Резерфорд сам их открыл чуть ранее, и игрался с ними, не очень понимая, что это такое.
Итак, научному миру открылась тревожная картина. Атом, по всей видимости, представляет собой ядро, вокруг которого по некоторым орбитам-траекториям летают электроны.
Давайте осознаем масштабы бедствия. Размер ядра атома таков, что если расстояния в атоме перенести на макрообъекты, то площадь атома в разрезе будет равна, скажем, площади стадиона, а ядро атома тоже увеличится — до размеров теннисного шарика в центре этого стадиона. Теперь представьте, сколько пустоты внутри атома и ужаснитесь — мы все состоим из ничего и чуточки материи. Поэтому, когда ваш начальник или ваш бывший партнер говорят, мол, «ты — пустое место» то это не очень-то и оскорбление. Хотя если они это постоянно говорят, то, может, дело не в физике атома… Эх… Так, о чем это мы?
Значит, что получается: масса ядра составляет более 99.9 % массы атома. То есть электроны почти ничего не весят. В человеке весом около 68 кг масса всех его триллионов электронов составит всего 14 граммов.
Как только ученые открыли все эти орбиты и ядра, прогрессивная общественность сразу решила, что атом похож на Вселенную с ее солнечными системами. Мол, ядро — это Солнце, а электроны — это планеты, которые вращаются вокруг «солнца». Один японец даже попытался рассчитать, как это должно было бы выглядеть по аналогии с кольцами Сатурна. Мир был так иллюзорно близок к счастью понимания фундаментальных законов. Всё казалось логичным и таким глубоко философским: малое в большом, большое в малом. Но нет: Природа тот еще толстый тролль и, кажется, неисчерпаемый в своих коварных шутках.
Во-первых, электроны в отличие от планет вращались вокруг ядра не из-за гравитационных сил (а вследствие другого вида взаимодействия — электромагнитного). Во-вторых, электроны почему-то не теряли энергию и не падали на ядро. В-третьих, как потом оказалось, электроны и не частицы вовсе, а неведомое квантовое не-пойми-что.
В общем, планетарная модель атома провалилась. Но до сих пор, спустя более чем сто лет, находятся отнюдь не домохозяйки, задающие осточертевший всем физикам вопрос, а что если атомы это маленькие вселенные? Если вы видите в статье, которая рассказывает о гармонии мироздания и материальности мысли, фразу, мол, атом — это копия или проекция солнечной системы, бегите оттуда! Ну или нагадьте в комментах, чтобы испортить настроение мракобесам.
Когда художники вот так рисуют атом, то они заблуждаются в размерах более чем полностью. И не только в размерах.
Теперь мы немного расскажем про электрон (о нем мы заделали отдельную крутую лекцию).
На сегодняшний день нам думается, что электрон — неделимая частица. Всё! — разломать его не на что! Поэтому электрон относят к так называемым лептонам. Это такой класс неделимых частиц, в него кроме электрона входят еще нейтрино и мюоны — последние вообще не стабильны, живут миллионные доли секунды и, бес его знает, зачем они вообще нужны этой Вселенной.
Электрон имеет отрицательный заряд, очень маленькую по сравнению с атомом массу, и, самое главное, количество электронов в атоме определяет химические свойства вещества. И да, он ответственен за существование электрического тока.
Как мы уже сказали, поначалу казалось логичным, что электроны в атоме летают по разным орбитам, удаленным от ядра на разные расстояния.
И все было бы прекрасно, если бы в начале XX века некоторые особо упорные физики, которым не нравилась пара несущественных проблем, связанных с классической картиной устройства атома, не решили докопаться до сущности этих проблем. И они дооткрывались до того, что все стало еще хуже. Собственно, так появилась квантовая физика.
Электрон «летает» строго по определенным траекториям (правильно сказать, по орбиталям — особым областям пространства вокруг ядра). И переходит с одной орбитали на другую при помощи телепортации. Электрон, переходя на другой уровень, теряет или поглощает квант энергии, на меньшее расстояние он переместиться не способен, так как квант — неделимый «кусочек» затраченной энергии. То есть, представьте, летает спутник вокруг нашей планеты на высоте 36 тысяч километров. Потом, бах, и он уже на высоте 38 тысяч километров без всякого видимого перемещения. Такого в нашем «большом» мире быть не может, а в мире квантовых явлений — запросто. Мы еще вернемся к этим интригующим явлениям.
Во-вторых, выяснилось, что электрон даже и не частица, а волна. И вообще он не летает вокруг ядра, а находится в каждой точке орбитали одновременно, если его специальным образом не ловить. В теории он скорее похож на облачко вокруг ядра атома с формой этой самой орбитали. И как только начинаешь опытным путем выяснять, где он находится, то он внезапно из волны превращается в частицу, типа, вот он я.
Если опять проводить грубую аналогию, то представьте, что враги запустили спутник-шпион, и вы никакими расчетами не можете обнаружить, над какой точкой планеты он сейчас летает. Вернее, вы считаете по классическим формулам, но они дают ошибочные координаты: в расчетных местах спутника почему-то нет. А какой-то сумасшедший гений показывает вам безумные формулы и говорит, что на самом деле спутник находится в каждой точке на орбите. Однако только по этим специальным формулам можно рассчитать места, где спутник окажется с наибольшей вероятностью (большего не просите), и пальнуть туда из пушки. Глупость какая-то, скажете вы. В нашем мире — да, а в квантовом — обычное дело.
Но мы увлеклись квантовыми парадоксами, речь о которых предстоит в будущих лекциях.
Кстати еще пару слов о лептонах: мюонах и нейтрино. Спорим, вы не слышали о том, до какого кощунства додумались ученые? Они научились создавать мюонные атомы и даже молекулы, благо Природа, кажется, это не запрещает. В мюонных атомах электроны замещены мюонами, которые тяжелее в 200 раз и «летают» ближе к ядру. И хоть такие атомы долго не живут, удается исследовать их химические свойства и на пару шагов приблизиться к апокалипсису.
Что касается нейтрино, то долгое время все думали, что оно не имеет массы и это было немного странно, но затем открыли нейтринные осцилляции — это когда частицы нейтрино во время своих путешествий превращаются из одного вида в другой — такое возможно только при наличии массы. Так что все в итоге встало на свои места. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, поэтому пролетает насквозь не только стены, но и планеты, и звезды — представьте себе, насколько трудно было его