Из первоначальных во многом примитивных представлений атомизма в наши дни развилась сложная и тонкая наука — атомная физика. За последние десятилетия в ней совершено много выдающихся открытий, которые сделали ничтожно малый и неисчерпаемо сложный атом понятным и доступным человеку.
Каков же атом?
Это материальное образование размером в среднем около десятимиллионной доли миллиметра.
Снаружи атом представляет собой набор своеобразных яйцевидных — или, точнее, эллипсоидовидных — электронных оболочек, образованных неуловимо быстро движущимися электронами. Электронные оболочки — разные по величине. Они перекрывают друг друга. А если бы мы смогли заглянуть внутрь атома, то увидели бы в центре его крохотное ядро.
Заодно мы убедились бы, что главное место в атоме занимает... пустота.
Да, атом неимоверно пуст. Увеличенный в 100 миллиардов раз, он смахивал бы на мыльный пузырь величиной с трехэтажный дом. При этом ядро получило бы размер булавочной головки.
Столь нежное, на первый взгляд, «воздушное» образование имеет, однако, весьма высокую прочность. Снаряд, летящий со скоростью сотен метров в секунду, пробивает мощную броню. А если столкнуть с такой же скоростью два атома, они не причинят друг другу никакого вреда и преспокойно разлетятся в разные стороны. Лишь при гораздо больших скоростях столкнувшиеся атомы могут потерять один или несколько электронов.
В чем секрет такой прочности?
ЭЛЕКТРОННАЯ СВИТАМы с вами, читатель, — существа, живущие среди больших тел и предметов. Ведь даже еле заметная пылинка содержит миллиарды миллиардов атомов. В нашем микромире мы постоянно ощущаем только один вид сил, действующих на расстоянии. Это — силы тяготения. Правда, мы знаем, что в природе существуют и другие
дальнодействующие силы — электрические и магнитные. Но в нашей повседневной жизни они играют куда меньшую роль.
Разумеется, каждому школьнику известен закон: разноименные электрические заряды или магнитные полюса притягиваются друг к другу, одноименные — отталкиваются. Однако, когда на уроке физики вы сами опытом проверяли величину электрических сил, вам она показалась совсем небольшой. Листочки электроскопа должны быть очень легкими, чтобы раздвинуться, получив одноименный заряд.
Объяснить это нетрудно. Наш мир — царство крупных масс и сравнительно маленьких зарядов. Поэтому тяготение в нашем мире преобладает над электрическими силами.
Иное дело в микромире.
Вот к примеру электрон. Он почти невесом, но несет ка себе значительный для такой крохотной частички электрический заряд отрицательного знака. Следовательно, электрическим силам он подвержен в неизмеримо большей степени, чем тяготению. Эти силы и удерживают электрон в атоме, заставляя его двигаться вокруг положительно заряженного атомного ядра.
Чем больше заряд ядра, тем многочисленнее электроны. В простейшем — водородном — атоме электрон только один. А в атоме урана, где заряд ядра в 92 раза больше, находится соответственно 92 электрона.
Благодаря тому, что атом ничтожно мал, электрические силы очень крепко привязывают электроны к ядрам.
Особенно прочны внутренние, наиболее близкие к ядру оболочки.
А на наружных оболочках электроны обычно ведут себя весьма «общительно». Они охотно устанавливают связи со своими соседями из других атомов, обмениваются с ними местами, порциями света.
Горит свеча, сияет электрическая лампочка, варится на плите суп, кипит сталь в мартене, на химическом комбинате клокочет смесь реактивов, проявляется фотопластинка, растет дерево, движется, мыслит человек — все это в конечном итоге сводится к процессам в наружных электронных оболочках атомов, к движению электронов, почему-либо освобожденных этими оболочками..
Любопытно, что по заряду ядра — следовательно, по количеству электронов, и формам электронных оболочек— атомы насчитывают всего 102 вида (из них
11 созданы человеком искусственным путем). Но взаимодействие их сложно и многогранно. Именно кипучая жизнь электронных оболочек создала великое разнообразие тел и веществ окружающей нас природы.
А как ведет себя атомное ядро?
Совсем по-другому!
В обычных условиях оно не принимает участия в буйном хороводе своей электронной свиты.
