Мысли вслух 1041

Необходимо назвать тех, кто первым выдвинул идею существовования атомов. Это — Демокрит (родился около 460 или 470 года до новой эры, умер в глубокой старости) и Эпикур (341–270 годы до новой эры). Итак, атомному учению почти 2500 лет. Представление об атомах отнюдь не сразу восприняли все. Ещё лет 150 назад уверенных в существовании атомов было мало даже среди учёных.

Дело в том, что атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и, например, с помощью микроскопа, увеличивающего в 1000 раз. Давайте задумаемся: каков размер самых маленьких частиц, которые можно увидеть? У разных людей разное зрение, но, наверное, все согласятся, что увидеть частицу размером менее 0,1 миллиметра нельзя. Поэтому, если воспользоваться микроскопом, можно, хотя и с трудом, разглядеть частицы размером около 0,0001 миллиметра, или 10–7 метра. Сравнив размеры атомов и межатомных расстояний (10–10 метра) с длиной, принятой нами как предел возможности увидеть, поймём, почему любое вещество кажется нам сплошным.

2500 лет — огромный срок. Что бы ни происходило в мире, всегда находились люди, которые пытались ответить себе на вопрос, как устроен окружающий их мир. В какие-то времена проблемы устройства мира волновали больше, в какие-то — меньше. Рождение науки в её современном понимании произошло сравнительно недавно. Учёные научились ставить эксперименты — задавать природе вопросы и понимать её ответы, создавать теории, описывающие результаты экспериментов. Теории потребовали строгих математических методов для получения достоверных выводов. Наука прошла длинный путь. На этом пути, который для физики начался около 400 лет назад с работ Галилео Галилея (1564–1642), добыто бесконечное количество сведений о строении вещества и свойствах тел разной природы, обнаружено и понято бесконечное количество разнообразных явлений.

Человечество научилось не только пассивно понимать природу, но и использовать её в своих целях.

Мы не будем рассматривать историю развития атомных представлений на протяжении 2500 лет и историю физики в течение последних 400 лет. Наша задача — по возможности кратко и наглядно рассказать о том, из чего и как построены все — окружающие нас предметы, тела и мы сами.

Как было уже сказано, все вещества состоят из электронов, протонов и нейтронов. Знаю об этом со школьных лет, но меня не перестаёт поражать, что всё построено из частиц всего трёх сортов! А ведь мир так разнообразен! К тому же и средства, которыми пользуется природа для осуществления строительства, тоже достаточно однообразны.

Последовательное описание того, как построены вещества разного типа, — сложная наука. Она использует серьёзную математику. Надо подчеркнуть — какой-то другой, простой теории не существует. Но физические принципы, лежащие в основе понимания строения и свойств веществ, хотя они нетривиальны и трудно представимы, всё же постичь можно. Своим рассказом мы попытаемся помочь всем, кого интересует устройство мира, в котором мы живём.
Метод осколков, или разделяй и познавай

Казалось бы, наиболее естественный способ понять, как устроено некое сложное устройство (игрушка или механизм), — разобрать, разложить на составные части. Надо только быть очень осторожным, помня, что сложить будет значительно труднее. „Ломать — не строить“ — говорит народная мудрость. И еще: из чего состоит устройство, мы, может быть, поймём, но, как работает, вряд ли. Стоит иногда отвинтить один винтик, и всё — устройство перестало работать. Нужно не столько разобрать, сколько разобраться.

Так как речь идёт не о фактическом разложении всех окружающих нас предметов, вещей, организмов, а о воображаемом, то есть о мысленном, а не о настоящем опыте, то можно не волноваться: собирать не придётся. Кроме того, не будем скупиться на усилия. Не будем задумываться, трудно или легко разложить устройство на составные части. Секундочку. А откуда мы знаем, что дошли до предела? Может быть, добавив усилий, сможем пойти дальше? Признаемся себе: мы не знаем, дошли ли до предела. Приходится воспользоваться общепринятым мнением, понимая, что это не слишком надёжный аргумент. Но если помнить о том, что это лишь общепринятое мнение, а не истина в последней инстанции, то опасность невелика.

