Впечатляющий вид одного моля электронов

В начале изучения химии мы узнали, что атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Мы также обсудили невероятно большое число Авогадро — 6,022 ∙ 10²³. Хотя отдельные атомы и молекулы невидимы невооружённым глазом, один моль атомов или молекул легко обнаружить. Поскольку субатомные частицы ещё меньше атомов и также невидимы, вы, возможно, никогда не ожидали увидеть отдельные электроны. Однако давайте рассмотрим возможность увидеть фарадей заряда. Фарадей заряда содержит число Авогадро электронов. Будет ли эта коллекция из 6,022 ∙ 10²³ электронов видимой? Если да, то как она может выглядеть? Это было бы весьма впечатляюще!

На протяжении 1980-х годов учёные тщательно изучали данные, собранные во время 5 миллионов молний на востоке США. Данные были собраны с помощью 36 приборов, которые вместе известны как Национальная сеть обнаружения молний. Исследователи обнаружили, что электрические токи в молниях над северной Флоридой составляли около 45 000 ампер, что примерно вдвое больше, чем токи в 25 000 ампер в молниях над штатами Новой Англии. Это исследование показало, что величина тока во время молний обратно пропорциональна широте (расстоянию от экватора) места грозы.

Энергия молнии. Средний удар молнии длится около 0,2 секунды, но за это время выделяется до 1 миллиарда джоулей энергии — этого хватит, чтобы питать лампочку мощностью 100 Вт в течение 3 месяцев! Температура в канале молнии достигает 30 000 °C — в 5 раз горячее поверхности Солнца.

Один кулон — это количество заряда, проходящего через точку, когда ток в один ампер течёт в течение одной секунды (1 кулон = 1 ампер ∙ секунда). Таким образом, ток в 96 500 ампер, текущий в течение одной секунды, содержит число Авогадро электронов, или один фарадей заряда.

Кем был Майкл Фарадей? Единица заряда «фарадей» названа в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867), который внёс фундаментальный вклад в изучение электромагнетизма. Именно он открыл законы электролиза, связавшие заряд и количество вещества.

Измерения, проведённые в северной Флориде, показывают, что типичный двухсекундный удар молнии в этом регионе переносит примерно число Авогадро электронов между облаками и землёй. Таким образом, для жителей северной Флориды впечатляющий мысленный образ одного моля электронов можно получить, представив двухсекундный удар молнии. Помните, что средний удар молнии длится лишь доли секунды, и мы можем представить двухсекундный удар молнии только путём экстраполяции того, что видим в природе. Поскольку молнии в Новой Англии производят только около половины тока молний в северной Флориде, жителям Новой Англии нужно представить четырёхсекундный удар молнии.