9.1: Електричний клей

Там, де закінчується телескоп, починається мікроскоп. Хто з двох має більш грандіозний вигляд? — Віктор Гюго

Батько помер під час вагітності матері. Відкинутий нею як хлопчиком, він був упакований до школи-інтернату, коли вона знову вийшла заміж. Сам він ніколи не одружувався, але в середньому віці він сформував напружені стосунки з набагато молодшим чоловіком, стосунки, які він розірвав, коли зазнав психотичного розриву. Після своїх ранніх наукових успіхів він провів решту свого професійного життя в основному в розчаруванні через свою нездатність розблокувати секрети алхімії.

Описується людина - Ісаак Ньютон, але не тріумфальний Ньютон зі стандартного підручника агіографії. Навіщо зупинятися на сумній стороні свого життя? Сучасному педагогу науки довічна одержимість Ньютона алхімією може здатися збентеженням, відволіканням від його головного досягнення - створення сучасної науки механіки. Для Ньютона, однак, його алхімічні дослідження були природно пов'язані з його дослідженнями сили і руху. Радикальним у аналізі руху Ньютона було його універсальність: йому вдалося описати і небо, і землю однаковими рівняннями, тоді як раніше передбачалося, що сонце, місяць, зірки та планети принципово відрізняються від земних об'єктів. Але Ньютон зрозумів, що якщо наука буде описувати всю природу єдиним чином, недостатньо об'єднати людський масштаб з масштабом Всесвіту: він не буде задоволений, поки не впише мікроскопічний Всесвіт в картину.

Не повинно нас дивувати, що Ньютон провалився. Хоча він був твердо віруючим у існування атомів, не було більше експериментальних доказів їх існування, ніж було, коли стародавні греки вперше позиціонували їх на чисто філософських підставах. Алхімія працювала за традицією секретності та містики. Ньютон вже майже одноосібно перетворив нечітке поле «натурфілософії» на те, що ми визнаємо сучасною наукою про фізику, і було б несправедливо критикувати його за те, що він не зміг змінити алхімію в сучасну хімію, а також. Час не дозрів. Мікроскоп був новим винаходом, і це була передова наука, коли сучасний Гук Ньютона виявив, що живі істоти зроблені з клітин.

8.1.1 Пошуки атомної сили

Ньютон був не першим у віці розуму. Він був останнім з магів. - Джон Мейнард Кейнс

Квест Ньютона

Тим не менш, буде повчальним підібрати поїзд думки Ньютона і подивитися, куди він веде нас з користю сучасного заднього огляду. Об'єднавши людський і космічний масштаби існування, він переосмислив як етапи, на яких актори були об'єктами (деревами та будинками, планетами та зірками), які взаємодіяли через пам'ятки та відбиття. Він вже був переконаний, що об'єкти, що населяють мікросвіт, - це атоми, тому залишилося тільки визначити, які види сил вони чинили один на одного.

Наступна його проникливість була не менш блискучою за його нездатність довести його до кінця. Він зрозумів, що багато сил людського масштабу - тертя, липкі сили, нормальні сили, які утримують об'єкти від займання одного простору, і так далі - все це просто вираження більш фундаментальної сили, що діє між атомами. Стрічка прилипає до паперу, оскільки атоми в стрічці притягують атоми в папері. Мій будинок не падає до центру землі, тому що його атоми відбивають атоми бруду під ним.

Тут він застряг. Було спокусливо думати, що атомна сила - це форма гравітації, яка, як він знав, універсальна, фундаментальна і математично проста. Гравітація, однак, завжди приваблива, так як він міг використати її для пояснення існування як привабливих, так і відразливих атомних сил? Гравітаційна сила між об'єктами звичайного розміру також надзвичайно мала, саме тому ми ніколи не помічаємо автомобілів і будинків, які приваблюють нас гравітаційно. Важко було б зрозуміти, як гравітація може бути відповідальною за щось таке енергійне, як биття серця або вибух пороху. Ньютон продовжував писати мільйон слів алхімічних нот, наповнених спекуляціями про якусь іншу силу, можливо, «божественну силу» або «вегетативну силу», яка, наприклад, буде перенесена спермою до яйцеклітини.

a/ Підготовлено чотири шматки стрічки, 1, як описано в тексті. Залежно від того, яка комбінація перевірена, взаємодія може бути як відразливим, 2, так і привабливим, 3.

На щастя, зараз ми знаємо достатньо, щоб розслідувати іншого підозрюваного як кандидата на атомну силу: електрику. Електричні сили часто спостерігаються між предметами, які були підготовлені шляхом тертя (або інших поверхневих взаємодій), наприклад, коли одяг натирається один об одного в сушарці. Корисний приклад показаний на малюнку а/1: наклейте два шматки стрічки на стільницю, а потім покладіть поверх них ще два шматки. Підніміть кожну пару зі столу, а потім відокремте їх. Потім дві верхні частини будуть відштовхувати один одного, а/2, як і дві нижні частини. Нижній шматок буде залучати верхній шматок, однак, а/3. Такі електричні сили певним чином схожі на гравітацію, іншу силу, яку ми вже знаємо, є фундаментальною:

• Електричні сили універсальні. Хоча деякі речовини, такі як хутро, гума та пластик, більш сильно реагують на електричну підготовку, ніж інші, вся матерія певною мірою бере участь в електричних силах. Не існує такого поняття, як «неелектричне» речовина. Матерія є як за своєю суттю гравітаційною, так і за своєю суттю електричною.
• Експерименти показують, що електрична сила, як і гравітаційна сила, є оберненою квадратною силою. Тобто електрична сила між двома сферами пропорційна тому\(1/r^2\), де\(r\) знаходиться міжцентрова відстань між ними.

Крім того, електричні сили мають більше сенсу, ніж гравітація, як кандидати на фундаментальну силу між атомами, оскільки ми спостерігали, що вони можуть бути або привабливими, або відразливими.

8.1.2 Заряд, електрика та магнетизм

Заряджати

«Заряд» - це технічний термін, який використовується для позначення того, що об'єкт підготовлений таким чином, щоб брати участь у електричних силах. Це слід відрізняти від загального використання, в якому термін використовується без розбору для всього електричного. Наприклад, хоча ми говоримо розмовно про «зарядку» акумулятора, ви можете легко переконатися, що акумулятор не має заряду в технічному сенсі, наприклад, він не чинить електричної сили на шматок стрічки, який був підготовлений, як описано в попередньому розділі.

Два типи заряду

Ми можемо легко збирати пачки даних про електричні сили між різними речовинами, які заряджалися по-різному. Наприклад, ми виявляємо, що котяче хутро, приготоване натиранням кролячого хутра, приверне скло, яке натерлося на шовку. Як ми можемо зрозуміти всю цю інформацію? Велике спрощення досягається, відзначаючи, що дійсно існує тільки два типи заряду. Припустимо, ми підбираємо котячу шерсть, натерту на хутро кролика як представника типу А, а скло натерте на шовк для типу Б. Тепер ми виявимо, що немає «типу С». Будь-який об'єкт, електрифікований будь-яким методом, є або A-подібним, притягуючи речі А приваблює та відштовхує тих, кого він відштовхує, або B-подібний, показуючи ті ж пам'ятки та відбиття, що і B. Два типи, A та B, завжди відображають протилежні взаємодії. Якщо А відображає тяжіння з якимось зарядженим об'єктом, то Б гарантовано піддається відштовхуванню разом з ним, і навпаки.

