Что является источником электрического поля внутри атома

Что является источником электростатического поля?

Электростатическое поле представляет собой электрическое поле, возникающее в результате наличия электрических зарядов. Это вызвано движением электрических зарядов либо от протонов атома, либо от электронов атома. Электрическое поле состоит как из положительных, так и из отрицательных зарядов и отвечает за притяжение и отталкивание объектов на основе их электрического заряда.

Сила электростатического поля создается за счет притяжения и отталкивания электрических зарядов. Положительно заряженные объекты будут притягиваться к отрицательно заряженным объектам, а отрицательно заряженные объекты будут отталкиваться от положительно заряженных объектов. Это известно как закон Кулона. Эта сила пропорциональна количеству заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя зарядами.

Электростатическое поле является результатом дисбаланса электрических зарядов внутри материала. Заряды, вызывающие электростатическое поле, могут быть стационарными или перемещаться. В случае стационарных зарядов эти заряды захватываются материалом, обычно в виде электронов и протонов. С другой стороны, движущийся заряд может быть как положительным, так и отрицательным, и он будет генерировать электрическое поле в форме электромагнитной волны. Эта волна распространяется в том же направлении, что и заряд, и отвечает за передачу энергии между двумя объектами.

Электростатическое поле также может быть создано искусственно с помощью электрических генераторов. Генераторы производят электрические поля различными способами, включая постоянный ток (DC), переменный ток (AC) и радиочастоту (RF). Хотя эти генераторы могут создавать очень мощные электростатические поля, они обычно используются для специализированных приложений, таких как питание медицинских устройств или генерация высокого напряжения в исследовательских целях.

Электростатическое поле является важной частью нашего мира и играет ключевую роль во множестве процессов. От питания наших повседневных устройств до управления движением частиц электростатическое поле является неотъемлемой частью нашей жизни.

§ 7.6.Электростатическое поле в веществе.

1. Атомы вещества состоят из электронов и положительных ядер, и вещество в обычном состоянии электрически нейтрально. Однако под действием внешнего электрического поля его положительные и отрицательные заряды смещаются в противоположные стороны и создают свое собственное электрическое поле . Поле в веществе =+отличается от поля в вакууме . С точки зрения электрических свойств интересны два резко различающиеся класса веществ: диэлектрики (изоляторы) и проводники.

2. Диэлектрики используют для электрической изоляции проводящих тел друг от друга. В диэлектриках заряды под действием внешнего электрического поля смещаются в пределах атома и называются связанными. Созданное ими собственное поле направлено навстречу внешнему полю, так что напряженность поля в диэлектрике Е уменьшается по сравнению с Е₀. На рис.40 показан однородный неполярный диэлектрик. В неполярном диэлектрике в отсутствии внешнего электрического поля «центры тяжести» положительного и отрицательного зарядов молекулы совпадают, и ее дипольный момент равен нулю.

Внешнее электрическое поле (силовые линии сплошные) смещает эти «центры тяжести» в противоположные стороны. Каждая молекула превращается в электрический диполь. Внутри диэлектрика суммарный заряд всех диполей равен нулю, а на его противоположных поверхностях в тонком слое возникают нескомпенсированные разноименные связанные заряды (см. рис.40). Это явление называется поляризацией диэлектрика. Поляризованный диэлектрик создает собственное электростатическое поле (силовые линии штриховые), направленное навстречу . В диэлектриках другого типа (полярных, кристаллических) механизм поляризации носит другой характер. Однако возникшее в результате поляризации собственное поле все равно направлено навстречу внешнему полю. Густота силовых линий в диэлектрике уменьшается по сравнению с вакуумом. Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика показывает, во сколько раз уменьшается поле в диэлектрике по сравнению с полем в вакууме, созданное одними и теми же внешними источниками:

(7.6.1)

Для многих однородных диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) ее значение не зависит от величины внешнего поля, и его можно найти в соответствующих таблицах физических свойств веществ. Заметим, что ₀E₀=₀E. Эту величину обозначают D, называют электрическим смещением или электрической индукцией. Это еще одна вспомогательная векторная характеристика электрического поля: в однородном диэлектрике

(7.6.2)

Напряженность – силовая (физическая) характеристика поля. Она определяется как внешними, так и внутренними зарядами по отношению к диэлектрику. Электрическое смешение – вспомогательная (геометрическая) характеристика, связанная только с внешними по отношению к диэлектрику зарядами. Из формул (7.6.1) и (7.6.2) следует, что формулы для электростатического поля в вакууме становятся пригодными для поля в диэлектрике, если в них ₀ поменять на ₀.

3. В проводниках имеются заряженные частицы, способные под действием сколь угодно малого электрического поля перемещаться в пределах объема тела. Такие заряды называются свободными. Хорошими проводниками являются металлы, например, медь, алюминий, серебро и другие, образованы из элементов первой и второй групп таблицы Менделеева. Их атомы в свободном состоянии имеют соответственно один или два валентных электрона. Взаимодействие атомов в металле приводит к тому, что валентные электроны покидают свой атом, становятся свободными и образуют своеобразный «электронный газ». Положительно заряженные ионы, получившиеся из атомов, образуют кристаллическую решетку, погруженную в электронный газ. В отсутствие внешнего электрического поля тепловое движение свободных электронов равномерно распределяет их по объему проводника. В результате в любой части объема проводника суммарный заряд равен нулю: положительный заряд кристаллической решетки и отрицательный заряд электронного газа компенсируют друг друга.

Поместим металлический проводник во внешнее электрическое поле или сообщим ему какой-нибудь заряд. В обоих случаях на заряды действует электрическое поле, и смещает свободные электроны против поля. Такое движение электронов (ток) приводит к перераспределению зарядов и наступлению равновесия. Этот процесс практически занимает доли секунды. Силы обращаются в ноль, следовательно, внутри проводника Е=0, и силовые линии не проникают внутрь проводника. Следовательно, поток вектора напряженности через любую замкнутую поверхность внутри проводника равен нулю. Из теоремы Гаусса следует, что суммарный заряд внутри проводника также равен нулю, и в статическом случае некомпенсированные заряды распределяются по поверхности проводника. Отсутствие поля внутри проводника означает, что проводник является эквипотенциальным телом: во всех его точках внутри и на поверхности  =const. Силовые линии суммарного поля прерываются на поверхности проводника, и перпендикулярны поверхности. В противном случае составляющая поля, параллельная поверхности, вызвала бы движение зарядов, а это противоречит условию равновесия.

На рис. 41-а 1 изображен проводник, которому сообщили избыточный положительный заряд, и этот заряд распределился в тонком поверхностном слое, создав вне проводника свое электрическое поле. На рис.41 – б в однородное электрическое поле (его силовые линии показаны тонкими пунктирными линиями) внесли незаряженный металлический проводник. Смещение свободных электронов против поля привело к возникновению на одной стороне поверхности нескомпенсированного отрицательного заряда, а на противоположной стороне – равного ему по величине положительного. Эти заряды называются индуцированными, а физическое явление их возникновения называется электростатической индукцией. Суммарное поле, разумеется, отличается от исходного. На рисунке его силовые линии изображены черными сплошными линиями. Если помещенный в поле проводник разделить на две части (левую и правую на нашем рисунке) и разъединить их, то получим два разноименно заряженных тела, даже если их удалить их внешнего поля.

4. Рассмотрим, как распределяются заряды по поверхности проводника в зависимости от ее формы. Пусть имеются два заряженных шарообразных (сферических) проводника разных радиусов, расстояние между которыми достаточно велико, чтобы можно было считать их уединенными заряженными сферами. Напомним, что заряженная сфера создает электрическое поле вне своего объема, причем, такое же, какое создает точечный заряд, равный заряду сферы и помещенный в ее центр, так что потенциал поверхности сферы  =q/4₀r= S/4₀r= r/₀. Здесь  — поверхностная плотность заряда, S=4r 2 – площадь сферы. Соединим заряженные сферы тонким проводником, и получим единый проводник. Заряды перераспределятся на его поверхности в соответствии с условиями равновесия. Учитывая, что потенциалы во всех точках проводника внутри и на поверхности одинаковы, получили, что  r=const. Это значит, что поверхностная плотность заряда обратно пропорциональна радиусу кривизны поверхности. Особенно велика концентрация зарядов на остриях. Поэтому напряженность поля вблизи острия может быть такой большой, что возникает ионизация молекул воздуха вблизи него. Ионы противоположного знака, нежели заряд острия, притягиваются к нему и уменьшают заряд острия. Ионы одного знака с зарядом острия отталкиваются от него и увлекают за собой нейтральные молекулы газа. Возникает «электрический ветер», создающий эффект стекания заряда с острия. 2 Свойство зарядов концентрироваться на острие объясняет, почему во время грозы молния чаще всего ударяет в высокие деревья и в высокие постройки. Это свойство используют на практике, в частности, при устройстве громоотводов (точнее, молниеотводов).

5. Еще раз подчеркнем свойства электростатического поля в веществе:

В электростатическом поле диэлектрик поляризуется и ослабляет поле.

Электростатическое поле не проникает внутрь проводника. Если надо уберечь от воздействия внешнего электростатического поля какое-либо устройство, достаточно окружить его проводящим экраном (металлической сеткой). На практике такие экраны используют для электростатической защиты.

Строение атома в физике

Атом — это электронейтральная частица, следовательно, число протонов равно числу электронов: Ne = Np = Z. Масса атома (массовое число A) примерно равна суммарной массе крупных частиц, которые входят в состав атома — протонов и нейтронов.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Строение атома

Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Нейтроны были открыты после того, как физиками была разработана планетарная модель атома. Лишь в 1932 году, проводя серию опытов, Джеймс Чедвик обнаружил частицы, не имеющие никакого заряда.

Явления, подтверждающие сложность строения атома

Слово «атом» по-гречески означает неделимый. Древнегреческие учёные считали атомы неделимыми частицами, своеобразными «кирпичиками», из которых построены все тела природы.

Представление о неделимости атома удерживалось в физике почти до конца XIX века. Дальнейшее развитие физики в корне изменило это представление. Изучение электромагнитных явлений в конце XIX — начале XX века показало, что атомы вещества представляют сложные образования: они состоят из частиц, являющихся носителями положительного и отрицательного электричества. Из атома вещества удалось выделить сначала мельчайшие (элементарные) отрицательно заряженные частицы — электроны. Затем были обнаружены входящие в состав атомов элементарные положительно заряженные частицы — протоны.

