ОМИКРОН ОМИКРОН ОМИКРОН
Система Orphus

2. Общие понятия об электричестве и электронной теории

2. Общие понятия об электричестве и электронной теории

Долгое время существовало мнение о том, что атомы являются первичными, неразложимыми и неизменными частями всех тел природы, откуда и произошло название «атом», что по-гречески значит «неделимый».

В конце прошлого столетия, пропуская электрический ток высокого напряжения через трубку с сильно разреженным газом, физики заметили зеленоватое свечение стекла трубки, вызванное действием невидимых лучей. Светящееся пятно располагалось против электрода, соединенного с отрицательным полюсом источника тока (катода). Поэтому лучи получили название катодных. Под действием магнитного поля светящееся пятно смещалось в сторону. Катодные лучи вели себя так же, как проводник с током в магнитном поле. Смещение зеленоватого пятна происходило также под влиянием электрического поля, причем положительно заряженное тело притягивало катодные лучи, отрицательно заряженное тело отталкивало их. Это навело на мысль, что сами катодные лучи представляют собой поток отрицательных частиц — электронов.

В 1895 г. физик Рентген открыл особый вид лучей, не видимых простым глазом, но способных проникать сквозь многие непрозрачные тела. В настоящее время рентгеновские лучи широко используются в медицине и промышленности. В 1896 г. было обнаружено, что вещество, содержащее уран, способно в темноте действовать на фотографическую пластинку. Вскоре после этого Мария Склодовская-Кюри и ее муж Пьер Кюри обнаружили, что, подобно урану, способностью испускать невидимые лучи, проникающие через непрозрачные тела, обладает элемент торий. В 1898 г. супруги Кюрн открыли два новых элемента — радий и полоний, обладающие тем же свойством, какое было обнаружено у урана и тория. Способность некоторых элементов испускать невидимые лучи была названа Кюри радиоактивностью. Исследуя радий, Кюри обнаружили, что этот серебристый мягкий металл светится в темноте, разлагает воду на кислород и водород, действует на фотографическую пластинку, непрерывно выделяет тепло. Распадаясь, радий испускает лучи трех видов: альфа-, бета- и гамма-лучи. В результате непрерывного распада радий превращается в устойчивый элемент — свинец.

Катодные лучи, лучи Рентгена, радиоактивность и другие физические, химические и магнитные явления позволяют сделать вывод, что атом не является неделимой частицей вещества, а имеет сложное строение. Научные исследования показали, что атомы состоят как из электрически заряженных, так и из нейтральных частиц.

Согласно современной теории строения вещества каждый атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны.

Ядро заряжено положительным электричеством, а электроны — отрицательным.

Атом обычно не проявляет никаких электрических свойств (нейтрален). Однако это указывает не на отсутствие в нем электричества, а только на то, что положительного и отрицательного электричества имеется в нем поровну.

Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга своим весом (атомный вес), величиной положительного заряда ядра и числом электронов, вращающися вокруг ядра. Так, например, в атоме водорода — самого легкого и простого по строению элемента — вокруг ядра вращается только один электрон (фиг. 1), в атоме меди — 29 электронов, в атоме золота — 79 электронов и т. д. Числу электронов, вращающихся вокруг ядра, всегда соответствует порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Например, атом 92-го элемента таблицы — урана — имеет ядро, заряженное 92 единицами положительного электричества, и 92 электрона, вращающихся вокруг ядра по многочисленным орбитам.

Те из вращающихся в атоме электронов, которые расположены на крайних орбитах, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на ближних к ядру орбитах. Под действием соседних атомов или вследствие других причин можно заставить крайние электроны покинуть свои орбиты.

Атомы всех металлов имеют эти неустойчивые внешние электроны, которые легко покидают свои орбиты, чем и объясняется хорошая электропроводность металлов.

Атомы ряда других веществ прочно удерживают электроны около ядра и не дают им свободно уходить из атомов. Такие вещества плохо проводят электричество.

