6. ЧТО ГОВОРИТ СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА О СТРОЕНИИ МАТЕРИИ

Мы уже знаем, что на рубеже XIX—XX веков было установлено, что атом делим и в состав его входят электроны. Перед учеными встала задача выяснить, как расположены эти электроны в атоме, то есть изучить его строение.

Решение этой задачи привело к открытиям, давшим человечеству возможность поставить себе на службу такие мощные силы, которых наши деды не могли бы даже и вообразить. Открывается одна из наиболее увлекательных глав науки о природе — атомная физика.

Согласно первым представлениям о строении атома, выдвинутым английским физиком Томсоном, отрицательные и положительные заряды в атоме перемешаны. Атом мыслился в виде круглой булки с изюмом: тесто, из которого сделана булка,— положительные заряды, а изюмины— отрицательные заряды, электроны. Количество электронов в атоме предполагалось именно таким, чтобы их отрицательный заряд мог уравновешивать положительный заряд остальной массы атома. Таким образом, хотя и было обнаружено сложное строение атома, некоторые физики полагали, что отдельные части его вплотную прилегают друг к другу. Они старались сохранить за атомом свойство непрерывности, непроницаемости, которое, по их мнению, является обязательным для мельчайшей единицы материи.

Марксистско-ленинская философия —диалектический материализм считает, что у материи нет подобных вечных, неизменных свойств. И физика вновь подтвердила правильность диалектико-материалистического понимания материи.

Для того чтобы решить, прерывны атомы или непрерывны, нужно было попытаться пропустить через них другие частицы. Такие частицы уже были в распоряжении физиков. Они выделяются при радиоактивном излучении, например из атома радия. Эти частицы и можно было использовать в качестве снарядов для обстрела атомов.

Модель атома по Томсону

Если атомы непрерывны, то есть представляют собой сплошную массу, то частица, сталкиваясь с ними, должна отклоняться от своего пути. Так что если, например, на золотую пластинку, находящуюся в пустотной трубке, направить поток частиц, составляющих альфа-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, то вследствие столкновения с атомом золота и отклонения от своего пути эти частицы должны рассеиваться по стенкам трубки. Этого не будет в том случае, если альфа-частицы будут двигаться в пространстве, не встречая препятствий. В этом случае альфа-частицы, двигаясь по прямым линиям, будут ударяться в противоположную стенку трубки, прямо против того места, из которого они вылетели.

И вот в 1911 году английский физик Резерфорд начинает бомбардировку атомов золота альфа-частицами. Оказалось, что подавляющее большинство альфа-частиц проходит сквозь атомы, как снаряды через облако, нисколько не отклоняясь от своего пути. Лишь очень небольшое количество частиц отклонялось и рассеивалось. Наряду с этим некоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мячик от стенки, как бы встретив непреодолимое препятствие.

Расчеты, которые делались для объяснения этих опытов, показали, что почти вся масса атома сосредоточена в его центре и образует его ядро. Это ядро, составляя основную массу атома, занимает в то же время ничтожную часть его объема. Этим объясняется как то, что подавляющее большинство альфа-частиц проходит через атомы совершенно свободно, не испытывая никакого отклонения, так и то, что некоторые частицы испытывают сильное отклонение: это именно те частицы, которые сталкиваются с ядром.

В результате опытов Резерфорда перед физиками предстала более правильная картина строения атома. Картина эта оказалась совершенно неожиданной. Атом по своему строению очень сильно походил на... солнечную систему! Солнечная система, как известно, состоит из большого центрального тела — Солнца, вокруг которого на больших расстояниях от него вращаются планеты: Меркурий, Венера, Земля и другие. Масса всех планет, вместе взятых, значительно меньше массы Солнца. То же самое мы обнаруживаем и в атоме. В центре атома находится атомное «солнце» — ядро атома. Вокруг ядра на сравнительно больших расстояниях от него обращаются электроны. Чтобы получить представление об этих расстояниях, увеличим мысленно атом во много-много раз, так чтобы ядро его стало величиной, например, с футбольный мяч. Если предположить, что это «ядро» находится в центре Москвы, то в этом случае электроны вращались бы вокруг него на расстоянии в 30—50 километров.

