Розділ І Фізика як природнича наука. Методи наукового пізнання
& 3. ПОЧАТКОВІ ВІДОМОСТІ ПРО БУДОВУ РЕЧОВИНИ. РЕЧОВИНА І ПОЛЕ
Згідно сучасних уявлень, оточуючий нас світ складається з матерії, яка поділяється на речовину і поле.
Речовина складається з атомів, які в свою чергу складаються з електронів, протонів і нейтронів.
Поле здійснює передачу взаємодії між частинками, з яких складається речовина. Поле діє на відстані і його не видно. Але, наприклад, якщо ми підстрибнемо, то гравітаційне поле поверне нас назад.
Історія
Деякі мислителі Стародавньої Греції, наприклад, Демокріт (V вік до н. е.) висловили гіпотезу (здогад) про те, що речовини, з яких складаються оточуючі тіла, самі складаються з невидимих маленьких частинок. Тобто речовина не суцільна, а має “зернисту” структуру і поділяється на найпростіші складові – атоми, які вже далі неможливо поділити (“атомос” з грецької – неподільний). Можливо ця ідея була запозичена з досвіду будівництва, адже різноманітні за формою споруди побудовані всього з кількох різновидів цегли.
На початку ХХ ст. атомарна гіпотеза була нарешті
Як бачите, для встановлення того “простого” факту, що мільйони різних речовин складаються лише з сотні різного “сорту” атомів, знадобилося близько 2500 років.
Електричне, магнітне і гравітаційне поле
В стародавній Греції вже знали про властивість бурштину, натертого шерстю, притягувати мілкі предмети. Бурштин грецькою – “електрон”. Знали також про властивість магніту притягувати залізо (мал. 3.3).
Якщо сухе волосся причесати гребінцем, то можна почути потріскування – це волосся і гребінець наелектризувалися і між ними проскакують невеликі іскорки, які в темноті можна навіть побачити. Електричні заряди бувають двох видів: позитивні і негативні. Заряди протилежного знаку притягуються, заряди одного знаку – відштовхуються (мал. 3.2). Взаємодія між зарядженими тілами передається через електричне поле.
Магніт має два полюси – північний та південний (мал. 3.4). Однакові полюси відштовхуються, протилежні – притягуються. Взаємодія між магнітами, чи магнітом і залізом, передається через магнітне поле. Англійський фізик Майкл Фарадей придумав спосіб “побачити” магнітне поле. Для цього потрібно накрити магніт листом цупкого паперу (мал. 3.5) і сипати з висоти 20-30 см залізні ошурки. Досить скоро стане помітним певний візерунок. “Ланцюжки” утворені ошурками називають
“силовими лініями” магнітного поля. Подібні лінії можна побачити і в електричному полі, але аналогічний дослід зробити важче.
Мал. 3.1. Наелектризований гребінець притягує мілкі предмети.
Мал. 3.2. Заряди протилежного знаку притягуються, заряди одного знаку – відштовхуються.
Мал. 3.3. Магніт притягує залізні предмети.
Мал. 3.4. Магніт має два полюси – північний і південний.
Мал. 3.5. Магнітне поле можна “побачити” за допомогою залізних ошурок.
Мал. 3.6. Стрілка компаса вказує на північ.
Мал. 3.7. Поле тяжіння тримає нас біля поверхні Землі.
Земля має магнітне поле, вздовж силових ліній якого встановлюється стрілка компаса, вказуючи своїм північним полюсом на Північ (мал. 3.6).
Як би високо ми не підстрибнули, поле тяжіння Землі (його ще називають гравітаційним) нас поверне назад. Властивість полів діяти на відстані завжди дивувала людей і спонукала їх робити різні цікаві досліди з електрики і магнетизму.
Кидаючи м’ячик вгору, вниз, вперед чи під кутом до горизонту, або стрибаючи на сноуборді, можна дізнатися багато цікавого і про поле тяжіння(мал. 3.7).
Атоми складається з ядра і електронів
Атоми виявилися не такими вже й неподільними. У 1911 р. міжнародній групі вчених під керівництвом англійського фізика Ернеста Резерфорда вдалося в результаті складних експериментів встановити, що в центрі атома є маленьке ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома. На краю атома по електронних оболонках обертаються електрони (мал. 3.8), подібно до того як планети обертаються навколо Сонця. Ядро атома складається з протонів та нейтронів і заряджене позитивно. Електрони на малюнку умовно позначені білими кружечками, протони і нейтрони – червоними і синіми кружечками.
Мал. 3.8. Планетарна модель атома.
Протони мають позитивний електричний заряд ( + ), електрони – негативний (-). Нейтрони електричного заряду не мають – вони нейтральні. А оскільки заряди протилежного знаку притягуються, то електрони не покидають атом, поки їх звідти, так би мовити, не вибивають. Тобто атоми досить міцні і зруйнувати їх не так просто. Стійкість атома забезпечується дією електричних сил. Уперше теорію, яка добре описувала властивості найпростішого з атомів – атома Гідрогену, створив датчанин Нільс Бор. Пізніше за допомогою квантової фізики вдалося зрозуміти властивості й складніших атомів.
Прості і складні речовини
Прості речовини складаються виключно з атомів одного хімічного елемента, наприклад: усі метали (але не сплави), а також, наприклад, кисень, водень, гелій.
До складу складних речовини входять атоми різних елементів.
*Ядро атома складається з нейтронів і протонів
Протони і нейтрони в ядрі взаємодіють при посередництві ядерного поля і утримуються ядерними силами, які в ядрі приблизно у 200 разів сильніші за електричні.
Числові значення електричних зарядів протона й електрона однакові, і цей їх заряд називають елементарним. Він є найменшим електричним зарядом, що існує в природі у вільному стані.
Число протонів у ядрі дорівнює номеру хімічного елемента в таблиці Менделєєва (таблиця 1.1 в додатку І). Число електронів на орбітах дорівнює числу протонів у ядрі, тобто в цілому атом нейтральний (позитивний заряд протонів нейтралізується негативним зарядом електронів).
Маса протона приблизно така сама, як і маса нейтрона, тоді як маса електрона майже у 2000 разів менша.
Електричне поле і хвильова природа матерії
Заряджені частинки взаємодіють при посередництві електричних і магнітних полів, а ядерні частинки (протони і нейтрони) – через ядерне поле. Світло і радіохвилі також мають польову природу.
Планетарна модель, схематично зображена на (мал. 3.8) дещо спрощує будову атома. Розрахунки показали, що електрон в атомі Гідрогену повинен за одну мільйонну долю секунди зробити мільярд обертів навколо ядра, тобто в прийнятному для нас масштабі часу електрон мав би майже одночасно перебувати у всіх точках своєї траєкторії.
Мал. 3.9. Всередині атома діє електричне поле.
Мал. 3.10. Блискавка утворюється сильним електричним полем.
Квантова механіка уточнила уяву вчених про атом. Електрони атомних оболонок згідно з новою теорією вже більше нагадують хвилі і утворюють так звану електронну хмару. На (мал. 3.9) синім кольором зображена область електронної хмари, де ймовірність перебування електронів найбільша, а стара орбіта – це просто місце, де електрони бувають найчастіше. Взаємодія ядра і електронної хмари в атомі здійснюється через електричне поле, яке по своїй силі в багато разів перевищує поле блискавки (мал. 3.10).
Цікаво знати. Розмір найменшого, найлегшого і найпоширенішого у Всесвіті атома Гідрогену становить одну десяти – мільярдну долю метра (1-10-10м). Розмір ядра атома приблизно в 10 000 разів менший за розмір атома. Між ядром атома і електронними оболонками вакуум, тобто пустота, алев ній діє електричне поле.
Підведемо підсумки
– Матерія складається з речовини і поля. Речовина складається з атомів, а поле – ні.
– Атоми складаються з ядра, в якому знаходяться протони та нейтрони, і електронних оболонок.
– Електрони і протони заряджені і взаємодіють при посередництві електричного поля.
– Ядерні частинки (протони і нейтрони) скріплені ядерним полем.
– Світло і радіохвилі мають електромагнітну природу.
Творчі завдання
3.1. Стародавній мислитель Лукрецій Кар (? вік до нашої ери) стверджував у своїй поемі “Про природу речей”, що “існують тільки атоми і пустота”. Наскільки він був правий і в чому він, на вашу думку, помилявся?
3.2. Чим відрізняються хімічні елементи, що входять до складу таблиці Менделєєва?
Вправа 3
1. З чого складається речовина?
2. З чого складаються атоми?
3. З яких частинок складаються атомні ядра?
4. Які сили діють між: а) протонами, б) електронами, в) протонами і електронами?
5. Чому стрілка компаса вказує на північ?
6. Чим відрізняється поле від речовини?
7. Як можна “побачити” магнітне поле?
8. Яке поле “склеює” протони і нейтрони в ядрі?
9. Чому протони не розлетяться з ядра атома, адже вони мають однаковий електричний заряд і відштовхуються?
10. Чим відрізняються різні речовини між собою?
11. Які об’єкти мають електромагнітну природу?
12. У скільки разів один метр більший за атом Гідрогену?
13. Чим схожі і чим відрізняються протони і нейтрони?
14. У скільки разів атом Гідрогену більший за своє ядро?
15. Яка наука пояснила будову складних атомів?
16. Який вид матерії знаходиться між ядром атома і електронними оболонками?
17. Що спільного між полями різної природи (гравітаційним, електричним, магнітним, ядерним)?
18. Як взаємодіють за допомогою електричного поля (притягуються чи відштовхуються): а) два електрони, б) протон і електрон, в) два протони?
19. У скільки разів (точно) маса протона більша за масу електрона?
20. Чи можна точно вказати розміри атома?
20. Чи діють ядерні сили між електронами?
(1 votes, average: 5,00 out of 5)