Страница 15 из 33
• Масса электрона гораздо меньше общей массы атома, что показывает, что в атоме содержатся другие, более тяжелые частицы. Дальнейшие опыты покажут, что протон в тысячи раз тяжелее электрона.
• Только электроны можно легко отделить от атома, протоны выглядят незыблемыми. В начале ХХ в. Эрнест Резерфорд предположил, что электроны движутся по орбите вокруг ядра гораздо меньшей величины, в котором сконцентрированы протоны и которое очень трудно разрушить. Он проводит аналогию с Солнечной системой, подавляющая часть массы которой содержится в Солнце, вокруг которого вращаются планеты. Опыт подтвердит наличие протонов и их скопление в крошечном ядре.
Дальнейшие рассуждения показали, что подобная модель атома несовершенна, и квантовая физика позволила лучше понять суть вещей. Но мы пока что удовольствуемся «планетарной» моделью атома: протоны действительно сгруппированы в ядре, размер которого в сотни тысяч раз меньше атома, остальное пространство занято электронами.
И только в 1932 г. после опытов с ядерными реакциями открыто существование еще одной частицы, содержащейся в ядре, – речь идет о нейтроне, тяжелом, но лишенном заряда.
Мы слегка коснулись элементарных частиц материи (более подробно мы остановимся на этом в главе о ядерной физике). Масса протона почти равна массе нейтрона, заряд протона противоположен заряду электрона: его называют «элементарный заряд».
Атом водорода содержит один протон и один электрон: это самый легкий из атомов. Атом урана содержит 92 протона, 92 электрона и 146 нейтронов – это самый тяжелый из атомов, существующих в естественном состоянии. Можно создать более тяжелые атомы, но они будут неустойчивы.
Мимоходом заметим, что определение атома, данное греками, устарело, потому что атомы уже не являются неделимыми частицами.
Таким образом, материя, которая в нашем масштабе представляется нейтральной, окажется глубоко заряженной, когда мы погрузимся внутрь атома, то есть в пространство в десятки миллионов раз меньше миллиметра.
СОСТАВ АТОМА: ОБОБЩЕНИЕ
Резюмируем факты о составных частях атома, которые мы упоминали:
Любопытная разница в массе протона и электрона обнаруживается при их распределении в атоме: электроны занимают гораздо больший объем, чем ядро. Чтобы представить это наглядно, можно взять простой пример: если бы ядро было шариком с радиусом 10 см, размер атома составлял бы 10 км. В главе 24 мы увидим, что эта разница между объемами электронов и ядра в точности связана с разницей масс между двумя частицами.
Несмотря на кажущееся сходство, мы увидим, что электрон и протон две очень разные частицы, принадлежащие к двум совершенно различным категориям. Почему же заряд электрона точно противоположен заряду протона? Этого мы не знаем. Можно лишь констатировать, что, если бы это было не так, атом имел бы заряд, а тогда формирование звезд и планет было бы невозможно.
В связи с этим некоторые физики выдвигают на первый план так называемый «антропный принцип» (связанный с человеком). Согласно этому принципу, вселенные стремятся к формированию, но во вселенной, где электронам не противопоставлены протоны, не может возникнуть жизнь: этот процесс некому наблюдать, и все происходит так, словно их не существует.
НАЭЛЕКТРИЗОВАННЫЕ ОБЪЕКТЫ
В итоге мы можем вернуться к нашему первоначальному опыту: почему линейка, которую потерли о шерстяной свитер, обретает заряд?
Когда вы трете один предмет о другой, это отрывает электроны первого предмета, которые скапливаются на втором предмете. Первый предмет становится положительно заряженным (из-за недостатка электронов), а второй отрицательно заряженным (из-за их избытка): это так называемый «трибоэлектрический эффект».
Способность терять и приобретать электроны при трении сильно зависит от рода вещества: со многими из них при трении ничего не происходит. В этом случае, если вы будете продолжать трение, попросту отделите целые атомы, что не изменит заряд предмета, но может его испортить.
И все же остается один вопрос: почему наэлектризованная линейка притягивает кусочки бумаги, если они не заряжены?
Отрицательный заряд линейки притягивает положительные заряды бумаги и отталкивает отрицательные заряды бумаги (см. схему ниже). Таким образом, если бумага в целом не имеет заряда (нейтральна), она содержит положительные заряды, которые гораздо ближе к линейке, чем отрицательные заряды. Электростатическая сила уменьшается с увеличением расстояния, и притяжение между «минусами» линейки и «плюсами» бумаги преобладает над отталкиванием «минусов» линейки и «минусов» бумаги: бумага прилипает к линейке.
Если мы сравним силу гравитации, действующую на два протона, и электростатическую силу, действующую на те же протоны, мы увидим, что она в миллиарды, миллиарды, миллиарды и миллиарды раз слабее! Нет смысла уточнять, что на микроскопическом уровне электростатическая сила преобладает над всеми явлениями.
В конечном итоге если сила притяжения выглядит преобладающей в мире больших величин, то это потому, что отрицательной массы не существует. По мере того как мы соединяем атомы друг с другом, масса только увеличивается, пока на уровне планеты не достигнет огромных размеров. В то время как протоны (со знаком +) притягивают к себе электроны (со знаком –), это делает общую систему нейтральной на уровне атома. В конечном итоге, притягивая противоположные заряды одни за другими, электростатическая сила гасит сама себя.
К счастью, это не мешает ей в нашем масштабе иметь колоссальное влияние на нашу повседневную жизнь. Если вы не проваливаетесь сквозь землю, это происходит именно потому, что электроны внутри атомов электростатически отталкивают электроны атомов ваших подошв. Если бы сила гравитации была мощнее, вы провалились бы под Землю до самого центра, но, к счастью, как мы можем убедиться, этого не происходит.
Таким образом, всякие силы, возникающие «при контакте», являются в широком масштабе проявлением электростатической силы на атомном уровне: когда вы идете, когда открываете дверь, когда едете на велосипеде против ветра, когда тормозите… Каждый раз, когда существует «контакт», это значит, что электроны, присутствующие в атомах двух тел, сблизились настолько, чтобы взаимодействовать друг с другом и отталкиваться электростатической силой. Конечно, электростатическая сила – сила, действующая на расстоянии, но расстояние в данном случае атомного уровня, то есть микроскопическое, а значит, действует как при полноценном контакте.
ПРИНЦИП ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
В случае с гравитацией и электростатикой силы двух тел, воздействующих друг на друга, равны. Поскольку это две основополагающие силы, управляющие нашей жизнью, это значит, что это справедливо также для «контактных» сил нашего масштаба.
Этот закон, просто выведенный из выражения двух фундаментальных сил, был сформулирован Ньютоном: он состоит из «закона действия и противодействия», называемого также «законом взаимодействия». Если вы действуете на предмет с определенной силой, он действует с той же силой на вас. Например, если вы бросаете мяч вперед в бассейн, ваше тело слегка отклонится назад.
На этом принципе строится функционирование ракеты: газы, сгорающие в сопле, выбрасываются вниз, в свою очередь толкая ракету вверх, что позволяет ей взлететь!
Необходимо усвоить, что этот закон можно рассматривать как простое следствие проявления двух фундаментальных сил.