Электроны заряжены отрицательно, ядро — положительно. Каждый электрон несет один отрицательный заряд. Ядро же заключает в себе столько положительных зарядов, сколько электронов содержится в атоме. Таким образом, количество отрицательных зарядов равно числу положительных. Поэтому они уравновешивают друг друга, и в целом атом обычно нейтрален, то есть не имеет никакого электрического заряда.

Различные атомы содержат разное число электронов. Самым простым оказался атом водорода. В этом атоме вокруг ядра вращается только один электрон. Следовательно, ядро атома водорода несет положительный заряд, равный по величине заряду одного электрона. Этот заряд и был принят за единицу. Ядро атома водорода, как наиболее простое, было названо протоном (от греческого слова «протос», что означает «первый»). Не удивительно, что именно атом водорода оказался устроенным проще других атомов. Ведь это самый легкий атом, и в таблице Менделеева, в которой элементы расположены в порядке возрастания атомных весов, водород находится на первом месте.

Модель атома водорода

Следующее место в таблице Менделеева занимает газ гелий. В атоме гелия вокруг ядра вращаются два электрона. Его ядро, следовательно, имеет два положительных заряда. Ядра атома гелия и представляют собой те самые альфа-частицы, которые были впервые обнаружены в лучах, испускаемых радием, и при помощи которых Резерфорд доказал существование атомного ядра.

За гелием в периодической системе следует литий. В его атоме — 3 электрона, и заряд его ядра равен трем единицам.

Как же расположены эти электроны в атоме лития? Оказалось, что два из них расположены примерно на одинаковом расстоянии от ядра, или, как говорят физики, «в одном слое». Третий же электрон вращается один, по пути, находящемуся дальше от ядра.

Ученые доказали, что в первом слое, ближайшем к ядру, не может быть более двух электронов. Так что всем остальным электронам приходится располагаться дальше от ядра, в других слоях.

Четвертый по порядку элемент таблицы — бериллий имеет в своем атоме 4 электрона, из которых 2 двигаются во внутреннем слое и 2 — во внешнем. У пятого элемента— бора — во внутреннем слое вращаются, как обычно, 2 электрона, во внешнем — 3.

Мы видим, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева совпадает с количеством электронов в его атоме, а следовательно, с величиной заряда ядра. Все известные в настоящее время химические элементы отличаются друг от друга величиной заряда ядра их атома. В атоме первого элемента, водорода, заряд ядра равен 1, в атоме последнего, менделевия,— 101.

В отдельных случаях расположение элементов в порядке возрастания атомного веса не совпадает с расположением в порядке возрастания заряда ядра. Например, ядро калия имеет больший заряд, чем ядро элемента аргона, а атомный вес калия меньше атомного веса аргона. В настоящее время принято располагать элементы в периодической системе по порядку возрастания заряда ядра, а не атомного веса, так как для характеристики элемента заряд ядра имеет более существенное значение, чем его атомный вес. Поэтому в таблице Менделеева аргон идет раньше калия, хотя его атомный вес больше.

Модель атома лития

Но как же объяснить периодичность изменения свойств химических элементов при переходе от элементов с меньшим атомным весом и зарядом к элементам с большим атомным весом и зарядом? Почему, например, элемент литий с зарядом ядра 3 и атомным весом 6,940 по своим химическим свойствам больше похож не на гелий и бериллий, своих соседей по весу и заряду, а на натрий, заряд ядра которого равен 11, а атомный вес — 22,991, или калий с зарядом ядра 19 и с атомным весом 39,100? Почему следующий за литием бериллий похож на соседа натрия — магний, а бор, расположенный вслед за бериллием, похож опять-таки не на своего соседа, а на алюминий, следующий за магнием?

Физики и химики, которые задавали себе этот вопрос в прошлом веке, когда атом считался неделимым, так и не смогли дать на него ответ. Только с выяснением внутреннего строения атома раскрылась тайна периодичности свойств элементов.

Дело в том, что химические свойства элементов связаны прежде всего со способностью атомов вступать в те или иные сочетания друг с другом, в результате чего образуются молекулы химических соединений. Способность же эта определяется количеством электронов, расположенных в наружной, наиболее удаленной от ядра части атома, тогда как электроны, находящиеся внутри, ближе к ядру, существенной роли в этом взаимодействии не играют.

