Рассказ о строении вещества: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Мир необычайно малых частиц, как мы уже сказали, — мир особый. Поэтому мы не можем подходить к нему только с теми законами, к которым привыкли в мире больших вещей.

В мире малого имеются, кроме того, свои законы, свои закономерности.

Каковы эти законы? Пока мы их полностью не знаем. А то, что мы уже знаем, подчас не вяжется с нашими привычными представлениями.

Так именно и обстоит дело с дифракцией мельчайших частичек. Очевидно, что все эти частички движутся по каким-то своим законам, а не по законам хорошо известной нам механики, управляющей движением больших тел. Согласно этим особым законам движутся и электроны в атомах.

Мы стремимся при помощи опыта познать законы мира малого. Путь к этому один — дальнейшее изучение строения атома и главным образом его центральной части — ядра, в котором действуют ещё мало изученные ядерные силы. При изучении атомного ядра, можно надеяться, будут найдены и объяснены многие закономерности мира малых частиц.

По этому пути и идёт наука наших дней. И уже теперь, спустя немного лет после своего зарождения, ядерная физика достигла изумительных результатов.

Что же мы знаем о строении ядра в настоящее время и что это нам дало в применении к практической жизни?

3. К центру атома

Когда мы нагреваем воду, её невидимые частички — молекулы — с повышением температуры движутся всё быстрее и быстрее. Однако какого-либо нарушения внутреннего строения молекул при этом не происходит. Так бывает при любом физическом изменении тел — при их плавлении, испарении и т. д.

Если же происходит химическое изменение какого-либо тела, то при этом изменяются уже молекулы: они распадаются на атомы, и из последних образуются молекулы новых веществ; соединяясь по-новому, атомы образуют новые атомные группы, новые молекулы. Таким образом, говоря иными словами, все химические реакции связаны с движением электронов в атомах. Атомные же ядра не принимают в этом никакого участия. При любых химических превращениях с ядром ничего не случается — оно лишь переходит вместе с атомом из одного соединения в другое. Поэтому-то и не могли иметь успеха все многовековые попытки алхимиков превратить один элемент в другой химическим путём.

Не меняется атомное ядро и при таких воздействиях, как сильное сжатие, нагревание или обработка химических соединений различными растворителями.

Проникнуть внутрь очень плотного ядра, разбить его на части также чрезвычайно трудно. Узнать поэтому, как устроено атомное ядро, оказалось несравненно труднее, нежели выяснить строение самого атома. Однако физики успешно справляются и с этой задачей, хотя изучением атомного ядра занялись совсем недавно — всего каких-нибудь 30 лет назад.

Как же устроено ядро согласно данным современной физики?

Как известно, положительный заряд ядра самого лёгкого атома — атома водорода — равен 1. Поэтому ядро атома водорода стали считать за простейшую положительную частичку и назвали его протоном («протон» значит «первичный»). Позднее было найдено, что протон действительно является элементарной частичкой с минимальным положительным зарядом. В опытах по расщеплению атомных ядер учёные установили, что протоны входят в состав ядер всех атомов.

Однако состоять из одних протонов ядра атомов не могут. Если бы это было так, то масса каждого атома должна была бы быть во столько же раз больше массы атома водорода, во сколько раз число электронов в оболочке этого атома больше числа электронов в атоме водорода. В самом деле, в атоме водорода находится один электрон, и масса его равна массе одного протона. Значит, масса атома следующего элемента — гелия, который имеет в своей оболочке два электрона, должна была бы быть равной массе двух протонов. Точно так же углерод, имеющий 6 электронов, должен иметь массу, равную 6 протонам. В действительности мы, однако, наблюдаем другое. Масса атома гелия равна массе не 2 протонов, а 4; атом углерода имеет массу не 6 протонов, а 12. Таким образом, ясно, что в атомном ядре содержатся ещё какие-то другие частицы, помимо протонов.

Что это за частицы?

Было предположено, что в состав ядра входят наряду с протонами электроны. При этом всегда число протонов в ядре больше, чем электронов, так, чтобы остающийся неуравновешенным положительный заряд ядра был равен отрицательному заряду всех электронов электронной оболочки.

Такой взгляд на строение атомного ядра, казалось бы, подтверждался также и тем, что как при самопроизвольном распаде радиоактивных веществ, так и при искусственном расщеплении атомных ядер из них часто вылетают электроны.

Однако ряд опытов и расчётов заставил физиков отказаться от такого объяснения устройства ядра.

И перед учёными снова встал вопрос: каково же строение атомного ядра? Ведь неоспоримо, что что-то должно входить, помимо протонов, в состав ядра.

Это «что-то» было найдено в 1932 году. При опытах «бомбардировки» альфа-частицами атомов бериллия была найдена новая частица, не имеющая никакого заряда. Масса этой частицы, названной нейтроном, оказалась почти точно равной массе протона.

Открытие нейтрона имело большое значение для учения о составе атомного ядра. Согласно теории, впервые предложенной советским учёным Д. Д. Иваненко и теперь общепризнанной, ядро атома состоит из нейтронов и протонов, входящих в него примерно в равном количестве. Так, считают, что ядро атома гелия содержит 2 протона и 2 нейтрона. Таким образом, общая масса атома гелия равна массе 4 протонов, а заряд его ядра — 2 элементарным зарядам. Ядро фосфора, имеющее заряд 15 и массу 31, построено из 16 нейтронов и 15 протонов и т. д.

Вопрос о природе и характере тех особых сил, которые связывают в ядре нейтроны с протонами и обусловливают огромную устойчивость большинства ядер обычных (нерадиоактивных) атомов, остаётся ещё окончательно не решенным.

Что, действительно, может удерживать нейтроны и протоны в атомном ядре? Электрические силы? Но электрические силы оказывают только «разрыхляющее» действие на ядро, вызывая отталкивание протонов друг от друга. Таким образом, здесь мы встречаемся с какими-то особыми силами, названными ядерными, природа которых для нас еще далеко не ясна. Ясно лишь, что эти особые ядерные силы очень велики; ведь они должны не только «цементировать», скреплять в ядре нейтроны и протоны, но и преодолевать электрические силы взаимного отталкивания между протонами, потому что эти положительно заряженные частички, отталкиваясь друг от друга, стремятся разлететься во все стороны.

В действительности мы видим, что большинство атомных ядер настолько прочно, что ни высокая температура, ни высокое давление не могут их разрушить. Следовательно, ядерные силы, о природе которых мы можем пока только догадываться, должны быть огромны.

Таков этот необычный мир малого, мир атома. Как сложен, оказывается, этот «кирпич мироздания», еще так недавно считавшийся твёрдым, непроницаемым и неделимым!

VIII. РУКАМИ ЧЕЛОВЕКА

1. «Алхимики XX века»

А теперь, когда наш рассказ о строении вещества подходит к концу, вспомним еще раз об алхимиках.

Сколько поколений учёных прошлого ценой всей своей жизни старалось превратить заманчивую мечту в действительность. Свинец — в серебро, медь — в золото! Увы! Это так и осталось для них мечтой. Теперь, когда мы читаем о работах алхимиков, мы ясно видим, почему они не могли воплотить свою мечту в жизнь. Для этого у них не было главного — истинного знания природы вещей, не говоря уже об отсутствии технических возможностей нашего времени.