Атомы и ядра
В поэме «О природе вещей», упомянутой в главе 1, Лукреций описывает беспорядочное движение пылинок в солнечных лучах и утверждает, что оно вызвано столкновением атомов с пылинками. В 1857 году шотландский ботаник Роберт Броун (1773–1858) наблюдал беспорядочные перемещения частичек пыльцы в воде, в дальнейшем этот эффект получил название броуновского движения. В своей третьей работе, написанной в 1905 году, Эйнштейн вывел уравнения, из которых следовало, что на основе зубчатости траектории броуновских частиц можно доказать существование атомов и определить их размеры. В 1909 году французский физик Жан Батист Перрен использовал теорию Эйнштейна и ряд других методов, чтобы определить значение числа Авогадро, важной химической постоянной, которую для наших целей можно считать просто равной количеству атомов в одном грамме газообразного водорода. В настоящее время число Авогадро равно 6,022?1023, из чего следует, что масса атома водорода равна 1,66?10-24 г. Хотя данное значение и было получено косвенно, с этого момента только самые неисправимые упрямцы, такие как Эрнст Мах, продолжали отрицать, что материя состоит из огромного количества крохотных частиц.
В 1896 году французский физик Анри Беккерель (1852–1908) открыл ранее неизвестное излучение с высокой проникающей способностью, испускаемое атомом урана. В дальнейших лабораторных экспериментах Беккереля, Эрнеста Резерфорда, а также Пьера и Марии Кюри было найдено три типа такого излучения: ?-, ?- и ?-лучи, испускаемые различными химическими элементами.
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнст Марсден провели эксперимент, в котором бомбардировали тонкую золотую пластинку ?-частицами газа радона. Этот эксперимент показал, что при рассеянии в пластинке ?-лучи отклоняются под неожиданно большим углом. В 1911 году на основании этих наблюдений Резерфорд сделал вывод, что атом, сам по себе крошечный, состоит из еще более мелких частиц, намного меньших, чем он сам, заключающих в себе большую часть его массы. В этой модели электроны вращаются вокруг ядра атома по орбиталям, подобным орбитам планет.
В 1913 году датский физик Нильс Бор предположил, что электроны в атомах могут существовать только на определенных орбиталях. Каждая орбиталь соответствует отдельному энергетическому уровню, при этом в основном состоянии атома энергия минимальна. Если электрон в атоме переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, атом испускает фотон, энергия которого в точности равна разности между двумя энергетическими уровнями, что проявляется в виде тонкой полоски в эмиссионном спектре. Бору удалось рассчитать наблюдаемый эмиссионный спектр атома водорода. Спектр поглощения наблюдается только у тех фотонов, энергия которых равна разнице между двумя энергетическими уровнями. Итак, последняя проблема физики XIX века, которую нельзя было постичь в рамках волновой теории, была решена — узколинейчатым спектрам атомов нашли объяснение.
Теория Бора была еще очень неотшлифованной, но в значительной мере согласовывалась с экспериментальными данными. В рамках квантовой механики как в варианте Гейзенберга, так и в версии Шрёдингера электронная формула атома водорода получалась такой же, что и в расчетах Бора; предположительно ее можно было применить и для других атомов. Релятивистская квантовая теория Дирака работала еще лучше, позволяя рассчитать небольшое расщепление спектральных линий, называемое сверхтонкой структурой, которое обнаружили благодаря совершенствованию спектроскопического оборудования.
Из теории Дирака также следовало, что электрон имеет полуцелый спин (спином называется собственный момент импульса частицы). Это понятие было предложено австрийским физиком Вольфгангом Паули[10]. В 1925 году Паули изложил закон, известный теперь как принцип запрета Паули: две и более одинаковые частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Появление этого принципа позволило объяснить закономерности периодической таблицы химических элементов.
Хотя мы все еще называем химические элементы атомами, они больше не могут считаться неделимыми, если вместо низкоэнергетических химических реакций рассматривать высокоэнергетические ядерные реакции. Химические атомы — это не точечные частицы, но сложные структуры, состоящие из более простых объектов — ядер и электронов. Более того, в ходе ядерных реакций они могут превращаться друг в друга, воплощая тем самым мечту древних алхимиков.
Б 30-х годах XX века выяснилось, что ядра также состоят из более простых частиц, протонов и нейтронов, при этом нейтроны слегка тяжелее протонов и электрически нейтральны, хотя и представляют собой миниатюрные магниты, подобно протонам и электронам. Протон имеет положительный заряд. Водород — простейший элемент, состоящий из одного протона и одного электрона. Добавьте к ядру водорода нейтрон и получите тяжелый водород, или дейтерий. Добавьте еще один нейтрон и получите тритий. Добавьте к тритию еще один протон и получите гелий.
Каждый элемент периодической таблицы Менделеева определяется атомным числом Z, равным количеству протонов в ядре. Ему же равно количество электронов в электрически нейтральном атоме. Атомы с числом электронов меньше или больше числа протонов — это электрически заряженные ионы.
