Электричество шаг за шагом

Т-19. Человек ищет помощников. Мы уже вспоминали про человеческий инстинкт экономии сил (Т-13), во все времена он подталкивал изобретательную публику, заставлял придумывать приспособления и машины, которые становились, как сказал один известный экономист, продолжением человеческой руки. Особенно, конечно, хотелось привлечь на помощь не очень-то могучим человеческим мускульным силам какие-то внешние силы, природную энергию. Что-то подсказали тяжёлые камни, которые тащила за собой горная лавина, или сваленные деревья, которые река с лёгкостью перебрасывала на огромные расстояния. Потом пришло время тепловых машин. Сначала заработал сжатый пар, а затем и взрывающиеся при сгорании микроскопические порции бензина или дизельного топлива — их энергия и сегодня двигает около миллиарда автомобилей, которые бегают по дорогам земного шара, и почти 60 тысяч больших самолётов.

Очень может быть, что первые исследователи электричества думали о нём, как о будущем помощнике человека: электричество уже двигает мелкие предметы, а дальше, как говорится, дело техники. Заставили же ветер, который слегка раскачивает ветки на дереве, крутить лопасти ветряной мельницы и, надувая паруса, двигать по морям огромные корабли.

Т-20. В природе есть несколько видов фундаментальных сил, электричество — одна из них. Электричество, электрический заряд — не единственное спрятанное от человека, но всё же открытое им особое свойство вещества, которое так же, как и масса, демонстрирует свою силу. Несколько тысячелетий назад у некоторых металлических руд были обнаружены ни на что другое не похожие магнитные свойства, которые не хуже гравитации и электричества могут двигать физические тела. В начале нашего века было открыто ещё одно, совершенно новое качество вещества, которому дали название барионный заряд, он создаёт особый сорт основных природных сил — сильные ядерные силы. Это не гравитация, не электричество, не магнетизм, а нечто совсем иное, действующее совершенно самостоятельно. Ядерные силы, казалось бы, навсегда спрятались от нас, так как действуют они только на очень небольших, на абсолютно невидимых расстояниях — около триллионной доли миллиметра. Именно сильные ядерные силы каким-то своим собственным способом стягивают, склеивают составные части атомного ядра, которые без этого из-за одноимённых электрических зарядов протонов (+) просто разлетелись бы в разные стороны.

ВК-21. Атомы химических элементов отличаются числом протонов в ядре, сегодня известны атомы с числом протонов от 1 до 118. В ядре находятся ещё и нейтроны — примерно как протон, частицы без электрического заряда, они влияют лишь на массу ядра. Атомы с разным числом нейтронов называют изотопами. В нормальном атоме на орбитах столько же электронов (—), сколько протонов (+) в ядре и общий электрический заряд атома равен нулю — атом электрически нейтрален. Но так бывает не всегда.

Р-5. ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ ПОЯСНЯЕТ, КАК СТРОЯТСЯ СТО РАЗНЫХ АТОМОВ ИЗ ТРЁХ ЧАСТИЦ. Сказанное в пояснениях к рисунку Р-4 наверняка вызвало удивление: как это так миллионы веществ собраны всего из трёх разных частиц? В чём секрет такого фантастического многообразия при столь малом количестве (всего три!!!) исходных деталей?

Начнём с того, что протон, нейтрон и электрон участвуют в создании разных веществ не индивидуально, не по одному, а в составе разных строительных блоков — атомов. Атом устроен и работает несравнимо сложнее, чем это показано в его планетарной модели (2), но именно этой моделью атома мы будем пользоваться в книжке. Хотя бы потому, что изучение истинного устройства атома и протекающих в нём процессов потребует во много раз больше времени, чем вся наша образовательная кампания по знакомству с электричеством.

Самый наглядный вариант планетарной модели — рука, раскручивающая привязанный на крепкой нитке спичечный коробок (1). В простейшем случае (в атоме водорода) на месте руки будет атомное ядро с одним протоном, а вместо спичечного коробка — один электрон. В более сложных атомах протонов в ядре больше, и столько же электронов на круговых орбитах вокруг ядра (2). Подобная модель названа планетарной потому, что она напоминает схему движения планет вокруг Солнца (3). Возможны достаточно прочные, устойчивые атомы, в ядре которых до ста протонов (+) и на орбитах столько же электронов (—). Благодаря равенству положительных (протоны) и отрицательных (электроны) электрических зарядов вещество, состоящее из таких атомов, не демонстрирует каких-либо явных электрических свойств. Так же как не натёртая пластмасса или не натёртое стекло (Р-1).

