Личный кабинет Выйти Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание История России ОГЭ
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Внутри атома: электроны

Содержание

    Атом… Внутри него обитает нечто такое, что человечество называет «электричеством» и использует повсеместно для быта, производства — в общем, в течение многих аспектов жизни.

    Выясняя природу электрических процессов, на прошлом уроке мы пришли к заключению, что материя всего нас окружающего на мельчайшем уровне состоит из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов. Как при этом оказалось, атом не является мельчайшим «строительным блоком». Он состоит из элементов, именуемых протонами, нейтронами и электронами. Протоны и нейтроны, в свою очередь, располагаются в «сердцевине» — в ядре. А электроны располагаются по орбитам вокруг этого ядра, словно планеты, вращающиеся вокруг солнца.

    Каждый объект, каждая вещь, каждый предмет отличаются друг от друга лишь количеством «начинки» атомов. Добавьте один лишний электрон и один протон, и кислород превратится во фтор.

    Ну, и стоит подметить, что не даром все же модель атома, которую мы видели на примере атома кислорода, в упрощенном варианте называется планетарной. Просто сравните, как визуально похоже атомное устройство материи с Солнечной системой. И что самое интересное, внутри каждого вещества есть атомы, неизменно состоящие из протонов, нейтронов и электронов.

    Заряд частиц

    Также, что мы выяснили мимоходом, в ходе опытных экспериментов ученые обнаружили одну любопытную вещь. Частички атома испускают вихревой поток гравитонов, который получил название «заряд». Заряд — фундаментальное свойство материи, такое же, как, например, масса. Он просто существует. Таков замысел природы. А по физическим свойствам заряд, переносимый электроном, отличается от заряда, переносимого протоном. Что примечательно, нейтрон подобным свойством не обладает вовсе.

    Поэтому заряду было придумано удобное, во многом математическое определение:

    Заряд частиц
    ЭлектронПротонНейтрон
    ОтрицательныйПоложительныйНейтральный

    Получается, что нейтрон по сравнению с электроном или протоном, образно говоря, нейтральный. Заряда будто бы нет, такой заряд можно принять за условный $0$. Заряд электрона удобно считать отрицательным, а протона — положительным.

    Важно понимать!

    Это лишь условность, с помощью которой удобно описывать поведение субатомных частиц при взаимодействии. С таким же успехом заряды можно было бы назвать именами известных людей или популярными кличками собак в Голландии.

    Тем не менее ситуацию данная информация не проясняет на все сто процентов. Так что до сих пор остается актуальным ряд вопросов. К примеру, почему частицы вообще испускают так называемый «заряд»? Интересно в то же время и то, как человечество обнаружило подобное свойство материи. А раз заряд — свойство материи, и логично предположить, что у всего есть свойства. Какие же свойства в свою очередь у заряда?

    Разобраться во всем поможет… история. И щепотка здравого смысла!

    Большой взрыв

    Безусловно, любого хоть раз волновал вопрос, почему материя выглядит так как выглядит и отчего обладает именно отдельно взятым набором характеристик. Ответ в то же время и невероятно сложен, и обывательски прост. Таков исход огромного выброса энергии в результате Большого взрыва. Это, пожалуй, важнейшее событие в истории всего, что нас окружает.

    Художественное представление того, как бы могли выглядеть первые секунды Большого взрыва. Источник: Science Photo Library.

    С предыдущих уроков мы помним, что вещество и энергия — различные формы по сути одного и того же. Поэтому естественно, что некоторая часть энергии взрыва проявила себя в виде вещественном, в нашем случае — в виде фотонов. Фотон — это  частичка света, единица световой энергии. В течение первой миллисекунды взрыва температура вокруг достигала величины свыше десяти миллиардов градусов Цельсия. Энергия же, переносимая фотонами, достигала миллиона электронвольт.

    Просто вдумайтесь в эти цифры. Подобные условия и открыли уникальную природную возможность образования электронов, в результате реакции фотонов друг с другом. Параллельно с электронами также происходила формация позитронов — античастиц электронов. Как видите, с самого первого момента зарождения материи — и, впоследствии, жизни — мироздание стремилось к балансу.

    Схематичное изображение аннигиляции электрона и позитрона. При столкновении пары «электрон-позитрон» происходит выброс энергии.

    Стоило противоположным друг другу по свойствам позитронам и электронам столкнуться, они аннигилировали (лат. аnnihilare — «исчезать», «уничтожаться»). И вновь, вспоминая уроки энергии, мы можем обратиться к практическому факту о том, что любое взаимодействие (например, вашего кулака со стеной и прочее) ведет к обмену энергий или к выбросу энергии.

    Результатом же энергетического взаимодействия позитрона с электроном были кварки. Это элементарные частицы, являющиеся строительным материалом уже знакомых вам протонов и нейтронов.

    😲 Есть что-то меньше протона или нейтрона..?