Кулон

Хоча існує лише два типи заряду, кожен тип може прийти в різних кількостях. Метричною одиницею заряду є кулон (римується з «слиною на»), що визначається наступним чином:

Один кулон (С) - величина заряду така, що сила\(9.0\times10^9\) N виникає між двома точковими об'єктами з зарядами 1 С, розділеними на відстань 1 м.

Позначення для суми нарахування є\(q\). Числовий коефіцієнт у визначенні історичний за походженням, і запам'ятовувати його не варто. Визначення викладено для точкових, тобто дуже маленьких, предметів, тому що в іншому випадку різні їх частини перебували б на різній відстані один від одного.

Модель двох типів заряджених частинок

Експерименти показують, що всі методи тертя або іншого заряджання предметів включають два предмети, і обидва вони в кінцевому підсумку отримують зарядку. Якщо один предмет набуває певну кількість одного виду заряду, то інший закінчується рівною кількістю іншого типу. Можливі різні інтерпретації цього, але найпростішим є те, що основні будівельні блоки речовини бувають двох смаків, по одному з кожним типом заряду. Розтирання предметів разом призводить до перенесення деяких з цих частинок від одного об'єкта до іншого. У цій моделі об'єкт, який не був електрично підготовлений, може насправді мати велику кількість обох типів заряду, але суми рівні, і вони розподіляються однаково по всьому ньому. Оскільки тип A відштовхує все, що приваблює тип B, і навпаки, об'єкт буде робити загальну силу нуля на будь-який інший об'єкт. Решта цієї глави описує цю модель і обговорює, як ці таємничі частинки можна розуміти як внутрішні частини атомів.

Використання позитивних і негативних знаків для заряду

Оскільки два типи заряду, як правило, скасовують сили один одного, має сенс позначити їх за допомогою позитивних та негативних знаків та обговорити загальний заряд об'єкта. Цілком умовно, який тип заряду назвати негативним, а який назвати позитивним. Бенджамін Франклін вирішив описати той, який ми називали «А» негативним, але це дійсно не має значення, поки всі узгоджуються з усіма іншими. Об'єкт із загальним зарядом нуля (рівні кількості обох типів) іменується електричним\(neutral\).

самостійна перевірка:

Критикуйте наступне твердження: «Існує два типи заряду, привабливий і відразливий».

(відповідь у зворотному боці PDF-версії книги)

Велика кількість експериментальних спостережень можна узагальнити наступним чином:

Закон Кулона: Величина сили, що діє між точковими зарядженими об'єктами на міжцентровій відстані,\(r\) задається рівнянням

\[\begin{equation*} |\mathbf{F}| = k\frac{|q_1||q_2|}{r^2} , \end{equation*}\]

де константа\(k\) дорівнює\(9.0\times10^9\ \text{N}\!\cdot\!\text{m}^2/\text{C}^2\). Сила приваблива, якщо заряди мають різні знаки, і відразливою, якщо вони мають один і той же знак.

Розумні сучасні методики дозволили перевірити\(1/r^2\) форму закону Кулона з неймовірною точністю, показавши, що показник знаходиться в діапазоні від 1.99999999999999999998 до 2.00000000000002.

Зверніть увагу, що закон Кулона тісно аналогічний закону гравітації Ньютона, де величина сили є\(Gm_1m_2/r^2\), за винятком того, що існує тільки один тип маси, а не два, а гравітаційні сили ніколи не відштовхують. Через цю тісну аналогію між двома типами сил ми можемо переробити багато наших знань про гравітаційні сили. Наприклад, існує електричний еквівалент теореми про оболонку: електричні сили, що чинилися зовні рівномірно зарядженою сферичною оболонкою, такі ж, як якщо б весь заряд був зосереджений у її центрі, а сили, що чинилися всередині, дорівнюють нулю.

Збереження заряду

Ще більш фундаментальною причиною використання позитивних і негативних знаків для електричного заряду є те, що експерименти показують, що заряд зберігається згідно з цим визначенням: в будь-якій замкнутій системі загальна кількість заряду є постійною. Ось чому ми спостерігаємо, що розтирання спочатку незаряджених речовин разом завжди призводить до того, що один отримує певну кількість одного типу заряду, а інший набуває рівну кількість іншого типу. Збереження заряду здається природним в нашій моделі, в якій матерія складається з позитивних і негативних частинок. Якщо заряд на кожній частинці є нерухомою властивістю цього типу частинок, а якщо самі частинки не можуть бути ні створені, ні зруйновані, то збереження заряду неминуче.

Електричні сили за участю нейтральних об'єктів

б/ Заряджений шматок стрічки притягує незаряджені папірці здалеку, і вони підстрибують до нього.

Як показано на малюнку b, електрично заряджений об'єкт може притягувати незаряджені об'єкти. Як це можливо? Ключовим є те, що навіть незважаючи на те, що кожен аркуш паперу має загальний заряд нуля, в ньому є принаймні деякі заряджені частинки, які мають певну свободу пересування. Припустимо, що стрічка позитивно заряджена, c. рухливі частинки в папері будуть реагувати на сили стрічки, в результаті чого один кінець паперу стане негативно зарядженим, а інший - позитивним. Тяжіння між папером і стрічкою тепер сильніше, ніж відштовхування, тому що негативно заряджений кінець знаходиться ближче до стрічки.

с/Папір має нульовий загальний заряд, але в ній є заряджені частинки, які можуть рухатися.

самостійна перевірка:

Що б сталося, якби стрічка була негативно заряджена? (відповідь у зворотному боці PDF-версії книги)

Шляхи попереду

Ми почали стикатися зі складною електричною поведінкою, яку ми ніколи б не зрозуміли, що відбувається лише з доказів наших очей. На відміну від шківів, блоків і похилих площин механіки, актори на сцені електрики і магнетизму - невидимі явища, чужі нашому повсякденному досвіду. З цієї причини аромат другої половини вашої фізичної освіти кардинально відрізняється, зосереджуючись набагато більше на експериментах і техніках. Незважаючи на те, що ви ніколи не побачите, як заряд рухається через дріт, ви можете навчитися використовувати амперметр для вимірювання витрати.

Студенти також, як правило, отримують враження від свого першого семестру фізики, що це мертва наука. Не так! Ми збираємося підібрати історичний слід, який веде безпосередньо до передових досліджень фізики, про які ви читали в газеті. Експерименти з розбиттям атомів, які розпочалися приблизно в 1900 році, які ми будемо вивчати в цьому розділі, не настільки відрізнялися від експериментів 2000 року - просто менші, простіші та набагато дешевші.

