Электричество и электроны

Для того, чтобы понимать дальнейшее, необходимо сказать хотя бы пару слов об электричестве, не вдаваясь в детали. Давно было замечено (это сделал еще Фалес Милетский в шестом веке до нашей эры), что если потереть шерстью янтарь, то к нему начинают прилипать мелкие бумажки и прочий мусор. А еще можно потереть шерстью стеклянную палочку. Если взять натертые таким образом стеклянную и янтарную палочки, то мы заметим, что две янтарные палочки отталкиваются друг от друга, и две стеклянные палочки тоже отталкиваются друг от друга, а если взять янтарную (или – что более доступно – эбонитовую) и стеклянную палочки, они будут притягиваться.

Та сила, которая проявляется при натирании эбонита или стекла или янтаря и т.д. шерстяной тряпочкой, и была названа «электрической» силой. Термин «электричество» ввел ученый Уильям Джилберт в 1600-м году.

При поднесении мелкой бумажки к натертой палочке – даже не вплотную, а на расстоянии, возникает сила, которая притягивает бумажку. Отсюда естественно вытекает предположение, что пространство вокруг палочки чем-то наполнено – чем-то таким, что и оказывает влияние на клочок бумаги. И чем сильнее мы натираем палочку, тем интенсивнее возникающая сила, то есть пространство вокруг палочки становится более наполнено «этим самым». То, что возникает вокруг этих палочек – то, что в любой тоске окружающего пространства действует на электрически заряженные объекты, и назвали «электрическим полем», поскольку результатом существования «этого» является электрическая сила. Поскольку при сближении двух эбонитовых палочек они отталкиваются, а при сближении эбонитовой и стеклянной палочек они притягиваются друг к другу, то значит существует два типа поля. «Янтарное поле» условно назвали положительным (или «плюсом»), а «стеклянное» - отрицательным. Можно было назвать и наоборот – это совершенно все равно, это лишь способ отличать одно от другого.

Ты можешь прямо сейчас потереть свою пластмассовую расческу от волосы, и обнаружить, что теперь и расческа и волосы притягивают мелкие кусочки бумаги – вот ты и стала творцом электричества!

В XVIII веке Стивен Грэй обнаружил, что металлы способны проводить электричество, потом исследования продолжались, и наконец в 1897 году Томсон открыл электрон. В его статье, напечатанной в октябрьском номере физического журнала «Философикл мэгэзин» за 1897 год, впервые в науке утверждается, что электричество – это движение электронов – микрочастиц, несущих отрицательный заряд.

Термин «электрический заряд», или просто «заряд», и обозначает способность вещества создавать вокруг себя электрическое поле. Если потереть палочку сильнее, электрическое поле тоже станет сильнее, поскольку увеличится сила, притягивающая кусочки бумаги. Если потереть слабее – электрическое поле уменьшится. Впоследствии было обнаружено, что существует частица, которая имеет минимальный электрический заряд, то есть частица, которая создает предельно минимальное электрическое поле – меньше быть не может. Такая частица называется «электрон».

Необходимо ясно понять: «электрическое поле» НЕ состоит из электронов. Электрон - это частица, которая заряжена отрицательно. Мы говорим, что «вокруг электрона есть электрическое поле» - эта фраза означает то и только то, что в любой точке пространства вокруг электрона на любую другую заряженную частицу будет действовать сила электрического притяжения или отталкивания со стороны электрона.

Несколько лет назад я написал книгу про озаренные восприятия и про способы их достижения, а также о негативных эмоциях и том – как сделать так, чтобы перестать их испытывать. Нашлись люди, которые говорили примерно следующее: «посмотрите, он написал целую книгу об эмоциях и мыслях и ощущениях, но так и не потрудился дать им определение! Значит все это чушь». В качестве образца для подражания эти люди приводили… физику, мол вот – смотри – наука, в которой все определено. Я пытался объяснить: невозможно определить ни эмоцию, ни мысль, ни ощущение, ни желание, ни акт различения, потому что «определить» - это свести к уже известному, к уже определенному. А эти понятия – первичны, они ни к чему не сводятся. Но эта мысль с трудом находит себе дорогу в умах тех, кто настроен любой ценой разбить учение, которое им не нравится. И снова следовали ссылки – мол смотри, ведь в физике… Наверное это будет нелегко представить, и тем не менее в физике все в точности то же самое (как и в математике). Такие понятия, как длина, время, масса, электрический заряд и многие другие НЕВОЗМОЖНО определить, потому что эти понятия первичны и ни к чему другому, более простому, не сводятся. Поэтому определить эмоцию можно, указав на те явления, которые ей сопутствуют. То же самое – с электрическим зарядом. Мы указываем на некий круг явлений и говорим, что то, что является их причиной, мы назовем «зарядом».

Планетарная модель атома.

