Дзеркало мікросвіту
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Намагаючись зрозуміти пристрій нашого світу і осягнути володіючі ним закони, люди давно здогадувались, що всі речовини, або, як кажуть вчені, вся «матерія», побудовані з атомів – частинок розміром в стомільйонні частки сантиметра. Вдалося виявити, що ці крихітні світи-атоми складаються з ще більш дрібних елементарних частинок матерії. Ось імена цих найпростіших; протон, нейтрон, електрон.
Протон і нейтрон – частки приблизно рівної ваги. Електрон ж майже в дві тисячі разів легше протона. Протони і нейтрони в атомі об’єднуються разом, утворюючи його міцне ядро. Біля ядра рухаються легкі електрони. Чудово, що ядро мізерно мале в порівнянні з усім атомом; якби атом був завбільшки з десятиповерховий будинок, то ядро виявилося б не більше горошини. Виходить, що атом майже цілком складається з порожнечі і його розміри визначаються не ядром, а відстанями електронів від ядра. Як не малі ці частинки – електрони, протони, нейтрони, – все-таки вченим вдалося їх «зважити»: визначити їх масу. Виявилося, що маса електрона становить мільярдну мільярдної і ще раз мільярдної частки грама! Ця незначна маса в стільки ж разів менше грама, у скільки грам менше маси земної кулі.
Електрон і протон, крім маси, володіють ще однією важливою властивістю – електричним зарядом. Цими двома словами фізики називають здатність частинок матерії притягувати або відштовхувати інші частинки, що теж володіють цією властивістю – «електричним зарядом». Вдалося встановити, що електрон притягається до протона і відштовхується від іншого електрона. Щоб відзначити це розходження в дії електричних сил, домовились говорити, що у протона – позитивний електричний заряд, а у електрона – негативний. Вимірювання показали, що за величиною обидва заряди рівні. Інша важка атомна частка, нейтрон, не має ніякого заряду. Вона, як кажуть, «електрично нейтральна».
Протонів у кожному атомі рівно стільки ж, скільки електронів. Тому атом – електрично нейтральний. Правда, часто трапляється, що атом втрачає один або кілька своїх електронів або, навпаки, захоплює собі зайві електрони. Тоді атом стає електрично зарядженою часткою. Такі атоми називаються іонами, а перетворення атома в іон – іонізацією атома.
Електрон, протон, нейтрон … З цих-то нечувано малих часточок матерії, з цих, як їх називають, «мікрочастинок» побудовані всі речі нашого світу і ми самі. Такий висновок сучасної науки. Але як же довести існування мікрочастинок, якщо їх вага і розміри обчислюються трильйонними долями грама й сантиметра? Де знайти прилад, здатний, як у дзеркалі, відобразити нам картину мікросвіту?
І як це не дивно, але таке чарівне дзеркало у вчених дійсно є! Це – прилад, званий камерою Вільсона. У цьому вражаючому приладі шляхи електронів або протонів стають так само виразно видимі, як багатобарвні польоти ракет, що злітають у небо під час святкового салюту. І це диво відбувається в камері Вільсона завдяки самому буденному явищу – звичайному туману. У камері Вільсона цей старовинний бич моряків надає фізикам неоціненні послуги.
Що таке туман? Це – дрібні краплі води, які утворюються в повітрі, коли в ньому дуже багато водяної пари. У вологому повітрі молекули води завжди готові утворити водяну краплю – було б тільки за що зачепитися спочатку. Якщо в повітрі є пилинки або частки диму, то до них-то і прилипають в безлічі водяні молекули. І тоді на невидимих оком порошинах ростуть краплі води. Поступово вони стають видимими, і люди кажуть: це випав туман.
Повітря чи іншій газ, що наповнює камеру Вільсона, хоча і дуже вологий, але чистий. Там не на чому зародитися краплям води, туману там немає. Але от в камеру влітає мікрочастинка – електрон, протон або яка-небудь інша частинка з електричним зарядом. Пролітаючи повз атомів газу, мікрочастинка завдяки своєму заряду відриває від атомів електрони, що входять до їх складу. Так нейтральні атоми, зачеплені мікрочастинки, перетворюються в позитивно заряджені іони. Цілий ланцюг таких іонів залишає позаду себе мікрочастинка. Не бракує на її шляху і негативних іонів. Вони утворюються з атомів газу, що захопили собі електрони, вибиті з мікрочастинок. І ось тепер-то є за що вчепитися молекулам водяної пари: такі іони для них подібні порошинкам на вулиці. Мить – і вузенька смужка туману народжується на ланцюжку іонів, що притягують до себе водяні молекули. Так невидимий мікроснаряд залишає після себе на деяку частку секунди видимий слід. Цей слід можна встигнути помітити оком або сфотографувати. Можна навіть відобразити цей слід на великий екран і показувати цілій юрбі, як літають в камері мікрочастинки.
Але звідки ж беруть вчені окремі мікрочастинки, влітаючі в камеру Вільсона? Сучасна фізика знає багато способів для вилучення мікрочастинки з чіпких уз речовини. Але ще раніше, ніж вчені оволоділи цією наукою, вони зробили важливе відкриття: вони виявили, що природа сама надає нам джерела мікрочастинок, і ми з успіхом можемо ними скористатися для вивчення законів мікросвіту. Ці джерела – радіоактивні речовини.
Що це таке? Це – речовини, атомні ядра яких мають властивість спонтанно розпадатися на частини. Таких «нестійких» речовин у природі небагато. Ось деякі з них: метали радій, уран, торій, актиній. При розпаді атомних ядер цих речовин з ними відбуваються дивовижні перетворення. Наприклад, розпад ядра атома радію починається з того, що ядро викидає з себе частку, що складається з двох протонів і двох нейтронів, – фізики її звуть «альфа-часткою». Зрозуміло, від цього атом радію вже перестає бути атомом радію. Тепер це – атом нового хімічного елемента: радону. І цей перехід радію в нове звання – тільки початок довгих перетворень. Бо радон – теж нестійкий елемент і сам здатний випускати альфа-частинки, стаючи новим елементом – «радієм А», який за таким же рецептом перетворюється, у свою чергу, в «радій Б».
Ядро атома цього нового елемента має ще більш вражаючу властивість, ніж випускання альфа-частинок. Виявляється, що один з нейтронів цього ядра здатний перетворюватися відразу в три частки: протон, електрон і дуже легку незаряджену частинку – нейтрино. При цьому протон залишається в ядрі, а електрон і нейтрино вилітають геть. Таким чином, ядро атома радію Б отримує ще один позитивний заряд, стаючи тому ядром атома вже іншого елемента – «радію У».
Було б надто довго описувати повний ланцюг перетворень ядра атома радію. Цей ланцюг закінчується тим, що радій перетворюється на свинець. Цей, добре всім відомий метал не відчуває вже ніякої схильності до неспокійного життя своїх нестійких родоначальників і не випускає ні альфа-частинок, ні електронів, завжди залишаючись самим собою – свинцем. Радіоактивні речовини – це дорогоцінний ключ, який відмикає вченим двері в мікросвіт, недоступний нашим органам почуттів.
Автор: А. Мєшковський.