Откуда мы знаем об атомах?
Если мы не можем видеть атомы, откуда мы знаем об их существовании? Как я могу убедить вас, что под полом вашего дома есть атомы, с большим успехом, чем я могу доказать вам, что на чердаке у вас скребется мышь? В чем атомная физика отличается от транса верующих, убежденных в том, что они могут обнять Господа? В отличие от религии, наука основана на доказательствах. И в том, что именно атомы становятся строительными кирпичиками нашего мира, нас убеждают многочисленные факты, которые человечество собирало на протяжении последних 2500 лет. В атомы верили даже древние греки. Само слово в переводе с древнегреческого означает «неделимый». Оно было изобретено Демокритом – первым человеком, который населил наш мир этими «невидимыми и неделимыми» элементами. Это было замечательное достижение человеческого разума, особенно с учетом того, что в то время очевидных доказательств существования атома не было.
Сегодня такие доказательства получены четырьмя различными способами: химическим, электрическим, явлением радиоактивности и делением атома. Первый способ простой – химия. Если вы знаете, что два разных газа (например, водород и кислород) соединяются и образуют воду всегда в соотношении 2: 1 (2 атома водорода и 1 атом кислорода), то такое же соотношение можно установить и для других химических веществ и атомов, из которых они состоят. Скажем, если вы смешаете мягкий металл натрий с ядовитым газом хлором, то получите хлорид натрия, то есть пищевую соль, которую вы используете при приготовлении еды. В ней один атом натрия приходится на один атом хлора. Если пронаблюдать за сотнями химических реакций, как это сделал известный английский химик Джон Дальтон в 1803 году, то можно установить, что базовые химические элементы всегда находятся в их соединениях в простых соотношениях: один к одному, два к одному, три к одному и т. д. Если эти элементы расставить в систематическом порядке, то вы получите нечто вроде кухонных шкафчиков, в которых вещества организованы в периодическую таблицу. Это полный список химических элементов, которые мы имеем в своем распоряжении.
Простые химические реакции заставляют нас предположить, что атомы существуют. Но вот вопрос: если вещества вроде воды или соли состоят из атомов, из чего состоят сами атомы? Если следовать логике древних греков, этот вопрос не имеет смысла: ведь атомы и так являются мельчайшими «неделимыми» единицами в природе и не сделаны ни из чего. Такое объяснение вполне удовлетворяло ученых до середины XIX века, когда Андре-Мари Ампер, Алессандро Вольта и Майкл Фарадей начали свои знаменитые опыты по раскрытию тайн электричества. Когда в 1897 году англичанин Джозеф Томсон открыл базовый элемент электрического поля, известный сейчас как электрон, появилось еще одно важное свидетельство в пользу существования атомов. И не только их, но и таинственного субатомного мира внутри них. К счастью, Томсона не обескуражила реакция его кузена, когда в школьные годы последний спросил будущего ученого, чем бы он хотел заняться в будущем. «Проводить научные исследования», – ответил Томсон. «Не будь таким глупцом!» – фыркнул кузен. Что произошло бы, если бы великий ученый оставил свою мечту и стал врачом или бухгалтером? Что произошло бы, если бы электрон не был открыт еще несколько десятилетий? Отложилась бы революция в области высоких технологий и электроники еще лет на пятьдесят? Спорить об этом теперь уже бесполезно – но очень увлекательно.
Деление атомов
Еще более убедительное доказательство существования сложной жизни внутри атома было получено примерно в то же время во Франции. В 1896 году Анри Беккерель открыл явление радиации и установил, что в ходе ее атомы испускают некие элементарные частицы. Это явление было похоже на рентгеновское излучение (тоже недавно открытое), но гораздо более мощное. Явление радиоактивности, как мы теперь его называем, легко понять, если предположить, что гигантские атомы наполнены несравненно более мелкими элементарными частицами. Некоторые атомы существуют в возбужденных, нестабильных формах, которые известны как изотопы. Те стремятся прийти в более спокойное состояние, отторгая нежелательные или ненужные микрочастицы.
Мария Кюри (и ее муж Пьер) развили работы Беккереля. Эти исследования стоили Марии Кюри жизни, но ее жертва стала благородной: со времени ее смерти до настоящего дня открыто множество различных способов лечения с помощью радиоактивного облучения страшных болезней, в том числе рака. Многие годы спустя научные открытия часто кажутся заслуживающими восхищения. Судьба супругов Кюри в 1943 году вдохновила кинодеятелей из Голливуда на создание прекрасного фильма с Гриер Гарсон и Уолтером Пидженом в главных ролях. Однако повседневная научная работа очень далека от романтики. Мы часто вспоминаем рассказы о блестящих озарениях и находках разных ученых, но забываем о рутинной, тяжелой и зачастую скучной работе, которая за этим стоит.
