Реферат: Бодх Атомная физика и всё такое

Бодх


Атомная физика и всё такое.


Атом

Что такое «модель»

Исторический срез

Электричество и электроны

Планетарная модель атома

Атом водорода

Атом – это пустое место

Нейтрон

Общая схема атома – самая грубая

Гелий и гелион. Массовое число атома. Атомное число

Нуклеосинтез

Какие элементы нам уже знакомы

Атомная масса и атомное число

Еще немного о массе энергии и энергии массы

Другие химические элементы

Несколько слов об «элементах»

Их так много, может они на самом деле «один и тот же»?

Электронвольты и ангстремы

^ Энергия

Вес и масса. И Луна

Астрономическое отступление: происхождение Луны и интересов.

Периодичность свойств и постепенность увеличения атомного ядра

Электроположительность и электроотрицательность

^ Химические связи. Валентность и ковалентность

Совместное владение электронами

Электронные оболочки

«Липкие молекулы». Водородная связь.

Силы Ван-дер-Ваальса

Потенциальная яма

Сильное взаимодействие

Сантиметры, граммы и секунды. И джоули. И прочее

Прочность ядер

Дополнительные сведения

Изотопы водорода. Дейтерий, протий и тритий

Ядерные реакции

Термоядерный синтез

Метастабильное состояние

Нейтронная звезда

Плазма

Камера Уилсона

Исключение из правил

Период полураспада

Радиоуглеродный метод

Медленные нейтроны

Отступление… из физики!

Измерение массы заряженных частиц

Магнетизм

Масс-спектрограф

Островки стабильности – земля Санникова

История Земли Санникова

Ядерные задачки

Волны

Интерференция электронов

Еще о медузах, слонах и звуках

Как измерили заряд электрона

Супер-сверх-мега-отступление

Универсальный принцип дополнительности

Химическая основа жизни

Поляризация

Спектр. Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи

Рентгеновские лучи

Радиоактивность

Отдельное «спасибо» от Дарвина

Фотоэффект. Кванты

Модель атома Бора

Квантование

Спектральный анализ

Кентавры

Матричная механика

Радар и диктатура пролетариата

Туннельный эффект

Желания радостные и механические

Неизменная изменчивость

Мезоны

Мезоновый зоопарк

Барионы и адроны. Барионный заряд

Мюоны. Космические лучи. Чудесные атомы будущего

^ Природа электрического поля

Античастицы. Аннигиляция

Взаимодействие с пустотой. Очередная нелепость?

Вероятность. Экспонента

Магнетар

Цепная реакция

Солнечный ветер. Гелиосфера

Линейный оператор. Эксперимент в математике

Множества

Физика и удовольствие от геологии

Кинетическая энергия: mv или mv2 ?


Список клёвых книг


* * *


Сложная ли наука – физика? А тем более – атомная физика?

Если преследовать цель стать профессионалом, защитить докторскую и стать академиком то да – это сложно. Но любой профессионализм достигается долгим трудом. Но всем ли это надо? Скорее – очень немногим, кто решил именно зарабатывать себе на жизнь этим трудом. Но ведь науке можно найти и другое применение, а именно – получение удовольствия. И тогда любую науку можно сделать простой.

Я ставлю перед собой такую задачу – чтобы в процессе чтения моей книги любой человек, даже совершенно не знакомый с физикой, смог бы получать удовольствие от получения ясности. Я уверен, что можно так изложить материал, что читатель сможет очень ясно и точно представлять себе атомный мир, то есть получить глубокие и интересные знания на качественном уровне. Это означает, что ты будешь глубоко и ясно понимать – как там все устроено, но тебе потребуется дополнительное образование, если ты захочешь еще и заниматься вычислениями.

Настоящее удовольствие, настоящее творчество возможно только тогда, когда есть полная ясность. В процессе обучения в университетах люди никогда не добиваются ясности – они стремятся поскорее зазубрить и сдать экзамен и забыть. От этого не бывает удовольствия, а только отравление. Так что если ты ничего не знаешь о физике – порадуйся этому – у тебя есть возможность получить удовольствие. Мы начнем с самого простого, и будем постепенно усложнять и усложнять материал, при этом моя цель – сделать так, чтобы изложение всегда было легко понятным.