Особенно большое значение в развитии учения о строении атома имело исследование явления радиоактивности, открытого в конце XIX века французским учёным Беккерелем. Изучая явление люминесценции солей урана, Беккерель установил, что если осветить соль урана солнечными лучами, а затем положить её на завёрнутую в чёрную бумагу фотопластинку, то последняя темнеет под действием, как он полагал, лучей люминесценции.

Но однажды Беккерель положил на фотопластинку соль урана, не осветив её предварительно лучами солнца, и весь препарат поместил в тёмный ящик. Через несколько дней, проявив фотопластинку, он обнаружил на ней отпечаток куска урановой руды (рис. 339).

Проделав подобные опыты с разнообразными солями урана, Беккерель пришёл к выводу, что все соединения, содержащие уран, непрерывно излучают особые, как он их назвал, «урановые» лучи.

Оказалось, что вновь открытые лучи, подобно рентгеновским лучам, обладают способностью проходить сквозь различные вещества, в том числе сквозь тонкие металлические пластинки. Проходя через газы, «урановые» лучи ионизируют их. Кроме того, они возбуждают люминесценцию некоторых веществ (например, сернистого цинка, платиио-синеродистого бария и др.).

Вскоре за этим открытием было установлено, что свойством испускать особые невидимые лучи, подобные «урановым», обладают также другие соединения. Вещества, испускающие эти лучи, назвали радиоактивными, а свойство вещества испускать такие лучи — радиоактивностью.

Всестороннее изучение радиоактивности было произведено Марией и Пьером Кюри. В 1898 г. им удалось выделить из урановой руды два радиоактивных элемента: полоний (Ро) и радий (Ra).

Радий — редкий элемент: чтобы получить 1 г чистого радия, надо переработать не менее 5 т урановой руды.

Радиоактивность радия в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана; уже одна десятимиллиардная доля грамма радия может быть обнаружена по его радиоактивным действиям.

В дальнейшем был открыт ещё целый ряд радиоактивных элементов.

Многочисленные опыты привели к выводу, что радиоактивность есть результат процессов, протекающих внутри атомов вещества. Таким образом, изучение электромагнитных явлений и явления радиоактивности дало возможность установить, что атом представляет собой сложную частицу, внутри которой происходят различные физические процессы. Возник вопрос: какова структура атома, из каких элементарных частиц он построен, как движутся эти частицы?

Виды радиоактивного излучения

Вскоре после открытия явления радиоактивности было установлено, что радиоактивные вещества испускают три вида лучей, отличающихся друг от друга неодинаковой способностью проникать сквозь вещества и рядом других свойств. Их назвали альфа -лучами, бета -лучами и гамма -лучами.

Эти три вида лучей можно разделить, действуя на радиоактивное излучение магнитным полем (на рис. 340 магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости чертежа);-лучи и -лучи отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, а -лучи магнитным полем не отклоняются.

В курсе химии была уже рассмотрена природа этих трёх видов лучей, -лучи являются по током быстро движущихся( со скоростью порядка ) частиц, каждая из которых заряжена двумя положительными элементарными зарядами и имеет массу, равную массе атома гелия (атомный вес гелия 4), т. е. -частицы являются двукратно ионизированными атомами гелия, -лучи представляют собой поток электронов, движущихся со скоростью, доходящей до 99% скорости света. Масса электронов много меньше массы а-частиц; поэтому в магнитном поле -частицы отклоняются сильнее -частиц, -лучи представляют собой очень короткие электромагнитные волны.

Частицы выбрасываются из радиоактивных веществ с огромными скоростями; следовательно, они обладают большой энергией.

В атомной физике энергию частиц принято выражать в особых единицах — электрон-вольтах (сокращённо: эв) или в миллионах электрон-вольт (Мэв).

Электрон-вольт есть энергия, равная работе, совершаемой при перемещении электрона между двумя точками электрического поля, при разности потенциалов между ними в один вольт.

Выразим электрон-вольт з эргах:

Если выразить энергию «-частиц, получаемых при радиоактивном распаде, в электрон-вольтах, то она окажется в пределах от 4 Мэв до 9 Мэв.

Экспериментальные методы исследования частиц

Для обнаружения отдельных частиц и исследования взаимодействия их с веществом в распоряжении физиков в настоящее время имеются различные методы; рассмотрим некоторые из них.

а) Метод сцинтилляций (мерцаний). Опыт показывает, что если об экран, покрытый тонким слоем сернистого цинка, ударяется частица, то она вызывает на экране вспышку света, которую можно увидеть в лупу. По числу вспышек можно подсчитать, например, число -частиц, испускаемых радиоактивным веществом в определённый промежуток времени. Наиболее простое осуществление этот метод находит в спинтарископе Крукса (рис. 341).

Крупинка бромистого радия находится на кончике иглы А над экраном В из сернистого цинка. Если смотреть сквозь лупу С, предварительно подержав глаз в темноте, то в разных местах экрана можно обнаружить частые вспышки.

-частицы наблюдать этим методом трудно, так как они, имея малую массу и обладая малой кинетической энергией, вызывают очень слабое свечение экрана.

б) Счётчик Гейгера. Регистрация частиц методом сцинтилляции не даёт необходимой точности: результат-подсчёта вспышек на экране зависит от остроты зрения наблюдающего. Невозможным оказывается длительное наблюдение, так как глаз быстро утомляется. Значительно более совершенным прибором для регистрации частиц является так называемый счётчик Гейгера. Чтобы выяснить принцип действия такого счётчика, обратимся к рисунку 341а.

Металлический цилиндр А имеет с одной стороны крышку К из изолирующего материала, а с другой—окошко, плотно закрытое слюдяной пластинкой Е. В крышку К вставлено металлическое остриё С, которое через сопротивление R приключается к источнику высокого постоянного напряжения В. Таким образом, между корпусом цилиндра А и остриём С возникает сильное электрическое поле.

Внутри цилиндра А находится разрежённый газ. Пока газ не ионизирован, ток в цепи источника В отсутствует. Допустим, что через окошко Е внутрь цилиндра А влетает какая-либо частица, способная произвести ионизацию газа; тогда в электрическом поле между А и С окажутся ионы, которые создадут кратковременный электрический ток; последний может быть или непосредственно отмечен прибором, или усилен и подан на какое-либо регистрирующее устройство. Так можно точно подсчитывать частицы, пролетающие в данном месте и в данном направлении, если эти частицы способны ионизировать газ.

в) Камера Вильсона. Если в пространстве, содержащем пересыщенный пар, пролетит с большой скоростью частица, то она создаст на своём пути ионы. Эти ионы, как показывает опыт, становятся центрами конденсации, на которых водяной пар собирается в виде маленьких капелек. Вдоль всего пути частицы возникает тонкий след из капелек воды, который и даёт изображение этого пути.

Описанное явление положено в основу устройства одного из замечательных современных физических приборов — камеры Вильсона. Изображённая на рисунке 342 камера Вильсона состоит из цилиндрического сосуда А, верхние стенки которого сделаны из стекла; внутри цилиндра может двигаться поршень В. Камера содержит насыщающие пары воды или спирта.

При движении поршня вниз в камере образуется пересыщенный пар. Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошечко.

Для фотографирования следов частиц камера сильно освещается.

На рисунке 343 воспроизведены фотографии следов -частиц. Нетрудно заметить, что оба типа следов резко отличаются друг от друга. След -частицы жирный, след же -частицы тонкий. Число капелек в следу -частицы имеет величину порядка 10 000 на сантиметр. Следы же -частиц имеют только около 100 капелек на сантиметр. Следовательно, -частицы ионизируют газ сильнее -частиц.

При помощи камеры Вильсона можно изучать любые частицы: измерять их массу, энергию, заряд.

Строение атома и физика

Радиоактивные излучения в виде -лучей говорят о сложной структуре атома.

Изучение электромагнитных явлений (катодные лучи, термоэлектронная эмиссия, фотоэффект и др.) показало, что внутри атомов имеются электроны. Но электроны — отрицательно заряженные частицы, а в нормальном состоянии атом, как известно, нейтрален. Естественно было предположить, что внутри атома имеются положительно заряженные частицы, в сумме дающие такой же по величине заряд, как и все электроны.

Перед учёными возникли важнейшие вопросы: как построен атом? Что представляют собой отдельные части атома? Как они взаимно расположены? Какова природа сил,связывающих отдельные части атома?

В результате многочисленных опытных и теоретических исследований была построена теория атома. Особенно важное значение для построения этой теории имели опыты Резерфорда по изучению прохождения -частиц через тонкие металлические пластинки.

Основная идея этих опытов иллюстрируется рисунком 344.

Перед источником -частиц R помещена диафрагма Д с небольшим отверстием в центре; -частицы, попадающие в отверстие, проходят через него в виде узкого пучка. В месте падения пучка -частиц на люминесцирующий экран ЛЭ образуется светящееся пятно, представляющее собой вспышки (сцинтилляции), возникающие под ударом каждой отдельной -частицы. Так как число частиц, попадающих на экран за секунду, велико, то отдельные сцинтилляции сливаются для наблюдателя в светлое пятно.

Если поместить перед экраном тонкую плёнку Р из какого-нибудь вещества, например золотую фольгу толщиной примерно в 1 мк (микрон), то можно обнаружить, что интенсивность светящегося пятна немного уменьшается.

В то же время появляется некоторое число сцинтилляций вне центрального пучка. Эти сцинтилляции вызваны -частицами, которые при прохождении сквозь золотую фольгу изменили направление своего полёта, т. е. рассеялись. Подсчитывая число сцинтилляций в разных местах экрана в единицу времени, можно установить распределение в пространстве рассеянных -частиц.

Было обнаружено, что число а-частиц быстро убывает с увеличением угла рассеяния. Значит, большинство -частиц проходит золотую фольгу, не отклоняясь от своего первоначального направления движения. Однако наблюдались немногие частицы, которые отклонялись на очень большие углы, а некоторые из них отклонялись почти на 180°.

Чем же объяснить рассеяние alt=»Строение атома в физике» />-частиц при прохождении ими вещества? Вполне естественно предположить, что рассеяние alt=»Строение атома в физике» />-частиц происходит вследствие воздействия на них частиц, из которых состоит вещество.

Так как масса alt=»Строение атома в физике» />-частицы почти в 8000 раз превосходит массу электрона, то надо полагать, что изменение направления пути alt=»Строение атома в физике» />-частиц при прохождении их через пластинку вызывается отнюдь не электронами, входящими в состав атомов пластинки.

