АТОМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА - ЭЛЕКТРОН

По мере углубления изучение свойств окружающих нас тел человек все чаще и чаще сталкивался с проявлением электрических сил. Именно электрическая энергия в конечном счете дала в его руки наиболее гибкие и тонкие способы и средства решать самые разнообразные задачи, встречающиеся в современ­ной науке и технике.
Мы уже знаем, что каждый атом представляет собой целую систему взаимодействующих друг с другом электрических зарядов — положительно за­ряженного ядра и вращающихся вокруг него отри­цательных электронов. А так как подавляющая часть массы всего атома сосредоточена в его ядре, то выходит, что почти вся масса окружающих нас веществ связана с положительным электричеством, которое в значительной степени определяет и свой­ства окружающей нас природы.
Отличие химических свойств того или иного ве­щества, например кислорода от железа, объясняется только тем, что в ядре атома кислорода сосредоточе­но восемь положительных электрических зарядов, в ядре атома железа — 26, а на оболочках нахо­дится определенное количество электронов соот­ветственно 8 и 26.
Долгое время электрон считался простейшей и самой маленькой частицей мироздания. Все элект­роны всех веществ совершенно одинаковы, будь это вода, дерево или железо. Ни при каких обстоя­тельствах не удается получить или наблюдать ни отрицательных, ни положительных электрических зарядов меньше заряда одного электрона.
При исследовании выяснилось, что к электронам в атоме нельзя применять полностью законы движе­ния в том виде, как их установили для больших объектов. В пространстве, измеряемом стомиллион­ными долями сантиметра, действуют совершенно иные законы.
В отличие от Солнечной или любой другой крупной механической системы, в которой тело в зависимости от ее начальной скорости может двигаться по любой орбите, в атоме для движения электронов разреше­ны только орбиты, соответствующие строго опреде­ленным значениям их энергии. Никаких других значений энергии электрон в данном атоме иметь не может.
Существование только строго определенных уров­ней энергий электрона и невозможность иметь для него в атоме промежуточные значения энергии — одно из основных свойств, вытекающих из кван­товой теории (см. Кванты, Теория квантов). Согласно этой теории, переход электрона с одной орбиты на другую, т. е. из одного энергетического состояния внутри атома в другое, сопровождается поглощением или испусканием кванта света строго определенной энергии. И если какая-либо орбита уже занята одним электроном, она не может быть занята другим электроном, так как в атоме не может быть двух электронов, которые бы находились в одном и том же энергетическом состоянии.
В первую очередь электрон занимает ту орбиту, на которой он обладает наименьшей энергией и, следовательно, сильнее всего притягивается к ядру, т. е. самую близкую к ядру орбиту.
Таким образом, электроны не могут все скопиться на одной орбите, и каждый следующий занимает орбиту, соответствующую более высокому уровню энергии и остающуюся еще свободной. По этому пра­вилу и происходит распределение электронов в ато­мах различных элементов — в порядке возрастания их энергии, или так называемого квантового состо­яния.
Химические свойства атома зависят от количества и расположения электронов в оболочке. Каждый период таблицы Д. И. Менделеева заполняется и строится по тому же закону, что и предыдущий. Поэтому и химические свойства элементов, например, второго периода близки свойствам элементов пер­вого периода. Распределение электронов в атоме лития потом снова воспроизводится, но только на другом энергетическом уровне — в атоме натрия. Через один период мы имеем аналогичное состояние электронов в атоме калия, затем в атомах рубидия и цезия и т. д. Все эти элементы принадлежат к первому столбцу таблицы Д. И. Менделеева — к группе щелочных металлов.
Чтобы оторвать самый внешний электрон от атома элемента, например лития, нужно затратить энер­гию, равную 5,39 эв. Два других электрона этого атома, расположенных ближе к ядру, удерживаются более прочно. Энергия связи их с ядром соответственно равна 75,6 и 122,4 эв.
Направленный поток свободных, т. е. оторванных от своих атомов, электронов в проводниках или полупроводниках и является хорошо всем знако­мым электрическим током.
При поглощении атомом поступающей извне энер­гии (причем эта энергия поглощается строго опреде­ленными порциями — квантами) электроны пе­реходят на более удаленные от ядра орбиты (или более высокие энергетические уровни), и атом пере­ходит в так называемое возбужденное состояние. Чем выше энергия поглощаемых квантов, тем даль­ше от ядра перебрасывается электрон. В таком со­стоянии предоставленный самому себе атом долго пребывать не может и вынужден вернуться обратно в обычное свое состояние, а приобретенная атомом излишняя порция энергии испускается в виде кван­та электромагнитного излучения. Когда такой пе­реход совершается на крайних орбитах (где энергия связи электрона с ядром слабее всего), испускаются кванты инфракрасного излучения, видимого света или ультрафиолетового излучения. При перескоках электронов на орбиты, более близкие к ядру атома (допустим, сразу через одну или несколько орбит), испускаются кванты более «жесткого» электромаг­нитного излучения — рентгеновского, обладающего во много раз большей энергией, чем видимый и невидимый ультрафиолетовый и инфракрасный свет.