Нет никакой спешки. Никто тебя не гонит прочесть эту книгу за год или полгода или месяц – в общем ее можно читать хоть всю жизнь по параграфу в месяц, если именно такой темп приносит тебе наибольшее удовольствие. Удовольствие – главная цель. Удовольствие от ясности, от изумления от того – как устроен мир, от чувства тайны, красоты.

В книге я буду иногда прибегать к использованию идей и образов, взятых из других книг, популяризирующих физику, поскольку такие образы сами по себе не являются объектом авторской собственности.

Обычно физику начинают преподавать с механики, оптики, электричества, гидродинамики и так далее, и уже в самом конце приходят к атомной физике. Я не знаю – кто это придумал, и почему с тех пор все так и делают, но я считаю это очень неудачным. Я вряд ли окажусь исключением из правил, если скажу, что мне почти совсем неинтересна механика, гидростатика и прочее, в то время как атомная физика сразу же вводит изучающего в мир очень интересных явлений. Поэтому я хочу начать именно с атомной физикой, а уже потом – по желанию, ты можешь изучать и другие отрасли физики.


Один из первых читателей написал мне: «когда я читаю твою книгу, возникает легкость, хочется узнавать дальше. Удивительно, что у меня «ниоткуда» возникает интерес, а ведь я был совершенно уверен в том, что физика мне никогда не может быть интересна. А сегодня я проснулся с предвкушением и радостной мыслью о том, что «сегодня буду этим заниматься».

Да, таково свойство человека: ясность всегда приводит к появлению ярких интересов. Поэтому школьное и институтское образование – это без преувеличения убийство, полная кастрация интересов человека, ведь когда человек учится в школе и институте, в условиях этой бесконечной гонки независимо ни от чего и в соответствии с «учебным планом», по этим ужасающе серым и запутанным учебникам, ему вообще почти никогда и почти ничего не ясно, а что такое человек без ясности и без интересов? Это человек без интересной жизни, потенциальный мракобес, садист и мазохист, у которого деструктивные стремления многократно перевешивают созидательные и творческие инстинкты.

Вот если бы ВСЕ учебники сделать интересными! Да, я понимаю, что все-таки не каждому человеку так интересна физика, чтобы он прочел мою книгу от корки до корки, но ведь такие же живые и предельно понятные книги можно написать и по биологии клетки, органической и неорганической химии, геологии, материаловедению, ботанике, зоологии, анатомии… представь себе – перед тобой шкаф. Одна полка – сплошь тома физики, причем ты знаешь – если ты откроешь самую первую книгу, то будет так интересно и так понятно, что тебе трудно будет оторваться и не прочесть все 30-40 книг одну за другой. А на соседней полке – геология, а еще ниже – история, а там - археология… и везде – предельно понятно, интересно, захватывающе, информация выстраивается и запоминается легко, курсы во многом перекликаются, картина мира складывается в удивительной полноте и красоте, у тебя постоянно рождаются идеи, ты бросаешься их развивать и записывать, и если тебе надо углубить свои знания – ты открываешь специальную книгу по интересующей тебя теме, и понимаешь ее легко и быстро, ведь у тебя есть главное – глубокое понимание, которое с легкостью проникает в частности. Ну разве это не привлекательно? Я уверен, что рано или поздно я или сам сделаю все это, или с помощью тех, кто захочет поучаствовать в этом проекте, но рано или поздно эта часть новой культуры будет построена, и мир людей, стремящихся к озаренным восприятиям, станет еще богаче, светлее, радостнее.

Интерес и ясность – мощные озаренные восприятия (ОзВ), которые сильно резонируют с большим количеством других ОзВ и радостных желаний. Моя цель - построение новой культуры людей, стремящихся к ОзВ, прочь от тупости и негативных эмоций, я бы даже сказал – эволюция Homo sapiens в Человека Озаренного, и создание курсов наук будет одним из кирпичиков нового мира.


Читая тот или иной параграф, у тебя могут возникнуть вопросы по тем темам, которые упоминаются во время изложения. И это вполне естественно – ведь я не могу излагать сразу все вопросы одновременно. Я вынужден каких-то вопросов касаться кратко и неполно, возвращаясь к ним позже. Я предлагаю тебе делать так: не тормозиться на этом месте, если сама тема параграфа тебе понятна, выписывать возникающие попутные вопросы, и затем постепенно вычеркивать те из них, на которые ты получишь ответ в процессе последующего чтения. Если какие-то вопросы остаются неясными – пиши мне на bodh@yandex.ru - и я постараюсь внести в книгу дополнительные разъяснения. Также ты можешь искать ответы на эти вопросы в других источниках, ведь сколько бы вопросов у тебя не возникло, найти на них ответы и понять эти ответы тебе будет намного легче после чтения моей книги.


