Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества

Строение вещества. Наукой установлено, что все тела состоят из отдельных очень малых частиц — атомов и молекул. В природе имеется свыше 100 видов атомов, которые различаются массой и химическими свойствами. Каждый химический элемент — водо­род, гелий, кислород, углерод, железо, медь, алюминий, золото, радий, уран и пр.— состоит из атомов определенного вида. Моле­кулы образованы из нескольких атомов одного или различных химических элементов. Например, молекулы воды содержат атомы водорода и атомы кислорода, молекулы поваренной соли — атомы хлора и атомы натрия и т. д.

Строение атома весьма сложно. Упрощенно атом можно пред­ставить в виде ядра, окруженного оболочкой. Оболочка образо­вана из постоянно движущихся с чрезвычайно большой скоростью мельчайших частиц — электронов, ядро — из протонов и нейт­ронов. Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть даже в самый сильный микроскоп. В атомах разных химических элементов содержится различное количество протонов, нейтронов и электро­нов.

Электроны располагаются вокруг ядра Я (рис. 1) несколькими слоями (оболочками) на очень большом по сравнению со своими размерами расстоянии. Оболочки обозначаются латинскими бук­вами К, ^, М, /V, О, Р и <5 (в порядке удаления их от ядра). Самым простым атомом является атом водорода: он имеет только один электрон, расположенный на оболочке К. Атом гелия (рис. 2, а) имеет два электрона, расположенных на оболочке К; атом кисло­рода (рис. 2, б) — восемь электронов, расположенных на оболоч­ках К и [. В атоме алюминия (см. рис. 1, а) электроны распо­лагаются на трех электронных оболочках, в атоме меди (см. рис. 1,6) —на четырех оболочках. В наиболее сложных атомах радия и урана электроны располагаются на всех семи возможных оболочках. В пределах каждой оболочки электроны могут дви­гаться вокруг ядра только по строго определенным или, как их принято называть, разрешенным орбитам (см. рис. 2).

Согласно современным представлениям каждый из имеющихся в атоме электронов стремится занять одну из ближайших к ядру разрешенных орбит, остальные возможные орбиты пустуют. Элек­трон, вращающийся на самой близкой к ядру орбите, обладает минимальным количеством энергии, а вращающийся на самой уда- 6

 

ленной — максимальной энер­гией (точно так же, как ма­ховик малого диаметра мо­жет запасти значительно меньше энергии, чем махо­вик большого диаметра). Пе­реход электрона с одной орбиты на другую связан с изменением его энергети­ческого уровня.

Электроны, расположен- Рис. 1. Схематическое изображение атомов ные на внешней, самой уда- алюминия (о) и меди (б) ленной от ядра оболочке,

называются валентными. Ими определяется способность атомов данного элемента вступать в химические связи друг с другом и с атомами других элементов, а также электропроводность различ­ных материалов.

Ядро и электроны обладают электрическими зарядами. Про­тоны имеют положительный заряд, электроны — отрицательный. Заряды протона и электрона равны. Нейтроны не имеют электри­ческого заряда, т. е. являются нейтральными частицами. Между отрицательно заряженными электронами и положительно заря­женным ядром возникают электрические силы, которые удержи­вают электроны в атоме и заставляют их двигаться вокруг ядра. Эти электрические силы определяют и размеры атомов. При очень тесном сближении двух атомов возникают огромные силы отталки­вания между их электронами. Они препятствуют дальнейшему сближению и определяют объем, занимаемый атомом; внутрь этого объема не может проникнуть другой атом.

Ядра атомов являются значительно более устойчивыми систе­мами, чем их электронные оболочки. Объясняется это тем, что между протонами и нейтронами действуют огромные силы взаим­ного притяжения, называемые ядерными силами. Эти силы значи­тельно больше сил взаимного отталкивания между одноименными электрическими зарядами протонов, поэтому ядра атомов боль­шинства химических элементов разделить на части очень трудно. Существуют, однако, и такие вещества (радий, уран, плутоний и др.), ядра атомов которых постепенно и самопроизвольно рас­падаются с выделением энергии. Эта энергия уносится в простран­ство в виде излучений. Такие вещества называются радиоактив­ными. Энергию, выделяющуюся при самопроизвольных, а также вызванных искусственным путем превращениях ядер атомов, назы­вают атомной, или ядерной, энергией.

