1 – протон; 2 – нейтрон; 3 – нуклон; 4 – электрон
Атом и в самом деле нельзя «разобрать на части»?
Всякий атом состоит из еще более мелких частиц – протонов, нейтронов и электронов. Атомы разных видов состоят из различного количества протонов, нейтронов и электронов.
Схема работы атомной электростанции
В центре каждого атома имеется ядро, состоящее из массивных частиц – протонов и нейтронов. Они надежно соединены между собой – их связывают мощные ядерные силы. Вокруг атомного ядра вращаются электроны. Их в атоме всегда столько же, сколько протонов. Электроны очень маленькие, масса одного электрона в 200 раз меньше массы протона. Электроны являются носителями электрического заряда, они заряжены отрицательно. Протоны в ядре заряжены положительно, а у нейтронов вообще нет электрического заряда, поэтому все заряды в атоме как бы уравновешивают друг друга.
Ядерные испытания на атолле Бикини, 1946 год
Между ядром и электронами находится внутриатомное пространство. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.
Только в середине XX века ученые научились расщеплять и соединять ядра атомов. Когда атомное ядро делится или два ядра сливаются и образуют новое вещество, выделяется огромное количество энергии. Если этот процесс происходит под контролем, ядерная энергия выделяется постепенно и ее можно использовать для производства тепла и электроэнергии на атомных электростанциях. Но если энергия большого числа ядер выделяется мгновенно, происходит чудовищной силы взрыв. Это свойство материи лежит в основе ядерного оружия.
Сколько всего существует видов атомов?
Сегодня известно 118 различных типов атомов.
Вещества, состоящие из атомов одного типа, называются элементами, или простыми веществами. А те, что состоят из молекул, в состав которых входят атомы различных видов, называются соединениями. Кислород и медь – элементы. Вода и пищевая сода – соединения.
Графит и алмаз
Алмаз, самое твердое вещество из всех известных на Земле, и мягкий графит, пачкающий руки, состоят из одного и того же элемента – углерода. Различия в свойствах этих веществ объясняются тем, что атомы углерода в этих непохожих веществах связаны между собой различными способами.
Молекула обычной поваренной соли состоит из двух элементов – натрия и хлора. Натрий – серебристый металл, а хлор – зеленоватый газ. По отдельности оба этих элемента вредны для человека, а поваренная соль входит в состав пищи, которую мы ежедневно едим.
А воздух, которым мы дышим, – это простое вещество или соединение?
Воздух – это смесь нескольких газов: азота, кислорода, углекислого газа, аргона и некоторых других. Азот, кислород и аргон – простые вещества, углекислый газ – соединение углерода и кислорода. Молекулы этих газов перемешаны, но ничем не связаны друг с другом.
Как твердые тела сохраняют форму?
В твердых телах молекулы расположены в определенном порядке. При этом они образуют геометрические фигуры – решетки – и связаны очень надежно. Поэтому твердое тело почти не удается сжать или сломать, оно как бы стремится сохранять свою форму неизменной.
При температуре ниже 0 °C вода замерзает и превращается в твердое тело – лед. У льда тоже есть кристаллическая решетка
На заводах изготавливают детали из расплавленных металлов, заливая их в различные формы. Остывая, они становятся твердыми и долго сохраняют ту форму, которую придал им человек.
В металлах связи между молекулами так сильны, что кусок металла можно сравнить с одной огромной молекулой. Даже электроны двигаются здесь не только вокруг атомных ядер, но и «разгуливают» по всему телу, состоящему из металла. Благодаря «свободным» электронам металлы хорошо проводят электрический ток.
Почему лед твердый, а пар летучий, если и то и другое – просто вода?
Все вещества состоят из молекул. Молекулы находятся в постоянном движении, но при этом еще и притягиваются друг к другу. Чем ниже температура, тем крепче молекулы «цепляются» одна за другую. Чем выше температура вещества, тем «энергичнее» и беспорядочнее движутся молекулы, при этом связи между ними становятся все более слабыми, кристаллическая решетка разрушается и твердое тело превращается в жидкость. Если продолжать нагревать вещество, молекулы начинают отрываться от поверхности жидкости – испаряться, превращаясь в газ, каким, собственно, и является водяной пар.
