Покоренная плазма

Однажды дочь пряла шерсть. В ее руке ловко кружилось веретено. Веретено было особенное. Оно было сделано не из дерева, а из особой ископаемой смолы светло-желтого цвета — янтаря.

Во время работы к веретену прилипло так много шерстинок, что девушка решила обтереть его шерстью. Но что за чудо? Чем больше терла она веретено, тем больше кусочков шерсти к нему прилипало. Некоторые наиболее легкие шерстинки даже подскакивали к веретену со стола.

О «чуде» дочь рассказала отцу. Тот проверил ее рассказ и приписал янтарю особые силы, способные притягивать шерсть. Эти силы он назвал янтарными. А так как янтарь по-гречески «электрон», то и непонятные тогда и таинственные силы стали называться электрическими.

Так, если верить легенде, было открыто электричество.

Как шло дальше познание природы электричества, известно уже любому восьмикласснику, поэтому я расскажу об этом коротко.

Об электричестве после Фалеса Милетского заговорили лишь в XVII веке, то есть более чем через два тысячелетия. Стали изучать непонятное явление и обнаружили, что такие же свойства, как у янтаря, есть и у других тел — сургуча, каучука, стекла.

Но сразу же «электрические» тела стали удивлять ученых. Пришлось разбить их на две группы, потому что одни тела вели себя как янтарь, а другие — как стекло. Значит, и электричество было двух сортов: «янтарное» и «стеклянное». Позднее заряды, возникающие у янтаря, стали называть отрицательными, а «стеклянные» — положительными.

Ничего не зная о природе электричества, ученые уверенно демонстрировали опыты, в которых наэлектризованные тела словно оживали. Янтарная и стеклянная палочки, подвешенные на нитях, притягивались друг к другу; если же рядом оказывались палочки, заряженные электричеством одного и того же «сорта», например две стеклянные, они взаимно отталкивались.

— Чудеса, — говорили зрители, наблюдавшие за опытами.

Ученые только пожимали плечами. Они знали так мало, что сами были не прочь назвать электричество чудом.

Но никакого чуда не было. Просто тогда наука только начинала выходить из пеленок и еще была не в состоянии объяснить вещи, которые сейчас понятны каждому школьнику.

Давайте ответим на такие два вопроса: как должен был Фалес Милетский объяснить дочери странное поведение янтарного веретена, знай он современную теорию строения вещества? И второй вопрос: что должны были в этом случае рассказывать ученые XVII века во время опытов с заряженными телами?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно заглянуть в глубь микромира, узнать, из чего состоят окружающие нас тела.

Уже в Древней Греции, правда после смерти Фалеса, ученые говорили, что материя, все тела состоят из атомов — мельчайших, абсолютно плотных, неизменяющихся частиц. Друг от друга атомы отличаются только формой. Они — неделимы. Об этой особенности атома говорит само название. Атом по-гречески значит «неделимый».

Сейчас от старых представлений об атоме осталось только название. Наука доказала, что атом — сложное физическое тело, он состоит из различных частиц, каждая из которых обладает своим «характером». В центре атома находится ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. Вокруг ядра вращаются электроны, которые образуют так называемую электронную оболочку атома.

Предположим, мы создали прибор, посмотрев в который, можно было бы увидеть атом вместе с ядром. Чтобы ядро стало видимым, заняв пространство, скажем, в одну десятую миллиметра, прибор наш должен увеличивать в добрый десяток миллиардов раз. Так малó ядро!

Где же в этом случае окажутся электроны? Они будут отстоять от этого увеличенного ядра метров на десять, не меньше. Так велик атом по сравнению с ядром!

Выходит, древние греки ошибались, утверждая, что атом состоит из абсолютно плотной, неделимой массы.

Почему же электроны не улетают, если они так «далеко» отстоят от центра?

Между ядром и электронами существуют силы притяжения. Ядро несет в себе положительный заряд, электроны — отрицательный, а, как известно, разноименные заряды притягиваются. Не «падают» электроны на ядро потому, что они вращаются вокруг ядра. Ведь и Земля не падает на Солнце, хотя испытывает колоссальное притяжение.

Атомы различных элементов не похожи друг на друга. И ядра у них имеют разный заряд и вес, и число электронов у них неодинаково.

Разобраться в этом вопросе будет легко, если посмотреть на Периодическую систему элементов Менделеева. Великий русский ученый составил ее в 1869 году. Все известные тогда элементы он расположил по строгому, научно обоснованному порядку.

На первом месте в этой таблице стоит водород. У него самый легкий атом. Затем идут гелий, литий и другие элементы по мере возрастания их атомных весов.

Современная наука считает: каков порядковый номер того или иного элемента в системе Менделеева, столько и электронов «кружится» вокруг ядра. Значит, у водорода есть всего один электрон, у гелия — два, у лития — три, у неона — десять. Соответственно этому число положительных зарядов ядра неодинаково. Оно точно равно числу электронов.

У электронов, которые непрерывно совершают свой бег вокруг ядер, тоже существует строгий порядок. Как планеты солнечной системы имеют каждая свою орбиту, так и электроны распределены по своим орбитам вращения. Ученые установили, что на ближайшей к ядру орбите может быть не более двух электронов. Остальные, если они есть у атома, располагаются на других орбитах, более удаленных от ядра. На этих орбитах тоже может быть вполне определенное число электронов на каждой.

Я подробно рассказываю о сложном «атомном хозяйстве» потому, что без этого трудно понять, как возникает плазма и почему она (и не только она) излучает свет.

Пожалуй, теперь вы сами можете разгадать тайну электризации янтарного веретена, натертого шерстью.

В самом деле, почему янтарное веретено оказалось заряженным отрицательным электричеством? Очевидно, потому, что у него оказался избыток электронов.

Натирая шерстью янтарь, мы «отбираем» электроны у атомов шерсти и переносим их на поверхность янтаря.

Со стеклом получается иное: натирая его кожей, мы «сдираем» с поверхности стекла электроны. Недостаток электронов в стеклянной палочке тоже сказывается: в ней остается больше положительно заряженных ядер атомов и ведет себя палочка тоже как заряженное тело, но заряженное другим «сортом» электричества.

Из этого разговора можно сделать два важных вывода, которые нам пригодятся, когда мы заглянем внутрь плазмы.

Во-первых, электроны не так уж «навечно» привязаны к своим атомам. При известных условиях их можно отделить.

Во-вторых, если мы у тела или отдельного атома отнимем один или несколько электронов, то «остаток» оказывается заряженным положительно; добавка же электронов сверх положенного делает тело заряженным отрицательно.

Итак, секрет электризации тел нами раскрыт, механизм появления зарядов ясен.

Теперь нужно объяснить, почему заряженные тела влияют друг на друга, почему они взаимодействуют. Какие нити связывают ядро и электроны атома или янтарное веретено и кусочки шерсти, лежащие на столе? Почему наэлектризованные стеклянная и янтарная палочки, оказавшись по соседству, стремятся друг к другу, а две стеклянные палочки стараются разойтись, оттолкнуться?

Ответить на эти вопросы можно только тогда, когда уяснишь себе, что такое электрическое поле.

В школе на уроке физики вам, наверное, демонстрировали такой опыт: брали обыкновенный магнит, клали на него лист плотной бумаги или картона и посыпали его железными опилками. Потом, когда встряхивали лист, опилки, как по волшебству, образовывали красивый узор.