и о кварках, полезно хоть что-то знать, но чаще всего не нужно учитывать эту безумную физику, размышляя об устройстве электрических машин и приборов. Поэтому, не забывая о поправках, которые может принести нам собранный из кварков атом, мы пока будем считать протон единой частицей с минимальной порцией положительного электрического заряда, равной (по силе!!!) отрицательному заряду электрона.
Вот, оказывается, как великолепно сконструирован и изготовлен наш мир. Мало того, что получились совершенно одинаковыми все электроны во Вселенной, всё их неисчислимое множество. И все протоны получились совершенно одинаковыми. Ко всему ещё обе эти абсолютно разные частицы (бумажная скрепка и двухлитровая банка воды) имеют одинаковый по величине электрический заряд, при этом заряды у них разного сорта, разного знака. Именно такие частицы, оказывается, необходимы для образования устойчивых атомов.
Сравнительно недавно, лет 40–50 назад, начала активно развиваться и получать экспериментальное подтверждение физическая теория, согласно которой такие частицы, как протон и нейтрон (к электрону это не относится), состоят из ещё более мелких деталей — кварков (Р-9). У кварков электрический заряд меньше, чем у протона и электрона, и может составлять 1/3 или 2/3 от той порции электричества, которую имеет протон. Причём заряд кварков может быть как положительным, так и отрицательным. Однако та же теория предсказывает, что сами кварки выделить из протонов или других частиц и получить в «чистом виде» невозможно, а может быть, даже принципиально невозможно. Придравшись к этому, мы будем считать, так же как считалось до появления кварковых моделей, что положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона — это самые малые порции электричества, которые можно обнаружить в природе.
Т-29. Атомы разных химических элементов различаются числом протонов в ядре. Простейшая планетарная модель атома, построенная нами, — спичечная коробка, которая вращается вокруг руки, это модель атома водорода. В его ядре — один протон (+), а на орбите — один электрон (-). Встречаются, хотя и сравнительно редко, атомы водорода, где в ядрах вместе с протоном находятся ещё и нейтроны. Это так называемые изотопы водорода — тяжёлый водород дейтерий с одним нейтроном и сверхтяжёлый водород тритий с двумя (Р-6). Но мы пока не будем принимать во внимание нейтроны, поскольку это частицы нейтральные, электрического заряда у них нет и на электрические свойства атомов они не влияют.
ВК-32.Электроны, упорядоченно двигаясь в проводнике, сталкиваются с его неподвижными атомами. И при каждом таком столкновении, как при любом ударе, выделяется тепло. Одно столкновение даёт неуловимо малую порцию тепла, но в токе участвуют миллиарды электронов, и их суммарное тепловое действие может быть вполне ощутимым. Отсюда две важные специальности электричества: электрический ток создаёт тепло и, сильно нагрев проводник, заставляет его светиться — создаёт свет.
Следующий по сложности после водорода — атом гелия. В его ядре уже два протона (нейтроны мы пока опять-таки не принимаем во внимание, хотя они есть и у гелия, и у всех более сложных атомов), а на орбите — два электрона. У лития — три протона и три электрона, у бериллия — четыре и четыре, у бора — пять и пять, у углерода — шесть и шесть, у азота — семь и семь и так далее. И вывод: один химический элемент отличается от другого числом протонов в ядре и, соответственно, числом электронов на орбитах. Всего в природе существует 92 разных сорта сравнительно устойчивых атомов с числом протонов в ядре от 1 до 92, это и есть 92 химических элемента. С учётом искусственных, живущих очень короткое время атомов (их получают на ускорителе и тут же «взвешивают», пока они ещё живы), химических элементов, как уже говорилось, известно 118.
У разных элементов разная способность вступать в химические реакции, соединяться в молекулы. На это и обратили внимание химики ещё в те времена, когда о строении атомов ничего не было известно. Сопоставив химические свойства некоторых элементов, Дмитрий Иванович Менделеев расположил их в определённом порядке в таблице, которая всему миру известна как таблица Менделеева. А потом, спустя много лет, оказалось, что порядок следования элементов в менделеевской таблице определяется числом протонов в атомном ядре — чем больше протонов, тем более далёкое место в этой таблице занимает элемент. Более того, порядковый номер элемента в таблице точно соответствует числу протонов в ядре у атомов этого элемента. Так, элемент № 1 (водород), как уже говорилось, имеет 1 протон, элемент № 3 (литий) — 3 протона, элемент № 6 (углерод) — 6 протонов, элемент № 13 (алюминий) — 13 протонов, элемент № 47 (серебро) — 47 протонов, элемент № 79 (золото) — 79 протонов, элемент № 92 (уран) — 92 протона. Электронов в атоме, ещё раз напомним, столько же, сколько протонов.
