Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина

Рис. 1. Натертая о шерсть гребенка приобретает особые свойства, которые называются электрическим зарядом.

Стрелка компаса еще несколько тысячелетий тому назад познакомила людей с другим новым для них явлением — магнетизмом (рис. 2).

Рис. 2. Простейшие опыты с обычным компасом знакомят нас с другим особым свойством вещества — магнетизмом.

Слова «магнетизм», «магнит» происходят от названия находящегося в Малой Азии города Магнезия, вблизи которого имелись залежи железной руды, обладающей магнитными свойствами.

Электрический заряд и магнетизм — это совершенно особые свойства вещества, которые существуют наряду с такими хорошо известными нам свойствами, как вес и объем. Уже совсем недавно при изучении атома было открыто еще одно принципиально новое явление — были обнаружены так называемые внутриядерные силы, которые по своей природе не похожи ни на силу тяжести, ни на электрические, ни на магнитные силы.

Нет никакого сомнения в том, что принципиально новые качества вещества, новые, недоступные непосредственному восприятию формы существования материи будут обнаруживаться нами и в дальнейшем по мере все более углубленного знакомства с природой. И при этом нам всякий раз придете я дополнять наше представление об окружающем мире новыми понятиями, взятыми из опытов или из проверенных практикой теоретических исследований. Конечно, очень трудно вносить поправки во взгляды, которые складываются годами, но другого пути нет! Каждый, кто стремится проникнуть в тайны природы, всякий, кто стремится освоить огромные достижения современной физики, должен прежде всего приучить себя к мысли о том, что мир намного сложнее и богаче, чем это кажется с первого взгляда.

Уже простейшие опыты говорят о том, что электричество может служить человеку. Если наэлектризованная палочка притягивает клочки шелка или бумаги, то почему нельзя повторить этот опыт в больших масштабах: например, заставить большие наэлектризованные предметы двигать грузы или приводить в движение тяжелые прессы и молоты?

Конечно, все это возможно, но в использовании электрической энергии техника пошла совсем по другому пути: в качестве «работающих элементов» были выбраны самые маленькие заряженные частицы и в первую очередь электроны. Такие частицы, обладающие электрическими свойствами, для краткости называют просто электрическими зарядами.

Если мы начнем дробить на мелкие кусочки какое-либо вещество, например сахар, то в итоге получим самый микроскопический кусочек этого вещества, называемый молекулой. Молекулу сахара, впрочем, как и любую другую, тоже можно разделить на составные части, но это уже будет не сахар. Для того чтобы сказанное стало несколько понятнее, представьте себя, что вам нужно город разделить на районы. Самый маленький район, который вы сможете получить, будет один дом — «молекула» большого города. Можно, конечно, и дом разобрать на составные части: кирпичи, балки, бетонные плиты, листы кровельного железа, оконные рамы, двери. Но ведь никто не подумает сказать, что какая-нибудь из этих деталей представляет собой район города.

Подобно тому как дом состоит из отдельных деталей, молекула любого вещества образуется из еще более мелких частиц — атомов. В настоящее время известно около ста основных типов атомов, различные сочетания которых дают все многообразие окружающих нас веществ: воду и воздух, бумагу и нефть, зеленый лист дерева и кипящую сталь. Точно так же из нескольких основных строительных материалов создаются самые различные здания: заводы, гаражи, школы, больницы, небоскребы и одноэтажные коттеджи.

Только не подумайте, что можно руками или каким-нибудь инструментом разделить вещество на отдельные молекулы и тем более на атомы. Частицы эти настолько малы, что их не только нельзя взять в руки, но даже нельзя рассмотреть с помощью самых совершенных оптических приборов. О размерах молекулы дают представление такие цифры: в одной капле воды содержится около 1 500 000 000 000 000 000 000 молекул, каждая из которых во столько же раз меньше самой капли, во сколько раз эта капля меньше Черного моря. Что же касается атомов, то они во много раз меньше молекул.

Рис. 3. Каждый, кто стремится проникнуть в тайны природы, кто хочет освоить замечательные достижения современной физики…

Рис. 4. … должен прежде всего приучить себя к мысли о том, что мир намного сложнее, чем это кажется с первого взгляда.