Резерфорду удалось наблюдать случаи, когда отдельные -частицы отклонялись на угол, больший прямого. Подобные случаи, очевидно, могли иметь место только тогда, когда а-частица близко подходила к положительно заряженной частице вещества и отбрасывалась последней назад (рис. 345).

Так как такие резкие отклонения alt=»Строение атома в физике» />-частиц наблюдались весьма редко, то из этого факта Резерфорд вывел заключение, что лишь очень малая часть атома представляет препятствие для прохождения alt=»Строение атома в физике» />-частицы.

Проанализировав результаты многочисленных опытов, Резерфорд в 1911 г. предложил следующую модель атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра, которое занимает ничтожно малую часть всего объёма атома (диаметр ядра порядка ); вокруг ядра расположены электроны.

Электроны вращаются вокруг ядра на относительно больших от него расстояниях. Совокупность этих электронов называют электронной оболочкой. Таким образом, атом представляется в виде планетной системы в маленьком масштабе (поэтому такую модель атома называют планетарной).

Изучая вопрос о величине заряда ядра, учёные установили, что ядра атомов различных веществ имеют положительный заряд, равный Ze, где е — величина заряда электрона, a Z — атомный номер элемента в периодической системе Менделеева.

Опыт показывает, что атом в целом нейтрален; следовательно, положительный заряд ядра должен быть нейтрализован равным ему отрицательным зарядом; отсюда ясно, что число электронов, вращающихся вокруг ядра, должно быть равно атомному номеру элемента. Например, у атома водорода вокруг ядра вращается 1 электрон, у гелия 2, у лития 3 и т. д. вплоть до урана, у которого вокруг ядра вращается 92 электрона.

На рисунке 346 изображены модели атомов водорода, гелия и лития.

Учитывая то обстоятельство, что число электронов в атоме сравнительно невелико (равно атомному номеру) и масса электрона меньше массы наиболее лёгкого атома — атома водорода— в 1840 раз, мы должны прийти к заключению, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре.

Развитие теории атома

Излучение и поглощение электромагнитных волн атомами. Наряду с опытами Резерфорда, установившими планетарную модель атома, в развитии теории атома чрезвычайно важную роль сыграло изучение вопроса об испускании и поглощении атомами электромагнитных волн.

В § 182 говорилось об электромагнитной природе света, о том, что источником световых волн являются атомы вещества. Как же излучают атомы? Ответ на этот вопрос был получен после длительных поисков. Вначале на него отвечали следующим образом.

Поскольку в атоме отрицательно заряженный электрон движется по замкнутой орбите вокруг положительно заряженного ядра с ускорением (центростремительным), он создаёт переменное электромагнитное поле; поэтому атом является источником электромагнитных волн. Длина этих волн, или частота излучения, определяется частотой вращения электрона вокруг ядра.

Но электрон может вращаться вокруг ядра с любой частотой; поэтому следует ожидать, что в спектре излучения атомов данного вещества окажутся лучи всевозможных длин волн.

Согласно этой теории, если взять какой-либо газ — совокупность огромного числа атомов — и заставить его светиться (например, раскалив его), то спектр этого свечения должен получиться сплошным,— переход от одной частоты к другой должен быть непрерывным.

Однако такой ответ на вопрос о механизме излучения атома оказался неудовлетворительным. Опыт показывает совершенно иное.

Во-первых, спектр светящегося разрежённого газа оказывается не сплошным, а дискретным — образованным из отдельных линий. Во-вторых, частоты этих линий таковы, что их происхождение нельзя объяснить, пользуясь представлением об излучении как результате обращения электронов вокруг ядра.

Кроме того, изложенное выше представление обнаружило свою полную несостоятельность в решении вопроса об устойчивости атома.

Если электрон, двигаясь вокруг ядра, непрерывно излучает электромагнитные волны, то запас энергии атома должен непрерывно убывать. Действительно, с электромагнитным излучением уносится и энергия, последняя же черпается только из внутренних запасов энергии атома. По мере уменьшения энергии атома вращающийся электрон должен непрерывно приближаться к ядру и в конце концов на него упасть под действием электрической силы притяжения. Атом потеряет свою электронную оболочку, а вместе с ней и присущие ему физические и химические свойства.

Опыт же показывает, что атомы являются весьма устойчивыми системами.

Уже в начале XX века учёные пришли к выводу, что необходимы новые представления о механизме излучения и поглощения электромагнитных волн атомами. Прежде всего их требовало объяснение явления фотоэффекта (мы его рассматривали в § 183).

Опыт показал, что свет в ряде случаев нужно рассматривать как поток фотонов с энергией (то же относится и к рентгеновским, и -лучам). Как же появляются фотоны?

На этот вопрос также невозможно было ответить, пользуясь представлением о непрерывном излучении энергии электроном, вращающимся вокруг ядра.
В 1913 г. датский физик Нильс Бор выдвинул теорию, которая позволила дать ответ на поставленные выше вопросы.

Бор предположил, что атом может находиться в так называемых стационарных состояниях, когда он не излучает и не поглощает энергии. Электроны в атоме, который находится в одном из этих состояний, вращаются по стационарным орбитам и при этом не излучают электромагнитных волн.

Излучение и поглощение энергии вызываются переходом атома из одного стационарного состояния, например с энергией в другое — с энергией , что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую. При таком переходе излучается или поглощается фотон, обладающий электромагнитной энергией, величина которой определяется соотношением:

где v—частота электромагнитного излучения, h — постоянная Планка.

Воздействуя на атомы веществ светом, рентгеновскими лучами, потоком -частиц или электронов, можно вызвать переход атома из одного стационарного состояния в другое. Такое изменение состояния атома называется возбуждением.

В возбуждённом состоянии атом пребывает недолго (миллиардные доли секунды); он возвращается в своё нормальное, невозбуждённое состояние, излучая фотон, частота которого определяется формулой (1).

На основании теории Бора можно также объяснить пропсхождение спектральных линий. Каждая спектральная линия получается в результате того, что атом испускает фотон при переходе из одного энергетического состояния в другое. При этом разность между энергиями атома в начальном и конечном состояниях определяет частоту электромагнитного излучения, а следовательно, и положение данной линии в спектре.

Существование дискретных энергетических состояний атомов является одной из самых характерных особенностей их свойств; оно доказано многочисленными опытами.

Вопрос о том, как связаны энергетические состояния атома со структурой атома, с взаимным расположением составляющих его частиц, является большой научной проблемой, которую пристально изучает атомная физика.

Дальнейшее развитие теория атома находит в настоящее время в квантовой механике. Квантовая механика показала, что в мире атомов и молекул — так называемом микромире — имеют место закономерности, которые, отличаются от закономерностей макромира — мира непосредственно наблюдаемых нами тел.

Изотопы

Большую роль в развитии физики атома сыграло открытие изотопов — элементов, занимающих одно и то же место в периодической системе Менделеева.
Атомные веса изотопов, получившихся в результате радиоактивного распада веществ, как показывают измерения, выражаются целыми числами. Так, например, атомный вес изотопа свинца, найденного в урановой руде, равен 206, в актиниевой руде 207, а в ториевой руде 208, вдали же от радиоактивных руд свинец встречается с атомным весом 207,2. Вполне естественно было предположить, что «обычный» свинец представляет собой смесь изотопов свинца, и опыт подтвердил это предположение.

Далее было установлено, что атомные веса изотопов всех элементов, в том числе и нерадиоактивных, выражаются целыми числами. Как же объяснить тот факт, что атомные веса многих элементов не выражаются целыми числами? Это легко понять на следующем примере.

У хлора два изотопа с атомными весами 35 и 37, с относительным содержанием в 75% и 25%; отсюда и получается средний атомный вес хлора равным:

Изотопы имеются почти у всех элементов, например кислород имеет три изотопа с атомными весами 16, 17 и 18; у азота два изотопа с атомными весами 14 и 15, а у олова даже 11 изотопов.

Особый интерес представляет тяжёлый изотоп водорода, так называемый дейтерий (химический знак D). Масса его атомов почти в два раза больше, чем у атомов основного изотопа водорода. Ядро тяжёлого водорода называется дейтоном (или дейтроном).

Вода, в молекулах которой обычный водород заменён дейтерием, получила название тяжёлой воды . Она заметно отличается от обычной воды по своим физиологическим и биохимическим свойствам и в значительной степени по своим химическим и физическим свойствам.

Так, например, плотность тяжёлой воды на 12% больше плотности обычной воды. Замерзает тяжёлая вода при 3,8° С, кипит при 101,4°С (при нормальном атмосферном давлении).

На многие живые организмы тяжёлая вода оказывает гибельное действие.

Массовое число. Обозначение ядер

В атомной физике величины масс атомных ядер выражаются в относительных единицах; они рассчитываются по отношению к массе атома изотопа кислорода, которую принимают равной 16. Масса атомов лёгкого водорода по отношению к этой массе равна 1,008, гелия 4,003, лития 6,940 и т. д.

Ближайшее к значению атомного веса изотопа целое число носит название массового числа.

Ядро условились обозначать химическим символом атома, которому оно принадлежит, с двумя индексами: верхним и нижним. Верхний индекс обозначает массовое число, а нижний индекс — заряд (порядковый номер в периодической системе). Так, например, символы изображают ядра изотопов водорода, кислорода, углерода и азота с массами соответственно: 1, 16, 12, 14 и зарядами: 1, 8, 6, 7.

Искусственное превращение элементов

Когда атом излучает или поглощает электромагнитные волны, он не изменяет своих химических свойств, он сохраняет свою индивидуальность. Возможно ли заставить атом изменить свои свойства, возможно ли один элемент превратить в другой? Эту многовековую мечту алхимиков — искусственное превращение элементов — впервые осуществил в 1919 г. Резерфорд. Схема установки, с помощью которой было осуществлено первое превращение элементов, изображена на рисунке 347.

В камере С находится радиоактивное вещество А, испускающее alt=»Строение атома в физике» />-частицы. Эти частицы, падая на экран S, вызывают сцинтилляции, наблюдаемые с помощью микроскопа М. Перед экраном помещается металлическая пластинка F такой толщины, чтобы alt=»Строение атома в физике» />-частицы не могли проникнуть сквозь неё и вызвать сцинтилляцию экрана S.

Оказалось, что если камеру С наполнить кислородом, то при наличии пластинки F сцинтилляции на экране не возникали; если же кислород заменить азотом, то обнаруживались сцинтилляции. Какие частицы их вызывали? Резерфорд предположил, что сцинтилляции вызываются частицами, которые испускаются ядрами азота в результате бомбардировки их а-частицами.