Не забывай пользоваться поиском по тексту – например в программе Word это сочетание кнопок «Ctrl+F».


Атом


Атом – это минимальная порция химического элемента, которая несет в себе его химические и физические свойства. Если мы возьмем кусок любого элемента – скажем, натрия (порядковый номер 11-й в таблице Менделеева – легко запомнить, если представить две боковые вертикальные палочки в букве «N» как единички), то мы можем дробить его на все более и более мелкие кусочки, растирать в пыль, потом дробить на еще более мелкие кусочки, и все они – даже самый наимельчайший – будут обладать химическими и физическими свойствами натрия, то есть вступать в одни и те же химические реакции с другими веществами, иметь одну и ту же температуру кипения и плавления и так далее. Продолжая дробить кусочки, мы, наконец, рано или поздно доберемся до атома натрия.

(Каждый элемент имеет свое собственное буквенное обозначение. Натрий обозначается латинскими буквами «Na»).

Если каким-то образом нам удастся раздробить атом натрия, тогда получившиеся кусочки уже будут иметь химические и физические свойства других элементов – это уже не будет натрий.


^ Что такое «модель»


Для начала мы введем самое простое описание того, как выглядит атом – это описание называется «модель атома». Необходимо ясно понимать, что «атом» и «модель атома» - это принципиально разные вещи. Если не понимать этой разницы, то ты никогда не сможешь глубоко понимать физику, поэтому необходимо разобраться с этим с самого начала.

Никто не может уменьшиться до размера атома и посмотреть на него своими глазами – как он устроен. Атом слишком, слишком маленький. Например, человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. Еще можно представить себе размеры атома из такого сравнения: если яблоко увеличить до размеров Земли, то атом стал бы как раз размером с яблоко.

Так как атомы такие маленькие, то и доказали их существование не так давно. Только в 1911 году новозеландец, работавший в Кембридже, Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома, о которой речь будет ниже. Сейчас уровень наших технологий таков, что в туннельный микроскоп мы можем увидеть отдельный атом, но по некоторым причинам, которые станут ясны позднее, мы не можем даже с помощью очень-очень мощного микроскопа рассмотреть атом так же ясно, как свой волос или бактерию. Поэтому на самом деле никто не знает – что же на самом деле из себя представляет атом. Тем не менее, мы можем изучать поведение атомов, даже не зная в точности - как они устроены. Мы можем сталкивать их друг с другом, можем сталкивать их с другими частицами, можем их нагревать, разгонять до высоких скоростей, помещать в разные электрические и магнитные поля и так далее. То есть мы можем кое-что делать с атомами и смотреть – как они при этом себя ведут. И на основании анализа этого поведения мы можем представлять себе – как именно устроены атомы, то есть создавать модели их устройства, воображаемые схемы.

Моделей атома можно придумать сколько угодно – можно вообразить себе, что они представляют собой что-то вроде солнечной системы, или бублик, или пудинг, или велосипед – что угодно. Но разные модели будут по-разному сочетаться с наблюдениями. Например, физик Томсон на заре исследований атомов предложил модель, в которой атом представляет собой нечто вроде пудинга, где вместо теста – равномерно размазанная положительно заряженная материя без каких-либо плотных и тяжелых комков, а в ней – что-то вроде мелких и легчайших изюминок отрицательно заряженных частиц. И в течение нескольких лет эта модель считалась вполне приемлемой. Но эксперименты, поставленные Резерфордом, выявили, что эта модель не может объяснить наблюдаемые эффекты, и именно поэтому Резерфорд придумал новую модель – планетарную, которая все объясняла очень хорошо.

С тех пор прошло много лет, были проведены сотни тысяч, миллионы опытов, в которых подтвердилось, что планетарная модель атома очень хорошо объясняет наблюдаемые эффекты. Конечно, эту модель пришлось усложнить и дополнить, развить, но общая ее схема осталась неизменной – представляя себе атом наподобие солнца с планетами, мы можем объяснить наблюдаемые явления. Поэтому мы считаем эту модель верной, или, во всяком случае, наиболее верной из всего того, что мы придумали, и все-таки это не значит, что атом и на самом деле такой, каким мы его себе представляем.