Русские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси еще в 1912 г. поставили интересный опыт. Было взято металлическое кольцо (фиг. 2), вблизи которого против середины помещена маленькая магнитная стрелка. Стрелка устанавливалась в направлении север—юг. Кольцо под действием посторонней силы приводилось в быстрое вращение и затем резко останавливалось. В момент остановки кольца магнитная стрелка поворачивалась и располагалась вдоль оси кольца, но через некоторое время вновь принимала свое прежнее направление. Объяснить этот опыт можно так. При вращении кольца свободные электроны вместе с атомами металла приходят в движение. Резкое торможение приводит к остановке атомов металла, но свободные электроны некоторое время по инерции будут продолжать двигаться. В кольце на короткое время возникает электрический ток, который создает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку.

Этот опыт показывает, что в металлах имеются свободные электроны.

В обычном состоянии атомы металла, ионы (атомы, потерявшие или приобретшие электроны), а также свободные электроны находятся в беспорядочном тепловом движении. Если под действием тех или иных причин заставить свободные электроны смещаться в одном направлении, такое упорядоченное движение свободных электронов в металлических проводниках будет представлять собой электрический ток.

Как уже упоминалось, положительный и отрицательный заряды в атоме обычно равны между собой. Но если атомы тела начинают терять электроны (например, при электризации тела трением), то положительный заряд тела становится больше, и мы говорим, что тело заряжается положительно.

Если же тело получает электроны, то в нем наступает их избыток, и тело заряжается отрицательно. При этом нужно учитывать, что если стекло, например, при натирании его кожей теряет электроны и заряжается положительно, то кожа, получая электроны со стекла, заряжается отрицательно.

Теряя или приобретая электроны, нейтральный в электрическом отношении атом становится заряженным. Такой атом называется ионом. Процесс превращения нейтрального атома в ион называется ионизацией. В качестве примера ионизации можно указать на некоторые металлы (натрий, калий), которые при освещении их поверхности способны выделять электроны. Честь открытия этого явления принадлежит известному русскому физику А. Г. Столетову. Это явление получило название фотоэлектрического эффекта и используется в фотоэлементах» Нагревая металл до высокой температуры, мы заставляем хаотически двигающиеся атомы металла двигаться еще быстрее. Электроны, которые ранее удерживались на орбитах атомов, теперь испускаются нагретым металлом в окружающее пространство. Это явление называется термоэлектронным эффектом и используется в радиолампах, выпрямителях и других устройствах-

Нейтральная молекула газа может быть ионизирована под действием высокой температуры, лучей Рентгена, ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений, высокого напряжения, а также при ударе нейтральной молекулы о быстролетящий электрон (ионизация толчком). Молекулы веществ, попадая в растворитель, ослабляют внутреннюю связь и распадаются на положительные и отрицательные ионы.

Масса (вес) электрона очень мала: она в 1838 раз меньше массы ядра атома самого легкого газа — водорода. Поэтому при решении некоторых вопросов можно считать, что вес атома водорода целиком определяется весом ядра, заряженного положительным электричеством и называемого протоном.

Вторым по счету после водорода в таблице Менделеева стоит элемент гелий. Согласно электронной теории атом гелия имеет два протона в ядре и два электрона, вращающихся вокруг ядра. Заряд ядра гелия в два раза больше заряда ядра водорода. Однако атомный вес гелия не 2, а 4. Если предположить, что в ядре гелия 4 протона, то количество положительного электричества будет больше количества отрицательного электричества, чего не может быть. Советский ученый профессор Д. Д. Иваненко предположил, что в состав ядра каждого атома, кроме частиц, заряженных положительно, — протонов, входят также частицы, не имеющие заряда; но масса которых равна массе протона. Эти частицы были названы нейтронами. Таким образом, в ядре атома гелия, кроме двух протонов, находятся два нейтрона. Строение атома гелия схематически дано на фиг. 3.

Атом железа в таблице Менделеева имеет порядковый номер 26 и атомный вес 56, следовательно, ядро атома железа состоит из 26 протонов и 56—26=30 нейтронов. Вокруг ядра атома железа вращаются 26 электронов. На фиг. 4 схематически показано строение атома урана (порядковый номер 92, атомный вес 238).

Мы попытались упрощенно представить себе строение атома.

На самом деле атом устроен несравненно сложнее.

