Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
Шрифт:
Как вы, вероятно, догадываетесь, атомы являются довольно большими: им приходится быть такими, потому что в них много чего набито. Большинство людей думает, что атомы очень маленькие, но это лишь потому, что мы сами очень большие: нам приходится быть такими, потому что в нас много чего набито. Когда вы начинаете думать, что атомы большие, они становятся гораздо менее устрашающими. Было бы полезно в воображении надувать атом до тех пор, пока он не достигнет примерно метра в поперечнике.
Ядро атома тоже велико, поскольку в него тоже набито много вещей. Большинство людей думает, что оно очень, очень маленькое; но это не очень хорошие мысли, потому что такие мысли мешают уму вообразить, на что оно похоже. Некоторые ученые могли бы подумать, что такая помеха очень хорошая вещь, поскольку перенесение макроскопических идей на сущности столь малые, как атомы, не говоря
Как мы отметили, ядро является большим, потому что в него так много набито. В нем располагается положительный заряд атома, который компенсирует отрицательный заряд окружающих его электронов. Здесь также располагается почти вся масса атома, так как только около 0,1 процента его общей массы находится в электронах. Когда вы поднимаете тяжелый объект, вы в действительности поднимаете ядра. Если бы атомы вашего тела могли бы лишиться своих ядер, вы весили бы всего около 20 грамм. Другая, менее известная черта ядер состоит в том, что многие из них вращаются вокруг своей оси, хотя некоторые и не вращаются. Ядра водорода и азота вращаются, ядра углерода и кислорода нет. Вращение ядра не может быть изменено, это, подобно электрическому заряду, внутреннее свойство, и каждому ядру водорода суждено вращаться вечно с одной и той же неизменной скоростью.
В начале двадцатого века стало ясно, что электрон был не первой субатомной частицей, которая была открыта. Самая первая была известна, но не опознавалась в этом качестве, уже более века. Ядро атома водорода, простейшего из всех атомов, состоит из единственной субатомной частицы, протона. Эта частица является сущностью, ответственной за свойства кислот, и когда вы ощущаете кислый вкус лимонного сока, на самом деле ваш язык щекочут протоны. К сожалению, мы не можем здесь исследовать это явление или выяснять, почему язык является хорошим детектором по крайней мере для элементарной частицы одного типа. Протон представляет собой тяжелую частицу с положительным зарядом, равным и противоположным заряду электрона, и с массой примерно в тысячу раз большей массы электрона.
Атом водорода состоит из одного протона и присоединенного к нему электрона: положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электрона. Следующий простейший элемент, гелий, имеет ядро, построенное из двух протонов, поэтому у него два присоединенных электрона. Число протонов в ядре атома называется атомным номеромэлемента, так что атомный номер водорода равен 1, атомный номер гелия равен 2, и так далее. Из того факта, что атом электрически нейтрален, а такими являются все атомы, следует, что число присутствующих в нем электронов равно атомному числу, поскольку полный положительный заряд ядра компенсируется полным отрицательным зарядом присоединенных электронов.
Осознание того, что ядру элемента можно приписать номер и что этот номер можно интерпретировать в терминах состава ядра, означает, что можно наконец провести перекличку элементов. Теперь пропущенный элемент, можно идентифицировать, узнав, был ли обнаружен элемент именно с таким атомным номером, а размышления о том, существует ли какой-нибудь элемент между двумя другими, можно прекратить, если их атомные номера являются соседними. Атомные номера стало возможно определять благодаря технике, разработанной Генри Моусли (1887-1915) незадолго до его призыва на военную службу для того лишь, чтобы под Галлиполи его настигла пуля снайпера. Как написал Уилфред Оуэн перед встречей со своей собственной пулей однажды вечером на исходе той же войны:
Отвага была моей, и с ней тайна, Мудрость моею была, и с нею власть.Это и была власть, основанная на мудрости, сорвавшая
Точное расположение электронов вокруг ядра все еще оставалось проблемой. На этом этапе обсуждения важно понять то, что атом представляет собой почти полностью пустое пространство. Вся его масса, какмы видели, сосредоточена в мельчайшем центральном ядре, а окружающее ядро пространство, вплоть до расстояния, составляющего примерно 10 тысяч диаметров ядра, занято горстью электронов — например, шестью, в случае углерода. Ваше тело представляет собой это почти пустое пространство, хотя, так или иначе, вы кажетесь материальным. Вы являетесь пустотой в реальном, а не ироническом смысле, думаете почти пустыми мозгами, одеваетесь в пустоту, сидите на пустоте и поддерживаетесь ею. Чтобы вообразить пустоту атома, представьте, что вы стоите на ядре размером с Землю, глядя в ясное звездное ночное небо. Пустота пространства, которое вы видите вокруг себя, не будет отличаться от пустоты атома внутри вас.
