Конечно же, дядя шутит, но, как известно, в каждой шутке всегда есть доля шутки. Мир оказался гораздо сложнее, чем наши доморощенные представления о нем, и об этом ни на минуту не следует забывать. Разумеется, мне меньше всего хотелось, чтобы вы, читатель, подумали, будто природа непознаваема. Я просто-напросто пытался подчеркнуть, что нужно трезво оценивать свои возможности, а не заниматься дешевым шапкозакидательством.
Кирпичи мироздания
Античные философы полагали, что фундамент мироздания сложен из четырех основных элементов – земли, воздуха, огня и воды. Великий Аристотель добавил к этой комбинации пятую сущность – так называемую квинтэссенцию, из которой якобы построены эфирные тела. Он считал, что вещество можно дробить бесконечно, так никогда и не добравшись до той мельчайшей крупинки, которая уже не поддается дальнейшему дроблению. Упрямые атомисты не соглашались с корифеем всех наук, настаивая на том, что материя состоит из атомов – крохотных неделимых частиц, пребывающих в постоянном движении (слово «атом» в буквальном переводе с греческого означает «неделимый»). Эту идею поддерживали такие выдающиеся мыслители древности, как Демокрит, Эпикур и Левкипп, но поскольку античная наука была насквозь спекулятивной и боялась эксперимента как черт ладана, толку от этих упражнений в суесловии было чуть. Даже когда английский естествоиспытатель Джон Дальтон в 1803 году показал, что химические вещества всегда соединяются в определенных пропорциях, многовековой спор между двумя школами все еще не был окончательно решен в пользу атомистов.
Впрочем, в позапрошлом веке подавляющее большинство ученых уже не сомневалось в корпускулярном строении вещества. К концу XIX столетия, когда Джозеф Джон Томсон из Тринити-колледжа в Кембридже открыл электрон, стало понятно, что атом имеет сложную внутреннюю структуру и не является элементарным кирпичиком мироздания. Но каким образом электроны и протоны (нейтрон был открыт только в 1932 году Джеймсом Чэдвиком) располагаются в атоме друг относительно друга, было совершенно не ясно. Скажем, лорд Кельвин считал атом сферическим образованием, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд, а внутри сферы в статическом равновесии находятся отрицательно заряженные электроны. Но уже буквально через несколько лет Резерфорд не оставил от этой модели камня на камне.
Опыт английского физика был сравнительно прост. Он обстреливал тончайшую золотую фольгу пучком альфа-частиц, летящих со скоростью 20 тысяч километров в секунду. Альфа-излучение – это массивные положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми нуклидами в процессе радиоактивного распада. Резерфорда занимал вопрос, насколько сильно отклонятся частицы, пройдя через золотую фольгу.
Картинка получилась весьма любопытная. Как и следовало ожидать, большая часть альфа-частиц пробила фольгу навылет, практически не отклонившись или отклонившись на незначительный угол в 2–3 градуса. Но некоторые частицы отклонялись гораздо заметнее – на 90 градусов и больше, а отдельные немногие и вовсе отскакивали назад, как отлетает от стены брошенный мяч. Складывалось впечатление, что атомы тончайшей пленки могут быть серьезным препятствием на пути стремительно летящих массивных альфа-частиц. Это казалось совершенно невероятным: с таким же успехом можно было предположить, что лист ватмана способен остановить винтовочную пулю.
-8
см, а размер атомного ядра – 10
-13
см. Разница на пять порядков, то есть в 100 тысяч раз! Заряды протона и электрона противоположны по знаку и равны в абсолютном выражении, а вот масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. В электрически нейтральном атоме число протонов соответствует числу электронов, но протоны собраны в исчезающе малом объеме (а ведь там еще есть нейтроны, превосходящие электроны по массе примерно на ту же самую величину), в то время как электроны распределены по всему атому. Таким образом, положительный заряд и почти вся масса атома предельно сконцентрированы, а отрицательный заряд распылен, «размазан» по всему пространству крохотной «солнечной системы».
Разумеется, планетарная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, не осталась неизменной до сегодняшнего дня. Первые серьезные поправки в нее внесли еще Нильс Бор и Вольфганг Паули, и с течением времени атом стал все меньше и меньше напоминать Солнечную систему. Во второй половине прошлого века выяснилось, что нуклоны атомного ядра (современная физика считает, что протон и нейтрон – это два зарядовых состояния одной и той же частицы – нуклона) вовсе не исходные кирпичи мироздания, а построены в свою очередь из особых субъядерных частиц – кварков. Этот термин придумал Мюррей Гелл-Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, позаимствовавший звонкое словечко у Джеймса Джойса, автора заумной вещи «Поминки по Финнегану». В 1969 году за исследование кварков физик был удостоен Нобелевской премии.
Как мы видим, от Солнечной системы почти ничего не осталось. И хотя сегодня нам прекрасно известно, что реальный электрон совсем не похож на планету, а если его и можно с чем-то сравнить, то скорее с неким размытым облаком, обладающим сложными свойствами, это ничуть не умаляет ценности предложенной Резерфордом модели. Не подлежит сомнению, что сам английский ученый в полной мере отдавал себе отчет в приблизительности собственной аналогии, хотя не имел понятия ни о принципе неопределенности Гейзенберга, ни тем более о кварках Гелл-Манна.
