Физика для "чайников"

Немного ушли от темы, но в целом по школьной части в общих чертах почти всё. Дальше товарищи стали чесать репы ещё и ещё и пришли к выводу, что классическая механика для описания строения атома никак не подходит. СТО тогда ещё только разрабатывалась, но и она тоже тут не в кассу. Итог - появилась квантовая механика, которая очень скрупулезно описывает мелкие частички типа тех же электрончиков. Тут понеслось по полной программе: не то, что для школы - для технического вуза математика с физикой пошли такие, что действительно без пол-литра или очень хорошего преподавателя (или и то, и другое вместе) не разберёшь. К атомной физике это прикоснулось таким образом: электрон - это теперь больше не шарик, крутящийся по орбите. Это тоже и частица, и волна одновременно, он размазан по пространству всего атома, болтаясь тудыть-сюдыть со скоростью порядка 10^5 м/с, но те места, в которых его нахождение наиболее вероятно, образуют "орбиталь" - это то, что обозначается в таблице Менделеева непонятными маленькими буквами s, p, d и f. То бишь таких видов орбиталей всего четыре.

А ещё у электрончика есть непонятный параметр под названием "спин". Когда электрон представляли ещё как шарик, то предполагали, что спин означает то, что электрон крутится не только вокруг ядра атома, но и вокруг своей оси (точно так же, как и наша Земля - не только вокруг Солнца, но и вокруг себя). Потом, правда, фантазия сама себе сломала голову представлять - и частица, и волна одновременно, и размеров почти не имеет, да ещё и что-то там крутится вокруг себя, когда крутится нечему! Во накрутили (каламбурчик). Но именно спин отвечает за то, что атом умеет "чувствовать" магнитное поле. Грубо говоря, когда спины всех электрончиков атома поворачиваются в одну сторону, вещество из этих атомов становится намагниченным. Когда спины повёрнуты так, что половина направлена в одну сторону, половина - в другую (как это бывает обычно), вещество не реагирует на магнитное поле. Спин - это безразмерное число, и для электрона он может быть равным только +1/2 или -1/2 (смотрит "вверх" или "вниз" соответственно, или крутится "по часовой стрелке" либо "против часовой стрелки", если представлять как шарик. Кавычки ставлю специально, потому что где в атоме верх, а где низ - чёрт-те его знает.)

И наконец... Наконец, чтобы окончательно "убить" атомную физику, придётся смириться с тем, что она смыкается с химией. А именно - всё с той же таблицей Менделеева. Конкретнее: в ней представлено большинство возможных атомов, какие только могут быть. Если совсем строго - далеко не все, но все основные и более-менее стабильные точно. "Стабильные" значит то, что атом так и будет оставаться ядром с электрончиками достаточно долгое время. "Нестабильный" значит, что атом по какой-то причине не может удержать в охапке все свои внутренности и через какое-то время либо развалится на два других, более лёгких, атома, либо от него "отколется" небольшой кусочек в виде одной-двух частичек. И то, и другое называется радиоактивным распадом. Но об этом уже лучше в ядерной физике.