Изменение числа нейтронов в ядре не меняет положение атома в периодической таблице, но создает его изотоп, химические свойства которого в целом не очень отличаются от свойств исходного изотопа, но ядерные свойства могут быть совершенно иными. Стандартная формула изотопа выглядит как XA, где X — химический символ, который соответствует атомному числу Z. Число A обычно называют атомной массой, но его более точное название — нуклонное число, то есть число протонов и нейтронов в ядре (термином «нуклоны» обозначаются как протоны, так и нейтроны).
Известно три типа радиоактивного излучения: ?-лучи представляют собой поток ядер гелия, ?-лучи — поток электронов или позитронов, ?-лучи — поток высокоэнергетических фотонов.
В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик подтвердил существование нейтронов. Итак, на тот момент состав Вселенной сводился всего к четырем элементарным частицам: электронам, протонам и нейтронам, составляющим атомы, и фотонам, структурным единицам света.
Однако, как мы уже выяснили, в том же году Андерсон подтвердил предсказанное Дираком существование антиэлектрона, или позитрона. Из этого следовало, что существует целый отдельный мир, состоящий из вещества, называемого антиматерией. К примеру, атом антиводорода состоит из антипротона и позитрона. Однако существование антипротонов, антинейтронов и антиводорода экспериментально было подтверждено только в 50-х годах XX века.
В 1936 году Андерсон и его ассистент Сет Неддермейер обнаружили в космическом излучении еще одну частицу, похожую на электрон, но тяжелее его. Сейчас эта частица называется мюоном. По сути, она представляет собой более тяжелый электрон. Мюон стал первым из вереницы новых частиц, открытых в 50-х и 60-х годах XX века.
Протоны в ядре плотно прилежат друг к другу, хотя их положительные заряды отталкиваются с большой силой. Что же тогда удерживает вместе компоненты атомного ядра? Поскольку нейтрон не имеет заряда, а только очень слабое магнитное поле и поскольку сила тяготения намного слабее силы электрического взаимодействия частиц такой маленькой массы, ядро должна удерживать какая-то другая сила. Эту силу называют сильным ядерным взаимодействием, поскольку ее должно хватить на то, чтобы преодолеть электромагнитное отталкивание положительно заряженных протонов в ядре. В то время как электромагнитная сила действует на огромных расстояниях (до нас доходит свет от галактик, расположенных в миллиардах световы хлет от Земли), сильное ядерное взаимодействие работает только для частиц, расположенных в нескольких фемтометрах (10-15 м) друг от друга.
Более того, позднее ученые выяснили, что сила, ответственная за радиоактивный распад ядра, при котором испускаются ?-лучи (поток электронов), — это отдельная сила, действующая на еще меньшем расстоянии и называемая слабым ядерным взаимодействием. Кроме того, выяснилось, что именно слабое ядерное взаимодействие является основным источником энергии Солнца и других звезд.
В 1930 году Паули предположил, что «потерянная» энергия при ?-распаде уносится нейтральной частицей с крошечной массой, которую итальянский физик Энрико Ферми окрестил нейтрино. Существование нейтрино подтвердилось только в 1956 году.
Я не буду вдаваться в подробности хорошо известной истории развития ядерной энергетики до начала Второй мировой войны и ее использования для создания невероятно мощных бомб, а также нового, способного вызвать проблемы источника энергии, который тем не менее в конечном итоге может оказаться единственным реальным способом удовлетворения мировых энергетических потребностей.
Итак, в 1945 году ученым были известны протон и нейтрон, составляющие атомное ядро, электрон, вместе с ними образующий атом, и фотон — носитель света. А кроме того, позитрон, мюон и гипотетическое нейтрино. Были известны четыре фундаментальных взаимодействия этих частиц:
? гравитационное;
? электромагнитное;
? сильное ядерное взаимодействие;
? слабое ядерное взаимодействие.
Также имелись релятивистские квантовые теории для фотонов и электронов, но все они учитывали только электромагнитное взаимодействие. Дирак и другие ученые разработали релятивистскую квантовую теорию поля, которая давала результаты только в приближении первого порядка, в дальнейших приближениях приводя к бесконечности в ответе. Ферми заложил основы теории слабого ядерного взаимодействия, а японский физик Хидэки Юкава разработал начальную, не очень удачную теорию сильного взаимодействия. Таким образом, в физике оставалось еще много нерешенных проблем.
По окончании войны эстафету приняло новое поколение физиков, которые подняли науку на новый уровень, используя результаты работы исследователей начала века. Научная картина 1999 года, в отличие от таковой в 1899 году, объясняла все, что было известно на тот момент о строении вещества.
Однако прежде, чем мы перейдем к этой истории, давайте снова обратимся к космологии. Дальнейшее совершенствование телескопов в первой половине XX века в сочетании с прогрессом физики в этот период продвинуло наши представления о Вселенной далеко вперед: от нашей собственной галактики, Млечного Пути, к новой картине Вселенной, продолжающей расширяться после первоначального взрыва, названного Большим, о чем мы и поговорим в следующей главе.