А потом в мире атомов открыли ещё одно фундаментальное свойство материи, ещё один вид особых сил — их назвали слабыми ядерными силами, хотя действуют эти слабые силы во много раз сильнее, чем гравитация.

Вот так-то… Всё было просто, была известна одна гравитация, а теперь вон сколько открылось важнейших сил, действующих в нашем мире и полученных в наследство от Большого взрыва. Так что мир наш намного сложней, чем кажется человеку, который, подобно своему доисторическому предку, видит лишь то, что видно с первого взгляда.

Гравитацию, электричество, магнетизм, сильные и слабые силы называют основными, фундаментальными силами природы. Они, если разобраться, в итоге приводят в действие всё, что происходит: вращение планет, химические реакции, тепловые процессы, взрыв атомной бомбы, падение метеорита, считывание любимой мелодии с магнитофонной кассеты.

Здесь самое время заметить, что современная физика пытается увидеть более простую картину. Теоретики ищут возможность поддержать представление о единой природе, о «великом объединении» всех известных сил — сильных, слабых, магнитных, электрических и гравитационных. Один из фрагментов такого объединения обнаружился ещё двести лет назад: оказалось, что электричество и магнетизм не две отдельные, независимые силы — это просто два разных проявления единого электромагнитного процесса. А сравнительно недавно эксперименты подтвердили теорию, объединившую электромагнитные и слабые ядерные силы в едином, как его называют, электрослабом взаимодействии.

В названии этого раздела мы не случайно использовали слово «несколько», вместо того чтобы привести и прокомментировать точную цифру. Ещё не очень давно считалось, что в природе есть пять главных сил. Затем была открыта единая природа электричества и магнетизма, и стали считать, что главных сил четыре. Наконец, электрослабое взаимодействие заставляет говорить о трёх основных силах природы — похоже, что действительно дело идёт к великому объединению. Несмотря на это, мы при необходимости будем говорить о пяти главных силах нашей природы, так как каждая из них очень часто действует самостоятельно.

Но вернёмся, однако, от этой чрезвычайно интересной физики к главной нашей теме — к электричеству.

ВК-22. Электрические свойства электрона и протона, их электрические заряды по величине одинаковы. И суммарный заряд электронов (—) в атоме равен суммарному заряду протонов (+). Эти заряды уравновешивают друг друга, и атом в целом электрических свойств не проявляет. Но если убрать электрон из атома, то он превратится в положительный ион — атом с преобладанием положительного заряда. Появление лишнего электрона превратит атом в отрицательный ион, в атом с преобладанием «минуса».

Р-6. ПАСПОРТ ДЛЯ КАЖДОЙ РАЗНОВИДНОСТИ АТОМОВ. Предполагается, что вся наша огромная Вселенная родилась в результате мощнейшего, как его называют, Большого взрыва. Мы ещё посвятим ему несколько картинок с короткими примечаниями — человек должен хоть что-то знать о своей истории. А пока отметим: предполагается, что уже через несколько секунд после взрыва температура первоначального немыслимо горячего вещества заметно снизилась и в нём стали появляться ядра самых простых атомов — атомов водорода (1). Затем стал возможен ещё один процесс — некоторые водородные ядра, объединившись, превращались в ядро атома гелия (2). Хорошо известные нам теперь более сложные и значительно более сложные атомы стали появляться через миллионы лет, когда зажглись звёзды.

Некоторые важные особенности атома можно отобразить в небольшой записи, условно назвав её паспортом. Именно такие паспорта на этом рисунке сделаны для четырёх атомов (1, 2, 3, 4), а на рисунке Р-7 в таблице Менделеева вы увидите их для большинства известных атомов. Название атома — это, по сути, название чистого вещества, которое из этих атомов состоит. Так, например, газ водород состоит из атомов по имени водород. Самая приметная цифра в паспорте указывает число протонов в ядре и число электронов на орбитах, и она же есть порядковый номер элемента в таблице Менделеева.

