КОММЕНТАРИЙ ПРОФЕССОРА РАДИОЛЯ

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Профессор описывает строение молекул и атомов, взаимное притяжение противоположных электрических зарядов, поведение валентных оболочек и то, что характеризует проводники, диэлектрики и полупроводники.

Дорогие Любознайкин и Незнайкин!

Я с большим интересом прослушал вашу беседу, записанную на магнитофоне. Пользуясь этой же магнитной лентой (предварительно стерев вашу запись), я отвечу на столь интересующие вас вопросы.

По моему мнению, прежде чем приступить к изучению собственно электроники, тебе, Незнайкин, необходимо приобрести хорошие познания в области электричества. А чтобы они не оказались поверхностными, нужно углублять знания изучением строения вещества, потому что (как показывает само слово) электроника основана на поведении электронов, входящих в состав всех существующих веществ.

Крошечные размеры молекул

Ты знаешь, что самая малая частица вещества, обладающая всеми его основными характерными свойствами, называется молекулой. В сложных веществах каждая молекула состоит из некоторого количества атомов. Так, например, молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода. Молекулы имеют очень маленькие размеры. Только в одном кубическом миллиметре воды содержится около молекул. Представь себе, что если бы ты захотел расположить их по прямой от Земли до Луны, т. е. на расстоянии 380000 км, то на каждый сантиметр пришлось бы молекул.

Я полагаю, что теперь ты легче проникнешь в этот микромир, который по сравнению с окружающим нас миром столь же мал, как сам этот мир по сравнению со Вселенной, где расстояния измеряются световыми годами. А ты ведь знаешь, что световой год — это расстояние, которое свет, идущий со скоростью 300000 км/с, проходит за год, т. е. примерно за с.

Микромир и макромир

Однако вернемся от макромира, где такие расстояния служат привычной единицей измерения (ведь говорят же о миллионах световых лет), к нашему микромиру, где крохотная молекула состоит из одного или нескольких атомов. Атом — слово греческого происхождения и означает «неделимый». На протяжении веков в самом деле думали; что атом — мельчайшая частица материн.

В микромире это далеко не самая малая частица, так как атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц: ядра и циркулирующих вокруг него электронов. Атом похож на солнечную систему с той, однако, разницей, что наши планеты движутся по орбитам, находящимся почти в одной и той же плоскости, тогда как орбиты электронов проходят по самым различным плоскостям. Если, несмотря на центробежную силу, планеты продолжают свое движение по кругу и не покидают солнечную систему, то причина кроется в гравитационных силах, определяющих взаимное притяжение между телами. Точно так же и электроны вращаются вокруг ядра и не покидают его, потому что имеется удерживающая их сила притяжения.

Эта сила по своей природе электрическая. Электроны представляют собой элементарные отрицательные электрические заряды. Ядра же состоят из протонов, представляющих собой элементарные положительные электрические заряды.

Между отрицательными и положительными зарядами существует сила притяжения, удивительно напоминающая гравитационную. Последняя, как известно, пропорциональна массе тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. А у электрических зарядов сила притяжения пропорциональна их величине и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В ядре атомов кроме протонов находятся еще частицы, именуемые нейтронами (рис. 1), так как они нейтральны, т. е. не имеют никакого заряда. Присутствие этих частиц просто увеличивает массу атома.

Распределение электронов

Я тебе сказал, что в отличие от орбит наших планет орбиты электронов не находятся в одной плоскости. Но это не означает, что эти орбиты расположены беспорядочно. Они могут занимать только семь уровней или, если ты предпочтешь, семь сфер, центром которых служит ядро. Эти сферы обозначают буквами К, L, М, N, О, Р и Q (рис. 2).

Сфера К располагается ближе всех к ядру. Ее радиус составляет см. Радиусы последующих сфер пропорциональны квадрату их порядкового номера. Так, сфера L, занимающая второе место, имеет радиус в 4 раза больше, чем сфера К. Радиус же седьмой сферы (Q), следовательно, в 49 раз больше радиуса первой сферы .

На орбите не может быть более двух электронов. Число же электронов на каждой сфере также ограниченно. На первой сфере может быть лишь два электрона. На остальных сферах предельное количество электронов пропорционально радиусу сферы. На сфере L, радиус которой в 4 раза больше радиуса сферы К, максимальное количество электронов равно и т. д.

Рис. 1. Строение атома. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов (последние на рисунке не показаны). Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

Рис. 2. Схематическое изображение атома радия, показывающее распределенение электронов по различным оболочкам. В действительности орбиты расположены в различных плоскостях.

Какая пустота!..

Что же касается размеров различных частиц атома, то ты получишь лучшее представление, если вообразишь себе атом, увеличенный в сто миллионов раз. В этом случае протоны будут иметь величину яблока, а электроны достигнут размеров футбольного мяча. Самая близкая орбита электронов, т. е. сфера К, будет иметь радиус, равный 5 км, а радиус следующей сферы 20 км. Если подвергнуть такому увеличению атом, имеющий электроны на орбитах всех своих сфер, как, например, атом урана, то радиус внешней орбиты вырастет до 245 км. Из этого ты можешь понять, что строение вещества таково, что почти все пространство занимает пустота. Если бы было можно так уплотнить элементы молекул, составляющие тело слона, чтобы между ними не осталось пустот, то в результате такого сжатия мы получили бы частицу, с трудом различимую под мощным микроскопом, но эта крупинка сохранила бы массу слона.

