Мысли вслух 1045

Те, кому для понимания нужен зрительный образ (а таких, видимо, большинство), наверное, уже представили себе атом водорода в виде колечка, по которому катается электрон вокруг центра, где находится ядро — протон. Придется вас огорчить: эта картинка неверна. Она была бы верной, если бы электрон подчинялся законам классической механики. Настоящая квантовая механика, а не та наглядная комбинация корпускулярных и волновых представлений, которые были изложены, утверждает, что электрон в основном состоянии „размазан“ не по окружности, а по сфере, радиус которой равен приблизительно аВ.

Так что представлять себе атом лучше шариком, а не колечком. Слово „размазан“ взято в кавычки неслучайно. Никакого реального размазывания электрона по атому не происходит. Правильнее было бы сказать так: в любой точке сферы радиуса аВ, а также вблизи неё есть вероятность обнаружить электрон. Суммарная вероятность найти электрон в атоме, естественно, равна единице. Ведь он действительно там — в атоме!

Энергию, равную 1 ридбергу, нужно придать электрону, чтобы он оторвался от ядра, то есть это энергия ионизации атома водорода. Один из способов оторвать электрон таков: атом водорода сталкивается с каким-либо другим атомом, который и передаёт электрону свою энергию. Когда столкновения происходят в газе, то мерой средней энергии движения атомов служит температура Т, а поскольку 1 эВ = 1,16064;104 К, 1 Ry = 1,58;105 К, или свыше полутора миллионов градусов. Каким же горячим должен быть газ, чтобы ионизация за счёт столкновений происходила часто! А если вспомнить, что первое возбуждённое состояние электрона отделено от основного по энергии на „расстояние“, равное (3/4)Ry, то и возбуждение атомов водорода будет происходить часто только в очень горячем газе.

Другой способ ионизации и/или возбуждения атомов — поглощение фотонов. Энергии квантов видимого света может хватить и на возбуждение, и даже на ионизацию. Нужно лишь иметь в виду, что атом и поглощает и излучает свет только определёнными порциями — такими, чтобы электрон смог перейти из одного разрешённого состояния в другое, возбуждая атом. А если энергия кванта больше энергии ионизации, свет заведомо электрон оторвет.

Способность разных веществ поглощать и излучать электромагнитную энергию квантами определённой, но различной величины послужила основой спектроскопии — важной экспериментальной методики, позволяющей очень точно определять химический состав.

Мы уже обращали внимание на непоследовательность планетарной модели атома, если движение электрона описывать законами классической физики. Согласно классической физике атомы вообще не могут существовать. Заряженная классическая частица, вращаясь с частотой n, непрерывно излучает электромагнитную энергию именно частоты n. Тратя энергию на излучение, классическая частица „медленно и верно“, а по человеческим масштабам времени — мгновенно, приближается к ядру и в конце концов прилипает к нему — атом исчезает.

Квантовая механика, кардинально изменив картину движения атомных и субатомных частиц, оправдала планетарную модель.

Невозможно себе представить, как в годы полного триумфа электромагнитной теории Резерфорд решился пожертвовать классической электродинамикой и принять планетарную модель атома. Трудно проникнуть в интуицию гениев.
Ядра и ядерные силы

Ни атомы, ни более сложные конструкции из микроскопических частиц без тяжёлых ядер, состоящих из нуклонов, существовать не могут. И всё же в нашем рассказе речь пойдёт в основном не о нуклонах, а об электронах, так как именно они ответственны за конструирование из атомов более сложных структур — молекул и твёрдых тел. Этот раздел — исключение: в нём мы расскажем о том, какие силы действуют между протонами и нейтронами, позволяя им создавать ядра атомов.

Атом дейтерия. Его ядро образуют положительно заряженный протон и нейтрон, заряда не имеющий. Вокруг ядра движется отрицательный электрон. Заряды протона и электрона равны по величине и противоположны по знаку, так что весь атом в целом нейтрален. У электрона нет ни определённой орбиты, ни какого-то места, где его можно обнаружить наверняка в данный момент времени. Он как бы „размазан“ по сферической оболочке вокруг ядра.

При всей простоте атома водорода у него есть изотопы. Всего их три. Обычный атом водорода, у которого ядро — протон, иногда называют протием (слова „протон“ и „протий“ происходят от греческого слова протос — первый). Следующий по массе изотоп — дейтерий (по-гречески деутерос — второй). В его ядре один протон и один нейтрон. Самый тяжёлый изотоп водорода — тритий (тритос — по-гречески третий). Его ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Дейтерий устойчив, тритий живёт достаточно долго. Период его полураспада (время, за которое распадается половина ядер) 12,26 года. У всех остальных атомов и их изотопов ядра также состоят из протонов и нейтронов.

Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно не похожи на те, с которыми мы встречались до сих пор — ни на гравитационные, ни на электростатические. Электростатические силы действуют и на микроскопических и на макроскопических расстояниях. Ядерные силы не проявляют себя на макроскопических расстояниях: они очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 10–15 метра. Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение: 10–15 м = 1 Фм (ферми, в честь итальянского физика Энрико Ферми, 1901–1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми.

Радиус ядерных сил по порядку величины равен размеру нуклона, поэтому ядра — сгустки очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях. Наиболее тесно нуклоны упакованы в ядре атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Атом гелия, лишённый своих электронов, называется альфа-частицей (;-частицей). Во многих случаях удобно считать, что и более тяжёлые ядра состоят из альфа-частиц. Не вошедшие в альфа-частицы нуклоны слабее связаны с ядром, чем те, которые находятся в их составе.

Ядерные силы — пример сильных взаимодействий. Они многократно превосходят кулоновскую силу (но, конечно, на одинаковом расстоянии). Электростатическое взаимодействие характеризуется энергией порядка нескольких электронвольт, а характерные ядерные энергии в миллион раз больше — мегаэлектронвольты (Мэвы).

Короткодействие ограничивает действие ядерных сил ближайшим окружением нуклона, в то время как медленно спадающее с расстоянием электростатическое отталкивание протонов действует во всём объёме ядра. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжёлых ядер радиоактивны, а совсем тяжёлые вообще не могут существовать. Конечное число элементов в природе — следствие короткодействия ядерных сил.

Однако в конце 60-х годов XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = 110–114, а возможно, и 126 — так называемого „острова стабильности“. Эту теорию косвенно подтверждает эксперимент, недавно проведённый в Дубне. Там был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который „жил“ 30 секунд — невероятно долго для атома с ядром такого размера. Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжёлых ядер массой 300 и даже 500, хотя в самой возможности их существования имеются определённые сомнения (см. „Наука и жизнь“ № 9, 2002 г.).

Когда говорят о ядерных силах, часто не различают протон и нейтрон. Ядерные силы очень слабо зависят от того, взаимодействует протон с протоном, нейтрон с нейтроном или протон с нейтроном.

Японский физик Хидэки Юкава теоретически обосновал существование мезонов, ответственных за ядерные взаимодействия между нуклонами. Предсказанные им частицы (пи-мезоны) были экспериментально обнаружены в 1947 году, а спустя два года Юкава был удостоен Нобелевской премии.