Физики доказали, что на первой, на самой близкой к ядру орбите, где энергия электронов минимальна, их может быть не более 2, на второй орбите до 8, на третьей — до 18. У некоторых крупных атомов есть орбиты, на которых до 32 электронов, но никогда на внешней орбите не может быть более 8 электронов.

В атомное ядро входят не только протоны, но ещё и нейтроны, когда нужно отметить их количество, атом называют изотопом. Нейтроны практически не влияют на химические свойства атома, но имеют такую же, как у протона, массу и такой же барионный заряд (Р-10). Средняя масса атомов (на этом рисунке под порядковым номером) получается дробной потому, что набор изотопов и их количество в природе в основном определяет сама природа.

Т-21. К электричеству нужно просто привыкнуть, как мы от рождения привыкли к гравитации. Нетрудно самому на кухонном столе проделать несколько опытов, которые в древние времена удивили греков. Не страшно, если у вас нет янтарной палочки, потрите шерстяной тканью пластмассовую расчёску и посмотрите, как она тянет к себе клочки бумаги. Это не гравитация — бумажки не падают, а тянутся вверх. Это не магнетизм — магнит бумагу не притягивает. Это — электричество, одна из важнейших важностей нашего мира.

Электричество и гравитация в чём-то очень похожи, и работают они по очень похожим правилам. Гравитационное притяжение тем сильнее, чем больше взаимодействующие массы: килограммовая гиря тянется к земле и давит на чашку весов сильнее, чем стограммовая. Электрическое притяжение тем сильнее, чем больше электрические заряды, то есть электрические свойства взаимодействующих предметов. Потрёшь расчёску слегка, электрический заряд у неё образуется небольшой, и она слабо тянет мелкие бумажки. А натрёшь расчёску посильнее, электрический заряд у неё окажется побольше, и сила притягивания лёгких предметов тоже увеличится.

Для того чтобы почувствовать реальность таких понятий, как «гравитация», «масса», «сила тяжести», не нужно раскрывать учебник физики, достаточно положить его на ладонь. Мы непосредственно воспринимаем массу, ощущаем её, чувствуем массу своего тела, массу покупки, которую несём из магазина, массу упавшего на ногу камня.

Электрический заряд, конечно, на ощупь не почувствуешь, природа не снабдила нас «чувством электричества». Но и без этого ясно, что электричество есть, что это абсолютная реальность, — другого вывода не сделаешь из опытов с натиранием расчёски. Конечно, масса — понятие привычное, человек привыкал к нему миллионы лет, а с электричеством мы сталкиваемся всего несколько десятилетий. Так что в него, кроме всего прочего, ещё нужно поверить, к нему нужно привыкнуть.

Т-22. Электричество бывает двух видов, двух сортов, и придумали им такие названия: «положительное электричество» и «отрицательное электричество». В результате гравитационного взаимодействия физические тела только притягиваются друг к другу, пока ещё никто не наблюдал антигравитации, то есть не привычного притяжения, а гравитационного расталкивания двух тел. Скорее всего потому, что в природе существует масса только одного сорта, и любые две массы взаимодействуют только так — они взаимно притягиваются.

Одинаковость, однотипность массы проверена с колоссальной, просто-таки фантастической точностью — до миллионных долей миллионной доли процента. Но факт существования только одного сорта массы настолько важен, что физики планируют ещё более точную его проверку: а вдруг окажется, что есть такой вид массы, который отталкивается от нашей, привычной? Вот тут уж мы полетаем над землёй и в космосе — без моторов, без топлива, совершенно бесплатно, за счёт одной только антигравитации.

ВК-23. Натирая стекло тряпкой, мы из многих атомов на его поверхности, грубо говоря, выдираем электроны, в стекле появляются положительные ионы, то есть положительный заряд. Электроны из стекла переходят на тряпку, и она приобретает отрицательный заряд. А при натирании пластмассы в атомы на её поверхность переходят электроны с тряпки, которой осуществляли натирание, — в пластмассе появляются отрицательные ионы и суммарный «минус», а у тряпки — «плюс».

В отличие от массы электричество бывает двух разных сортов, и в этом может убедиться каждый, проделав опыты с натиранием стеклянной и пластмассовой палочек. На обеих палочках при их натирании появляется электрический заряд — обе они притягивают мелкие клочки бумаги. Но на стеклянной палочке и на пластмассовой появляются заряды разного сорта, и это будет незамедлительно доказано с помощью очень простого эксперимента.