БАЛЛАСТ В ВЕЩЕСТВЕ
На столе каравай хлеба весом в 4 килограмма. Мы знаем, что в конечном счете состоит он из электронов и ядер разных атомов, главным образом углеродных.
Как вы думаете, сколько весят электроны и атомные ядра каравая в отдельности? Ответим на этот вопрос сразу. Ядра — примерно 3 килограмма 999 граммов, а электроны — всего лишь 1 грамм.
Между тем энергию нашему организму дают только электроны, да и то не все, а главным образом находящиеся в наружных атомных оболочках. Лишь там, как вы уже знаете, берут свое начало химические процессы — в частности и те, что служат источником жизни. Ядра же непосредственного участия в этой полезной работе не принимают, значит, в каравае хлеба 993/4 процента вещества не вносят ни эрга энергии и с этой точки зрения представляют собой бесполезный балласт.
Любопытный факт. Биологи и биофизики в наши дни делают попытки осуществить так называемое электронное питание живых тканей. В ткань взамен атомов вводится крохотная доза свободных электронов. По предварительным данным, такие опыты удаются. Можно думать, что когда-нибудь электронное питание войдет в практику животноводства — разумеется, как некоторая добавка к обычному кормлению, ибо, кроме энергии, организму нужно и вещество. Но едва ли даже в будущем этот способ питания применит человек. Мало надежды на то, что наши внуки предпочтут—пусть даже отлично «сервированную» — порцию свободных электронов обыкновенной яичнице!
С ненужным балластом мы сталкиваемся во всех обычных процессах — при сжигании угля на электростанциях, нефти в топках тепловозов и кораблей. Выходит что любое органическое топливо более чем на 99,75 процента негорюче.
Теперь нам становится ясно, почему в естественных земных условиях вещество столь скупо отдает энергию, которая, как указал Эйнштейн, содержится в нем в колоссальных количествах. Причина в том, что лишь электроны атомов активны, в том, что только тысячные доли всей массы вещества могут вступать в энергетические реакции. Остальное же дремлет в тиши атомных недр.
Так обстоит дело в подавляющем большинстве случаев.
Но нет правил без исключения.
Ещё более полувека назад Эйнштейн указал на земное явление, в котором, как он надеялся, способна подтвердиться формула:
Е = mc2 .
«Не исключена возможность того, — писал ученый,— что проверка теории может удаться для... солей радия». Соли радия! Странно светящиеся таинственным зеленоватым сиянием, незаметно обжигающие... Сколько с ними связано незабываемых страниц истории науки! Знаменитое открытие Анри Беккереля, случайно нашедшего вещество, которое излучает энергию прямо из собственных глубин, не зарядившись никаким энергетическим запасом извне; бесславные годы «кризиса науки», трудовые ночи Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри, проведённые в сарае с дырявой крышей над изучением этих непонятных препаратов; открытие радия; радиоактивность...
Словно крошечные осколочки Солнца, крупицы радия из года в год, из века в век испускают невидимые лучи.
Что же происходит в радии?
Там «пробуждаются ото сна» и отдают крохи своей огромной энергии атомные ядра.
„СПЯЩЕЕ" ЯДРОНачало 30-х годов нашего века — пора открытий, ознаменовавших рождение физики атомного ядра. Важнейшие исследования радиоактивности вели тогда супруги Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри. Английский физик Чедвик, ученик знаменитого Розерфорда, первого разведчика атомных недр, открыл нейтроны — частицы, лишенные электрического заряда, а по массе примерно равные ядрам водорода (протонам).
В 1932 году советские физики Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон поместили в одном из научных журналов коротенькую заметку, которая затем приобрела значение важной вехи в истории науки. В заметке содержалось предположение о строении атомного ядра. Какие же частицы входят в его состав? Протоны и нейтроны,— сказали советские физики. Заряд ядра равен числу протонов, а атомный вес — сумме чисел протонов и нейтронов.
Вскоре эта гипотеза была подробно разработана немецким физиком В. Гейзенбергом и подтверждена экспериментом.
Может показаться странным, почему протоны в ядре выдерживают соседство друг с другом: ведь они должны с огромной силой отталкиваться, ибо наделены одноименным зарядом.