Вот, казалось бы, математически точная наука баллистика – она рассчитывает, куда упадет снаряд из пушки при определенном угле возвышения ствола и скорости вылета. Строгие формулы всегда дают однозначный вариант: снаряд упадет в такую-то точку. Однако на практике снаряд может упасть чуть правее или чуть левее, чуть дальше или чуть ближе расчетной точки. Предсказать, куда шваркнется данный конкретный снаряд, невозможно. Но известно, что снаряды всегда падают в некую область, которая называется эллипсом рассеивания. И потому совершенно точно мы можем лишь сказать: с вероятностью в 100 процентов снаряд попадет в эллипс рассеивания. Это – свидетельство несовершенства мира, его непредсказуемости, вшитой в саму основу бытия – в законы существования элементарных частиц.
Запомните – любое измерение всегда неточно, всегда в пределах определенного допуска. Каждый прибор имеет ошибку измерения. Любое предсказание тоже неточно. Правда, в большинстве бытовых ситуаций точность расчетов такова, что вполне нас удовлетворяет и все наши потребности покрывает. Скажем, напряжение в розетке может чуть-чуть колебаться, отклоняясь от положенных 220 вольт. Но приборы, рассчитанные на 220 вольт, эти небольшие штатные колебания выдерживают, поэтому можно не волноваться. И так везде.
Эллипс рассеивания. Так ложатся снаряды – гуще всего в центре, реже по окраинам.
Вот так вот, друзья мои! Период полураспада – это вам не фунт изюму.
Но зато, зная период полураспада углерода-14, ученые придумали, как определять возраст старинного предмета, если он содержит углерод. Как правило, речь идет о возрасте деревяшек – например, найденных остатках древнего корабля, стреле охотника или угольке первобытного костра. Деревяшки – это сплошной углерод, в древесине его просто уйма. Недаром слова «уголь» и «углерод» одного корня.
Так вот, пока дерево живет, оно дышит. Дышат растения, как знает каждый старый и малый, углекислым газом, который мы выдыхаем. А растения, наоборот, выдыхают кислород, которым дышим мы с вами. Поэтому растения для нас очень полезны не только потому, что мы их едим. Мы без растений просто жить бы не смогли.
Углекислый газ – сложное вещество, состоящее из простейших химических элементов: одна молекула углекислого газа сделана из двух молекул кислорода и одной молекулы углерода – СО2. Дерево своими зелеными листочками поглощает углекислый газ. Зеленые листочки – это реакторы. В них в результате сложной реакции, проходящей при участии солнечного света, молекула углекислого газа разрывается, кислород вылетает, а из углерода дерево строит себя – ствол. А мы с вами потом выделенный кислород вдохнем, выдохнем углекислый газ, а ствол срубим и сожжем, разбивая кочергой угольки в печке.
Так вот, строя свой ствол из углерода воздуха, дерево накапливает не только нормальные атомы углерода, но и уродливые – нестойкие изотопы С14, которые там одновременно накапливаются и потихоньку распадаются.
А когда дерево срубают на дрова или чтобы сделать из него корабль, оно дышать перестает. А значит, в нем перестает накапливаться углерод, включая углерод-14. И дальше изотоп только распадается. Его становится все меньше и меньше и меньше. Через 5700 лет останется половина. Еще через 5700 лет еще половина… Зная количество углерода С14 в воздухе и измерив, сколько его осталось в древней деревяшке, ученые узнают, когда дерево было срублено и отправлено в костер или на строительство.
Достали археологи со дна моря древний корабль, отдали образцы на анализ и получили возраст, когда корабль был построен. Правда, таким методом нельзя определить совсем уж древние образцы, потому что примерно через 40–50 тысяч лет углерод-14 распадается почти весь, его остается так мало – буквально считаные атомы, что определить возраст предмета уже не представляется возможным.
У вас может возникнуть вопрос. Ну, хорошо, дерево срубили, оно перестало дышать и накапливать этот изотоп из воздуха. Но в воздухе-то он откуда берется? Почему в воздухе он до сих пор весь не распался за миллионы и миллиарды лет существования нашей планеты? Он что, там постоянно образуется?
Конечно! Если бы не образовывался, давно бы уже не было на Земле никакого С14.
В верхних слоях атмосферы углерод-14 постоянно образуется из атмосферного азота под воздействием космических лучей, то есть активного солнечного излучения. Сначала космические лучи, сталкиваясь с веществом атмосферы, вышибают из него нейтроны. А уже эти вышибленные одинокие нейтроны сталкиваются с ядрами атомов азота.
