Страница 15 из 77
Атом образован за счет электростатических сил, действующих между ядром и электронными оболочками. В нормальном состоянии атом нейтрален. Это значит, что положительный заряд ядра скомпенсирован суммой отрицательных зарядов электронов так хорошо, что издали невозможно обнаружить присутствие в атоме заряженных частиц. Мы знаем, что они есть, что ядро и электроны заряжены. Нужно лишь сделать еще шаг. Нужно изучить свойства атомов, наблюдая их с близкого расстояния. При этом, конечно, картина изменится.
Здесь физика призывает на помощь химию, можно сказать — физика порождает химию. Даже нейтральные атомы (если это не атомы инертных газов с их замкнутыми внешними электронными оболочками) взаимодействуют между собой так, чтобы обеспечить еще более полную компенсацию электрических зарядов и спинов электронов. Так, в результате взаимодействия электронов двух или нескольких атомов образуются молекулы, еще более скомпенсированные, еще более нейтральные структуры. Но и здесь компенсация оказывается не идеальной. Если две молекулы сближаются между собой очень тесно, то они «чувствуют», что их электрические поля или силы скомпенсированы не полностью. Остатки этих сил притягивают молекулы так сильно, что они объединяются в большие коллективы.
Если температура не слишком велика, объединение продолжается. Молекулы газов, не чувствующие друг друга на расстоянии, взаимодействующие в газах только при случайных соударениях, при понижении температуры образуют жидкость, а при еще более низких температурах — твердые тела. Тепловое движение оставляет молекулам, входящим в состав жидкостей и твердых тел, какую-то долю независимости. В жидкостях они могут перемещаться и вращаться, в твердых телах они способны колебаться относительно положений своего равновесия, относительно своих соседей. Те из них, что находятся на поверхности, могут даже оторваться от коллектива — испариться.
Но если охлаждение происходит медленно, то из жидкости возникают кристаллы. Оказывается, что и за пределы молекул выходят достаточно сильные остатки их внутренних электрических полей. Полей, которые скомпенсировались при образовании атомов и еще полнее скомпенсировались при образовании молекул. Теперь компенсируются остатки, выходящие за пределы молекул. Они заставляют молекулы выстраиваться в регулярные структуры, образующие кристаллы. Во многих отношениях кристалл ведет себя как огромная молекула, состоящая из большого количества однотипных молекул или ионов.
Опираясь на нашу аналогию, обратимся снова к кваркам. Нечто подобное происходит и в тех глубинах материального мира, где действуют кварки и глюоны.
Под влиянием сильного взаимодействия вполне определенные комбинации кварков и глюонов образуют все известные ядерные частицы — протоны, нейтроны и остальные адроны. При этом кварки обмениваются глюонами аналогично тому, как протоны и нейтроны, обмениваясь пионами, образуют ядра атомов. В ходе такого обмена сильные взаимодействия в существенной мере компенсируются. Их невозможно обнаружить на большом расстоянии от нуклона. Ядерные силы являются нескомпенсированным остатком сильных взаимодействий. На близких расстояниях ядерные силы, эти остатки сильных взаимодействий, много сильнее сил электрического отталкивания. Поэтому они удерживают протоны и нейтроны внутри ядер. Они могут привести и к слиянию ядер, если эти ядра окажутся на достаточно близком расстоянии. Например, при сближении ядер-снарядов с ядрами-мишени.
То, что изложено здесь, это картина, набросанная на основе аналогий. Ученые создают при помощи этой грубой модели все более точные модели, которые рано или поздно превратятся в математические модели и уравнения. Решение этих уравнений позволит объяснить структуру ядер, Порядок перехода от одночастичного ядра атома водорода — протона — к двухчастичному (протон плюс нейтрон) ядру атома дейтерия — дейтону, к трехчастичному (протон плюс два нейтрона) ядру атома трития — тритону или ядру гелия-3, содержащему два протона и один нейтрон, и так далее, к урану и трансурановым элементам.
