Физика и астрофизика: краткая история науки в нашей жизни

Никонов Александр Петрович

Что же получается?

Получается, что атомы – это детали конструктора, из которых собираются молекулы разных веществ. Деталек довольно много, около сотни, но все же их ограниченное количество. Однако из них можно собрать тысячи, миллионы разных конструкций! Самые сложные молекулы содержатся в нашем теле. Они могут состоять из миллиардов атомов, как, например, молекула ДНК.

Возьмем классический школьный пример – поваренную соль. Она сделана из двух «деталек» – металла по имени натрий и газа по имени хлор: NaCl. Натрий – очень редкий и мягкий металл, его можно ножом резать. Если кусок натрия бросить в воду, то лучше сразу отбежать подальше. Потому что натрий зашипит,

начнет бегать по поверхности воды, выделяя белый дым, затем вспыхнет и загорится ярким пламенем, а потом и вовсе взорвется, если кусок достаточно велик. Очень активный металл!

А хлор – ядовитый газ. Его во время Первой мировой войны применяли для удушения противника. И каков фокус! Из двух таких крайне агрессивных веществ получается вполне безобидная и даже полезная в малых дозах соль.

Таблица Менделеева – это химическая палитра. Это краски, которыми нарисован мир

Металл – блестящий, взрывающийся, он проводит электрический ток. Газ – ядовитый, зеленоватый и летучий. А соль? Вы ее прекрасно видели – белая, неопасная, не летучая и не ядовитая, ее можно есть. И никакого электрического тока она не проводит. Совершенно другие свойства!..

Вывод: древние греки считали атомы неделимыми мельчайшими единицами вещества и были правы – действительно химическое вещество далее неделимо в том смысле, что при разрушении атома исчезает химический элемент. Но ведь в принципе-то атом есть составная структура, как мы знаем. Давайте его разберем!

Как устроен атом и вообще весь мир

Итак, атомы химических элементов – это детали мирового конструктора. Но эти детали, в свою очередь, устроены из более мелких деталек. И этих деталек всего три.

Гуманитариям, напрочь забывшим школьный курс, трудно в это поверить, но все многообразие окружающей нас природы, все, что мы видим вокруг, – это лишь разные наборы всего трех элементарных частичек.

Вы, наверное, вспомните, как они называются. Не можете не вспомнить! Вот она, наша святая троица – протон, нейтрон и электрон. Познакомимся же с ними поближе. И начнем с электрона, его физики открыли самым первым.

Что мы можем о нем сказать? Какого он цвета? Он шершавый? Он влажный, твердый, газообразный? Он теплоемкий?

Нет! Все те свойства, к которым мы привыкли в нашем макромире, не имеют никакого отношения к миру элементарных частиц (микромиру). Нет в микромире ни цвета, ни запаха, ни шершавости, ни твердости, ни теплоемкости. Это все свойства макромира. Все эти свойства складываются из множества частиц, это макросвойства. А по отдельности частицы этих свойств не имеют.

А что же они имеют? Ну, должны же быть у электрона какие-то свойства, иначе бы его не существовало! Ведь существовать – это значит проявлять себя как-то, то есть иметь свойства!

Да, некоторые свойства у электрона есть. У него, например, есть размер. Радиус электрончика равен 2,81794x10^–13 см.

У него есть масса. Электрон имеет массу 9,10938291x10^–13 кг. Электрон в 1820 раз легче протона. Для сравнения: если протон – это танк, то электрон – это одна канистра с топливом. Если протон – человек, то электрон – это авторучка в его кармане. Вот такая разница в массе.

Кстати, а что такое масса? Масса – это просто количество вещества. Массу не нужно путать с весом, это совершенно разные вещи. Вес – это сила, с которой Земля притягивает массу. Сила, с которой массивное тело давит на опору, на которой лежит, или растягивает подвес, на котором висит. В космосе, в невесомости никакого веса нет, потому невесомость так и называется. Но все равно даже в невесомости толстый космонавт гораздо массивнее щуплого. И если они оттолкнутся друг от друга, то полетят в разные стороны с разными скоростями – толстый медленно, а щуплый быстро! Потому что количество вещества в их телах разное, в толстом вещества много, а в худом – кот наплакал. Масса измеряется в килограммах, а сила в ньютонах. Массу определяют с помощью весов, а силу с помощью специальных приборов – ньютонометров.

Электрон можно представить себе как маленький шарик, который вращается вокруг своей оси. Причем, как вы понимаете, летящий электрончик может вращаться или в одну сторону по отношению к направлению своего полета, или в другую, как это показано на рисунках ниже. И это тоже одно из свойств электрона – левое вращение или правое. По-научному вращение электрона называют спином. Спин – это собственное вращение электрона, от английского слова «spin» (вращение).

< image l:href="#"/>

Вращение летящего в направлении стрелки электрона может быть правым или левым

Если в винтовочном стволе правая нарезка, то вылетевшая из ствола пуля будет иметь вращение вправо. А если левая – влево. Теперь представьте, что мы стреляем в мишень, свободно закрепленную в центре и могущую вращаться. В этом случае пули с правым вращением, впиваясь в мишень, будут передавать ей свое вращение, постепенно раскручивая в ту же сторону – примерно как отвертка крутит винт. Если мы не знаем, в какую сторону крутятся вылетающие из ствола пули, можно поставить опыт, стреляя по крутящейся мишени. В какую сторону она завертится, в такую и пули крутятся. Это и есть спин

А теперь признаемся честно: приведенные выше картины – чистая условность, с помощью которой физики, школьные учителя и авторы популярных книжек объясняют людям, что такое спин. На самом деле спин совершенно неправильно представлять себе как собственное вращение электрона! Хотя бы потому, что если шарик электрона мы представим вращающимся вокруг своей оси, то его экваториальные области будут двигаться быстрее скорости света, что невозможно. Да и шариком электрон можно назвать лишь очень-очень приблизительно, о чем мы еще поговорим далее. В общем, спин – это малопонятная и непредставимая квантовая характеристика электрона. Которую можно лишь отдаленно уподобить вращению.

Но спин – это сущая ерунда по сравнению с последним и самым загадочным свойством электрона. Свойство это называется зарядом. Но заряд не в том смысле, что электрон чем-то заряжен, как винтовка патроном, потому что патрон из винтовки можно вынуть. А этот загадочный заряд из электрона вынуть нельзя. Он ему присущ, он его часть. Он – главное его свойство. Электрон, собственно говоря, и есть элементарный заряд!

Что же такое заряд по сути своей?

Этого никто не знает. Но зато мы знаем, как загадочный заряд проявляет себя.