Електрони, протони, нейтрони
ЕЛЕКТРОНИ, протони, нейтрони
Наведемо найважливіші характеристики електронів, протонів і нейтронів. Вони зібрані в Таблиці 1.
Величина заряду дана в кулонах, маса - в кілограмах (одиницях СІ); слова "спін" і "статистика" будуть пояснені нижче.
Нейтрон, як це випливає з його назви, нейтральний - його заряд дорівнює нулю. А протон і електрон мають однакові за величиною, але протилежні за знаком заряди. Електрон заряджений негативно, а протон - позитивно.
Серед характеристик частинок немає, здавалося б, важливою характеристики - їх розміру. Описуючи будова атомів і молекул, електрони, протони і нейтрони можна вважати матеріальними точками. Про розміри протона і нейтрона доведеться згадати тільки при описі атомних ядер. Навіть у порівнянні з розмірами атомів протони і нейтрони жахливо малі (близько 10 -16 метра).
По суті справи, цей короткий розділ зводиться до подання електронів, протонів і нейтронів як будівельного матеріалу всіх тіл в природі. Можна було б просто обмежитися таблицею 1, проте нам належить зрозуміти, яким чином з електронів, протонів і нейтроновосуществляется споруда, що змушує частинки об'єднуватися в більш складні конструкції і які ці конструкції.
АТОМ - НАЙБІЛЬШ ПРОСТА З СКЛАДНИХ КОНСТРУКЦІЙ
Атомів багато. Виявилося необхідним і можливим впорядкувати їх спеціальним чином. Впорядкування дає можливість підкреслити відмінність і схожість атомів. Розумне розташування атомів - заслуга Д. І. Менделєєва (1834-1907), який сформулював періодичний закон, що носить його ім'я. Якщо тимчасово відволіктися від існування періодів, то принцип розташування елементів вкрай простий: вони розташовуються послідовно по вазі атомів. Найлегший - атом водню. Останній природний (не створює штучно) атом - атом урану, який важче його в 200 з гаком разів.
Розуміння будови атомів пояснило наявність періодичності у властивостях елементів.
На самому початку XX століття Е. Резерфорд (1871-1937) переконливо показав, що майже вся маса атома зосереджена в його ядрі - невеликий (навіть у порівнянні з атомом) області простору: радіус ядра приблизно в 100 тисяч разів менше розміру атома. Коли Резерфорд проводив свої експерименти, ще не був відкритий нейтрон. З відкриттям нейтрона було зрозуміле, що ядра складаються з протонів і нейтронів, а атом природно уявляти собі як ядро, оточене електронами, число яких дорівнює числу протонів в ядрі - адже в цілому атом нейтральний. Протони і нейтрони, як строітельнийматеріал ядра, отримали загальну назву - нуклони (з латинської nucleus - ядро). Цією назвою ми і будемо користуватися.
Досліди Резерфорда не тільки привели до відкриття атомних ядер, а й показали, що в атомі діють ті ж електростатичні сили, які відштовхують один від одного однойменно заряджені тіла і притягують один до одного разноименно заряджені (наприклад, кульки електроскопа).
Атом стійкий. Отже, електрони в атомі рухаються навколо ядра: відцентрова сила компенсує силу тяжіння. Розуміння цього призвело до створення планетарної моделі атома, в якій ядро - Сонце, а електрони - планети (з точки зору класичної фізики, планетарна модель непослідовна, але про це нижче).
Є цілий ряд способів оцінити розмір атома. Різні оцінки приводять до близьких результатів: розміри атомів, звичайно, різні, але приблизно рівні кількох десятих нанометра (1 нм = 10 -9 м).
Розглянемо для початку систему електронів атома.
У Сонячній системі планети притягуються до Сонця силою гравітації. В атомі діє електростатичний сила. Її часто називають кулоновской в честь Шарля Огюстена Кулона (1736-1806), який встановив, що сила взаємодії між двома зарядами обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Той факт, що два заряду Q1 і Q2 притягуються або відштовхують ся з силою, рівною FC = Q1Q2 / r 2. де r - відстань між зарядами, носить назву "Закон Кулона". Індекс "С" присвоєно силі F за першою літерою прізвища Кулона (по-французьки Coulomb). Серед самих різних тверджень мало знайдеться таких, які настільки ж справедливо названі законом, як закон Кулона: адже область його застосовності практично не обмежена. Заряджені тіла, яких би вони не були розмірів, а також атомні і навіть субатомні заряджені частинки - всі вони притягуються або відштовхуються в згоді з законом До