Дам свой вариант ответа.
Протон, электрон и другие частицы - это очень-очень-оооочень маленькие частицы. Можно представлять их, например, как круглые пылинки (хотя это будет не совсем точно, но это лучше, чем вообще никак). Такие маленькие, что невозможно просто так рассмотреть одну такую пылинку. Всё вещество, всё что мы видим, всё что можем потрогать - совершенно всё состоит из этих частиц. Земля состоит из них, воздух из них, Солнце из них, человек из них.
Люди всегда хотели разобраться, как весь мир устроен. Из чего он состоит. Вот у нас есть горстка песка. Очевидно, что песок состоит из песчинок. А из чего состоит песчинка? Песчинка - это прочно слипшийся комочек, очень маленький камешек. Оказалось, что песчинку можно разделить на части. А если эти части ещё раз разделить на более мелкие части? А потом ещё раз? Можно ли, в конце-концов, найти что-такое, что уже нельзя будет разделить?
Люди, действительно, обнаружили, что в конечном счёте всё состоит из "пылинок", которые уже нельзя просто так разделить. Эти пылинки назвали "молекулами". Есть молекула воды, есть молекула кварца (кстати, песок, в основном, состоит из кварца), есть молекула соли (той, которую мы едим) и очень много разных других молекул.
Если же попытаться разделить, например, молекулу воды на части, то окажется, что составляющие части ведут себя уже совсем не как вода. Люди назвали эти части "атомами". Оказалось, что вода всегда разделяется на 3 атома. При этом 1 атом - это кислород, а другие 2 атома - это водород (их в воде 2 штуки). Если соединить любой атом кислорода с любыми 2 атомами водорода - опять будет вода.
При этом из кислорода и водорода можно кроме воды сделать и другие молекулы. Например, 2 атома кислорода легко соединяются друг с другом в такой "двойной кислород" (называется "молекула кислорода"). Такого кислорода очень много в нашем воздухе, мы им дышим, он нам нужен для жизни.
То есть оказалось, что у молекул есть "части", которые должны работать вместе, чтобы получился нужный результат. Это, например, как игрушечная машинка. У машинки, допустим, должна быть кабина и 4 колеса. Только когда они все вместе собраны - это машинка. Если же чего-то не хватает, то это уже не машинка. Если же вместо колёс поставить гусеницы - то будет вообще не машина, а танк (ну почти). Так и с молекулами. Чтобы была вода, она обязательно должна состоять из 1 кислорода и 2 водорода. Но по отдельности - это не вода.
Когда люди поняли, что все молекулы состоят из разного набора атомов, это людей обрадовало. Поизучав атомы, люди увидели, что в природе существует всего лишь около 100 разных атомов. То есть, люди узнали что-то новое о мире. Что всё-всё, что мы видим - это всего лишь 100 разных атомов. Но из-за того, что они соединены по разному, получается огромное разнообразие молекул (миллионы, миллиарды и даже больше разных молекул).
А что дальше?
Можно ли взять и разделить какой-нибудь атом? Теми средствами, которые существовали в средневековье, разделить атом было невозможно. Поэтому какое-то время считалось, что атом разделить нельзя. Считалась, что "атомы" - это самые маленькие частицы, из которых состоит весь мир.
Однако, в итоге, атом разделить удалось. И обнаружилось (самое чудесное), что с атомами та же ситуация. Оказалось, что все 100 (их немного больше 100, на самом деле) разных атомов распадаются на всего лишь 3 разных вида частиц. Всего 3! Оказалось, что все атомы - это набор из "протонов", "нейтронов" и "электронов", которые соединены в атоме определённым образом. Разное количество этих частиц, будучи соединёнными вместе, дают разные атомы.
Есть чему радоваться: человечество докопалось до понимания, что всё-всё многообразие мира - это всего лишь 3 элементарные частицы.
А можно ли разделить какую-нибудь элементарную частицу? Например, можно ли разделить протон? Сейчас считается, что частицы (например, протон) тоже состоят из частей, которые назвали "кварки". Но, насколько я знаю, до сих пор ни разу не удалось отделить "кварк" от частицы, чтобы "посмотреть", что же это такое, когда оно находится отдельно, само по себе (а не в составе частицы). Похоже, что кварки не могут (или же очень не хотят) существовать иначе, кроме как внутри частицы.
