Чтение онлайн

Но такое явление нашло себя не только в заумной диагностике, а ещё и в обычной жизни. Например, если пустить обычный электрический ток большой силы по вольфрамовой нити, то она начнёт не только греться, но ещё при этом и, пытаясь остыть, светиться. Это будет обычная лампочка накаливания. Более сложный пример - если пустить ток через газ, например, неон. Электрончики, бегающие по получившейся плазме, будут ударяться об обычные атомы, возбуждать их, а те, стремясь вернуться в обычное состояние - всё к тому же равновесию!
– будут давать тоже кванты с длиной волны света. Ещё более сложный пример - если взять лампу дневного света на парах, например, ртути: через пары ртути тоже пускают ток, она тоже даёт излучение, но в ультрафиолетовом диапазоне, который не виден! А чтобы он стал виден, делают по-хитрому: этот ультрафиолет падает на специальное вещество, нанесённое по ту сторону оболочки лампы. Оно возбуждается уже ультрафиолетовым излучением, и снова та же картина: стремясь "успокоиться" обратно, выплёвывает кванты видимого света (то есть с уже меньшей энергией). Такую штуку называют люминесценцией, а лампы - люминесцентными. Самый сложный и невидимый глазами пример - это если разогнанные напряжением в десятки киловольт электроны заставить с разгону удариться головой об атомы (например, меди или хоть того же вольфрама, хотя теоретически, в принципе, материал не особо важен - нужно только, чтобы он был плотным, иначе электрончики тупо проткнут его насквозь и полетят дальше, даже не заметив). Тогда полученная энергия будет такой, что атом станет плеваться квантами рентгеновского диапазона - именно таким излучением просвечивают грудную клетку, когда делают флюорографию, или челюсть, когда делают рентгеновский снимок зубов. В свою очередь, даже та же фотобумага - это тоже удел атомной физики: раньше, ещё во времена аналоговых фотоаппаратов, делали бумагу из специальных материалов. Она чутко реагировала на свет, и если запечатлённое на плёнку изображение просветить так, чтобы его отображение уложилось точно на бумагу, то и получилась бы фотография. Всё это делалось в темноте (иначе кадр пропадёт - будучи засвеченными, атомы материала плёнки вернутся обратно в спокойное состояние (они специально подбирались такими, чтобы возбуждённое состояние держалось достаточно долго, дабы успеть потом это возбуждение снять), и - прощай, картинка, ищи-свищи, где они там были возбуждены, а где нет!), в специальных фотолабораториях... Не то, что сейчас - нажал кнопку, и вот тебе уже готовая фотка, хоть сразу в интернет заливай. Только атомной физики и в цифровом фотоаппарате сильно меньше не стало, просто там используют не бумагу, а специальные фотоматрицы, каждая "ячеечка" (пиксель) которых реагирует на свет всё теми же многострадальными атомами. Но это уже гораздо более сложная вещь, такие в школе не проходят. Самый зубодробительный пример - если заставить кучу атомов одновременно испускать кванты с одной и той же длиной волны, загоняя электрончики на одни и те же орбиты, отчего они все синхронно будут падать. Такой "электронопад" лежит в основе работы лазера. Причём лазеры излучают как видимый свет (и выглядит это вовсе не как полоса света или световая "пуля", а просто пятно в месте попадания луча, как от лазерной указки!), так и инфракрасное излучение, и ультрафиолет, и даже рентгеновские лучи. Шагают по длине волны и в другую сторону - специальные "мазеры" излучают волны микроволнового диапазона тоже одной и той же длины. Последние применяются в том числе в таких страшных штуках, как лучевое оружие. Опять-таки, ещё раз повторю - никакое излучение, кроме видимого света, не увидишь! Лучи чёрт-те каких диапазонов, которые кругом и всюду показывают как видимые лучи (кроме обычного света), остаются видимыми пока что только в научной фантастике!