^ Исторический срез.


Каждый раз, когда в каком-либо тексте я встречаю фразу типа «это было в одна тысяча таком-то году, когда Резерфорд открыл…», я испытываю настойчивое желание пропустить ее, даже не пытаясь запомнить – в каком же там году это было. Просто я никогда не запоминаю эти даты, и, как мне кажется, никто не запоминает. И вот, когда я начал писать эту книгу, я с ужасом почувствовал, что, словно сомнамбула, начинаю писать… ту же самую фразу в первых же параграфах! Что же будет дальше?

Занеся мышь над несчастной датой, я приготовился ее уничтожить, но вдруг понял, что мне самому довольно интересно знать, что именно в 1911-м году Резерфорд предложил планетарную модель атома. Правда, этот интерес не имеет отношения к физике. Просто я представляю – что еще происходило в мире в том году, и испытываю некоторое наслаждение от этого. Мне нравится сопоставлять исторические события, происходившие примерно в одно и то же время – вот такой специфический «исторический секс». Ясный ход мысли, безупречные выводы, блестящие догадки, изящные решения – всё это приносит нам «интеллектуальное наслаждение», которое, я надеюсь, ты иногда испытываешь, и, надеюсь, испытаешь и при чтении этой книги. Ну так вот есть еще и историческое наслаждение. И чтобы поделиться возможностью его испытать, я коротко напомню несколько событий того самого – 1911 года:

*) в США основана корпорация IBM

*) убит Пётр Столыпин – премьер-министр России с 1906 года. Великий реформатор, произнесший слова, которые до сих пор не услышаны власть предержащими: «Вам нужны великие потрясения - нам нужна Великая Россия». Он же автор фразы: «Дайте государству двадцать лет покоя, внутреннего и внешнего, и вы не узнаете нынешней России». Ну что ж - прошло сто лет, а Россию мы по-прежнему узнаём…

Кстати об атомах: Менделеев принимал у Столыпина экзамен по химии и поставил ему пятерку!

*) получила Нобелевскую премию Мария Склодовская-Кюри - «За выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента». Мы еще встретимся на страницах этой книги и с Марией, и с радием.


^ Электричество и электроны


Для того, чтобы понимать дальнейшее, необходимо сказать хотя бы пару слов об электричестве, не вдаваясь в детали. Давно было замечено (это сделал еще Фалес Милетский в шестом веке до нашей эры), что если потереть шерстью янтарь, то к нему начинают прилипать мелкие бумажки и прочий мусор. А еще можно потереть шерстью стеклянную палочку. Если взять натертые таким образом стеклянную и янтарную палочки, то мы заметим, что две янтарные палочки отталкиваются друг от друга, и две стеклянные палочки тоже отталкиваются друг от друга, а если взять янтарную (или – что более доступно – эбонитовую) и стеклянную палочки, они будут притягиваться.

Та сила, которая проявляется при натирании эбонита или стекла или янтаря и т.д. шерстяной тряпочкой, и была названа «электрической» силой. Термин «электричество» ввел ученый Уильям Джилберт в 1600-м году.

При поднесении мелкой бумажки к натертой палочке – даже не вплотную, а на расстоянии, возникает сила, которая притягивает бумажку. Отсюда естественно вытекает предположение, что пространство вокруг палочки чем-то наполнено – чем-то таким, что и оказывает влияние на клочок бумаги. И чем сильнее мы натираем палочку, тем интенсивнее возникающая сила, то есть пространство вокруг палочки становится более наполнено «этим самым». То, что возникает вокруг этих палочек – то, что в любой тоске окружающего пространства действует на электрически заряженные объекты, и назвали «электрическим полем», поскольку результатом существования «этого» является электрическая сила. Поскольку при сближении двух эбонитовых палочек они отталкиваются, а при сближении эбонитовой и стеклянной палочек они притягиваются друг к другу, то значит существует два типа поля. «Янтарное поле» условно назвали положительным (или «плюсом»), а «стеклянное» - отрицательным. Можно было назвать и наоборот – это совершенно все равно, это лишь способ отличать одно от другого.