Тем не менее модель Резерфорда сразу же столкнулась с серьезными трудностями. Поскольку электрон пребывает в постоянном движении, то он, по сути дела, представляет собой движущийся электрический заряд, который непрерывно растрачивает энергию, ибо движущийся заряд обязан излучать. Следовательно, через очень короткое время обессилевший электрон, бездарно разбазаривший свой золотой запас, должен по суживающейся спирали обрушиться на ядро. Другими словами, атом Резерфорда предельно нестабилен, он обязан погибнуть в считанные доли секунды. Выход из этого неприятного положения нашел великий датчанин Нильс Бор, один из создателей квантовой механики.
. Атомный номер урана-238 выражается числом 92, следовательно, в его ядре содержится 92 протона, а вот суммарное количество протонов и нейтронов равняется 238. Чтобы узнать, сколько в ядре урана-238 имеется нейтронов, нужно вычесть из большего числа меньшее: 238 минус 92 равно 146. Итак, нейтронов в ядре урана почти вдвое больше, чем протонов. То же самое относится и к двум другим его изотопам, только количество нейтронов в их ядрах будет немного меньше. Все три изотопа природного урана занимают одну и ту же клетку Периодической системы элементов и содержат 92 протона (их атомный номер один и тот же). Такие перегруженные нейтронами ядра весьма нестабильны и способны самопроизвольно распадаться.
Вернер Гейзенберг
Вернемся к атому Резерфорда, который не имеет права на существование. Как сохранить жизнь электрону, который растрачивает энергию, обращаясь вокруг атомного ядра? Как уже говорилось выше, решение этой проблемы нашел Нильс Бор. Он постулировал, что электрон располагается не на любой произвольной орбите, а только на той, которая лежит на некотором вполне определенном расстоянии от ядра. Двигаясь по таким разрешенным орбитам, электроны не излучают, а следовательно, не теряют энергию. Испускание или поглощение энергии происходит при перескоке электрона с орбиты на орбиту, причем весьма важно то обстоятельство, что эта энергия квантована, то есть разбита на своего рода порции. Электрон стремится занять в атоме наиболее выгодный в энергетическом отношении уровень, где его энергия минимальна. Чем ближе орбита лежит к ядру, тем меньше энергия у находящегося на ней электрона. Если ближайшая к ядру орбита оказывается уже занятой, электрон взлетает на более высокую орбиту, но для этого ему необходимо приобрести дополнительную энергию, то есть поглотить квант света (электромагнитного излучения). Испустив квант электромагнитного излучения, электрон может спуститься этажом ниже.
Важно помнить, что все эти орбиты – как близкие, так и далекие – отнюдь не произвольны, а представляют собой жестко фиксированные энергетические уровни. В известном смысле систему электронных оболочек (или орбит) можно уподобить обыкновенной лестнице. Чтобы подняться вверх по ступенькам, нужно совершить работу, то есть затратить некоторую энергию. Спуск вниз дается несравненно легче, но висеть между ступеньками все равно нельзя: в каждый отдельно взятый момент времени верхолаз обязан занимать вполне конкретную ступеньку. Внутриатомная лестница фиксирована столь же жестко. Электрон, поглотивший квант электромагнитного излучения (напоминаем, что это строго отмеренная порция энергии), получает возможность шагнуть на следующую ступеньку, ибо его энергия возросла. Мерой этой энергии будет расстояние между ступеньками. Чем больше энергии приобретет электрон, тем выше он сможет вскарабкаться. Однако электрон всегда мечтает вернуться на первый этаж, так как это самая выгодная позиция. Он может сразу свалиться на исходный уровень, и тогда энергия испущенного им электромагнитного излучения будет в точности равна той, которая была первоначально поглощена. А вот если он застрянет посередине, то его излучение будет давать иную энергию, а следовательно, и длину волны. Итак, энергия, приобретаемая или теряемая электроном, определяется расстоянием между ступеньками.
Высвободившаяся из атома энергия может быть зарегистрирована. А поскольку каждый химический элемент имеет, так сказать, свой уникальный набор ступенек, спектры излучения различных веществ будут в высокой степени индивидуальны. Другими словами, каждый химический элемент имеет свою визитную карточку, что очень на руку астрофизикам. Изучая спектры далеких звезд, можно идентифицировать содержащиеся в них химические элементы.
Итак, мы пришли к выводу, что боровский атом ничуть не похож на атом Резерфорда. С другой стороны, к реальному атому он тоже имеет весьма косвенное отношение, потому что атом Бора (атом, который построил Бор, как поется в известной песне, пародирующей знаменитое английское стихотворение) – не более чем удобная модель, позволяющая понять суть процессов, совершающихся в мире элементарных частиц. Однако прежде чем перейти к фундаментальным кирпичам мироздания (сиречь вышеупомянутым элементарным частицам), необходимо хотя бы коротко остановиться на принципе неопределенности, который является альфой и омегой квантовой теории. Если выдающийся немецкий физик Макс Планк предположил в 1900 году, что никакое электромагнитное излучение (видимый свет, рентгеновские лучи, а также волны любых длин) не может генерироваться с произвольной интенсивностью, но непременно должно дозироваться порционно (Планк назвал эти порции квантами), то другой знаменитый немец, Вернер Гейзенберг, сформулировал свой основополагающий принцип.