ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Последний раздел

В учебниках очень неохотно пишут о том, что тот или иной раздел ‑ последний, хотя иной раз очень хочется, чтобы очередным параграфом или очередной фразой весь поток непонятной информации наконец иссяк. Так что сразу смотрим вперёд, где осталось три самых отвлечённых вещи: это теория относительности, атомная физика и ядерная физика. С первой, конечно же, связывают имя всё того же Эйнштейна. Ну посмотрим, что он понапридумывал.

Началось всё с того, что думали, что свет перемещается мгновенно. Потом сообразили, что это не так, и стали пытаться мерить его скорость. Измерив, охренели от получившейся цифры (300 тысяч километров в секунду ‑ настолько быстро ничто летать не умеет!) и стали соображать головой, а можно ли летать ещё быстрее? А самое большое подозрение вызвало то, что эта скорость света не зависит от того, с какой стороны смотреть, с какой системы отсчёта считать. Копать в этом направлении начали ещё до Эйнштейна, и не он один выдумал абсолютно всё то, что будет написано ниже. Но у нас тут не история, а физика, так что кто именно что именно открыл ‑ кому интересно, руки в ноги и вперёд расспрашивать всех хороших преподавателей физики, которые будут попадаться на пути.

Специальная теория относительности (СТО) является, по сути, механикой. Только это механика на уровне световой скорости, отвечающая на вопрос "как и почему тело движется, если его скорость близка к скорости света". За фундамент взяли два утверждения, которые всегда верны и ничем не доказываются. Первое: все физические процессы одинаково протекают в любой инерциальной системе отсчёта ‑ вроде бы очевидная вещь, но убивает наповал все словеса типа "искривление пространства и времени", которые обожают кидать вокруг этой теории. И второе: скорость света в вакууме (c = 3*10^8 м/с) ‑ величина постоянная в инерциальной системе отсчёта, не зависит от скорости источника света и его приёмника.

И вот от этих двух штук начинает строиться целая куча новых предположений, которые представить себе довольно трудно. Например, такая штука, как относительность одновременности. Если в одной системе отсчёта два каких‑то события происходят одновременно, но эта система отсчёта движется, то относительно неподвижной системы отсчёта эти два события не будут одновременными! Чтобы не обидеть первый постулат СТО, нужно синхронизировать время, чтобы обе системы отсчёта была равноправны. При этом следует ещё одна выносящая мозг фраза: время в теории относительности не постулируется единым для всех систем отсчёта! То есть может так быть, что в разных системах отсчёта время идёт по‑своему, что и любят обзывать "искривлением времени". Вместе со временем, меняются также энергия тела, его импульс, масса и длина. Записывается это всё примерно похоже друг на друга в виде таких дробей: x' = (x‑v*t)/корень квадратный из (1 – (v^2/c^2)), где x' ‑ величина (в данном случае координата), которую рассматриваем; x ‑ "обычный" икс, который используем в классической механике, t ‑ время, v ‑ скорость движения тела, c ‑ скорость света. Опять‑таки, когда v много меньше c, подкоренное выражение становится близко к единице, и всё выражение перерастает в обычные кинематические x = x0 ‑ v*t: как любят выражаться, на скоростях, много меньших скорости света, релятивистская механика переходит в классическую. "Релятивистская" означает, что имеется в виду движение на скорости, близкой к скорости света. (Видимо, слово "релятив" означает "отношение", "относительность".) Время при скорости, близкой к c, уменьшается, длина тоже уменьшается, а вот масса, энергия и импульс растут. Особенно весело с энергией: E = m*c^2/корень квадратный из (1 – (v^2/c^2)). То есть при скорости, близкой к скорости света, энергия должна стремиться к бесконечности. В том числе и по этой причине обычное туловище с массой невозможно разогнать до скорости, равной c ‑ для этого уже требуется бесконечно большая энергия, а где её взять? (Поэтому стали говорить о том, что заставить что‑то лететь со скоростью, большей, чем скорость света, невозможно вообще.) Другой предельный случай, если тело покоится, то бишь скорость ‑ ноль.

Тогда получается та самая знаменитая формула, которую тоже приписывают Эйнштейну: E = m*c^2. Эта энергия называется энергией покоя, а соответствующая ей масса ‑ массой покоя. Есть особые хитрые частички, у которых эта масса равна нулю, но при этом есть своя масса движения ‑ то есть частичка как бы невесомая, но и энергию переносит, и даже имеет свой импульс! (Вредное домашнее задание: догадаться, что это за частичка. Одну подсказку уже дал, вторая ‑ о ней уже шла речь раньше.) Плюс к этому: если на тело действует какая‑то сила, то она поменяет его импульс ‑ значит, и сила тоже будет считаться как‑то зубодробительно, снова с этим корнем! Короче говоря, этим хозяйством переплетается вся классическая механика ‑ и кинематика, и динамика...

Могу ещё подлить масла в огонь: как оказалось потом, СТО тоже где‑то заканчивается, у неё тоже есть границы применения! А именно: применять всё это дело на практике можно до тех пор, пока не появится настолько сильное гравитационное взаимодействие, что оно будет притягивать к себе, грубо говоря, едва ли не с той же скоростью света (а если точнее ‑ можно применять, пока потенциал взаимодействия много меньше этой "пороговой" величины, равной c^2). То есть посмотреть, как планеты друг с другом сталкиваются, ещё можно. Как мелкую частичку разогнать до скорости, близкой к скорости света ‑ ещё можно. А вот если попытаться взглянуть в космическую "чёрную дыру" и попытаться сообразить головой, а как туда что‑то упадёт, то здесь и СТО обломает себе зубы. Тогда в силу вступит общая теория относительности (ОТО), которая уже может попытаться наглядно показать, как будет выглядеть со стороны засасываемый чёрной дырой предмет. ("Чёрная дыра" ‑ это бывшая звезда, имевшая достаточно большую массу; при своей "смерти" она схлопнулась до очень малых (для звезды) размеров, из‑за чего стала настолько плотной и массивной, что своей гравитацией начинает притягивать всё и вся ‑ причём эта гравитация настолько сильна, что из её лап не вырваться даже одному квантику света ‑ именно поэтому она "чёрная", и это уже создаёт трудность в том, как хотя бы представить, что тот или иной предмет будет ей притянут ‑ ведь тогда его уже не станет видно, потому что для того, чтобы предмет можно было увидеть, от него должен отразиться свет, который чёрная дыра тоже не выпускает!) Короче говоря, глазами что‑то представить ‑ мозги сломаешь, космос ещё не вскопан математически, и тут ещё современной физике копать и копать. Даже специальный раздел науки для этого забабахали ‑ космологию.