Мы уже знаем, что в первом слое, ближайшем к ядру, может вращаться не более двух электронов. Но и во втором слое их, оказывается, может быть хотя и больше двух, но все же определенное, ограниченное количество, а именно 8. Поэтому если атом содержит более 10 электронов, то они вращаются не менее чем по трем орбитам: 2 — по первой, 8 —по второй, остальные —по третьей, четвертой и так далее.

Например, у натрия, заряд которого равен 11, на внешней (третьей) орбите находится один электрон. Но у лития с зарядом 3 во внешнем (в данном случае втором) слое также вращается один электрон. Химические свойства зависят главным образом не от того, сколько электронов вращается по внутренним орбитам, а от того, сколько электронов во внешнем слое. Поэтому вполне естественно, что литий по своим свойствам больше похож на натрий, чем на своего соседа бериллия. Ведь у бериллия на внешней орбите находится 2 электрона (заряд его ядра равен 4, следовательно, 2 электрона вращаются на внутренней орбите и 2 на внешней). Поэтому натрий и литий располагаются в таблице один под другим, в одной группе, тогда как. бериллий оказывается в другой группе.

Естественно возникает другой вопрос: почему в первом слое могут находиться только 2 электрона, во втором — 8? Современная физика дает ответ и на этот вопрос. Но объяснения этого слишком сложны, чтобы можно было их приводить здесь.

В 1919 году был сделан новый важный шаг вперед на пути к покорению мира атомов. Вспомним, что часть альфа-частиц, то есть ядер гелия, которыми Резерфорд в своем опыте бомбардировал золотую пластинку, отскакивала назад. Это были те частицы, которые сталкивались с ядрами атомов золота. Продолжая свои опыты, Резерфорд сделал новое, очень интересное открытие. Он установил, что ядра гелия могут не только отражаться от ядер других элементов, но и... проникать в глубь этих ядер. Нетрудно догадаться, какие возможности открываются в связи с этим перед наукой. Если внутрь ядра атома могут проникнуть и там остаться частицы каких-то других элементов, то это означает, что изменится ядро атома, в частности увеличится его заряд. А величина заряда ядра, как мы знаем, определяет свойства элементов. Поэтому, изменив заряд ядра какого-либо элемента, мы вместо него можем получить атомы другого химического элемента. Становится, таким образом, возможным превращение одних элементов в другие.

И действительно, такое превращение было вскоре осуществлено. Бомбардируя альфа-частицами атомы азота, Резерфорд при помощи простого и остроумного прибора обнаружил появление летящих с большой скоростью протонов, которых до этого в приборе не было. Этот результат был объяснен так. Ядро азота поглотило альфа-частицу, то есть ядро гелия, но при этом из него был вытеснен протон. Заряд ядра азота равен 7, а ядра гелия — 2. Следовательно, если мы прибавим к 7 зарядам 2 и вычтем 1 заряд вытесненного протона, то получим, что заряд нового ядра должен быть равен 8. При помощи таблицы Менделеева Резерфорд определил, что элементом с зарядом ядра 8 является кислород. Последующие опыты других физиков подтвердили, что при бомбардировке азота альфа-частицами действительно образуется кислород.

Вслед за превращением азота в кислород было осуществлено превращение ряда других химических элементов, например алюминия в кремний.

Эти открытия окончательно опровергли метафизическую идею о неизменности химических элементов и еще раз подтвердили учение диалектического материализма о вечно изменяющейся материи. Новое подтверждение правильности этого учения было получено при исследовании простейших частиц, входящих в состав атомов. Эти частицы называются элементарными.

Долгое время были известны только две элементарные частицы: отрицательно заряженные электроны, имеющие малую массу, и положительно заряженные протоны со сравнительно большой массой. Но в 1932 году были открыты новые частицы. Во-первых, был открыт нейтрон. Масса этой частицы приблизительно равна массе протона, но в отличие от протонов частицы эти не имеют электрического заряда. Они потому и были названы нейтронами (от латинского слова «нейтрум» — ни то, ни другое, то есть в данном случае ни положительный, ни отрицательный).

В том же году была открыта еще одна частица с массой, равной массе электрона, но несущая положительный заряд. Она получила название позитрона (от слова «позитивус» — положительный).