Открытие Марии Кюри потребовало проведения за четыре года 5677 опытов, в ходе которых она нагревала в колбах 8 т растворов урана (в переводе с немецкого – «злосчастного минерала»), чтобы в результате получить всего 1 г радиоактивного радия.
Нас пугают рискованные эксперименты Марии Кюри, потому что мы знаем, как закончилась ее жизнь. Она осталась ярким пятном в истории исследования атома и радиоактивности, которая все же заставляет нас с недоверием относиться к ядерной энергии. Грибовидное облако над Хиросимой еще долго будет проходить период полураспада. Катастрофы в Чернобыле и Фукусиме породили глубокие сомнения в ценности ядерной энергии – хотя от естественной радиоактивности люди умирают едва ли не чаще, чем от рака. Однако дух первопроходца, руководивший Марией Кюри, жив и поныне. Журнал Popular Science в 1955 году опубликовал очень занимательную статью о непрофессиональных исследователях урановой проблемы, которые под покровом ночи работали со счетчиком Гейгера, выписанным по каталогу. Мотивировало их обещание некой награды от Комиссии по атомной энергии.
Мать и сын купили коротковолновую ультрафиолетовую лампу, начитались материалов о минералогических изысканиях и с тех пор каждый вечер выходили на окрестные холмы в поисках урана. Эта новость стала известна, и в течение нескольких месяцев Комиссия была завалена заявлениями о присоединении к проекту.
В феврале 2014 года 13-летний английский школьник Джейми Эдвардс стал первым человеком в мире, который добился реакции ядерного синтеза (когда более мелкие атомы соединяются в более крупные). Деньги на счетчик Гейгера Джейми сэкономил из рождественских подарков. Джозеф Томсон гордился бы им.
Нестабильные атомы, например радиоактивного урана, распадаются, создавая более стабильные изотопы. Но это не единственный вид изменений, который могут претерпевать атомы. Четвертый вид научных доказательств их существования дал науке убедительные свидетельства того, что они не только содержат более мелкие частицы – такие как электроны, – но и у них имеется своя сложная внутренняя структура.
Человеком, который «разделил атом», считается новозеландец Эрнест Резерфорд. Но на самом деле честь первооткрывателя принадлежит множеству ученых, которые «возились» с атомной проблемой в первые 20 лет XX столетия.
Резерфорд широко известен своим выдающимся экспериментом, который он провел в Манчестере в 1910 году вместе со своими двумя молодыми ассистентами: Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом. Направляя положительно заряженные частицы атомов гелия на золотую фольгу, экспериментаторы увидели, что большинство из них прошло мимо атомов золота без ущерба для себя, некоторые (примерно 1 частица из 8000) отклонялись под невероятными углами, а отдельные вообще отклонились назад в том направлении, из которого исходили. Резерфорд был поражен. Он заявил, что у него создавалось ощущение, «будто он стреляет 300-миллиметровым снарядом по листу бумаги, а снаряд возвращается и попадает в него». Для нас объяснение уже вполне очевидно. Положительно заряженные частицы гелия попадали в положительно заряженное ядро атомов золотой фольги, которое отталкивало их назад (или «рассеивало», как говорят ученые), как это происходит между одноименными полюсами магнита.
▲ Старый способ разделения атома. Эрнест Резерфорд обстреливал альфа-частицами (атомами гелия) золотую фольгу и наблюдал за результатами. Большинство частиц прошли сквозь фольгу, не претерпев особых изменений. Некоторые отклонились под очень большими углами. Одна или две частицы практически вернулись назад по первоначальной траектории. Из этого Резерфорд сделал вывод, что атомы золота состоят из ядра, окруженного преимущественно пустым пространством, в котором разбросаны электроны. Ученому удалось с высокой точностью вычислить размеры ядра атома золота.
▲ Новый способ разделения атома. Когда протоны сталкиваются с большой скоростью в Большом адронном коллайдере, принадлежащем европейской организации ЦЕРН, то создается еще более 10 других частиц, которые оставляют свои следы на фотографии.