Если появившиеся при натирании заряды передавать с палочек на два лёгких пенопластовых шарика, подвешенных на нитках, то обнаружится, что в разных случаях эти наэлектризованные шарики ведут себя по-разному. Шарики, получившие электрический заряд разных сортов (один шарик от стеклянной палочки, другой — от пластмассовой), взаимно притягиваются. Шарики, получившие электрический заряд одного и того же сорта (оба от стеклянной палочки или оба от пластмассовой), отталкиваются. Если бы электричество было только одного сорта, то взаимодействие зарядов всегда было бы одинаковым — независимо от того, какими палочками вы прикасались бы к шарикам, они всегда либо только притягивались бы, либо только отталкивались. Таким образом, из наших опытов как раз и следует, что электричество бывает двух сортов: электрические заряды одного и того же сорта, или, иными словами, одноимённые электрические заряды, как бы не любят друг друга (Т-8) и взаимно отталкиваются, разноимённые — взаимно притягиваются.

ВК-24. Мы подробно обсудили натирание пластмассы и стекла, но один вопрос остался без ответа. Почему к наэлектризованным предметам притягиваются мелкие клочки бумаги, у которых вроде бы нет никакого своего заряда? Когда-то были придуманы фантастические молекулярные цепочки, которые могли бы тянуть бумагу, но эта идея блестяще провалилась, когда опыт повторили в вакууме. Там молекулярных цепочек вообще не могло быть. К счастью, нашлось другое объяснение — поляризация (ВК-25).

Два разных сорта электричества нужно было как-то назвать, скажем, электричество сорта А и электричество сорта Б. Или электричество «Жёлтое» и «Зелёное». Или, наконец, «Стеклянное» и «Пластмассовое». Однако тому, кто давал имена этим двум разным сортам, понравились другие слова, и он назвал два разных сорта электричества «Положительным» (сокращённое обозначение +, «плюс») и «Отрицательным» (-, «минус»). В данном случае привычный для нас смысл этих слов не имеет никакого значения, и ни в коем случае не нужно думать, что положительное электричество чем-то лучше отрицательного, как, скажем, положительный литературный герой или положительный пример.

Электрический заряд, который назвали положительным, появляется у натёртого стекла, отрицательный — у натёртой пластмассы. Попробуем провести такой мысленный эксперимент: будем ломать, распиливать, крошить наэлектризованные стекло и пластмассу, чтобы найти в них самые маленькие порции электрического заряда.

Начнём со стекла.

Т-23. В наэлектризованных палочках у некоторых молекул чувствуется электрический заряд. Мысленный эксперимент, кроме всего прочего, хорош тем, что любая трудная работа здесь идёт легко и быстро. Вот и у нас уже появились сначала маленькие кусочки наэлектризованного стекла, затем очень маленькие и наконец самые маленькие его частички с хорошо известным названием — «молекула». Оно происходит от латинского слова «моле» — «масса», так что слово «молекула» означает «маленькая масса, массочка».

Можно, конечно, и появившиеся у нас молекулы стекла разделить на составные части, но то, что при этом получится, уже не будет стеклом. Здесь, пожалуй, уместно такое сравнение. Представьте себе, что вам нужно разделить на районы город. Самый маленький район, который может получиться, — это один дом, молекула большого города. Можно, конечно, и дом разобрать по частям, но вряд ли оконную раму или водопроводный кран можно будет назвать районом города.

Измельчая в мысленном эксперименте предварительно натёртые, то есть наэлектризованные, стекло и пластмассу и в итоге получив их молекулы, мы обнаружим, что некоторые молекулы тоже наэлектризованы, то есть тоже обладают электрическими свойствами, а другие — не обладают. Остаётся предположить, что электрический заряд молекулы находится в какой-то ещё более мелкой частице, которая или входит или не входит в молекулу. И если входит, то делает эту молекулу наэлектризованной. А если не входит, то молекула остаётся электрически нейтральной.

Чтобы проверить эту гипотезу, продолжим свой мысленный эксперимент и разделим наэлектризованную молекулу на составные части.

