Физика без формул

Теперь испускание и поглощение света, да и многих других лучей, можно было объяснить, как потерю или приобретение атомом порции энергии. Перешел электрон с верхней своей орбиты в атоме на нижнюю — испустился квант-фотон. Поглотился фотон атомом — Значит, электрон ровно на порцию, принесенную этим квантом, увеличил свою энергию и подскочил кружиться повыше.

Блестящее объяснение процессов испускания, распространения и поглощения электромагнитной энергии на основе этих идей словно вобрало в себя несколько разных областей физики. Сюда вошли теория света, электромагнетизм и строение вещества. Вот почему квантовая теория стала базой современной физической науки.

«Из чего же, из чего же сделаны»… ядрышки?

Давайте порассуждаем вместе. Вещество состоит из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы состоят из ядер и электронов, ядра состоят из… Из чего же состоят ядра? Может быть, как раз они — те самые, неделимые частички, меньше которых уже ничего нет? Оказалось, не так. Радиоактивное излучение, вылетающее из недр вещества, подталкивает к мысли, что и ядра — не самые мелкие «детали» природного конструктора.

В 20–30-е годы XX столетия были открыты две частицы. Они оказались очень близкими по массе, но отличались тем, что одна имела положительный заряд, такой же, кстати, как заряд электрона, а другая была нейтральна — вовсе не имела электрического заряда. Первую назвали протоном, вторую — нейтроном.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) — российский ученый. Открыл один из фундаментальных законов природы — периодический закон химических элементов. На его основе предсказал существование еще не открытых элементов, найденных позже. Занимался тепловыми процессами, сконструировал барометр, изучал на воздушном шаре верхние сдои атмосферы. Разрабатывал теорию весов и точные приемы взвешивания.

Сцепленные друг с другом различные комбинации двух этих частиц образуют ядра атомов всего множества известных на сегодня химических элементов. Многие из них вам уже хорошо знакомы — железо, алюминий, водород, ртуть, медь, йод, кислород, золото, сера, углерод, фосфор, бром, хлор, серебро, кремний… Элементы эти собраны в большую таблицу, которую вы обязательно увидите в книгах по физике и химии или на стенах школьных кабинетов, где изучают эти науки. Такая таблица носит имя ее создателя, нашего соотечественника, знаменитого ученого Дмитрия Ивановича Менделеева.

Знание строения атомного ядра позволило разложить по полочкам, по ячейкам все, из чего складывается вещество. Количество протонов и нейтронов в ядре строго указывает, какой это элемент, каковы его физические и химические свойства. Иначе говоря, такой «банк данных» обладает огромной предсказательной силой.

«Ядра — чистый изумруд…»

Почему в крохотном ядре каждого атома удерживаются вместе такие частицы, как протоны? Если они положительно заряжены, то по всем электрическим правилам должны отталкиваться. Причем так, что ядро просто бы «взорвалось». Однако этого не происходит, ядрышки многих атомов вполне устойчивы, стабильны. Почему?

На таких маленьких расстояниях, на каких оказались в ядре протоны, действуют, помимо электрических, еще и другие силы. С ними человек столкнулся, лишь когда попытался объяснить себе, откуда в ядре взялся такой липкий «клей». Никакими известными силами его происхождение не объяснялось. Вот и пришлось считать, что это особый, ядерный вид сил. Они мощнее всех иных, но «включаются» лишь на микроскопических расстояниях, когда ядерные частички оказываются совсем рядышком друг с другом.

Но почему мы говорим лишь о протоне? Нейтрон — его постоянный «сосед» по ядру и равноправный участник ядерных процессов. Все сказанное его так же касается. Отметим, что третий компаньон, входящий в состав атома, — электрон — никак не влияет на жизнь внутри ядра. Слишком он от этого отдален, чересчур далеко от ядра кружится.

Количество протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, меняется от единицы у водорода — самого легкого химического элемента, до сотен штук у таких тяжелых элементов, как уран. Различные их группировки, «сцепки», определяют, насколько тот или иной атом устойчив или нет.

Как распадаются ядра?

Что происходит с атомным ядром, когда оно испускает радиоактивное излучение? Остается ли оно неизменным? Или, быть может, испытывает какие-то превращения? Поиски ответов на эти вопросы, продолжающиеся несколько десятилетий, привели ученых к неожиданному, но очень важному выводу.