Вкратце и поумнее: специальная теория относительности (СТО) ‑ это теория, описывающая движение, законы механики и пространственно‑временные отношения при скоростях движения, меньших скорости света или близких к ним. Движение при скорости, близкой к скорости света, называют релятивистским. Два основных постулата СТО: 1) все физические процессы протекают одинаково в любой инерциальной системе отсчёта; 2) скорость света в вакууме ‑ величина постоянная в инерциальной системе отсчёта и не зависит от скорости источника света или его приёмника. Значение её составляет: c = 3*10^8 м/с (примерно). Величины, изменяющиеся при скоростях, близких к c: масса, энергия, импульс (увеличиваются при приближении к c); время, линейные размеры тела (уменьшаются при приближении к c). Энергию СТО описывает формулой: E = m*c^2/корень квадратный из (1 – (v^2/c^2)). При v = 0 E = m*c^2 ‑ тело имеет энергию покоя, определяемую массой покоя. При v = c энергия бесконечно большая ‑ разгон тела, имеющего массу покоя, до скорости света невозможен. СТО также имеет свои границы применения ‑ она не может применяться в сильных гравитационных полях. Обобщение СТО для гравитационных полей ‑ общая теория относительности (ОТО).

 

Второй с начала и конца последнего раздела абзац. Атомная физика. Когда‑то считали, что атом ‑ это самый маленький "кирпичик", из которого состоят вещества, якобы неделимый (само слово "атомос" в переводе с греческого и означает "неделимый"). Но потом народ начал натыкаться на то, что всё‑таки там что‑то внутри есть: как то, хоть те же электроны ‑ они же не сами по себе болтаются? Тем более что "выплёвывали" их как раз именно атомы. На эту тему долго чесал себе репу товарищ с инициалами и фамилией Дж. Дж. Томсон (точно не помню, тот же ли это Томсон, что формулу для колебательного контура вывел, или же последнее сделал его сын), ранее открывший сам электрон. И придумал он нехитрую модель: атом ‑ это такой пудинг (или кекс) с изюмом: тесто ‑ это размазанный по всему атому положительный заряд, а изюминки ‑ это электрончики, каждый из которых имеет свой отрицательный зарядик, и вместе они дают такой заряд, что атом будет электронейтрален (то бишь заряд его ‑ ноль, как это и должно быть). Но потом его ученик Эрнест Резерфорд (правнук которого, кстати, в наши дни до сих пор играет в одной достаточно известной как за бугром, так и у нас, группе) опроверг такую теорию. А именно: он использовал кусочек радиоактивного вещества (радиоактивность тогда уже была открыта), который, кроме всего прочего, плевался альфа‑частицами ‑ ядрами атома гелия. Эти частички бомбардировали специальную золотую фольгу, на которой можно было увидеть, куда что попало. Если бы "пудинг с изюмом" действительно бы существовал, то все частички дружно рассредоточились в маленький круг (из‑за слабого кулоновского отталкивания друг от друга) и попадали бы на мишень. Итог ‑ на мишени был бы круг. А на деле? На деле получилось, что некоторые частички отражаются на большие углы, отдельные (единицы из тысяч) вообще отражаются на 90 градусов или ‑ более того ‑ поворачивают назад! Товарищ Резерфорд предположил так: атом ‑ это не кекс с изюмом, а что‑то вроде маленькой планетарной системы. Центр ‑ "солнце" ‑ это ядро, а вокруг него, как планеты, болтаются электрончики, каждый на своей "орбите". Ядро заряжено положительно, электрончики ‑ отрицательно, итог ‑ атом в целом электронейтрален, как это и должно быть. Причём ядро по размеру гораздо меньше атома ‑ примерно настолько же, насколько яблоко меньше Земли. И некоторые частички отклонялись так странно как раз потому, что попадали именно в ядро, которое отталкивало их от себя куда ни попадя.

Но и тут физики не успокоились! Как же так ‑ электрон крутится по орбите, значит, движется с центростремительным ускорением, которое, вообще говоря, отрицательно ‑ значит, он замедляется, ‑ значит, теряет энергию! К тому же, он ещё и должен притягиваться положительно заряженным ядром ‑ короче, вся теория идёт прахом, ничего снова не объясняет, иначе все электрончики бы попадали на ядро и с большим удовольствием сопели бы там на боку очень короткое время, после чего нейтрализовались бы вместе с положительным зарядом ядра. Тогда голос подал другой физик, по фамилии Бор. Он погрозил пальцем и сказал: так‑то всё так, ребятки, да не совсем. Во‑первых, да, электрончики крутятся вокруг атома. Но: у каждого из электронов есть своё "стационарное" состояние, в котором он свою энергию не теряет. Да, вот так: крутится, но энергию не теряет, и сам атом при этом стабилен, и всё хорошо. Ну а уж если его побеспокоить, тогда вступает в силу второй постулат: если атом возбудить (это значит всего лишь изменить его энергию ‑ а не то, что вы подумали!), то внутри него происходит следующее: электрончик карабкается (если атому дают энергию) на орбиту (или несколько, если энергии хватает) выше или падает (если атом отдаёт энергию) на орбиту (или несколько, если теряется много энергии) ниже, при этом либо он поглощает квант электромагнитного излучения (когда получает энергию), либо излучает его (когда отдаёт). Энергия такого кванта будет равна: h*ню = E2 ‑ E1, то бишь просто разнице энергий. В зависимости от того, насколько сильно вдарить по атому (и по какому атому тоже!), энергия вышибаемого из него излучения может быть разной. И что ещё примечательно: набор квантиков, который испускает (или поглощает) тот или иной атом при возбуждении, у каждого свой! То есть один атом, например, плюётся только красным, жёлто‑зелёным и фиолетовым, а другой ‑ только оранжевым и кучей оттенков синего. Более того, набор тех "цветов", что он выплёвывает, и тех, что поглощает, ВСЕГДА совпадает. Это легло в основу такой исследовательской штуки, как спектроскопия: освещая то или иное вещество и смотря, какие именно цвета (длины волн) оно поглощает, можно определить, из каких атомов оно состоит!