ВК-25. Предположим, что в этих больших пластиковых мешках ионизированный газ с беспорядочным расположением зарядов (слева), и поэтому с нулевым внешним электрическим полем. Поднесённый к одному из мешков (справа) стержень с положительным электрическим зарядом осуществил так называемую поляризацию газа, притянул к себе электроны и оттолкнул положительные заряды, создав две области с зарядом + и —. Во многих случаях каждая из них может вести себя как отдельный заряд.

Р-7. ЧЕЛОВЕК, КОТОРЫЙ УВИДЕЛ ПОРЯДОК В ПОЛНОМ ХАОСЕ. Так же энергично, как другие области знаний, химия развивалась с началом эпохи Возрождения. В обиход вошло представление о химическом элементе как о чистейшем веществе, которое в другие вещества уже не превращается. Вместе с тем получалось, что каждый элемент был создан природой как бы самостоятельно и не был частью какой-либо единой системы. В 1869 году профессор общей химии Петербургского университета и руководитель химической лаборатории Петербургского технологического института Дмитрий Иванович Менделеев отправил в ведущие научные учреждения России и других стран сообщение об открытой им системе химических элементов. В этой системе химические свойства элементов изменялись по мере роста их атомной массы, но в то же время эти свойства в какой-то мере повторялись периодически, через определённое число шагов увеличения массы. В построенную на основе этой системы первую таблицу Д.И. Менделеева вошло 66 элементов, известных в то время, но элементам, открытым позже, всегда находилось место в ней. В апреле 2010 года в таблице Менделеева было 118 химических элементов, из них 94 имеются в природе, остальные получены на ускорителях, причём некоторые живут доли секунды и тут же распадаются. Главная сила представлений Д.И. Менделеева в том, что они появились лишь из глубокого понимания химии, когда практически ничего ещё не было известно об устройстве атомов. Эти представления не теряли свою силу, а получали лишь подкрепление и поддержку с принятием планетарной модели атома (1911 г.), при открытии протонов (1919 г.), нейтронов (1932 г.) и законов формирования электронных оболочек (1926, 1951 гг.). На рисунке показан несколько упрощённый вариант таблицы элементов, построенной на основе открытого Д.И. Менделеевым периодического закона. Синим цветом приближённо указан атомный вес элемента, который значительно больше веса всех протонов (порядковый номер элемента) за счёт появившихся в ядре нейтронов.

Т-24. В поисках элементарного, то есть самого маленького в природе, электрического заряда мы разбираем молекулу на атомы. Молекул а любого вещества состоит из типовых блоков — из атомов. Всего сегодня известно 118 основных типов различных атомов. Из них 92 вида атомов устойчивы, остальные со временем сами по себе распадаются на составные части, причём некоторые очень быстро — за малые доли секунды. Химики называют атомы разного типа химическими элементами, имея, очевидно, в виду, что это и есть элементарные блоки, из которых собраны все природные и искусственные вещества.

В молекулу могут входить самые разные атомы и в самом разном количестве (в молекуле воды — три атома, в молекуле белка — десятки тысяч), атомы могут по-разному соединяться друг с другом, образовывать различные пространственные конструкции. И в итоге из небольшого сравнительно количества элементов (118 — это тоже немного, но в строительстве молекул в основном используется 40–50 разновидностей атомов) получаете я огромное количество комбинаций, образуются миллиарды самых разных веществ. Разные сочетания разных атомов дают воздух и воду, мрамор и зелёный лист винограда, соль и сахар, стекло и пластмассу.

Продолжив свой мысленный эксперимент и разобрав на части молекулы подопытных веществ — стекла и пластмассы, — мы обнаружим, что и среди атомов попадаются совершенно, казалось бы, одинаковые на вид, но при этом разные по своим электрическим свойствам. Мы обнаружим наэлектризованные атомы и не наэлектризованные, другими словами, атомы с электрическим зарядом и без него, то есть электрически нейтральные. И после этого нам не остаётся ничего другого, как в поисках мельчайшей порции электрического заряда разобрать на части сам атом.

ВК-26. В мелких клочках бумаги под действием электрического поля наэлектризованного предмета тоже происходит поляризация. Но не за счёт перемещения атомов, а за счёт некоторого вытягивания их электронных орбит. В результате этой массовой деформации орбит в одной части бумажного лепестка оказывается более сильным положительный заряд, а в противоположной части — отрицательный. Одну из этих частей и притягивает наэлектризованный предмет, заставляя двигаться весь лепесток.