Несмотря на то, что все атомы состоят из электрически заря­женных частиц, мы не наблюдаем электрических сил притяжения и отталкивания между окружающими нас телами. Это происходит потому, что общий отрицательный заряд всех электронов в атоме равен положительному заряду ядра, а атом в целом.электрически нейтрален. Поэтому и тело, состоящее из атомов, не обладает электрическим зарядом и не проявляет электрических свойств.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга не только числом электронов, но и строением ядер. Чем больше электро­нов в оболочке атома, тем больше должно быть протонов в его ядре. Заряд ядра зависит от числа положительных частиц — про­тонов. Масса ядра атома зависит от числа протонов и нейтронов.

В природе существует несколько видов атомов, имеющих оди­наковый заряд ядра, но разную массу. Это означает, что атомы таких элементов содержат одинаковое число протонов, но различ­ное число нейтронов. Такие атомы получили название изотопов. Радиоактивные изотопы, которые нашли сейчас широкое примене­ние в науке и технике, можно получать искусственным путем в так называемых реакторах.

Физическая природа электричества. Многие электрические яв­ления и электрические свойства тел можно весьма просто и на­глядно объяснить на основе электронной теории. Согласно этой теории атомы при определенных условиях могут терять электроны или приобретать их от соседних атомов. В этом случае они пере­стают быть нейтральными, так как равновесие их электрических зарядов нарушается. Атомы, потерявшие часть своих электронов, становятся положительно заряженными и называются положи­тельными ионами. Атомы, получившие избыточные электроны, становятся отрицательно заряженными и называются отрица­тельными ионами.

Процесс превращения нейтральных атомов в электрически за­ряженные частицы — ионы — называют ионизацией. Ионизация может возникнуть только при сообщении атому определенного количества энергии: в виде тепла, путем бомбардировки его какими-либо частицами, при воздействии внешнего электрического поля и т. д. Наибольшая энергия требуется для освобождения валентных электронов. При сообщении атому сравнительно небольшой энер­гии валентные электроны кратковременно переходят на более уда­ленную орбиту, а затем перескакивают на прежнюю, более близкую к ядру. Однако при достаточно большой энергии (энергии ионизации) эти электроны могут совершенно оторваться от ядра и стать свободными.

Если в каком-либо теле накопятся электроны или ионы, то гово­рят, что в теле накопилось электричество. Такое тело становится электрически заряженным и приобретает электрические свойства. Эти свойства есть по сути дела проявление электрических сил, действующих между электронами и ядрами атомов. Тело, приобре­тая электроны, тем самым получает отрицательный заряд. При потере электронов тело приобретает положительный заряд.

Электрические заряды. Количество электричества, содержа­щееся в заряженном теле, называется электрическим зарядом. Заряды бывают двух знаков: положительные (обозначаются зна­ком «+») и отрицательные (обозначаются знаком «—»).

Единицей электрического заряда в физике принято считать заряд электрона. В этих единицах измеряют количество электри­чества, запасенное в атомах разных веществ. Однако заряд элек­трона очень мал, поэтому им практически неудобно измерять коли­чество электричества, проходящее по проводам или поступающее в различные электрические устройства. В практической электро--технике для измерения электрических и магнитных величин при­нята Международная система единиц (СИ — система интерна­циональная). В этой системе электрические заряды, т. е. коли­чество электричества, измеряют в кулонах (Кл); 1 Кл больше заряда электрона в 6,29- Ю¹⁸ раз. Если по проводу прошло 6,29-10¹⁸ электронов, то говорят, что по проводу прошло количество электри­чества, равное 1 Кл.

При взаимодействии электрических зарядов (электрически заряженных тел) между ними возникают электрические силы при­тяжения или отталкивания. Одноименные заряды создают силы отталкивания, разноименные — силы притяжения (рис. 3.).