Но такое явление нашло себя не только в заумной диагностике, а ещё и в обычной жизни. Например, если пустить обычный электрический ток большой силы по вольфрамовой нити, то она начнёт не только греться, но ещё при этом и, пытаясь остыть, светиться. Это будет обычная лампочка накаливания. Более сложный пример ‑ если пустить ток через газ, например, неон. Электрончики, бегающие по получившейся плазме, будут ударяться об обычные атомы, возбуждать их, а те, стремясь вернуться в обычное состояние ‑ всё к тому же равновесию! ‑ будут давать тоже кванты с длиной волны света. Ещё более сложный пример ‑ если взять лампу дневного света на парах, например, ртути: через пары ртути тоже пускают ток, она тоже даёт излучение, но в ультрафиолетовом диапазоне, который не виден! А чтобы он стал виден, делают по‑хитрому: этот ультрафиолет падает на специальное вещество, нанесённое по ту сторону оболочки лампы. Оно возбуждается уже ультрафиолетовым излучением, и снова та же картина: стремясь "успокоиться" обратно, выплёвывает кванты видимого света (то есть с уже меньшей энергией). Такую штуку называют люминесценцией, а лампы ‑ люминесцентными. Самый сложный и невидимый глазами пример ‑ это если разогнанные напряжением в десятки киловольт электроны заставить с разгону удариться головой об атомы (например, меди или хоть того же вольфрама, хотя теоретически, в принципе, материал не особо важен ‑ нужно только, чтобы он был плотным, иначе электрончики тупо проткнут его насквозь и полетят дальше, даже не заметив). Тогда полученная энергия будет такой, что атом станет плеваться квантами рентгеновского диапазона ‑ именно таким излучением просвечивают грудную клетку, когда делают флюорографию, или челюсть, когда делают рентгеновский снимок зубов. В свою очередь, даже та же фотобумага ‑ это тоже удел атомной физики: раньше, ещё во времена аналоговых фотоаппаратов, делали бумагу из специальных материалов. Она чутко реагировала на свет, и если запечатлённое на плёнку изображение просветить так, чтобы его отображение уложилось точно на бумагу, то и получилась бы фотография. Всё это делалось в темноте (иначе кадр пропадёт ‑ будучи засвеченными, атомы материала плёнки вернутся обратно в спокойное состояние (они специально подбирались такими, чтобы возбуждённое состояние держалось достаточно долго, дабы успеть потом это возбуждение снять), и ‑ прощай, картинка, ищи‑свищи, где они там были возбуждены, а где нет!), в специальных фотолабораториях... Не то, что сейчас ‑ нажал кнопку, и вот тебе уже готовая фотка, хоть сразу в интернет заливай. Только атомной физики и в цифровом фотоаппарате сильно меньше не стало, просто там используют не бумагу, а специальные фотоматрицы, каждая "ячеечка" (пиксель) которых реагирует на свет всё теми же многострадальными атомами. Но это уже гораздо более сложная вещь, такие в школе не проходят. Самый зубодробительный пример ‑ если заставить кучу атомов одновременно испускать кванты с одной и той же длиной волны, загоняя электрончики на одни и те же орбиты, отчего они все синхронно будут падать. Такой "электронопад" лежит в основе работы лазера. Причём лазеры излучают как видимый свет (и выглядит это вовсе не как полоса света или световая "пуля", а просто пятно в месте попадания луча, как от лазерной указки!), так и инфракрасное излучение, и ультрафиолет, и даже рентгеновские лучи. Шагают по длине волны и в другую сторону ‑ специальные "мазеры" излучают волны микроволнового диапазона тоже одной и той же длины. Последние применяются в том числе в таких страшных штуках, как лучевое оружие. Опять‑таки, ещё раз повторю ‑ никакое излучение, кроме видимого света, не увидишь! Лучи чёрт‑те каких диапазонов, которые кругом и всюду показывают как видимые лучи (кроме обычного света), остаются видимыми пока что только в научной фантастике!

Немного ушли от темы, но в целом по школьной части в общих чертах почти всё. Дальше товарищи стали чесать репы ещё и ещё и пришли к выводу, что классическая механика для описания строения атома никак не подходит. СТО тогда ещё только разрабатывалась, но и она тоже тут не в кассу. Итог ‑ появилась квантовая механика, которая очень скрупулезно описывает мелкие частички типа тех же электрончиков. Тут понеслось по полной программе: не то, что для школы ‑ для технического вуза математика с физикой пошли такие, что действительно без пол‑литра или очень хорошего преподавателя (или и то, и другое вместе) не разберёшь. К атомной физике это прикоснулось таким образом: электрон ‑ это теперь больше не шарик, крутящийся по орбите. Это тоже и частица, и волна одновременно, он размазан по пространству всего атома, болтаясь тудыть‑сюдыть со скоростью порядка 10^5 м/с, но те места, в которых его нахождение наиболее вероятно, образуют "орбиталь" ‑ это то, что обозначается в таблице Менделеева непонятными маленькими буквами s, p, d и f. То бишь таких видов орбиталей всего четыре.

А ещё у электрончика есть непонятный параметр под названием "спин". Когда электрон представляли ещё как шарик, то предполагали, что спин означает то, что электрон крутится не только вокруг ядра атома, но и вокруг своей оси (точно так же, как и наша Земля ‑ не только вокруг Солнца, но и вокруг себя). Потом, правда, фантазия сама себе сломала голову представлять ‑ и частица, и волна одновременно, и размеров почти не имеет, да ещё и что‑то там крутится вокруг себя, когда крутится нечему! Во накрутили (каламбурчик). Но именно спин отвечает за то, что атом умеет "чувствовать" магнитное поле. Грубо говоря, когда спины всех электрончиков атома поворачиваются в одну сторону, вещество из этих атомов становится намагниченным. Когда спины повёрнуты так, что половина направлена в одну сторону, половина ‑ в другую (как это бывает обычно), вещество не реагирует на магнитное поле. Спин ‑ это безразмерное число, и для электрона он может быть равным только +1/2 или ‑1/2 (смотрит "вверх" или "вниз" соответственно, или крутится "по часовой стрелке" либо "против часовой стрелки", если представлять как шарик. Кавычки ставлю специально, потому что где в атоме верх, а где низ ‑ чёрт‑те его знает.)

И наконец... Наконец, чтобы окончательно "убить" атомную физику, придётся смириться с тем, что она смыкается с химией. А именно ‑ всё с той же таблицей Менделеева. Конкретнее: в ней представлено большинство возможных атомов, какие только могут быть. Если совсем строго ‑ далеко не все, но все основные и более‑менее стабильные точно. "Стабильные" значит то, что атом так и будет оставаться ядром с электрончиками достаточно долгое время. "Нестабильный" значит, что атом по какой‑то причине не может удержать в охапке все свои внутренности и через какое‑то время либо развалится на два других, более лёгких, атома, либо от него "отколется" небольшой кусочек в виде одной‑двух частичек. И то, и другое называется радиоактивным распадом. Но об этом уже лучше в ядерной физике.

