Глава 4 Сила есть — ума палата!

Все вроде у нас хорошо, не правда ли? Мы познали основу основ — как устроено вещество.

Теперь, подойдя к папе, а лучше к маме, потому как папа может еще что-то помнить из института, можно устроить женщине строгий экзамен по теории вещества и уличить в полной научной беспомощности. После чего патетически воскликнуть: «И этот человек запрещает мне ковырять в носу!»

Однако остались еще некоторые тонкости, которые наверняка ускользнули от вашего внимания. И самая главная непонятка вот какая…

Мы теперь знаем, что плюсовый заряд и минусовый притягиваются, поэтому электрончик охотно тянется к протону, образуя атом. А вот одноименные заряды отталкиваются. Почему же тогда плюсовые протоны группируются вместе кучкой в центре атомного ядра?

Хороший вопрос. Умеете вы задавать трудные вопросы!

Действительно, если подумать, то ведь протоны должны разлететься друг от друга со страшной силой!

Вообще говоря, именно так и происходит. Если мы возьмем два свободных протона и начнем их осторожно подкатывать друг к другу, то нам это сделать не удастся — они не захотят даже приближаться друг к другу и будут отталкиваться с ужасной силой. И только приложив к ним еще более страшную силу и добавив немного нейтронов, мы вдруг увидим чудо — склеились!

Как же так? Почему? Что их удерживает, если силы электростатического отталкивания стремятся раскидать протоны, которые отталкиваются друг от друга, потому что положительно заряжены? Что пересиливает? Что держит?

Отвечу: ядерные силы.

Ядерные силы — это очень мощные силы, которые намертво скрепляют нуклоны в ядре.

Но силы эти очень короткодействующие. Если силы электромагнитные действуют на дальних дистанциях, то ядерные — лишь в пределах размеров атомного ядра.

То есть, прикладывая громадные усилия по противодействию электростатическому отталкиванию, нам надо сблизить нуклоны настолько, чтобы короткие, но очень мощные ручки ядерных сил схватили их и начали противостоять длинным, но тонким и относительно слабым ручкам электростатики.

Отталкивающая пружина — электрические силы. Крючки — ядерные силы

Ядерные силы — самые мощные силы в природе. Их по-другому даже так и называют — сильное взаимодействие.

Еще раз: сильное взаимодействие — это сцепление нуклонов на короткой дистанции, в пределах размеров атомного ядра.

Но даже этих мощных сил не хватило бы, чтобы удержать в ядре одни только протоны, без нейтронов. Вот вам и ответ, зачем природе понадобились нейтроны. Для склейки ядер! Поскольку у нейтронов заряда нет, а ядерные силы есть, нейтроны таким образом «разбавляют» общий положительный заряд ядра, уменьшая электростатическое отталкивание. И только потому большие ядра могут стабильно существовать.

Причем чем больше номер химического элемента, то есть чем больше в нем протонов и, стало быть, электростатического отталкивания, тем больше требуется нейтронов для разбавления. И потому чем ниже и правее расположен элемент в таблице Менделеева, чем он тяжелее, тем больше в нем нейтронов по сравнению с протонами. Если у углерода на 6 протонов приходится 6 нейтронов, то у ртути, например, на 80 протонов идет не 80, а целых 120 нейтронов.

И еще момент. Вы, разглядывая таблицу Менделеева, не задавались вопросом: а отчего в этом наборе элементарных веществ (химических элементов) всего порядка сотни наименований?

В таблице Менделеева на сегодня больше ста элементов, но самые тяжелые из них, с номером более 92 в природе не встречаются и были получены искусственно учеными в ядерных реакторах. Почему же сверхтяжелые элементы (так называют элементы тяжелее урана) не встречаются в природе?

Потому что их ядра нестойкие. Даже образовавшись, они вскоре распадаются. Они такие большущие, что их размеры превышают радиус действия короткодействующих ядерных сил. Которые уже не могут дотянуться с одного края атомного ядра до другого. И ядро разваливается, как разделяется слишком большая капля под собственным весом.

Именно поэтому в нашем мире меньше сотни элементов. Ничего, хватает, чтобы построить целый мир и озадаченно ковырять в носу, разглядывая его…

Ну, и раз уж мы заговорили о стабильности, надо упомянуть один постыдный факт из жизни нейтронов. Он заключается в следующем — в отличие от протонов и электронов свободные нейтроны нестабильны.

