Транзистор?.. Это очень просто!

Л. — Любопытная вещь: насколько просты наиболее распространенные транзисторные схемы, настолько сложны явления, происходящие в этих крохотных полупроводниковых приборах.

Н. — Я подозреваю, что в транзисторе, как и в лампе, имеются катод, сетка и анод.

Л. — Действительно, там различают области, которые в известной мере играют роль, аналогичную электродам вакуумного триода: эмиссия потока электронов, регулировка плотности и его фокусировка. И если ты желаешь, я могу кратко рассказать о применении транзисторов, не анализируя принципа их работы. Согласен?

Н. — Нет, я предпочитаю разобраться, что там в действительности происходит. Ты приучил меня рассуждать и анализировать механизм изучаемых явлений. Сохраним же эту традицию.

О молекулах и атомах

Л. — Ты прав. Но в этом случае мы должны начать с начала, т. е. со строения материи.

Н. — Мне кажется, что это… материя, которую мы давно знаем. Самая маленькая частица вещества, сохраняющая все его химические свойства, называется молекулой — так сказано в моем учебнике физики.

Л. — Однако там не сказано, что в настоящее время мы знаем около полумиллиона разных молекул, являющихся результатом различных комбинаций примерно ста простых элементов.

Н. — Да, но там сказано, что все молекулы находятся на некотором расстоянии одна от другой (чем и объясняется сжимаемость всех тел); что они притягивают одна другую (к нашему счастью, иначе все предметы немедленно превратились бы в пыль) и что они находятся в беспорядочном движении, скорость которого по мере повышения температуры увеличивается.

Л. — Браво, Незнайкин! Ты все меньше и меньше оправдываешь свое имя… Раздробим молекулы, которые состоят из атомов, т. е. элементарных частиц простых веществ (или элементов). Каждый атом, как ты знаешь…

Н. — …представляет собой как бы миниатюрную солнечную систему со своим солнцем-ядром, состоящим из протонов (элементарных положительно заряженных частиц) и нейтронов, а планетами этой системы являются электроны, или вращающиеся вокруг ядра элементарные частицы отрицательного электричества (рис. 2).

Рис. 2. Атом лития имеет два электрона, вращающихся на оболочке К, и один электрон на оболочке L.

Л. — Ты говоришь как по книге, но нужно быть осторожным с аналогиями. Если все планеты солнечной системы движутся в одной плоскости, то у электронов орбиты располагаются в разных плоскостях. И эти орбиты расположены в пространстве не по воле случая: они могут занимать лишь определенные места, носящие название оболочек К, L, М, N, О, Р и Q. Эти оболочки упрощенно можно представить себе в виде концентрических сфер, в центре которых находится ядро, а радиусы этих сфер пропорциональны квадрату их номера.

Н. — Подожди, Любознайкин! Для меня это сразу слишком сложно.

Л. — Нет ничего проще. Оболочка К — это оболочка номер 1. Следовательно, у оболочки L, имеющей номер 2, радиус будет в 22 = 4 раза больше, а у оболочки М радиус будет в З2 = 9 раз больше и т. д.

Н. — Это значит, что радиус седьмой оболочки, которую ты называешь оболочкой Q, будет в 72, или в 49, раз больше радиуса оболочки К?

Л. — Разумеется. А кроме того, энергия, которой обладает каждый электрон, возрастает по мере увеличения номера (обычно говорят «квантового числа») оболочки, на которой он находится.

Н. — Расстояние до ядра увеличивается от оболочки к оболочке, но какова их реальная величина?

Л. — Самая близкая к ядру оболочка К находится от него на расстоянии 5·10-9 см, но я боюсь, что это тебе ничего не говорит. Представь себе фею, которая ударом волшебной палочки может увеличивать вещи в 10 раз. Если наша фея 14 раз ударит своей волшебной палочкой по атому углерода[3]…

Н. — …атом увеличится в 1014 раз и, возможно, достигнет размеров целого земного шара, так что его и пристроить будет некуда. Вот будет фее хлопот!

Л. — Совсем нет. Протоны станут величиной с простое яблоко, а электроны (хотя масса каждого из них в 1837 раз меньше массы протона) — с футбольный мяч. И если ядро такого атома положить на паперть собора Парижской богоматери, то два электрона оболочки К будут вращаться на расстоянии 5 км, т. е. еще не выйдут за пределы Парижа. Что же касается четырех электронов внешней оболочки, то они будут вращаться в пригородной зоне на расстоянии 20 км от ядра, например будут проходить через Версаль.

У Незнайкина кружится голова

Н. — Но что же находится между нашими яблоками и футбольными мячами?

Л. — Ничего! Пустота. Но, разумеется, существуют электрические, магнитные, гравитационные и другие силы взаимного притяжения, поддерживающие всю эту систему в состоянии равновесия. Заряды с противоположными знаками взаимно притягиваются, поэтому электроны не уходят от своего ядра, несмотря на центробежные силы, стремящиеся их оторвать от ядра.

Н. — Ты меня пугаешь. Если это так, то атом состоит скорее из пустоты, чем из материи.

Л. — Совершенно верно, мой друг! И если бы удалось спрессовать все ядра и все электроны, составляющие, к примеру, твое тело, так, чтобы между ними не осталось пустоты, то получилось бы зернышко, едва различимое под микроскопом, но весящее, как и ты, 70 кг.