Опыты по отклонению этих частиц в магнитном поле показали, что они имеют положительный заряд; измерение же их массы позволило установить, что они являются ядрами водорода, или протонами. Появление протонов в камере С Резерфорд объяснил тем, что при обстреле атомов азота а-частицами некоторые из -частиц проникают в ядра азота и выбивают из них протоны; последние, обладая огромной скоростью, проникают через пластинку F и вызывают сцинтилляцию экрана.

Таким образом, в этом явлении имеет место процесс превращения ядер, который можно представить себе состоящим из двух этапов. Первый этап заключается в захвате ядром азота -частицы с образованием неустойчивого ядра, которое во втором этапе распадается на две частицы, одна из которых — протон.

Когда ядро азота поглощает -частицу, то образуется новое ядро с массовым числом 14+4=18 и зарядом 7+2 = 9. Это ядро неустойчивого изотопа фтора.

Во втором этапе сложное ядро распадается на две частицы, одна из которых является протоном с массой 1 и зарядом 1. Масса другой частицы (18—1) = 17 и заряд её (9—1) =8, что соответствует изотопу кислорода.

Рассмотренную ядерную реакцию можно записать в виде следующей формулы:

Обычно описанную реакцию изображают, опуская промежуточное ядро :

Таким образом, по существу из атомов азота и гелия получаются атомы кислорода и водорода. Эта замечательная реакция представляет собой не что иное, как явление превращения одного элемента в другой. Кроме азота, путем облучения -частицами удалось осуществить превращение ядер атомов многих других элементов: бора, фтора, натрия, фосфора, алюминия и др.

О превращении ядер одних элементов в ядра других можно судить по характеру следов, оставляемых частицами при их движении в камере Вильсона: alt=»Строение атома в физике» />-частицы оставляют характерные следы в виде толстых прямых линий; протоны оставляют более тонкие следы. Если частица движется, не сталкиваясь с другими частицами, то её след будет представлять почти прямую линию. Если же происходит столкновение, то след частицы обнаруживает излом, как это видно на рисунке 348. Каждый из таких следов подобен вилке, состоящей из двух ветвей. По этой фотографии можно заключить, что в точке разветвления следа alt=»Строение атома в физике» />-частица ударила в ядро, в результате чего появился протон (тонкий след) и новое ядро (толстый след).

Изучение следов частиц, образовавшихся в результате ядерных реакций, привело к открытию новой частицы — позитрона, масса которого равна массе электрона, а заряд положительный, равный заряду электрона. Обозначение позитрона: .

Необходимо отметить, что столкновение -частицы с ядром атома — явление довольно редкое. Так, например, из 500 тысяч сфотографированных следов -частиц в опытах Резерфорда только в 8 случаях были обнаружены вилки. Следовательно, в среднем примерно из 60 000 -частиц только одна выбивала прогон из ядра азота.

Превращение атомов достигается не только облучением их -частицами. Можно, например, применить для этой цели протон, сообщив ему энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с ядром элемента он мог его разрушить. Таким путём, например, удалось превратить литий в гелий. Эта ядерная реакция записывается следующим образом:

где означает два ядра гелия (две -частицы). На рисунке 349 показана фотография следов -частиц, получающихся при расщеплении лития под действием протонов.

Одной из интересных и очень важных ядерных реакций является реакция, возникающая при бомбардировке дейтронами тяжёлого водорода, т. е. дейтронов же. При этом наблюдается реакция:

Продукт этой реакции изотоп называется сверхтяжёлым водородом или тритием. Тритий, содержащий избыток нейтронов, радиоактивен. Он превращается с испусканием -частицы в лёгкий гелий :

Для превращения ядер необходимо иметь «ядерные снаряды»— частицы с очень большой энергией. Удобный источник частиц с большой энергией даёт нам сама природа в виде естественных -лучей. Однако излучение, создаваемое даже наиболее сильными радиоактивными препаратами, не даёт возможности осуществить ядерные реакции в достаточно большом масштабе. Для этого нужны более мощные источники излучения.

Для управления ядерными превращениями, вызова по желанию той или другой ядерной реакции, кроме а-частиц, используются протоны, дейтроны и другие частицы. Существуют установки, которые дают возможность получить эти «ядерные снаряды» в достаточном числе и с большой энергией.

Нейтрон

При облучении -частицами ряда лёгких элементов, в частности бериллия, было замечено, что вещество, подвергнутое облучению, становится источником какого-то особого излучения слабой интенсивности, но огромной проникающей способности.

Исследования показали, что это излучение представляет собой поток частиц, не имеющих заряда. Частицы эти были названы нейтронами.

На рисунке 350 показана схема установки для обнаружения нейтронов и изучения их свойств.

В камере I, из которой выкачан воздух, помещается диск D, на поверхности которого осаждён радиоактивный элемент полоний (Ро), являющийся источником-частиц.

Пластинка бериллия (Be) служит мишенью для -частиц. При бомбардировке бериллия -частицами выделяются нейтроны; проходя тонкую стенку камеры, они проникают в счётчик // через окошечко .

Результаты опытов показывают, что, когда вылетающие из бериллия нейтроны непосредственно попадают в счётчик, в минуту регистрируется несколько частиц. При помещении тонкого слоя свинца перед ионизационной камерой число регистрируемых частиц не изменяется сколько-нибудь заметно. Однако если перед окошком поместить тонкую пластинку парафина (рис. 350), то число частиц заметно возрастёт. Это возрастание объясняется следующим образом.

Парафин содержит в большом количестве атомы водорода, масса которых близка к массе нейтронов. Проходя через парафин, нейтроны сталкиваются с ядрами атомов водорода (протонами) и передают им значительную часть своей энергии. В результате из парафина выбиваются протоны; последние проникают в ионизационную камеру (счётчик) и регистрируются в ней.

Итак, в отличие от заряженных частичек (протонов, электронов, -частиц) нейтроны при прохождении через вещество не теряют своей энергии на ионизацию атомов этого вещества. Этим объясняется огромная проникающая способность нейтронов.

По той же причине нельзя непосредственно обнаружить нейтроны в камере Вильсона. Но если нейтрон столкнётся с ядром атома, например с протоном, то последний при этом получит большую кинетическую энергию, а значит, и способность ионизировать атомы. Таким способом и был обнаружен нейтрон, а именно по действию выбитых им ядер элементов. Если сам он и не оставляет следа, то протон, получившийся в результате столкновения его, например, с ядром атома водорода, оставляет ионный след в камере Вильсона (рис. 351).

Точные измерения показали, что масса нейтрона очень близка к массе протона. Следовательно, нейтрон можно рассматривать как частицу с массовым числом 1 и с зарядом 0. Нейтрон принято изображать символом .

Ядерную реакцию, вызывающую появление нейтрона при встрече -частицы с ядром бериллия, можно записать в следующем виде:

Нейтроны в свою очередь могут быть использованы для превращения элементов; и действительно, вскоре после их открытия удалось наблюдать, например, такую реакцию:

Таким образом, открытие нейтронов дало в руки исследователей новое могучее орудие воздействия на ядра атомов.

Строение атомных ядер. Внутриядерная энергия

Явление радиоактивности и искусственное превращение элементов ясно указывают на то, что атомное ядро построено из некоторого числа частиц.

Самый лёгкий элемент—водород — состоит, как мы видели, из одного электрона и одного протона. Ядром атома водорода, таким образом, является протон. Из каких же частиц состоят ядра других атомов? Какова структура ядра?

Советские учёные Д. Д. Иваненко и Е. Д. Гапон высказали гипотезу о том, что ядра всех элементов состоят из протонов и нейтронов. Масса ядра равна сумме масс протонов и нейтронов Заряд же ядра обусловлен только протонами, так как нейтрон электрически нейтрален.
Зная массовое число и порядковый номер изотопа элемента, можно определить число протонов и число нейтронов в ядрах этого элемента.

Так, например, массовое число серебра 108, а порядковый номер его 47, это значит, что в ядре атома серебра содержится 47 протонов и 108—47 = 61 нейтрон.

Если Z — порядковый номер элемента (который указывает число протонов в ядре), М — массовое число его, а N — число нейтронов в ядре, то можно написать следующее равенство:

Так как изотопы одного и того же элемента имеют одинаковый порядковый номер, но различные массовые числа, то это значит, что ядра атомов их имеют одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.

Одним из важнейших вопросов учения о строении ядер является вопрос о природе сил, которые связывают частицы в ядре.

О наличии этих сил говорит нам устойчивость ядер нерадиоактивных элементов.

Что же это за силы? Поскольку ядра состоят из протонов и нейтронов, эти силы не могут быть обычными силами электрического взаимодействия. Больше того, между протонами действуют отталкивающие электрические силы. Ясно также, что эти силы не являются и силами тяготения, так как силы тяготения между частицами со столь малыми массами, как протон и нейтрон, ничтожно малы и вряд ли могут играть в ядерных процессах какую-нибудь заметную роль.

Естественно допустить, что главные силы, действующие между ядерными частицами, имеют какой-то иной характер. Природа этих сил довольно сложная, их принято называть ядерными силами.

Ядерные силы очень быстро уменьшаются при увеличении расстояния между частицами, и они действуют лишь в самом ядре и в непосредственной близости от него. Между нейтронами, а также между протоном и нейтроном действуют только лишь ядерные силы. Между протонами, помимо ядерных сил, действуют ещё электрические силы отталкивания. На очень малых расстояниях действие ядерных сил значительно превышает действие электрических сил.

Самой характерной особенностью атомных ядер является то. что у них очень велика энергия взаимодействия частиц, составляющих ядро. Эта энергия называется внутриядерной или атомной энергией.

Установлено, что в равных количествах вещества запасы атомной энергии превышают запасы химической энергии примерно в миллион раз.

В настоящее время учёным удалось найти способы использования внутриядерной энергии для практических целей.

Деление ядра урана

Цепная ядерная реакция. В 1939 г. было установлено, что при облучении урана нейтронами образуется новое неустойчивое ядро урана, которое расщепляется на два ядра с приблизительно равными массами.

Такой вид ядерной реакции, при которой тяжёлое ядро расщепляется на два ядра-осколка примерно равной массы, называется ядерной реакцией деления.