Вслед за этим были открыты заряженные частицы с массой, промежуточной между массой электрона и протона: тяжелее электрона, но легче протона. Они были названы мезонами (от греческого слова «месос» — средний).

Интересно отметить, что существование позитрона было определено сначала теоретически и предсказано до того, как он был открыт опытным путем.

С дальнейшим развитием науки физики открывали все новые и новые частицы. Больше всего было открыто мезонов, то есть частиц с промежуточной массой. При этом обнаружилось множество разновидностей мезонов различной массы. В 1948—1950 годах было установлено существование мезонов, не имеющих заряда,— нейтральных мезонов.

Много косвенных данных свидетельствует о существовании нейтрино — частицы, не имеющей заряда, с массой, меньшей 1/30 массы электрона. С другой стороны, в последнее время открыты частицы, более тяжелые, чем протон. Они были названы гиперонами (от греческого слова «гипер», что означает «сверх», «над»), поскольку их масса превышает массу всех известных до сих пор частиц. Получены сведения о существовании частиц с массой, равной массе протона, но с отрицательным зарядом. Они названы антипротонами.

Вслед за антипротонами были открыты частицы, противоположные по ряду своих свойств нейтронам, которые получили название антинейтронов.

Различных «сортов» элементарных частиц оказывается так много, и они обладают такими разнообразными свойствами, что от метафизических представлений о материи не остается камня на камне. Для всех стало вполне ясно, что попытки метафизиков свести все многообразие окружающего нас мира к различным сочетаниям простых, бескачественных частиц и их механическому перемещению в пространстве совершенно безнадежны.

Движение элементарных частиц оказалось не таким простым, как думали раньше. Наоборот, оно чрезвычайно сложно и совсем непохоже на простое перемещение в пространстве. Вопреки утверждениям метафизиков-механистов было установлено, что не физические процессы обусловлены механическим движением, а, наоборот, само механическое движение, в частности наблюдаемое нами перемещение тел в пространстве, обусловлено более сложными процессами, протекающими в этих телах.

Но самое большое разочарование постигло метафизиков, когда они узнали о некоторых других особенностях современных «кирпичиков мироздания». Они способны превращаться друг в друга. Так, например, нейтрон превращается в электрон и протон; протон — в нейтрон и позитрон и так далее. Электроны и позитроны, соединяясь вместе, исчезают совсем, и вместо них появляется вспышка света. Это явление очень обрадовало идеалистов. Наконец-то, заявили они, исчезла ненавистная материя! Была материя — электрон и позитрон, а после их соединения не стало ни того, ни другого.

Но читатель уже достаточно знаком с диалектическим материализмом, чтобы разобраться в этом вопросе. Появление вспышки света вместо электрона и позитрона его не смутит и не заставит поверить в идеалистический вывод об исчезновении материи. Он, конечно, прежде всего спросит, существует ли этот свет объективно, то есть независимо от нашего сознания, или нам только кажется, что он существует? Можем ли мы воспринять его нашими чувствами? Наука на эти вопросы отвечает положительно. Следовательно, свет — это тоже материя, и при исчезновении электрона и позитрона происходит не исчезновение материи вообще, а лишь превращение одного вида материи в другой.

Превращение разных форм материи друг в друга свидетельствует о единстве материального мира, о том, что, несмотря на различие, во всех этих формах есть общее.

Благодаря таким превращениям многие элементарные частицы очень недолговечны. Так, например, мезоны и позитроны «живут» миллионные доли секунды. Так же неустойчивы и вновь открытые частицы — гипероны.

Как видим, эти частицы очень мало похожи на неизменные «кирпичики мироздания».

Но какие же элементарные частицы входят в состав ядер атомов? Некоторое время предполагали, что в ядре находятся протоны, количество которых равно атомному весу элемента, и электроны, которые уравновешивают часть положительных зарядов ядра. Так что общий заряд ядра считался равным общему количеству содержащихся в ядре протонов, за вычетом тех протонов, которые нейтрализуются электронами, находящимися там.

Позже было доказано, что это предположение противоречит ряду прочно установленных в физике положений, а поэтому пришлось отказаться от него.

Выяснить строение атомного ядра помогло открытие нейтрона. Советским физиком Д. Д. Иваненко была высказана мысль о том, что в состав ядра входят не протоны и электроны, а протоны и нейтроны. Количество протонов определяет заряд ядра, а общее количество прогонов и нейтронов, вместе взятых, равно его атомному весу.