Когда такая математическая модель будет построена и соответствующие уравнения будут решены, полученные решения позволят наконец понять, почему ядра образуются такими, какими мы их видим в соответствии с таблицей Менделеева. Мы ответим на вопрос: где предел этой таблицы? Мы будем знать, какие трансурановые элементы еще можно синтезировать. Действительно ли существует остров или острова стабильности и, если они существуют, то как следует до них добираться?..
Мы рассказали только начало истории познания строения материи. Мы оттолкнулись только от одного удивительного предчувствия — прозрения гениального русского химика Менделеева. Эта история продолжается, она вовлекает в сферу своих интересов все новые разумы, она вдохновляет на научные свершения юных — за ними следующее слово, за ними новые предчувствия и свершения.
ГЛАВА 2
ЯЗЫК МОЛЕКУЛ
Национальной науки нет, как нет национальной таблицы умножения.
А. П. Чехов
Цвет неба
Объяснить происхождение цвета неба старались уже средневековые ученые. Некоторые из них предполагали, что синий цвет есть истинный цвет воздуха или отдельных его частей. Другие считали, что настоящий цвет неба черный, такой, каким он кажется ночью. Они утверждали, что голубая окраска, видимая днем, есть результат смешения белого цвета солнечных лучей и черного межзвездного пространства.
Этим вопросом заинтересовался и великий английский ученый Исаак Ньютон. Он сразу отверг предшествующие теории. Проводя многочисленные опыты со смешением цветов, Ньютон убедился в том, что смесь белого и черного цвета никогда не образует голубого. Наблюдения заставили его отбросить и предположение о том, что синий цвет есть истинный цвет воздуха. Ведь в этом случае Солнце и Луна на восходе и закате должны казаться не красными, как это есть в действительности, а голубыми. Такими выглядели бы и вершины отдаленных снежных гор. Если бы воздух был окрашен даже очень слабо, то толстый слой его по своим свойствам был бы таким же, как окрашенное стекло. Но если смотреть сквозь окрашенное стекло, то все предметы кажутся такого же цвета, как это стекло. Однако отдаленные снежные вершины представляются нам розоватыми, а вовсе не голубыми.
Ньютон предположил, что голубая окраска неба и обыкновенная радуга вызываются одними и теми же причинами. Он считал, что это результат особого рассеивания света на мелких водяных пузырьках, которые, по его мнению, всегда присутствуют в воздухе.
Радуга действительно образуется при прохождении солнечных лучей через рои дождевых капель. Свет Солнца входит в каплю, преломляясь на ее поверхности, отражается от ее задней границы и вновь преломляется, выходя из капли. При этом белый свет, излучаемый Солнцем, распадается на составляющие его цвета. Каждый из них распространяется в определенном направлении. Семь цветов радуги кажутся исходящими из узких дугообразных участков небосвода. При этом Солнце находится за спиной наблюдателя.
Но гипотеза Ньютона о происхождении голубого цвета неба теперь кажется нам очень странной. Известно, что в ясную погоду, когда небо сияет особой голубизной, в нем нет водяных капель. Однако в то время считалось, что водяные пары собираются в воздухе в виде маленьких пузырьков, напоминающих мельчайшие мыльные пузыри. Ньютон, как и другие ученые того времени, думал, что эти пузырьки в течение длительного времени плавают в воздухе.
Много позже идею Ньютона опровергли метеорологи. Наблюдения и измерения доказали, что водяных пузырьков, присутствием которых Ньютон объяснял окраску неба, в действительности не существует.
В таком состоянии находился вопрос о голубом цвете неба, когда за его разрешение взялся английский физик Релей.
Пылинки вместо пузырьков
Релей занимался оптикой, а люди, посвятившие свою жизнь науке о свете — оптике, много времени проводят в темноте. Посторонний свет мешает оптическим исследованиям, поэтому окна оптической лаборатории почти всегда затянуты черными светонепроницаемыми шторами.