Страница 3 из 15
Вывод: древние греки считали атомы неделимыми мельчайшими единицами вещества и были правы – действительно химическое вещество далее неделимо в том смысле, что при разрушении атома исчезает химический элемент. Но ведь в принципе-то атом есть составная структура, как мы знаем. Давайте его разберем!
Как устроен атом и вообще весь мир
Итак, атомы химических элементов – это детали мирового конструктора. Но эти детали, в свою очередь, устроены из более мелких деталек. И этих деталек всего три.
Гуманитариям, напрочь забывшим школьный курс, трудно в это поверить, но все многообразие окружающей нас природы, все, что мы видим вокруг, – это лишь разные наборы всего трех элементарных частичек.
Вы, наверное, вспомните, как они называются. Не можете не вспомнить! Вот она, наша святая троица – протон, нейтрон и электрон. Познакомимся же с ними поближе. И начнем с электрона, его физики открыли самым первым.
Что мы можем о нем сказать? Какого он цвета? Он шершавый? Он влажный, твердый, газообразный? Он теплоемкий?
Нет! Все те свойства, к которым мы привыкли в нашем макромире, не имеют никакого отношения к миру элементарных частиц (микромиру). Нет в микромире ни цвета, ни запаха, ни шершавости, ни твердости, ни теплоемкости. Это все свойства макромира. Все эти свойства складываются из множества частиц, это макросвойства. А по отдельности частицы этих свойств не имеют.
А что же они имеют? Ну, должны же быть у электрона какие-то свойства, иначе бы его не существовало! Ведь существовать – это значит проявлять себя как-то, то есть иметь свойства!
Да, некоторые свойства у электрона есть. У него, например, есть размер. Радиус электрончика равен 2,81794×10–13 см.
У него есть масса. Электрон имеет массу 9,10938291×10–13 кг. Электрон в 1820 раз легче протона. Для сравнения: если протон – это танк, то электрон – это одна канистра с топливом. Если протон – человек, то электрон – это авторучка в его кармане. Вот такая разница в массе.
Кстати, а что такое масса? Масса – это просто количество вещества. Массу не нужно путать с весом, это совершенно разные вещи. Вес – это сила, с которой Земля притягивает массу. Сила, с которой массивное тело давит на опору, на которой лежит, или растягивает подвес, на котором висит. В космосе, в невесомости никакого веса нет, потому невесомость так и называется. Но все равно даже в невесомости толстый космонавт гораздо массивнее щуплого. И если они оттолкнутся друг от друга, то полетят в разные стороны с разными скоростями – толстый медленно, а щуплый быстро! Потому что количество вещества в их телах разное, в толстом вещества много, а в худом – кот наплакал. Масса измеряется в килограммах, а сила в ньютонах. Массу определяют с помощью весов, а силу с помощью специальных приборов – ньютонометров.
Электрон можно представить себе как маленький шарик, который вращается вокруг своей оси. Причем, как вы понимаете, летящий электрончик может вращаться или в одну сторону по отношению к направлению своего полета, или в другую, как это показано на рисунках ниже. И это тоже одно из свойств электрона – левое вращение или правое. По-научному вращение электрона называют спином. Спин – это собственное вращение электрона, от английского слова «spin» (вращение).
Вращение летящего в направлении стрелки электрона может быть правым или левым
Если в винтовочном стволе правая нарезка, то вылетевшая из ствола пуля будет иметь вращение вправо. А если левая – влево. Теперь представьте, что мы стреляем в мишень, свободно закрепленную в центре и могущую вращаться. В этом случае пули с правым вращением, впиваясь в мишень, будут передавать ей свое вращение, постепенно раскручивая в ту же сторону – примерно как отвертка крутит винт. Если мы не знаем, в какую сторону крутятся вылетающие из ствола пули, можно поставить опыт, стреляя по крутящейся мишени. В какую сторону она завертится, в такую и пули крутятся. Это и есть спин
А теперь признаемся честно: приведенные выше картины – чистая условность, с помощью которой физики, школьные учителя и авторы популярных книжек объясняют людям, что такое спин. На самом деле спин совершенно неправильно представлять себе как собственное вращение электрона! Хотя бы потому, что если шарик электрона мы представим вращающимся вокруг своей оси, то его экваториальные области будут двигаться быстрее скорости света, что невозможно. Да и шариком электрон можно назвать лишь очень-очень приблизительно, о чем мы еще поговорим далее. В общем, спин – это малопонятная и непредставимая квантовая характеристика электрона. Которую можно лишь отдаленно уподобить вращению.
Но спин – это сущая ерунда по сравнению с последним и самым загадочным свойством электрона. Свойство это называется зарядом. Но заряд не в том смысле, что электрон чем-то заряжен, как винтовка патроном, потому что патрон из винтовки можно вынуть. А этот загадочный заряд из электрона вынуть нельзя. Он ему присущ, он его часть. Он – главное его свойство. Электрон, собственно говоря, и есть элементарный заряд!
Что же такое заряд по сути своей?
Этого никто не знает. Но зато мы знаем, как загадочный заряд проявляет себя.
Давным-давно люди заметили, что если кусочек янтаря натереть шерстяной тканью, он начнет притягивать маленькие кусочки бумажки и легкие предметы. На указанное явление впервые обратили внимание те же древние греки. По-гречески янтарь – «электрон». И вы, наверное, уже догадались, что за притягивание бумажек отвечают электроны, раз эти частички физиками были названы в честь янтаря.
Действительно, в этом простом эксперименте человечество впервые столкнулось с действием электрических сил, которые обусловлены электрическим зарядом.
Теперь-то мы к электричеству привыкли. Теперь мы без него жить не можем. Теперь у нас кругом розетки. Теперь нас просто окружает электричество, без коего и шагу не ступить – все работает на электричестве. А линии электропередачи исправно доставляют потребителям электрический ток, который вырабатывается электростанциями.
А что такое электрический ток?
Нет ничего проще! Поток электронов – вот что такое электроток. Как река – это течение триллионов и биллионов молекул воды по руслу, так и электрический ток – это течение миллиардов электронов по металлическому проводу. Греки добывали чуть-чуть электричества, натирая шерстью янтарь. У нас же теперь – целые электростанции, которые занимаются производством электроэнергии в промышленных масштабах, и никто там не сидит и шерстью ничего не натирает – турбины работают!
Короче говоря, заряд электрона – это некое свойство, которое проявляет себя тем, что один заряд притягивается к другому заряду. Или отталкивается. Существуют два вида зарядов – положительный и отрицательный. Ничего положительного и отрицательного в бытовом смысле в них нет, они не хорошие и не плохие, просто их так назвали когда-то, да и все.
Электрон является носителем отрицательного заряда, а протон – положительного. Разноименные заряды притягиваются друг к другу, одноименные отталкиваются. Это прекрасно видно на рисунке.
Вот так мы и к протону незаметно перешли. Посмотрим-ка на него внимательно.
Если электрон маленький, легонький и электроотрицательный (минус), то протон большой, тяжелый и электроположительный (плюс). Полная противоположность! При этом протон и электрон притягиваются друг к другу.
А почему, собственно говоря, разноименные заряды притягиваются? И почему одноименные отталкиваются?
Этого никто не знает, потому что никто не знает, что такое заряд. Понять, почему так происходит, на современном этапе развития науки нельзя, к этому можно только привыкнуть. Привычка вполне заменят понимание. Можно сказать, что привычка и есть понимание.