Фізика. 7 клас. Пшенічка

§ 2. Початкові відомості про будову речовини. Речовина і поле

Навколишній світ є матеріальним. Матерія - це все те, що реально існує в природі та може бути виявлене людиною. Нині розрізняють два види матерії - речовину і поле.

Речовина утворена з маленьких частинок: молекул, що складаються з атомів. А ті, в свою чергу, складаються з електронів, протонів і нейтронів.

Поле здійснює передачу взаємодії між частинками, які утворюють речовину. Воно діє на відстані і його не видно. Але, наприклад, якщо ми підстрибнемо, то гравітаційне поле поверне нас назад.

ІСТОРІЯ ІДЕЇ ПРО НЕПОДІЛЬНІ АТОМИ

Мислителі Стародавньої Греції Левкіпп і Демокріт (V ст. до н. е.) висловили гіпотезу (здогад) про те, що речовини, з яких складаються довколишні тіла, самі складаються з невидимих маленьких частинок. Тобто речовина не суцільна, а має «зернисту» структуру і поділяється на найпростіші складові - атоми, які вже далі неможливо поділити («атомос» з грецької - неподільний). Можливо, ця ідея була запозичена з досвіду будівництва, адже різноманітні за формою споруди побудовані всього з кількох різновидів цегли.

На початку XX ст. атомарна гіпотеза була нарешті математично доведена Альбертом Ейнштейном та Маріаном Смолуховським й експериментально обґрунтована Жаном Перреном.

Як бачите, для встановлення того «простого» факту, що мільйони різних речовин складаються лише з сотні різного «сорту» атомів, знадобилося близько 2500 років.

АТОМИ Й МОЛЕКУЛИ

Атоми виявилися не такими вже й неподільними. У 1911 р. міжнародній групі вчених під керівництвом англійського фізика Ернеста Резерфорда вдалося встановити, що в центрі атома є маленьке ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома. Навколо ядра з величезною швидкістю обертаються електрони (мал. 2.1) подібно до того, як планети обертаються навколо Сонця. Ядро атома складається з протонів і нейтронів. Їхня маса приблизно однакова (нейтрон трішки важчий). Протон має позитивний заряд, а нейтрон - нейтральний, не має заряду взагалі.

Мал. 2.1. Модель атома Е. Резерфорда

Електрон набагато легший за протон і нейтрон (приблизно в 2000 разів), і він має негативний заряд. Оскільки заряди протилежних знаків притягуються, то ядро досить сильно утримує біля себе електрони. Отож, атоми міцні й зруйнувати їх не так просто.

Числові значення зарядів протона й електрона однакові. Це найменші електричні заряди, що існують в природі. їхній заряд називається елементарним. Кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів, що обертаються навколо ядра. Тому атом у цілому електрично нейтральний.

Уперше теорію, яка добре описувала властивості найпростішого з атомів - атома Гідрогену, - створив данець Нільс Бор. Пізніше за допомогою квантової фізики вдалося також описати властивості й складніших атомів.

Кожен атом має спеціальну назву та позначення (символ). Наприклад: Гідроген (Н), Оксиген (О), Аурум (Au). Атоми різних видів відрізняються своїми хімічними властивостями та масою. На сьогодні відомо 118 видів атомів, але ми знаємо набагато більше різних речовин. Чому так? Річ у тім, що речовини здебільшого складаються з молекул.

Молекулою називається найменша частинка речовини, що має її основні хімічні властивості та складається з атомів.

Кожна молекула - це комбінація певних атомів. Наприклад: молекула води складається з двох атомів Гідрогену й одного атома Оксигену (Н₂О); молекула азоту - з двох атомів Нітрогену (N₂).

Є речовини, молекули яких складаються з дуже великої кількості атомів (сотень і навіть тисяч). Це молекули органічних речовин. Однією з таких є ДНК. Це молекула, що передає спадковий код живих організмів (мал. 2.3). Усередині живої клітини ДНК міститься в згорнутому стані. Якщо б її вдалося витягнути в лінію, то її довжина би сягнула двох метрів.

ПРОСТІ ТА СКЛАДНІ РЕЧОВИНИ

Прості речовини складаються винятково з атомів одного хімічного елемента. Наприклад, кисень складається з двох атомів Оксигену (О ), а озон - із трьох атомів цього ж Оксигену (О₃), золото - з одного атома Ауруму.

Мал. 2.2. Модель атома Гідрогену, створена Н. Бором

Мал. 2.3. Модель молекули ДНК

Мал. 2.4. Схематичне зображення молекул простих речовин: кисню (а), озону (б) та складної речовини - води (в)

До складу молекул складних речовин входять атоми різних елементів. Наприклад, газ метан складається з одного атома Карбону та чотирьох атомів Гідрогену (СН₄), вода складається з одного атома Оксигену й двох - Гідрогену (Н₂О).