Так что на данный момент протон, нейтрон и электрон - это самые маленькие части нашего мира, которые могут существовать отдельно, и из которых всё состоит. Это действительно, впечатляет.
Правда, радость длилась не очень долго. Потому что оказалось, что кроме протона, нейтрона и электрона существует множество других разновидностей частиц. Однако, в природе они почти никогда не встречаются. Не замечено, чтобы что-то большое в природе было построено из иных частиц, нежели чем протон, нейтрон и электрон. Но известно, что эти другие частицы можно получить искусственно, если несколько частиц разогнать до умопомрачительных скоростей (около миллиарда километров в час) и стукнуть ими по другим частицам.
Об устройстве атома.
Теперь можно немножко поговорить об атоме и его частицах (протонах, нейтронах, электронах).
Чем отличаются разные частицы? Протон и нейтрон - тяжёлые. А электрон - лёгкий. Конечно, поскольку все частицы очень маленькие - они все очень лёгкие. Но электрон, если не ошибаюсь, в тысячу раз легче, чем протон или нейтрон. А протон и нейтрон зато очень похожи по массе. Почти точь в точь (с чего бы? может быть, это не случайно?).
Протоны и нейтроны в атоме всегда соединяются вместе и образуют этакий "шарик", который называют "ядром". А вот электронов в ядре никогда не бывает. Вместо этого электроны вращаются вокруг ядра. Для наглядности часто говорят, что электроны вращаются вокруг ядра "как планеты вокруг Солнца". На самом деле, это не совсем так. Это примерно настолько же правда, насколько детский мультик похож на реальную жизнь. Вроде бы почти одинаково, но в реальности всё гораздо сложнее и непонятнее. В общем, 5-класснику полезно будет представить что электроны "летают вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца". А потом где-нибудь в 7-9 классе можно будет прочитать про чудеса квантового микро-мира. Там ещё более чудесные чудеса, чем в Алисе в Стране Чудес. В том смысле, что там (на уровне атомов) всё происходит не так, как мы привыкли.
Также несколько электронов можно отделить от атома без очень уж больших усилий. Тогда получится атом без нескольких электронов. Эти электроны (их тогда называют "свободные электроны") будут летать сами по себе. Кстати, если взять много свободных электронов - получится электричество, с помощью которого в 21-м веке работает почти всё классное :).
Итак, протоны и нейтроны - тяжёлые. Электрон - лёгкий. Протоны и нейтроны - в ядре. Электроны - крутятся вокруг или же летают где-то сами по себе (обычно, немного полетав, они прицепляются к другим атомам).
А чем протон отличается от нейтрона? В целом они очень похожи, за исключением одной важной штуки. Протон имеет зяряд. А нейтрон - не имеет. Электрон, кстати, тоже имеет заряд, но другого типа...
А что такое "заряд"? Ну... Я думаю, что на этом вопросе нам лучше остановиться, потому что нужно же где-то остановиться.
Если ты захочешь узнать подробности, пиши, я отвечу. А пока что, я думаю, и этой информации на первый раз очень много.
великолепный ответ, большое спасибо.
с удовольствием прочел бы и про заряд.
Написал про заряд, но пока что получилось слишком много текста и текст пока не совсем закончен. Нужно будет ещё поработать над текстом.
Текста, в итоге, всё равно много и я не знаю, стоит ли уменьшать объём текста.
Причём, текст этот намного более научный. Тот, кто сумел осилить первую часть про элементарные частицы и не потерял интерес к физике, я надеюсь, сумеет осилить и этот текст.
Я разделю текст на множество частей, так его будет проще читать.
Итак, про заряд.
В ходе внимательного изучения разных вариантов взаимодействия между разными предметами (включая и элементарные частицы) выяснилось, что всего существует 3 типа взаимодействия. Их назвали: 1) гравитационное, 2) электромагнитное и 3) ядерное.
Давайте для начала поговорим немного о гравитации. Люди много лет наблюдали в телескоп за движением планет и комет в Солнечной системе. Из этих наблюдений Ньютон (легендарный физик прошлых веков) сделал вывод, что все объекты в Солнечной системе притягивают друг-друга на расстоянии, и вывел знаменитый "закон всемирного тяготения".