Что ещё из атомной физики подсказывает таблица Менделеева. Это: число энергетических уровней ("орбит"), которые имеет атом ‑ это строка (период), в котором стоит тот или иной химический элемент. Число электрончиков, находящихся на самой верхней "орбите" (именно они активнее всего участвуют во всяких взаимодействиях, как то: их легче всего отщепить от атома, заставив переносить электрический ток или прилепиться к другому атому, у которых не хватает электрончиков для того, чтобы полностью заполнить внешний уровень ‑ то бишь верхнюю "орбиту") ‑ это номер столбца (группы), в которой находится химический элемент. Номер каждого химического элемента тоже подобран не случайно: это число электронов во всём атоме вообще, оно же положительный заряд ядра, оно же число протонов. (О протонах и нейтронах тоже расскажу в ядерной физике, это следующий и последний абзац.) Масса атома ‑ это число протонов и нейтронов, вместе взятых (масса электрона считается очень маленькой по сравнению с массами протонов и нейтронов ‑ разница почти в 2000 раз, поэтому их не считают). Мерится в специальных единицах ‑ атомные единицы массы (а.е.м.). 1 а.е.м. = 1.66*10^‑24 г или 1/12 от массы атома углерода. Да, и тут снова углерод. По всей видимости, это один из самых стабильных и распространённых атомов, которые есть ‑ именно поэтому и моли, и а.е.м. считают от него. Моли тут тоже привязаны: если масса элемента равна 1 а.е.м, то 1 моль такого элемента будет весить 1 г. Для того же углерода получается, что 1 моль его будет весить 12 г (так как масса 12 а.е.м.) У железа, например, масса одного моля ‑ 56 г. Короче, та же молярная масса, что и была в термодинамике. Ну и последнее, что в таблице Менделеева уже не указывается, но что для каждого атома своё ‑ это его радиус. Чётких границ он не имеет, поэтому его считают просто как расстояние между ядрами соседних атомов, которые связаны друг с другом. Естественно, чем больше в атоме внутренностей ‑ чем больше напихано всякой хрени в ядре и чем больше электронов болтается вокруг, тем он ширше. Но в среднем размер атома колеблется где‑то от десятков до сотен пикометров ("пико" ‑ это 10^‑12, одна тысячная нанометра... то есть где‑то одна триллионная доля метра). То есть, если проводить сравнение с тем же яблоком, разница в порядках примерно такая же, атом настолько же меньше яблока, насколько ядро атома меньше его самого: если яблоко ‑ это один атом, то Земля ‑ это одно большое яблоко, в состав которого входит наш "атом".

И самое последнее. Несмотря на то, что атом вот так бессовестно распотрошили на мелкие частички, он не становится совсем не нужным физике. Очень многие физические процессы рассматривают, именно представляя вещество как большую кучу атомов, а некоторые и об атомах забывают и смотрят ещё "выше" ‑ на молекулы: так, молекулярная физика об атомах почти забывает, вспоминая о них только как о составных частях молекул; большое количество прикладных наук, в том числе инженерных, смотрят на атом как на неделимый шарик, из которого могут разве что выплёвываться электрончики с энергетическими переходами (которые дают кванты электромагнитных волн), и только ядерная физика реально разрезает атом на части, забывает о нём и погружается ещё глубже, к самому "фундаменту".

Вкратце и поумнее: существовало несколько моделей атома. Модель Томсона ‑ "пудинг с изюмом": атом ‑ это положительно заряженная частица, в котором содержатся электроны. Модель Резерфорда это предположение опровергла: опыт по рассеиванию альфа‑частиц на золотой фольге показал, что атом состоит из положительно заряженного "ядра", вокруг которого, по предположению, вращаются электроны. Недостаток теории Резерфорда в том, что электрон должен терять энергию, так как движется с отрицательным центростремительным ускорением, и притягиваться атомом ‑ но этого не происходит. Бор выдвинул два постулата, объясняющих это: 1) атом может находиться в нескольких стационарных состояниях, при котором электрон может двигаться вокруг ядра, не теряя энергии, при этом энергия атома постоянна; 2) при переходе из одного стационарного состояния в другое электрон переходит на другую орбиту (другой энергетический уровень), испуская при этом квант энергии или поглощая его (при потере энергии ‑ испускает, при получении энергии ‑ поглощает). Квантовомеханическая (текущая на данный момент) модель атома принимает во внимание, что электрон является частицей и волной одновременно; геометрическое место точек, в котором наиболее вероятно его нахождение, называется электронной орбиталью. Всего есть четыре типа орбиталей: s, p, d и f. Спин электрона ‑ величина, отвечающая за магнитные свойства вещества; наглядно его можно было представить как вращение электрона вокруг своей оси. Принимает значения +1/2 и ‑1/2. Связь между параметрами атома и его положением в периодической системе элементов Менделеева: период ‑ это количество энергетических уровней, которые имеет атом, группа ‑ число электронов на внешнем уровне, номер элемента ‑ заряд ядра, или число электронов, или число протонов; атомная масса ‑ число протонов и нейтронов. Атомная масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.), 1 а.е.м. = 1/12 массы атома углерода‑12, приближённо равна 1.66*10^‑24 г. Радиус атома измеряется по расстоянию между ядрами атомов, связанных ковалентной связью, в зависимости от атомного номера он составляет от десятков пикометров до сотен пикометров.

 

Подходим к финишу! Осталась последняя, в чём‑то очень простая, но и в чём‑то очень сложная часть. Простая потому, что самая сложная математика здесь на уровне "прибавить‑отнять". Сложная потому, что глазами представить всё то, что и как творится во вроде бы и без того крошечном атомном ядре, не очень просто. И в том, что ядерная физика тесно сплетена всё с той же химией и с квантовой механикой. Но это последний раздел, после него всё закончится. Как перед нырком ‑ набрали воздуха и вперёд.

Значится, атом состоит из ядра и электронов. А ядро состоит, в свою очередь, из протонов и нейтронов, которые друг за другом тоже были открыты. Оба примерно в 2000 раз тяжелее электрона, но не совсем одинаково. Заряд протона ‑ положительный и равен заряду электрона. Нейтрон электронейтрален (у него заряд ‑ 0). Из основных параметров всё. Но всё бы хорошо, да есть несколько "но". Во‑первых, почему протоны не отталкиваются друг от друга, у них же одинаковые по знаку заряды? Во‑вторых, почему они вообще все держатся вместе? В‑третьих, почему некоторые из них не могут держаться вместе и разваливаются, отчего человечество стало рисовать страшный знак с тремя лучами от точки ‑ знак радиоактивности? И, в‑четвёртых, каверзный вопрос: а не состоят ли они сами из чего‑нибудь ещё более мелкого? Обо всём ‑ по порядку.

Первый момент. По логике, да ‑ протоны должны разлетаться прочь друг от друга из‑за сил кулоновского отталкивания. Но почему‑то этого не происходит. Думали, гадали, почему так: это явно силы не электрического происхождения. И не гравитационного ‑ хоть и расстояние между протонами очень маленькое, массы их ещё меньше, и сила притяжения их друг к другу тоже крайне мала. Все основные виды взаимодействий исчерпали. Тогда решили, что это дело рук третьего, ещё неизвестного, взаимодействия, которое назвали "сильным". Именно оно удерживает частички сцепленными друг с другом, причём делать это может только на небольшом расстоянии ‑ на большом сила притяжения резко падает. Благодаря этому сильное взаимодействие получило жаргонное (да, у физиков тоже есть жаргон) прозвище "богатырь с короткими руками". Всё, в школьной физике про него больше почти ничего не известно (почему "почти", смотри самый конец).

