Внутри атома: электроны

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:

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!

{"questions":[{"content":"Секундочку! ☝️<br /><br />Вы успели запомнить, какому заряду соответствует каждая субатомная частица? Давайте проверим: <b>соедините знаки зарядов с элементарными частицами</b>. <br /><br />[[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Протон","Нейтрон","Электрон"],"items":["Положительный","Нейтральный","Отрицательный"]}}}]}

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.

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.

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.

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.  

{"questions":[{"content":"Квантовая механика — наука непростая. Так что уточним: что же такое <b>аннигиляция</b>? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Когда частица и античастица (двойник частицы, с противоположным зарядом) сталкиваются друг с другом и превращаются в другие частицы, например, фотоны.","Процесс, при котором электрон самоуничтожается и превращается в другую частицу, например, фотон или кварк.","Это вопрос-подвох. Здесь нет правильного ответа!"],"explanations":["<i>Верно!</i><br /><br />В ситуации с формацией атома процесс аннигиляции происходил между отрицательным электроном и его «антагонистом» — положительным позитроном. Их столкновение рождало кварки, из которых после формировались нуклоны — протоны и нейтроны.","А как же закон сохранения энергии и его главная заповедь о том, что энергия из ничего возникнуть не может? Частичка света — проявление энергии, а электрон сам по себе без энергетического воздействия не может изменить свой энергетический уровень, то есть «исчезнуть». Подумайте еще.","Никаких подвохов. Правильный ответ здесь имеется. Попробуйте его найти."],"answer":[0]}}}]}

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!

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.  

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.

{"questions":[{"content":"Подытожим основные свойства электрона. Ниже описаны свойства элементарных частиц, но только <b>три</b> из них имеют отношение к электрону. Два свойства из представленных — лишние и описывают уж точно не электрон. <br /><br /><i>Вспомните, чем отличается электрон от нуклонов (протонов и нейтронов) и расположите свойства по группам.</i>  [[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["✅ <b>Относится</b> к электрону","❌ <b>Не относится</b> к электрону"],"items":[["Самый «легкий» элемент атома с точки зрения массы","Располагается на расстоянии от ядра атома","Мобильный элемент — может покидать атомную оболочку"],["Располагается в ядре","Самый «тяжелый» элемент атома с точки зрения массы"]]}},"step":1,"hints":["Электрон располагается не там же, где протон и нейтрон, а как бы <i>отдельно</i>.","Раз он внеядерный, то ему легче <i>«убежать»</i>, если его кто-то «подтолкнет».","И раз он маленький, прыткий, то его масса должна быть в разы меньше, чем у любого из нуклонов, «сидящих в домике»."]}]}

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:

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.

{"questions":[{"content":"Электрон, который «путешествует» сам по себе вне атома или по каким-либо причинам вылетевший из электронной оболочки, называется:[[input-1]]","widgets":{"input-1":{"type":"input","answer":["Свободный","Свободным"]}},"hints":["«<b>Свобода</b>, равенство, братство», — гласит девиз Великой французской революции конца XVIII века…"]},{"content":"Что означает в переводе древнегреческое слово <b>«электрон»</b>, «ἤλεκτρον»?[[choice-6]]","widgets":{"choice-6":{"type":"choice","options":["Заряд","Ток","Янтарь","Облако"],"explanations":["","","<i>Верно!</i><br /><br />Ничего общего янтарь с миром электромагнетизма так-то не имеет, но древние греки восхищались тем, как янтарь, потертый о шерсть, начинает притягивать мелкие предметы. Мир науки просто отсалютовал грекам, назвав фундаментальную частицу, ответственную за это интересное свойство, «электроном». В этом слове увековечено человеческое любопытство, не научные факты.",""],"answer":[2]}}},{"content":"Представим, что есть атом, в котором в результате некоего взаимодействия оказалось на <b>один электрон больше</b>, чем протонов. Какой заряд имеет такой атом? [[choice-26]]","widgets":{"choice-26":{"type":"choice","options":["Положительный","Отрицательный","Нейтральный"],"explanations":["","<i>Отлично!</i><br /><br />Атом в целом всегда нейтрален: количество протонов и электронов в нем совпадает. Если создается электронный дисбаланс в пользу электронов, за счет их «перенасыщения», атом получает отрицательный заряд.",""],"answer":[1]}}}],"mix":1}