Что получается? Простая формулка ядерной реакции написана ниже:
n + 7N14 = 6C14 + р+
Страшная формула? Да ничего подобного! Простенькая. Тут все как на ладони. Смотрите, нейтрон (n) налетает на ядро атома азота (N), имеющего 7 протонов и атомный вес в 14 единиц. И вышибает из него один положительно заряженный протон (р+). В результате получается элемент № 6, то есть с шестью протонами в ядре, а это углерод. Можете проверить по таблице Менделеева, если не верите. Атомный вес ядра при этом не меняется, поскольку на месте выбитого протона остается нейтрон.
Вот так в атмосфере все время образуется углерод-14. Этого углерода в атмосфере нашей планеты образуется каждый год… как вы думаете, сколько? Сразу скажу: не замахивайтесь на большие числа. Правильный ответ – около 8 килограммов. А всего углерода-14 в атмосфере Земли – 75 тонн.
Способность изотопов распадаться называют радиоактивностью. Это слово вам, наверное, известно. Оно всем известно и всех пугает, особенно взрослых. Это слово сразу связывается в их сознании с атомными бомбами, на месте взрыва которых остается радиоактивное загрязнение, которое убивает людей. Ведь энергию своего взрыва атомные бомбы получают как раз за счет распада изотопов тяжелых металлов. Так же как и атомные электростанции, кстати.
Об этом стоит поговорить подробнее…
Глава 6 Маша и радиоактивность
Это теперь мы такие умные. А всего каких-нибудь сто лет назад люди ничего ни о радиоактивности, ни о строении атомов толком не знали. Ну, то есть были, конечно, идеи, что вещество состоит из мельчайших неделимых крупинок – атомов. А те в свою очередь – из частичек, имеющих положительный и отрицательный заряд. Но дальше этих идей дело не заходило.
Кроме того, было также понимание, что в нашем мире, помимо вещества, существует еще нечто. И это нечто – лучи. Излучение. Лучший пример – свет. Ведь свет – это же не вещество! Это нечто отличное от вещества. Ну и назовем его лучами!
Люди изучали солнечные лучи, наблюдая, как они преломляются в стеклянных призмах и как фокусируются стеклянными линзами. Лучи пропускали через дырочки, решетки, наблюдали за тенями… В XVII веке английский физик Ньютон открыл дисперсию света – он направил тонкий солнечный луч на грань стеклянной призмы и увидел, как белый луч разложился на семь цветов радуги.
– Ага! – смекнул Ньютон. – Значит, белый цвет состоит из семи разных цветов, это смесь!
То есть вот как получается – сложные химические вещества состоят из элементарных, а сложный белый свет – это смесь более простых, элементарных «светов». Интересно. Но что же такое свет по природе своей?..
Дисперсия света – разложение одинокого солнечного луча, пропущенного через дырочку в непрозрачном экране на отдельные цветные лучи. Схема ньютоновской установки
? Что такое свет?..Ньютон думал, что свет – это поток летящих от Солнца мельчайших частичек – корпускул. Другие ученые считали иначе. Нет, говорили они, свет – это волна!
Волна?
Почему волна? Какая такая волна? Что за странная идея?
Объясню… Что такое волны, мы прекрасно знаем. Каждый видел волны на поверхности моря, озера или реки… Волна – это не вещество, волна – это процесс, который происходит в веществе. Мы смотрим на море и видим: волны бегут. Причем, что интересно, волны-то бегут, а вода не бежит! Вода остается на месте. Частички воды (молекулы) просто периодически колеблются, поднимаясь то вверх, то вниз, создавая иллюзию перемещения воды. Волна по поверхности воды действительно распространяется, а вот сама вода остается на месте, точнее, синхронно колеблется вверх-вниз.
Понятно? Сейчас будет понятно.
Волна бежит, а среда, по которой распространяется волна, остается на месте.
Вы можете привязать прыгалки или веревку к дверной ручке и пускать по ним волну. Волна будет бежать по прыгалкам, но сами прыгалки, как видите, никуда не бегут, а остаются на месте – между дверью и вашей рукой. Они просто колеблются.
Важнейшее свойство волны – она всегда распространяется по чему-то, по какой-то среде. По воде, по прыгалкам, по воздуху.