Второй момент. Всё тот же принцип "природа стремится к равновесию" ‑ раз все частички (протоны и нейтроны часто обзывают "нуклонами", так как "нукл" ‑ это ядро) связаны между собой, значит, это для ядра чем‑то выгодно. А именно: чтобы разорвать пучок из нуклонов, нужно снова затратить какую‑то энергию. Она называется энергией связи ‑ это энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить атом на отдельные частички. (Есть ещё "удельная энергия связи", это энергия связи делить на количество нуклонов.) Значение этой энергии и определяется сильным взаимодействием. Эта энергия достаточно мала, чтобы мерить её в джоулях, поэтому здесь у неё специальная величина ‑ электронвольт (эВ). Это энергия, которую приобретает 1 электрон, ускоренный напряжением в 1 В. То есть 1 эВ = 1.6*10^‑19 Дж. Удельная энергия связи лёгких ядер составляет примерно 0.8 МэВ/нуклон. Да, наверное, это ни о чём не говорит. Ладно, об этом чуть позже. Здесь остаётся отметить только одну вещь, которую обычно не отмечают в таблице Менделеева, но которая при этом существует: изотопы. Это атомы, в ядрах которых поселился один или несколько "лишних" нейтронов, либо, наоборот, из которых ушли один или несколько нейтронов. Наиболее известные изотопы ‑ это изотопы урана и водорода. У урана (атомная масса = 238 а.е.м.) есть такие изотопы: уран‑234 и наиболее известный ‑ уран‑235. Массы у них соответственно: 234 и 235 а.е.м., то есть у первого "отлипли" 4 нейтрона, у второго ‑ три. У водорода, наоборот, нейтроны прибавляются: обычный водород их вообще не содержит, на совсем сухом научном языке он называется "протий" (атомная масса ‑ 1 а.е.м.). Если добавить один нейтрон, получится водород с массой 2 а.е.м., который называется "дейтерий", он даже обозначается своей буквой ‑ D вместо H. Вода, в которой вместо водорода ‑ дейтерий, называется тяжёлой, внешне мало отличается от обычной и даже несильно ядовита. Если же добавить ещё один нейтрон, то такой "водород" будет называться "тритий", у него атомная масса 3 а.е.м., и вместе он свои внутренности держать уже будет с трудом ‑ он радиоактивен. Обозначается тоже своей буквой ‑ T, вода T2O называется сверхтяжёлой.

Третий момент, которым прожужжал уже все уши. Радиоактивность ‑ что это за зверь и с чем его едят? Разбираемся по порядку. Как я уже несколько раз повторял выше, есть атомы "стабильные" и "нестабильные". Стабильные существуют долгое время без изменений, а у нестабильных энергии связи не хватает на то, чтобы держать все нуклоны связанными друг с другом ‑ их тупо слишком много, в охапке их не удержишь: одно дело, когда у тебя в руках просто пара карандашей, другое ‑ когда нужно унести с собой в двух руках четыре набора цветных карандашей без коробок и ещё с десяток ручек впридачу. Какие‑то из них могут упасть, причём упасть может как один карандашик, так и большая пачка, а то и с половину где‑нибудь. Примерно так и получается при радиоактивном распаде: ядро атома периодически разваливается на составные части, выплёвывая при этом в виде того, что мы называем радиацией, всякую гадость. Эту гадость можно разделить на три части.

Первые ‑ это "альфа‑частицы". В сравнении с карандашами ‑ это небольшая пачка (штуки 4) карандашей, падающих из рук. Альфа‑частица представляет собой не что иное, как ядро атома гелия. Почему именно гелий ‑ а пёс его знает. Скорее всего, потому, что два протона и два нейтрона, вместе связанные, обладают наибольшей энергией связи, их труднее всего разъединить. Когда такая частичка отваливается от атома, его номер уменьшается на 2, а атомная масса ‑ на 4. То есть уран‑238 при альфа‑распаде превратится в торий (масса = 234, атомный номер = 90). (Торий тоже радиоактивен, поэтому и он со временем будет как‑то разваливаться ‑ и так до тех пор, пока не отвалится столько частичек, что атом не станет стабильным ‑ например, хотя бы до свинца, у которого атомный номер = 82.) По опасности альфа‑излучение можно сравнить с ползущим в дрянь пьяным толстяком: прямое столкновение с ним не принесёт практически никаких повреждений. Альфа‑частицы хоть и большие (по сравнению с мелкими частицами), но слабы по энергии ‑ защититься от них можно даже обычным листом бумаги.

Второй вид выплёвываемых частиц назвали буквой "бета" ‑ бета‑частицы. (Это можно сравнить с одним карандашом, выпадающим из рук.) Потом оказалось, что это всего лишь летящие электрончики. Отсюда вполне логичное утверждение: когда ядро испытывает бета‑распад, его заряд повышается на 1, а массовое число не меняется. Строго говоря, бета‑распад гораздо сложнее; выплёвывание электронов ‑ это не единственное его проявление, можно ещё плеваться частичкой под названием "нейтрино" или даже "античастицами". (!) Но в школе обычно ограничиваются только электронами. По опасности бета‑излучение можно сравнить с бегущим человеком: при столкновении можно разве что легко ушибиться. Конечно, это уже зависит от того, насколько быстро человек бежит ‑ точно так же и опасность от бета‑излучения зависит от энергии электронов, но в целом считается, что от бета‑частиц можно защититься при помощи листа алюминиевой фольги.

Третий вид, уже знакомый ранее и самый опасный ‑ это гамма‑лучи. Это уже никакие не частицы, при гамма‑распаде заряд и массовое число ядра не меняются. Причины его сидят ещё глубже, чем в альфа‑ и бета‑распадах: само ядро атома может возбудиться от какого‑то взаимодействия, причём возбуждённое состояние будет длиться достаточно долго (по атомным или ядерным меркам, конечно). В конце концов, оно "успокоится" и вернётся в обычное состояние, но при этом испустит квант электромагнитной энергии ‑ причём значение этой энергии настолько большое, что по опасности гамма‑излучение можно сравнить с летящим на полном ходу высокоскоростным поездом, машиной Формулы‑1 или самолётом: при наезде ‑ мгновенная смерть. В жизни всё не настолько страшно, один гамма‑квант (или десять) никого не погубит, но вот если их слишком много... Защититься от них можно только чем‑нибудь ядрёным вроде слоя свинца толщиной в несколько сантиметров или даже десятков сантиметров ‑ опять‑таки, в зависимости от энергии кванта. (Вместо свинца может быть и другой материал, но он должен быть очень плотным ‑ именно большой атомный номер позволяет затормозить гамма‑лучи.)

Наконец, бывают ядерные реакции, когда одно вещество тупо распадается на два, и при этом ещё откалывается мелкий кусочек типа той же альфа‑ или бета‑частицы: например, тот же уран‑235 может развалиться на барий (масса = 139 а.е.м., заряд = 56) и криптон (масса = 95 а.е.м., заряд = 36), при этом ещё отрыгнёт два нейтрона. Это можно сравнить с разваливанием охапки карандашей на две части.