Немного ушли от темы, но в целом по школьной части в общих чертах почти всё. Дальше товарищи стали чесать репы ещё и ещё и пришли к выводу, что классическая механика для описания строения атома никак не подходит. СТО тогда ещё только разрабатывалась, но и она тоже тут не в кассу. Итог - появилась квантовая механика, которая очень скрупулезно описывает мелкие частички типа тех же электрончиков. Тут понеслось по полной программе: не то, что для школы - для технического вуза математика с физикой пошли такие, что действительно без пол-литра или очень хорошего преподавателя (или и то, и другое вместе) не разберёшь. К атомной физике это прикоснулось таким образом: электрон - это теперь больше не шарик, крутящийся по орбите. Это тоже и частица, и волна одновременно, он размазан по пространству всего атома, болтаясь тудыть-сюдыть со скоростью порядка 10^5 м/с, но те места, в которых его нахождение наиболее вероятно, образуют "орбиталь" - это то, что обозначается в таблице Менделеева непонятными маленькими буквами s, p, d и f. То бишь таких видов орбиталей всего четыре.

А ещё у электрончика есть непонятный параметр под названием "спин". Когда электрон представляли ещё как шарик, то предполагали, что спин означает то, что электрон крутится не только вокруг ядра атома, но и вокруг своей оси (точно так же, как и наша Земля - не только вокруг Солнца, но и вокруг себя). Потом, правда, фантазия сама себе сломала голову представлять - и частица, и волна одновременно, и размеров почти не имеет, да ещё и что-то там крутится вокруг себя, когда крутится нечему! Во накрутили (каламбурчик). Но именно спин отвечает за то, что атом умеет "чувствовать" магнитное поле. Грубо говоря, когда спины всех электрончиков атома поворачиваются в одну сторону, вещество из этих атомов становится намагниченным. Когда спины повёрнуты так, что половина направлена в одну сторону, половина - в другую (как это бывает обычно), вещество не реагирует на магнитное поле. Спин - это безразмерное число, и для электрона он может быть равным только +1/2 или -1/2 (смотрит "вверх" или "вниз" соответственно, или крутится "по часовой стрелке" либо "против часовой стрелки", если представлять как шарик. Кавычки ставлю специально, потому что где в атоме верх, а где низ - чёрт-те его знает.)

И наконец... Наконец, чтобы окончательно "убить" атомную физику, придётся смириться с тем, что она смыкается с химией. А именно - всё с той же таблицей Менделеева. Конкретнее: в ней представлено большинство возможных атомов, какие только могут быть. Если совсем строго - далеко не все, но все основные и более-менее стабильные точно. "Стабильные" значит то, что атом так и будет оставаться ядром с электрончиками достаточно долгое время. "Нестабильный" значит, что атом по какой-то причине не может удержать в охапке все свои внутренности и через какое-то время либо развалится на два других, более лёгких, атома, либо от него "отколется" небольшой кусочек в виде одной-двух частичек. И то, и другое называется радиоактивным распадом. Но об этом уже лучше в ядерной физике.