Ты можешь прямо сейчас потереть свою пластмассовую расческу от волосы, и обнаружить, что теперь и расческа и волосы притягивают мелкие кусочки бумаги – вот ты и стала творцом электричества!

В XVIII веке Стивен Грэй обнаружил, что металлы способны проводить электричество, потом исследования продолжались, и наконец в 1897 году Томсон открыл электрон. В его статье, напечатанной в октябрьском номере физического журнала «Философикл мэгэзин» за 1897 год, впервые в науке утверждается, что электричество – это движение электронов – микрочастиц, несущих отрицательный заряд.

Термин «электрический заряд», или просто «заряд», и обозначает способность вещества создавать вокруг себя электрическое поле. Если потереть палочку сильнее, электрическое поле тоже станет сильнее, поскольку увеличится сила, притягивающая кусочки бумаги. Если потереть слабее – электрическое поле уменьшится. Впоследствии было обнаружено, что существует частица, которая имеет минимальный электрический заряд, то есть частица, которая создает предельно минимальное электрическое поле – меньше быть не может. Такая частица называется «электрон».

Необходимо ясно понять: «электрическое поле» НЕ состоит из электронов. Электрон - это частица, которая заряжена отрицательно. Мы говорим, что «вокруг электрона есть электрическое поле» - эта фраза означает то и только то, что в любой точке пространства вокруг электрона на любую другую заряженную частицу будет действовать сила электрического притяжения или отталкивания со стороны электрона.

Несколько лет назад я написал книгу про озаренные восприятия и про способы их достижения, а также о негативных эмоциях и том – как сделать так, чтобы перестать их испытывать. Нашлись люди, которые говорили примерно следующее: «посмотрите, он написал целую книгу об эмоциях и мыслях и ощущениях, но так и не потрудился дать им определение! Значит все это чушь». В качестве образца для подражания эти люди приводили… физику, мол вот – смотри – наука, в которой все определено. Я пытался объяснить: невозможно определить ни эмоцию, ни мысль, ни ощущение, ни желание, ни акт различения, потому что «определить» - это свести к уже известному, к уже определенному. А эти понятия – первичны, они ни к чему не сводятся. Но эта мысль с трудом находит себе дорогу в умах тех, кто настроен любой ценой разбить учение, которое им не нравится. И снова следовали ссылки – мол смотри, ведь в физике… Наверное это будет нелегко представить, и тем не менее в физике все в точности то же самое (как и в математике). Такие понятия, как длина, время, масса, электрический заряд и многие другие НЕВОЗМОЖНО определить, потому что эти понятия первичны и ни к чему другому, более простому, не сводятся. Поэтому определить эмоцию можно, указав на те явления, которые ей сопутствуют. То же самое – с электрическим зарядом. Мы указываем на некий круг явлений и говорим, что то, что является их причиной, мы назовем «зарядом».


Планетарная модель атома.


История создания планетарной модели атома интересна, и я хочу ее описать. Дело происходило в лаборатории Резерфорда, который исследовал альфа-частицы (сейчас не важно – что это такое, просто пока будем считать, что это очень высокоэнергичные мелкие частицы, которые возникают, например, при радиоактивном распаде урана – они вылетают со скоростью 10 тысяч километров в секунду!! В будущем мы узнаем, что «альфа-частица» - это ядро гелия, то есть «комок», состоящий из двух протонов и двух нейтронов). Согласно имеющейся на тот момент теории, альфа-частица должна была легко пролетать через тонкие слои материи. Ученику Резерфорда – Марсдену – было поручено провести, тем не менее, контрольный опыт. Поток альфа-частиц направлялся на тонкую золотую пластинку (фольгу). Атомы золота, согласно «пудинговой теории», должны были представлять собой области равномерно распределенного положительного электрического заряда, в который вкраплены мельчайшие электроны. Позади золотой фольги был размещен люминесцентный экран, в котором вспыхивало то место, куда попадала альфа-частица.

Производя опыт, Марсден был изумлен тем, что получавшийся результат никак не мог согласовываться с «пудинговой» моделью, в которой нет плотных и массивных комков заряженной материи, так как несмотря на то, что большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу, словно не замечая ее – в полном соответствии с предсказаниями, изредка получалось так что они отклонялись от своего пути, причем иногда – очень сильно, порой даже на 150 градусов, то есть чуть ли не поворачивали обратно! Это было удивительно, ведь масса альфа-частицы намного выше массы электрона – примерно в 8000 раз! И даже если бы они столкнулись между собой, альфа-частица отклонилась бы совсем ненамного.

