ГлавнаяЭволюция жизни на ЗемлеЭволюция человека → Внутри атома

Внутри атома

5 Авг 2011

Внутри атомаВ начале главы мы представляли, как разрезаем вещество на мельчайшие частицы, и остановились на атоме. Атом свинца – мельчайшая частица, по праву называющаяся свинцом. Неужели нельзя поделить атом? И похож ли атом свинца на маленький кусок свинца? Нет, не похож. Он ни на что не похож, потому что слишком мал, чтобы его увидеть даже с помощью самого мощного микроскопа. А поделить атом на еще меньшие части можно, только они уже перестают быть тем же элементом, позже объясню почему. Воссоздать процесс очень сложно, и он сопровождается высвобождением громадного количества энергии, так что для многих словосочетание "поделить атом" звучит зловеще. Первым это осуществил великий новозеландский ученый Эрнест Резерфорд в 1919 году.

Мы не можем ни увидеть атом, ни разделить его, не превратив в нечто другое, тем не менее мы способны понять его строение. Как я объяснял в 1-й главе, ученые, когда не могут рассмотреть что-либо напрямую, предлагают модель происходящего, а потом ее проверяют. Научная модель – это способ представить, как все могло бы быть. Таким образом, модель атома – что-то вроде воображаемой картинки, передающей его структуру. Научная модель может показаться чистой фантазией, но все не так просто. Ученые не только придумывают модель, они ее тестируют. Они рассуждают следующим образом: "Если моя воображаемая модель верна, то в реальном мире все будет так-то и так!" Они предсказывают результаты определенных экспериментов и проводят подсчеты. Удачной будет та модель, для которой сбылись все предсказания, в особенности если они подтвердились в результате эксперимента. И если так и произошло, мы считаем, что модель правдива, по крайней мере хотя бы частично.

Иногда предсказания не сбываются, и тогда ученые исправляют модель или придумывают новую и снова проверяют. Так или иначе, процесс предложения модели и ее проверки, который мы называем научным методом, гораздо лучше помогает понять истину, чем любой, пусть даже самый прекрасный и фантастический, миф, придуманный, чтобы объяснить то, что люди не понимали, а иногда попросту не могли понять.

Раннюю модель атомов называли "пудинг с изюмом". Ее придумал великий английский физик Джозеф Джон Томсон в конце XIX века. Не буду описывать эту модель, потому что ее заменила более успешная модель Резерфорда – того самого, что разделил атом. Он приехал из Новой Зеландии в Англию работать учеником к Томсону и позже сменил его на посту профессора физики Кембриджского университета. Модель Резерфорда, позже уступившая место модели его ученика, известного датского физика Нильса Бора, рассматривает атом как крошечную, уменьшенную копию Солнечной системы. В центре – ядро, основная масса атома. А маленькие частицы – электроны – летают вокруг него по орбиталям (с орбитой их лучше не сравнивать, электроны – не планеты, вращающиеся вокруг Солнца, и их нельзя описать как круглые штуки с определенным положением в пространстве).

В модели Резерфорда – Бора, скорее всего верной, есть интересная деталь: расстояние между ядрами огромно по сравнению с размером самих ядер – даже в таком твердом материале, как алмаз. Ядра очень сильно разнесены в пространстве. Как раз к этому вопросу я обещал вернуться.

Помнишь, я говорил, что алмаз – это гигантская молекула, состоящая из атомов углерода, выстроенных как на параде, но при этом в трех измерениях? Теперь дополним нашу модель, уточнив, как соотносятся в ней расстояния. Представим ядро каждого атома углерода не в виде солдата, а в виде футбольного мяча, окруженного электронами на орбиталях. Тогда соседние "футбольные мячи" в алмазе будут не меньше, чем в 15 километрах от него.

Эти 15 километров между футбольными мячами заполнены электронами на орбиталях. Но если придерживаться нашей размерной шкалы, электрон окажется меньше комара, а "комары" в свою очередь будут удаленны от "футбольных мячей" на несколько километров. Удивительно, но так и есть – легендарный твердый алмаз почти целиком состоит из пустоты!

То же можно сказать и о камнях, независимо от их твердости. О железе и свинце. О прочной древесине. О тебе и обо мне. Я говорил, что твердые тела состоят из упорядоченных атомов, но они упорядочены достаточно странным образом, потому что атомы в основном состоят из пустоты. Ядра атомов так сильно удалены друг от друга, что если их сравнить с футбольными мячами, то любую пару будет разделять 15 километров с несколькими комарами.

Как такое возможно? Если камень по большей части состоит из пустоты, где материя похожа на раскиданные в километрах друг от друга футбольные мячи, то почему же он твердый на ощупь? Почему он не рассыпается, как карточный домик, от малейшего дуновения ветра? Почему он не прозрачный? Если и я и стена состоим в основном из пустоты, то почему я не могу пройти сквозь нее?

Представь, что ты в обычной комнате обычного здания уставился на стену. Ты думаешь: стена состоит из бетона, бетон – из атомов, а они в основном из пустоты. И я состою в основном из пустоты.

Так почему же я не могу пройти сквозь стену? Может, попробовать? И ты пробуешь. Тут ты врезаешься носом в стену. Почему?

Мы не можем пройти сквозь твердое тело, но некоторые очень маленькие частицы, например фотоны, могут. Луч света – это поток фотонов, и они проходят через "прозрачные" твердые тела. Что-то в строении "футбольных мячей", составляющих стекло, воду или некоторые драгоценные камни, позволяет фотонам проходить между ними, хоть они при этом и движутся медленнее, совсем как ты, когда пытаешься идти по колено в воде.

Камни в большинстве своем непрозрачны (есть исключения, такие как кварц), и фотоны не могут сквозь них проходить. Вместо этого, в зависимости от цвета камня, они либо поглощаются, либо отражаются от его поверхности. Некоторые твердые предметы особым образом отражают фотоны – по прямой, и мы их называем зеркалами. Но большая часть твердых тел их поглощает (потому что тела непрозрачны) и рассеивает те, что отражает (в отличие от зеркала). Мы видим такие предметы матовыми, вдобавок они обладают определенным цветом, зависящим от того, какие фотоны от них отражаются, а какие ими поглощаются. Я вернусь к такой важной теме, как цвет, в 7-й главе – "Что такое радуга?". А пока нам надо сосредоточить свое внимание на самых маленьких вещах и заглянуть внутрь ядра – то есть "футбольного мяча".





Рекомендуем к прочтению



Здесь вы можете написать отзыв

* Текст комментария
* Обязательные для заполнения поля