Но как объяснить в таком случае тот факт, что при радиоактивном излучении из ядра атома выделяются бета-лучи, то есть электроны?

Электронов в ядре действительно нет, но они рождаются ядром в результате превращений частиц, входящих в его состав. Так, нейтрон порождает электрон, превращаясь в протон. Этим и объясняется испускание бета-лучей (то есть потока электронов ) радиоактивными веществами. Испускание альфа-лучей (то есть ядер гелия) объясняют так. Ядро атома гелия, в которое входят 2 протона и 2 нейтрона, обладает особой прочностью. Поэтому из радиоактивных веществ часто вырываются вместе 2 протона и 2 нейтрона, то есть альфа-частицы.

В связи с протонно-нейтронной теорией атомного ядра возникает следующий вопрос. Чем объяснить, что ядра не рассыпаются и представляют собой довольно устойчивые образования, особенно ядра гелия? Ведь известно, что все протоны заряжены положительно, а положительные заряды отталкиваются друг от друга. Нейтроны же в этом случае никакого электрического действия оказывать не могут, поскольку они не имеют заряда.

Размышления над этим вопросом привели к предположению, что внутри ядра действуют новые, ранее неизвестные, мощные силы, во много раз превосходящие силы электрического отталкивания. Природа этих сил полностью еще до сих пор не изучена. Но ясно то, что эти силы громадны. Сила электрического отталкивания тем больше, чем меньше расстояние. Поэтому при тех малых расстояниях, которые имеются между протонами в ядре, силы отталкивания между ними должны быть очень велики. А для того чтобы, несмотря на это, удержать протоны в ядре, требуются еще большие силы.

Такие мощные силы способны совершать и огромную работу, во много раз превосходящую ту, которая производится при помощи других известных нам сил — пара, электричества и так далее. Способность совершать работу, как мы уже говорили, называется в физике энергией. Следовательно, атомные ядра в своей совокупности обладают очень большой энергией.

О колоссальном количестве энергии, заключенной в атомных ядрах, можно было судить и на основании других соображений. После того как были произведены точные измерения масс протонов и нейтронов, ученых поразило одно очень странное явление. Масса ядра гелия (то есть альфа-частицы), состоящего из двух протонов и двух нейтронов, оказалась меньше, чем сумма масс двух протонов и двух нейтронов, взятых в отдельности. Выходит, при соединении четырех отдельных частиц в одну сложную частицу куда-то исчезает часть массы.

Этот странный факт был объяснен на основе формулы о соотношении между массой и энергией. Это соотношение было установлено известным американским физиком Альбертом Эйнштейном, которого Ленин назвал одним из «великих преобразователей естествознания».

А. Эйнштейн доказал, что масса тела тесно связана с его энергией. С увеличением энергии тела растет и его масса. Например, если тело нагреть, то его энергия от этого увеличится, следовательно, увеличится и масса. Но это увеличение массы нагретого тела не будет заметно, так как по соотношению Эйнштейна очень большим количествам энергии соответствует очень маленькая масса.

С точки зрения соотношения Эйнштейна можно понять кажущееся исчезновение части массы при соединении протонов и нейтронов. В процессе этого соединения выделяется большое количество энергии. Вместе с выделенной энергией уходит и часть массы.

О величине энергии, выделяемой при этом, можно судить по такому соотношению. С массой вещества, равной 1 грамму, связано такое количество энергии, которого хватило бы, чтобы вскипятить озеро объемом в двести тысяч кубических метров.

Теперь нам становится понятным и тог в свое время поразивший физиков факт, что кусок радия выделяет энергию непрерывно, без каких-либо заметных изменений. Никакого нарушения закона сохранения энергии здесь не происходит. Все объясняется тем, что радий заключает в себе огромное количество энергии. Количество это настолько велико, что уменьшение энергии при излучении остается для нас совсем незаметным. Нам кажется, что она выделяется все в одних и тех же количествах, сколько бы времени ни происходило излучение.