Этот закон можно записать в таком виде: "Для любых 2 объектов можно посчитать силу их взаимного притяжения. Для этого нужно массу одного объекта умножить на массу другого объекта, затем получившийся результат нужно два раза поделить на расстояние между ними".
Можно записать этот закон в виде уравнения:
масса1 * масса2 : расстояние : расстояние = сила
В этом уравнении значок * (значок звёздочки) обозначает умножение, значок : обозначает деление, "масса1" - это масса одного тела, "масса2" - масса второго тела, "расстояние" - это расстояние между этими двумя телами, "сила" - это сила, с которой они будут притягиваться друг к другу.
(Я предполагаю, что пятиклассники не знают, что такое "возведение в квадрат", поэтому я заменил квадрат расстояния на то, что будет понятно пятикласснику.)
Что интересного видно в этом уравнении? Например, то, что сила притяжения сильно зависит от расстояния между объектами. Чем больше расстояние - тем слабее сила. В этом легко убедиться. Например, посмотрим на такой пример: масса1 = 10, масса2 = 10, расстояние = 5. Тогда сила будет равна 10 * 10 : 5 : 5 = 100 : 5 : 5 = 20 : 5 = 4. Если же при тех же массах расстояние = 10, то сила будет равна 10 * 10 : 10 : 10 = 1. Мы видим, что когда расстояние увеличилось (с 5 до 10), сила притяжения уменьшилась (с 4 до 1).
Что такое "масса"?
Мы знаем, что всё в мире состоит из элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов). И эти элементарные частицы являются носителями массы. Электрон, правда, имеет совсем маленькую массу по сравнению с протоном и нейтроном, но масса у электрона всё равно есть. А вот у протона и нейтрона масса вполне заметная. Почему Земля имеет большую массу (600000000000000000000 килограмм), а я - маленькую (65 килограмм)? Ответ очень прост. Потому что Земля состоит из очень-очень большого количества протонов и нейтронов. Кстати, поэтому и незаметно, что я что-то к себе притягиваю - слишком маленькая масса. Но вообще-то я притягиваю. Только очень-очень-очень слабо.
Итак, люди обнаружили, что масса существует даже у элементарных частиц. И масса позволяет частицам притягивать друг-друга на расстоянии. Но что такое масса? Как она работает? Как нередко (и даже очень часто) бывает в науке, эта загадка до конца не разгадана. Пока что мы знаем только то, что масса находится "внутри частиц". И знаем, что масса остаётся неизменной до тех пор, пока сама частица остаётся неизменной. То есть, у всех протонов одинаковая масса. У всех нейтронов - одинаковая. И у всех электронов - одинаковая. При этом у протона и электрона они очень похожи (хотя и не точно-точно равны), а у электрона масса намного меньше. И не бывает такого, чтобы, например, нейтрон имел массу как у электрона или наоборот.
Об электромагнитном взаимодействии.
И о зарядах. Наконец-то.
Внимательные наблюдения показали, что одного только закона всемирного тяготения недостаточно для объяснения некоторых взаимодействий. Должно быть что-то ещё. Вот взять даже обычный магнит (точнее 2 магнита). Во-первых, нетрудно заметить, что небольшой магнит массой, допустим, в 1 килограмм, притягивает другой магнит гораздо-гораздо сильнее, чем я. Если верить закону всемирного тяготения, то мои 65 килограмм должны притягивать магнит в 65 раз сильнее - но нет. Магнит совсем не хочет ко мне притягиваться. А вот к другому магниту - хочет. Как это объяснить?
Другой вопрос. Почему магнит притягивает к себе только некоторые предметы (например, железки, а также другие магниты), а остальные - не замечает?
И ещё. Почему магнит притягивает другой магнит только с определённой стороны? И, самое удивительное, что если подставить магнит противоположной стороной, то окажется, что 2 магнита вовсе не притягиваются, а наоборот - отталкиваются. При этом легко заметить, что они отталкиваются с той же силой, с какой они до этого притягивались.
Закон всемирного тяготения говорит только о притягивании, но ничего не знает об отталкивании. Значит, должно быть что-то ещё. Что-то, что в одних случаях предметы притягивает, а в других - отталкивает.