Отчего жидкости текут?
В жидкостях молекулы расположены очень близко, но силы, связывающие их между собой, гораздо слабее, чем в твердых телах. К тому же в расположении молекул жидкостей нет строгого порядка, поэтому они принимают форму того сосуда, в который их наливают. Но сжать любую жидкость так же трудно, как и твердое тело, – расстояния между ее молекулами слишком невелико.
Жидкость принимает форму сосуда, в который ее налили
Жидкости и в самом деле не имеют формы?
Это не совсем так. Естественная форма, которую принимает любая жидкость, – шар. Но чтобы в этом убедиться, необходимо поместить жидкость в такие условия, чтобы на нее не действовали никакие внешние силы, в том числе и сила тяготения. Это возможно только в невесомости, где капли воды мгновенно превращаются в аккуратные шарики правильной формы. То же самое произойдет, если с помощью шприца ввести каплю растительного масла в сосуд со смесью воды и спирта.
Так выглядит вода в невесомости
Почему вода смачивает твердые тела?
Молекулы жидкости обладают способностью притягиваться к молекулам твердых тел – или отталкиваться от них. Этим объясняется такое явление, как смачивание. Благодаря смачиванию жидкости могут растекаться по поверхности твердого тела или проникать между волокнами тканей при стирке. Если силы взаимного притяжения молекул жидкости сильнее, чем их притяжение к молекулам твердых тел, жидкость собирается в капли на твердой поверхности.
Волоски смоченной кисточки слипаются – молекулы воды притягиваются друг к другу
Что такое газ?
Мы уже приводили пример газа – это водяной пар, образующийся, когда вода нагрета до 100 °C. Молекулы в газах располагаются на таких расстояниях друг от друга, что связей между ними практически нет. Газ заполняет любой сосуд, распространяясь по нему во всех направлениях. При этом каждая молекула газа ведет себя так, словно одна-одинешенька в сосуде, – она свободно двигается во все стороны, «не обращая внимания» на другие молекулы.
Газы хорошо сжимаются, потому что их молекулы расположены далеко друг от друга, но все же сопротивляются сжатию с различной силой. Газообразное состояние – самое распространенное состояние вещества во Вселенной.
Что случится, если продолжать нагревать твердое тело?
Лед при нагревании, как всем известно, плавится (тает) и превращается в воду. Вода, доведенная до точки кипения (+100 °C), начинает испаряться не только с поверхности, но и во всем объеме. В толще воды образуются пузырьки пара, и вся жидкость начинает «бурлить ключом».
Не только вода, но и многие другие вещества при изменении температуры могут превращаться из твердых в жидкие и газообразные и наоборот – из газообразных в жидкие и твердые. Но температура плавления и кипения у них разная.
Сталь, например, плавится при температуре +1400 °C. При температуре ниже –250 °C газ водород становится жидкостью. Жидкий водород – самая легкая жидкость на Земле. Литр сжиженного водорода весит всего 67 граммов.
Температура, при которой твердое тело становится жидкостью, называется точкой плавления.
Температура, при которой жидкость становится газом, называется точкой кипения.
Твердое, жидкое и газообразное состояние – это различные агрегатные состояния вещества.
Кроме того, существуют еще и так называемые аморфные тела. Они имеют структуру жидкости и обладают едва заметной текучестью, но в то же время способны сохранять свою форму. К таким телам относятся стекло, воск, парафин, различные клеи.
Мы часто повторяем: «энергия», «энергичный». Но что же это такое – энергия?
С раннего утра светит солнце, дует летний ветер, по улице движутся автобусы и автомобили, спешат люди. На ветке созрело яблоко и вот-вот упадет, а малыш забрался на горку на детской площадке и готовится скатиться вниз. По проводам в доме бежит электрический ток, который вырабатывает электростанция.
Вокруг нас полным-полно самых различных явлений, которые происходят только потому, что различные тела взаимодействуют между собой. Но для того чтобы такие взаимодействия могли происходить, необходима энергия – способность тел совершать действия, работу.