Опыт показывает, что ядра-осколки, образовавшиеся при делении ядра урана, разлетаются в стороны с громадными скоростями — происходит своеобразный взрыв атомного ядра, сопровождающийся интенсивным -излучением. Следовательно, при

делении ядер урана происходит превращение ядерной энергии в кинетическую энергию разлетающихся осколков и в энергию излучения.

Энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, равна примерно 200 Мэв. Подсчитано, что если бы произошёл распад ядер всех атомов 1кг урана, то он сопровождался бы выделением энергии в таком же количестве, как и при сгорании 2000 тонн угля, или при взрыве 20 000 тонн тринитротолуола.

Осколки ядра урана являются радиоактивными и испытывают ряд последовательных превращений, в свою очередь сопровождающихся выделением энергии. Было обнаружено, что при распаде ядер урана образуются многие элементы, например барий, криптон, рубидий, кадмий и др.

Самая замечательная особенность ядерной реакции деления состоит в том, что она сопровождается самопроизвольным (спонтанным) испусканием нейтронов. Как показали исследования, на одно разделившееся ядро приходится несколько (от 1 до 3) нейтронов (рис. 352).

Этот факт играет решающую роль в использовании внутриядерной энергии. Если при делении ядра урана, кроме двух новых ядер, образуется ещё 1—3 нейтрона, то эти нейтроны в свою деления очередь могут быть захвачены другими ядрами урана, которые при этом делятся, образуя теперь уже удвоенное количество новых нейтронов; последние могут вызвать дальнейшие деления.

Количество нейтронов, а вместе с ними количество делящихся ядер непрерывно растёт. Вместе с тем растёт и количество выделяемой энергии, которое может достигнуть огромной величины. Весь этот процесс протекает очень быстро.

Описанная выше ядерная реакция называется цепной реакцией. Схема такой реакции изображена на рисунке 353.

Так как в цепной реакции процессы деления ядер происходят чрезвычайно быстро, практически мгновенно, то выделение огромного количества энергии при некоторых условиях происходит как взрыв огромной силы.

Однако практическое осуществление ядерной цепной реакции взрывного вида возможно лишь при определённых условиях.

Дело в том, что природный уран состоит в основном из двух изотопов: 99,3% Причём оказалось, что цепная реакция возможна только при делении ядер изотопа

Изотоп же только поглощает нейтроны, точно так же как поглощают нейтроны и всякие посторонние примеси в уране, препятствуя развитию ядерной цепной реакции.

Следовательно, для образования цепной ядерной реакции необходимо из природного урана выделить в чистом виде изотоп . Отделение же этого изотопа представляет собой задачу хотя практически и решённую, но крайне трудную.

Кроме , ядерная цепная реакция может развиваться в куске металла плутония. Плутоний в природных земных условиях не встречается, его получают из урана в особых установках, называемых урановыми котлами.

Использование плутония вместо выгодно потому, что несколько новых нейтронов вызывают дальнейшие деления плутоний можно отделить от урана химическим путём, что значительно легче, чем разделять изотопы.

Выше указывалось на то, что цепная реакция при делении ядер урана и плутония происходит как взрыв огромной силы. Однако это может иметь место лишь в том случае, когда масса кусков больше некоторой определённой величины, называемой критической. Дело в том, что в случае небольшой массы куска нейтроны, образовавшиеся при делении ядер, могут вылететь из куска и не вызвать дальнейшего деления ядер. Поэтому можно безопасно хранить только в количествах, меньших критической массы.

Для получения взрыва необходимо две части одного из двух указанных веществ (каждая из которых меньше критической массы, но в сумме ей равная) быстро привести в соприкосновение.

Решение этой задачи представлено схематически на рисунке 354. Два куска урана разъединены; если их сблизить, то вместе они будут иметь критическую массу; произойдёт цепная ядерная реакция, результатом которой будет взрыв. Куски урана сближаются в нужный момент с помощью запала и заряда взрывателя.

Взрыв атомной бомбы создаёт мощные воздушные волны, сопровождается резким повышением температуры, интенсивным излучением ослепляющего света и обильным радиоактивным излучением.

Основным поражающим фактором при взрыве атомной бомбы является ударная волна, которая представляет собой область сильно сжатого воздуха и распространяется со сверхзвуковой скоростью во все стороны от центра взрыва. При атомном взрыве образуются сильно ионизированные радиоактивные атомы более лёгких элементов, которые оседают, заражая местность и воздух, а также находящиеся на местности предметы, сооружения, технику и людей. Однако образовавшиеся при атомном взрыве радиоактивные вещества довольно быстро распадаются. Поэтому даже сильно заражённые участки местности или воды становятся безопасными через несколько дней.

Термоядерная реакция

Мы рассмотрели получение внутриядерной энергии при делении ядер атомов тяжёлых элементов.

Но ядерную энергию можно получить и путём соединения ядер лёгких элементов. В качестве примера рассмотрим процесс образования ядра лёгкого элемента — гелия.

Ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, можно образовать, например, из ядер двух изотопов водорода — тяжёлого водорода (дейтерия) и сверхтяжёлого (трития).

Сближаясь, ядра дейтерия и трития попадают в сферу действия мощных сил ядерного притяжения. Эти силы связывают два нейтрона и два протона в устойчивую систему, представляющую собой ядро атома гелия. При этом лишний нейтрон выбрасывается с огромной скоростью.

В процессе образования ядра гелия ядерные силы совершают большую работу, результатом которой является увеличение кинетической энергии взаимодействующих частиц. Кинетическая энергия, возникающая за счёт работы ядерных сил, отдаётся в окружающую среду путём выбрасывания нейтрона, а также -излучением. При этих ядерных реакциях выделяется энергия, примерно в 10 раз большая, чем при реакциях деления ядер тяжёлых элементов (на единицу массы реагирующего вещества).

В отличие от деления ядер тяжёлых элементов реакция соединения ядер лёгких элементов может протекать только при очень высоких температурах, измеряемых миллионами и даже десятками миллионов градусов. Это обусловлено тем, что только при таких сверхвысоких температурах движение ядер становится настолько быстрым, что обеспечивает сильные взаимные удары ядер, при которых возможно непосредственное соединение их. Ядерные реакции, происходящие при очень высоких температурах, называются термоядерными.

Есть все основания полагать, что термоядерные реакции происходят в недрах Солнца и звёзд. За счёт этих реакций и пополняется энергия этих небесных светил.

На Земле единственным источником сверхвысоких температур в настоящее время является атомный взрыв.

Термоядерные реакции, которые удалось осуществить до настоящего времени, носят взрывной характер. Осуществить регулируемую термоядерную реакцию, протекающую медленно, подобно цепной реакции деления ядер тяжёлых элементов в урановых котлах, пока ещё не удаётся. В силу этого термоядерные реакции пока могут быть использованы только для создания бомб чрезвычайно больших мощностей. К числу бомб, в которых используется термоядерная реакция, относится так называемая водородная бомба.

Возможное устройство водородной бомбы схематически показано на рисунке 354а.

Водородная бомба должна иметь прочную металлическую оболочку, размеры которой больше размеров атомных бомб. В этой оболочке помещается запас водородного горючего, содержащего дейтерий и тритий. Вблизи него находятся два удалённых друг от друга куска А урана или плутония (заряд атомной бомбы).
Для сближения частей урана или плутония используются заряды обычного взрывчатого вещества К (тротила).

При взрыве тротила атомные заряды сближаются. В момент их соединения происходит атомный взрыв, развивается сверхвысокая температура, при которой происходит взрыв и водородного горючего.

Взрыв водородной бомбы сопровождается, так же как и атомный взрыв, высокой температурой, ударной волной и возникновением радиоактивных продуктов распада.

Так как для водородных бомб не существует критической массы, то мощность их принципиально не имеет ограничения.

Перспективы практического использования атомной энергии

Открытие атомной энергии принадлежит к числу самых значительных научных открытий XX века. В полной мере значение этого открытия для будущего человечества сейчас трудно предугадать.

К сожалению, это замечательное открытие было использовано в самом начале правящими кругами США для массового уничтожения людей при бомбардировке городов Хиросима и Нагасаки в войне против Японии (1945 г.).

Беспокоясь за судьбу своих сверхприбылей, реакционные капиталистические круги Америки всячески тормозят разработку проблемы применения атомной энергии для мирных промышленных целей. В то же время они расходуют огромные средства на создание большого количества атомных бомб.

Иначе к вопросу использования атомной энергии относится Советский Союз, который также обладает атомным и термоядерным оружием. Советский Союз энергично борется за запрещение оружия массового уничтожения, за ликвидацию имеющихся запасов атомных и водородных бомб и за широкое применение атомной энергии в мирной промышленности.

Так как атомная энергия может превращаться в другие виды энергии, то это даёт возможность строить теплоэлектроцентрали, в которых деление ядер ежедневно будет давать миллионы кило-ватт-часов энергии, которую можно передавать различным потребителям в виде энергии электрического тока. Реальными также являются перспективы создания двигателей, работающих на атомном «горючем».

Уже в настоящее время у нас действует первая в мире атомная электростанция на 5000 квт. В ближайшем будущем будут пущены атомные электростанции на значительно большие мощности. Широкое применение найдут медленно протекающие цепные реакции, которые сопровождаются равномерным превращением внутриядерной энергии в другие виды энергии.

Такие реакции осуществляются в урановых (атомных) котлах с помощью замедленных нейтронов.

На рисунке 355 изображена схема одной из возможных паросиловых установок с атомным котлом.

Искусственная радиоактивность

В 1934 г. французские физики Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что при бомбардировке алюминия -частицами происходит ядерная реакция, которую можно записать следующим образом:

Замечательной особенностью этой ядерной реакции было то, что образовавшийся в результате её изотоп фосфора оказался радиоактивным: он самопроизвольно распадался, испуская позитроны, и превращался в устойчивый изотоп кремния:

Вскоре были открыты и другие ядерные реакции, которые приводили к образованию радиоактивных элементов. Например, при бомбардировке магния -частицами протекала следующая реакция:

Ядро магния, поглощая a-частицу, выбрасывало нейтрон и превращалось в ядро изотопа кремния . В отличие от устойчивого изотопа кремния , который появлялся в результате описанного выше превращения алюминия, изотоп кремния оказался радиоактивным: он также самопроизвольно распадался, испуская позитроны, и превращался в алюминий по следующей схеме:

Таким образом, Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри открыли возможность создания искусственных радиоактивных элементов.

Они отличаются от естественных радиоактивных элементов (радий, уран, торий) только тем, что вместо электронов чаще всего испускают позитроны.

