Физика для "чайников"

Подходим к финишу! Осталась последняя, в чём-то очень простая, но и в чём-то очень сложная часть. Простая потому, что самая сложная математика здесь на уровне "прибавить-отнять". Сложная потому, что глазами представить всё то, что и как творится во вроде бы и без того крошечном атомном ядре, не очень просто. И в том, что ядерная физика тесно сплетена всё с той же химией и с квантовой механикой. Но это последний раздел, после него всё закончится. Как перед нырком - набрали воздуха и вперёд.

Значится, атом состоит из ядра и электронов. А ядро состоит, в свою очередь, из протонов и нейтронов, которые друг за другом тоже были открыты. Оба примерно в 2000 раз тяжелее электрона, но не совсем одинаково. Заряд протона - положительный и равен заряду электрона. Нейтрон электронейтрален (у него заряд - 0). Из основных параметров всё. Но всё бы хорошо, да есть несколько "но". Во-первых, почему протоны не отталкиваются друг от друга, у них же одинаковые по знаку заряды? Во-вторых, почему они вообще все держатся вместе? В-третьих, почему некоторые из них не могут держаться вместе и разваливаются, отчего человечество стало рисовать страшный знак с тремя лучами от точки - знак радиоактивности? И, в-четвёртых, каверзный вопрос: а не состоят ли они сами из чего-нибудь ещё более мелкого? Обо всём - по порядку.

Первый момент. По логике, да - протоны должны разлетаться прочь друг от друга из-за сил кулоновского отталкивания. Но почему-то этого не происходит. Думали, гадали, почему так: это явно силы не электрического происхождения. И не гравитационного - хоть и расстояние между протонами очень маленькое, массы их ещё меньше, и сила притяжения их друг к другу тоже крайне мала. Все основные виды взаимодействий исчерпали. Тогда решили, что это дело рук третьего, ещё неизвестного, взаимодействия, которое назвали "сильным". Именно оно удерживает частички сцепленными друг с другом, причём делать это может только на небольшом расстоянии - на большом сила притяжения резко падает. Благодаря этому сильное взаимодействие получило жаргонное (да, у физиков тоже есть жаргон) прозвище "богатырь с короткими руками". Всё, в школьной физике про него больше почти ничего не известно (почему "почти", смотри самый конец).

Второй момент. Всё тот же принцип "природа стремится к равновесию" - раз все частички (протоны и нейтроны часто обзывают "нуклонами", так как "нукл" - это ядро) связаны между собой, значит, это для ядра чем-то выгодно. А именно: чтобы разорвать пучок из нуклонов, нужно снова затратить какую-то энергию. Она называется энергией связи - это энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить атом на отдельные частички. (Есть ещё "удельная энергия связи", это энергия связи делить на количество нуклонов.) Значение этой энергии и определяется сильным взаимодействием. Эта энергия достаточно мала, чтобы мерить её в джоулях, поэтому здесь у неё специальная величина - электронвольт (эВ). Это энергия, которую приобретает 1 электрон, ускоренный напряжением в 1 В. То есть 1 эВ = 1.6*10^-19 Дж. Удельная энергия связи лёгких ядер составляет примерно 0.8 МэВ/нуклон. Да, наверное, это ни о чём не говорит. Ладно, об этом чуть позже. Здесь остаётся отметить только одну вещь, которую обычно не отмечают в таблице Менделеева, но которая при этом существует: изотопы. Это атомы, в ядрах которых поселился один или несколько "лишних" нейтронов, либо, наоборот, из которых ушли один или несколько нейтронов. Наиболее известные изотопы - это изотопы урана и водорода. У урана (атомная масса = 238 а.е.м.) есть такие изотопы: уран-234 и наиболее известный - уран-235. Массы у них соответственно: 234 и 235 а.е.м., то есть у первого "отлипли" 4 нейтрона, у второго - три. У водорода, наоборот, нейтроны прибавляются: обычный водород их вообще не содержит, на совсем сухом научном языке он называется "протий" (атомная масса - 1 а.е.м.). Если добавить один нейтрон, получится водород с массой 2 а.е.м., который называется "дейтерий", он даже обозначается своей буквой - D вместо H. Вода, в которой вместо водорода - дейтерий, называется тяжёлой, внешне мало отличается от обычной и даже несильно ядовита. Если же добавить ещё один нейтрон, то такой "водород" будет называться "тритий", у него атомная масса 3 а.е.м., и вместе он свои внутренности держать уже будет с трудом - он радиоактивен. Обозначается тоже своей буквой - T, вода T2O называется сверхтяжёлой.