Сейчас общепринято, что деталями, из которых всё построено, служат элементарные частицы. И при этом далеко не все. Посмотрев в соответствующий справочник, мы убедимся: элементарных частиц более трёхсот. Обилие элементарных частиц заставило задуматься о возможности существования субэлементарных частиц — частиц, из которых состоят сами элементарные частицы. Так появилась идея кварков. Они обладают тем удивительным свойством, что, по-видимому, не существуют в свободном состоянии. Кварков достаточно много — шесть, и у каждого имеется своя античастица. Возможно, путешествие в глубь материи не окончено.

Для нашего рассказа обилие элементарных частиц и существование субэлементарных несущественно. В построении веществ непосредственное участие принимают электроны, протоны и нейтроны — всё построено только из них.

Прежде чем обсуждать свойства реальных частиц, задумаемся, какими нам бы хотелось видеть детали, из которых всё построено. Когда речь идёт о том, что хотелось бы видеть, конечно, надо учитывать разнообразие взглядов. Отберем несколько черт, которые кажутся обязательными.

Во-первых, элементарные частицы должны иметь свойство объединяться в разнообразные структуры.

Во-вторых, хочется думать, что элементарные частицы неуничтожимы. Зная, какую длинную историю имеет мир, трудно представить себе, что частицы, из которых он состоит, смертны.

В-третьих, хотелось бы, чтобы самих деталей было не слишком много. Глядя на строительные блоки, мы видим, сколь разнообразные постройки могут быть созданы из одинаковых элементов.

Знакомясь с электронами, протонами и нейтронами, мы увидим, что их свойства не противоречат нашим пожеланиям, а желанию простоты, несомненно, соответствует то, что в строении всех веществ принимают участие всего три типа элементарных частиц.
Электроны, протоны, нейтроны

Частица Заряд       Масса              Спин                Статистика

Электрон ee =     –1,602;10–19     me = 9,109;10–31 1/2 Ф
Протон ep =     +1,602;10–19     mp = 1,673;10–27 1/2 Ф
Нейтрон 0                mn = 1,675;10            1/2 Ф


Таблица 1. Величина заряда дана в кулонах, масса — в килограммах (единицах СИ); слова „спин“ и „статистика“ поясняются далее.

Обратим внимание на различие в массе частиц: протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов. Следовательно, масса любого тела почти целиком определяется массой протонов и нейтронов.

Нейтрон, как это следует из его названия, нейтрален — его заряд равен нулю. А протон и электрон имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды. Электрон заряжен отрицательно, а протон — положительно.

Среди характеристик частиц нет, казалось бы, важной характеристики — их размера. Описывая строение атомов и молекул, электроны, протоны и нейтроны можно считать материальными точками. О размерах протона и нейтрона придётся вспомнить только при описании атомных ядер. Даже по сравнению с размерами атомов протоны и нейтроны чудовищно малы (порядка 10–16 метра).

По сути дела, этот короткий раздел сводится к представлению электронов, протонов и нейтронов как строительного материала всех тел в природе. Можно было бы просто ограничиться таблицей 1, однако нам предстоит понять, каким образом из электронов, протонов и нейтронов осуществляется постройка, что заставляет частицы объединяться в более сложные конструкции и каковы эти конструкции.
Атом — наиболее простая из сложных конструкций

Атомов много. Оказалось необходимым и возможным упорядочить их специальным образом. Упорядочение даёт возможность подчеркнуть различие и сходство атомов. Разумное расположение атомов — заслуга Д.И. Менделеева (1834–1907), который сформулировал периодический закон, носящий его имя. Если временно отвлечься от существования периодов, то принцип расположения элементов крайне прост: они располагаются последовательно по весу атомов. Самый лёгкий — атом водорода. Последний природный (не созданный искусственно) атом — атом урана, который тяжелее его в 200 с лишним раз.