Т-25. Несколько похвальных слов моделям и моделированию. Склеенная из пластмассы модель самолёта или даже летающая его модель лишь в небольшой степени похожи на воздушный лайнер, который берёт на борт сотню пассажиров. Но вместе с тем, рассматривая эти модели, можно узнать много важного о настоящих самолётах, об их устройстве, об основных деталях, о том, для чего эти детали нужны. Ещё одна разновидность модели — чертежи, на них отрабатывается и предварительно проверяется будущая реальная машина. На чертежах, например, без огромных затрат на постройку реальных образцов, проверяют, как соединятся, состыкуются будущие детали самолёта.

Здесь хочется сказать несколько слов о самом этом понятии «модель», о котором надо бы написать отдельную книжку, а ещё лучше — никем пока, к сожалению, не запланированный школьный учебник.

Умение строить модели можно встретить только у живых организмов, кварцевый кристалл или горная река моделей не строят. Да и в мире живого у первых примитивных его представителей тоже не было никаких приспособлений, чтобы строить модели. А те, у кого такие приспособления появлялись, получали огромное преимущество, они чаще побеждали в борьбе за существование, их род успешно продолжался и совершенствовался. К примеру, древние насекомые, охотясь за пищей, создавали в особых своих нервных узлах (из них у некоторых видов в дальнейшем образовался мозг) своего рода химический чертёж, модель этой охоты. Порывшись в памяти, они проверяли, годится ли намеченная жертва на обед, на модели обстановки определяли, куда «пища» перемещается, как надо двигаться самому, чтобы перехватить её. Именно такое моделирование вместо бесконечных проб и опасных ошибок оказалось могучей движущей силой развития живых существ.

ВК-27. Атом в действительности очень «воздушная» конструкция, в нём много «пустоты». Если представить себе атомное ядро размером с яблоко, то в этом масштабе окажется, что электроны размером с пылинку вращаются вокруг ядра на расстоянии десятки и сотни метров. Большими бывают и межмолекулярные объёмы, где могут двигаться заряды. Но их подвижность, выраженная в конечном счёте величиной сопротивления, зависит не только от свободного пространства для перемещений.

Пришло время, появился Человек Разумный, мозг которого постепенно научился особо эффективно работать с моделями. И сейчас всё, о чём мы думаем, вспоминая, например, о вчерашнем дне, проверяя планы на завтра, погрузившись в грустные думы о ремонте автомобиля, предвкушая вкусный обед, обдумывая газетную статью, анализируя семейный конфликт или партию в шахматы, — всё это работа с мысленными моделями предметов, событий и действий. Мы умеем работать с моделями, созданными на основе разговорного языка, геометрических построений, математических формул, чертежей, химических уравнений, компьютерных программ. Мы умеем работать с моделями уже не только в уме, а во внешних вспомогательных устройствах, таких как компьютеры, книги, географические карты, фотографии. Всё это стало важнейшим инструментом познания мира и, может быть, даже основным слагаемым нашего нынешнего могущества.

Т-26. Планетарная модель атома — в центре массивное ядро, вокруг него вращаются электроны. Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Это название появилось очень давно, когда о настоящих атомах, в современном понимании этого слова, никто и представления не имел. Просто считалось, что всякое вещество можно дробить на части до тех пор, пока не получатся мельчайшие невидимые пылинки, которые дальше уже разделить нельзя, невозможно. Именно эти гипотетические, то есть предполагаемые, неделимые пылинки древнегреческие философы и называли атомами. Позднее название «атом» перешло к частицам уже не гипотетическим, не придуманным, а совершенно реальным, обнаруженным в экспериментах. К тем самым основным блокам, из которых строятся разные молекулы, разные вещества. То, что молекулы собраны из атомов, было доказано в самых разных экспериментах и даже показано на специальных фотографиях с особо сильным увеличением.

ВК-28. Подвижность свободных зарядов в веществе, которое мы называем проводником, зависит от многих характеристик этого вещества. Прежде всего, конечно, от того, насколько легко образуются в нём ионы или насколько внешние электроны связаны со своим атомным ядром, насколько легко они могут уйти из атома. Кроме того, важно и то, как ведёт себя само вещество, насколько оно способствует или препятствует перемещению зарядов, насколько поддерживает это движение или противодействует ему.