Мама ртом пускает воздушную волну, она воздействует на ваши барабанные перепонки, а вы старательно делаете вид, что не слышите, как она зовет вас убирать игрушки или спать. Потому что спать вы еще не хотите, а убирать игрушки вообще бессмысленное и даже вредное дело, они и так лежат там, где должны – на полу, под рукой. Так что лучше мамину звуковую волну не слушать, а почитать эту книгу. В конце концов, если ей нужно, пусть сама уберет. А вы ей это вредное дело, уж так и быть, простите, ибо великодушие ваше безмерно.
В общем, волна всегда распространяется в чем-то. А если ничего нет, то и волны быть не может – на чем же ей распространяться, коли нету ничего! Колебаться-то нечему! А на нет, как говорится, и суда нет.
Но раз так, то по чему, по какой такой среде распространяется свет, если он волна? Явно не по воздуху. Потому что свет может распространяться и в космосе, далеко от Земли, где земная атмосфера заканчивается. Именно так, через пустоту космическое излучение и прилетает на нашу планету. Как же оно по пустоте распространяется, если пустота – это ничто, а значит не по чему волнам распространяться! Но лучи от Солнца запросто доходят!
И с чего вообще эти ученые, которые спорили с Ньютоном, взяли, что свет – это волна? Что за странная идея вообще?
А эти ученые-физики занимались изучением волн – разных. Они исследовали свойства волн. И нашли, что у волн тоже есть свойства. Ну, например, скорость распространения. Скорость волны в среде определяется свойствами этой среды – чем плотнее среда, тем быстрее бегут по ней волны. Скорость звука в воздухе – 330 метров в секунду. Зная ее, можно определять, насколько далеко от вас вспыхнула молния на небе. Если после вспышки молнии звук грома донесся до вас через 5 секунд, значит, молния ударила примерно в полутора километрах:
330 × 5 = 1650 метров = 1,65 км
А вот в металле скорость звука значительно выше, чем в газе. Если вы ударите молотком по стальному рельсу, то звуковая волна по нему побежит со скоростью примерно 5000 м/с. Пять километров в секунду!
Кроме того, у волн оказались и разные другие свойства. Например, волны могли складываться или, напротив, гасить друг друга, создавать разные причудливые картины в зависимости от разных условий.
И вот все эти свойства волн физики обнаружили у света! Значит, свет – это волна, решили они. И значит, никакой пустоты в космосе нет, а есть особая среда – мировой эфир, по которому бежит волна, которую мы воспринимаем как свет. Вот так вот, милейший Ньютон!..
О том, кто оказался прав – Ньютон или его оппоненты, мы поговорим позже. А сейчас нам надо просто знать, что к концу позапрошлого века у физиков было довольно примитивное понимание: в мире существуют лучи и вещество. Вещество при этом состоит из атомов. А атомы – из положительных и отрицательных зарядиков. Нейтроны тогда еще не были открыты, хотя наука всячески пыжилась, изучая вещество, и вот однажды столкнулась с явлением распада этого самого вещества. Позже процесс распада вещества назвали радиоактивностью.
Обычно, рассказывая об открытии радиоактивности, говорят о Марии Склодовской-Кюри. Не будем и мы отказываться от этой хорошей традиции. Тем более, что женщина в науке – явление редкое, как изотоп, и потому достойное тщательного разглядывания через лупу.
Мария считается французским физиком, но происхождения она польского, так как родилась в Варшаве. А поскольку Варшава тогда была под управлением Москвы, можно по праву сказать, что она – наша соотечественница, то есть подданная Российской империи, которой тогда принадлежала Польша. Соответственно, Маша прекрасно говорила по-русски. Причем есть еще сведения (правда, оспариваемые), что предками Марии были евреи. Иными словами, целых четыре страны могут сегодня гордиться Марией – Россия, Польша, Израиль и Франция. Ее портреты красовались на польских и французских деньгах, а памятники Марии Склодовской-Кюри ныне стоят и в Польше, и во Франции.
Польские женщины, как правило, красивые, а еврейские умные. Не была исключением и Мария. Правда, несмотря на хорошую голову, проявиться ее таланту поначалу было негде: родилась Мария в бедной многодетной семье. Ей стукнуло 11 лет, когда мать умерла от туберкулеза, и отец, работавший преподавателем физики в гимназии, выбивался из сил, чтобы прокормить пятерых детей.