ВК-33.Появление в 1800 году химических электрогенераторов, способных довольно долго (часы, недели) выдавать электрический ток, резко ускорило исследования электричества. Более того, это изобретение показало скептикам, что электричество может выполнять полезную работу. Такое новое для широкой публики отношение к электричеству довольно быстро превратило его из предмета, интересующего нескольких чудаков, в область серьёзного общественного внимания и явных материальных вложений.
Электроны вращаются вокруг ядра по разным орбитам. Некоторые из орбит находятся поближе к ядру, другие — подальше от него, третьи — совсем далеко. Все электронные орбиты группируются в несколько слоёв, в несколько электронных оболочек. Очень часто на рисунках, как, например, на Р-5, любая электронная оболочка показана в виде одного круга или эллипса, по которому вращаются все её электроны. Это, конечно, грубое упрощение, одно из тех, которым было посвящено предупреждение Т-8. Признавшись в этом, мы будем всё же пользоваться упрощёнными рисунками, они легче воспринимаются и по ним легче хоть примерно представить себе то, что происходит в атоме.
Особое значение имеет внешняя электронная орбита атома (точнее говоря, наружный слой электронных орбит, Т-8), потому что именно с помощью своих внешних электронов атомы соединяются друг с другом, объединяют свои электронные оболочки, образуя молекулы. По мере увеличения порядкового номера химического элемента число электронов на внешней орбите растёт, но их не может быть больше восьми. Поэтому количество внешних электронов периодически повторяется — 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, затем опять 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и так далее. При этом периодически повторяются некоторые химические свойства элементов (Р-7), и сам обнаруженный Д. И. Менделеевым характер изменения этих свойств часто называют периодической системой элементов или отображением периодического закона Д. И. Менделеева.
Т-30. Положительный ион и отрицательный ион — атомы, у которых нарушено электрическое равновесие и каких-то зарядов (+ или —) в них больше. Обнаружив в электронах и протонах мельчайшие порции электричества, мы можем теперь объяснить, как появляются электрические свойства у более крупных «предметов» — у атомов и молекул. И у натёртых палочек из пластмассы и стекла.
ВК-34. Завод, где работают электроны, называется «электрическая цепь». В неё входят генератор, где свободные заряды получают запас энергии, а также нагрузка, где они эту энергию отдают, и соединительные провода, по которым электроны идут на работу и с работы. Работающая цепь всегда замкнута и создаёт непрерывный путь для тока. При разрыве цепи ток прекращается. На чертеже, или, как принято говорить, на схеме электрической цепи, различные её элементы отображают условными знаками.
Для начала напомним, что в нормальном своём состоянии любой атом электрически нейтрален. Число протонов в его ядре и число электронов на орбитах одинаково, и при этом суммарный положительный заряд атома и его суммарный отрицательный заряд как бы нейтрализуют друг друга — за пределами атома никакие его электрические свойства вообще не ощущаются. Вещество, состоящее из таких нейтральных атомов, само тоже нейтрально, электрического заряда у него нет. Поэтому стеклянная и пластмассовая палочки до того, как мы их натёрли, мелкие бумажки не притягивали.
Если же каким-то способом удалить с атомной орбиты хотя бы один электрон, то общий заряд электронов атома станет меньше, чем общий заряд протонов, и такой атом в целом будет обладать положительным зарядом. А значит, будет обладать положительным зарядом и молекула, куда войдёт этот наэлектризованный атом (Р-13).
У натёртой стеклянной палочки положительный заряд появляется именно потому, что при натирании мы, грубо говоря, выдираем электроны из многих атомов, расположенных в поверхностном слое стекла. Эти электроны переходят на тряпку, которой мы натирали стеклянную палочку, а сама палочка остаётся с нехваткой электронов, то есть с положительным зарядом.
А теперь обратный процесс: можно каким-то способом втолкнуть в атом лишний электрон, у некоторых веществ ему найдётся местечко на орбите. У такого атома электронов окажется больше, чем протонов в ядре, а значит, появится отрицательный заряд. В итоге отрицательный заряд будет у молекулы, включившей в себя этот атом, и у вещества, куда входят такие наэлектризованные молекулы. Именно так можно объяснить появление отрицательного электрического заряда у натёртой пластмассовой палочки — при натирании в неё втиснулись лишние электроны, например, вырванные из тряпки, которой натирали пластмассу (Т-8).
В заключение остаётся назвать имена, которые присваивают атомам в зависимости от их электрического состояния.
Нейтральный атом — это тот, который никак не проявляет своих электрических свойств. Положительный ион — атом с недостающими электронами или, другими словами, с избытком положительного заряда. Отрицательный ион — атом с избытком электронов, то есть в итоге с отрицательным зарядом.