    Самые внимательные определенно должны были увидеть противоречие ранее изложенному материалу. Речь еще урок назад шла о том, что субатомные частицы — электрон, протон и нейтрон — являются наименьшими составными единицами материи. Что же, оказывается… нет. И протоны, и нейтроны в свою очередь состоят из кварков. Протон — из двух верхних и одного нижнего кварка, нейтрон — из двух нижних и одного верхнего кварка. Да, кварки еще и в дополнение ко всему бывают разными. Доказано все это было исключительно экспериментально. Однако остается открытым вопрос: существуют ли частицы меньше кварков?

    По сей день однозначного ответа на него пока не было дано. Никто тут случайно не хочет Нобелевскую премию за открытие составных элементов кварков?

    Процесс формации атомов

    По мере того, как температура Вселенной снижалась и она расширялась, частички медленно и уверенно распределялись по пространству. А кварки наконец могли соединяться друг с другом, образуя протоны и нейтроны. Последние, в свою очередь, спустя некоторое время начали слипаться, образуя ядра будущих атомов. А когда эта бравая ядерная команда с положительным зарядом «приманила» к себе электроны с отрицательным зарядом, сформировались первые атомы — атомы водорода.  

    Конечно, процесс формации атома шел в несколько этапов, на него ушло пару тысяч лет. Однако очевидно, что свойства частиц таких, как электрон, обладать электрическим зарядом появилось одновременно с непосредственным появлением самих частиц.

    Итак, Вселенная породила частицы, прошло десять миллиардов лет. Образовалась Земля, вместе с ней практически сразу — микроорганизмы. Они в свою очередь за последующие четыре миллиарда лет эволюционировали в более сложные организмы, включая человека, и началась новейшая история. Человеку оставалось лишь разгадать замысел природы насчет атомов. Но прежде — вообще понять, что материя вокруг, оказывается, имеет крайне удивительные свойства.  

    На заре электричества

    Под удивительными свойствами, конечно же, понимается явление, когда взаимодействие предметов приводит к тому, что один из них словно начинает обладать свойством магнита — притягивать или отталкивать ряд прочих предметов вокруг. Все не раз видели искорки при, казалось, касании совершенно обыденного объекта. Например, дверной ручки, или то, как праздничный шарик приклеивается к чьим-либо волосам.

    Слова «электричество», «электроника», «электрон» и им подобные все восходят к древнегреческому существительному «ἤλεκτρον» (латиницей: ‘ḗlektron’), в переводе на русский — «янтарь». Ничего не скажешь, странное соседство. Электрический заряд и окаменевшая смола хвойных деревьев. Несмотря на то, что на первый взгляд никакой связи между данными вещами не проглядывается, есть разумное объяснение, почему электричество этимологически имеет отношение к янтарю.

    О том, что материя обладает зарядом, люди и даже, вполне возможно, их далекие предки подозревают давно. Мы натыкались на кусочки железа, которые притягивались друг к другу, низменно показывая направление в сторону севера-юга. Каждый видел чудеса электростатического разряда в виде молнии на небе. Древние рыболовы знали, как выглядит рыба, которую не стоит трогать руками — коснись, и она бьется чем-то странным, что вызывает боль.

    Электричество есть природа, но в течение десятков тысяч лет мы всего лишь играли роль пассивных наблюдателей, не имея ни малейшего понятия, откуда берутся все эти чудеса. Одно то, что в ряде мифологий присутствуют божества, повелевающие молнией (Тор — в скандинавской мифологии; Зевс  — в древнегреческой; Юпитер — в древнеримской; Перун — в славянской; Укко — в карело-финской), говорит о том, что человек не мог объяснить наличие заряда в природе. Вместо, нам приходилось прибегать к антропоморфизму — переносить человеческий образ на явления вокруг и выдумывать богов. И уж тем более мы не могли предположить, что все феномены, от больно бьющейся рыбы до молнии, имеют общее происхождение.

    Египтяне и электро-рыбы!

    Еще бы: такой сом способен вырабатывать напряжение до 450 В. Но прочих рыбок он все-таки не защищал, а ел, предварительно оглушая их мощным разрядом тока.

    В древних египетских рукописях, датированных 2750 г. до нашей эры, имеется упоминание подобного вида рыб. Египтяне называли их «грозой Нила» и приписывали им свойства «защитников» прочих рыбок. Вот так вот, ничего не подозревающий милый электрический сом считался оберегом рыбного водного царства.

    Первые основательные упоминания электростатических явлений зафиксированы лишь в 600 г. до нашей эры. Сделано это было Фалесом, древнегреческим философом и математиком, также известным своей теоремой о пропорциональных отрезках. Ученый заметил, что янтарь, потертый о шерсть, может притягивать маленькие объекты наподобие пылинок. Правда Фалес на пару с Аристотелем полагали, что внутри янтарного камня просто сидит душа человека… а мех ее как бы пробуждает.