Что ещё из атомной физики подсказывает таблица Менделеева. Это: число энергетических уровней ("орбит"), которые имеет атом - это строка (период), в котором стоит тот или иной химический элемент. Число электрончиков, находящихся на самой верхней "орбите" (именно они активнее всего участвуют во всяких взаимодействиях, как то: их легче всего отщепить от атома, заставив переносить электрический ток или прилепиться к другому атому, у которых не хватает электрончиков для того, чтобы полностью заполнить внешний уровень - то бишь верхнюю "орбиту") - это номер столбца (группы), в которой находится химический элемент. Номер каждого химического элемента тоже подобран не случайно: это число электронов во всём атоме вообще, оно же положительный заряд ядра, оно же число протонов. (О протонах и нейтронах тоже расскажу в ядерной физике, это следующий и последний абзац.) Масса атома - это число протонов и нейтронов, вместе взятых (масса электрона считается очень маленькой по сравнению с массами протонов и нейтронов - разница почти в 2000 раз, поэтому их не считают). Мерится в специальных единицах - атомные единицы массы (а.е.м.). 1 а.е.м. = 1.66*10^-24 г или 1/12 от массы атома углерода. Да, и тут снова углерод. По всей видимости, это один из самых стабильных и распространённых атомов, которые есть - именно поэтому и моли, и а.е.м. считают от него. Моли тут тоже привязаны: если масса элемента равна 1 а.е.м, то 1 моль такого элемента будет весить 1 г. Для того же углерода получается, что 1 моль его будет весить 12 г (так как масса 12 а.е.м.) У железа, например, масса одного моля - 56 г. Короче, та же молярная масса, что и была в термодинамике. Ну и последнее, что в таблице Менделеева уже не указывается, но что для каждого атома своё - это его радиус. Чётких границ он не имеет, поэтому его считают просто как расстояние между ядрами соседних атомов, которые связаны друг с другом. Естественно, чем больше в атоме внутренностей - чем больше напихано всякой хрени в ядре и чем больше электронов болтается вокруг, тем он ширше. Но в среднем размер атома колеблется где-то от десятков до сотен пикометров ("пико" - это 10^-12, одна тысячная нанометра... то есть где-то одна триллионная доля метра). То есть, если проводить сравнение с тем же яблоком, разница в порядках примерно такая же, атом настолько же меньше яблока, насколько ядро атома меньше его самого: если яблоко - это один атом, то Земля - это одно большое яблоко, в состав которого входит наш "атом".

И самое последнее. Несмотря на то, что атом вот так бессовестно распотрошили на мелкие частички, он не становится совсем не нужным физике. Очень многие физические процессы рассматривают, именно представляя вещество как большую кучу атомов, а некоторые и об атомах забывают и смотрят ещё "выше" - на молекулы: так, молекулярная физика об атомах почти забывает, вспоминая о них только как о составных частях молекул; большое количество прикладных наук, в том числе инженерных, смотрят на атом как на неделимый шарик, из которого могут разве что выплёвываться электрончики с энергетическими переходами (которые дают кванты электромагнитных волн), и только ядерная физика реально разрезает атом на части, забывает о нём и погружается ещё глубже, к самому "фундаменту".

Вкратце и поумнее: существовало несколько моделей атома. Модель Томсона - "пудинг с изюмом": атом - это положительно заряженная частица, в котором содержатся электроны. Модель Резерфорда это предположение опровергла: опыт по рассеиванию альфа-частиц на золотой фольге показал, что атом состоит из положительно заряженного "ядра", вокруг которого, по предположению, вращаются электроны. Недостаток теории Резерфорда в том, что электрон должен терять энергию, так как движется с отрицательным центростремительным ускорением, и притягиваться атомом - но этого не происходит. Бор выдвинул два постулата, объясняющих это: 1) атом может находиться в нескольких стационарных состояниях, при котором электрон может двигаться вокруг ядра, не теряя энергии, при этом энергия атома постоянна; 2) при переходе из одного стационарного состояния в другое электрон переходит на другую орбиту (другой энергетический уровень), испуская при этом квант энергии или поглощая его (при потере энергии - испускает, при получении энергии - поглощает). Квантовомеханическая (текущая на данный момент) модель атома принимает во внимание, что электрон является частицей и волной одновременно; геометрическое место точек, в котором наиболее вероятно его нахождение, называется электронной орбиталью. Всего есть четыре типа орбиталей: s, p, d и f. Спин электрона - величина, отвечающая за магнитные свойства вещества; наглядно его можно было представить как вращение электрона вокруг своей оси. Принимает значения +1/2 и -1/2. Связь между параметрами атома и его положением в периодической системе элементов Менделеева: период - это количество энергетических уровней, которые имеет атом, группа - число электронов на внешнем уровне, номер элемента - заряд ядра, или число электронов, или число протонов; атомная масса - число протонов и нейтронов. Атомная масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.), 1 а.е.м. = 1/12 массы атома углерода-12, приближённо равна 1.66*10^-24 г. Радиус атома измеряется по расстоянию между ядрами атомов, связанных ковалентной связью, в зависимости от атомного номера он составляет от десятков пикометров до сотен пикометров.

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.