Лев Шильник - Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Впрочем, в позапрошлом веке подавляющее большинство ученых уже не сомневалось в корпускулярном строении вещества. К концу XIX столетия, когда Джозеф Джон Томсон из Тринити-колледжа в Кембридже открыл электрон, стало понятно, что атом имеет сложную внутреннюю структуру и не является элементарным кирпичиком мироздания. Но каким образом электроны и протоны (нейтрон был открыт только в 1932 году Джеймсом Чэдвиком) располагаются в атоме друг относительно друга, было совершенно не ясно. Скажем, лорд Кельвин считал атом сферическим образованием, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд, а внутри сферы в статическом равновесии находятся отрицательно заряженные электроны. Но уже буквально через несколько лет Резерфорд не оставил от этой модели камня на камне.
Опыт английского физика был сравнительно прост. Он обстреливал тончайшую золотую фольгу пучком альфа-частиц, летящих со скоростью 20 тысяч километров в секунду. Альфа-излучение – это массивные положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми нуклидами в процессе радиоактивного распада. Резерфорда занимал вопрос, насколько сильно отклонятся частицы, пройдя через золотую фольгу. Картинка получилась весьма любопытная. Как и следовало ожидать, большая часть альфа-частиц пробила фольгу навылет, практически не отклонившись или отклонившись на незначительный угол в 2–3 градуса. Но некоторые частицы отклонялись гораздо заметнее – на 90 градусов и больше, а отдельные немногие и вовсе отскакивали назад, как отлетает от стены брошенный мяч. Складывалось впечатление, что атомы тончайшей пленки могут быть серьезным препятствием на пути стремительно летящих массивных альфа-частиц. Это казалось совершенно невероятным: с таким же успехом можно было предположить, что лист ватмана способен остановить винтовочную пулю.
И тут Резерфорда вдруг осенило. Он воспользовался примером, что называется, из другой оперы – представил, как ведет себя комета в окрестностях Солнца. Попав в мощное гравитационное поле нашего светила, она может сильно изменить траекторию полета, сделать, например, виток и удалиться от Солнца в самом неожиданном направлении. С другой стороны, гравитационное взаимодействие между объектами микромира настолько мало, что его вряд ли имеет смысл принимать во внимание. Тогда, быть может, внутри атома действуют какие-то другие силы, например электромагнитные? Альфа-частица действительно заряжена положительно, но вот беда: сам-то атом электрически нейтрален! А что если внутриатомный заряд распределен неравномерно? Ведь комета тоже взаимодействует не со всей солнечной системой, а только с ее центральным звеном – Солнцем. И Резерфорд догадался, что непротиворечиво объяснить результат эксперимента можно только одним-единственным способом. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вокруг ядра вращаются, как планеты вокруг Солнца. Причем атомное ядро много меньше атома в целом (как и Солнце значительно меньше Солнечной системы), хотя почти вся масса атома сосредоточена как раз в атомном ядре. Поэтому те альфа-частицы, которые пролетели вдали от ядра, почти не подверглись его влиянию, а вот частицы, захваченные ядром, отклонились очень сильно. А поскольку атом за исключением ядра практически пуст, количество ощутимо отклонившихся частиц было весьма незначительным.
Сегодня мы знаем, что размер атома составляет в среднем 10-8см, а размер атомного ядра – 10-13см. Разница на пять порядков, то есть в 100 тысяч раз! Заряды протона и электрона противоположны по знаку и равны в абсолютном выражении, а вот масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. В электрически нейтральном атоме число протонов соответствует числу электронов, но протоны собраны в исчезающе малом объеме (а ведь там еще есть нейтроны, превосходящие электроны по массе примерно на ту же самую величину), в то время как электроны распределены по всему атому. Таким образом, положительный заряд и почти вся масса атома предельно сконцентрированы, а отрицательный заряд распылен, «размазан» по всему пространству крохотной «солнечной системы».
Разумеется, планетарная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, не осталась неизменной до сегодняшнего дня. Первые серьезные поправки в нее внесли еще Нильс Бор и Вольфганг Паули, и с течением времени атом стал все меньше и меньше напоминать Солнечную систему. Во второй половине прошлого века выяснилось, что нуклоны атомного ядра (современная физика считает, что протон и нейтрон – это два зарядовых состояния одной и той же частицы – нуклона) вовсе не исходные кирпичи мироздания, а построены в свою очередь из особых субъядерных частиц – кварков. Этот термин придумал Мюррей Гелл-Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, позаимствовавший звонкое словечко у Джеймса Джойса, автора заумной вещи «Поминки по Финнегану». В 1969 году за исследование кварков он был удостоен Нобелевской премии.