Все три типа лучей (альфа, бета, гамма) ‑ ионизирующие, однако "альфа" и "бета" лучами как таковыми не являются, хотя уже чисто исторически повелось, что их тоже называют ионизирующим излучением. (В самом широком смысле ионизирующим излучением может быть поток любых частиц, которые вызывают ионизацию атомов.)

Ещё два момента, на которые здесь надо бы обратить внимание. Первый ‑ это, конечно же, период полураспада, ставший известным благодаря сами знаете какой игре. Как я уже написал выше, ядра разваливаются на части ‑ но как часто? За это и отвечает данное число. Период полураспада ‑ это время, за которое распадётся половина всех ядер того или иного вещества, обозначается он буквой T (НЕ лямбда!!!). Есть только одно огорошивающее "но": за два периода полураспада абсолютно все ядра не развалятся! Потому, что распад происходит по ниспадающей: сначала разваливаются все друг за другом, потом всё меньше, меньше и меньше... В итоге за два периода полураспада останется четверть всех ядер, за три периода полураспада ‑ одна восьмая, и так далее. Собственно, в том числе и поэтому и существует естественный радиационный фон ‑ мимо нас регулярно пролетают всякие ионизирующие лучики, на которых мы уже не обращаем внимания, потому что мать‑природа приспособила. Другое дело, если их станет слишком много ‑ тогда ионизируются атомы, из которых состоит человеческое тело, в результате из‑за отрыва электрончиков может пойти неуправляемая химическая реакция ‑ поменяется состав клеток, или ещё хуже ‑ при отравлении радиоактивным веществом может поменяться даже химический состав (уже на уровне молекул!) организма. Итог ‑ от банального до крайне печального: при слабом облучении ‑ обычная повышенная температура, организм в принципе даже может сам попробовать справиться с наступившей лучевой болезнью, при сильном ‑ от мутаций (результат изменения состава клеток; третьих глаза или руки, конечно, не вырастет, но вот опухоль в пол‑лица размером ‑ так, что один глаз выдвинется аж на середину лба, огрести можно) до тошноты непонятной гадостью (уже вряд ли радиоактивной, но всё равно совсем не сахар) и заражения крови, при критическом уровне ‑ мгновенная смерть. Единственное возможное спасение при всё‑таки полученном облучении ‑ это фрукты. Нет, я не шучу. Фруктоза содержит химически активную OH‑группу, которая берёт на себе отколотые ионизирующей гадостью частички атомов на себя, выводя впоследствии эту дрянь из организма. На самый худой конец, если больше ничего под рукой не останется, сойдёт и спирт ‑ всё из‑за той же OH‑группы. Только не стоит забывать, что, переборщив со спиртом, можно помереть от спирта, а не от радиации. Одно другого не сильно слаще...

И второй момент ‑ это, конечно же, ядерная энергетика. За основу берётся реакция, которую я уже писал: уран = барий + криптон + 2 нейтрона. Особо умные сразу же спросят: а энергия связи? Выполняется ли закон сохранения энергии? Выполняется, куда ему деться. Разница между энергиями высвобождается, и её можно использовать для производства хоть того же электричества! Правда, на АЭС (атомных электростанциях) это делают не напрямую: высвободившаяся энергия уходит на нагрев специальной воды, которая становится тоже радиоактивной. Она остывает, передавая тепло другой воде, уже безопасной ‑ та, в свою очередь, от этого закипает, полученный водяной пар вращает турбину, которая подрублена к генератору, который преобразовывает механическую энергию вращения в электроэнергию (а водяной пар, совершив работу, остывает, конденсируется и снова превращается в воду). Из‑за такой цепочки КПД очень мал ‑ в электричество превращается в лучшем случае несколько процентов от энергии, даваемой ураном, но даже эти процентики по количеству джоулей будут выше, чем сжигание большой кучи угля или то же течение воды. Один только вопрос: надо "подталкивать" уран, чтобы он делился постоянно и в то же время контролируемо. Первоначальный толчок делают банальным нагревом ‑ частички приобретают энергию от тепла, и разваливание происходит уже из‑за этого ‑ а дальше в дело выступают выплёвываемые ураном 2 нейтрона. Нетрудно догадаться, что если оставить их как есть, то каждый из них вызовет ещё 2 ‑ то есть всего станет 4, ‑ потом 8, 16, 32, 64... и всё это с сумасшедшей скоростью. Отсюда печальный вывод ‑ если оставить всё как есть, то получится атомная бомба ‑ энергии выделится очень много за очень малый промежуток времени, что в жизни является взрывом. Два утешительных момента: это происходит не при любом количестве урана, и "лишние" нейтроны можно "скушать". При определённой массе вещества цепная реакция (это самое деление с нейтронами) становится возможным, такую массу называют критической, у урана она составляет что‑то, чуть меньшее 50 кг. (Чтобы атомная бомба не срабатывала заранее, кусок урана разделяют на две части, а при сбросе бомбы соединяют их ‑ как правило, при помощи обычного взрыва, уничтожающего перегородку.) А "лишние" нейтроны можно гасить специальными стержнями, которые можно впихивать в ядрёный... то есть в ядерный, реактор. Чаще всего их делают из углерода, они просто "кушают" все лишние частички. Когда размножение  нейтронов поддерживается около единички "сына" на единичку "отца", всё хорошо ‑ реакция идёт, электричество вырабатывается. Когда больше ‑ атас, можно взлететь на воздух со страшнейшей силой. Когда меньше ‑ тоже плохо: реакция может прекратиться вообще, её придётся начинать заново.

Ну и на закуску к радиоактивности ‑ маленький взгляд в будущее. Ясен пень, когда народ увидел, что можно добывать ядерную энергию, сразу же стали копать в направлении других атомов: а нельзя ли воспользоваться другими, какими‑нибудь более безопасными, атомами? Ответ оказался положительным, но природа ничто не даёт просто так. Более лёгкие вещества уже толком не распадаются, зато есть другой способ ‑ соединить несколько атомов воедино. При этом есть одно очень существенное "но": чтобы их соединить, нужно суметь притянуть их друг к другу так, чтобы силу кулоновского отталкивания между ядрами (которую никто не отменял!) сумела подавить сила сильного взаимодействия. Тогда получится, что два атома соединятся в один, выдав разницу между энергиями связи ‑ а это такая энергия, которая оказалась примерно в сотню раз выше энергии ядерного синтеза! Наиболее известная такая реакция: D + T = He + n (по‑русски ‑ дейтерий + тритий = гелий + нейтрон). А для преодоления кулоновского отталкивания сумели придумать только один способ ‑ тупо нагрев. Причём нагрев этот идёт до таких температур, которые вообразить себе трудно: от десятков миллионов до миллиардов кельвин! Единственное пока известное место, где такая температура есть, ‑ это наше Солнце. Но оттуда и энергию просто так не заберёшь! Поэтому создают заумные установки по термоядерному синтезу, где дейтерий‑тритиевую плазму (большая температура становится в том числе и у электронов, и они разгоняются так, что становятся способными выскакивать из атомов и возбуждать их уже не электрическим способом) нагревают до страшных температур, при этом возникает ещё куча проблем, так как всё то же стремление природы к равновесию яро старается рассеять тепло от нагрева как можно скорее, расширить плазму (а при её чрезмерном сужении ‑ схлопнуть чуть ли не в точку!) и так далее. Итог ‑ пока что термоядерным способом энергию получить удалось, но она получилась такой, что затраты энергии на её получение вышло больше. На что всё то же меркантильное человечество пожало плечами и сказало: ну, крутую вы игрушку сделали, ребята, но с такой играться невыгодно. Зато военные радостно потирают руки, оскалив зубы: возможно создание термоядерной бомбы. Секрет в том, что тепла, выделяющегося при мощном ядерном взрыве, вполне может хватить для поддержания термоядерной реакции. То есть ступеней становится три: вначале обычная бомба детонирует, соединяя куски ядерного топлива, которое, в свою очередь, тоже взрываясь, создаёт условия для протекания термоядерной реакции, после чего наступает самый страшный взрыв. Что ещё хуже ‑ мощность термоядерной бомбы зависит только от количества топлива... Остаётся только надеяться, что народ не будет забывать: применив очень мощное термоядерное оружие, способное уничтожить хоть всю Землю, ты укокошишь в первую же очередь самого себя.

