Р-6. ПАСПОРТ ДЛЯ КАЖДОЙ РАЗНОВИДНОСТИ АТОМОВ. Предполагается, что вся наша огромная Вселенная родилась в результате мощнейшего, как его называют, Большого взрыва. Мы ещё посвятим ему несколько картинок с короткими примечаниями — человек должен хоть что-то знать о своей истории. А пока отметим: предполагается, что уже через несколько секунд после взрыва температура первоначального немыслимо горячего вещества заметно снизилась и в нём стали появляться ядра самых простых атомов — атомов водорода (1). Затем стал возможен ещё один процесс — некоторые водородные ядра, объединившись, превращались в ядро атома гелия (2). Хорошо известные нам теперь более сложные и значительно более сложные атомы стали появляться через миллионы лет, когда зажглись звёзды.
Некоторые важные особенности атома можно отобразить в небольшой записи, условно назвав её паспортом. Именно такие паспорта на этом рисунке сделаны для четырёх атомов (1, 2, 3, 4), а на рисунке Р-7 в таблице Менделеева вы увидите их для большинства известных атомов. Название атома — это, по сути, название чистого вещества, которое из этих атомов состоит. Так, например, газ водород состоит из атомов по имени водород. Самая приметная цифра в паспорте указывает число протонов в ядре и число электронов на орбитах, и она же есть порядковый номер элемента в таблице Менделеева.
Физики доказали, что на первой, на самой близкой к ядру орбите, где энергия электронов минимальна, их может быть не более 2, на второй орбите до 8, на третьей — до 18. У некоторых крупных атомов есть орбиты, на которых до 32 электронов, но никогда на внешней орбите не может быть более 8 электронов.
В атомное ядро входят не только протоны, но ещё и нейтроны, когда нужно отметить их количество, атом называют изотопом. Нейтроны практически не влияют на химические свойства атома, но имеют такую же, как у протона, массу и такой же барионный заряд (Р-10). Средняя масса атомов (на этом рисунке под порядковым номером) получается дробной потому, что набор изотопов и их количество в природе в основном определяет сама природа.
Т-21. К электричеству нужно просто привыкнуть, как мы от рождения привыкли к гравитации. Нетрудно самому на кухонном столе проделать несколько опытов, которые в древние времена удивили греков. Не страшно, если у вас нет янтарной палочки, потрите шерстяной тканью пластмассовую расчёску и посмотрите, как она тянет к себе клочки бумаги. Это не гравитация — бумажки не падают, а тянутся вверх. Это не магнетизм — магнит бумагу не притягивает. Это — электричество, одна из важнейших важностей нашего мира.
Электричество и гравитация в чём-то очень похожи, и работают они по очень похожим правилам. Гравитационное притяжение тем сильнее, чем больше взаимодействующие массы: килограммовая гиря тянется к земле и давит на чашку весов сильнее, чем стограммовая. Электрическое притяжение тем сильнее, чем больше электрические заряды, то есть электрические свойства взаимодействующих предметов. Потрёшь расчёску слегка, электрический заряд у неё образуется небольшой, и она слабо тянет мелкие бумажки. А натрёшь расчёску посильнее, электрический заряд у неё окажется побольше, и сила притягивания лёгких предметов тоже увеличится.
Для того чтобы почувствовать реальность таких понятий, как «гравитация», «масса», «сила тяжести», не нужно раскрывать учебник физики, достаточно положить его на ладонь. Мы непосредственно воспринимаем массу, ощущаем её, чувствуем массу своего тела, массу покупки, которую несём из магазина, массу упавшего на ногу камня.
Электрический заряд, конечно, на ощупь не почувствуешь, природа не снабдила нас «чувством электричества». Но и без этого ясно, что электричество есть, что это абсолютная реальность, — другого вывода не сделаешь из опытов с натиранием расчёски. Конечно, масса — понятие привычное, человек привыкал к нему миллионы лет, а с электричеством мы сталкиваемся всего несколько десятилетий. Так что в него, кроме всего прочего, ещё нужно поверить, к нему нужно привыкнуть.
Т-22. Электричество бывает двух видов, двух сортов, и придумали им такие названия: «положительное электричество» и «отрицательное электричество». В результате гравитационного взаимодействия физические тела только притягиваются друг к другу, пока ещё никто не наблюдал антигравитации, то есть не привычного притяжения, а гравитационного расталкивания двух тел. Скорее всего потому, что в природе существует масса только одного сорта, и любые две массы взаимодействуют только так — они взаимно притягиваются.
Одинаковость, однотипность массы проверена с колоссальной, просто-таки фантастической точностью — до миллионных долей миллионной доли процента. Но факт существования только одного сорта массы настолько важен, что физики планируют ещё более точную его проверку: а вдруг окажется, что есть такой вид массы, который отталкивается от нашей, привычной? Вот тут уж мы полетаем над землёй и в космосе — без моторов, без топлива, совершенно бесплатно, за счёт одной только антигравитации.