Представьте себе, что вы черпаете воду из океана ведром. Несомненно, вода в ведре не появляется из ничего. Но в океане воды так много, что мы совершенно не в состоянии заметить ее убыль при этом, хотя ее, конечно, и становится меньше. Точно так же уменьшается и запас энергии радия при излучении. Подсчитано, что за 1600 лет интенсивность излучения радия уменьшится наполовину. А интенсивность излучения урана уменьшится наполовину лишь за 4,5 миллиарда лет.

Вся энергия, которой до сих пор пользовались на земле,— энергия, выделяющаяся при сгорании дерева, каменного угля, нефти, энергия ветра и падающей воды — представляет собой по сути дела преобразованную различным образом энергию солнечных лучей. Без солнца не росли бы деревья, вода постоянно находилась бы на одном уровне и, следовательно, нельзя было бы использовать ее энергию.

Но откуда же берется колоссальная энергия солнечного шара, миллионы лет щедро расточающего свои лучи по необъятным просторам Вселенной? Многие столетия ученые безуспешно бились над этой проблемой. Они высчитали, что если бы Солнце состояло целиком из каменного угля и кислорода, то энергии, выделяемой при его сгорании, хватило бы всего на 500 лет его деятельности. Теперь, наконец, физики приподняли завесу над тайной источника солнечной энергии. Ядерные реакции — вот что может ее объяснить. Энергии, выделяемой при ядерной реакции превращения водорода в гелий, Солнцу хватит на много миллиардов лет.

Все эти открытия физиков приводили к мысли о том, какую огромную пользу могло бы принести человеку использование тех мощных запасов энергии, которые содержатся в атомном ядре.

Уже тогда, в 30-х годах, ученые говорили о возможности практического применения атомной энергии, но относили это к отдаленному будущему. Однако эта возможность открылась значительно раньше.

Перед второй мировой войной было открыто одно явление, позволившее практически использовать атомную энергию. Обнаружилось, что если направить поток нейтронов на ядра урана, то они раскалываются на две части — ядра других элементов. При этом получаются новые нейтроны и выделяется большое количество энергии. Новые, «вторичные», нейтроны разбивают другие ядра урана, причем снова выделяется энергия и образуются новые нейтроны и так далее. Получается, как говорят химики, цепная, то есть непрерывная, реакция,

Это явление вначале использовалось лишь для создания атомных бомб.

Первыми применили атомную энергию в мирных целях советские ученые. Здесь ими достигнуты значительные успехи.

В Советском Союзе построена первая в мире электростанция , работающая на атомной энергии. Ледокол «Ленин» с мощным атомным двигателем прорезал вековые льды Арктики. Уже сейчас всюду проникает атомная энергия. Ее используют не только там, где требуется большое количество энергии, но и во многих других случаях. Например, при помощи энергии атома медицина борется с такой опасной болезнью, как рак. Лучи, выделяющиеся при распаде атомных ядер, разрушают раковые клетки, оставляя неповрежденными здоровые. Сельское хозяйство также использует энергию атомных ядер. Так, семена, подвергнутые облучению при помощи радиоактивных веществ, дают больший урожай.

Использование радиоактивных веществ позволяет биологам и агрономам следить за процессами, совершающимися в растениях и в почве, за тем, как растения осваивают питательные вещества. С помощью этих методов ученые открыли, что большую роль в повышении урожайности может играть не только внесение удобрений в почву, но и опрыскивание, опыление и окуривание растений питательными веществами.

Широко используются радиоактивные вещества и в промышленности. С их помощью изучаются, например, процессы плавки металлов в мартеновской печи, определяется качество металлических изделий — выясняется, нет ли в них скрытых пороков: пустот или трещин. На судостроительных заводах с помощью гамма-лучей контролируется качество сварки отдельных частей корпуса корабля.

Семилетний план развития народного хозяйства СССР дает новую широкую программу применения атомной энергии в мирных целях. Будут построены новые мощные атомные электростанции. Самое широкое применение найдет использование явления радиоактивности в промышленности, сельском хозяйстве и медицине.

Но все это только начало. В будущем человечество научится использовать атомную энергию так же широко, как оно научилось использовать энергию пара и электричества. Человечество сделает новый громадный шаг вперед в овладении силами природы. И этот шаг, как мы видели, начал подготавливаться уже тогда, когда люди впервые поставили перед собой вопрос о том, что такое материя и каково ее строение.