Вот эту силу назвали "электромагнитным взаимодействием". Для электромагнитного взаимодействия тоже есть свой закон (называется "закон Кулона", в честь Шарля Кулона, который открыл этот закон). Очень интересно то, что общий вид этого закона почти точно такой же, как и у закона всемирного тяготения, только вместо "масса1" и "масса2" там "заряд1" и "заряд2".
заряд1 * заряд2 : расстояние : расстояние = сила
"заряд1" - это заряд первого объекта, "заряд2" - заряд второго объекта.
А что такое "заряд"? Говоря по правде, никто этого не знает. Также как никто точно не знает, что такое "масса".
Загадочные заряды.
Пытаясь разобраться, люди дошли до элементарных частиц. И обнаружили, что у нейтрона есть только масса. То есть, нейтрон участвует в гравитационном взаимодействии. А в электромагнитном взаимодействии он не участвует. То есть, заряд нейтрона равен нулю. Если взять закон Кулона и подставить ноль вместо одного из зарядов, то сила будет тоже равна нулю (нет силы). Так и ведёт себя нейтрон. Нет электромагнитной силы.
У электрона масса очень слабая, поэтому в гравитационном взаимодействии он участвует очень мало. Зато электрон сильно отталкивает (отталкивает!) другие электроны. Это потому что у него есть заряд.
У протона есть и масса и заряд. И протон тоже отталкивает другие протоны. Если есть масса - значит, он притягивает к себе все частицы. Но одновременно с этим протон отталкивает другие протоны. Причём электромагнитная сила отталкивания гораздо сильнее, чем гравитационная сила притяжения. Поэтому отдельные протоны будут улетать друг от друга прочь.
Но это ещё не вся история. Электромагнитная сила может не только отталкивать, но и притягивать. Протон притягивает электрон, а электрон притягивает протон. При этом можно провести эксперимент и обнаружить, что сила притягивания между протоном и электроном равна силе отталкивания между двумя протонами и также равна силе отталкивания между двумя электронами.
Из этого мы можем сделать вывод, что заряд протона равен заряду электрона. Но по какой-то причине 2 протона друг-друга отталкивают, а протон и электрон - притягиваются. Как это может быть?
Разгадка зарядов.
Разгадка, оказывается, в том, что масса-то у всех частиц всегда больше нуля. А вот заряд может быть и больше нуля (протон) и равен нулю (нейтрон) и меньше нуля (электрон). Хотя, по правде говоря, можно было бы назначить так, что, наоборот, у электрона заряд больше нуля, а у протона - меньше нуля. Это было неважно. Важно то, что у протона и у электрона заряды противоположны.
Давайте для примера измерять заряды в "протонах" (то есть, 1 протон имеет силу заряда, равную 1). И определим силу, взаимодействия между двумя протонами на каком-нибудь расстоянии (будем считать, что расстояние = 1). Подставляем числа в формулу и получаем 1 * 1 : 1 : 1 = 1. Теперь давайте измерим силу взаимодействия между электроном и протоном. Мы знаем, что заряд электрона равен заряду протона, но имеет противоположный знак. Раз у нас заряд протона равен 1, то заряд электрона должен быть равен -1. Подставляем. -1 * 1 : 1 : 1 = -1. Мы получили -1. Что означает знак "минус"? Он означает, что силу взаимодействия нужно изменить в противоположную сторону. То есть, сила отталкивания стала силой притягивания!
Подводим итоги.
Между 3 наиболее распространёнными элементарными частицами существуют заметные различия.
Нейтрон имеет только массу, а заряда не имеет.
Протон имеет и массу и заряд. При этом заряд протона считается положительным.
Электрон имеет маленькую массу (примерно в 1000 раз меньше, чем у протона и нейтрона). Но имеет заряд. При этом заряд равен заряду протона, только с противоположным знаком (если считать, что у протона "плюс", значит у электрона - "минус").
При этом обычный атом ничего не притягивает и не отталкивает. Почему? Это уже просто. Представим какой-нибудь обычный атом (например, атом кислорода) и один свободный электрон, который летает рядом с атомом. Атом кислорода состоит из 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Вопрос. Должен ли этот свободный электрон притягиваться к атому или же он должен отталкиваться? У нейтронов заряда нет, поэтому их мы пока проигнорируем. Электромагнитная сила между 8 протонами и 1 электроном равна 8 * (-1) : 1 : 1 = -8. А электромагнитная сила между 8 электронами в атоме и 1 свободным электронам равна -8 * (-1) : 1 : 1 = 8.