История создания планетарной модели атома интересна, и я хочу ее описать. Дело происходило в лаборатории Резерфорда, который исследовал альфа-частицы (сейчас не важно – что это такое, просто пока будем считать, что это очень высокоэнергичные мелкие частицы, которые возникают, например, при радиоактивном распаде урана – они вылетают со скоростью 10 тысяч километров в секунду!! В будущем мы узнаем, что «альфа-частица» - это ядро гелия, то есть «комок», состоящий из двух протонов и двух нейтронов). Согласно имеющейся на тот момент теории, альфа-частица должна была легко пролетать через тонкие слои материи. Ученику Резерфорда – Марсдену – было поручено провести, тем не менее, контрольный опыт. Поток альфа-частиц направлялся на тонкую золотую пластинку (фольгу). Атомы золота, согласно «пудинговой теории», должны были представлять собой области равномерно распределенного положительного электрического заряда, в который вкраплены мельчайшие электроны. Позади золотой фольги был размещен люминесцентный экран, в котором вспыхивало то место, куда попадала альфа-частица.

Производя опыт, Марсден был изумлен тем, что получавшийся результат никак не мог согласовываться с «пудинговой» моделью, в которой нет плотных и массивных комков заряженной материи, так как несмотря на то, что большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу, словно не замечая ее – в полном соответствии с предсказаниями, изредка получалось так что они отклонялись от своего пути, причем иногда – очень сильно, порой даже на 150 градусов, то есть чуть ли не поворачивали обратно! Это было удивительно, ведь масса альфа-частицы намного выше массы электрона – примерно в 8000 раз! И даже если бы они столкнулись между собой, альфа-частица отклонилась бы совсем ненамного.

По словам Резерфорда, такой результат опыта был так же поразителен, как если бы вы стреляли из пушки по папиросной бумаге, и некоторые ядра отражались бы и улетали назад.

Стало ясно, что атом – не пудинг. Эксперимент стали видоизменять – например фольгу золота взяли потолще – и количество сильно отклоненных альфа-частиц пропорционально возросло (пропорционально – значит равномерно увеличиваясь, скажем взяли толщину пластины в два раза больше, и число сильно отклоненных альфа-частиц увеличилось вдвое). Значит – дело тут не в каком-то эффекте, связанном с поверхностью фольги. Затем эксперимент изменили так: между фольгой и источником альфа-частиц поставили экран, в котором сделали очень узкую щель, через которую альфа-частицы и летели очень узко-направленным потоком в направлении фольги. И все они благополучно пролетали сквозь фольгу – ни одна частица не отклонялась. Затем щель в экране стали делать шире, соответственно альфа-частицы начинали лететь на фольгу всё более широким потоком, и тут-то начинались эти странные сильные отклонения – теперь уже не все альфа-частицы благополучно пролетали через фольгу той же самой толщины – некоторые стали сильно отклоняться.

Марсден так и не смог придумать – что же все это означает, а Резерфорду сразу стало ясно, что альфа-частица должна натыкаться на какое-то очень массивное тело внутри атома, раз она отклоняется так сильно. То есть – в атоме есть какая-то массивная часть, и эту часть Резерфорд назвал ядром (nucleus), использовав по аналогии термин, принятый в биологии и обозначающий центральную часть живой клетки. Более того – альфа-частица не просто натыкается и отползает в сторону, а отлетает назад с огромной энергией, а это означает, что здесь не обошлось без электрического отталкивания. Альфа-частица имеет положительный заряд, отсюда и возникает гипотеза о том, что ядро атома состоит из положительно заряженных частиц.

Мы знаем, что атом в своем обычном состоянии электрически нейтрален. Это мы знаем наверняка, ведь если бы атомы были заряженными, то и составленные из них тела – тоже, а мы знаем, что ни книга, ни калькулятор не притягиваются друг к другу и не отталкиваются друг от друга, и если их разломать на мельчайшие, сверх-супер-мельчайшие кусочки, то и они не начнут притягиваться или отталкиваться. То есть атом в целом не обладает ни положительным, ни отрицательным зарядом.

А если все положительные заряды атома находятся в самом его центре, то где остается место для отрицательно заряженных электронов? Резерфорд, вспомнив устройство Солнечной системы, предложил гипотезу о том, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра.

Отныне модель атома Томсона ушла в историю. Резерфорд предложил более достоверную и принципиально новую ядерную модель в виде системы, в центре которой расположена маленькая массивная часть – ядро, а вокруг нее, как бы по орбитам, вращаются легкие электроны.

Интересно, что пересечения с биологией на этом не закончились. Дело в том, что один из сотрудников Резерфорда был… Чарлз Дарвин! Ну, конечно, не тот, который создал теорию происхождения видов с помощью естественного отбора, а его внук. Чарлз Дарвин писал: «Я считаю одним из величайших событий своей жизни то, что произошло в моем присутствии спустя полчаса после «рождения» ядра. Это было во время воскресного ужина в манчестерской квартире Резерфорда. Я помню, как он говорил нам, что наблюдаемое большое рассеяние альфа-частиц показывает на существование в атоме необычайно могучих сил».

Не забывай, что это лишь модель атома. Мы предполагаем, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра. На самом деле они не вращаются в полном смысле этого слова, все намного сложнее и намного интереснее, но планетарная модель объясняет так много физических явлений, и позволяет делать так много точных предсказаний и расчетов, что может считаться совершенно правильной в некотором грубом приближении.