По словам Резерфорда, такой результат опыта был так же поразителен, как если бы вы стреляли из пушки по папиросной бумаге, и некоторые ядра отражались бы и улетали назад.

^ Ссылка: схема опыта Резерфорда


Стало ясно, что атом – не пудинг. Эксперимент стали видоизменять – например фольгу золота взяли потолще – и количество сильно отклоненных альфа-частиц пропорционально возросло (пропорционально – значит равномерно увеличиваясь, скажем взяли толщину пластины в два раза больше, и число сильно отклоненных альфа-частиц увеличилось вдвое). Значит – дело тут не в каком-то эффекте, связанном с поверхностью фольги. Затем эксперимент изменили так: между фольгой и источником альфа-частиц поставили экран, в котором сделали очень узкую щель, через которую альфа-частицы и летели очень узко-направленным потоком в направлении фольги. И все они благополучно пролетали сквозь фольгу – ни одна частица не отклонялась. Затем щель в экране стали делать шире, соответственно альфа-частицы начинали лететь на фольгу всё более широким потоком, и тут-то начинались эти странные сильные отклонения – теперь уже не все альфа-частицы благополучно пролетали через фольгу той же самой толщины – некоторые стали сильно отклоняться.

Марсден так и не смог придумать – что же все это означает, а Резерфорду сразу стало ясно, что альфа-частица должна натыкаться на какое-то очень массивное тело внутри атома, раз она отклоняется так сильно. То есть – в атоме есть какая-то массивная часть, и эту часть Резерфорд назвал ядром (nucleus), использовав по аналогии термин, принятый в биологии и обозначающий центральную часть живой клетки. Более того – альфа-частица не просто натыкается и отползает в сторону, а отлетает назад с огромной энергией, а это означает, что здесь не обошлось без электрического отталкивания. Альфа-частица имеет положительный заряд, отсюда и возникает гипотеза о том, что ядро атома состоит из положительно заряженных частиц.

Мы знаем, что атом в своем обычном состоянии электрически нейтрален. Это мы знаем наверняка, ведь если бы атомы были заряженными, то и составленные из них тела – тоже, а мы знаем, что ни книга, ни калькулятор не притягиваются друг к другу и не отталкиваются друг от друга, и если их разломать на мельчайшие, сверх-супер-мельчайшие кусочки, то и они не начнут притягиваться или отталкиваться. То есть атом в целом не обладает ни положительным, ни отрицательным зарядом.

А если все положительные заряды атома находятся в самом его центре, то где остается место для отрицательно заряженных электронов? Резерфорд, вспомнив устройство Солнечной системы, предложил гипотезу о том, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра.

Отныне модель атома Томсона ушла в историю. Резерфорд предложил более достоверную и принципиально новую ядерную модель в виде системы, в центре которой расположена маленькая массивная часть – ядро, а вокруг нее, как бы по орбитам, вращаются легкие электроны.

Интересно, что пересечения с биологией на этом не закончились. Дело в том, что один из сотрудников Резерфорда был… Чарлз Дарвин! Ну, конечно, не тот, который создал теорию происхождения видов с помощью естественного отбора, а его внук. Чарлз Дарвин писал: «Я считаю одним из величайших событий своей жизни то, что произошло в моем присутствии спустя полчаса после «рождения» ядра. Это было во время воскресного ужина в манчестерской квартире Резерфорда. Я помню, как он говорил нам, что наблюдаемое большое рассеяние альфа-частиц показывает на существование в атоме необычайно могучих сил».

Не забывай, что это лишь модель атома. Мы предполагаем, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра. На самом деле они не вращаются в полном смысле этого слова, все намного сложнее и намного интереснее, но планетарная модель объясняет так много физических явлений, и позволяет делать так много точных предсказаний и расчетов, что может считаться совершенно правильной в некотором грубом приближении.


^ Атом водорода.


