Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина

Рис. 3. Каждый, кто стремится проникнуть в тайны природы, кто хочет освоить замечательные достижения современной физики…

Рис. 4. … должен прежде всего приучить себя к мысли о том, что мир намного сложнее, чем это кажется с первого взгляда.

Слово «атом» означает «неделимый». Это название утвердилось тогда, когда считали, что атом уже невозможно разделить на составные части. Но жизнь, как всегда, внесла свои поправки.

В начале этого столетия было установлено, что сам «неделимый» атом также является сложной системой: в центре его находится так называемое ядро, которое, в свою очередь, состоит из множества различных частиц. Вокруг атомного ядра с огромными скоростями вращаются мельчайшие частицы — электроны.

Количество электронов в атоме может быть различным: в самом простом атоме — атоме водорода — вокруг ядра вращается один электрон, в атоме алюминия их уже 13, а в атоме элемента менделеевий, в одном из самых сложных атомов — 101 электрон (лист 3).

Можно самому построить очень упрощенную «действующую» модель атома водорода. Для этого достаточно взять какой-либо легкий предмет, например пустую коробку из-под спичек, и, привязав ее на короткую бечевку, раскрутить вокруг руки. Рука будет играть роль атомного ядра, а роль вращающегося вокруг ядра электрона будет играть спичечная коробка (рис. 5).

Рис. 5. Можно построить весьма упрощенную модель атома, где в центре находится ядро, обладающее положительным электрическим зарядом, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

И вот здесь-то и возникает вопрос: а что же в настоящем атоме выполняет роль бечевки? Ведь если в нашем опыте бечевка оборвется, то «электрон» — спичечная коробка — под действием центробежной силы улетит в сторону! Почему же вращающийся с огромной скоростью электрон не отходит от ядра?

Роль бечевки в настоящем атоме выполняют электрические силы, силы взаимодействия электрических зарядов. Но, прежде чем говорить об этом, следует отметить, что в природе существует два вида электрических зарядов: один из них назван положительным и отмечается на рисунках знаком «плюс»; другой вид зарядов называют отрицательным и обозначают знаком «минус». Применение этих слов и знаков в данном случае совершенно условно: с таким же успехом можно было бы называть заряды красными и синими или зарядами группы а и группы б , а на рисунках обозначать их любыми условными знаками. Положительный заряд появляется на стеклянной палочке, натертой кожей, отрицательный — на каучуковой или пластмассовой палочке, натертой шерстью (лист 1).

Электрические заряды взаимодействуют между собой — одноименные заряды, то есть заряды одного и того же знака, взаимно отталкиваются, разноименные электрические заряды взаимно притягиваются (лист 2). За счет электрических сил взаимного притяжения атомное ядро, обладающее положительным зарядом, как бы на бечевке удерживает вращающийся электрон, обладающий отрицательным зарядом.

В своем нормальном состоянии ядро обладает таким же (по силе) зарядом, как и общий заряд всех электронов. Поэтому положительный заряд ядра и отрицательный заряд электронов как бы компенсируют друг друга, и атом в целом, а значит, и вещество, состоящее из таких атомов, не обнаруживает своих электрических свойств. Но стоит только каким-нибудь способом убрать из атома один, а тем более несколько электронов, как начнут проявляться электрические свойства ядра, и атом будет вести себя как частица с положительным зарядом. Такой, атом получил название «положительный ион». Если же, наоборот, добавить в атом «лишние» электроны, то он будет обладать избыточным отрицательным зарядом, будет представлять собой «отрицательный ион» (лист 4).

Натирая шерстью стеклянную палочку, мы как бы вырвали из ее атомов электроны. В результате этого сама палочка приобрела положительный заряд, а кусок шерсти, куда перешли электроны со стекла, оказался заряженным отрицательным электричеством. В опыте с пластмассовой палочкой наоборот: на шерсти появляются положительные ионы, а на самой палочке — отрицательные (лист 5).

Давайте проделаем такой опыт: соединим наэлектризованные предметы — пластмассовую (—) и стеклянную (4) палочки каким-нибудь проводом или металлическим предметом. При этом электрические заряды сразу же исчезнут с наэлектризованных предметов и они уже не будут притягивать легкие кусочки шелка или бумаги. Произойдет это из-за того, что лишние электроны по проволоке перейдут с пластмассовой палочки на стеклянную и займут там свободные места в атомах, у которых не хватает электронов (лист 6).

Но почему же такой переход зарядов не мог произойти без соединительного провода непосредственно по воздуху? Благодаря каким свойствам металлических предметов по ним свободно двигаются заряды?

По своей способности проводить электрические заряды все вещества делятся на две основные группы — изоляторы и проводники. Проводники — это прежде всего все металлы [2] К числу проводников относятся также растворы многих солей и кислот, а также газы, находящиеся в определенном состоянии, например светящиеся газы в лампах дневного света или трубках световых реклам. . Некоторые электроны в проводниках, покинув свои атомы, беспорядочно двигаются в пространстве между неподвижными атомами, многие из которых уже стали положительными ионами. В нашем опыте эти свободные электроны с одного конца проводника будут сразу же «перетянуты» в положительные атомы стеклянной палочки. На место ушедших придут свободные электроны из соседних участков проводника, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока на стеклянную палочку проводника не перейдут все лишние электроны с пластмассовой палочки.

Свободные электроны начинают двигаться практически одновременно во всех участках проводника, подобно тому как вода начинает одновременно двигаться во всех участках водопроводной трубы, когда мы открываем кран. Такое упорядоченное, дружное движение свободных зарядов (в частности, электронов) в проводнике под действием электрических сил называется электрическим током (лист 7).