Получается, что сила действия 8 протонов на свободный электрон равна -8, а сила действия электронов равна +8. В сумме это получается 0. То есть, силы равны. Ничего не происходит. В итоге говорят, что атом "электрически нейтрален". То есть, он не притягивает и не отталкивает.
Конечно, остаётся ещё сила гравитации. Но у электрона масса очень мала, поэтому гравитационное взаимодействие с атомом очень мало.
Заряженные атомы.
Мы помним, что приложив немного усилий, мы можем оторвать более далёкие от ядра электроны. В этом случае у атома кислорода будет, например, 8 протонов, 8 нейтронов и 6 электронов (2 мы оторвали). Атомы, в которых недостаёт (или, наоборот, слишком много) электронов, называются "ионы". Если мы сделаем 2 таких атома кислорода (убрав по 2 электрона из каждого атома), они будут друг-друга отталкивать. Подставим в закон Кулона: (8 - 6) * (8 - 6) : 1 : 1 = 4. Мы видим, что получившееся число больше нуля, значит ионы будут отталкиваться.
А что будет, если мы возьмём 2 электрона из одного атома кислорода и перенесём электроны в другой атом кислорода? Подставляем: (8 - 6) * (8 - 10) : 1 : 1 = 2 * (-2) : 1 : 1 = -4. Мы видим, что получилось число меньше нуля. Значит, ионы будут притягиваться друг к другу.
Именно так и существует молекула, состоящая из двух атомов кислорода: два атома удерживаются друг с другом за счёт переноса электронов от одного атома к другому.
Осталось ещё много интересных вопросов.
Например, почему электроны не падают на ядро атома? Вот, например, ядро кислорода имеет положительный заряд (+8), значит, все электроны, летающие вокруг ядра, должны притягиваться к ядру (они ведь имеют отрицательный заряд). Но они спокойно летают вокруг ядра и на ядро не падают.
В "ответе пятикласснику" непросто отвечать на многие такие вопросы. Честно говоря, иногда мне пришлось упрощать некоторые вещи, чуть-чуть недоговаривать или чуть-чуть говорить неправильно. Потому что для полного изучения и понимания физики элементарных частиц нужны многие годы и огромное количество книжных страниц. Только немногие учёные могут сказать, что они хорошо это понимают.
Поэтому давай пока для простоты я отвечу, что электроны не падают на ядро, примерно по той же причине, по которой планеты не падают на Солнце. На самом деле это не слишком похоже на правду. Но мы помним об Алисе в Стране Чудес и чудесах в мире элементарных частиц.
Итак. Мы поговорили о гравитационном и об электромагнитном взаимодействии. А как же ядерное? А ядерное взаимодействие - это то, благодаря чему протоны не разлетаются друг от друга, когда находятся в ядре. Их держит сила ядерного взаимодействия. При этом эта сила заметна только на очень-очень-очень близких расстояниях. Поэтому она работает только внутри атомного ядра.
огромное вам спасибо, очень познавательно и популярно. надеюсь этот вопрос попадёт в топ и ваш эи ответы увидит много людей. или можно создать пост на каком-нибудь развлекательном портале, думаю, многим будет интересно.
Александр, вы ошиблись в том ,что сказали -"молекула соли" , ведь соль имеет ионную связь , а молекула - это соединение ,обладающее ковалентной связью. Это все равно, что пользоваться на банкете после официального приема не той вилкой. А так, объяснение довольно простое даже для дошкольников
На данный момент мне не нравится ваше определение термина "молекула". Почему ионная связь приводит к тому, что это не называется молекулой? Какой термин можно использовать вместо "молекула", если нам не важен характер связи, а важно рассмотреть одну элементарную единицу вещества, которая обладает химическими свойствами этого вещества? Я другого термина, кроме "молекула", не знаю.
Вот определение из Википедии : Моле́кула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles — масса) — электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных ковалентными связямиатомов.
Мне 27 и только после прочтения этой статьи многое стало понятно. Возможно, если бы моя учительница по химии объясняла так же, как Вы, я любила бы химию в свое время. Благодарю за такой развернутый ответ! :))))