Магнітні сили

Детальне математичне лікування магнетизму не з'явиться набагато пізніше в цій книзі, але нам потрібно розробити кілька простих уявлень про магнетизм зараз, оскільки магнітні сили використовуються в експериментах і методах, до яких ми підходимо далі. Щоденні магніти бувають двох загальних типів. Постійні магніти, такі як ті, що знаходяться на вашому холодильнику, виготовлені з заліза або таких речовин, як сталь, які містять атоми заліза. (Деякі інші речовини також працюють, але залізо є найдешевшим і найпоширенішим.) Інший тип магніту, прикладом якого є ті, які змушують ваші стереодинаміки вібрувати, складаються з котушок дроту, через які протікає електричний заряд. Обидва типи магнітів здатні притягувати залізо, яке не було магнітно підготовлено, наприклад дверцята холодильника.

Одне розуміння робить ці, очевидно, складні явища набагато простішими для розуміння: магнітні сили - це взаємодії між рухомими зарядами, що відбуваються на додаток до електричних сил. Припустимо, постійний магніт підведений поблизу магніту намотано-дротяного типу. Спіральний дріт має рухомі заряди в ньому, тому що ми змушуємо заряд текти. Постійний магніт також має рухомі заряди в ньому, але в цьому випадку заряди, які природно крутяться навколо всередині заліза. (Що робить намагнічений шматок заліза відрізняється від дерев'яного блоку полягає в тому, що рух заряду в деревині є випадковим, а не організованим.) Рухомі заряди в спіральному магніті надають силу на рухомі заряди в постійному магніті, і навпаки.

Математика магнетизму значно складніша, ніж закон Кулона сили для електрики, саме тому ми будемо чекати до глави 11, перш ніж глибоко заглиблюватися в неї. На даний момент вистачить двох простих фактів:

1. Якщо заряджена частинка рухається в області простору поблизу місця, де також рухаються інші заряджені частинки, їх магнітна сила на неї прямо пропорційна її швидкості.
2. Магнітна сила на рухомій зарядженій частинці завжди перпендикулярна напрямку руху частинки.

Приклад 1: Магнітний компас

Земля розплавляється всередині, і, як каструля з окропом, вона котить і збивається. Щоб зробити різке спрощення, електричний заряд може переноситися разом з рухом збивання, тому Земля містить рухомий заряд. Стрілка магнітного компаса сама по собі є невеликим постійним магнітом. Рухомий заряд всередині землі магнітно взаємодіє з рухомим зарядом всередині стрілки компаса, змушуючи стрілку компаса крутити навколо і вказувати на північ.

Приклад 2: Телевізійна трубка

Телевізійна картинка намальована потоком електронів, що надходять із задньої частини трубки на передню частину. Промінь сканує по всій поверхні трубки, як читач сканує сторінку книги. Магнітні сили використовуються для управління променем. Оскільки промінь йде з задньої частини труби спереду, для рульового управління потрібні сили вгору-вниз і вліво-вправо. Але магнітні сили не можуть бути використані для того, щоб отримати промінь до швидкості в першу чергу, оскільки вони можуть штовхати тільки перпендикулярно напрямку руху електронів, а не вперед вздовж нього.

Питання для обговорення

◊ Електрично заряджений шматок стрічки буде притягнутий до вашої руки. Чи дозволяє це нам сказати, чи є мобільні заряджені частинки у вашій руці позитивними чи негативними чи обома?

◊ Якщо електричне тяжіння між двома точковими об'єктами на відстані 1 м дорівнює\(9\times10^9\) N, чому ми не можемо зробити висновок, що їх заряди\(+1\) і\(-1\) C? Які подальші спостереження нам потрібно було б зробити, щоб це довести?

\[\begin{equation*} \frac{m_\text{He}}{m_\text{H}}=3.97 \end{equation*}\]

\[\begin{equation*} \frac{m_\text{Ne}}{m_\text{H}}=20.01 \end{equation*}\]

\[\begin{equation*} \frac{m_\text{Sc}}{m_\text{H}}=44.60 \end{equation*}\]

Приклади мас атомів порівняно з масою водню. Зверніть увагу, як деякі, але не всі, близькі до цілих чисел.

8.1.3 Атоми

Мене виховували, щоб подивитися на атом як на приємного, твердого хлопця, червоного або сірого кольору за смаком. - Резерфорд

Атомізм

Греки були багато ногами протягом останніх кількох тисячоліть: домінували римляни, знущалися під час хрестових походів воєначальниками, які їдуть на Святу Землю і з неї, і окуповані Туреччиною до недавнього часу. Не дивно, що вони вважають за краще згадувати свої салатні дні, коли їх найкращі мислителі придумали такі поняття, як демократія та атоми. Греція знову демократична після періоду військової диктатури, і атом гордо зображений на одній з їхніх монет. Ось чому мені боляче говорити, що давньогрецька гіпотеза про те, що матерія складається з атомів, була чистою здогадкою. Реальних експериментальних доказів щодо атомів не було, і відродження концепції атомів у 18 столітті Далтоном мало заборгувало грекам, крім назви, що означає «нерозщеплюється». Віднімаючи ще більш жорстоко від грецької слави, назва виявилася недоречною в 1897 році, коли фізик Джей Джей Томсон експериментально довів, що атоми мають ще менші речі всередині них, які можна було витягти. (Томсон називав їх «електронами».) Зрештою, «нерозщеплюваний» був розділений.

Але це випереджає нашу історію. Що сталося з концепцією атома в проміжні дві тисячі років? Освічені люди продовжували обговорювати ідею, а ті, хто виступав за неї, часто могли використовувати її, щоб дати правдоподібні пояснення різних фактів і явищ. Одним з фактів, який легко пояснювався, було збереження маси. Наприклад, якщо змішати 1 кг води з 1 кг бруду, то вийде рівно 2 кг бруду, не більше і не менше. Те ж саме стосується різноманітних процесів, таких як заморожування води, бродіння пива або подрібнення пісковика. Якщо ви вірили в атоми, збереження маси мало сенс, тому що всі ці процеси можна було інтерпретувати як змішування і перестановку атомів, не змінюючи загальної кількості атомів. Все-таки це не що інше, як доказ того, що атоми існують.

Якби атоми існували, які типи атомів були, і що відрізняло різні типи один від одного? Це були їх розміри, форми, їх вага чи якась інша якість? Пробірва між стародавнім і сучасним атомізмами стає очевидною, якщо розглядати дикі домисли, що існували з цих питань до нинішнього століття. Стародавні вирішили, що існує чотири типи атомів: земля, вода, повітря і вогонь; найпопулярнішим виглядом було те, що вони відрізнялися своїми формами. Атоми води були сферичними, отже, здатність води плавно протікати. Атоми вогню мали гострі точки, через що вогонь боляче, коли він торкався шкіри. (Не було поняття температури лише через тисячі років.) Різко інше сучасне розуміння будови атомів було досягнуто в ході революційного десятиліття, що розтягнувся з 1895 по 1905 рік. Основна мета цієї глави - описати ці знакові експерименти.

