Кто — кого? - [8]
Средневековый воин, согнувшись под тяжестью камня, тащит его на верхушку башни, чтобы в подходящий момент сбросить на головы непрошеных гостей. Чтобы поднять камень наверх, надо затратить энергию. Но вот камень уже наверху, положен на край парапета башни, и человек отошел в сторону. Куда исчезла та энергия, которую он израсходовал, неся вверх тяжелую глыбу? Она никуда не исчезла, она только скрылась, изменила спою форму и уже готова к новым измерениям. Величина этой скрытой, или, как ее называют, потенциальной, энергии увеличивалась по мере того, как человек вносил камень по лестнице башни. Каждый килограммометр энергии, который он тратил на подъем, невидимкой оседал в форме накапливающейся в камне потенциальной энергии. Подножие башни и ее верхушка находятся на разных уровнях, и в точном соответствии с изменением уровня изменяется потенциальная энергия камня. А теперь столкнем камень с парапета. Он падает, и накопленная в нем энергия постепенно начинает принимать новое обличье.
Любое движущееся тело, живое или неживое, обладает энергией тем большей, чем больше скорость его движения. Эту энергию — энергию движения — называют кинетической энергией. По мере того как камень падает вниз с башни, скорость его растет. Потенциальная энергия камня убывает, зато возрастает его кинетическая энергия.
Нет ни одной машины, которая в процессе работы не двигалась бы целиком или не имела бы движущихся частей. Все действия, которые мы совершаем, работая, разговаривая, даже дыша и размышляя, сопровождаются движениями. Чтобы машина или живое существо могли двигаться, совершать работу, им нужна энергия движения — механическая энергия.
Мы сами и весь мир вокруг нас состоим из мельчайших частиц — атомов различных химических элементов. Атом каждого элемента состоит из ядра, окруженного тем или иным количеством электронов. Они вращаются вокруг ядра примерно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.
Много примеров придумывают, чтобы дать представление о размерах атома. Вот еще один. Вообразите себе самую малую песчинку. Если атомы, из которых она состоит, разделить поровну между 8 миллионами москвичей, то, чтобы сосчитать свою долю, каждому из них придется затратить 50 лет, занимаясь счетом круглые сутки.
Самое удивительное, что, как ни мал атом, он больше похож на «ничто», чем на «что-то». Если мысленно увеличить атом до размеров, например, Большого театра, то ядро будет выглядеть не больше, чем песчинка, а электроны вообще не будут видны. И вместе с тем движутся электроны по своим орбитам с гигантской скоростью, достигающей 35 тысяч километров в секунду. В миллионные доли секунды они успевают миллиарды раз обернуться вокруг ядра.
Между ядром и электронами постоянно действуют электрические силы, которые притягивают каждый из электронов к ядру. Электрон, находящийся под действием этой силы, как камень, находящийся под действием силы тяжести, обладает некоторым запасом скрытой энергии. И величина этой энергии, так же как величина потенциальной энергии камня, зависит от положения, которое занимает электрон.
Различным положениям электрона соответствуют различные уровни энергии, и, когда он переходит с более высокого уровня на более низкий, часть энергии освобождается.
Примерно такую картину можно себе представить, когда, например, атомы углерода угля или дерева начинают взаимодействовать с атомами кислорода воздуха. Процесс такого взаимодействия называют горением, а освобождающаяся при этом процессе энергия принимает форму тепла, или тепловой энергии. А скрытую энергию, которой обладали электроны до того, как начался процесс горения, называют химической энергией. Значит, любой горючий материал: уголь, дрова, нефть, бензин — является резервуаром химической энергии.
Миллионы людей при помощи десятков тысяч машин добывают сотни миллионов тонн угля, нефти, торфа. Добывают только для того, чтобы потом их сжечь. Значит, в шахтах, на нефтепромыслах и торфоразработках в конечном счете добывают химическую энергию, чтобы потом превратить ее в тепловую энергию.
Электрические заряды — вот источник сил, действующих внутри атома, а носителями этих зарядов служат материальные частицы. И какой бы химический элемент мы ни взяли, он содержит только два вида электрически заряженных частиц. Одни из них — электроны — несут отрицательный заряд. Легким облачком они совершают непрерывное кружение вокруг ядра. А в ядре содержатся частицы другого вида — протоны; они несут положительный электрический заряд. Заряженные частицы определенным образом взаимодействуют между собой. Так частицы с одинаковым зарядом отталкивают одна другую; частицы, несущие различные заряды, притягиваются. Так притягиваются друг к другу электрон и протон. Все протоны сосредоточены в ядре — значит, все ядро в целом несет положительный заряд.
Положительный заряд ядра удерживает электроны, как вращающаяся веревка удерживает привязанный к ней камень. В обычных условиях величина положительного заряда ядра в точности равна отрицательному заряду окружающих ядро электронов. Эти заряды уравновешивают друг друга, и атом оказывается электрически нейтральным. Мы не замечаем и не можем заметить действия сил, скрытых внутри атома. Но если нарушить электрическое равновесие между электронами и протонами, то электрические силы выходят за пределы атомов и проявляют свое действие в форме электрической энергии.
