Об атомной и субатомной физике

Как мы уже знаем, великий древнегреческий философ Демокрит, основоположник атомизма, считал, что все вещества состоят из атомов, а атомы из амеров – неделимых и невесомых элементов. Вся совокупность амеров, перемещающихся в пустоте и соударяющихся друг с другом, является общемировой средой, которую Аристотель назвал эфиром. К концу XIX века эфир был утерян, и основой мироздания, его «кирпичиком», стал считаться неделимый атом.

Ученым казалось, что еще немного, и все тайны мироздания будут раскрыты. Что же представлял собой этот кирпичик с их точки зрения?

Классическая физика в то время понимала материю как совокупность атомов, а атом как совокупность электронов[6], обладающих единичным электрическим зарядом.

По мнению ученых того времени, модели атома хорошо соответствовал «пудинг с изюмом». Изюм – это электроны, а пудинг – это положительный заряд, равномерно распределенный по всему атому. То есть, это некое электромагнитное поле, обеспечивающее связь электронов в атоме. Все многообразие окружающей природы – это результат перемещений и комбинаций электронов [8].

Первое свидетельство в пользу того, что пудинг с изюмом не годится в качестве модели атома, и он (атом) обладает некой структурой, появилось уже в 1895 году в связи с открытием немецким физиком Рентгеном рентгеновских лучей. В 1896 году французский физик Беккерель, работая с ураном, обнаружил еще один вид неизвестного проникающего излучения, которое получило название радиоактивного. Вскоре была обнаружена радиоактивность тория, а в 1898 году французские физики Мария и Пьер Кюри открыли еще два радиоактивных элемента – полоний и радий. Все это свидетельствовало в пользу того, что структура атома достаточно сложна [9].

В 1911 году Резерфорд, исследуя атомы, подвергал их бомбардировке альфа-частицами и по траектории этих частиц после столкновения пытался понять, как устроен атом.

Результат оказался сенсационен и совершенно неожиданен: атом представлял собой ядро и движущиеся вокруг него на достаточно большом расстоянии невероятно мелкие частицы – электроны. Электроны, казалось, были прикованы к ядрам некими силами.

По результатам исследований Резерфорд предложил планетарную модель атома, с которой мы все хорошо знакомы: в центре атома тяжелое ядро, вокруг которого вращаются электроны. Миниатюрный атом, диаметр которого примерно одна миллионная сантиметра, состоит из положительно заряженного ядра, которое в то время считалось неделимым, и движущихся вокруг него по орбите отрицательно заряженных электронов.

Ученых потряс тот факт, что атом состоит практически из пустоты.

Чтобы понять, как выглядит атом, давайте представим следующее. Если в центре Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге, самого большого собора России, поместить крупинку сахара, олицетворяющую ядро, вращающееся вокруг собственной оси, а в самом дальнем углу собора расположить пылинку – электрон, вращающуюся с неимоверной скоростью вокруг крупинки сахара, то это будет приближенная модель атома водорода.

Если добавить еще восемь пылинок, вращающихся по своим орбитам, то это будет приближенная модель атома кислорода. А если представить, что в центре Исаакиевского собора вращается сахарная крошка, состоящая из 56 крупинок сахара, а вокруг нее носятся с огромной скоростью 26 пылинок, то получится модель атома железа.

Таким же образом можно представить абсолютно все элементы Периодической системы Менделеева, которые отличаются друг от друга количеством электронов, вращающихся вокруг ядра, и количеством нуклонов, составляющих ядро. В таблице Менделеева все атомы химических элементов родились циклически последовательно из атома водорода.

Менделеев, сумев понять «код творения», расположил элементы в последовательности возрастания атомных масс и сгруппировал элементы с аналогичными свойствами физической материи, присвоив химическим элементам порядковые номера.

И всегда атомное ядро занимает одну триллионную часть всего атома. Где же материя?

Перед учеными встал ряд вопросов. Если атомы, образующие твердую материю (например, железо), состоят практически из пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь стены? Что придает веществу твердость? Почему атомы железа в свободном состоянии и атомы железа, подвергнутые термообработке или механической обработке абсолютно идентичны? Почему атомы кислорода, например, в воздухе миллионы раз сталкиваются друг с другом и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму? Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики Ньютона, не выдержала бы таких столкновений. Со временем ответы на эти вопросы были найдены.

Так, на вопрос о твердости был получен следующий ответ. Скорость вращения электрона вокруг ядра может достигать более тысячи километров в секунду. Вот атом и воспринимается как непроницаемая сфера, точно так же, как воспринимается вращающийся с большой частотой вращения пропеллер, который выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, поэтому материя кажется нам твердой.

Выяснилось, что орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планете, ибо нам следует представлять себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны. Как мы выясним чуть позже, квантовая механика убедительно доказывает, что все частицы, из которых состоит атом, обладают двойной природой: являются одновременно и волной, и частицей.

Исследование атома продолжалось. Выяснилось, что электроны не только придают материи свойство твердости, но и обеспечивают связи для образования молекул, участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства вещества. Именно взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с их жизнедеятельностью.

Выяснилось, что ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Именно поэтому так трудно расколоть ядро. И, тем не менее, ученым удалось это сделать.