

Так что остановимся исключительно на результатах.

Из чего состоит атом?

Оказывается, внутри атома также кипит жизнь, — а вот, наша атомная матрешка приоткрывает субатомную матрешку. По итогу, научный мир договорился, что внутренности атомов выглядят примерно следующим образом. 

Абсолютно каждый атом состоит из двух частей: ядра и оболочки — того, что располагается вокруг ядра. Оболочка состоит из частичек, которые мы называем электронами. Ядро представляет собой еще одну матрешку, так как оно в свою очередь тоже делится: эти составные части ядра мы стали называть нейтронами и протонами.

О, электрический заряд? Электрон? Созвучно с электричеством? Да?

Кажется, мы дошли до той самой крайней матрешки, которую искали с начала урока. И матрешка эта представляет собой внутренности атомов. Там мы и обнаружим то, что нас интересует — электричество.

Как выглядит атом?

А что это там такое сверху крутится необычное?

Выше вы наблюдаете атом кислорода в процессе «жизнедеятельности». Вернее, его схематичное, примерное представление. Мы не особо-то и знаем, как на самом деле выглядит атом. Не забывайте: мы находимся на данный момент на таком миниатюрном уровне, где работают исключительно допущения, предположения, догадки и опыты на основе догадок.

Важно. Вообще, на Земле, по состоянию на 2021 год, насчитывается $118$ различных атомов, не считая изотопы — так скажем, вариации атома. Только вообразите: состав любой материи ограничен. И на то, чтобы составить все многообразие нашей планеты, требуется всего лишь $118$ частичек, называемых атомами. В разных комбинациях.

Возьмите один атом хлора и один атом натрия — получите соль. Возьмите три атома кислорода — получите озон. Да, тот самый, который странно, но приятно пахнет. Возьмите два атома водорода, один атом серы и четыре атома кислорода — получите серную кислоту. Всего лишь чуть больше атомов кислорода и наличие серы может с легкостью нанести ужасные увечья кожному покрову, в отличие от воды, в которой так-то тоже есть и водород, и кислород. Однако кожу она вам не разъест.

Продолжать можно очень долго. Полный перечень ста восемнадцати атомов, куда входят и вышеупомянутый кислород, и водород, и сера, и прочее, записан в периодической таблице Менделеева — крайне вероятно, что вы про нее что-нибудь да слышали.

Выводы

На этом стоит взять небольшую паузу, ибо сюжет делает очень резкий поворот: мало того, что мы имеем пробелы в наглядном представлении реальной молекулы, тут еще и выясняется, что молекулы состоят из атомов, да и те в свою очередь состоят из элементарных частиц. Посему от вас сейчас требуется одно — понять и принять, что электрические процессы происходят где-то там, на уровне «внутри атома».

«Внутри атома» означает, что ничего увидеть у нас не получится, как это было, например, в курсе механики. Многие вещи нам придется просто принимать к сведенью, на эмпирической основе. Так подумать, вы же только что без доказательств по сути приняли наличие в природе атома и субатомных частиц. Значит, сможете принять то, как эти частицы «работают».

И об этом мы поговорим уже на следующем уроке!

Пока — предлагаем короткий закрепляющий тест. А насколько хорошо вы поняли материал и атомные перипетии? Вот и проверьте себя:

{"questions":[{"content":"Что за <b>понятие</b> дается в следующем определении: <br /><br />[[input-1]] — наименьшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами.","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":"Молекула"}},"step":1,"hints":["<i>Может, вы не совсем точно прочитали определение?</i><br /><br />Речь о частице, обладающей <b>свойствами</b> вещества. Разве, к примеру, отдельный атом водорода, входящий в состав воды, обладает свойствами воды?"]},{"content":"Атом состоит из <b>элементарных частиц</b>. Выберите их из предложенного списка. [[choice-10]]","widgets":{"choice-10":{"type":"choice","options":["Изотоп","Нейтрино","Нейтрон","Электрон","Протон"],"explanations":["<i>Вы уверены, что на уроке обсуждались и определялись <b>изотопы</b>?</i> 🙄","<i>Разве?</i>","","",""],"answer":[2,3,4]}}},{"content":"Интересно, а вы запомнили, сколько атомов на сегодняшний день обнаружили ученые? Сможете указать эту цифру ниже? <br /><br /><i>В природе Земли насчитывается [[input-45]] атомов.</i>","widgets":{"input-45":{"type":"input","inline":1,"answer":"118"}},"hints":["<i>Ничего страшного, если случайно вылетело из головы.</i> 😎<br /><br />В состав периодической таблицы входит $118$ элементов. А состав таблицы вы еще обязательно изучите. Потом."]}],"mix":1}