Нами была рассмотрена разница между проводниками и изоляторами с точки зрения классической физики, которая изучает законы макроскопических тел, т. е. таких тел, в состав которых входит большое количество атомов и электронов. Различие между диэлектриками и проводниками классическая физика видит в том, что в диэлектрике все электроны прочно удерживаются около ядра атома. В проводниках же, наоборот, связь между электронами и ядром атома сильна и имеется большое количество свободных электронов, упорядоченное движение которых вызывает электрический ток. Классическая физика допускает любые значения энергии атома (в пределах некоторого интервала энергии), а , изменение энергии атома считает ] происходящим непрерывно сколь угодно малыми порциями. Однако изучение оптических спектров элементов и явлений, связанных со взаимодействием атомов с электронами, указывает на непрерывистый характер внутренней энергии атомов. Атомная и молекулярная физика доказывает, что энергия атома не может быть любой и принимает только вполне определенные значения, характерные для каждого атома. Возможные значения внутренней энергии атома называются энергетическими или квантовыми уровнями. Уровни энергии, которыми не может обладать атом, называются запретными уровнями.

Квантовая физика, изучающая микроскопические тела и законы их движения, дает иное объяснение различию между диэлектриками и проводниками. Согласно квантовой теории как в диэлектрике, так и в проводнике существуют свободные электроны. Диэлектрики и проводники различаются между собой лишь заполненностью и относительным расположением энергетических уровней электронов. Это и составляет основу зонной теории электропроводимости. Полная энергия электронов, вращающихся вокруг ядра, тем больше, чем больше радиус орбиты. Электрон может находиться в строго определенном квантовом состоянии, причем другие электроны в этом состоянии находиться не могут. Если сообщить электрону извне определенное количество энергии, то он может перейти в новое, более высокое квантовое состояние. Сам электрон при этом и атом, в состав которого он входит, называются возбужденными. Переход электрона с высокого уровня на более низкий уровень вызовет перескок электрона на орбиту меньшего радиуса. При этом энергия, которая была затрачена на перевод электрона в возбужденное состояние, теперь будет отдана им в виде светового кванта определенной частоты или передана другому электрону. Переход электрона в иное квантовое состояние невозможен, если это квантовое состояние занято другим электроном. В твердом теле, состоящем из множества атомов, энергетические уровни отдельных атомов смещаются и, объединяясь, образуют энергетические зоны.

Различают заполненную или нормальную зону, в которой находятся электрические заряды невозбужденного атома. Другой зоной является свободная зона, или зона возбуждения, в которую могут попадать электроны возбужденного атома. Между заполненной и свободной зонами помещается запретная зона, или зона недозволенных уровней. Ширина запретной зоны определяет электропроводимость вещества. Слово «зона» не нужно понимать как площадь или полосу определенных геометрических размеров. Когда мы говорим о какой-либо зоне, то имеем в виду количество энергии, которой обладают электроны, находящиеся в этой зоне. Энергетическую структуру тела можно изобразить графически. На фиг. 5 показано расположение энергетических зон твердого тела. У проводников (металлов) заполненная и свободная зоны перекрываются, между ними нет запретной зоны (фиг. 5, а), поэтому электроны легко переходят из заполненной в свободную зону и обеспечивают высокую электропроводимость металлов.

У полупроводников ширина запретной зоны мала (фиг. 5, б). Под действием внешних причин (тепло, свет, электрическое поле и т. п.) электроны могут преодолеть запретную зону, перейти из заполненной в свободную зону. У изоляторов запретная зона чрезвычайно широка (фиг. 5, в) и переход электронов из заполненной зоны в свободную затруднен. Электропроводимость такого тела практически отсутствует.

Кроме частиц — протона, нейтрона и электрона, о которых говорилось выше, в состав атома входят еще другие частицы. За счет превращений внутри ядра атом при определенных условиях выбрасывает частицу, имеющую положительный заряд. Масса этой частицы равна массе электрона, и называется эта частица позитроном (положительным электроном). Позитроны были впервые обнаружены в космических лучах.