На этой грустной ноте, наконец переходим к самому последнему большому пункту. Первый же главный и грустный ответ: да, протоны, нейтроны и электроны ‑ это далеко не все элементарные частицы, которые существуют, и они состоят из ещё более мелких частичек, которых называют "фундаментальными". Есть и другие элементарные частички; некоторые из них могут существовать отдельно, некоторые, как радиоактивные атомы, тоже со временем разваливаются на части (только уже без радиации). Всего их можно разделить по двум признакам: это по виду спина и по виду взаимодействий.

По виду спина частички делятся на фермионы и бозоны. У первых спин полуцелый (+1/2 или ‑1/2 ‑ это протон, нейтрон, электрон или частица с загадочным названием "нейтрино"), у вторых целый (1 или ‑1 ‑ например, это фотон или непонятная частичка под названием "мезон").

Если разделять частички по типу взаимодействий, то получится такая классификация: адроны, лептоны, кварки и так называемые "калибровочные бозоны". Что такое адроны, понять проще всего так: это частички, которые участвуют во всех четырех типах фундаментальных взаимодействий. (Да, я не ошибся. Именно четырёх, хотя я пока написал про три. О четвёртом ‑ чуть‑чуть попозже.) Они делятся на мезоны и барионы, которые по первой классификации являются соответственно бозонами и фермионами. Итог ‑ мезоны участвуют во всех взаимодействиях, имеют целый спин, являются одновременно бозонами и адронами, барионы участвуют во всех взаимодействиях, имеют полуцелый спин, являются одновременно фермионами и адронами. Жуть, всего два разных слова, а намешали‑то кучу какую...

Но я обещал рассказать про последнее известное на данный момент, четвёртое, взаимодействие. Когда копались во всей этой куче элементарных частичек, то во время деления некоторых частичек ‑ например, нейтрона ‑ возникало подозрение на тему, что существует ещё какая‑то непонятная частичка, которая ни с чем не взаимодействует, и именно поэтому её не удаётся поймать. Подозрения навевал в основном закон сохранения энергии ‑ какая‑то её часть уходила как будто в никуда, что закон не мог допустить. В итоге оказалось, что искомая частичка не участвует ни в электромагнитном, ни даже в сильном взаимодействии! Зато взаимодействует "слабо" ‑ именно так назвали новый тип взаимодействия. Его обнаружили, когда закопались ещё глубже и открыли, что некоторые элементарные частички могут якобы "просто так" обмениваться чем‑нибудь друг с другом: энергией, зарядом, массой... Слабое взаимодействие слабее сильного и электромагнитного, но сильнее гравитационного. (Нейтрино, строго говоря, участвует и в гравитационном взаимодействии, но масса у него совсем крохотная.) Название "нейтрино" ‑ видимо, шутка юмора: это уменьшительно‑ласкательное от "нейтрон" на итальянском. Вообще, при дальнейшем углублении в физику элементарных частиц начинают прорисовываться термины, которые вызывают улыбку: цвет (?), аромат (??), странность (!), прелесть (!!), очарование (!!!) И всё это ‑ тоже числа, характеризующие свойства тех или иных частиц!

Лептоны ‑ это фермионы, которые не участвуют в сильных взаимодействиях. Известно 6 штук таких лептонов, в их числе ‑ электрон и нейтрино. Лептоны, имеющие электрический заряд, могут также участвовать в электромагнитном взаимодействии. Не имеющие? А кто его знает, тут ещё эксперименты не всё выяснили.

Кварки ‑ это то, из чего состоят адроны. Самые маленькие из всех известных на данный момент частичек, наряду с лептонами и калибровочными бозонами, состоят ли они из чего‑нибудь ‑ науке неизвестно, поэтому их пока обзывают "фундаментальными" частицами. В свободном состоянии их нет, зато три кварка образуют адрон. У них есть свои характеристики типа тех, которых я пометил восклицательными знаками выше ‑ заряды и спины у них посчитали, но и этого оказалось мало: два кварка с одинаковыми параметрами по‑прежнему вели себя по‑разному. Поэтому и стали выдумывать такие забавные словеса типа "цвет". Участвуют в сильных взаимодействиях.

Осталось ещё два момента по элементарным частицам: это последняя категория ("калибровочные бозоны") и античастицы. Совсем коротенько о последних: когда ещё зарождалась квантовая механика, обрастая страшной математикой, товарищ по фамилии Дирак, решая тамошние уравнения, наткнулся на то, что одно из них может иметь решение в виде отрицательной энергии. Товарищ не растерялся и решил принять это таким образом: частица с отрицательной энергией ‑ это вовсе не неподходящее по условию задачи решение и не бредовый сон очередного физика‑шизика, а всего лишь "античастица". И всё бы ничего, но народ поверил и начал копать даже в этом направлении. До сих пор не знаю, каким образом, но в итоге, чуть более 40 лет спустя после открытия электрона, был открыт антиэлектрон, первая античастица. Его назвали позитроном: разница между ним и электроном заключается только в том, что у него заряд с плюсом, а не с минусом (+1.6*10^‑19 Кл). Потом стали открывать другие античастицы, но местами поджидал облом: частица и соответствующая ей античастица полностью совпадали. Такие частички стали называть истинно нейтральными. Самый известный из таких ‑ фотон. Ну а для остальных возможно как рождение античастиц, так и их смерть: при встрече частицы с соответствующим её "двойником" (хоть тех же электрона и позитрона) они могут взаимно уничтожиться, или ‑ как выражается наука ‑ может произойти реакции аннигиляции. ("Нигил" означает "ничто": когда частица и её антипод встретятся, то они взаимно уничтожат друг друга так, что от них не останется вообще ничего, кроме энергии, конечно.) Электрон + позитрон = 2 гамма‑кванта. И такой же результат (2 гамма‑кванта, иногда 3 ‑ если энергия большая) для всех остальных пар "частица‑античастица"! Более того, получив античастички, стали добиваться их соединения в вещество ‑ так получили не то антиводород, не то антигелий. Но он почему‑то сам собой разваливается, и вообще ‑ современная физика всё ещё чешет репу при вопросе на тему, почему вообще у нас во Вселенной толком нету антивещества, если оно вроде бы равноправно по сравнению с нашим обычным веществом. Во как, дискриминация добралась даже до уровня элементарных частиц! А народ о мировой справедливости канючит...

