Введение. Немного теории

Введение. Немного теории

Рисунок 1 - Модель атома по Резерфорду

Модель строения атома предложил еще в 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд (это так называемая планетарная или ядерная модель). Атом, по Резерфорду, это своеобразная модель Солнечной системы – в центре находится тяжелое положительно заряженное ядро, вокруг которого подобно планетам вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Датский ученый Нильс Бор усовершенствовал планетарную модель атома. Он высказал суждение, что электроны движутся не по любым орбитам, а по определенным. При этом, согласно Бору, электронные орбиты могут быть сгруппированы в отдельные электронные оболочки.

По современным данным электрон в атоме не имеет траектории. Различные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Максимальная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона в данной части атомного пространства. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью (вместо существовавшего ранее термина орбита).

Орбитали атома имеют разные размеры. Электроны, которые движутся в орбиталях близкого размера, образуют электронные слои. Электронные слои называют также энергетическими уровнями. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра цифрами – 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или обозначают буквами – K, Z, M, N, O, P, Q. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня – N = 2n 2. Целое число n, обозначающее номер уровня, называется главным квантовым числом. В соответствии с этим уравнением на 1-м, ближайшим к ядру энергетическом уровне, может находиться не более 2-х электронов, на 2-м уровне – не более 8, на 3-м уровне – не более 18, на 4-м уровне – не более 32 электронов и т.д.

Энергетические уровни подразделяются на подуровни, число подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает 4-х подуровней. Подуровни обозначают латинскими буквами – s, p, d, f.

Между ядром и электронами существуют силы притяжения. Наиболее прочная связь электронов с ядром наблюдается у электронов на К-уровне, так углерода энергия связи электронов составляет 280 эВ, стронция – 16 кэВ, цезия – 36 кэВ, урана – 280 кэВ. Чем на более удаленном от ядра энергетическом уровне находится электрон, тем меньше энергия связи его с ядром. На внешних энергетических уровнях энергия связи электронов не превышает 1-2 эВ. Поэтому электроны внешних энергетических уровней более подвержены воздействию излучений низкой энергии.

В 1932г. после открытия протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома.

Рисунок 2 - Строение ядра атома

Согласно этой модели:- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов

- заряд ядра обусловлен только протонами

- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента

- число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов (N=A-Z)

Электроны и протоны имеют равные, но противоположные по знаку электрические заряды: у электронов отрицательные, а у протонов — положительные. Противоположные заряды всегда притягиваются друг к другу.

Протоны относительно статичны, электроны очень подвижны.

Э лектрический ток представляет собой не что иное, как направленное движение электронов в проводнике.

В качестве проводников может выступать множество материалов, но одни из них хорошо проводят электрический ток, другие хуже. Электроны передвигаются значительно легче по металлам, чем по пластику. В металле электроны вольны двигаться, куда захотят.

Обычно в качестве проводников используют медь и алюминий (чаще — медь). А в качестве изоляторов, как правило, выступают пластмасса и стекло.

Мерой способности электронов перемещаться по материалу служит сопротивление. Медный провод большого диаметра имеет меньшее сопротивление потоку электронов, чем провод из той же меди, но меньшего диаметра. Каждый проект, связанный с электроникой, включает в себя резисторы. Резисторами называют элементы с определенным сопротивлением, которое помогает контролировать поток электронов в проводниках.

Для того чтобы электроны перемещались от одного места к другому, нужно какое-то воздействие. Эта сила, действующая между зарядами с разными знаками, называется электродвижущей силой, или напряжением. Отрицательные электроны двигаются к положительному заряду по проводнику.

Мы не говорили о протонах. Они, как и электроны, представляют собой элементарные заряженные частицы, только с положительным знаком, мы фокусируем свое внимание на электронах прежде всего потому, что они значительно более подвижны, чем протоны. В большинстве случаев именно электроны двигаются проводнику, и именно их отрицательный заряд представляет собой электричество.

В некоторых случаях положительные заряды (не протоны) также перемещаются по проводнику. Как известно, при определенных условиях проводником могут быть и жидкости и газы. Для объяснения этого процесса вы должны вспомнить, что такое ионы, атомы, электрохимические реакции. В полупроводниковой физике широко используется гипотеза о "дырках", несущих положительный заряд.

Первые исследователи полагали, что электрический ток представляет собой движение положительных зарядов, поэтому они описали явление тока как поток положительно заряженных частиц к отрицательному потенциалу. Только значительно позднее эксперименты доказали само существование электронов и определили, что это они двигаются от отрицательного к положительному потенциалу.

Однако традиция осталась в силе, и с тех пор движение электрического тока на всех схемах показывается стрелками в противоположном реальному потоку электронов направлении. Поэтому обычный ток представляет собой (условное) движение заряженных частиц от положительного к отрицательному потенциалу и этим противоположен току реальному.

Предположим, у вас есть отрезок провода (проводник), и вы хотите присоединить его к положительному выводу батареи, а другой его конец — к ее отрицательному выводу. В этом случае электроны потекут от отрицательного потенциала к положительному. Этот поток электронов и является электрическим током. То есть соединение в одно целое электронов, проводника и напряжения позволяет получить электрический ток.