Это открытие имеет большое значение. Дело в том, что радиоактивные элементы получили широкое практическое применение. Естественные же радиоактивные элементы встречаются в малых количествах и их получение обходится очень дорого (см. § 192). Поэтому получение искусственных радиоактивных элементов из повсеместно распространённых дешёвых веществ открывает возможность их широкого производства.

Применение радиоактивных элементов

Области практической применения радиоактивных элементов чрезвычайно раз нообразны. Осветим только некоторые из них.

«Меченые» атомы. Так называются атомы радиоактивных элементов, введённые внутрь каких-либо тел. Наличие «меченых» атомов легко обнаружить: они испускают радиоактивные лучи, которые оставляют след на фотопластинке или производят ионизацию в камере счётчика (§ 194). С помощью счётчика можно обнаружить наличие в данном месте тела ничтожно малого количества «меченых» атомов. Этим обстоятельством и пользуются при практическом применении «меченых» атомов. Приведём несколько примеров.

В жизни растений важную роль играет фосфор, извлекаемый ими из почвы в виде солей фосфорной кислоты — фосфатов. Поэтому при недостатке фосфора в почве её удобряют фосфатами, а для повышения урожайности сельскохозяйственных культур часто производят подкормку растений.

До последнего времени считалось, что минеральные соли поступают в растения в виде раствора через корни, а углекислый газ усваивается листьями. Однако агрономы обнаружили, что если при подкормке растений раствор с минеральными удобрениями вводить не в землю, а смачивать им листья, то растения развиваются быстрее. Возник вопрос, не попадают ли питательные вещества в растение и через листья. С помощью «меченых» атомов на этот вопрос удалось получить ответ.

Подкармливая растение удобрением, в которые были подмешаны радиоактивные атомы фосфора, учёные установили, что удобрение, нанесённое на лист растения, доходит до плода гораздо быстрее, чем удобрение, идущее из почвы через корень. Обнаружили это следующим образом.

Брали два одинаковых растения. Фосфатом, содержащим радиоактивный фосфор, поливали почву вокруг одного растения, а у другого наносили такой же раствор на листья. Спустя несколько дней оба растения срезали и клали на фотопластинку. После проявления на пластинках обнаруживались светлые места, которые указывали на расположение «меченых» атомов радиоактивного фосфора. Оказалось, что на фотографии растения, удобренного через листья, светлых мест больше. Следовательно, растение действительно быстрее усваивает удобрение тогда, когда оно вводится через листья.

Вводя в организм человека с пищей небольшие количества радиоактивного железа, натрия, йода и других элементов и регистрируя радиоактивное излучение, выходящее из разных частей тела, можно изучать распределение этих элементов в человеческом организме, скорость их распространения и другие процессы.

Медицина. Исключительно важное значение приобрели радиоактивные изотопы в медицинской диагностике. Например, в одном случае нужно было определить местоположение опухоли в мозгу.

Было известно, что ткани мозговой опухоли поглощают почти в сто раз больше фосфора, чем здоровые ткани. Больному сделали вливание раствора, содержащего радиоактивный фосфор. Опухоль, поглотившая в большом количестве «меченые» атомы фосфора, сразу же была обнаружена с помощью счётчика, перемещавшегося по черепной коробке.

Радиоактивное излучение радия давно применялось в медицине для лечения раковых заболеваний. Но радий — редкий и дорогостоящий элемент, поэтому лечение проводилось лишь в немногих местах. Замена радия искусственными радиоактивными элементами резко изменила положение: указанный метод лечения стал общедоступным.

Применение в промышленности. Радиоактивное -излучение обладает способностью проникать через слои вещества более толстые, нежели в случае рентгеновского излучения. Для получения рентгеновского излучения нужна дорогостоящая, довольно громоздкая установка; в случае же использования -излучения «ужен лишь кусочек искусственного радиоактивного вещества. Это обстоятельство позволяет проводить многие операции по просвечиванию всевозможных изделий из различных материалов с целью обнаружения в них изъянов (трещин, раковин) быстрее, проще и дешевле.

Взаимная превращаемость частиц

Мы говорили о так называемых элементарных частицах: электронах, протонах, нейтронах, позитронах, фотонах. Под элементарными частицами надо понимать такие частицы, которые на данном этапе развития физических знаний представляются простейшими, т. е. не состоят из других частиц.

Мы знаем теперь, что ядра атомов состоят из нейтронов и протонов; никакие другие элементарные частицы в состав атомного ядра не входят.

Между тем при радиоактивном распаде, кроме нейтронов и протонов, из ядер выбрасываются -частицы, электроны и фотоны. Что касается -частиц, то эти частицы сложные; они образуются в самом ядре из нейтронов и протонов.

Спрашивается: откуда берутся электроны и фотоны? В ядре их нет. Значит, они образуются в процессе распада ядра.

В настоящее время установлено, что испускание электрона происходит в результате превращения одного из ядерных нейтронов в протон. С другой стороны, протон, поглощая электрон, может превращаться в нейтрон.

Открыты процессы превращения фотонов в электроны и позитроны и, наоборот, электронов вместе с позитронами в фотоны, а также многие другие виды превращений.

Таким образом, взаимная превращаемость является характернейшим признаком элементарных частиц. Элементарные частицы не делятся, но они обладают свойством взаимного превращения.

Взаимная превращаемость частиц обусловливает необычайное богатство и многообразие явлений, разыгрывающихся в микромире, свидетельствуя о неисчерпаемости свойств матеоии.

Новые открытия в области атомной физики убедительнейшим образом подтверждают мысль В. И. Ленина, высказанную им в гениальном труде «Материализм и эмпириокритицизм»:
«Признание каких-либо неизменных элементов, «неизменной сущности вещей» и т. п. не есть материализм, а есть метафизический, т. е. антидиалектический материализм.

«Сущность» вещей или «субстанция» тоже относительны; они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна. »

Установки для получения частиц с большой энергией

Установки для получения частиц с большой энергией получили название ускорителей.

Чтобы сообщить частицам большую энергию, их можно разгонять, например, в электростатическом поле высокого напряжения, порядка нескольких миллионов вольт. На этом принципе были основаны первые ускорители. В настоящее время в основном применяется ускорение заряженных частиц в переменном электрическом поле. Осуществляется это в ускорителях различного рода — линейных и циклических.

Простейшая схема линейного ускорителя представлена на рисунке 29. В вакуумной трубке помещён источник заряженных частиц 1, ускоряющий электрод 2 и трубчатые электроды 3, 4, 5 и 6. На эти электроды от специального генератора подают высокочастотное переменное напряжение.
В случае ускорения электронов на электрод 2 подаётся положительный потенциал относительно источника частиц 1, а в случае ускорения положительных ионов—отрицательный потенциал. Ускоряемые в этом электрическом поле заряженные частицы после пролёта внутри электрода 2 попадают в пространство между электродами 2 и 3, к которым приложено высокочастотное напряжение. Под действием этого поля заряженные частицы ещё ускоряются и входят в трубчатый электрод 3. Промежуток между электродами 2 и 3 заряженные частицы проходят за время, равное половине периода колебаний высокочастотного

напряжения, подводимого к электродам 3, 4, 5 и 6. Через половину периода поле между электродами 2 и 3 меняет своё направление на обратное и должно было бы тормозить частицы. Но пока поле имеет такое (обратное) направление, заряженная частица движется внутри электрода 3 без ускорения, по инерции. Ко времени, когда частица попадает в промежуток между электродами 3 и 4, электрическое поле вновь изменяет направление и частица ускоряется этим полем. При прохождении частицей следующих промежутков (4—5 и 5—6) все процессы повторяются.

Таким образом, в линейном ускорителе частицы движутся через ускоряющие промежутки в такт с изменением в них электрического поля и в каждом из этих промежутков ускоряются. Применяя большое число электродов в линейном ускорителе, удаётся получить заряженные частицы с очень высокими энергиями.

Для получения положительных ионов с большой энергией чаще применяются циклические ускорители — циклотроны. Действие этих установок также основано на многократном ускорении частиц, но частицы в них движутся не прямолинейно, а по спирали.

Главной частью циклотрона является очень большой электромагнит, между полюсами которого создаётся сильное однородное магнитное поле. В рабочей камере, где находится электромагнит, создан высокий вакуум.

Если в магнитное поле электромагнита попадёт заряженная частица, обладающая некоторой начальной скоростью, перпендикулярной к направлению силовых линий поля, то она будет описывать в этом поле окружность. Радиус этой окружности пропорционален скорости частицы.

В рабочей камере циклотрона между полюсами электромагнита помещена плоская круглая коробка, разрезанная по диаметру на две части (рис. 30), между которыми оставлена щель. Части коробки имеют форму латинской буквы D, поэтому и получили название «дуанты». Дуанты служат ускоряющими электродами: между ними с помощью высокочастотного генератора создаётся переменное напряжение от 30 000 до 100 000 в.

Частота изменений напряжённости этого поля такова, что она соответствует времени одного полного оборота частицы в магнитном поле.

В щели между дуантами, вблизи центра камеры, помещают источник ионов.

Внутри дуант электрического поля нет, ионы там движутся по инерции. Магнитное же поле электромагнита, силовые линии которого направлены перпендикулярно скорости движения ионов, не изменяет их скорости, а только искривляет их траектории, вынуждая их описывать окружности.

Допустим, что вблизи средней точки дуант появились положительные ионы в тот момент, когда левая дуанта имеет максимальный отрицательный потенциал. Под действием электрического поля ионы сместятся к этой дуанте и проникнут внутрь неё. Под действием же магнитного поля ионы опишут в дуанте полуокружность. Через промежуток времени (Т — период изменения напряжения между дуантами) ионы снова окажутся между дуантами. Таким образом, они достигнут щели между дуантами к тому моменту, когда напряжение станет таким же по величине, как при первом ускорении, но будет противоположно по направлению. Так как ионы теперь движутся через щель также в противоположном направлении (внутрь правой дуанты), то они вновь ускорятся и энергия их увеличится. Затем они, двигаясь в правой дуанте, опишут новую полуокружность, несколько большего радиуса (так как скорость их увеличилась), и окажутся между дуантами в тот момент, когда напряжение станет равным первоначальному. Ионы испытают новое ускорение, энергия их увеличится и т. д.

Этот процесс повторяется многократно, энергия ионов всё больше возрастает, ионы всё ближе подходят к наружным стенкам дуант, двигаясь по спирали. После сотни последовательных оборотов ионы, накопив значительную кинетическую энергию, приближаются к боковым стенкам дуант. На выходе из дуанты помещают отклоняющую пластинку, к которой приложено постоянное напряжение, порядка нескольких десятков тысяч вольт. Пучок ускоренных ионов отклоняется и выходит из дуант в камеру, где расположена мишень.

