Делимость электрического заряда. Строение атомов
1. Теории об электрическом заряде
Тема посвящёна делимости электрического заряда. Нам предстоит ответить на вопрос, существует ли минимальный электрический заряд, а также познакомиться со строением атома.
Ранее мы выяснили существование электрических зарядов, а также принципы их взаимодействия.
И вот теперь мы подошли к вопросу, что же такое электрический заряд. Ответ был найден учеными далеко не сразу. Существовало множество теорий. И только в конце XIX века физики пришли к окончательному ответу на этот важнейший с точки зрения науки вопрос.
До этого предполагали, что тела заряжаются из-за движения специальной заряженной жидкости: якобы, когда она покидает тело, то оно заряжается отрицательно, а когда попадает в него, то наоборот. По другой теории, внутри тела находилось всегда сразу две жидкости. Если одна из них вытекала, то другая оказывалась в избытке, что и приводило к появлению электрического заряда.
Чтобы разобраться с электрическим зарядом, нам необходимо дать ответ на следующий вопрос: до какой степени можно делить электрический заряд? Чтобы понять суть этого вопроса, рассмотрим следующий эксперимент.
2. Опыт для демонстрации деления электрического заряда
Возьмём два незаряженных электрометра.
Также возьмём стеклянную палочку и потрём её о бумагу. Как мы уже знаем из предыдущих уроков, палочка приобретёт заряд.
Сообщим теперь с помощью наэлектризованной палочки заряд одному из электрометров.
Теперь возьмём металлический стержень (на изолированной ручке) и соединим с помощью него шары обоих электрометров. Как мы уже знаем, в результате заряд разделится между электрометрами.
Снимем заряд со второго электрометра (опять же, мы уже знаем, как это делается: достаточно просто прикоснуться к шару электрометра пальцем).
Повторим эксперимент. Ситуация повторится с той лишь разницей, что заряд на первом электрометре уменьшился приблизительно в 2 раза (он перешёл на второй электрометр, откуда мы его «забрали»).
И снова снимем заряд со второго электрометра. И снова заряд на первом электрометре уменьшился практически в 2 раза.
Возникает вопрос, до каких пор мы можем повторять указанные действия? Электрометры не позволяют нам ответить на этот вопрос, так как являются достаточно неточными приборами с большой погрешностью в измерениях.
Как же поступили физики в этой ситуации?
Ответ на поставленный вопрос практически одновременно и независимо друг от друга дали два учёных – американский физик Р. Э. Милликен (Рис. 1) и русский физик А. Ф. Иоффе (Рис. 2), поэтому их опыты так и называются: опыты Иоффе-Милликена.
Рис. 1. Р. Э. Милликен
Рис. 2. А. Ф. Иоффе
3. Масса и заряд электрона
Иоффе и Милликен независимо друг от друга с помощью определённых приборов сумели определить заряд электрона – мельчайшей частицы, до которой можно делить электрический заряд.
Милликену, в частности, удалось определить и массу этой элементарной частицы.
В конце XIX века благодаря исследованию ядерных превращений удалось открыть частицу – электрон. Такое название она получила вследствие того, что обладает минимальным электрическим зарядом.
В результате опытов Иоффе-Милликена стало известно, что масса электрона равна 
, а его заряд (который условились считать отрицательным) равен
. Обозначается это так:
;
.
Это характеристики самой маленькой частицы, обладающей электрическим зарядом. До более мелких значений электрический заряд разделить не удалось. Поэтому заряд электрона – минимальный электрический заряд. Все остальные заряды кратны заряду электрона (то есть делятся на него без остатка). Это означает, что, к примеру, заряд не может быть равен 
.
4. Кулон, закон Кулона
В качестве обозначения единицы заряда мы указали «Кл» – Кулон. Названа эта единица измерения в честь французского учёного Шарля Кулона (Рис. 3), который вывел закон о взаимодействии электрических зарядов. Кулон показал, что чем больше расстояние между зарядами, тем меньше сила их взаимодействия, а чем больше по модулю величины зарядов, тем эта сила больше.
