§ 2. Общие понятия об электричестве и электронной теории

Электрические явления были известны людям очень давно. Еще Древние греки 2500 лет назад, натирая янтарь сухим сукном, заметили, что янтарь после этого приобретает способность притягивать к себе легкие тела. Силу, проявляемую натертым янтарем, греки назвали электрической силой (по-гречески янтарь называется "электрон").

При натирании стекла, смолы, эбонита, сургуча и других тел последние приобретают способность притягивать к себе легкие тела, или, иначе говоря, электризуются. Наэлектризованное тело может передать часть своего электрического заряда другому (ненаэлектризованному) телу, если их привести в соприкосновение или соединить металлической проволокой. Если же наэлектризованное тело соединить с ненаэлектризованным телом при помощи стеклянной, фарфоровой или эбонитовой палочки, то передачи части заряда от первого тела ко которому происходить не будет.

М. В. Ломоносов

Было замечено, что наэлектризованные тела притягиваются одно к другому или отталкиваются одно от другого. Так, например, если два тела зарядить от стеклянной палочки, натертой кожей, то тела будут отталкиваться. То же самое произойдет, если оба тела зарядить от эбонитовой палочки, натертой сукном. Если же одно тело зарядить от стеклянной палочки, а другое тело - от эбонитовой, то оба тела будут притягиваться одно к другому.

Таким образом, удалось установить, что в результате электризации различных тел получается два рода электричества. Условно один вид электричества назвали положительным, а другой - отрицательным. Тела, заряженные одноименным электричеством, взаимно отталкиваются; заряженные разноименным электричеством, - притягиваются.

Исследование электрических явлений было впервые начато отцом русской науки М. В. Ломоносовым (1711-1765). В своем труде "Теория электричества, математическим способом разработанная автором Ломоносовым" он описал природу электричества вообще и установил природу атмосферного электричества.

Долгое время существовало мнение о том, что атомы являются первичными, неразложимыми и неизменными частями всех тел природы, откуда и произошло название "атом", что по-гречески значит "неделимый". Однако с дальнейшим развитием науки (ядерной физики) удалось разложить атом на более простые составные части.

Согласно современной теории строения вещества каждый атом состоит из ядра, вокруг которого по орбитам вращаются электроны. Ядро заряжено положительным электричеством, а электроны - отрицательным.

Атом обычно не проявляет никаких электрических свойств (нейтрален). Однако это указывает не на отсутствие в нем электричества, а только на то, что положительного и отрицательного электричества имеется в нем поровну.

Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга своим весом (атомный вес), величиной положительного заряда ядра и числом электронов, вращающихся вокруг ядра. Так, например, в атоме водорода, самого легкого и простого по строению элемента, вокруг ядра вращается только один электрон (рис. 1), в атоме меди - 29 электронов, в атоме золота - 79 электронов и т. д. Числу электронов, вращающихся вокруг ядра, всегда соответствует порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Например, атом 92-го элемента таблицы - урана - имеет ядро, заряженное 92 единицами положительного электричества, и 92 электрона, вращающихся вокруг ядра по многочисленным орбитам.

Рис. 1. Схема строения атома водорода

Те из вращающихся в атоме электронов, которые расположены на крайних орбитах, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на ближних к ядру орбитах. Под действием соседних атомов или вследствие других причин можно заставить крайние электроны покинуть свои орбиты.

Атомы всех металлов имеют эти неустойчивые внешние электроны, которые легко покидают свои орбиты, чем и объясняется хорошая электропроводность металлов.

Электроны, потерявшие связь с атомами и перемещающиеся в пространстве между ними, называются свободными.

Атомы ряда других веществ прочно удерживают электроны около ядра и не дают им свободно уходить из атомов. Такие вещества плохо проводят электричество и называются диэлектриками.

В обычном состоянии свободные электроны находятся в беспорядочном движении. Если под действием тех или иных причин заставить свободные электроны перемещаться в одном направлении, то такое упорядоченное движение свободных электронов в металлических проводниках будет представлять собой электрический ток.

Как уже упоминалось, положительный и отрицательный заряды в атоме обычно равны между собой. Но если атомы тела начинают терять электроны (например, при электризации тела трением), то положительный заряд тела становится больше, и мы говорим, что тело заряжается положительно.

Если же атомы тела дополнительно получают электроны, то тело заряжается отрицательно. При этом нужно учитывать, что если стекло, например, при натирании его кожей теряет электроны и заряжается положительно, то кожа, получая электроны со стекла, заряжается отрицательно.

Теряя или приобретая электроны, нейтральный в электрическом отношении атом становится заряженным. Такой атом называется ионом. Процесс превращения нейтрального атома в ион называется ионизацией. В качестве примера ионизации можно указать на некоторые металлы (натрий, калий), которые при освещении их поверхности способны выделять электроны. Честь открытия этого явления принадлежит известному русскому физику А. Г. Столетову. Это явление получило название фотоэлектрического эффекта и используется в фотоэлементах.

Нагревая металл до высокой температуры, мы заставляем хаотически двигающиеся атомы металла двигаться еще быстрее. Электроны, которые ранее удерживались на орбитах атомов, теперь испускаются нагретым металлом в окружающее пространство. Это явление называется термоэлектронным эффектом и используется в радиолампах, выпрямителях и других устройствах.

Нейтральная молекула газа может быть ионизирована под действием высокой температуры, лучей Рентгена, ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений, высокого напряжения, а также при ударе нейтральной молекулы о быстролетящий электрон (ионизация толчком). Молекулы веществ, попадая в растворитель, ослабляют внутреннюю связь и распадаются на положительные и отрицательные ионы.

Масса (вес) электрона очень мала: она в 1838 раз меньше массы ядра атома самого легкого газа - водорода. Поэтому при решении некоторых вопросов можно считать, что вес атома водорода целиком определяется весом ядра, заряженного положительным электричеством и называемого протоном.

Носителями положительных зарядов в ядре атома являются протоны. Кроме протонов, в состав ядра каждого атома входят также частицы, не имеющие заряда, но масса которых равна массе протона. Эти частицы были названы нейтронами (т. е. электрически нейтральными).

В ядре атома гелия (второго по счету после водорода в таблице Менделеева), кроме двух протонов, имеются два нейтрона. Вокруг ядра вращаются на одной орбите два электрона (рис. 2).

Рис. 2. Строение атома гелия

На рис. 3 схематически показано строение атома урана, в ядре которого находятся 146 нейтронов и 92 протона; вокруг ядра на различных орбитах вращаются 92 электрона.

Рис. 3. Строение атома урана

 Два электрона        Два нейтрона 
Масса ≈ 0          Масса = 2 
Заряд = -2         Заряд = 0 
 Два протона       Атомный вес = 4 
Масса = 2          Порядковый номер = 2 
Заряд = +2         Заряд атома = 0

Мы здесь дали упрощенную картину строения вещества. В действительности атомы устроены сложнее и содержат, кроме указанных трех основных элементарных частиц, еще другие виды простейших частиц.