Точные и изящные эксперименты Резерфорда позволили раскрыть потрясающую тайну строения атомов. В основном внутри них находится пустое пространство, а значительная часть их массы заключена в положительно заряженном ядре, вокруг которого вращаются в облаках «пустоты» электроны.
Сегодня делением атомов уже никого не удивишь. Современные последователи Резерфорда в искусстве «ускорения» частиц добились деления атомов на частицы, а тех, в свою очередь, на еще более мелкие элементарные частицы. Мы знаем десятки элементарных субатомных частиц, от старых друзей вроде протонов и нейтронов до новых (и очень трудно уловимых) бозонов Хиггса, за которыми ученые охотятся десятилетиями, а человечество тратит на это миллиарды евро, вложенных, в частности, в огромный ускоритель, построенный недавно под Женевой: Большой адронный коллайдер (БАК).
А ведь для того чтобы разделять атомы, не нужно особых затрат времени и денег. Вплоть до недавнего времени большинство из нас занималось этим каждый вечер дома в гостиной. Старые телевизоры с катодными трубками работают на принципе нагревания специальных металлических элементов, которые излучают пучки электронов (исторически за ними закрепилось название «катодные лучи»), которые разгоняются по специальным стеклянным трубкам и с помощью магнитов направляются на покрытый фосфоресцирующим составом экран, высвечивая на нем изображение.
Что служит топливом для топлива?
Чтобы сблизить атомы, нужно приложить действительно большие усилия. И чем сильнее вы их сближаете, тем это труднее. Если с достаточной силой сжать пар, можно получить воду. Если сжимать ее дальше, то можно получить лед. Если точно так же постепенно сжимать необозримое множество атомов углерода, водорода и кислорода, то в конце концов можно получить необходимые нам нефть, каменный или древесный уголь. Заключенная в этом топливе энергия, которую вы высвобождаете, когда сжигаете эти субстанции, является как раз той самой энергией, которая пошла на сближение в них атомов для создания молекул углеводорода. Изготавливать это топливо своими руками бессмысленно: нам вернулось бы ровно столько энергии, сколько мы в него вложили. К счастью, топливо для нас создает природа: энергия Солнца, естественных сжатий и естественного тепла внутри Земли. Так что мы получаем энергию от природы, не прикладывая усилий к ее производству.
То, что верно для молекул, верно и для атомов. Теоретически вы можете создать атом, объединив в пространстве его составляющие (протоны, нейтроны и электроны). Для этого потребуется гигантское количество энергии, но вы сможете получить ее обратно. Этот процесс мы называем ядерным синтезом (здесь атомы создаются из своих составных частей). Аналогичным образом, только разделив атомы, вы можете добиться высвобождения колоссального объема энергии. Никто не подозревал ни о чем подобном до начала XX века. Первый ключ к разгадке этой великой тайны природы подобрал Альберт Эйнштейн, когда в 1905 году сформулировал свое бессмертное уравнение Е = mc². Скорость света – это огромное число (300 000 000, а точнее 299 792 458 м/с), а скорость света в квадрате и вовсе невообразима (90 000 000 000 000 000 м²/c²). Так что даже небольшая масса (m) создаст гигантское количество энергии (Е). Всё это звучит достаточно сухо и абстрактно до тех пор, пока вы не вспомните эффект, произведенный первым высвобождением ядерной энергии. Две относительно небольшие (около 3 м в длину) атомные бомбы в 1945 году стерли с лица земли города Хиросиму и Нагасаки. Такой вариант высвобождения атомной энергии называется расщеплением ядра (при этом происходит деление атома). Через 50 лет после тех трагических событий многие из нас используют электроэнергию, которую вырабатывают электростанции путем разделения атомов. Разве это не удивительно!
Сколько нужно атомов, чтобы зажечь электрическую лампочку?
Представьте себе, что мы берем 1 г урана (сверхтяжелый элемент, который используется в качестве топлива в АЭС) и разделяем все его атомы, чтобы получить энергию. Если бы мы делали это каждую секунду, то в результате ежесекундно получали бы 100 ГВт мощности. Сегодня крупная АЭС имеет мощность порядка 2 ГВт. Таким образом, 1 г урана дает нам мощность примерно 50 АЭС.
Причина в том, что на практике атомные электростанции используют немного уранового топлива, причем медленно. С другой стороны, чтобы зажечь 10-ваттную лампочку, необходимо ежесекундно разделять 300 млрд атомов урана.
Огромные числа. Но ничего удивительного. Атомы, как мы всегда знали, представляют собой исключительно микроскопические объекты природы.