И заключительный аккорд умных слов ‑ калибровочные бозоны. Как уже я выше написал, выделяют четыре типа фундаментальных взаимодействий. И народ стал копать и в эту сторону: а какова их природа? Особенно насторожило то, что при электромагнитном взаимодействии везде летают эти непонятные фотоны; именно обмениваясь ими, вещества получают или теряют энергию! А ну как у остальных взаимодействий так же? И понеслось: сильному взаимодействию приписали обмен частичками под названием "глюон" ‑ именно ними обмениваются протоны, нейтроны и даже самые мелкие ‑ кварки. Слабому взаимодействию тоже нашли своих "поводырей" ‑ специальные три бозона, два из которых обозвали буквами W (одна с плюсом, другая с минусом), третьего ‑ Z. (Не надо спрашивать, почему такие буквы, я и сам тут уже плохо понимаю.) Именно этими бозонами обмениваются, например, нейтрино ‑ и именно благодаря ним удалось обнаружить эту "неуловимую" частичку. Наконец, гравитационному взаимодействию тоже приписывают обмен частичками ‑ гравитонами. Но их пока не обнаружили, хоть и очень надеются.

Ну и гвоздь программы, о котором в школе уже не спрашивают, но которым звонят в уши последние года три уже много раз: бозон Хиггса! Да, эта штука отвечает за наличие массы у вещества. Но больше о нём мало что известно. Да, его получили на той самой здоровенной штуковине, которая заставила народ бежать в магазин за фомками, отращивать бороды, портить зрение (чтобы с чистой совестью надеть очки) и надевать защитные костюмы H.E.V. ‑ Большой адронный коллайдер. Что такое адрон ‑ я страшно ломаным языком объяснил (хоть что‑нибудь можно понять?..), а "коллайдер" значит "сталкивающий", от английского "collide" = "сталкиваться". То есть в этом кольце сталкиваются разогнанные до сумасшедших скоростей частички типа тех же протонов: при их столкновении, как брызги, разлетаются во все стороны очень много более мелких частичек, все из которых подлежат изучению. Находится этот здоровенный аттракцион где‑то под границей Франции и Швейцарии. Несмотря на устрашающие размеры (длина его окружности ‑ 27 километров), частички там разгоняются до энергий, хоть и пугающих своими приставками ‑ тераэлектронвольты! ‑ но при этом толком и опасности не представляющих. Во‑первых, 1 ТэВ ‑ это один триллион электронвольт (10^12 эВ). В джоулях это будет примерно 10^‑7 ‑ одна десятимиллионная доля джоуля! Да даже два комара сталкиваются с большей энергией! Миниатюрные чёрные дыры, которыми обожают пугать, если и существуют, то их время существования будет очень мало, и они тупо не успеют ничего к себе притянуть ‑ да хоть всю Землю попытаются засосать, времени у них слишком мало! Это как если бы бабочка‑подёнка (которая живёт один день) попыталась бы выпить весь океан. Здесь примерно то же самое. Кто совсем‑совсем боится ‑ включаем голову; читаем всё, что пишут про коллайдер, фильтруем инфу через свой котелок, при необходимости спрашиваем о том или ином факте более умных товарищей. Каков итог ‑ решить самостоятельно. Я для себя решил, что ничего архистрашного в этих экспериментах нет. А кто хочет бояться ‑ тот боится.

Ну и хочется обойтись без тупых условностей, раздел "Вкратце и поумнее" здесь напишу не в виде тупых определений, а просто структуру ‑ что за чем следовало. Чтобы не потеряться во всей этой гуще и толком разобраться, что из чего следует. Это самое главное.

Четыре вопроса, на которые ищем ответы здесь, и ответвления:

I. Что мешает протонам отталкиваться друг от друга при помощи кулоновских сил? (ответ: сильное взаимодействие.)

II. Что держит все частички ядра связанными вместе? (Энергия связи.) Изотопы получаются, если у того или иного химического элемента становится больше или меньше нейтронов.

III. Радиоактивность: альфа‑, бета‑ и гамма‑распад, деление ядер радиоактивных веществ. Что такое радиация и как с ней бороться, чем она плоха. Ядерный синтез: как производят электроэнергию при помощи ядерной реакции и как её можно использовать в военных целях ‑ критическая масса и атомная бомба. И термоядерный синтез ‑ как это можно устроить мирным и военным путём.

IV. Элементарные и фундаментальные частицы, что из чего состоит и как называется, два варианта, первый ‑ по величине спина:

1) Фермионы: имеют полуцелый спин ‑ например, это электрон, протон, нейтрон, нейтрино. (Нейтрино не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействиях, зато участвует в ещё одном взаимодействии ‑ слабом.)

2) Бозоны: имеют целый спин ‑ например, это фотон или мезон.

Второй вариант ‑ по типу взаимодействий:

1) Адроны: участвуют во всех четырёх типах взаимодействий.

1а) Барион: это адрон и фермион одновременно. Пример ‑ протон, нейтрон.

1б) Мезон: это адрон и бозон одновременно. Мезонов всего несколько штук, отдельных "личных" названий, заканчивающихся на ‑он, не имеют.

2) Лептоны ‑ не участвуют в сильных взаимодействиях. Пример ‑ электрон, нейтрино. Причём электрозаряженные лептоны могут участвовать в электромагнитных взаимодействиях; могут ли неэлектрозаряженные так же делать ‑ неизвестно, но скорее нет. Имеют вид точечных частиц.

3) Кварки ‑ составные частички с дробным электрическим зарядом, из них состоят адроны. Участвуют в сильном взаимодействии. В свободном виде не встречаются.

4) Калибровочные бозоны ‑ частички, обмен которыми отвечает за каждое из четырёх фундаментальных взаимодействий:

4а) Фотон ‑ электромагнитное.

4б) Глюоны ‑ сильное.

4в) W‑, W+ и Z‑бозоны ‑ слабое.

4г) Гравитон ‑ гравитационное, пока не открыт; только предполагается, что существует, но очень хотят найти ‑ иначе вся теория рухнет!

4д) Бозон Хиггса.

Лирическое отступление: античастицы ‑ частицы с отрицательной энергией, куча вопросов на тему "что да почему?", на которые современная физика ищет ответы, для ответа на некоторые из них построили Большой адронный коллайдер.

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru