Атом и пустота. Занимательный курс физики для тех, кто ничего не понял в школе

Кто это придумал?!

Философы на все лады твердят об атомах начиная с Демокрита, который, между прочим, жил 2500 лет назад. Однако философские атомы носили принципиальный характер, иначе говоря, были воображаемыми, как и большинство вещей, о которых философы увлеченно рассуждали. Реальных способов добраться до атомов, чтобы измерить их и пощупать, ни один философ никогда не предлагал. Да и, пожалуй, не мог. Естественная наука всерьез занялась атомами только в XIX в. Возьмем химиков. Часами зависая над колбами, они все больше убеждались в том, что химические элементы обладают всеми свойствами атомов — то есть являются ”неделимыми и нерушимыми”. Споров и шуму по этому поводу было много, но победил, как водится, эксперимент. Было доказано, что некоторые вещества расщепить невозможно категорически, хоть ты тресни, поэтому в 1860 г. химики собрались на съезд в немецкий городок с поэтическим названием Карлсруй и коллегиально постановили, что ”атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ”. Физики тоже не отставали. Они углядели проявления атомов в хорошо знакомом всем пассажирам метро явлении броуновского движения. Дело было так. Впервые беспорядочное движение взвеси частиц в жидкости Роберт Броун обнаружил в 1828 г. Рассматривая в микроскоп сок растений, содержащий пыльцу, ученый муж (ботаник, а не физик) заметил хаотичное движение частиц, которое нельзя было объяснить ни потоками в жидкости, ни случайной встряской. При этом наблюдалась закономерность: чем меньше были частицы, тем интенсивнее они перемещались в жидкости. Броун сильно изумился, все аккуратно записал, но объяснить происходящее не смог (говорим же — ботаник, что с него возьмешь?). Однако в 70-х гг. XIX века физики наконец-то смекнули, что к чему. Оказывается, мельчайшие частицы двигаются, потому что испытывают соударения отдельных молекул жидкости! Если частицы велики, то число соударений огромно и с каждой стороны примерно одинаково, поэтому движение незаметно, но, чем меньше частица, тем больше вероятность, что с какой-то стороны она получит больше толчков и начнет двигаться в этом направлении. Это было реально круто, и физики очень обрадовались. Но не успокоились.

И все-таки они вертятся

Исследования броуновского движения со временем становились все точнее и изощреннее. В 1908 г. французский физик Жак Батист Перрен смог провести настолько тонкие микроскопические наблюдения над взвесью частиц гуммигута (смолистый сок тропического растения, к слову — сильное слабительное) в газах, что по ним можно было сделать выводы о массе атомов. Перрен вычислил массы молекул кислорода и водорода и по этим цифрам установил число молекул в грамме вещества. Получилось, что масса атома водорода равна 1,6·10-24 г, а в одном грамме водорода содержится 6·1023 атомов. Напрасно ухмыляетесь, за эти вычисления в 1926 г. Перрен был удостоен Нобелевской премии. А это уже не шуточки.

И светятся!

Еще атомами занимались исследователи электричества. Именно они обнаружили в веществах частицу, переносящую электрический заряд (”электрон”). Все началось еще в середине XIX в., когда было открыто прекрасно знакомое нам явление — свечение газоразрядных трубок, да-да, тех самых, которые сейчас освещают нам все, что не освещено лампами накаливания или мерцанием компьютерного монитора. Работает это так: если из стеклянной трубки откачать почти весь воздух, создав достаточное разряжение, а затем подключить к одному концу пластинку с подведенным плюсовым зарядом, а к другому — с минусовым (катод), то поверхность катода будет испускать лучи, заставляющие различные вещества светиться. Нормальный человек получил бы скоренько патент на такое дивное изобретение и поехал бы с блондинкой на острова! Но не физики, нет. Они провели над беззащитными газоразрядными трубками множество зверских экспериментов и пришли к выводу, что катодные лучи представляют собой вовсе не лучи, а поток отрицательно заряженных частиц, которые назвали "электронами". Раз эти частицы отрицательно заряжены, смекнули физики, значит, на них можно влиять с помощью магнитного поля. Больше всех преуспел английский физик Джозеф Томсон. В 1897 г., отклоняя лучи в магнитном поле, он смог вычислить скорость электронов, отношение заряда электрона к его массе и отношение массы электрона к массе атома водорода. Скорость электронов впечатляла: она исчислялась десятками километров в секунду и зависела от напряжения в трубке — чем больше напряжение, тем быстрее электроны. Масса частицы оказалась куда более скромной — в 1840 раз меньше атома водорода, самого легкого. В 1906 г., спустя 9 лет после открытия, Томсон получил за него Нобелевскую премию. Так что быть физиком определенно почетное и выгодное занятие.

И делятся!

