Дискретность электрического заряда. Электрон. Строение атомов

Представьте себе, что вы берете яблоко и решаете его съесть. Вы надкусываете его, и оно делится на небольшие кусочки. Теперь представьте, что вы продолжаете делить эти кусочки на более мелкие части. В какой-то момент вы достигнете предела, и дальше делить становится невозможно, потому что каждый кусочек будет состоять всего лишь из нескольких молекул. Точно так же и электричество, которым мы пользуемся каждый день, состоит из маленьких, неделимых частиц, называемых электронами.

Сегодня мы отправимся в увлекательное путешествие по миру электрических зарядов, электронов и строения атомов.

Электрический заряд – одно из фундаментальных понятий в физике. Он лежит в основе многих явлений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни: от обычного трения, когда волосы электризуются, до работы сложных электронных устройств. Но что такое электрический заряд и почему он является дискретной величиной? Давайте же разберёмся, что это значит на самом деле.

Тысячи лет назад люди заметили, что некоторые материалы, например, янтарь, могут притягивать к себе легкие предметы после того, как их потерли. Это явление получило название «электризация» (от греческого слова «электрон», означающего «янтарь»). Постепенно ученые поняли, что электризация связана с наличием особых частиц, носителей электрического заряда. 

В 1897 году английский физик Джозеф Томсон открыл, что эти частицы, названные им электронами, являются составной частью атомов. Томсон показал, что электроны имеют отрицательный электрический заряд и что их масса в 1800 раз меньше массы атома водорода – самого легкого элемента.

Дальнейшие исследования подтвердили, что электрический заряд обладает фундаментальным свойством дискретности – он может принимать только определенные, «порционные» значения.

Например, у вас есть сосуд, наполненный водой. Если вы начнёте постепенно добавлять в него больше воды, то её количество будет увеличиваться непрерывно. Капля за каплей уровень воды будет расти, причём плавно и равномерно.

Но если взять другое вещество, скажем, монеты, то их количество будет увеличиваться дискретно, то есть отдельными порциями. Вы не сможете просто добавить полмонеты – их число будет меняться только целыми единицами: одна, две, три монеты и так далее.

Электрический заряд ведёт себя точно так же, как монеты. Он не является непрерывной величиной, а состоит из отдельных неделимых частиц – электрических зарядов. Эти частицы называются элементарными электрическими зарядами или же просто элементарными зарядами.

Единица элементарного электрического заряда – это заряд электрона. Электрон – это субатомная частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом. Именно электроны и определяют дискретный характер электрического заряда.

Квантование заряда подразумевает, что заряды двух частиц с противоположными зарядами выравниваются естественным образом. Ключевое понятие в теории квантования – дискретность заряда. Согласно современным физическим теориям, заряд имеет квантовую природу, то есть состоит из минимальных неделимых единиц заряда, которые невозможно разделить дальше.

Интересно, что точное значение элементарного заряда было экспериментально измерено ещё в 1910-х годах учёным Робертом Эндрюсом Милликеном. Он получил за это Нобелевскую премию по физике в 1923 году.

Милликен провёл серию блестящих экспериментов, в ходе которых в которых он измерял заряд отдельных капель масла, заряженных электронами. Он обнаружил, что заряд каждой капли является кратным некоторому минимальному значению заряда – заряда одного электрона. Оказалось, что заряд каждой капельки был кратен некоторому минимальному значению – . Это и есть величина элементарного электрического заряда.

Сделаем вывод: электрический заряд существует не в виде непрерывной «субстанции», а в виде отдельных дискретных частиц – электронов. Заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду электрона. Это принципиальное свойство электрического заряда называется его дискретностью.

Дискретность электрического заряда является одним из фундаментальных свойств природы, без которого невозможно было бы существование нашего мира в его современном виде.

Итак, мы установили, что дискретность электрического заряда обусловлена существованием особых субатомных частиц - электронов. Но что же представляет собой сам электрон?

Согласно современным представлениям, электроны находятся в постоянном движении внутри атома, образуя так называемые электронные оболочки. Они распределены по различным энергетическим уровням и подуровням, занимая определенные положения в пространстве вокруг ядра. Электроны, находящиеся на внешних оболочках, слабее всего связаны с ядром и могут быть легко оторваны от атома, образуя свободные заряженные частицы – ионы.