Ни один слон, конечно, не испытал на себе такого? сжатия. Но этот процесс происходит на звездах, когда они стареют. Они как бы обрушиваются внутрь самих себя. И в результате такого направленного взрыва диаметр небесного светила сокращается в десятки тысяч раз. Чудовищная плотность вещества создает настолько сильное гравитационное поле, что это поле полностью отклоняет световые лучи с прямого пути. Поэтому стареющая звезда представляет собой лишь черную дыру на небе.

Конец нейтралитета

Вернемся еще раз от макромира к микромиру. Очень важное обстоятельство: обычно число электронов атома равно числу его протонов. Таким образом, сумма отрицательных зарядов равна общему количеству положительных зарядов. Они взаимно нейтрализуются, и уравновешенный таким образом атом называется нейтральным (рис. 3). Однако у некоторых веществ электроны внешнего слоя меньше привязаны к ядру и могут его покинуть, если их притягивают соседние положительные заряды или если сам атом подвергся встряске в результате повышения температуры тела. В этом случае равновесие атома нарушится: положительный заряд ядра становится больше суммы отрицательных зарядов электронов. Атом, таким образом, становится положительным (рис. 4). Говорят также, что он положительно ионизируется или что он превращается в положительный ион.

Но может произойти и обратное явление. Один или даже несколько находившихся по соседству электронов могут занять места на орбитах внешней оболочки атома.

Рис. 3. Нейтральный атом.

Рис. 4. Положительный атом.

Рис. 5. Отрицательный атом.

Добавив свой заряд к зарядам других электронов, они сделают атом отрицательным (рис. 5). В этом случае мы имеем дело с отрицательным ионом.

Валентные тенденции

Внешняя электронная оболочка играет первостепенную роль в образовании молекул, этих ассоциаций атомов, из которых состоят различные вещества. Именно эта внешняя оболочка способна иметь общие для нескольких атомов электроны.

Как правило, внешняя оболочка чувствует себя удовлетворенной, когда на ее орбитах циркулируют 8 электронов. Поэтому, если атом имеет на этой оболочке только 7 электронов, он имеет сильное желание заполучить дополнительно еще один; тогда говорят, что атом одновалентный. Если на внешней оболочке имеется 6 электронов, атом двухвалентный. Это, в частности, нормальное положение для кислорода, атомы которого имеют на внешней оболочке по 6 электронов. Когда кислород вступает в контакт с водородом, имеющим самый легкий атом, состоящий из одного протона и вращающегося вокруг него электрона, то каждый атом кислорода объединяется с двумя атомами водорода с тем, чтобы довести до 8 число электронов на своей внешней оболочке (рис. 6). В результате такого объединения образуется окись водорода, известная под названием... воды.

Рассмотрим случай с атомом хлора, имеющим на внешней оболочке М семь электронов, что делает его одновалентным. Оказавшись в непосредственной близости с атомом натрия, который имеет на своей внешней оболочке М только один электрон, он объединяется с ним, образуя хлористый натрий. Это научное название, дорогой мой Незнайкин, обозначает поваренную соль (рис. 7).

Рис. 6. Два атома водорода (Н) своими электронами дополняют количество электронов на оболочке L атома кислорода (О) до 8.

Рис. 7. При соединении атома хлора (Cl) с атомом натрия (Na) образуется молекула хлористого натрия.

Проводники, диэлектрики и полупроводники

Ты видишь, что атомы, внешняя оболочка которых притягивает электроны от своих соседей, становятся ионизированными отрицательно, тогда как атомы, потерявшие свои электроны, оказываются ионизированными положительно. Затем отрицательный ион притягивается положительным, и объединение двух атомов образует устойчивую молекулу.

Ты убедился, что атом, на внешней оболочке которого находится меньше 8 электронов, имеет тенденцию объединяться со своими соседями. Но это совершенно не относится к неону, который на своей периферийной оболочке имеет как раз 8 электронов и поэтому остается в изоляции в виде газа. Когда количество периферийных электронов меньше 4, атом великодушно отдает их своим соседям. Так ведут себя все металлы. Именно это свойство и определяет их электрическую проводимость. Когда внешняя оболочка имеет более 4 электронов, атом отказывается отпустить их от себя. Такое строение имеют диэлектрики. И, наконец, если на внешней оболочке имеется 4 электрона, что как раз характерно для кремния и германия, то это вещество и не проводник, и не диэлектрик. В этом случае мы имеем вещество, называемое полупроводником.

Я не хочу больше утомлять тебя жизнью в среде атомов. Но прежде чем выйти из микромира, я хочу сказать тебе, что благодаря притяжению периферийных электронов ядрами соседних атомов атомы твердых тел обычно расположены в стройном порядке. Именно по этой причине большинство твердых тел имеет кристаллическую структуру.

Теперь, Незнайкин, после того, как я изложил тебе основы строения вещества, ты сможешь без труда понять то, что мой дорогой племянник Любознайкин расскажет тебе об электрическом токе.