Н. — У меня мурашки бегают по коже каждый раз, когда ты напоминаешь мне, что я также состою из атомов. Но теперь, когда ты открыл мне, что во мне царит пустота, я испытываю жуткое головокружение.

Л. — Поэтому мы поступим благоразумно, если в дальнейшем будем говорить о других атомах, а не об атомах твоего тела. Чтобы более наглядно представить себе строение атома, условимся обозначать каждую оболочку в виде окружности.

Как ты, очевидно, знаешь, наиболее простое строение имеет атом водорода. Он состоит из одного протона и одного электрона, находящегося на оболочке К. В атоме гелия вокруг двух протонов ядра на этой же оболочке К вращаются два электрона (рис. 3).

Рис. 3. Вот два самых простых атома: атом водорода (слева) и атом гелия (справа).

Н. — А какой элемент имеет три электрона на оболочке К?

Ограниченное количество мест

Л. — Никакой, так как эта оболочка не может иметь больше двух электронов; Точно так же оболочка L не может иметь больше 8 электронов. На оболочке М может находиться не более 18 электронов, на оболочке N — не более 32, на оболочке О — не более 50, на оболочке Р — не более 72 и на оболочке Q — не более 98 электронов.

Н. — Очень любопытна эта последовательность чисел, которые ты называешь с такой легкостью.

Л. — Тут нет моей заслуги, так как эти числа определяются по очень простому закону:

Для оболочки К: 12 х 2 = 2.

Для оболочки L: 22 х 2 = 8.

Для оболочки М: З2 х 2 = 18.

Для оболочки N: 42 х 2 = 32.

Для оболочки О: 52 х 2 = 50.

Для оболочки Р: 62 х 2 = 72.

Для оболочки Q: 72 х 2 = 98.

Н. — В общей сложности 280. Значит, имеются атомы, содержащие такое количество электронов.

Л. — Нет, потому что если оболочки K, L, М и N, действительно, могут иметь указанное мною количество электронов, то на оболочке О на практике их не бывает больше 18, на оболочке Р — больше 32 и на оболочке Q — больше 10 (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение атома радия, показывающее распределение электронов по различным оболочкам. В действительности орбиты располагаются в различных плоскостях.

Н. — Это очень интересно, но мне кажется, что мы рискуем заблудиться в лабиринтах атомной и ядерной физики.

Л. — Напротив, мы сейчас примем решение, которое в значительной мере облегчит нам изучение всех этих вопросов. Если ты согласен, мы будем учитывать только электроны, находящиеся на внешней оболочке атома.

Н. — Хорош же ты! Открыв мне существование многочисленных оболочек, из-за чего атом напомнил мне луковицу, ты сразу же запрещаешь мне очистить эту луковицу. Уж не хочешь ли ты уберечь меня от слез?..

Нейтральное состояние и ионизация

Л. — Решение, которое мы должны принять, вполне законно. Что нас интересует в конечном счете? — Электрическое состояние атомов. Однако обычно атом содержит электронов столько же, сколько и протонов, в результате чего отрицательные заряды первых уравновешиваются положительными зарядами вторых. Такой атом электрически нейтрален. Но может случиться, что внешние силы вырвут у атома один или несколько электронов. В этом случае равновесие нарушается: общая сумма отрицательных зарядов электронов оказывается меньше положительного заряда ядра. Такой атом становится положительным ионом.

Н. — А если, наоборот, по той или иной причине атом получит избыточные электроны, то он станет отрицательным. Я подозреваю, что в этом случае его можно назвать отрицательным ионом.

Л. — Превосходно! Однако такие потери или приобретения электронов (именуемые ионизацией) могут иметь место главным образом на внешней оболочке, т. е. там, где меньше проявляется сила притяжения ядра.

Н. — Да, я понимаю, что в этих условиях нас могут интересовать только электроны, находящиеся на внешней оболочке.

Супружеские вопросы

Л. — Для этого есть еще одна причина. Именно эта оболочка определяет химические свойства элементов. Атом действительно удовлетворен своим положением только тогда, когда имеет на своей внешней орбите 8 электронов. В этих условиях атом стабилен и не помышляет ни о приобретении, ни о потере электронов. Так, например, неон, имеющий на своей внешней оболочке L 8 электронов, весьма счастлив и не стремится вступить в связь с каким бы то ни было другим химическим элементом. А фтор, имеющий на этой же внешней оболочке только 7 электронов, только и думает, как бы вступить и комбинацию с другим элементом, способным уступить ему 1 электрон для пополнения состава внешней оболочки до 8.

Н. — А как осуществляются такие супружеские сочетания?

Л. — Возьми для примера хлор, у которого на внешней оболочке М 7 электронов, и натрий, имеющий 2 электрона на оболочке К, 8 электронов на оболочке L и только 1 электрон на оболочке М. Вот тебе пример идеальной пары. Входя в комбинацию с хлором, натрий передает ему свой единственный электрон с внешней оболочки и доводит до 8 количество электронов на внешней оболочке. Одновременно с этим у натрия внешней станет оболочка L сo своими 8 электронами, принеся ему тем самым высокую стабильность (рис. 5).