Вселенная в электроне

В средние века, когда место науки заняла слепая вера в то, что ответы на все вопросы содержатся в святом писании, атомистику причисляли к изобретениям дьявола. Сторонников атомного учения преследовали еще в XVII веке. В 1624 году в Париже был издан специальный декрет, грозивший смертной казнью за устное или письменное распространение этого учения.

Права гражданства атому вернули лишь в начале прошлого века в связи с успехами быстро развивавшейся химии. Без этого нельзя уже было разобраться в разнообразии химических реакций. Главную роль в восстановлении прав атома сыграл английский химик Джон Дальтон. Он же воскресил и стал широко использовать в своих трудах забытое греческое слово «атом».

Атомная теория Дальтона не была простым повторением древнегреческой атомистики. В новой теории число различных типов атомов хотя и велико — много десятков (на сегодняшний день известно 109 различных атомов), но все же не бесконечно, как у Демокрита. Дальтон нашел много фактов, убедивших ученых в том, что атомы — это неделимые частицы ограниченного числа наипростейших веществ — химических элементов. Все остальные вещества состоят из тесно связанных больших и малых групп атомов — молекул. Они могут быть самыми различными — от одноатомных молекул металлов до страшно сложных, состоящих из десятков тысяч атомов белковых молекул. Это самая первая ступенька структурной лестницы, атомы — следующая.

Анатомия атома

В 1869 году внимание ученого мира было обращено к холодным и строгим шпилям Петербурга. Оттуда пришла сенсационная новость: 35-летний профессор Петербургского университета Д. И. Менделеев установил, что между атомами существует связь, которая проявляется в периодичности их свойств. Это было выдающимся открытием. И не только потому, что теперь можно было пересчитать все типы атомов, существующие в природе, в том числе и еще не открытые. Периодический закон Менделеева подсказывал, что в природе должно быть что-то еще более простое и первичное, чем атомы, то, что является причиной и порождает периодичность атомных свойств. Другими словами, должна быть следующая, заатомная ступенька. Неделимый атом должен делиться на части!

К такому выводу приводили и некоторые другие наблюдения. Так, было известно, что под действием высокого напряжения металлы испускают отрицательные электрические заряды. Московский физик А. Г. Столетов обнаружил, что такие заряды (их стали называть электронами) выбиваются из металлов лучами света. Все это наводило на мысль, что электроны входят в состав атомов. А отсюда сразу следовал другой вывод: в атоме есть положительно заряженная часть — ведь в целом-то вещество не имеет заряда, оно нейтрально.

Англичанин Дж. Томсон считал, что по своему строению атом похож на круглую булку с изюмом: положительно заряженное тесто с изюминками — электронами. За три года до конца XIX века Томсон измерил массу электрона. Оказалось, что он почти во столько же раз легче атома водорода, самого легкого из всех атомов, во сколько Земля легче Солнца. Возможно, именно эта аналогия навела француза Ж. Перрена на мысль о том, что атом устроен наподобие Солнечной системы — в центре тяжелое ядро с положительным электрическим зарядом, вокруг вращаются планеты — электроны. Статья Перрена, увидевшая свет в первый год нового, XX века, так и называлась: «Ядерно-планетарное строение атома».

Какая из этих двух моделей правильная — булка с отрицательно заряженным изюмом или микроскопическая солнечная система, — решили опыты Эрнста Резерфорда. Он первым потрогал, а лучше сказать — прощупал, атом с помощью альфа-частиц.