Третий момент, которым прожужжал уже все уши. Радиоактивность - что это за зверь и с чем его едят? Разбираемся по порядку. Как я уже несколько раз повторял выше, есть атомы "стабильные" и "нестабильные". Стабильные существуют долгое время без изменений, а у нестабильных энергии связи не хватает на то, чтобы держать все нуклоны связанными друг с другом - их тупо слишком много, в охапке их не удержишь: одно дело, когда у тебя в руках просто пара карандашей, другое - когда нужно унести с собой в двух руках четыре набора цветных карандашей без коробок и ещё с десяток ручек впридачу. Какие-то из них могут упасть, причём упасть может как один карандашик, так и большая пачка, а то и с половину где-нибудь. Примерно так и получается при радиоактивном распаде: ядро атома периодически разваливается на составные части, выплёвывая при этом в виде того, что мы называем радиацией, всякую гадость. Эту гадость можно разделить на три части.

Первые - это "альфа-частицы". В сравнении с карандашами - это небольшая пачка (штуки 4) карандашей, падающих из рук. Альфа-частица представляет собой не что иное, как ядро атома гелия. Почему именно гелий - а пёс его знает. Скорее всего, потому, что два протона и два нейтрона, вместе связанные, обладают наибольшей энергией связи, их труднее всего разъединить. Когда такая частичка отваливается от атома, его номер уменьшается на 2, а атомная масса - на 4. То есть уран-238 при альфа-распаде превратится в торий (масса = 234, атомный номер = 90). (Торий тоже радиоактивен, поэтому и он со временем будет как-то разваливаться - и так до тех пор, пока не отвалится столько частичек, что атом не станет стабильным - например, хотя бы до свинца, у которого атомный номер = 82.) По опасности альфа-излучение можно сравнить с ползущим в дрянь пьяным толстяком: прямое столкновение с ним не принесёт практически никаких повреждений. Альфа-частицы хоть и большие (по сравнению с мелкими частицами), но слабы по энергии - защититься от них можно даже обычным листом бумаги.

Второй вид выплёвываемых частиц назвали буквой "бета" - бета-частицы. (Это можно сравнить с одним карандашом, выпадающим из рук.) Потом оказалось, что это всего лишь летящие электрончики. Отсюда вполне логичное утверждение: когда ядро испытывает бета-распад, его заряд повышается на 1, а массовое число не меняется. Строго говоря, бета-распад гораздо сложнее; выплёвывание электронов - это не единственное его проявление, можно ещё плеваться частичкой под названием "нейтрино" или даже "античастицами". (!) Но в школе обычно ограничиваются только электронами. По опасности бета-излучение можно сравнить с бегущим человеком: при столкновении можно разве что легко ушибиться. Конечно, это уже зависит от того, насколько быстро человек бежит - точно так же и опасность от бета-излучения зависит от энергии электронов, но в целом считается, что от бета-частиц можно защититься при помощи листа алюминиевой фольги.

Третий вид, уже знакомый ранее и самый опасный - это гамма-лучи. Это уже никакие не частицы, при гамма-распаде заряд и массовое число ядра не меняются. Причины его сидят ещё глубже, чем в альфа- и бета-распадах: само ядро атома может возбудиться от какого-то взаимодействия, причём возбуждённое состояние будет длиться достаточно долго (по атомным или ядерным меркам, конечно). В конце концов, оно "успокоится" и вернётся в обычное состояние, но при этом испустит квант электромагнитной энергии - причём значение этой энергии настолько большое, что по опасности гамма-излучение можно сравнить с летящим на полном ходу высокоскоростным поездом, машиной Формулы-1 или самолётом: при наезде - мгновенная смерть. В жизни всё не настолько страшно, один гамма-квант (или десять) никого не погубит, но вот если их слишком много... Защититься от них можно только чем-нибудь ядрёным вроде слоя свинца толщиной в несколько сантиметров или даже десятков сантиметров - опять-таки, в зависимости от энергии кванта. (Вместо свинца может быть и другой материал, но он должен быть очень плотным - именно большой атомный номер позволяет затормозить гамма-лучи.)