ПРОМІЖКИ МІЖ МОЛЕКУЛАМИ Й АТОМАМИ

Між молекулами й атомами є проміжки. Це легко довести, провівши дослід.

ДОСЛІД 2.1

Змішайте 100 мл води та 100 мл спирту, визначте об'єм суміші. Суміш матиме об'єм менший, ніж 200 мл. Так стається тому, що при змішуванні молекули води проникають у проміжки між молекулами спирту.

Щоб уявити, як це відбувається, можна провести ще один дослід.

ДОСЛІД 2.2

Насипте у склянку пшона стільки, щоб вона була заповнена наполовину. Додайте стільки ж гороху. Склянка заповнена до краю. А тепер обережно перемішайте горох з пшоном і зверніть увагу на загальний об'єм суміші - він став меншим.

РОЗМІРИ АТОМІВ І МОЛЕКУЛ

Молекули й атоми дуже малі. Їх розміри становлять приблизно 10^-10 м (0,0000000001 м). Розмір молекули води - 3 • 10^-10 м (0,0000000003 м). Якщо молекулу води уявно збільшити до розміру яблука, то розмір яблука відповідатиме розмірам Землі. В одній чайній ложці води стільки ж молекул Н₂О, скільки приблизно чайних ложок води у Світовому океані (всіх морях й океанах Землі разом узятих).

Розмір ядра атома приблизно у 10 000 разів менший, ніж розмір атома. Між ядром і електронами є незаповнений простір - вакуум (пустота). Але там діє електричне поле.

ЦІКАВО ЗНАТИ

Хвильова природа матерії

Заряджені частинки взаємодіють за посередництва електричних і магнітних полів, а ядерні частинки (протони і нейтрони) - через ядерне поле.

Планетарна модель, схематично зображена на мал. 2.5а, дещо спрощує будову атома. Розрахунки показали, що електрон в атомі Гідрогену повинен за одну мільйонну долю секунди зробити мільярд обертів навколо ядра, тобто в прийнятному для нас масштабі часу електрон мав би майже одночасно перебувати в усіх точках своєї траєкторії.

Мал. 2.5. Планетарна модель атома

Квантова механіка уточнила уявлення вчених про атом. Електрони атомних оболонок згідно з новою теорією вже більше нагадують хвилі й утворюють так звану електронну хмару. На мал. 2.5б синім кольором зображена область електронної хмари, де ймовірність перебування електронів найбільша, а стара орбіта - це просто місце, де електрони бувають найчастіше. Взаємодія ядра й електронної хмари в атомі здійснюється через електричне поле, яке за своєю силою в багато разів перевищує поле блискавки.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

• Матерія складається з речовини та поля. Речовина складається з молекул і атомів.
• Молекула - це найменша частинка речовини, що має її основні хімічні властивості та складається з атомів.
• Атоми складаються з ядра, в якому знаходяться протони та нейтрони, й електронів, що обертаються навколо ядра з величезними швидкостями, утворюючи електронну хмару (оболонку).
• Ядро й електрони утримуються в атомі за посередництва електричного поля.
• Частинки ядра (протони та нейтрони) скріплені ядерним полем.

ТВОРЧІ ЗАВДАННЯ

• 2.1. Стародавній мислитель Лукрецій Кар (99-55 рр. до н.е.) стверджував у своїй поемі «Про природу речей», що «існують тільки атоми і пустота». Наскільки він був правий, а в чому, на вашу думку, помилявся?
• 2.2. Чим відрізняються хімічні елементи, що входять до складу таблиці Менделєєва?

ВПРАВА 2

• 1. З чого складається речовина?
• 2. З чого складаються молекули, атоми?
• 3. З яких частинок складаються атомні ядра?
• 4. Які сили діють між: а) протонами; б) протонами й електронами?
• 5. Чим відрізняються прості речовини від складних?
• 6. Яке поле «склеює» протони і нейтрони в ядрі?
• 7. Чому протони не розлітаються з ядра атома, адже вони мають однаковий електричний заряд і взаємно відштовхуються?
• 8. Чим відрізняються різні речовини між собою?
• 9. У скільки разів один метр більший, ніж атом Гідрогену?
• 10. У скільки разів атом Гідрогену більший, ніж його ядро?
• 11. Яка наука пояснила будову складних атомів?
• 12. Який вид матерії знаходиться між ядром атома і електронними оболонками?
• * 13. У скільки разів (точно) маса протона більша, ніж маса електрона?
• * 14. Чи можна точно вказати розміри атома?
• * 15. Чи діють ядерні сили між електронами?