Электрон обладает рядом уникальных свойств. Во-первых, он имеет отрицательный электрический заряд, о чём мы уже упоминали.

Во-вторых, электрон обладает очень малой массой - всего килограмма. Для сравнения, масса обычной булавки составляет около 1 грамма, то есть в миллиард раз больше массы электрона.

Также ему присущ собственный момент импульса (спин), который может принимать только два дискретных значения – +1/2 и -1/2. Это свойство электрона лежит в основе возникновения магнетизма в веществе и многих квантовомеханических явлений.

Ещё одно важное свойство электрона – это его квантовая природа. Электроны, как и другие элементарные частицы, проявляют одновременно как свойства частицы, так и свойства волны. Это явление называется волново-корпускулярным дуализмом.

Открытие электрона стало поворотным моментом в истории физики. Оно положило начало новой эре – эре квантовой механики, в рамках которой были объяснены многие загадочные явления, наблюдавшиеся в микромире.

Электроны находятся везде вокруг нас – в проводах, лампочках, компьютерах, нашем теле и даже в воздухе. Они постоянно движутся, перемещаясь от одного атома к другому. Благодаря этому движению электронов и возникают электрические токи и электрические поля.

Кроме того, электрон играет ключевую роль во всех электрических и электронных устройствах, без которых невозможно представить современную цивилизацию.

Самое удивительное, что мы не можем «поймать» электрон и рассмотреть его в деталях. Согласно законам квантовой механики, местоположение электрона в пространстве описывается не точкой, а специальной волновой функцией. Поэтому электрон можно представить в виде размытого облака, внутри которого с определённой вероятностью может находиться частица.

Теперь, когда мы знаем об электронах, можно перейти к следующему важному понятию – строению атомов. Ведь именно электроны являются ключевыми частицами, определяющими структуру и свойства атомов.

История развития представлений об атоме насчитывает несколько столетий и является важным этапом в развитии физики и нашего понимания микромира. Ключевые моменты этой истории можно кратко представить следующим образом:

1. Атомистические представления древнегреческих философов: Демокрит, Эпикур и другие выдвинули идею о том, что вещество состоит из неделимых частиц – атомов.

2. Модель Дж. Дальтона (начало XIX века): Дальтон рассматривал атом как неделимую, неизменную частицу, из которой состоят химические элементы.

3. Открытие электрона Д. Томсоном (1897 г.): Томсон обнаружил, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, расположенных вокруг него.

4. Модель «пудинга с изюмом» Д. Томсона (1904 г.): Атом представлялся как шар положительного заряда, в котором равномерно распределены отрицательные электроны.

5. Модель Э. Резерфорда (1911 г.): На основе экспериментов по рассеянию α-частиц Резерфорд предложил планетарную модель атома, в которой положительно заряженное ядро занимает центральную часть атома, а электроны вращаются вокруг него на определенных орбитах.

6. Квантовые постулаты Нильса Бора (1913 г.): Внутри каждого атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого на определённых расстояниях вращаются отрицательно заряженные электроны. Такая модель атома была предложена в 1913 году великим физиком Нильсом Бором. Рассмотрим её более подробно.

Ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, занимает очень малую часть объема атома, но содержит практически всю его массу.

Число электронов в атоме всегда равно числу протонов, поэтому атом в целом электрически нейтрален. Однако электроны могут перемещаться между атомами, образуя электрические токи и заряды.

Согласно этой модели, электроны в атоме могут находиться только на строго определённых энергетических уровнях. Электроны, находящиеся на более высоких уровнях, обладают большей энергией. При переходе электрона с более высокого уровня на более низкий происходит высвобождение энергии в виде фотона.

Именно этот процесс лежит в основе работы многих привычных нам устройств – таких как лампы накаливания, светодиоды и даже современные сверхъяркие мониторы и телевизоры.

Электроны в атоме находятся на строго определённых расстояниях от ядра, образуя вокруг него электронные оболочки. Эти оболочки могут быть заполнены электронами не полностью. Незаполненные электронные оболочки определяют химическую активность атома и его способность вступать в химические реакции.

Каждый атом химического элемента характеризуется определённым числом протонов в ядре и, соответственно, электронов на орбитах в нейтральном состоянии. Это число называется атомным номером элемента и указывает на его место в Периодической таблице Менделеева.

Например, атом водорода () содержит 1 протон в ядре и 1 электрон на первом энергетическом уровне. Атом гелия () имеет 2 протона и 2 электрона на первом и втором уровнях. Атом углерода () состоит из 6 протонов и 6 электронов.

Таким образом, различные химические элементы отличаются друг от друга строением своих атомов. Именно это определяет их уникальные свойства и то, как они взаимодействуют между собой, образуя молекулы и вещества.

Согласно квантовой теории, электроны в атоме не хаотично вращаются вокруг ядра, а занимают вполне определенные места – энергетические уровни. Эти уровни обозначаются числами 1, 2, 3 и т.д. Электроны на более низких энергетических уровнях находятся ближе к ядру, а на более высоких – дальше.

Распределение электронов по энергетическим уровням подчиняется определенным правилам:

• Каждый энергетический уровень может вместить ограниченное число электронов (2, 8, 18, 32 и т.д.). Это можно наблюдать, например, на графической электронной формуле калия:

• Электроны занимают более низкие энергетические уровни, а свободные места заполняются на более высоких уровнях.
• Электроны стремятся занять наиболее устойчивые конфигурации, соответствующие минимуму энергии атома.

Это распределение электронов по энергетическим уровням определяет многие химические и физические свойства атомов, а также их способность образовывать химические связи.

Валентными называются те электроны атома, которые участвуют в образовании химических связей. Именно валентные электроны ответственны за химические свойства атома.

При образовании химических связей атомы стремятся достичь устойчивой конфигурации внешнего энергетического уровня, которая соответствует заполненным электронным оболочкам инертных газов (гелий, неон, аргон и др.).

Различают несколько типов химических связей:

• Ковалентная связь – образуется за счет общих для двух атомов валентных электронов. 

Неполярная ковалентная связь – общая пара электронов между двумя атомами одинаковых элементов (например, ).

Полярная ковалентная связь – общая пара электронов между двумя атомами разных элементов, где наблюдается неравномерное распределение электронной плотности.

• Ионная связь – образуется в результате перехода электронов от одного атома (металл) к другому (неметалл), приводящего к образованию положительно и отрицательно заряженных ионов (например, ).

• Металлическая связь:

Образуется в металлах, где валентные электроны делокализованы (свободно перемещаются) между положительно заряженными ионами. 

Характеризуется высокой электрической и теплопроводностью, пластичностью.

• Водородная – особый вид межмолекулярного взаимодействия, возникающий между атомом водорода, ковалентно связанным с высокоэлектроотрицательным элементом (фтор (F), кислород (O), азот (N)), и другим высокоэлектроотрицательным атомом (например, ).

Таким образом, химические свойства веществ, их способность вступать в химические реакции и образовывать различные типы химических связей, определяются в первую очередь распределением валентных электронов в атомах.

Итак, мы выяснили, что электрический заряд существует в виде отдельных неделимых частиц – электронов. Эти частицы обладают уникальными свойствами, такими как отрицательный заряд, малая масса и квантовая природа. Расположение и энергетические состояния электронов в атомах определяют химические и физические свойства веществ.

Дискретность электрического заряда, существование электрона и сложное строение атома – это фундаментальные открытия в физике, которые произвели настоящую революцию в научном понимании окружающего мира. Они позволили не только объяснить множество ранее загадочных явлений, но и стали основой для создания современной электроники, химии и многих других областей науки и техники.

Понимание этих концепций требует выхода за рамки повседневного опыта и освоения новых способов мышления, свойственных квантовой механике. Но исключительно такой подход позволяет постепенно приоткрывать завесу тайны над устройством природы на её глубинном, субатомном уровне: именно на знании атомной структуры вещества основаны такие прорывные достижения, как лазеры, полупроводниковая электроника, ядерная энергетика и многое другое.

Эта захватывающая исследовательская работа продолжается по сей день, открывая все новые горизонты для науки и человеческого познания.