Р-8. МОЛЕКУЛЫ — ГЛАВНЫЙ ПУТЬ К МНОГООБРАЗИЮ. После знакомства с атомами с разным числом протонов в ядре (Р-7) сделаем следующий шаг на пути к многообразию веществ. Мы соберём из разных атомов ещё более сложные блоки вещества — молекулы. Даже в сравнительно небольших молекулах добавление одного атома или замена одного из них на другой может резко изменить свойства вещества, состоящего из таких молекул. Более того, даже молекулы, одинаковые по химическому составу, то есть имеющие одно и то же количество определённых атомов, могут создавать совершенно разные вещества, если эти атомы расположены и соединены по-разному.

В качестве примера возьмём хорошо знакомое всем вещество по имени пищевая сода. Её формула NaHCО₃ напоминает, что в молекуле этого вещества по одному атому натрия, водорода и углерода и три атома кислорода. Но если заменить атом водорода H на ещё один атом натрия Na, то получится совершенно непригодная для пищи кальцинированная сода Na₂CO₃ важнейший компонент многих отраслей промышленного производства, в частности производства стекла. Особенно велики возможности изменить подобным образом свойства какого-нибудь лекарственного либо биологического вещества, молекулы которого нередко состоят из многих тысяч атомов.

Ещё каких-нибудь сто лет назад некоторые учёные, как и древнегреческие философы, считали эти блоки, из которых собраны молекулы, неделимыми и с чистой совестью называли их атомами. И только в начале прошлого века (он начался в 1900 году и завершился совсем недавно — в 2000 году) выяснилось, что атом, строго говоря, нельзя называть атомом, что атом не есть какой-то неделимый шарик, он представляет собой сложную машину и состоит из множества разнообразных деталей.

Одна из удобных и очень полезных моделей атома похожа на наше Солнце с планетами, её так и называют — «планетарная модель атома».

В центре планетарной модели — основная деталь атома, его ядро, массивный шар (Т-8), в котором сосредоточена почти вся атомная масса. Вокруг ядра вращаются маленькие и лёгкие шарики (Т-8) — электроны, они напоминают планеты, которые вращаются вокруг Солнца (Р-5). Такая картина очень наглядна, её легко себе представить, однако планетарная модель — это очень сильное упрощение, сильное искажение истины.

Скажем, электроны — это совсем не шарики-пылинки, а некоторые во многом ещё загадочные сгустки материи, которые ведут себя не только как частицы, но и как волны. Это значит, что в каких-то случаях электроны подобно частицам отскакивают, отражаются от препятствия, а в каких-то случаях огибают его, подобно волне, которая перекатывается через прибрежный камень. И двигаются электроны в атоме не по спокойным круговым орбитам, как Венера или Земля вокруг Солнца. Электроны как бы размазаны в пространстве, распределены по сферам вокруг ядра, образуют вокруг него так называемые электронные оболочки.

Разумеется, само ядро — тоже не бильярдный шар. Во-первых, оно собрано из нескольких типов частиц, которые, в свою очередь, тоже «склеены» из деталей. Во-вторых, ядро — это не застывшая конструкция, а скорее, бурлящий котёл, в котором непрерывно идут сложные превращения вещества и энергии, рождаются и умирают частицы.

И всё же планетарная модель, несмотря на все её недостатки, помогает просто и правильно объяснить многие важные процессы в атоме, многие особенности его конструкции. Именно поэтому своё путешествие в атомные миры мы начнём с того, что построим упрощённую действующую планетарную модель самого простого из известных атомов — атома водорода.

В предыдущей фразе нет ошибки — мы построим именно действующую модель атома.

ВК-29. Каждое вещество имеет свою точную характеристику «удельное сопротивление», которая говорит о том, насколько оно содействует упорядоченному движению электрических зарядов. В целом же все вещества делятся на три большие группы: «проводники», «изоляторы» и «полупроводники». Первые создают особо благоприятные условия для движения зарядов, в изоляторах такое движение практически невозможно. А полупроводники занимают промежуточное положение между первыми двумя группами.