В ядрах атомов нейтроны прекрасно существуют. А вот оставшись в одиночестве, быстро «умирают». Время жизни свободного нейтрона всего 15 минут.

Что же с ними случается? Свободный, одинокий нейтрон распадается на протон и электрон. Нейтрон как бы выстреливает электроном, который уносится в пространство. И на месте бывшего нейтрона остается одинокий протон.

Помните, мы говорили, что нейтрон и протон имеют практически одинаковую массу? Их масса различается практически на один электрон. Иными словами, нейтрон тяжелее протона всего лишь на массу одного электрона. Нейтрон как бы состоит из протона и электрона в одном флаконе. Но именно «как бы», поскольку он является самостоятельной солидной частицей со своими свойствами, и никакого электрона «внутри» нейтрона не содержится, электрон образуется в момент распада, в результате распадной реакции.

И я вам больше скажу: в атомном ядре нейтроны и протоны постоянно превращаются друг в друга, словно перебрасываясь плюсовым зарядом. Эта перепасовка выглядит так — бросил протон нейтрону подачу и превратился в нейтрон. А нейтрон, принявший пас, стал протоном. Вот так они и живут там, внутри ядра — в постоянной паутине зарядовых перепасовок. Поэтому физики иногда говорят, что протон и нейтрон — это одна и та же частица, только в разном зарядовом состоянии. Поэтому их и объединили под общим названием — нуклон. Нормально?

Теперь сообщу вам еще одну тонкость, без которой наше погружение в микромир будет неполным. Эта тонкость столь тонка, что доставила в свое время ученым немало головной боли. Они давно обнаружили, что при распаде нейтрона образуются протон и электрон, но у них не сходился энергетический баланс. Ну, то есть до реакции распада в системе (у нейтрона) была одна энергия, а после распада — чуть меньшая: в сумме протон и электрон не давали той энергии, которую имел нейтрон. Куда-то исчезал кусочек. Таких вещей физики не любят!

У физиков самые суровые законы — это законы сохранения массы, энергии, заряда…

Сколько было чего-то до эксперимента, столько и должно остаться после опыта. Это понятно: если вы взяли вазу и ударили ее молотком, разбив на куски, то все осколки вместе будут весить столько же, сколько целая ваза. Потому что масса не может исчезнуть или взяться из ниоткуда!

То же самое с энергией — если до реакции было столько-то энергии, значит после реакции ее должно столько же и остаться. Она ведь никуда не исчезает и не берется из ниоткуда, она просто переходит в другие формы.

То же самое с зарядом. Общий заряд до эксперимента должен быть равен общему заряду после эксперимента.

С зарядом все обстояло прекрасно. Нейтрон заряда не имеет, то есть заряд у него нулевой. А после распада нейтрона получается протон с зарядом +1 и электрон с зарядом -1. Плюс один и минус один дают в сумме ноль. То есть и после реакции распада общий заряд системы остался нулевым. А вот небольшая доля энергии куда постоянно исчезала.

— Может быть, при этой реакции образуется еще одна какая-то частичка — без заряда и крайне маленькая, которую мы не умеем пока задержать? Она-то и уносит недостающую энергию, — задались вопросом ученые люди, наморщив лбы.

Так оно и оказалось. Частичку эту назвали нейтри?но. У нее нулевой электрической заряд (как у нейтрона), огромная скорость и еще одно свойство, из-за которого ее так долго не могли поймать — она почти не реагирует с веществом. Нейтрино может прошить свинцовую плиту толщиной от Земли до Солнца. Солнце излучает триллионы триллионов этих нейтрино, и кажду секунду они прошивают нас и всю Землю насквозь, а нам наплевать. Нет взаимодействия!

Зачем я вам рассказал про нейтрино? Зачем вам обращать свое драгоценное внимание на эту ничтожную частичку, если она нас совершенно не замечает, прошивая насквозь, никак не реагируя?

Я преследовал две причины. Во-первых, чтобы вы понимали — хотя учеными открыто уже довольно много всякой ерунды в микромире, типа нейтрино, но главными для нас все равно являются вот эти три частицы — электрон, протон, нейтрон. Из них сделано все вокруг нас.

А во-вторых, мы с вами уже имеем представление о двух главных силах в природе или, иначе говоря, двух основных взаимодействиях, а сейчас узнаем третье — вот как раз с помощью нейтрино.