Атоми, світло і все інше

Хоча я схильний висміювати давньогрецьких філософів, таких як Аристотель, давайте знайдемо хвилинку, щоб похвалити його за щось. Якщо ви читаєте твори Арістотеля з фізики (або просто знежирити їх, що все, що я зробив), найяскравіше - наскільки він обережний щодо класифікації явищ та аналізу взаємозв'язків між явищами. Людський мозок, здається, природно розрізняє два типи фізичних явищ: об'єкти та рух предметів. Коли виникає явище, яке не відразу представляє себе одним з них, існує сильна тенденція до осмислення його як того чи іншого або навіть повністю ігнорувати його існування. Наприклад, вчителі фізики здригаються від висловлювань студентів про те, що «динаміт вибухнув, і сила вийшла з нього на всі боки». У цих прикладах нематеріальне поняття сили розумово класифікується так, ніби це фізична речовина. Твердження про те, що «намотування годинника зберігає рух навесні», є неправильною категоризацією електричної енергії як форми руху. Приклад ігнорування існування явища взагалі можна виявити, запитавши людей, навіщо потрібні лампи. Типова реакція про те, що «лампа освітлює кімнату, щоб ми могли бачити речі», ігнорує необхідну роль світла, що надходить в наші очі від освітлюваних речей.

Якщо ви попросите когось коротко розповісти вам про атоми, ймовірна відповідь полягає в тому, що «все складається з атомів», але зараз ми побачили, що далеко не очевидно, на яке «все» це твердження належним чином посилається. Для вчених початку 1900-х років, які намагалися дослідити атоми, це не було тривіальним питанням визначень. З'явилася нова штучка під назвою вакуумна трубка, єдиним знайомим прикладом якої сьогодні є картинна трубка телевізора. Коротше кажучи, електричні майстри виявили цілу зграю нових явищ, що відбувалися в вакуумних трубках та навколо них, і дали їм мальовничі назви, такі як «рентгенівські промені», «катодні промені», «Герціанські хвилі» та «N-промені». Це були типи спостережень, які в кінцевому підсумку розповідали нам, що ми знаємо про матерію, але виникли запеклі суперечки щодо того, чи це самі форми матерії.

Давайте підведемо себе до рівня класифікації явищ, застосованих фізиками в 1900 році. Вони визнали три категорії:

• Матерія має масу, може мати кінетичну енергію і може подорожувати через вакуум, транспортуючи з ним свою масу і кінетичну енергію. Матерія зберігається, як в сенсі збереження маси, так і збереження кількості атомів кожного елемента. Атоми не можуть займати той самий простір, що й інші атоми, тому зручний спосіб довести, що щось не є формою матерії, - це показати, що вона може проходити через твердий матеріал, в якому атоми щільно упаковані разом.
• Світло не має маси, завжди має енергію і може подорожувати через вакуум, транспортуючи з ним свою енергію. Два світлові промені можуть проникати один через одного і виходити з зіткнення, не будучи ослабленими, відхиленими або постраждалими будь-яким іншим способом. Світло може проникати в певні види матерії, наприклад, скло.
• Третя категорія - це все, що не відповідає визначенню світла або матерії. Ця категорія включає в себе, наприклад, час, швидкість, тепло і силу.

Хімічний індекс елементів, хімічних елементів

Як можна дізнатися, які типи атомів існують? Сьогодні, здається, не повинно було бути дуже важко розробити експериментальну програму для класифікації типів атомів. Для кожного типу атома повинен бути відповідний елемент, тобто чиста речовина, виготовлена з нічого, крім цього типу атома. Атоми повинні бути нерозщепленими, тому така речовина, як молоко, не може бути елементарною, оскільки його енергійне збивання змушує його розщеплюватися на дві окремі речовини: масло та сироватку. Аналогічно іржа не могла бути елементом, адже її можна зробити, поєднуючи дві речовини: залізо і кисень. Незважаючи на свою уявну розумність, жодна подібна програма не проводилася аж до вісімнадцятого століття. Стародавні, мабуть, не робили цього, тому що спостереження не було загально узгоджено як правильний спосіб відповісти на питання про природу, а також тому, що їм не вистачало необхідних прийомів або прийомів були провінцією робітників з низьким соціальним статусом, таких як ковалі та шахтарі. Алхімікам перешкоджала репутація атомізму за підривність, а також схильність до містики та секретності. (Найвідоміший виклик, з яким стикаються алхіміки, - перетворення свинцю в золото, - це той, який ми зараз знаємо, є неможливим, оскільки свинець і золото - це обидва елементи.)

Однак до 1900 року хіміки зробили досить хорошу роботу, з'ясувавши, що це за елементи. Вони також досить точно визначили співвідношення мас різних атомів. Типовою методикою було б виміряти, скільки грамів натрію (Na) буде поєднуватися з одним грамом хлору (Cl), щоб зробити сіль (NaCl). (Це припускає, що ви вже вирішили на основі інших доказів того, що сіль складалася з рівних чисел атомів Na і Cl.) Маси окремих атомів, на відміну від масових співвідношень, були відомі лише в межах декількох порядків на основі непрямих доказів, і безліч фізиків і хіміків заперечували, що окремі атоми були чимось більшим, ніж зручними символами.

Розуміння стихії

У міру накопичення інформації завдання полягало в тому, щоб знайти спосіб її систематизації; естетичне почуття сучасного вченого бунтує проти ускладнень. Ця солянка стихій була збентеженням. Один сучасний спостерігач, Вільям Крукс, описав стихію як простягнуту «перед нами, як розтягнулася широка Атлантика перед поглядом Колумба, глузуючи, насміхаючись і бурчачи дивні загадки, які жодна людина ще не зміг розгадати». Минуло недовго до того, як люди почали визнавати, що маси багатьох атомів були майже цілими кратними масі водню, найлегшого елемента. Кілька збудливих типів почали припускати, що водень є основним будівельним блоком, а важчі елементи складаються з кластерів водню. Це було недовго, однак, перш ніж їх парад був дощ більш точними вимірами, які показали, що не всі елементи мали атомні маси, які були близько цілих кратних водню, і навіть ті, які були близькі до цілих кратних були вимкнені на один відсоток або близько того.

e/Сучасна таблиця Менделєєва. Елементи в одній колонці мають схожі хімічні властивості. Сучасні атомні номери, розглянуті в розділі 8.2, не були відомі за часів Менделєєва, так як таблицю можна було перевертати різними способами.

Професор хімії Дмитро Менделєєв, готуючи свої лекції в 1869 році, хотів знайти якийсь спосіб організувати свої знання для своїх учнів, щоб зробити їх більш зрозумілими. Він написав назви всіх елементів на картках і почав по-різному розставляти їх на своєму столі, намагаючись знайти розташування, яке мало б сенс каламути. Придумала їм схема рядків і стовпців - це по суті наша сучасна таблиця Менделєєва. Колони сучасного варіанту представляють групи елементів зі схожими хімічними властивостями, причому кожен ряд більш масивний, ніж той, що знаходиться над ним. Переходячи через кожен рядок, це майже завжди призвело до розміщення атомів послідовно за вагою, а також. Що зробило систему значущою, так це її прогнозна цінність. Було три місця, де Менделєєву доводилося залишати прогалини в своїй шаховій дошці, щоб тримати хімічно схожі елементи в одній колоні. Він передбачив, що елементи будуть існувати для заповнення цих прогалин, і екстраполірований або інтерполірований з інших елементів у тому ж стовпці, щоб передбачити їх числові властивості, такі як маси, точки кипіння та щільності. Професійний запас Менделєєва стрімко зростав, коли його три елементи (пізніше названі галієм, скандієм та германієм) були виявлені і виявили, що вони мають дуже майже ті властивості, які він передбачив.

Одна річ, яку дала зрозуміти таблиця Менделєєва, - це те, що маса не є основним властивістю, яке відрізняло атоми різних елементів. Щоб змусити його стіл працювати, йому довелося відхилятися від упорядкування елементів строго по масі. Наприклад, атоми йоду легші за телур, але Менделєєв повинен був покласти йод після телуру, щоб він лежав у стовпчику з хімічно схожими елементами.

Пряме доказ того, що атоми існували

Успіх кінетичної теорії тепла був сприйнятий як вагомий доказ того, що, крім руху будь-якого об'єкта в цілому, навколо нас існує невидимий тип руху: випадковий рух атомів всередині кожного об'єкта. Але багато консерваторів не були переконані в тому, що атоми дійсно існують. Зрештою, ніхто ніколи не бачив такого. Лише поколіннями після того, як була розроблена кінетична теорія тепла, було переконливо продемонстровано, що атоми дійсно існують і що вони брали участь у безперервному русі, який ніколи не вимирав.

Куріння пістолет, щоб довести, що атоми були більше, ніж математичні абстракції, прийшли, коли деякі старі, незрозумілі спостереження були переглянуті невідомим швейцарським патентним клерком на ім'я Альберт Ейнштейн. Ботанік на ім'я Браун, використовуючи мікроскоп, який був найсучаснішим у 1827 році, спостерігав крихітні зерна пилку в краплі води на слайді мікроскопа і виявив, що вони стрибнули навколо випадковим чином без видимих причин. Спочатку дивуючись, чи пилок, який він вважав мертвим, насправді живий, він спробував подивитися на частинки сажі, і виявив, що частинки сажі також рухалися навколо. Такі ж результати будуть відбуватися з будь-яким дрібним зерном або частинкою, зваженими в рідині. Явище стало називатися броунівським рухом, і його існування було подано як химерний і абсолютно неважливий факт, насправді просто неприємність для мікроскопіста.

Лише в 1906 році Ейнштейн знайшов правильну інтерпретацію для спостереження Брауна: молекули води перебували в безперервному випадковому русі і весь час стикалися з частинкою, штовхаючи її у випадкових напрямках. Після всіх тисячоліть спекуляцій про атоми, нарешті, знайшлося тверде доказ. Розрахунки Ейнштейна розвіяли всі сумніви, так як він зміг робити точні прогнози таких речей, як середня відстань, пройдена часткою за певний проміжок часу. (Ейнштейн отримав Нобелівську премію не за теорію відносності, а за свої роботи про броунівський рух та фотоефект.)

Питання для обговорення

◊ Як можна використовувати знання про розмір окремого атома алюмінію для висновку оцінки його маси, або навпаки?

◊ Як можна було перевірити інтерпретацію Ейнштейна броунівського руху, спостерігаючи за ним при різних температурах?

8.1.4 Квантування заряду

Доведення того, що атоми насправді існують, було великим досягненням, але демонстрація їх існування відрізнялася від розуміння їх властивостей. Зауважте, що спостереження Браун-Ейнштейна взагалі не мали нічого спільного з електрикою, і все ж ми знаємо, що матерія за своєю суттю є електричною, і ми досягли успіху в інтерпретації певних електричних явищ з точки зору рухливих позитивно і негативно заряджених частинок. Чи є ці частинки атомами? Частини атомів? Частинки, які повністю відокремлені від атомів? Можливо, передчасно намагатися відповісти на ці питання без будь-яких переконливих доказів на користь моделі заряджених частинок електрики.

f/Молодий Роберт Міллікан. (Сучасний)

Сильна підтримка моделі заряджених частинок отримала від експерименту 1911 року фізика Роберта Міллікана в Чиказькому університеті. Розглянемо струмінь крапельок парфуму або якоїсь іншої рідини, зробленої шляхом продувки її через крихітну щіпку. Краплі, що виходять з точкового отвору, повинні бути меншими за щілину, і насправді більшість з них навіть більш мікроскопічні, ніж це, оскільки турбулентний потік повітря має тенденцію їх розбивати. Міллікан міркував, що краплі придбають трохи електричного заряду, коли вони протираються каналом, через який вони з'явилися, і якщо модель заряджених частинок електроенергії була правильною, заряд може бути розділений між такою кількістю дрібних крапель рідини, що одна крапля може мати загальну заряду, що становить надлишок лише декількох заряджених частинок — можливо, надлишок однієї позитивної частинки на певній краплі, або надлишок двох негативних на іншій.

g/Спрощена схема апарату Міллікана.

Геніальний апарат Міллікана, г, складався з двох металевих пластин, які можна було електрично заряджати в міру необхідності. Він розпорошив хмару крапель олії в простір між пластинами, і відібрав одну краплю через мікроскоп для дослідження. По-перше, без заряду на пластини, він би визначав масу краплі, дозволяючи їй провалитися через повітря і вимірюючи її кінцеву швидкість, тобто швидкість, з якою сила повітряного тертя скасовувала силу тяжіння. Сила тяги повітря на повільно рухається сфері вже була виявлена експериментом\(bvr^2\), де\(b\) була постійна. Встановлення загальної сили, рівної нулю, коли падіння знаходиться на кінцевій швидкості, дає

\[\begin{equation*} bvr^2 - mg = 0 , \end{equation*}\]

а установка відомої щільності масла, рівної масі краплі, поділеної на її об'єм, дає друге рівняння,

\[\begin{equation*} \rho = \frac{m}{\frac{4}{3}\pi r^3} . \end{equation*}\]

Все в цих рівняннях можна виміряти безпосередньо\(r\), крім\(m\) і, тому це два рівняння в двох невідомих, які можна вирішити, щоб визначити, наскільки велика крапля.

Далі Міллікан заряджає металеві пластини, регулюючи кількість заряду так, щоб точно протидіяти гравітації і левітувати падіння. Якщо, наприклад, крапля, що досліджується, мала загальний заряд, який був негативним, то позитивний заряд, поставлений на верхню пластину, приверне його, потягнувши його вгору, а негативний заряд на нижній пластині відштовхував би його, штовхаючи його вгору. (Теоретично потрібна була б лише одна пластина, але на практиці таке розташування з двома пластинами давало електричні сили, які були більш рівномірними за силою у всьому просторі, де були краплі олії.) Кількість заряду на пластині, необхідне для левітації зарядженої краплі, дало Міллікану ручку на величину заряду, яку перенесли краплю. Чим більше заряду мала крапля, тим сильніше були б електричні сили на ньому, і тим менше заряду довелося б ставити на пластини, щоб зробити трюк. На жаль, висловлювати цей зв'язок за допомогою закону Кулона було б недоцільно, оскільки це вимагало б досконалого знання того, як заряд розподілявся на кожній пластині, плюс можливість виконувати векторне додавання всіх сил, що чиниться на падіння всіма зарядами на тарілці. Натомість Міллікан використав той факт, що електрична сила, яку відчуває точковий заряджений об'єкт у певній точці простору, пропорційна його заряду,

\[\begin{equation*} \frac{F}{q} = \text{constant} . \end{equation*}\]

При заданій кількості заряду на пластині цю константу можна визначити, наприклад, відкинувши краплю масла, вставляючи між пластинами більший і легше оброблюваний об'єкт із відомим зарядом на ньому та вимірюючи силу звичайними методами. (Міллікан фактично використовував дещо інший набір прийомів визначення константи, але поняття те ж саме.) Величина сили на фактичній краплі масла повинна була дорівнювати\(mg\), оскільки її було достатньо, щоб її левітувати, і як тільки була визначена константа калібрування, заряд краплі потім можна було знайти виходячи з її раніше визначеної маси.

q (С)	q/(1,64 Х 10 ^-19 С)
− 1,970×10 ^− 18	− 12.02
− 0.987×10 ^− 18	− 6.02
− 2,773×10 ^− 18	− 16,93

Кілька зразків даних Міллікана.

Наведена вище таблиця показує деякі результати роботи Міллікана 1911 року. (Міллікан взяв дані як про негативно, так і позитивно заряджених краплях, але в своїй папері він дав лише зразок своїх даних про негативно заряджених краплях, тому ці цифри всі негативні.) Навіть швидкий погляд на дані призводить до підозри, що звинувачення - це не просто ряд випадкових чисел. Наприклад, другий заряд майже точно дорівнює половині першого. Міллікан пояснив спостережувані заряди як всі цілі числа, кратні одному числу,\(1.64\times10^{-19}\) C. У другому стовпці ділення на цю константу дає числа, які по суті є цілими числами, допускаючи випадкові помилки, присутні в експерименті. Міллікан заявляє у своїй роботі, що ці результати були

... пряма і відчутна демонстрація... правильності погляду, висунутого багато років тому і підтвердженої доказами багатьох джерел про те, що всі електричні заряди, однак вироблені, точні кратні одному певному, елементарному електричному заряду, або іншими словами, що електричний заряд замість рівномірно розкинувшись по зарядженій поверхні, має певну зернисту структуру, що складається, по суті, з... цяток, або атомів електрики, все точно так само, перчать по поверхні зарядженого тіла.

Іншими словами, він надав прямі докази для моделі заряджених частинок електрики та проти моделей, в яких електрику описували як якусь рідину. Основний заряд нотується\(e\), а сучасне значення -\(e=1.60\times10^{-19}\) С. Слово «квантований» використовується у фізиці для опису величини, яка може мати лише певні числові значення і не може мати жодного з значень між ними. Цією мовою ми б сказали, що Міллікан виявив, що заряд квантований. Заряд\(e\) іменується як квант заряду.

Історична записка про шахрайство Міллікана

Дуже мало підручників з фізики для студентів згадують добре задокументований факт, що хоча висновки Міллікана були правильними, він був винен у науковому шахрайстві. Його техніка була складною і копіткою у виконанні, а його оригінальні зошити, які збереглися, показують, що дані були набагато менш досконалими, ніж він стверджував у своїх опублікованих наукових роботах. У своїх публікаціях він категорично заявив, що кожна спостережувана крапля нафти мала заряд, який був кратним\(e\), без винятків чи упущень. Але його зошити рясніють такими позначеннями, як «красиві дані, зберігай» і «погано біжи, викидай». Тоді Міллікан, схоже, заслужив свою Нобелівську премію, виступаючи за правильну позицію з нечесними описами своїх даних.

Чому автори підручників не згадують про шахрайство Міллікана? Можливо, вони вважають, що студенти занадто недосвідчені, щоб правильно оцінити наслідки того факту, що наукове шахрайство іноді існувало і навіть було винагороджено науковою установою. Можливо, вони бояться, що студенти будуть міркувати, що дані fudging в порядку, оскільки Міллікан отримав за це Нобелівську премію. Але фальсифікувати історію в ім'я заохочення правдивості більш ніж трохи іронічно. Вчителі англійської мови не редагують трагедії Шекспіра, щоб погані персонажі завжди каралися, а хороші ніколи не страждають!

самостійна перевірка:

Чи гроші квантуються? Що таке квант грошей?

(відповідь у зворотному боці PDF-версії книги)

8.1.5 Електрон

Катодні промені

Фізики дев'ятнадцятого століття витратили багато часу, намагаючись придумати дикі, випадкові способи гри з електрикою. Кращими експериментами такого роду були ті, які робили великі іскри або симпатичні кольори світла.

Одним з таких трюків салону був електронний промінь. Для його виготовлення спочатку довелося найняти хороший склодув і знайти хороший вакуумний насос. Склодув би створив порожнисту трубку і вбудовував в неї два шматки металу, звані електродами, які були з'єднані зовні за допомогою металевих проводів, що проходять через скло. Перш ніж дозволити йому запечатати всю трубку, ви б підключили її до вакуумного насоса, і витратили кілька годин, обмацуючи і пихнувши на руці насоса кривошип, щоб отримати хороший вакуум всередині. Тоді, поки ви ще накачували трубку, склодув розплавив скло і запечатував все це. Нарешті, ви б поставили велику кількість позитивного заряду на один провід і велику кількість негативного заряду на інший. Метали мають властивість дозволяти заряду легко переміщатися по ним, тому заряд, нанесений на один з проводів, швидко розтікався б через відштовхування кожної його частини на кожну іншу частину. Цей процес поширення призведе до того, що майже весь заряд закінчується в електродах, де є більше місця для поширення, ніж є в дроті. З незрозумілих історичних причин негативний електрод називають катодом, а позитивний - анодом.

i /катодні промені спостерігаються у вакуумній трубці.

На малюнку i показаний світловипромінюючий потік, який спостерігався. Якби, як показано на цьому малюнку, в аноді було зроблено отвір, промінь продовжувався б через отвір, поки не потрапив у скло. Однак свердління отвору в катоді не призведе до того, що будь-який промінь виходить з лівого боку, і це вказувало на те, що матеріал, незалежно від того, що це було, йде від катода. Тому промені охрестили «катодними променями». (Термінологія все ще використовується сьогодні в терміні «електронно-променева трубка» або «ЕПТ» для зображення трубки телевізора або монітора комп'ютера.)

Чи були катодні промені формою світла або матерії?

Чи були катодні промені формою світла чи матерії? Спочатку ніхто не піклувався про те, що вони були, але оскільки їх наукове значення стало більш очевидним, питання світла проти матерії перетворилося на суперечку уздовж націоналістичних ліній, а німці виступали за світло, а англійці тримали за матерію. Прихильники матеріальної інтерпретації уявляли промені, що складаються з потоку атомів, вирваних з речовини катода.

Однією з наших визначальних характеристик матерії є те, що матеріальні об'єкти не можуть пройти один через одного. Експерименти показали, що катодні промені можуть проникати принаймні в деяку невелику товщину речовини, наприклад, металеву фольгу товщиною десяту частину міліметра, маючи на увазі, що вони були формою світла.

Інші експерименти, однак, вказували на протилежний висновок. Світло - це хвильове явище, і одна відмінна властивість хвиль демонструється, виступаючи в один кінець рулону паперового рушника. Звукові хвилі не виходять з іншого кінця трубки як сфокусований промінь. Натомість вони починають поширюватися в усіх напрямках, як тільки вони з'являються. Це показує, що хвилі не обов'язково подорожують прямими лініями. Якщо на шляху електронного променя був поміщений шматок металевої фольги у формі зірки або хреста, то на склі з'явилася б «тінь» такої ж форми, яка показує, що промені подорожували по прямих лініях. Цей прямолінійний рух припускав, що вони були потоком дрібних частинок речовини.

Ці спостереження були безрезультатними, тому насправді потрібно було визначити, чи мають промені масу та вагу. Біда полягала в тому, що катодні промені не можна було просто зібрати в чашку і поставити на шкалу. Коли електронно-променева трубка працює, не спостерігається жодних втрат матеріалу з катода або будь-якої кірки, що осідає на аноді.

Ніхто не міг придумати хороший спосіб зважити катодні промені, тому наступним найбільш очевидним способом врегулювання дискусії про світло/питання було перевірити, чи володіли катодні промені електричним зарядом. Світло, як відомо, не заряджається. Якщо катодні промені несли заряд, вони, безумовно, були матерією, а не світлом, і вони, імовірно, були зроблені для стрибка зазору шляхом одночасного відштовхування негативного заряду в катоді і залучення позитивного заряду в аноді. Промені перевищують анод через їх імпульсу. (Хоча електрично заряджені частинки зазвичай не стрибають через розрив вакууму, використовувалися дуже великі кількості заряду, тому сили були надзвичайно інтенсивними.)

експерименти Томсона

Дж/Джей Томсон в лабораторії.

Фізик Джей Джей Томсон в Кембриджі провів ряд остаточних експериментів над катодними променями приблизно в 1897 році. Звернувши їх трохи з курсу з електричними силами, k, він показав, що вони дійсно електрично заряджені, що було вагомим доказом того, що вони були матеріальними. Мало того, але він довів, що вони мають масу, і виміряв відношення їх маси до їх заряду,\(m/q\). Оскільки їх маса не була нульовою, він зробив висновок, що вони є формою речовини, і, імовірно, складаються з потоку мікроскопічних, негативно заряджених частинок. Коли Міллікан опублікував свої результати через чотирнадцять років, було розумно припустити, що заряд однієї такої частинки дорівнював мінус одному фундаментальному заряду\(q=-e\), і за поєднанням результатів Томсона і Міллікана можна було, отже, визначити масу однієї електронно-променевої частинки.

k/Експеримент Томсона, який доводить, що катодні промені мали електричний заряд (перемальований з його оригінального паперу). Катод, С, і анод, А, є як в будь-якій електронно-променевій трубці. Промені проходять через щілину в аноді, а друга щілина, В, вкладається для того, щоб зробити промінь тонше і усунути промені, які не йшли прямо. Зарядні пластини D і E показують, що катодні промені мають заряд: вони притягуються до позитивної пластини D і відштовхуються негативною пластиною Е.

Основною методикою визначення\(m/q\) було просто виміряти кут, через який заряджені пластини зігнули промінь. Електрична сила, що діє на електронно-променеву частинку, поки вона перебувала між пластинами, була б пропорційна її заряду,

\[\begin{equation*} F_{elec} = \text{(known constant)} \cdot q . \end{equation*}\]

Застосування другого закону Ньютона\(a=F/m\), дозволило б\(m/q\) визначити:

\[\begin{equation*} \frac{m}{q} = \frac{\text{known constant}}{a} \end{equation*}\]

Був лише один улов. Томсону потрібно було знати швидкість частинок електронного променя, щоб з'ясувати їх прискорення. На той момент, однак, ніхто не мав навіть освічених здогадок щодо швидкості катодних променів, що виробляються в даній вакуумній трубці. Промінь, здавалося, стрибнув через вакуумну трубку практично миттєво, тому не було простим питанням синхронізації його за допомогою секундоміра!

Розумним рішенням Томсона було спостерігати вплив як електричних, так і магнітних сил на промінь. Магнітна сила, що чиниться певним магнітом, залежатиме як від заряду електронного променя, так і від його швидкості:

\[\begin{equation*} F_{mag} = \text{(known constant #2)} \cdot qv \end{equation*}\]

Томсон грав з електричними та магнітними силами, поки будь-яка з них не зробить рівний вплив на промінь, дозволяючи йому вирішувати швидкість,

\[\begin{equation*} v = \frac{\text{(known constant)}}{\text{(known constant #2)}} . \end{equation*}\]

Знаючи швидкість (яка становила близько 10% швидкості світла для його установки), він зміг знайти прискорення і, таким чином, відношення маси до заряду\(m/q\). Методи Томсона були відносно грубими (або, можливо, більш благодійно можна сказати, що вони розтягнули стан мистецтва того часу), тому за допомогою різних методів він придумав\(m/q\) значення, які коливалися приблизно в два рази, навіть для катодних променів, витягнутих з катода, виготовленого з одного матеріалу. Найкраще сучасне значення -\(m/q=5.69\times10^{-12}\) кг/с, що узгоджується з низьким кінцем діапазону Томсона.

Електронний промінь як субатомна частка: індекс електронного електрона

Що було значущим в експерименті Томсона, не було фактичним числовим значенням\(m/q\), однак, настільки, як той факт, що в поєднанні зі значенням фундаментального заряду Міллікана він давав масу для частинок електронного променя, яка була в тисячі разів меншою за масу навіть найлегших атомів. Навіть без результатів Міллікана, які були 14 років у майбутньому, Томсон визнав, що катодні промені\(m/q\) були в тисячі разів менше, ніж\(m/q\) співвідношення, які були виміряні для електрично заряджених атомів в хімічних розчині. Він правильно інтерпретував це як доказ того, що катодні промені були меншими будівельними блоками - він називав їх електронами - з яких утворилися самі атоми. Це було надзвичайно радикальне твердження, яке прийшло в той час, коли атоми ще не довели існування! Навіть ті, хто вживав слово «атом», часто вважали їх не більш ніж математичними абстракціями, а не буквальними об'єктами. Ідея пошуку структури всередині «нерозщеплюваних» атомів була сприйнята деякими як божевілля, але протягом десяти років ідеї Томсона були достатньо перевірені багатьма більш детальними експериментами.

Питання для обговорення

◊ Томсон почав переконуватися під час своїх експериментів, що «катодні промені», що спостерігаються з катодів вакуумних трубок, є будівельними блоками атомів - те, що ми зараз називаємо електронами. Потім він проводив спостереження з катодами, виготовленими з різних металів, і виявив, що це\(m/q\) приблизно однаково в кожному випадку, враховуючи його обмежену точність. З огляду на його підозру, чому мав сенс пробувати різні метали? Як послідовні значення\(m/q\) служать для перевірки його гіпотези?

◊ Мої студенти часто запитували\(m/q\), чи виміряний Томсон був значенням для одного електрона або для всього променя. Чи можете ви відповісти на це питання?

◊ Томсон виявив\(m/q\), що електрон був у тисячі разів менше, ніж у заряджених атомів в хімічних розчині. Чи означає це, що електрони мали більше заряду? Менша маса? Чи не було б способу сказати? Поясніть. Пам'ятайте, що результати Міллікана були ще багато років в майбутньому, тому\(q\) було невідомо.

◊ Чи можете ви здогадатися будь-яку практичну причину, чому Томсон не міг просто дозволити одному електрону пролетіти через зазор перед тим, як відключити акумулятор і вимкнути промінь, а потім виміряти кількість заряду, нанесеного на аноді, тим самим дозволяючи йому вимірювати заряд одного електрона безпосередньо?

◊ Чому неможливо визначити\(m\) і\(q\) себе, а не просто їх співвідношення, спостерігаючи за рухом електронів в електричному і магнітному полах?

8.1.6 Модель печива з родзинками атома

На основі своїх експериментів Томсон запропонував картину атома, який став відомий як модель печива з родзинками. У нейтральному атомі, l, знаходяться чотири електрона із загальним зарядом\(-4e\), що сидять в сфері («печиво») з зарядом\(+4e\) поширення по всій ній. Було відомо, що хімічні реакції не можуть змінити один елемент на інший, тому за сценарієм Томсона сфера печива кожного елемента мала постійно фіксований радіус, масу та позитивний заряд, відмінний від інших елементів. Електрони, однак, не були постійною особливістю атома, і їх можна було закріпити або витягнути, щоб зробити заряджені іони. Хоча зараз ми знаємо, наприклад, що нейтральний атом з чотирма електронами є елементом берилію, вчені в той час не знали, скільки електронів мали різні нейтральні атоми.

л/Ізюм печиво модель атома з чотирма одиницями заряду, який ми тепер знаємо як берилій.

Ця модель явно відрізняється від тієї, яку ви вивчили в початковій школі або через популярну культуру, де позитивний заряд зосереджений у крихітному ядрі в центрі атома. Не менш важливою зміною уявлень про атом стало усвідомлення того, що атоми і їх складові субатомні частинки поводяться абсолютно не так, як об'єкти в людському масштабі. Наприклад, пізніше ми побачимо, що електрон може перебувати в більш ніж одному місці одночасно. Модель печива з родзинками була частиною давньої традиції спроб зробити механічні моделі явищ, і Томсон і його сучасники ніколи не ставили під сумнів доцільність побудови ментальної моделі атома як машини з невеликими частинами всередині. Сьогодні все ще використовуються механічні моделі атомів (наприклад, набори молекулярного моделювання в стилі tinker toy-toy-style, як ті, що використовуються Уотсоном і Криком для з'ясування структури подвійної спіралі ДНК), але вчені розуміють, що фізичні об'єкти є лише допоміжними засобами, які допомагають символічним та візуальним процесам нашого мозку думати про атоми.

Хоча не було чітких експериментальних доказів для багатьох деталей моделі печива з родзинками, фізики пішли вперед і почали розробляти її наслідки. Наприклад, припустимо, що у вас був чотирьохелектронний атом. Всі чотири електрони відштовхували б один одного, але всі вони також будуть притягнуті до центру сфери «печива». В результаті повинно вийти якесь стійке, симетричне розташування, при якому всі сили скасувалися. Люди досить розумні з математикою незабаром показали, що електрони в чотириелектронному атомі повинні осідати у вершині піраміди з однією меншою стороною, ніж єгипетський вид, тобто правильний тетраедр. Цей відрахування виявляється неправильним, оскільки грунтувався на неправильних особливостях моделі, але модель також мала багато успіхів, про деякі з яких ми зараз і поговоримо.

Приклад 3: Потік електричного заряду в проводах

Один з моїх колишніх учнів був сином електрика, і сам став електриком. Він розповів мені, як залишився його батько все життя відмовлявся вірити, що електрони дійсно текли через дроти. Якби вони були, міркував він, метал поступово став би все більше пошкоджуватися, з часом розсипаючись на пил. Його думка зовсім не є необґрунтованим, виходячи з того, що електрони є матеріальними частинками, і що матерія не може нормально проходити крізь матерію, не зробивши отвір через неї. Фізики дев'ятнадцятого століття поділилися б своїм запереченням проти моделі заряджених частинок потоку електричного заряду. Однак у моделі ізюм-печиво електрони мають дуже низьку масу, а отже, імовірно, дуже малі за розміром. Не дивно, що вони можуть прослизати між атомами, не пошкоджуючи їх.

Приклад 4: Потік електричного заряду через клітинні мембрани
Ваша нервова система заснована на сигналах, що переносяться зарядом, що рухається від нервової клітини до нервової клітини. Ваше тіло по суті все рідина, а атоми в рідині рухливі. Це означає, що, на відміну від випадку заряду, що протікає в суцільному дроті, цілі заряджені атоми можуть протікати у вашій нервовій системі

Приклад 5: Емісія електронів в електронно-променевій трубці

Чому електрони відділяються від катода вакуумної трубки? Звичайно, їх заохочують робити це відштовхуванням негативного заряду, розміщеного на катоді, і тяжіння від чистого позитивного заряду анода, але вони недостатньо сильні, щоб вирвати електрони з атомів основною силою - якби вони були, то весь апарат був би миттєво випаровується, як кожен атом був одночасно розірваний на частини! Модель печива з родзинками призводить до простого пояснення. Ми знаємо, що тепло - це енергія випадкового руху атомів. Тому атоми будь-якого об'єкта весь час бурхливо штовхають один одного, і деякі з цих зіткнень досить насильницькі, щоб вибити електрони з атомів. Якщо це відбувається поблизу поверхні твердого предмета, електрон може розхитуватися. Зазвичай, однак, ця втрата електронів є самообмежуючим процесом; втрата електронів залишає об'єкт з чистим позитивним зарядом, який притягує втрачених овець додому до складки. (Для предметів, занурених у повітря, а не у вакуум, також буде збалансований обмін електронами між повітрям і об'єктом.) Ця інтерпретація пояснює тепле і дружнє жовте сяйво вакуумних трубок в антикварному радіо. Щоб стимулювати випромінювання електронів з катодів вакуумних трубок, катоди навмисно розігріваються невеликими котушками нагрівача.

Питання для обговорення

◊ Сьогодні багато людей визначали б іон як атом (або молекулу) з відсутніми електронами або додатковими електронами, доданими. Як би люди визначали слово «іон» до відкриття електрона?

◊ Оскільки електрично нейтральні атоми, як відомо, існують, повинні були бути позитивно заряджені субатомні речі, щоб скасувати негативно заряджені електрони в атомі. Виходячи зі стану знань відразу після експериментів Міллікана і Томсона, чи можливо, що позитивно заряджений матеріал мав неквантовану кількість заряду? Чи можна квантувати в одиницях +e? В одиницях +2е? В одиницях +5/7е?

Дописувач

Template:ContribCrowell