Зеркало микромира
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Стараясь понять устройство нашего мира и постичь владеющие им законы, люди давно догадывались, что все вещества, или, как говорят ученые, вся «материя», построены из атомов — частиц размером в стомиллионные доли сантиметра. Удалось обнаружить, что эти крохотные мирки-атомы состоят из еще более мелких простых частиц материи. Вот имена этих простейших; протон, нейтрон, электрон.
Протон и нейтрон — частицы примерно равного веса. Электрон же почти в две тысячи раз легче протона. Протоны и нейтроны в атоме объединяются вместе, образуя его прочное ядро. Возле ядра движутся легкие электроны. Замечательно, что ядро ничтожно мало по сравнению со всем атомом; если бы атом был величиною с десятиэтажный дом, то ядро оказалось бы не больше горошины. Выходит, что атом почти целиком состоит из пустоты и его размеры определяются не ядром, а расстояниями электронов от ядра. Как ни малы эти частицы — электроны, протоны, нейтроны, — все же ученым удалось их «взвесить»: определить их массу. Оказалось, что масса электрона составляет миллиардную миллиардной и еще раз миллиардной доли грамма! Эта ничтожная масса во столько же раз меньше грамма, во сколько грамм меньше массы земного шара.
Электрон и протон, кроме массы, обладают еще одним важным свойством — электрическим зарядом. Этими двумя словами физики называют способность частиц материи притягивать или отталкивать другие частицы, тоже обладающие этим свойством — «электрическим зарядом». Удалось установить, что электрон притягивается к протону и отталкивается от другого электрона. Чтобы отметить это различие в действии электрических сил, условились говорить, что у протона — положительный электрический заряд, а у электрона — отрицательный. Измерения показали, что по величине оба заряда равны. Другая тяжелая атомная частица, нейтрон, не имеет никакого заряда. Она, как говорит, «электрически нейтральна».
Протонов в каждом атоме ровно столько же, сколько электронов. Поэтому атом — электрически нейтрален. Правда, часто случается, что атом теряет один или несколько своих электронов или, наоборот, захватывает себе лишние электроны. Тогда атом становится электрически заряженной частицей. Такие атомы называются ионами, а превращение атома в ион — ионизацией атома.
Электрон, протон, нейтрон… Из этих-то неслыханно малых долек материи, из этих, как их называют, «микрочастиц» построены все вещи нашего мира и мы сами. Таков вывод современной науки. Но как же доказать существование микрочастиц, если их вес и размеры исчисляются триллионными долями грамма и сантиметра? Где найти прибор, способный, как в зеркале, отразить нам картину микромира?
И как это ни удивительно, но такое волшебное зеркало у ученых действительно есть! Это — прибор, называемый камерой Вильсона. В этом поразительном приборе пути электронов или протонов становятся так же явственно видимы, как многоцветные полеты ракет, взлетающих в небо во время праздничного салюта. И это чудо происходит в камере Вильсона благодаря самому обыденному явлению — обыкновенному туману. В камере Вильсона этот старинный бич моряков оказывает физикам неоценимые услуги. (А еще интересно, что изобретение камеры Вильсона дало начало появлению множества полезных изделий, таких как, например, твердотопливные котлы на сайте e-klimat.ua, и многое другое).
Что такое туман? Это — мелкие капли воды, которые образуются в воздухе, когда в нем очень много водяных паров. Во влажном воздухе молекулы воды всегда готовы образовать водяную каплю — было бы только за что зацепиться вначале. Если в воздухе есть пылинки или частицы дыма, то к ним-то и приляпают во множестве водяные молекулы. И тогда на невидимых глазом пылинках растут капли воды. Постепенно они становятся видимыми, и люди говорят: это выпал туман.
Воздух или иной газ, наполняющий камеру Вильсона, хотя и очень влажен, но чист. Там не на чем зародиться каплям воды, тумана там нет. Но вот в камеру влетает микрочастица — электрон, протон или какая-либо иная частица с электрическим зарядом. Пролетая мимо атомов газа, микрочастица благодаря своему заряду отрывает от атомов электроны, входящие в их состав. Так нейтральные атомы, задетые микрочастицею, превращаются в положительно заряженные ионы. Целую цепь таких ионов оставляет позади себя микрочастица. Нет недостатка на ее пути и в отрицательных ионах. Они образуются из атомов газа, захвативших себе электроны, выбитые микрочастицею. И вот теперь-то есть за что уцепиться молекулам водяного пара: такие ионы для них подобны пылинкам на улице. Миг — и узенькая полоска тумана рождается на цепочке ионов притягивающих к себе водяные молекулы. Так невидимый микроснаряд оставляет после себя на некоторую долю секунды видимый след. Этот след можно успеть заметить глазом или сфотографировать. Можно даже отразить этот след на большой экран и показывать целой толпе, как летают в камере микрочастицы.
Но откуда же берут ученые отдельные микрочастицы, влетающие в камеру Вильсона? Современная физика знает много способов для извлечения микрочастицы из цепких уз вещества. Но еще раньше, чем ученые овладели этой наукой, они сделали важное открытие: они обнаружили, что природа сама предоставляет нам источники микрочастиц, и мы с успехом можем ими воспользоваться для изучения законов микромира. Эти источники — радиоактивные вещества.
Что это такое? Это — вещества, атомные ядра которых обладают свойством самопроизвольно распадаться на части. Таких «неустойчивых» веществ в природе немного. Вот некоторые из них: металлы радий, уран, торий, актиний. При распаде атомных ядер этих веществ с ними происходят удивительные превращения. Например, распад ядра атома радия начинается с того, что ядро выбрасывает из себя частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов, — физики ее зовут «альфа-частицей». Разумеется, от этого атом радия уже перестает быть атомом радия. Теперь это — атом нового химического элемента: радона. И этот переход радия в новое звание — только начало длинной лестницы превращений. Ибо радон — тоже неустойчивый элемент и сам способен испускать альфа-частицы, становясь новым элементом — «радием А», который по такому же рецепту превращается, в свою очередь, в «радий Б».
Ядро атома этого нового элемента обладает еще более поразительным свойством, чем испускание альфа-частиц. Оказывается, что один из нейтронов этого ядра способен превращаться сразу в три частицы: протон, электрон и очень легкую незаряженную частицу — нейтрино. При этом протон остается в ядре, а электрон и нейтрино вылетают прочь. Таким образом, ядро атома радия Б получает ще один положительный заряд, становясь поэтому ядром атома уже другого элемента — «радия У».
Было бы слишком длинно описывать полную цепь превращений ядра атома радия. Эта цепь кончается тем, что радий превращается в свинец. Этот, хорошо всем известный металл не испытывает уже никакой наклонности к беспокойной жизни своих неустойчивых родоначальников и не испускает ни альфа-частиц, ни электронов, всегда оставаясь самим собою — свинцом. Радиоактивные вещества — это драгоценный ключ, отпирающий ученым двери в микромир, недоступный нашим органам чувств…
Автор: А. Мешковский.