Как мы видим, от Солнечной системы почти ничего не осталось. И хотя сегодня нам прекрасно известно, что реальный электрон совсем не похож на планету, а если его и можно с чем-то сравнить, то скорее с неким размытым облаком, обладающим сложными свойствами, это ничуть не умаляет ценности предложенной Резерфордом модели. Не подлежит сомнению, что сам английский ученый в полной мере отдавал себе отчет в приблизительности собственной аналогии, хотя не имел понятия ни о принципе неопределенности Гейзенберга, ни тем более о кварках Гелл-Манна.
Тем не менее модель Резерфорда сразу же столкнулась с серьезными трудностями. Поскольку электрон пребывает в постоянном движении, то он, по сути дела, представляет собой движущийся электрический заряд, который непрерывно растрачивает энергию, ибо движущийся заряд обязан излучать. Следовательно, через очень короткое время обессилевший электрон, бездарно разбазаривший свой золотой запас, должен по суживающейся спирали обрушиться на ядро. Другими словами, атом Резерфорда предельно нестабилен, он обязан погибнуть в считанные доли секунды. Выход из этого неприятного положения нашел великий датчанин Нильс Бор, один из создателей квантовой механики.
Однако сначала как следует разберемся со строением атома. В простейшем случае атомное ядро состоит из одного-единственного протона. Так устроен, например, атом водорода: положительно заряженный протон в центре и несущий отрицательный заряд электрон, расположенный на орбите вокруг протона. В целом атом водорода электрически нейтрален, так как плюс на минус в итоге дает нуль (напоминаем, что хотя электрон и протон различаются по массе в 1836 раз, их заряды по величине равны). Итак, структуру атома простого водорода (протия) можно изобразить графически следующим образом: ]Н. Единица внизу слева от химического символа водорода (Н) обозначает атомный номер элемента, который соответствует числу протонов в ядре (а поскольку атом электрически нейтрален, электронов на орбитах ровно столько же, сколько протонов). Единица вверху слева – это массовое число, отражающее количество нуклонов в ядре (то есть протоны плюс нейтроны). В случае обычного водорода, протия, нейтронов в ядре нет, поэтому атомный номер и массовое число равны между собой.
Если добавить в ядро обычного водорода нейтрон, мы получим его изотоп – дейтерий, или тяжелый водород. Тогда его формула будет выглядеть так: 1 1H. Атомный номер по-прежнему равен единице, ибо количество протонов в ядре не изменилось, а вот массовое число выросло вдвое, поскольку к протону добавился не имеющий заряда нейтрон. У водорода есть еще один изотоп – тритий, формула которого запишется следующим образом: 3 1H. Легко видеть, что в ядре трития содержатся 2 нейтрона и 1 протон (массовое число равно трем), а вот атомный номер опять же не изменился, так как протон все еще пребывает в гордом одиночестве. И протий, и дейтерий, и тритий химически совершенно идентичны и представляют собой один и тот же элемент – водород, потому что химические свойства элементов связаны с валентными электронами, а их количество во всех трех случаях совершенно одинаково (число протонов равно числу электронов).
Итак, химические элементы, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа, называются изотопами. Или еще проще: изотопы – это ядра атомов, различающиеся числом нейтронов, но содержащие одинаковое количество протонов. Все три ипостаси водорода – протий, дейтерий и тритий – будут занимать одну и ту же ячейку в Периодической системе элементов. А теперь попытаемся применить полученные знания на практике. Как известно, природный уран состоит из смеси трех изотопов – уран-238, уран-235 и уран-234, причем на долю урана-238 приходится более 99 %. Вот его формула: 238 92U. Атомный номер урана-238 выражается числом 92, следовательно, в его ядре содержится 92 протона, а вот суммарное количество протонов и нейтронов равняется 238. Чтобы узнать, сколько в ядре урана-238 имеется нейтронов, нужно вычесть из большего числа меньшее: 238 минус 92 равно 146. Итак, нейтронов в ядре урана почти вдвое больше, чем протонов. То же самое относится и к двум другим его изотопам, только количество нейтронов в их ядрах будет немного меньше. Все три изотопа природного урана занимают одну и ту же клетку Периодической системы элементов и содержат 92 протона (их атомный номер один и тот же). Такие перегруженные нейтронами ядра весьма нестабильны и способны самопроизвольно распадаться. Это явление называется радиоактивным распадом и сопровождается генерацией жесткого излучения (различные варианты радиоактивного распада мы разбирать не станем). Между прочим, ядро трития, в отличие от дейтерия и обычного водорода, тоже нестабильно, потому что имеет избыток нейтронов.