Что ещё из атомной физики подсказывает таблица Менделеева. Это: число энергетических уровней ("орбит"), которые имеет атом - это строка (период), в котором стоит тот или иной химический элемент. Число электрончиков, находящихся на самой верхней "орбите" (именно они активнее всего участвуют во всяких взаимодействиях, как то: их легче всего отщепить от атома, заставив переносить электрический ток или прилепиться к другому атому, у которых не хватает электрончиков для того, чтобы полностью заполнить внешний уровень - то бишь верхнюю "орбиту") - это номер столбца (группы), в которой находится химический элемент. Номер каждого химического элемента тоже подобран не случайно: это число электронов во всём атоме вообще, оно же положительный заряд ядра, оно же число протонов. (О протонах и нейтронах тоже расскажу в ядерной физике, это следующий и последний абзац.) Масса атома - это число протонов и нейтронов, вместе взятых (масса электрона считается очень маленькой по сравнению с массами протонов и нейтронов - разница почти в 2000 раз, поэтому их не считают). Мерится в специальных единицах - атомные единицы массы (а.е.м.). 1 а.е.м. = 1.66*10^-24 г или 1/12 от массы атома углерода. Да, и тут снова углерод. По всей видимости, это один из самых стабильных и распространённых атомов, которые есть - именно поэтому и моли, и а.е.м. считают от него. Моли тут тоже привязаны: если масса элемента равна 1 а.е.м, то 1 моль такого элемента будет весить 1 г. Для того же углерода получается, что 1 моль его будет весить 12 г (так как масса 12 а.е.м.) У железа, например, масса одного моля - 56 г. Короче, та же молярная масса, что и была в термодинамике. Ну и последнее, что в таблице Менделеева уже не указывается, но что для каждого атома своё - это его радиус. Чётких границ он не имеет, поэтому его считают просто как расстояние между ядрами соседних атомов, которые связаны друг с другом. Естественно, чем больше в атоме внутренностей - чем больше напихано всякой хрени в ядре и чем больше электронов болтается вокруг, тем он ширше. Но в среднем размер атома колеблется где-то от десятков до сотен пикометров ("пико" - это 10^-12, одна тысячная нанометра... то есть где-то одна триллионная доля метра). То есть, если проводить сравнение с тем же яблоком, разница в порядках примерно такая же, атом настолько же меньше яблока, насколько ядро атома меньше его самого: если яблоко - это один атом, то Земля - это одно большое яблоко, в состав которого входит наш "атом".

И самое последнее. Несмотря на то, что атом вот так бессовестно распотрошили на мелкие частички, он не становится совсем не нужным физике. Очень многие физические процессы рассматривают, именно представляя вещество как большую кучу атомов, а некоторые и об атомах забывают и смотрят ещё "выше" - на молекулы: так, молекулярная физика об атомах почти забывает, вспоминая о них только как о составных частях молекул; большое количество прикладных наук, в том числе инженерных, смотрят на атом как на неделимый шарик, из которого могут разве что выплёвываться электрончики с энергетическими переходами (которые дают кванты электромагнитных волн), и только ядерная физика реально разрезает атом на части, забывает о нём и погружается ещё глубже, к самому "фундаменту".

Вкратце и поумнее: существовало несколько моделей атома. Модель Томсона - "пудинг с изюмом": атом - это положительно заряженная частица, в котором содержатся электроны. Модель Резерфорда это предположение опровергла: опыт по рассеиванию альфа-частиц на золотой фольге показал, что атом состоит из положительно заряженного "ядра", вокруг которого, по предположению, вращаются электроны. Недостаток теории Резерфорда в том, что электрон должен терять энергию, так как движется с отрицательным центростремительным ускорением, и притягиваться атомом - но этого не происходит. Бор выдвинул два постулата, объясняющих это: 1) атом может находиться в нескольких стационарных состояниях, при котором электрон может двигаться вокруг ядра, не теряя энергии, при этом энергия атома постоянна; 2) при переходе из одного стационарного состояния в другое электрон переходит на другую орбиту (другой энергетический уровень), испуская при этом квант энергии или поглощая его (при потере энергии - испускает, при получении энергии - поглощает). Квантовомеханическая (текущая на данный момент) модель атома принимает во внимание, что электрон является частицей и волной одновременно; геометрическое место точек, в котором наиболее вероятно его нахождение, называется электронной орбиталью. Всего есть четыре типа орбиталей: s, p, d и f. Спин электрона - величина, отвечающая за магнитные свойства вещества; наглядно его можно было представить как вращение электрона вокруг своей оси. Принимает значения +1/2 и -1/2. Связь между параметрами атома и его положением в периодической системе элементов Менделеева: период - это количество энергетических уровней, которые имеет атом, группа - число электронов на внешнем уровне, номер элемента - заряд ядра, или число электронов, или число протонов; атомная масса - число протонов и нейтронов. Атомная масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.), 1 а.е.м. = 1/12 массы атома углерода-12, приближённо равна 1.66*10^-24 г. Радиус атома измеряется по расстоянию между ядрами атомов, связанных ковалентной связью, в зависимости от атомного номера он составляет от десятков пикометров до сотен пикометров.