ЭЛЕКТРОНЫ

КАК РАЗМЕЩЕНЫ ЗАРЯДЫ В АТОМАХ

Так, в любом атоме, а значит, и в любой молекуле должны быть мельчайшие электрические частицы. Но почему же окружающие нас тела далеко не всегда обна­руживают свой заряд? Это можно объяснить очень про­сто. Электрические заряды атомов не дают о себе знать потому, что положительный заряд в атоме в точности ра­вен отрицательному, и действия обоих зарядов уже на небольшом расстоянии от атома взаимно погашаются — заряды нейтрализуют друг друга. Однако в некоторых случаях, например при растворении, при нагревании, атомы могут терять или присоединять одну или несколько электрических частиц и превращаться в заряженные осколки — ионы.

Теперь постараемся выяснить, какие электрические частицы может терять или приобретать атом - положи­тельные или отрицательные. Чтобы решить этот вопрос, мы должны узнать, как расположены заряды в атоме, как построен сам атом.

В первом разделе нашей книжки мы уже решали за­дачу о распределении зарядов, спрятанных в картонной коробке. Такая же по существу задача стоит перед нами и сейчас. Разница только в масштабах. Атомы имеют раз­меры в несколько стомиллионных долей сантиметра. Зна­чит, и внутриатомные заряды, помещены друг от друга на расстоянии не в один сантиметр, как в коробочке, изо­бражённой на рисунке 2, а в сто миллионов раз ближе. Примерно на такое расстояние и нужно «подобраться» к атому с пробным зарядом. Да и сам пробный заряд должен быть не тяжелее атома, иначе он будет слишком груб — его не сдвинут электрические силы атома. Сделать такой заряд не по силам человеческому искусству, но, по счастью, на помощь здесь пришла сама природа. Проб­ные заряды доставили нам радиоактивные вещества. Испускаемые этими веществами альфа-частицы оказались вполне подходящими для «прощупывания» внутриатомных зарядов. Альфа-частицы достаточно малы и легки. Ско­рости их огромны: встречаются альфа-частицы, летящие со скоростью 20 ООО километров в секунду. Альфа-ча - стицы имеют положительный электрический заряд. Таким образом, они вполне подходят для исследования строения атома.

Но как провести опыт? Увидеть отдельные атомы и альфа-частицы нельзя даже в самый сильный микроскоп. А ведь мы должны заглянуть внутрь атома и по поведе­нию альфа-частиц узнать, как расположены в атоме за­ряды.

Прежде всего надо было найти способ, как следить за путями альфа-частиц. Это сделать удалось. Есть ве­щество — сернистый цинк, — которое обладает интерес­ным свойством: если на него надает альфа-частица, оно светится — даёт кратковременную вспышку. По вспышке можно узнать, куда попала вылетевшая из крупицы ра­диоактивного вещества альфа-частица, а зная это место, можно, очевидно, сообразить, по какому пути она летела, хотя в полёте и оставалась невидимой.

Затем следовало отыскать подходящую для альфа-ча - стицы мишень. Такой мишенью послужил очень тонкий, толщиной в тысячную долю миллиметра, листок металла.

Установка для опыта была собрана так, как схемати­чески показано на рис. 4. Большая чёрная точка слева — крупица радиоактивного элемента радия. Из неё по всем направлениям непрерывным потоком вылетают альфа - частицы. Щель, прорезанная в толстой металлической пластинке, пропускает узкий «луч» альфа-частиц. Он па­дает на мишень — тонкий листок металла. А за листком поставлен экран, покрытый сернистым цинком.

И вот оказывается, что тонкий листок металла — не препятствие для несущихся с огромной скоростью альфа - частиц. Они пронизывают листок насквозь и, падая на середину экрана, дают яркое свечение. Это навело ученых на мысль, что атом вовсе не является сплошной частицей вещества, а состоит из отдельных частей, разделённых пу­стым пространством, через которое альфа-частицы могут свободно пролетать.

Но некоторые альфа-частицы ведут себя иначе. Они отклоняются от прямого пути. Это видно из того, что в других местах экрана тоже вспыхивают и гаснут от­дельные искорки — следы ударов альфа-частиц, изменив­ших своё направление. Большинство частиц лишь немного меняет направление своего полёта, но есть и такие, ко­торые отклоняются сильно, а некоторые отскакивают назад. Как это объяснить?

Альфа-частица заряжена положительно. Значит, от­клонить её может только некоторый положительный заряд в атоме, или, точнее, положительно заряженная часть атома, более тяжёлая, чем сама альфа-частица. Эту часть атома называют ядром. Если альфа-частица налетает прямо на ядро, «лобовым ударом», то она может быть отброшена назад. Поскольку таких частиц в нашем опыте мало, мы делаем заключение, что попадание в ядро — редкий случай. А это свидетельствует о том, что раз­меры ядра очень малы.

Теперь картина прохождения альфа-частиц через металлический листок ясна: частицы, не испытавшие отклонения от прямолинейного пути, прошли вдали от атомных ядер. Частицы, отклонившиеся в сторону, про­шли на небольших расстояниях от ядер, и очень немного частиц попало прямо в ядро и было отброшено назад.

Таким образом, опыт с обстрелом атома альфа-части­цами доказывает нам, что положительные заряды атома сосредоточены в маленьком тяжёлом ядре. А отрицатель­ные? Они не дают о себе знать в этом опыте. Они совер­шенно не действуют на альфа-частицу, не могут притянуть её к себе. И нам остаётся заключить, что отрицательные заряды в виде лёгких мельчайших частиц распределены вокруг ядра. Эти мельчайшие частицы отрицательного электричества и были названы электронами.

Как же теперь мы должны представлять себе строение атома? — В центре атома находится ядро. В нём заклю-1 чены все положительные заряды атома и почти вся его масса (рис. 5). А вокруг ядра располагаются электроны.

Электроны составляют оболочку атома, легко прони­цаемую для альфа-частиц. Исходя из этого, мы можем предположить, что именно электроны, как более лёгкие и поэтому более подвижные, слабее связаны с атомом и могут переходить от одного атома к другому.

Опыты это полностью подтвердили. Оказалось, что многие атомы, например атомы металлов, легко теряют часть своих электронов. Это происходит и при нагрева­нии, и при освещении, и при действии тех же альфа-ча - стиц. Другие же атомы, наоборот, более склонны присо­единять к своей оболочке лишние электроны. Как от­рыв, так и присоединение электронов к атому называют ионизацией (потому что атом при этом превра­щается в ион).

Теперь мы можем ответить и на вопрос о том, как из молекулы соляной кислоты при растворении получаются положительный ион водорода и отрицательный ион хлора. Атом водорода отдаёт электрон атому хлора, и в резуль­тате в оболочке атома хлора оказывается избыток отри­цательных зарядов (по. сравнению с количеством положи­тельных зарядов в ядре), а водородный атом становится положительно заряженным ионом. Так как водородный атом отдал только один электрон, а атом хлора получил этот электрон, то очевидно, что заряды полученных ионов равны заряду электрона.