Однако, несмотря на вал открытий, в ХХ в. наука вошла с довольно смутными представлениями о строении атома. С одной стороны, имелись неделимые, нерушимые и относительно тяжелые атомы химических элементов, с другой — ученые постоянно натыкались в этих неделимых и нерушимых на какие-то электроны, и как это все сосуществует, никто не знал. В общем, теория вещества и так дышала на ладан, а тут еще и супруги Кюри подкинули проблем: в 1898 г. молодые открыли радий. Способность урана излучать непонятно что к этому времени была прекрасно известна и довольно широко исследовалась, так что простой ра-диоактивностью Кюри сумели бы удивить разве что трубочиста. Но открытый ими радий обладал особыми свойствами. Во-первых, он был в миллион раз радиоактивнее урана. (Кстати, первый лучевой ожог был получен именно радием. Физик Антуан Беккерель, всего полдня потаскав в кармане пробирку с граммом хлористого радия, через две недели обнаружил, что на груди, напротив кармана, у него развилась сильная кожная язва, которую с трудом удалось залечить.) Во-вторых, радий излучал заметное количество тепловой энергии. Энергии было не очень много — если перевести в мощность, то получится меньше 0,2 Вт с 1 гр радия. Но в радии поражало то, что он излучал постоянно, в любых условиях, и с самим образцом при этом ничего не происходило. На какое-то время ученые даже с тоской подумывали о том, а не вечный ли это двигатель. А они-то ржали над доморощенными изобретателями! В-третьих, радий производил некий радиоактивный газ (его впоследствии назвали радоном), новое вещество, которого раньше не существовало. Расхлебывать эту радиоактивную кашу взялись английские физики Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. Для начала они исследовали радон. И доказали, что это именно газ, что он радиоактивен и что свойство радиоактивности радона ослабевает с течением времени. Следовательно, излучения радия и урана — не вечные источники энергии, они тоже могут быть исчерпаны, только очень медленно. Хитроумные технические способы заставлять уран отдавать энергию быстрее — это уже заслуга атомной энергетики. Затем Резерфорд взялся за само излучение и выяснил, что оно состоит из трех частей. Сейчас их называют альфа-, бета- и гамма-излучения. Бета-излучение — это хорошо известный физикам поток электронов, который отклоняется в магнитном поле, частицы альфа-излучения тяжелы, заряжены положительно и плохо отклоняются в магнитном поле, а гамма-лучи вообще на магнитное поле не реагируют, зато обладают способностью проникать через все предметы, кроме толстого слоя металла, желательно свинца. Ученые заключили, что радиоактивность — это распад атомов радия на атом радона и альфа-частицу, которое сопровождается ”брызгами” бета- и гамма-излучения. Затем, тщательно изолировав альфа-частицы, они выяснили, что это не что иное, как атом гелия (точнее, ядро атома гелия, но тогда ядерной модели еще не существовало). Так философской мечте о вечном и неделимом атоме пришел конец.

И квантятся!

Началась эра атомной физики. Ра-диоактивные излучения и распад изучались вдоль и поперек. Были вычислены периоды полураспада урана — 4,5 миллиарда лет и радия — 1600 лет, но хорошей модели атома все еще не было. Модель Томсона, предложенная в 1903 г., рисовала атом как ”заполненный электричеством шар” с электроном внутри. Гипотеза продержалась до опытов Резерфорда, научившегося бомбардировать атомы потоком альфа-частиц и фиксировать результаты этой бомбардировки. Из опытов стало видно, что некоторые — правда, очень немногие частицы — отклоняются от траектории на большой угол. Очевидно, они встречают перед собой препятствие, очень маленькое (потому что в него попадает мало частиц), но очень твердое. В 1911 г. Резерфорд предложил ядерную модель атома, согласно которой в атоме имеется небольшое относительно размеров атома положительно заряженное ядро. У модели Резерфорда была серьезная проблема — электрон. Куда деть электрон? Отрицательно заряженный, он должен притягиваться к положительно заряженному ядру, поэтому располагаться неподвижно он не может. Мысль о том, что электрон вращается вокруг атома, в целом неплоха, но у нее есть свой недочет. Движущийся с ускорением заряд излучает электромагнитные волны, поэтому крутящийся электрон должен непрерывно излучать и, теряя энергию, быстро падать на ядро. Решение предложил в 1913 г. Нильс Бор. Он запретил электрону терять энергию иначе чем квантами, то есть определенными порциями. Это позволило электрону прекрасно вращаться вокруг ядра без потерь энергии. Идее квантования энергии Макса Планка на тот момент было более десяти лет, она прекрасно проявила себя при изучении световых явлений, а теперь местечко ей нашлось и в атоме. Боровская планетарная модель атома проста и наглядна. Согласно ей электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам солнечной системы, размеренно кружащим вокруг Солнца. Именно это модель до сих пор дает ясное и понятное представление об атоме.

Как устроен атом

Атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Слово ”вращение” здесь несколько условно. Электрон нарезает вокруг ядра по 1015 оборотов в секунду и в разы больше, поэтому уместнее говорить об окутывающих ядро электронных облаках. Ядро состоит из двух видов тяжелых частиц: протонов и нейтронов. Протоны заряжены положительно, и именно числом протонов определяется, атом какого вещества перед нами. Протоны должны — по идее — отталкиваться друг от друга, потому что одноименные заряды, как все помнят, отталкиваются. Но нейтральные нейтроны как раз склеивают их вместе. Если склейка ненадежна, ядро может развалиться, после чего сила отталкивания протонов разбросает осколки с огромной скоростью. Это и происходит в радиоактивных веществах. Число нейтронов в ядре может быть различно. Атомы, различающиеся только числом нейтронов в ядре, называют изотопами. Как правило, чем больше нейтронов в ядре, тем сложнее атому оставаться стабильным, поэтому тяжелые изотопы обычно радиоактивны. Ионами называют частицы, имеющие заряд. Ионами могут стать атомы, если отдадут электроны или, наоборот, захватят лишние. За химические свойства вещества, то есть за способность атома соединяться с другими атомами, отвечают электроны. Электроны вращаются вокруг ядра как бы слоями, составляя сложную систему оболочек. Главную роль играют электроны внешнего, так называемого химического слоя. Ими атомы могут обмениваться между собой. Но отбирать электроны — не единственный способ, электрон может стать общим. Такая связь называется ковалентной, например хлор с самим собой образует двухатомную молекулу Cl2. Атом может иметь и полностью заполненный химический слой, тогда заставить его с чем-нибудь прореагировать очень тяжело. Эту группу назвали благородными газами. Несмотря на замечательно стройную и гармоничную картину, оказалось, что рассчитать по боровской планетарной модели можно только самый простой атом водорода, а уже на втором атоме она начинает сбоить. Этого стоило ожидать, ведь модель построена на двух совершенно разных принципах. Бор взял за основу классический, проверенный временем электромагнитизм и ввел в него предположения квантовой гипотезы. Такой гибрид нежизнеспособен, и даже сам автор не испытывал иллюзий насчет своей модели, рассматривая ее только как промежуточный результат на пути к чему-то большему. Это большее появилось 15 лет спустя, но рассказ об этом настоятельно требует введения в квантовую механику, а вы из этого-то текста никак не выдеретесь. Поэтому давайте лучше рассмотрим несколько примеров того, как атомная структура вещества проявляется в окружающем нас мире.

На фиг все это нужно?!

Про атомное оружие даже говорить не будем. Однако понимание того, что такое атом и как он устроен, пригодилось людям не только на войне. Давайте посмотрим, как работает метод радиоуглеродной датировки, позволяющий очень точно определять возраст биологических объектов. В основе метода лежат три факта. Во-первых, мы знаем, что в органике всегда есть углерод. Он содержитсяпочти во всех веществах, из которых строятся живые ткани. Во-вторых, кроме обычного стабильного углерода в окружающей среде есть радиоактивный изотоп углерода 14С. Он образуется в очень небольших количествах в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения и за счет перемешивания равномерно опускается вниз. В-третьих, радиоактивный углерод вступает в реакции точно так же, как и обычный, потому что отличается он только строением ядра, а не электронной оболочкой. Дело за малым. Считаем отношение радиоактивного и стабильного углерода в окружающей среде. Так как химически изотопы ведут себя одинаково, во всех живых организмах они будут находиться в такой же пропорции. Потом считаем это соотношение в исследуемом образце. Оно будет меньше, потому что радиоактивный углерод частично распался, а новый в мертвых тканях накопиться не мог. Много математики и ответ — за какое время он распался — у нас в руках. Поскольку период полураспада 14С — 5700 лет, в образцах старше 50 000 лет его остается слишком мало. Поэтому для определения геологических возрастов тот же принцип применяют к урану или рубидию, чьи периоды полураспада исчисляются миллиардами лет. А ведь есть еще и медицина. Помните лучевой ожог Беккереля? На собственной шкуре узнав силу радия, физик рассказал о ней супругам Кюри, что положило начало исследованию воздействия радиации на биологические объекты. Первое время Пьер Кюри изучал его на себе. Но вскоре поделился наблюдениями с врачом Анри-Александром Данло, который приступил к медицинским исследованиям на животных. Довольно быстро удалось установить, что радий тем сильнее действует на клетки, чем они быстрее делятся. Это было очень кстати, ведь клетки раковых опухолей делятся как раз очень быстро. Связав два факта, Данло положил начало лучевой терапии, и спустя пару лет после первого в мире лучевого ожога радий нашел медицинское применение. Собственно, все. Можете положить дневник на стол и похвастать родителям, что сдали зачет по атомной физике.