Однако эта пустота вне ядра является средоточием индивидуальности элемента. В то время как ядро является пассивным наблюдателем, просто отвечающим за размещение вокруг себя дополняющих его электронов центром контроля, дымок электронов, занимающих почти пустое пространство, является участником химических реакций.
Ученые не смогли устоять перед искушением высказать предположение, что электроны по отношению к ядру подобны планетам по отношению к звезде или Луне по отношению к Земле, и этот образ все еще столь могуществен, что было бы лучше, если бы я не упоминал о нем. «Сатурнианская» планетарная модель атома была предложена японским физиком Хантаро Нагаока (1865-1950) в 1904 г. и стала естественно предполагаемой моделью после того, как несколько лет спустя Резерфорд открыл ядро. Планетарную модель, которую теперь представляли в виде планет, вращающихся вокруг звезды, а не в виде колец вокруг Сатурна, как предлагал Нагаока, призвали к жизни в 1912 г., когда Нильс Бор использовал раннюю версию квантовой теории для описания движения одиночного электрона в атоме водорода и для своего успешного расчета спектра излучения атома. Можно лишь позавидовать, представляя себе всю глубину восторга Бора, когда он обнаружил, что его расчеты почти точно согласуются с наблюдениями.
Но даже это — планетарная модель и, как казалось, подтверждающий ее талантливый расчет Бора — было неверно. Отсюда можно извлечь два урока для науки и жизни. Во-первых, мы не можем полагаться на перенесение, без основательной оглядки, знакомых закономерностей макромира в доселе неизвестный нам микромир. Под поверхностью реальности живут драконы. Во-вторых, даже количественное согласие может, при некоторых обстоятельствах, быть недостоверным свидетельством истины. Этими некоторыми обстоятельствами, сделавшими свидетельство недостоверным, в данном примере была «красота» — термин, со смыслом которого мы встретимся в следующей главе, а пока это лишь забавная и загадочная — характеристика электрического притяжения электрона к ядру.
Вы должны выбросить из вашего сознания, а еще лучше из вашего бессознательного, образ планет, вращающихся вокруг центрального ядра: он просто неверен. Это ложная модель атома, это научная фикция, мертвая, отброшенная модель. Чтобы увидеть ее ошибочность, надо понять, что электроны не являются частицами в привычном смысле, но имеют внутренние свойства, подобные волновым. Этот двойственный характер, лежащий в сердце квантовой теории и появляющийся на сцене в главе 7, устраняет понятие траектории, в данном случае орбитального пути планетарного электрона вокруг центрального звездоподобного ядра, и делает абсолютно неприемлемым образ электрона в виде частицы на орбите.
В главе 7 мы увидим, как Эрвин Шредингер (1887-1961) создал уравнение, решения которого рассказывают нам о поведении электронов. Все, что нам необходимо знать на этом этапе, это несколько следствий из него, касающихся атомов. То, что на сегодняшний день считается достаточно точной структурой атома водорода — к другим атомам мы придем позднее, — было одним из первых результатов использования уравнения Шредингера. В серии из четырех знаменитых работ (первая в трех частях), опубликованной в 1926 г., написанной во время каникул с любовницей и названной им «поздним эротическим взрывом», Шредингер решил свое уравнение для электрона в атоме водорода и получил из совершенно других предпосылок то же выражение для его энергии, которое до этого обнаружил Бор.