Напомню, потому что повторенье — мать ученья, а мать надо любить:

1) есть ядерные силы, которые сцепляют протоны и нейтроны внутри ядра, сопротивляясь силам электрического отталкивания положительно заряженных протонов.

2) и есть эти самые силы электрического отталкивания и притяжения между частицами.

Вот две силы природы, которые мы уже знаем… Только я хочу вас попросить об одном одолжении. Уж уважьте старика! Давайте вместо «сила» будем говорить «взаимодействие». Я понимаю, что слово «сила» вам нравится больше, потому что оно привычнее. Но мы с вами теперь ученые люди, и нам пристали более точные слова и выражения. А мне представляется, что слово «взаимодействие» точнее и умнее. Так что вместо «ядерные силы» и «электромагнитные силы» скажем «сильное взаимодействие» и «электромагнитное взаимодействие».

Вообще все, что происходит в этом мире, все-все-все движения и явления… ну вот буквально все без исключения объясняется всего четырьмя взаимодействиями. Половину мы уже знаем.

Сильное взаимодействие сцепляет нуклоны в ядре, позволяя ядрам существовать. Без него ядер атомов просто не могло бы быть.

Второе взаимодействие — электромагнитное. Оно отвечает за притяжение разноименных зарядов и отталкивание одноименных. Плюсик отталкивается от плюсика, минус от минуса; а вот плюсик с минусиком притягиваются, словно магнитики. Поэтому минусовые электрончики охотно подлетают к положительно заряженным ядрам атомов и начинают вокруг них свое счастливое самозабвенное кружение.

Таким образом, электромагнитное взаимодействие обеспечивает нам существование уже не ядер атомов, а самих атомов в сборе. А поскольку все вокруг нас состоит из атомов, электромагнитное взаимодействие для нас является главным. Оно отвечает за все, что происходит в макромире вокруг нас. За всю химию, например, то есть за все химические реакции. Вся наука химия — это сплошное электрическое взаимодействие зарядов. Сила трения — тоже проявление электромагнитного взаимодействия. И фазовые переходы — таяние льда, испарение воды. Горение дров в печке. Работа нашего организма. Любовь к маме. Свет в окошке… Все это — проявление электромагнетизма.

Но если все вокруг нас — проявление всего двух сил, точнее, взаимодействий, то зачем нужны еще два взаимодействия? Зачем их четыре, если можно обойтись двумя?

Зададимся вопросом: а вот распад нейтрона — это какое взаимодействие? Нейтрон один-одинешенек, значит, никакие ядерные силы со стороны других нуклонов на него не действуют. И он электронейтрален — никакие электромагнитные силы на него тоже не действуют. Но он вдруг раз — и распадается. Под воздействием каких-то внутренних сил. Каких? Эти силы называют слабыми — в противовес сильным ядерным.

Слабое взаимодействие! Третье по счету. Именно оно отвечает за распад частиц. Казалось бы, пустяк. Но если бы не слабое взаимодействие, никакой жизни на нашей планете не было бы. Потому как слабое взаимодействие отвечает за те ядерные реакции, которые идут в Солнце и обеспечивают его свечение. Солнце — источник жизни на Земле. Основной поставщик энергии. Без слабого взаимодействия это было бы невозможно. Именно оно ответственно за те реакции, которые дарят нам тепло и свет.

Ну, а четвертая сила природы, четвертое и последнее взаимодействие — гравитационное. То, что мы ходим по поверхности планеты, а не улетаем в мировое пространство; то, что яблоки и прочие предметы падают на пол, а Земля крутится вокруг Солнца, подставляя ему то один, то другой бочок для обогрева и освещения, — это следствие гравитации, то есть всемирного тяготения. Без него нас бы тоже не было.

Все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Сила этого притяжения невелика, поэтому между не очень тяжелыми предметами совершенно незаметна. Вы, например, притягиваетесь к маме, но не падаете на нее, как камень на землю, потому что силы этого притяжения слишком малы. И только там, где в ход идут гигантские массы, типа массы нашей планеты, сила всемирного тяготения становится заметной и набивает шишки при падении. Земля притягивает, и это прекрасно.

Вот все четыре взаимодействия, которые существуют в природе. Больше никаких нет. И они за все происходящее в мире отвечают. Посмотрите на рисунок, там все прекрасно показано.

Теперь, узнав про это, вы стали необыкновенно умными. То ли еще будет!

Все происходящее в мире определяется четырьмя видами взаимодействий.