Как нам уже известно, в состав ядра атома входят положительные частицы — протоны и нейтральные — нейтроны. Связь этих частиц в пределах ядра осуществляется не электрическими, а ядерными силами. Чтобы объяснить происхождение ядерных сил, предположили, что должны существовать частицы более тяжелые, чем электроны, но более легкие, чем протоны. Эти частицы были найдены в космических лучах и названы мезонами. Они могут иметь положительный и отрицательный заряды.

Во время распада радиоактивного вещества выбрасываются различные частицы, в частности альфа-частицы (положительно заряженные ядра атома гелия) и бета-частицы (отрицательные электроны). Было замечено, что при бета-распаде, кроме электронов, атом выбрасывает нейтральные частицы более легкие, чем нейтрон. Эти частицы получили название нейтрино. В октябре 1955 г. ученые, работающие над расщеплением атома, открыли новую элементарную частицу, которую назвали антипротоном, или отрицательным протоном.

Таким образом, мы имеем целый ряд элементарных частиц: протоны и нейтроны, положительные и отрицательные мезоны, электроны, позитроны, нейтрино и антипротоны.

Электрические явления были известны людям очень давно. Еще древние греки 2500 лет назад, натирая янтарь сукном, заметили, что янтарь после этого приобретает способность притягивать к себе легкие тела. Силу, проявляемую натертым янтарем, греки назвали электрической силой (по-гречески янтарь называется «электрон»).

Исследование электрических явлений в России было впервые начато отцом русской науки Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711—1765). Им была оборудована первая в России лаборатория по изучению электрических явлений. М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман производили исследования явлений атмосферного электричества при помощи «громовой машины» и «электрического указателя», изобретенных этими учеными. Ломоносовым был написан труд «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих», в котором ои установил тождество атмосферного электричества и электричества трения, Ломоносов рассматривал электричество как особую форму движения, а не как какую-то невесомую жидкость. Он гениально предсказал возможность передачи электрической энергии на большие расстояния!

При натирании стекла, смолы, эбонита, сургуча и других тел последние приобретают способность притягивать к себе легкие тела, или, иначе говоря, электризуются. Наэлектризованное тело может передать часть своего электрического заряда другому (не-наэлектризованному) телу, если их привести в соприкосновение или соединить металлической проволокой. Если же наэлектризованное тело соединить с ненаэлектризованным телом при помощи стеклянной, фарфоровой или эбонитовой палочки, то передачи части заряда от первого тела ко второму происходить не будет. Тела, способные хорошо проводить электрические заряды, называются электрическими проводниками. К ним относят все металлы, уголь, растворы солей, кислот и щелочей. Тела, очень плохо проводящие электричество, называются и непроводниками, изоляторами, или диэлектриками. К ним относятся все газообразные тела в обычном состоянии, многие жидкости и почти все твердые тела, за исключением металлов и угля. К изоляторам относятся эбонит, стекло, резина, слюда, шелк, парафин, мрамор, трансформаторное масло и др.

Было замечено, что наэлектризованные тела притягиваются одно к другому или отталкиваются одно от другого. Так, например, если два тела зарядить от стеклянной палочки, натертой о кожу, то тела будут отталкиваться. То же самое произойдет, если оба тела зарядить от эбонитовой палочки, натертой о сукно. Если же одно тело зарядить от стеклянной палочки, а другое тело от эбонитовой, то оба тела будут притягиваться одно к другому. Таким образом удалось установить, что в результате электризации различных тел получается два рода электричества. Условно один вид электричества назвали положительным, а другой— отрицательным. Следовательно, тела, заряженные одноименным электричеством, взаимно отталкиваются, заряженные разноименным электричеством,— притягиваются.

Подводя итог сказанному выше, дадим определение электричества. Электричеством называется свойство материи (особая форма движения материи), имеющее двойственную природу и выявляющееся в элементарных частицах вещества (положительное электричество — в протонах, позитронах или мезонах, отрицательное— в электронах, антипротонах или мезонах).

1 Апрель, 2009              14928              ]]>Печать]]>
0 / 0 ( Нет оценки )

Добавить комментарий

Ваше имя

Текст

Контрольный вопрос

Dвa pлюs тpi ? (цифрой)

Вверх страницы