<<
>>

Электроны и энергия

Обнаружение структуры атома позволило лучше представить химическую энергию.

В 1904 году немецкий химик Ричард Абегг (1869—1910) впервые предположил, что в молекуле все атомы удерживаются имеете благодаря переходам электронов от одного атома к другому.

Для того чтобы понять механизм такого действия, следовало заметить, что электроны в атоме существовали в виде ряда оболочек.

Находящаяся в самой глубине оболочка могла содержать только 2 электрона, следующая 8, последующая 18 и т. д. Оказалось, что одни уровни электронной оболочки более устойчивы, чем другие. Если внутренняя оболочка содержала электроны, то она заполнялась лишь 2 электронами, которые только и могла удерживать, находясь в стабильном состоянии. Если атом содержал электроны в более чем одной оболочке, то на наружной оболочке могло удерживаться до 8 электронов, причем ее состояние также оказывалось стабильным.

Так, атом гелия содержал только 2 электрона, заполнявшие внутреннюю оболочку, и его состояние было настолько устойчивым, что гелий не участвовал ни в каких химических реакциях. Атом неона имел 10 электронов (2 во внутренней оболочке, 8 — в следующей за ней) и также не вступал в реакции. Атом аргона имел 18 электронов (соответственно 2, 8 и 8) и также был весьма стабильным.

Но если атом не имел своих электронных оболочек, то они могли легко заполняться. Атом натрия имел 11 электронов (соответственно 2, 8 и 1), в то время как атом фтора — 9 (2 и 7). Если атом натрия отдавал один из своих электронов атому фтора, то оба могли иметь такую же стабильную форму, как неон (2 и 8). Благодаря этому они достаточно часто вступали в реакции.

Если оки действительно происходили, атом натрия минус 1 электрон мог составлять положительно заряженную единицу и превращаться в Na+, то есть положительно заряженный ион. Фтор с 1 электроном со временем становится F~ , то есть отрицательно заряженным ионом.

2 иона с противоположными зарядами притягиваются, и таким образом может сформироваться молекула фторида натрия (NaF).

В 1916 году американский химик Гилберт Ньютон Льюис (1875—1946) развил это положение. Он показал, что атомы могли соединяться не только в результате полного перемещения одного или более электронов, но благодаря распределению пар электронов. Это распределение происходило только в том случае, когда атомы располагались достаточно близко друг к другу, и требовалось затратить энергию, чтобы отделить их и разрушить соединение, точно так же, как требовалась энергия, чтобы разделить 2 иона, избавив от нритяжения противоположных зарядов.

Таким образом, смутное представление об атомах, прилипающих друг к другу в молекулах и с силой разделяемых, уступило место более точной картине электронов, которые переносились или разделялись. Происходившие с электронами изменения могли быть точно описаны математически с помощью системы, которая получила название квантовой механики, и таким образом химия сделалась более точной наукой, чем раньше.

Энергия Солнца

Самая серьезная проблема, связанная с законом сохранения энергии, касалась Солнца. До 1847 года ученые не рассматривали проблемы, связанные с солнечным светом. Солнце испускает огромную энергию, но ее относили к природным свойствам Солнца, и это казалось настолько же очевидным, как и вращение Земли вокруг ее оси.

Однажды Гельмгольц заявил, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но не смог определить источник солнечной энергии. Вопрос находился за пределами человеческого познания, ибо Солнце испускает тепло и свет, внешне никак не меняясь. Так было со времен начала цивилизации и, как определили биологи и геологи, длилось в течение многих веков. И все же откуда бралась солнечная энергия?

Солнце казалось огненным шаром. Так ли это на самом деле? Является ли Солнце огромной горящей кучей, превращающей химическую энергию в тепло и свет?

Известны были и масса Солнца, и величина производимой им энергии.

Предположим, что солнечная масса представляла собой смесь кислорода и водорода и она сжигалась достаточно быстро для того, чтобы выпускать энергию с заданной скоростью. Если все сказанное обстояло именно так, то вся масса кислорода и водорода была бы израсходована за 1500 лет. Никакая химическая реакция, происходившая на Солнце, не могла бы продолжаться до наших дней со времен древних пирамид, а ведь Солнце существовало и во времена динозавров.