Слово «атом» означает «неделимый». Это название утвердилось тогда, когда считали, что атом уже невозможно разделить на составные части. Но жизнь, как всегда, внесла свои поправки.

В начале этого столетия было установлено, что сам «неделимый» атом также является сложной системой: в центре его находится так называемое ядро, которое, в свою очередь, состоит из множества различных частиц. Вокруг атомного ядра с огромными скоростями вращаются мельчайшие частицы — электроны.

Количество электронов в атоме может быть различным: в самом простом атоме — атоме водорода — вокруг ядра вращается один электрон, в атоме алюминия их уже 13, а в атоме элемента менделеевий, в одном из самых сложных атомов — 101 электрон (лист 3).

Можно самому построить очень упрощенную «действующую» модель атома водорода. Для этого достаточно взять какой-либо легкий предмет, например пустую коробку из-под спичек, и, привязав ее на короткую бечевку, раскрутить вокруг руки. Рука будет играть роль атомного ядра, а роль вращающегося вокруг ядра электрона будет играть спичечная коробка (рис. 5).

Рис. 5. Можно построить весьма упрощенную модель атома, где в центре находится ядро, обладающее положительным электрическим зарядом, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

И вот здесь-то и возникает вопрос: а что же в настоящем атоме выполняет роль бечевки? Ведь если в нашем опыте бечевка оборвется, то «электрон» — спичечная коробка — под действием центробежной силы улетит в сторону! Почему же вращающийся с огромной скоростью электрон не отходит от ядра?

Роль бечевки в настоящем атоме выполняют электрические силы, силы взаимодействия электрических зарядов. Но, прежде чем говорить об этом, следует отметить, что в природе существует два вида электрических зарядов: один из них назван положительным и отмечается на рисунках знаком «плюс»; другой вид зарядов называют отрицательным и обозначают знаком «минус». Применение этих слов и знаков в данном случае совершенно условно: с таким же успехом можно было бы называть заряды красными и синими или зарядами группы а и группы б, а на рисунках обозначать их любыми условными знаками. Положительный заряд появляется на стеклянной палочке, натертой кожей, отрицательный — на каучуковой или пластмассовой палочке, натертой шерстью (лист 1).

Электрические заряды взаимодействуют между собой — одноименные заряды, то есть заряды одного и того же знака, взаимно отталкиваются, разноименные электрические заряды взаимно притягиваются (лист 2). За счет электрических сил взаимного притяжения атомное ядро, обладающее положительным зарядом, как бы на бечевке удерживает вращающийся электрон, обладающий отрицательным зарядом.

В своем нормальном состоянии ядро обладает таким же (по силе) зарядом, как и общий заряд всех электронов. Поэтому положительный заряд ядра и отрицательный заряд электронов как бы компенсируют друг друга, и атом в целом, а значит, и вещество, состоящее из таких атомов, не обнаруживает своих электрических свойств. Но стоит только каким-нибудь способом убрать из атома один, а тем более несколько электронов, как начнут проявляться электрические свойства ядра, и атом будет вести себя как частица с положительным зарядом. Такой, атом получил название «положительный ион». Если же, наоборот, добавить в атом «лишние» электроны, то он будет обладать избыточным отрицательным зарядом, будет представлять собой «отрицательный ион» (лист 4).

Натирая шерстью стеклянную палочку, мы как бы вырвали из ее атомов электроны. В результате этого сама палочка приобрела положительный заряд, а кусок шерсти, куда перешли электроны со стекла, оказался заряженным отрицательным электричеством. В опыте с пластмассовой палочкой наоборот: на шерсти появляются положительные ионы, а на самой палочке — отрицательные (лист 5).

Давайте проделаем такой опыт: соединим наэлектризованные предметы — пластмассовую (—) и стеклянную (4) палочки каким-нибудь проводом или металлическим предметом. При этом электрические заряды сразу же исчезнут с наэлектризованных предметов и они уже не будут притягивать легкие кусочки шелка или бумаги. Произойдет это из-за того, что лишние электроны по проволоке перейдут с пластмассовой палочки на стеклянную и займут там свободные места в атомах, у которых не хватает электронов (лист 6).