Альфа-частицы — это ядра атомов гелия. Они испускаются распадающимися атомами радия и, попадая на экран из светящегося материала, вызывают вспышки — маленькие искорки в тех местах, где частицы столкнулись с экраном. Точно так же экраны наших телевизоров светятся под действием пучка электронов. Так вот, пролетая сквозь атомы, альфа-частицы испытывают на себе действие их электрических полей, траектории частиц искривляются, и вместо одного светящегося пятнышка, которое оставил бы нерассеянный пучок альфа-частиц, на экране возникает россыпь искорок. При этом если экран установить в стороне, противоположной направлению движения первичного пучка, то на нем тоже иногда вспыхивают искорки — как будто некоторые альфа-частицы сталкиваются с чем-то очень тяжелым и отскакивают в обратном направлении, как горошины от стального бильярдного шарика. Роль такого шарика играет атомное ядро. Победила планетарная модель Перрена. «Это было похоже на то, — вспоминал впоследствии Резерфорд, — как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листка газетной бумаги!» (В опытах Резерфорда в качестве атомной мишени использовалась тонкая фольга.)

Зная число слабо рассеянных и число отскочивших назад альфа-частиц, можно вычислить размеры атома. Результат получился ошеломляющим: если сравнивать с горошиной, то атом в сто миллиардов раз меньше, а его ядро еще в несколько десятков тысяч раз мельче. Можно сказать и по-другому: если бы атом вдруг вырос до размеров куриного яйца, его ядро сравнялось бы по величине с микробом. Ну а само куриное яйцо стало бы в несколько раз больше нашей соседки Луны! Это означает, что окружающие нас тела и мы сами состоим в основном из… пустоты.

Герои научно-фантастического романа Георгия Гуревича «Темпоград» нашли способ сжиматься до размеров муравья. Человеческий волос выглядел для них длиннющей толстой змеей, а пыльца цветов — шарами величиной с арбуз. Воздух, который кажется нам прозрачным и чистым, оказался заполненным массой плывущего в нем мусора, подобно грязной реке в половодье. Это была поразительная картина! Но еще больше путешественники в микромир удивились, когда уменьшились до размеров атома. Их поразила пустота, царящая в мире. Даже плотный кусок железа оказался практически пустым. Лишь редко-редко, по одной на несколько кубических метров (в масштабе уменьшившихся путешественников), в нем расположены мелкие, едва различимые глазом пылинки — атомные ядра. Электронов вообще не видно — они в тысячи раз меньше ядер. Но вот если бы кто-то из путешественников попытался поднять ядро-пылинку, он был бы поражен его тяжестью: спичечная коробка такого вещества весит столько же, сколько средней величины гора! В исчезающе малом объеме ядра заключена практически вся масса атома, на электроны приходятся лишь сотые доли процента. Плотность ядерного вещества в десять триллионов раз превосходит плотность железа.

Внутри ядра

После того как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его крошечное ядрышко, многим казалось, что наконец-таки наука достигла самого дна природы — глубже этого уже ничего нет. Но прошло всего каких-то двадцать лет и был открыт нейтрон — частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода — протон, но только без электрического заряда. Нейтральный протон. Физикам открылась еще одна, теперь уже четвертая по счету, ступенька в глубинах микромира.

Назвать протоном ядро самого легкого и маленького по величине атома предложил все тот же Резерфорд. Этот термин он образовал от греческого слова «протос» — первый. Одновременно это напоминает протеин — простейший белок, основу, из которой построены клетки всех живых организмов. Резерфорд был уверен, что ядра тяжелых атомов тоже каким-то образом должны быть связаны с протоном. В имени его нейтрального собрата, нейтрона, отражено основное отличительное свойство этой частицы — отсутствие заряда. Она не отталкивается электрическим полем ядра и, как нож в теплое масло, проникает внутрь атомных ядер, разваливая их на части или образуя новые ядра. Нейтрон оказался чрезвычайно удобным «щупом» для зондирования внутренности ядер. После его открытия ядерная физика двинулась вперед семимильными шагами.

В известной сказке А. Толстого длинноносый Буратино и его друзья открыли волшебную дверь в каморке папы Карло маленьким золотым ключиком, который мудрая черепаха Тортила нашла в глубоком илистом пруду. Для физиков таким сказочным золотым ключиком стал нейтрон, с его помощью им удалось отомкнуть кладовую атомной энергии. Но это уже совсем другая история…