Существовал ли некий источник энергии, превосходящей химическую энергию? А как насчет энергии движения? Гельмгольц пред положил, что метеориты могут падать на Солнце с постоянной скоростью. Возникавшая при их столкновении энергия и вызывала свечение Солнца до тех пор, пока не иссякала энергия метеоритов, и все это могло продолжаться на протяжении миллиона лет.

Однако все это означало, что солнечная масса будет меняться постоянно и то же самое происходит с гравитационной силой. По если солнечное гравитационное поле менялось постоянно, то продолжительность земного года также должна меняться в определенной степени, но этого не происходило.

В 1854 году Гельмгольц предположил, что Солнце постепенно сжимается. Его внешние слои постепенно уходят внутрь, и выделявшаяся при этом энергия превращается в тепло и свет. Более того, получаемая энергия никак не влияет на изменение массы Солнца.

Гельмгольц установил, что сжатие Солнца на протяжении 6000 лет документально зафиксированной истории могло уменьшить его диаметр всего на 560 миль, и эти перемены нельзя обнаружить невооруженным глазом. Благодаря развитию техники изготовления телескопов, происходившему па протяжении двух последних столетий, удалось установить, что изменение размера Солнца составляло только 23 мили, и во времена Гельмгольца еще нельзя было определить этого точно.

Дальнейшие исследования показали, что примерно 25 миллионов лет тому назад Солнце обладало такими размерами, что могло заполнить земную орбиту. Очевидно, что в то время сама Земля еще не существовала.

В этом случае максимальный возраст Земли составлял только 25 миллионов лет.

С таким выводом не могли согласиться геологи и биологи, также озабоченные этой проблемой. Медленные перемены, происходившие в земной коре и в ходе эволюции жизни, позволяли сделать такой вывод: для того чтобы на Земле могли появиться живые организмы и развились современные формы жизни, Солнце должно было давать тепло и свет в течение по крайней мере многих сотен миллионов лет.

Это означало, что надо искать какой-то другой способ определения запасов солнечной энергии. Или закон сохранения энергии (что маловероятно) неверен, или скрупулезно собранные данные геологов и биологов ложны (что тоже маловероятно), или существовал какой-то еще более мощный источник энергии, чем те, что были известны в XIX веке, от которого зависело существование самого человечества (и это также представлялось маловероятным).

Однако какая-то из упомянутых выше возможностей должна была оказаться верной. И наконец, в 1896 году произошло открытие явления радиоактивности.

<< | >>
Источник: Азимов Айзек. Миры внутри миров. История открытия и покорения атомной энергии / Пер. с англ. С. Федорова. — М.: ЗАО Центр- полиграф. — 172 с.. 2004

Еще по теме Электроны и энергия:

  1. Электроны и энергия
  2. Энергия радиоактивности
  3. МАССА И ЭНЕРГИЯ
  4. Протонно-электронная теория
  5. Энергия Солнца
  6. ОТДЕЛЬНО О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРАХ
  7. Образование энергии в скелетных мышцах при физической работе
  8. Жизнь — это энергия.
  9. Потоки энергии в биосфере
  10. Нетрадиционные возобновляемыеисточники энергии
  11. Биосфера как область превращенийкосмической энергии [2]
  12. Молекулярный переключатель, управляемый пучком электронов
  13. Об «электронной бумаге»
  14. Об одномолекулярном двигателе на солнечной энергии
  15. Англо-русский терминологический словарь по микро- и наносистемной технике
- Альтернативная история - Античная история - Архивоведение - Военная история - Всемирная история (учебники) - Деятели России - Деятели Украины - Древняя Русь - Историография, источниковедение и методы исторических исследований - Историческая литература - Историческое краеведение - История Австралии - История библиотечного дела - История Востока - История древнего мира - История Казахстана - История мировых цивилизаций - История наук - История науки и техники - История первобытного общества - История религии - История России (учебники) - История России в начале XX века - История советской России (1917 - 1941 гг.) - История средних веков - История стран Азии и Африки - История стран Европы и Америки - История стран СНГ - История Украины (учебники) - История Франции - Методика преподавания истории - Научно-популярная история - Новая история России (вторая половина ХVI в. - 1917 г.) - Периодика по историческим дисциплинам - Публицистика - Современная российская история - Этнография и этнология -