Но Марии повезло. Училась она хорошо, ей страшно нравилась химия, а другом ее отца был… угадайте кто? Менделеев. Он заметил талантливую девочку и сказал, что ее ждет великое будущее. Это напутствие весьма вдохновляло, однако финансов не прибавляло – денег на университет у Марии все равно не было. Поэтому она договорилась с сестрой, и они по очереди работали несколько лет, чтобы дать возможность друг другу получить образование – работающая сестра платила за ту, которая учится. Сначала отучилась сестра Марии, а Мария, работая гувернанткой, обеспечивала ее. А когда сестра выучилась на врача и начала работать, то стала в свою очередь оплачивать учебу Марии. Ловкие девки!
В Варшаве тогда женщин в университет не принимали, поэтому обе сестры учились в Париже. Мария там же вышла замуж и больше никуда из Франции не уезжала. Потому что во Франции хорошо.
Мужем Марии стал физик Пьер Кюри. Менять фамилию молодая жена не стала и потому вошла в историю науки под двойной фамилией – как Мария Склодовская-Кюри. Исследования они с мужем проводили вместе. Пьер вскоре защитил диссертацию и стал доктором наук, а Мария, родив дочь, тоже начала искать тему для научной работы. Чем заняться?
В ту пору в Европе стоял большой шум вокруг удивительных открытий Беккереля и Рентгена. В особенности Рентгена, конечно. Все газеты тогда взахлеб писали о новом чуде, которое наука в лице Рентгена подарила человечеству.
Вы, конечно, знаете, что открыл Рентген. Он открыл рентгеновские лучи, с помощью которых теперь врачи просвечивают человека и делают рентгеновские снимки, на которых прекрасно видны переломы костей, проглоченные пуговицы и прочие болячки. Сейчас это дело привычное – подумаешь, рентгеновский снимок!
А тогда весь мир был буквально шокирован – ни хрена себе! Можно видеть сквозь непрозрачные вещи, просветив их особыми лучами и сделав фотоснимок!
Газеты в ужасе писали, что теперь хулиганы будут видеть голых дам прямо на улице, сквозь одежду, просвечивая их чудо-лучами. На полке одного книжного магазина в Германии стоял снимок просвеченной рентгеновскими лучами человеческой кисти – ясно виднелись кости и золотое кольцо, надетое на палец. Это была рука супруги Рентгена.
? Как же Рентген открыл свои чудо-лучи? И при чем тут супруги Кюри?К тому времени люди уже давно экспериментировали с электричеством и научились получать потоки свободных электронов в вакууме, то есть в пустоте. Из стеклянной колбы откачивался воздух, при этом в колбу были впаяны с двух сторон металлические электроды, на них подавалось высокое напряжение, и один из электродов начинал испускать поток электронов. От этого электрода (катода) поток электронов летел через пустоту лампы к другому электроду (аноду).
Так вот, Рентген заметил, что эти электроны, бомбардируя железяку анода, производят некое излучение, которое проникает через непрозрачные материалы и может засвечивать фотопластинки. То есть, направив эти загадочные лучи, например, через человеческую руку на фотопластинку, можно получить фотографию просвеченной человеческой руки!
Рентген начал проводить опыты и обнаружил, что эти лучи проникают и через черную бумагу, и через доску толщиной в 3 сантиметра, и даже через лист алюминия.
Ну, конечно, это было удивительно! Еще бы! Нашлись, кроме привычных лучей видимого света, еще и невидимые, но очень проникающие лучи, для которых прозрачны те вещества, которые непрозрачны для обычных солнечных лучей. Рентген назвал их Икс-лучами.
Рентгеновский снимок и рентгеновская лампа. Электроны бомбардируют анод и генерируют лучи
Все сразу кинулись эти лучи исследовать, и за год учеными было опубликовано больше тысячи работ, посвященных загадочным лучам. Тут же придумали использовать их в медицине.
Об открытии Рентгена узнал физик Беккерель, который проводил разные эксперименты с солями урана. Уран – это редкий и очень тяжелый металл (тяжелее золота и свинца), а соли урана – это соединения урана с другими химическими элементами; точно так же, как поваренная соль – соединение металла натрия с хлором.
Присутствовавший на рентгеновских опытах Беккерель обратил внимание, что под воздействием пучка электронов обычное стекло начинает светиться зеленым светом. Он знал, что соли урана тоже могут светиться красивым зеленоватым светом под воздействием прямых солнечных лучей. «А вдруг они при этом, кроме зеленого света, и другие лучи излучают, например, рентгеновские?» – внезапно подумал он. И решил проверить свое предположение.