Атом водорода (обозначается латинской буквой «H» и имеет порядковый номер 1 в таблице Менделеева) – самый простой из всех. Он имеет лишь один электрон. Электрический заряд электрона условно будем считать равным «-1». Это означает, что заряд электрона мы просто приняли условно за минимальную единицу измерения электрического заряда – это очень удобно для исследования атома, но если мы будем измерять величину электрического заряда потертой шерстью янтаря, то конечно такие единицы измерения будут неудобны, так как нам придется оперировать с огромными числами – с миллиардами миллиардов, поэтому для макрообъектов (т.е. больших) берутся одни единицы измерения, а для микро – другие. Всегда легко перейти от одной единицы к другой с помощью коэффициента перерасчета.

Итак, если в атоме водорода один электрон, значит ядро атома водорода имеет заряд «+1», потому что атом в целом электрически нейтрален, то есть сумма отрицательных электрических зарядов должна равняться сумме положительных.

Частица, из которой состоит ядро атома водорода, называется «протон», то есть протон – это и есть ядро атома водорода. И значит модель атома водорода состоит из одного протона с зарядом «+1» и одного вращающегося вокруг него электрона с зарядом «-1». В будущем для простоты изложения я вместо фразы «модель атома состоит из…» буду просто говорить «атом состоит из…», но не забывай разницу между моделью и реальным атомом.

Масса протона в 1836 раз больше массы электрона.


^ Атом – это пустое место.


Интересно, что если атом увеличить до размера футбольного поля, тогда электроны буду бегать где-то за трибунами, а ядро будет представлять собой апельсин, лежащий в центре поля. То есть вещество, которое кажется нам таким плотным, на самое деле представляет собой почти что совершенно пустое место! Почему же мы этого не чувствуем?

Наши тела тоже состоят из атомов. Как нам уже известно, одноименные электрические заряды отталкиваются, и когда атомы, находящиеся на кончике моего пальца, приближаются к атомам поверхности стола, то «апельсины»-ядра не могут пройти мимо друг друга, потому что все атомы имеют кружащиеся вокруг них электроны, которые и отталкиваются друг от друга. Плотно сцепленные между собой атомы пальца и атомы стола окружены, как щитом, вращающимися вокруг ядер электронами, и эти щиты, заряженные отрицательно, отталкивают друг друга и не дают пальцу проникнуть сквозь стол. Но если бы каким-то чудом электроны вплотную приблизились бы к ядрам, а ядра при этом остались бы на своих местах (то есть каждый апельсин остался бы в центре своего стадиона, а размер стадиона остался бы прежним), то за счет того, что ядра атомов расположены так редко в веществе, мы проходили бы сквозь стены, не замечая их. Правда, ты не смог бы даже дойти до стены, так как в буквальном смысле слова провалился бы сквозь землю, ведь мы не проваливаемся за счет тех же самых электронных оболочек. Так что будем надеяться, что электронные оболочки наших атомов останутся на своих местах.


Нейтрон.


Все остальные химические элементы в природе состоят все из тех же протонов и электронов. Плюс – есть еще одна частица, которая, как и протон, находится в ядре. Она называется «нейтрон». Существование нейтрона открыл в 1932 году Чэдвик, хотя еще в 1920-м году Резерфорд, размышляя над некоторыми непонятными результатами опытов, пришел к выводу, что в ядре атома должна существовать, кроме протона, еще и нейтральная частица. Таким образом, за полтора десятка лет до открытия нейтрона Резерфорд предсказал ее существование. Такого рода удачные предсказания, строящиеся на основании некоторой модели, укрепляют ее, поскольку это означает, что эта модель действительно очень точно описывает то, что существует на самом деле.

(Как в биологии есть общее название для определенных морских морд – «рыбы», так и в физике есть общее название для протонов и нейтронов – «нуклоны», то есть и протон является нуклоном, и нейтрон).

Физики любят такие эксперименты – взять что-нибудь и столкнуть с чем-нибудь еще. Можно столкнуть камень с водой – возникнут волны, камень начнет погружаться в глубину. Можно столкнуть кусок льда с водой – лед начнет плавать. Можно «столкнуть» свет с куском исландского шпата и наблюдать двойное лучепреломление. В каждом таком опыте можно начинать объяснять наблюдаемые явления, исходя из имеющихся представлений об устройстве материи, а если не получается – можно попробовать создать гипотезу, то есть такое объяснение, которое опирается на какую-то неизвестную ранее закономерность, или на какое-то новое устройство материи, не известное раньше.