ВК-23.Натирая стекло тряпкой, мы из многих атомов на его поверхности, грубо говоря, выдираем электроны, в стекле появляются положительные ионы, то есть положительный заряд. Электроны из стекла переходят на тряпку, и она приобретает отрицательный заряд. А при натирании пластмассы в атомы на её поверхность переходят электроны с тряпки, которой осуществляли натирание, — в пластмассе появляются отрицательные ионы и суммарный «минус», а у тряпки — «плюс».
В отличие от массы электричество бывает двух разных сортов, и в этом может убедиться каждый, проделав опыты с натиранием стеклянной и пластмассовой палочек. На обеих палочках при их натирании появляется электрический заряд — обе они притягивают мелкие клочки бумаги. Но на стеклянной палочке и на пластмассовой появляются заряды разного сорта, и это будет незамедлительно доказано с помощью очень простого эксперимента.
Если появившиеся при натирании заряды передавать с палочек на два лёгких пенопластовых шарика, подвешенных на нитках, то обнаружится, что в разных случаях эти наэлектризованные шарики ведут себя по-разному. Шарики, получившие электрический заряд разных сортов (один шарик от стеклянной палочки, другой — от пластмассовой), взаимно притягиваются. Шарики, получившие электрический заряд одного и того же сорта (оба от стеклянной палочки или оба от пластмассовой), отталкиваются. Если бы электричество было только одного сорта, то взаимодействие зарядов всегда было бы одинаковым — независимо от того, какими палочками вы прикасались бы к шарикам, они всегда либо только притягивались бы, либо только отталкивались. Таким образом, из наших опытов как раз и следует, что электричество бывает двух сортов: электрические заряды одного и того же сорта, или, иными словами, одноимённые электрические заряды, как бы не любят друг друга (Т-8) и взаимно отталкиваются, разноимённые — взаимно притягиваются.
ВК-24.Мы подробно обсудили натирание пластмассы и стекла, но один вопрос остался без ответа. Почему к наэлектризованным предметам притягиваются мелкие клочки бумаги, у которых вроде бы нет никакого своего заряда? Когда-то были придуманы фантастические молекулярные цепочки, которые могли бы тянуть бумагу, но эта идея блестяще провалилась, когда опыт повторили в вакууме. Там молекулярных цепочек вообще не могло быть. К счастью, нашлось другое объяснение — поляризация (ВК-25).
Два разных сорта электричества нужно было как-то назвать, скажем, электричество сорта А и электричество сорта Б. Или электричество «Жёлтое» и «Зелёное». Или, наконец, «Стеклянное» и «Пластмассовое». Однако тому, кто давал имена этим двум разным сортам, понравились другие слова, и он назвал два разных сорта электричества «Положительным» (сокращённое обозначение +, «плюс») и «Отрицательным» (-, «минус»). В данном случае привычный для нас смысл этих слов не имеет никакого значения, и ни в коем случае не нужно думать, что положительное электричество чем-то лучше отрицательного, как, скажем, положительный литературный герой или положительный пример.
Электрический заряд, который назвали положительным, появляется у натёртого стекла, отрицательный — у натёртой пластмассы. Попробуем провести такой мысленный эксперимент: будем ломать, распиливать, крошить наэлектризованные стекло и пластмассу, чтобы найти в них самые маленькие порции электрического заряда.
Начнём со стекла.
Т-23. В наэлектризованных палочках у некоторых молекул чувствуется электрический заряд. Мысленный эксперимент, кроме всего прочего, хорош тем, что любая трудная работа здесь идёт легко и быстро. Вот и у нас уже появились сначала маленькие кусочки наэлектризованного стекла, затем очень маленькие и наконец самые маленькие его частички с хорошо известным названием — «молекула». Оно происходит от латинского слова «моле» — «масса», так что слово «молекула» означает «маленькая масса, массочка».
Можно, конечно, и появившиеся у нас молекулы стекла разделить на составные части, но то, что при этом получится, уже не будет стеклом. Здесь, пожалуй, уместно такое сравнение. Представьте себе, что вам нужно разделить на районы город. Самый маленький район, который может получиться, — это один дом, молекула большого города. Можно, конечно, и дом разобрать по частям, но вряд ли оконную раму или водопроводный кран можно будет назвать районом города.
Измельчая в мысленном эксперименте предварительно натёртые, то есть наэлектризованные, стекло и пластмассу и в итоге получив их молекулы, мы обнаружим, что некоторые молекулы тоже наэлектризованы, то есть тоже обладают электрическими свойствами, а другие — не обладают. Остаётся предположить, что электрический заряд молекулы находится в какой-то ещё более мелкой частице, которая или входит или не входит в молекулу. И если входит, то делает эту молекулу наэлектризованной. А если не входит, то молекула остаётся электрически нейтральной.