Таков принцип действия циклотрона. При помощи циклотрона можно получать примерно частиц в секунду с энергией до 100 Мэв. Для сравнения укажем, что 1 г радия испускает в секунду -частиц с энергией 4,7 Мэв.

Циклотрон применяется для ускорения тяжёлых частиц: протонов, а-частиц, ионов атомов. Но он не применим для ускорения электронов, так как в этом случае очень сильно сказывается увеличение массы электронов при увеличении скорости их движения.

Внешний вид циклотрона изображён на рисунке 31.

В 1944 г советский физик В И. Векслер усовершенствовал принцип действия простейшего циклического ускорителя — циклотрона. В настоящее время получают частицы с энергией в миллиарды электрон-вольт. В Объединённом институте ядерных исследований в г. Дубне (близ Москвы) построен мощный ускоритель— синхрофазотрон, позволяющий получить частицы с энергией .

Приведём некоторые данные об этом сооружении: электромагнит синхрофазотрона имеет наружный диаметр 72 м, вес электромагнита с обмотками — 36 000 Т, объём вакуумной камеры—, частица до получения расчётной энергии делает 4,5 миллиона оборотов, проходя путь около 1 миллиона км; для питания электромагнита требуется ток 12 800 а.

Энергия связи. Дефект масс. Атомная энергия

Для того чтобы разбить ядро на протоны и нейтроны, необходимо произвести работу по преодолению ядерных сил, необходимо сообщить ядру энергию. Наоборот, при соединении этих частиц выделяется энергия. По закону сохранения энергии выделяющаяся энергия равна той энергии, которую нужно сообщить ядру, чтобы разбить его на протоны и нейтроны. Эта энергия называется энергией связи. Очевидно, чем больше величина энергии связи, тем устойчивее ядро.

Каким же образом можно определить величину энергии связи ядра?

Наиболее простой путь определения энергии связи атомных ядер основан на одном замечательном законе природы, устанавливающем соотношение между массой тел и их энергией. Закон этот был открыт знаменитым учёным Эйнштейном.

Согласно этому закону, изменение массы тела влечёт за собой изменение энергии этого тела.

Если — изменение массы некоторого тела, а — изменение его энергии, то связь между этими величинами выразится равенством:

где с —скорость света

Из формулы видно, что ничтожно малому изменению массы тела соответствует значительное изменение энергии. Подсчитаем, например, какое количество энергии выделится при уменьшении массы какого-нибудь тела на 1 г. По уравнению найдём, что в этом случае А Такое количество энергии выделяется при полном сгорании 3000 т угля.

Какое же отношение имеет рассмотренный нами закон к подсчёту энергии связи атомных ядер?

При образовании ядер из протонов и нейтронов освобождается энергия электромагнитного излучения, излучаются фотоны. Энергия ядерной системы уменьшается. Это явление должно вести за собой уменьшение массы, так как излученные фотоны уносят с собой некоторую часть её. Масса получившегося ядра, таким образом, должна быть меньше суммы масс, входящих в ядро протонов и нейтронов. Эту разность масс называют дефектом массы ядра. Наличие дефекта масс подтверждается опытом.

Атомные массы принято выражать в атомных единицах массы (сокращённо а. е. м.). За единицу атомной массы принимают часть массы атома кислорода. Абсолютная величина единицы атомной массы равна

Изменению массы на одну единицу атомной массы соответствует изменение энергии в 931 Мэв.

Масса протона а. е. м., масса нейтрона а. е. м. Сумма этих масс равна 2,01708 а. е. м.

При соединении атома водорода с нейтроном образуется дейтерий, масса которого 2,0147 а. е. м. Таким образом, масса атома дейтерия меньше суммы масс его составляющих на 0,00238 а. е. м., т. е. дефект массы равен 0,00238 а. е. м. Такому дефекту массы соответствует выделенная с фотоном энергия что и подтверждается непосредственным опытом. Такую же энергию, как показывает опыт, нужно затратить, чтобы разбить ядро атома дейтерия на протон и нейтрон. Таким образом, энергия связи ядра дейтрона будет 2,2 Мэв.

Дефект массы характеризует энергию связи атомного ядра.

Подсчитаем энергию связи ядра гелия (а-частицы). Ядро гелия состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Сумма масс этих частиц равна а. е. м„ а масса ядра гелия — 4,00280 а. е. м. Дефект массы, таким образом, равен:

Этой массе соответствует энергия 28 Мэв, которая и представляет собой энергию связи ядра гелия.

Рассчитывая подобным образом энергию связи ядра лития, найдём, что она равна 39 Мэв.

Эту энергию обычно принято называть ядерной или атомной энергией.

Так как ядерные силы очень велики, то при их высвобождении, т. е. при ядерных превращениях, выделяется огромное количество энергии. Так, при разложении, например, 1 г лития протонами выделилась бы энергия, равная 12 500 000 дж, что соответствует количеству теплоты, выделяющемуся при сгорании 8 т угля.

Ядерный реактор

Самая важная область применения внутриядерной энергии — превращение её в электрическую энергию. Это превращение происходит на атомных электростанциях, существенной частью которых является ядерный реактор.

В ядерном реакторе применяют природный уран, а не изотоп его , дающий при определённых условиях цепную реакцию в виде взрыва. Нейтроны, получающиеся при делении ядер , в природном уране могут встретить на своём пути как ядра урана-235, так и ядра урана-238.

Как показали исследования, изотоп урана с массовым числом 235 делится в основном медленными нейтронами. При этом выделяется большое количество энергии, а также новые нейтроны, необходимые для осуществления цепной реакции. Изотоп урана с массовым числом 238 поглощает быстрые нейтроны.

Поскольку в природном уране атомов урана-238 намного больше, чем атомов урана-235, то довольно значительная часть нейтронов будет неизбежно поглощаться ядрами урана-238. Для продолжения же реакции деления необходимо, чтобы из всех нейтронов, получившихся в результате деления ядра урана-235, хотя бы один попал в другое ядро урана-235. Поэтому, чтобы уменьшить захват нейтронов ядрами урана-238, на пути нейтронов ставят замедлители. При соударениях с атомами замедлителя нейтроны уменьшают свою энергию. Замедлителями для нейтронов могут быть вещества, состоящие из лёгких атомов, например: углерод (графит), тяжёлая вода, бериллий.

Схема ядерного реактора с замедлителем-графитом дана на рисунке 32.

Работа такого реактора происходит следующим образом. Ядра атомов урана-235 делятся, вследствие чего выделяется энергия и вылетают новые нейтроны. Вылетевшие из ядра урана-235 нейтроны сталкиваются с ядрами атомов углерода (графита) и замедляются.

Для того чтобы затруднить вылет нейтронов за пределы реактора, вокруг его активной зоны, т. е. зоны, где расположен уран, устраивается отражатель СО (в данном случае графитовая оболочка).

После многократных столкновений с ядрами углерода нейтроны возвращаются в активную зону реактора и рано или поздно встречаются с ядрами атомов урана-235, производят деление этих ядер.

При некоторых условиях цепная реакция в реакторе развивается настолько быстро, что если при этом её не ограничивать, то может произойти катастрофа. Чтобы этого не произошло, применяют регуляторы. В качестве регуляторов используют стержни из веществ, очень сильно поглощающих нейтроны (кадмий, бор). На схеме показан один из таких стержней. Поднимая и опуская эти стержни, можно регулировать скорость реакции. Для обеспечения безопасности имеется и аварийный стержень, который при необходимости автоматически опускается в реактор и, интенсивно поглощая нейтроны, прекращает цепную реакцию.

При делении ядер урана-235 выделяется внутриядерная энергия и температура в реакторе повышается. Графитовые блоки реактора охлаждаются водой, газом (водородом, гелием) или жидкими металлами, например натрием.

Эти вещества, нагреваясь, поступают в специальные устройства, где передают энергию воде, превращая её в пар, который приводит в движение турбины электростанций или применяется для других нужд.

Атомная электростанция

Начало атомной энергетике было положено 27 июня 1954 г. пуском в Советском Союзе первой атомной электростанции мощностью 5000 квт. Сооружение первенца атомной энергетики явилось триумфом отечественной науки и техники, результатом громадного труда учёных, инженеров и рабочих нашей страны. В настоящее время в России продолжается работа по созданию атомных электростанций. Так, например, завершается строительство двух мощных электростанций, работающих на ядерном топливе (Белоярская имени И. В. Курчатова и Ново-Воронежская).

В первой атомной электростанции Академии наук применён уран-графитовый реактор, окружённый слоем воды (толщиной 1 м) и бетона (3 м). Внутри реактора размещены стальные тонкостенные трубки (общей длиной до 7 м), по которым протекает дистиллированная вода. При работе реактора вода нагревается до 260—270°С под давлением 100 атм (при данном давлении сода не доведена до кипения). Далее вода поступает п теплообменник, где отдаёт часть своей внутренней энергии воде второго контура, и с помощью насоса вновь поступает в реактор. Вода второго контура в теплообменнике превращается в пар, который поступает в паровую турбину. Турбина приводит в движение электрический генератор. Второй контур также замкнут: после турбины пар попадает в конденсатор, где превращается в воду, затем очищается от примесей и после этого очищенная вода вновь поступает в теплообменник. Направление движения воды в контурах таково, что в теплообменнике вода обоих контуров движется навстречу друг другу.
Разделение контуров воды необходимо из-за того, что в первом контуре вода при прохождении через реактор становится радиоактивной. Во втором же контуре вода и пар не обладают радиоактивностью, поэтому у турбины и других сооружений станции нет радиоактивных излучений.

Принципиальная схема паросиловой установки с атомным котлом изображена на рисунке 33.

Расход ядерного горючего на станции за сутки составляет 30 г урана (на обычной станции такой же мощности потребляется примерно 100 т угля в сутки), паропроизводительность станции — 40 т пара в час, коэффициент полезного действия — 15-17%.

Перспектива развития ядерной энергетики в России

Современную науку о строении атома называют атомной и ядерной физикой. Атомная физика охватывает вопросы строения атома (электронные оболочки, взаимодействие атомов), а ядерная физика — строение ядер атомов и ядерные реакции.

Атомная и ядерная физики — молодые пауки, но и теперь уже их открытия положены в основу чрезвычайно важных практических применений (ядерная энергетика, применение радиоактивных изотопов и т. п.). А как широки перспективы, которые открываются в процессе дальнейшего развития этих наук!

В развитии современной науки об атоме и его ядре велика роль советских учёных И- В. Курчатова, Л. А. Арцимовича, Д. В. Скобельцина, С. Н. Вернова, Д. Д. Иваненко и других.

Все достижения советской науки дали возможность нашим учёным, инженерам, техникам и рабочим создать первую в мире атомную электростанцию, первый в мире атомный ледокол, добиться других крупнейших успехов в использовании атомной энергии в мирных целях.

В последнее время возникла новая, бурно развивающаяся область физики — физика элементарных частиц. В этой области колоссальное значение имеет дальнейшее развитие физики и техники ускорителей заряженных частиц.

Как уже говорилось, очень большие научно-исследовательские работы проводятся в россии по управляемым термоядерным реакциям. Созданы первые советские установки для получения управляемых термоядерных реакций. Успешное решение этой задачи даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.

Успехи в развитии ускорительной техники, в ядерной энергетике, в исследованиях по созданию управляемых термоядерных реакций дают все основания утверждать, что в России атомная энергия будет всё шире и шире применяться для решения грандиозных задач мирного строительства и что в ближайшее время мы будем свидетелями ещё более грандиозных и необычных открытий.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Что такое электричество и как оно возникает

Электроника – это замечательная прикладная и теоретическая наука, которая с каждым днем набирает обороты, распространяется и внедряется во все отрасли. Изучение ее следует начинать с самых общих понятий и физических процессов. Знание которых, в дальнейшем упростит понимание принципов работы различных электронных приборов и устройств. И первое понятие, которое нам нужно усвоить – это, что такое электричество?

Открытие электричества

Впервые свойства электричества были обнаружены более 2,5 тысяч лет назад древним философом Фалесом Милетским, когда он протирал шерстью янтарь.

Внимательный философ заметил, что к уже натертому драгоценному камню притягиваются мелкие предметы. Хотя по логике, сформированной на уровне знаний того времени, все предметы должны были притягиваться к земле, т.е. падать на землю под действием сил притяжения. Однако натертый шерстью янтарь приобретал некоторое загадочное свойство, впоследствии названое зарядом, который создавал силу по величине превосходящую силу земного притяжения. И эта сила получила название «электричество». Так как слово «электрон» с греческого переводится «янтарь», то электричество дословно можно перевести янтаричество.

В те давние времена считалось, что только янтарь обладает неким загадочным свойством, способным после натирания шерстью притягивать легкие предметы, преодолевая силу земного притяжения. Однако сейчас подобный опыт довольно просто повторить, если вместо этого камня взять пластмассовую палочку и потереть ее об одежду, содержащую в своем составе шерсть. Затем, при поднесении натертой палочки к мелким кусочкам бумаги под действием электрических сил кусочки бумаги притянутся к палочке.

Из выше сказанного давайте выделим два важнейших момента:

1. Только после натирания о шерсть пластмассовая палочка приобретает некие свойства.
2. Приобретенные свойства порождают некую силу, под действие которой к палочке притягиваются кусочки бумаги.

Теперь мы четко знаем, на какие вопросы на нужно найти ответ, чтобы понять, что такое электричество.

Давайте рассмотрим физику происходящего процесса. И первым делом, чтобы анализировать, что происходит с веществом (в данном случае с пластмассой и шерстью) нам понадобятся знания о строении любого вещества. Заранее скажем, что в дальнейшем рассказе будем принимать обобщения и упрощения, однако они не исказят суть данной темы.

Строение атома

И так, начнем. Любое вещество, будь то дерево, камень, стекло или вода, состоит из более мелких элементов, которые называются молекулами. Например, капля воды состоит из множества отдельных молекул, имеющих знакомую нам химическую формулу H₂O. Далее молекулу вещества можно разделить еще на более мелкие частицы – атомы.

Одно время считалось, что атом является наименьшей частичкой, существующей в природе и на более мелкие элементы разделить его уже невозможно. Поэтому слово «атом» переводится з древнегреческого «неделимый».

Сейчас известны всего лишь более ста различных атомов, однако они могут образовать миллионы разных молекул и соответственно столько же разных веществ. Например, молекулу воды H₂O образуют два атома водорода H и один кислорода O.

Со временем, проделав множество кропотливых опытов, ученые пришли к выводу о существовании еще гораздо меньших частичек.

Планетарная модель атома

Центральный и наиболее тяжелым элементом атома считается ядро. Вокруг него на некотором расстоянии по разным орбитам перемещаются электроны. Ядро не является цельным элементом, его составляют протоны и нейтроны.

Электроны обладает отрицательным зарядом, а протоны – положительным. Нейтрон не проявляет свойств ни тех, ни других зарядов, т.е. он нейтрален, отсюда и получил свое название.

Для упрощения некоторых процессов применяется планетарная модель атома. По аналогии с Солнцем, вокруг которого по орбитам движутся планеты, в атоме вокруг ядра движутся электроны. Но электрон – это не какая-то плотная частичка, а размазанный в пространстве сгусток энергии, наподобие расплюснутой шаровой молнии.

Масса протона приблизительно в 2000 раз превышает массу электрона. Но суммарный положительный электрический заряд всех протонов равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. Поэтому при нормальных условиях (по умолчанию) атом электрически нейтрален и за его пределами не ощущаются никакие силы. Положительные и отрицательные заряды как бы нейтрализуют друг друга.

В периодической системе химических элементов, известной нам, как таблица Менделеева, все атомы расположены в строгой последовательности: от наиболее легкого до наиболее тяжелого – по величине относительной атомной массе, основную долю которой составляют протоны. Нейтроны также имею массу, но о них мы говорить не будем, поскольку они не обладают выраженным электрическим зарядом.

Наиболее легким химическим элементом является водород, поэтому он первый размещен в таблице Менделеева. Атом водород имеет один протон и один электрон. Другие химические элементы содержат несколько протонов в ядре. А вокруг ядра по нескольким орбитам перемещаются электроны. Чем ближе электрон находится к ядру, тем сильнее, с большей силой он притянут к протону. Электроны, расположенные на наиболее отдаленных орбитах, имеют самую слабую электрическую связь с протонами. И если атому придать некоторой энергии из вне, например нагреть его, то под действием избыточной энергии электрон может покинуть свою орбиту, и соответственно свой атом.

Однако он может не только покинуть совой атом, но и занять место на орбите другого атома. Именно те электроны, которые расположены на самых удаленных от ядра орбитах, в электронике имеют практическое применение, поскольку при наличии дополнительной энергии они легко покидают свои орбиты и становятся свободными. А свободный электрон при перемещении уже может выполнять некоторую полезную работу.

Положительный и отрицательный ионы

Как мы уже ранее заметили, по умолчанию атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны и компенсируют другу друга. Но как только хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов преобладает отрицательный заряд всех оставшихся электронов, поэтому такой атом вцелом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.

Если атом получил дополнительный электрон, то в нем будет преобладать отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Электризация

Процесс получения дополнительного электрона или, наоборот потеря электрона, называется электризация. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, т.е. явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Теперь настало время вернуться к нашему опыту с натиранием шерстью пластмассовой палочки. При натирании пластмассы за счет сил трения, электронам, находящимся в атомах шерсти сообщается некоторая энергия, под действие которой они покидают свои атомы и занимают место на орбитах атомов пластмассы. В результате этого пластмассовая палочка приобретает отрицательный заряд за счет избытка электронов, поступивших из шерсти.

При натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Таким образом, изменение количества электронов в верхних слоях рассматриваемых материалов во время их трения, называют электризация трением.

Здесь следует заметить, что вследствие трения лишь очень мизерная часть атомов отдает свои электроны. Даже если сказать, что одна миллиардная часть атомов остается без электронов на внешней орбите, то это все еще будет слишком большим преувеличением, поэтому массы наэлектризованных тел остаются практически неизменными.

Также нужно заметить, что в результате электризации электроны ни откуда не возникают и никуда не деваются, а лишь переходят с атомов одного тела к атомам другого тела.

В нашем опыте мы использовали стекло, пластмассу, шерсть, шелк. По этим материалам очень плохо перемещаются электроны, поэтому они относятся к хорошим диэлектрикам – материалам, которые в отличие от проводников, имеют очень плохую проводимость.

В диэлектриках заряд остается на месте его возникновения и не может перейти по поверхности через все тело на другие, соприкасающиеся с ним предметы. Поэтому, когда мы натираем шерстью пластмассовую палочку, то образовавшиеся свободные заряды остаются на своих местах: электроны, покинув шерсть находят новые места на поверхности пластмассовой палочки.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.

Опыт электризации трением не получится оценить и в том случае, когда мы возьмём два металлических предмета даже с хорошо изолированными рукоятками. При взаимном трении металл об металл, как и в предыдущих опытах возникнут свободные электроны. Однако вследствие наличия неизбежной шероховатости поверхностей не получится одновременно по всей поверхности отделить оба металлические предмета, и в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны перетекут через так называемый «мостик» пока их количество снова не станет таким же, как и до натирания.

Статическое электричество

И так, с первым пунктом мы разобрались и теперь знаем, что при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию и покидают атомы одного тело, которое становится положительно заряженным и занимают места на орбитах атомов другого вещества, которое приобретает свойства отрицательного заряда. При этом заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разных знаков – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.

В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

Теперь рассмотрим второй пункт нашего опыта. Что же происходит с кусочком бумаги? Почему она притягивается к заряженной пластмассовой палочке?

Сущность физического процесса здесь заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным, а противоположный край соответственно положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.

Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага, той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.

Такое воздействие заряженным телом на другие тела, находящиеся на расстоянии, называют индуцированным воздействием.

Перемещение зарядов в проводниках при воздействии на него заряженным телом, происходит под воздействием силы электрического поля, свойства которого мы рассмотрим отдельно.

Здесь же мы еще заметим, что сила, с которой притягиваются либо отталкиваются тела, определяется величиной заряда, расстоянием между телами и средой, в которой находятся заряженные тела. Эта зависимость была установлена известным ученым Кулоном, и получила название закон Кулона.

Подытожим выше сказанное. Что такое электричество? Электричество – это наличие и взаимодействие зарядов разного знака. В дальнейшем вы увидим, что заряды образуются не только путем электризации трением, но и другими способами, например под действием протекания химических реакций. Именно так появляются электричество в батарейке, которую правильно называть гальванический элемент.