В данном случае, в 1930-м году физики Ботэ и Бекер взяли химический элемент полоний. Полоний радиоактивен, то есть сам по себе постоянно испускает альфа-частицы (почему возникает радиоактивность ты узнаешь позже). Такие материалы очень удобны для исследований, потому что являются удобным источником альфа-частиц, которыми можно обстреливать что угодно и смотреть – что из этого получается. Вот и они обстреливали куски других химических элементов – бериллия и лития. И оказалось, что когда альфа-частицы ударяют в бериллий и литий, при столкновении возникают другие частицы с очень высокой энергией. Среди известных частиц и излучений ничто не подходило. Многочисленные расчеты, проводимые Чэдвиком, привели его к выводу, что такими свойствами, которые обнаруживают эти высокоэнергичные частицы, должны обладать некоторые еще неизвестные науке частицы, которые выглядят в точности как протон, но лишенный электрического заряда. Назвали эти частицы нейтронами, от слова «нейтральный». (На самом деле масса нейтрона совсем ненамного – на 0,14% - больше массы протона).


^ Общая схема атома – самая грубая.


Итак, теперь можно сформулировать общее положение, на котором мы и будем изучать атом дальше – самая грубая схема, которую мы начнем постепенно уточнять и усложнять: атомы всех без исключения химических элементов состоят из тяжелых, положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них легких, отрицательно заряженных электронов.

Количество протонов равно количеству электронов, так что атом в целом электрически нейтрален. Если по какой-то причине выбить из атома один электрон, то атом станет положительно заряженным с зарядом «+1», и поэтому он при первой же возможности притянет и захватит свободно блуждающий электрон и снова станет электрически нейтральным. При этом вещество останется тем же, что и было, то есть если из атома золота выбить один или несколько электронов, то мы получим положительно заряженный атом того же самого золота – во всех химических и физических реакциях такой атом будет проявлять себя как обычное золото. То же самое произойдет, если атом захватит лишний электрон – такое тоже бывает. Мы все равно получим атом золота, но он будет иметь заряд «-1».

Атом, в котором либо не хватает одного или нескольких электронов, или есть избыточный один или несколько электронов, называется «ион». Например, если в ядре пять протонов и их совокупный заряд равен «+5», и если в том же атоме есть шесть электронов, и их совокупный заряд равен «-6», то общий заряд атома равен сумме зарядов: «+5» + «-6» = «-1». Атом, в котором электронов на один больше, чем протонов, имеет заряд «-1», а тот, в котором электронов на 1 меньше, чем протонов, имеет заряд «+1». Такие атомы еще называются «ионизированными». Если же имеется разница в два электрона, говорят, что атом «дважды ионизирован». Слово «ионизированный» нередко используют и в обобщенном смысле, то есть им обозначают такой атом, в котором есть неравное число протонов и электронов.

Запись «Au+2» обозначает, что перед нами – ион золота, который потерял два электрона и в итоге имеет положительный заряд «+2». Аналогично используются записи типа «Ni-1» и т.п.)

По-другому обстоит дело, если мы изменим количество протонов в ядре. Это приведет к тому, что химическое вещество станет другим. Если мы возьмем атом ртути и вынем из него один протон, то получившийся атом будет настоящим, полноценным, совершенно реальным золотом независимо от того, останется в нем на какое-то время лишний теперь электрон или нет.

В специальном ускорителе можно облучать платину протонами, то есть посылать на атомы платины летящие протоны. Если протон будет лететь слишком медленно, он отразится от положительно заряженного ядра. Если слишком быстро – он или пролетит мимо, или отразится от ядра и улетит дальше или даже разобьет ядро на части. Но если точно подобрать его скорость, то протон преодолеет сопротивление протонов в ядре, подлетит к ядру и останется там, будучи схваченный слабым взаимодействием, которое действует только на очень коротком расстоянии. И вот тогда платина превратится в золото. С другой стороны, если взять ртуть и достаточно быстрой и энергичной частицей выбить из состава ядра один протон, то ртуть превратится в золото.

Интересно, что древние алхимики именно из ртути пытались получить золото. Как они догадались, что именно ртуть подходит для этого больше всего, так как в атоме ртути 80 протонов, а в атоме золота – 79? Для меня это загадка. На самом деле, если бы мы пытались освоить промышленное получение золота таким путем, то больше подошел бы свинец – у него в ядре 82 протона, и выбить надо целых три, чтобы получить золото, зато он очень дешевый и распростране