    К сожалению, в течение более полутора тысяч лет подобными наблюдениями и ограничивались наши знания о заряде: мы находили его проявления нюансом забавным, судя по уровню научной письменности — не проводили особых экспериментальных исследований, а добрую часть электростатики приписывали сверхъестественному. Средневековых ученых и физиков времен Ренессанса больше интересовали свойства магнитов и компасов — различие между электрическими и магнетическими силами впервые было введено только в середине XVI века.

    Свойства электрона  

    Но ученые неумолимы. Каждое новое столетие появлялись физики и естествоиспытатели, которые хотели дополнить и приумножить наше понимание процессов на уровне субатомных частиц. За последние 500 лет нам удалось-таки выяснить кое-что — не все, но многое. Давайте же ознакомимся с основными выводами и находками.

    Первое и наиболее важное: главное отличие электрона от его «соседей» по атомарному жилищу заключается в том, что он относительно свободен. К атому электрон присоединился последним, уже после формирования ядра. В дополнение к этому, масса протона в тысячу раз превышает массу электрона, что делает последний в сравнении с нуклонами маленьким и мобильным. Это — единственная составная часть атома, которая может покидать его потенциальный барьер, поэтому электричество во многом ассоциируется с электроном, как наиболее частым «переносчиком» заряда.  

    Шведские ученые могут! Вот как-то так выглядит реальный электрон. А теперь представьте, что таких облачных шариков в атомной оболочке не один, а несколько — сразу станет примерно ясно, почему оболочку называют «электронным облаком».

    Модель атома, что вы наблюдали уже неоднократно ранее, в любом случае далека от действительности. Ввели мы ее для упрощения. А вот если бы у нас была возможность отобразить действительность в высоком разрешении, как на настоящей картинке, мы бы определенно точно увидели не точки, летающие вокруг плотного центра, а просто мерцающее облако. Где-то ярче, где-то тусклее. Месторасположение и характер движения электронов описывается волновой функцией: данный элемент обладает одновременно и свойствами частицы, и свойствами волны.

    В отличие от обычной частицы, электрон — сосредоточение энергии, поэтому вполне логично, что физика обычной частицы не подойдет для описания этого уникального «малыша». Но здесь и далее в курсе школьной физики вам не нужно изыскивать феноменальные умственные ресурсы, чтобы осознать в полной мере квантовую модель атома. Вполне подойдет ситуация, при которой электрон воспринимается как точечный шарик.

    Маленький и мобильный электрон притягивается к ядру, но между самими электронами также действуют определенные силы. Это позволяет ему:

    — находиться внутри границ атома;

    — также находиться на некотором расстоянии от ядра атома.

    Однако если электронная оболочка атома начинает получать энергию от внешнего источника, что может позволить электрону преодолеть притяжение к ядру, он имеет все шансы «сбежать из домика» и стать, как говорят ученые, свободным электроном.

    Свободный электрон —  электрон, не входящий в состав определенного атома.

    Электронный дисбаланс

    А теперь включаем смекалку математическую. Представим атом, который «потерял» электрон в результате некоторого энергетического взаимодействия или же «притянул» к себе лишний электрон. Мы помним, что отличительная черта природы — это стремление к балансу. Поэтому «не потревоженный» атом нейтрален: количество протонов, носителей положительного заряда, полностью совпадает с количеством электроном, носителями отрицательного заряда.

    При появлении дисбаланса в количестве заряженных частиц, следовательно, актуально следующее:

    Электрон «улетает» с оболочкиЭлектрон «прилетает» в атом
    Изменилось количество электронов. Оно уменьшилось. Количество протонов осталось тем же. Атом становится положительным ионом.Вновь изменилось количество электронов, но их стало больше. Все так же количество протонов осталось неизменным. Атом становится отрицательным ионом.

    Дисбаланс в количестве электронов в оболочке и есть причина, почему происходят многие невероятные вещи. Во-первых, атом всегда стремится к нейтральности, поэтому «обедневший» атом не прочь «утянуть» откуда-нибудь «плохо закрепленный» электрон. Работает данный принцип и наоборот: «перенасыщенный» электронами атом не прочь куда-нибудь лишнее «скинуть».

    Итоги

    Ну что же, мы на еще один шаг приблизились к разгадке тайны электричества. Теперь мы знаем, хоть и примерно, помимо всего прочего, откуда взялся атом и в каком порядке он сформировался в отношении составляющих элементов. Также мы выяснили, что именно электрон играет капитальную роль в естественных электрических процессах, приводя своими перемещениями атомы в состояние дисбаланса.

    Остается не так много: уточнить, за счет чего конкретно может возникнуть данный дисбаланс, более подробно описать ситуацию, при которой взаимодействие материи приводит к электронному дисбалансу и привязать данную информацию к явлению статического электричества.

    Пока — предлагаем небольшой тест. Проверьте, насколько хорошо вы познали электроны.

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии

    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение