Наполним свой багаж знаний еще одной интересной информацией из микромира – атомного мира. Знакомство с материальным миром было бы неполным, если невидимый простому глазу атомный мир оставить без внимания. Все явления природы, с которыми мы встречаемся, будь то движения грандиозных небесных тел, или мельчайших частиц вещества – атомов, химические процессы или процессы, происходящие в живом организме, – все они, несмотря на их глубокое различие, являются превращениями, изменениями различных форм вечно существующей материи. Весь мир образован многообразием форм движущейся материи. Всякое явление есть, таким образом, движение материи. При этом существует внешняя схожесть между формами строения атомов и систем небесных тел, например, Солнечной. Итак, все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов (или из группы атомов, называемых молекулами). Размеры этих частиц чрезвычайно малы. Поперечники различных атомов мало отличаются друг от друга и равны примерно одной стомиллионной доле сантиметра (1/108 см). Число же атомов в любом веществе чрезвычайно велико. Так, например, в одном грамме водорода содержится 606·1021 атомов. Если все эти атомы выстроить подряд в цепочку, то, несмотря на ничтожно малые размеры каждого атома, эту цепочку можно было бы сто раз перекинуть от Земли до Солнца и обратно. А расстояние до Солнца – 150 млн км. Масса атома водорода, самого легкого из атомов, равна 16/1025 г [10, 36]. Масса же одного из самых тяжелых атомов – атома урана в 238 раз больше массы атома водорода. Несмотря на столь малые размеры и массу атома, атомы не являются простыми и неделимыми частицами. Напротив, они обладают довольно сложной структурой. Взору современного физика общая картина строения атома кажется столь же ясной, как картина строения Солнечной системы. Мы не будем вдаваться в интересную историю исследований, установивших структуру атома. Приведем лишь результаты. Атом каждого вещества состоит из двух частей: центральной части, называемой ядром, и внешней части – электронной оболочки. Почти вся масса приходится на долю ядра, хотя размеры его в 100000 раз меньше размеров всего атома. Ядро атома обладает положительным электрическим зарядом. Наименьшим зарядом обладает ядро водорода, которому присвоено специальное название – протон. Если принять заряд протона за единицу, то заряды ядер всех других элементов будут выражаться целыми числами. Так, например, заряд ядра атома гелия равен 2, лития – 3 и т. д. Заряд ядра урана равен 92. Что касается электронной оболочки, то она представляет собой «рой» маленьких частиц, называемых электронами. Масса электрона в 1840 меньше массы самого легкого атома – атома водорода. Заряд электрона отрицательный, по величине равный заряду протона. Вся эта группа электронов движется вокруг ядра атома. Число электронов в атоме таково, что общий отрицательный заряд равен по величине положительному заряду ядра, так что в целом атом является нейтральным. Например, в атоме водорода электронная оболочка содержит один электрон, в атоме гелия – два электрона, в атоме лития – три и т. д. Ядро атома в свою очередь является сложной системой, состоящей из многих частиц. Чем больше заряд и масса ядра, тем больше частиц в нем заключено. Ядра некоторых элементов время от времени взрываются и одна из частиц, заключенных внутри ядра, с колоссальной скоростью вырывается из него и мчится в свободном пространстве. Те вещества, ядра которых распадаются таким образом с течением времени, носят названия радиоактивных. Наиболее известным из радиоактивных элементов является радий, применяемый для лечебных целей в медицине. Кроме него радиоактивными являются уран, торий, полоний, актиний и ряд других веществ. Осколки, вылетающие из ядер радиоактивных элементов, при исследовании оказались уже известными частицами. Из ядра вылетают либо электроны, либо ядра гелия, получившие название альфа-частицы. Распад ядра сопровождается часто и электромагнитным излучением, носящим название гамма-лучей. Гамма-лучи представляют собой электромагнитные волны с очень маленькой длиной волны, гораздо меньшей длины волны видимого света и даже рентгеновских лучей. В 1934 году французскими физиками Ирен Кюри (дочь Марии Кюри, открывшей радий) и Фредерико Жолио удалось получить искусственные радиоактивные элементы, не встречающиеся в естественных условиях. Из ядер этих радиоактивных элементов вылетают положительные электроны. Это – частицы, масса которых равна массе электрона, а заряд по величине такой же, как заряд электрона, но обратного знака – положительный. Эти частицы называются позитронами. Существование позитронов было обнаружено только в 1932 году. В земных условиях их очень мало и они недолговечны. Этим и объясняется, что столь долгое время ученые не подозревали об их существовании. Электроны, позитроны и альфа-частицы, вылетающие из ядер радиоактивных элементов, разрушают попадающиеся на их пути атомы или молекулы, например, отрывая один или несколько электронов от электронной оболочки атома. В результате получается электрически заряженный остаток, который называется ионом. Благодаря этой способности образовывать ионы, пути альфа-частиц и электронов можно наблюдать в специальных камерах. Радиоактивные явления, таким образом, позволяют ученым утверждать, что ядро имеет сложную структуру, что оно состоит из некоторых простых частиц. Самые простые частицы, которые или наблюдаются, как осколки атомных ядер, или имеют самостоятельное существование, носят название элементарных частиц. В настоящее время известны четыре элементарные частицы: протон, нейтрон, электрон и позитрон. С тремя из них мы уже знакомы. Что касается нейтрона, то эта частица является как бы незаряженным протоном: нейтрон обладает массой, равной массе протона, но лишен заряда. Нейтрон наравне с протоном входит в состав ядер. Изучение мира мельчайших частиц является одной из главных задач современной физики. Это изучение уже принесло свои плоды. Современная техника употребляет различные приборы, принцип устройства которых основан на использовании свойств электронов и ионов, и не только. Рекордно большими скоростями обладают электроны и позитроны, летящие на Землю из мирового пространства. В 1910 году швейцарским физиком Гоккелем было впервые обнаружено, что на Землю из мирового пространства все время несется какое-то чрезвычайно мощное излучение, которое было названо космическим излучением. Исследования показали, что в состав космического излучения входят электроны и позитроны. Позитроны впервые были обнаружены именно в космическом излучении. Самые быстрые из космических электронов и позитронов почти достигают скорости света (260 тыс. км/с). В результате масса наиболее быстрых электронов, входящих в состав космического излучения, примерно в 2000 раз больше массы покоящегося электрона. Она, примерно, равна массе неподвижного или медленно движущегося протона. Таким образом, опыты, показывающие зависимость массы от скорости, подтвердили выводы теории относительности по этому вопросу. Интересно также знать, что как в макро-, так и в микромирах законы движения объектов схожи. Например, обычно стабильные молекулы имеют счетное число электронов. Эти электроны непрерывно движутся по орбитам, давая в результате такое вероятностное распределение, чтобы общая электронная энергия молекулярной системы была минимальной. Это достигается уменьшением отталкивания между электронами и увеличением притяжения между электронами, заряженными отрицательно, и ядрами, имеющими положительный заряд. Ряд свойств электронов указывает на то, что в дополнение к орбитальному движению вокруг ядра каждый электрон вращается вокруг своей собственной оси (спиновое движение). Спиновое движение так же, как и орбитальное, является квантованным, и каждый спин может относиться только к одному из двух типов движения: по часовой стрелке или против. Таким образом, на каждой орбитали (принцип Паули) в молекуле находится не больше двух электронов, один из которых вращается по часовой стрелке вокруг своей оси, а другой – против (т. е. антипараллельные спины). В случае стабильной молекулы с четным числом электронов они могут занимать самые низкие энергетические орбитали, при этом половина из них вращается в одном направлении, а другая половина – в противоположном. Следовательно, в таких системах общий спиновой угловой момент равен нулю. Это состояние называется сигнальным. Если молекулярная система поглотит энергию, способную переместить один из электронов с какой-нибудь заполненной орбитали на одну из свободных орбиталей с более высокой энергией, то говорим, что молекула перешла из основного состояния в возбужденное.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Атомный мир» з дисципліни «Екологія Всесвіту»