Рис. 3. Шарль Кулон
Отметим немаловажный факт: и заряд, и масса электрона крайне малые величины (сравнительно, конечно же).
Важно также помнить, что электрический заряд не существует отдельно от вещества. Если нет частицы – нет и заряда. Обратная ситуация возможна: частица может быть незаряженной, то есть существовать без заряда, а вот заряд без частицы – никогда.
Следующий шаг в изучении электрических зарядов состоял в том, чтобы понять, как расположены электрические заряды внутри вещества. Мы знаем, что все тела состоят из атомов и молекул. Из этого можно сделать вывод, что электрон каким-то образом связан с атомом.
Существовало много теорий о том, что же такое атом. Одни учёные считали, что он напоминает булку с изюмом ()Рис. 4.
Рис. 4. Модель атома Томсона
То есть, положительный заряд – это сама булка, а изюм – это электроны. Поэтому атом заряда не имеет (как и должно быть, ведь если вещество не наэлектризовано, то оно заряда не имеет).
Другие учёные считали, что атом напоминает орех: есть скорлупа, внутри которой находятся положительные и отрицательные заряженные частицы (Рис. 5).
Рис. 5. Иллюстрация к модели атома в виде ореха
5. Различные теории строения атома; планетарная модель строения атома Резерфорда
Вообще, существовало множество теорий, каждая из которых объясняла те или иные известные на тот момент свойства атома.
Наконец, английский учёный Эрнест Резерфорд (Рис. 6) провёл опыт, который позволил установить, как же всё-таки устроен атом.
Рис. 6. Э. Резерфорд
С помощью уже открытых тогда свойств радиоактивности ему удалось определить, что атом – некое подобие планетарной системы. Как мы знаем, в центре Солнечной системы находится Солнце, вокруг которого по орбитам вращаются планеты. Такую же модель Резерфорд предложил для атома (Рис. 7).
В центре атома расположено массивное, положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по своим орбитам движутся электроны. При этом скорость движения электронов очень большая.
В целом, из опытов следовало, что атом электронейтрален, а всё изменение заряда тела обеспечивается движением электронов. То есть если в наших опытах тела приобретали заряд, то это связано не с положительно заряженным ядром, а с движением отрицательно заряженных электронов. Если электроны от тела «уходят», то тело заряжается положительно (так как «ушли» отрицательно), а если, наоборот, электроны к телу «приходят», то тело заряжается отрицательно.
Рис. 7. Модель атома Резерфорда
6. Строение атома гелия и водорода
Рассмотрим схему строения атома, которую предложил Резерфорд, более подробно на примере атомов гелия и водорода.
1. Схема строения атома гелия
Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся 2 положительно заряженные частицы (протоны) и 2 нейтрально заряженные частицы (нейтроны), заряд нейтронов равен 0 (Рис. 8). Вокруг атома движутся по своим орбитам 2 электрона.
В целом заряд атома равен 0.
Если мы от этого атома один из электронов удалим, то атом станет положительно заряженным ионом. Если же наоборот – добавить электрон, то получим отрицательно заряженный ион.
Рис. 8. Атом гелия
2. Схема строения атома водорода
Водород – самый простой по своему строению элемент. Ядро состоит всего из одного протона, а вокруг ядра вращается один электрон. Атом водорода также в целом электронейтрален (Рис. 9).
Рис. 9. Атом водорода
7. Выводы
Говоря, что тело (вещество) не имеет заряда, мы не имеем в виду, что внутри тела (вещества) нет электронов. Они есть, но их заряд компенсируется положительно заряженными частицами. Если тело приобретает заряд, то это означает, что к телу «пришли» или «ушли» электроны.
Об опытах Резерфорда мы будем более подробно говорить в старшей школе. Сам Резерфорд считал, что эксперименты должны быть простыми, чёткими и понятными каждому.
Однако объяснить строение атома достаточно сложно. В частности, нам предстоит ответить на непростой вопрос: почему отрицательно заряженные электроны не притягиваются к положительно заряженным протонам ядра и не падают на ядро.
Далее мы познакомимся с объяснением некоторых электрических явлений.