Четыре силы природы
Все вроде у нас хорошо продвигается, не правда ли? Мы познали основу основ – как устроено вещество. Однако остались еще некоторые тонкости, которые наверняка ускользнули от вашего внимания. И самая главная непонятка здесь вот какая…
Мы теперь знаем, что плюсовой заряд и минусовой притягиваются, поэтому электрончик охотно тянется к протону, начинает самозабвенно кружиться вокруг него, образуя атом. А вот одноименные заряды отталкиваются. Почему же тогда плюсовые протоны группируются вместе кучкой в центре атомного ядра?
Хороший вопрос. Умеете вы задавать трудные вопросы!
Действительно, если подумать, то ведь протоны должны разлететься друг от друга со страшной силой!
Вообще говоря, именно так и происходит. Если мы возьмем два свободных протона и начнем осторожно подкатывать один к другому мизинцем, то нам это сделать не удастся – они не захотят приближаться друг к другу и будут отлетать друг от друга с ужасающей скоростью. И только придав им еще большую встречную скорость и добавив немного нейтронов, мы вдруг увидим чудо – склеились!
Как же так? Почему? Что их удерживает, если силы электростатического отталкивания стремятся раскидать протоны? Что пересиливает?
Ядерные силы.
Ядерные силы – это очень мощные силы, которые намертво скрепляют нуклоны в ядре. Но силы эти короткодействующие. Если силы электромагнитные действуют на дальних дистанциях, то ядерные – лишь в пределах размеров атомного ядра.
То есть, прикладывая громадные усилия по противодействию электростатическому отталкиванию, нам надо сблизить нуклоны настолько, чтобы короткие, но очень мощные ручки ядерных сил схватили их и начали противостоять длинным, но тонким и относительно слабым ручкам электростатики.
Отталкивающая пружина – электрические силы. Крючки – ядерные силы
Ядерные силы – самые мощные силы в природе. Их по-другому даже так и называют – сильное взаимодействие.
Но даже этих мощных сил не хватило бы, чтобы удержать в ядре одни только протоны, без нейтронов. Вот вам и ответ, зачем природе понадобились нейтроны. Для склейки ядер! Поскольку у нейтронов заряда нет, а ядерные силы есть, нейтроны, таким образом, «разбавляют» общий положительный заряд ядра, уменьшая электростатическое отталкивание. И только потому большие ядра могут стабильно существовать.
Причем чем больше номер химического элемента, то есть чем больше в нем протонов и, стало быть, электростатического отталкивания, тем больше требуется нейтронов для разбавления. И потому чем ниже и правее расположен элемент в таблице Менделеева, чем он тяжелее, тем больше в нем нейтронов по сравнению с протонами. Если у углерода на 6 протонов приходится 6 нейтронов, то у ртути, например, на 80 протонов идет не 80, а целых 120 нейтронов.
И еще момент. Вы, разглядывая таблицу Менделеева, не задавались вопросом: а отчего в этом наборе элементарных веществ (химических элементов) всего порядка сотни наименований? Отчего не больше?
В таблице Менделеева на сегодня свыше ста элементов, но самые тяжелые из них, с номером более 92, в природе не встречаются и были получены искусственно учеными в ядерных реакторах. Почему же сверхтяжелые элементы (так называют элементы тяжелее урана) не встречаются в природе?
Распадаются! Потому что их ядра нестойкие. Они такие большущие, что их размеры превышают радиус действия короткодействующих ядерных сил, которые уже не могут дотянуться с одного края атомного ядра до другого. И ядро разваливается, как разделяется слишком большая капля под собственным весом.
Именно поэтому в нашем мире меньше сотни элементов. Ничего, хватает, чтобы построить целый мир и любоваться, разглядывая его…
Ну и раз уж мы заговорили о стабильности, надо упомянуть один постыдный факт из жизни нейтронов. Он заключается в следующем – в отличие от протонов и электронов свободные нейтроны нестабильны.
В ядрах атомов нейтроны прекрасно существуют. А вот оставшись в одиночестве, быстро «умирают». Время жизни свободного нейтрона всего 15 минут.
Что же с ними случается? Свободный, одинокий нейтрон распадается на протон и электрон. Нейтрон как бы выстреливает электроном, который уносится в пространство. И на месте бывшего нейтрона остается одинокий протон.
Помните, мы говорили, что нейтрон и протон имеют практически одинаковую массу? Их масса различается практически на один электрон. Иными словами, нейтрон тяжелее протона всего лишь на массу одного электрона. Нейтрон как бы состоит из протона и электрона в одном флаконе. Но именно «как бы», поскольку он является самостоятельной солидной частицей со своими свойствами, и никакого электрона «внутри» нейтрона не содержится, электрон образуется в момент распада, в результате распадной реакции.
И я вам больше скажу: в атомном ядре нейтроны и протоны постоянно превращаются друг в друга, словно перебрасываясь плюсовым зарядом. Эта перепасовка выглядит так – бросил протон нейтрону подачу и превратился в нейтрон. А нейтрон, принявший пас, стал протоном. Вот так они и живут там, внутри ядра – в постоянной паутине зарядовых перепасовок. Поэтому физики иногда говорят, что протон и нейтрон – это одна и та же частица, только в разном зарядовом состоянии. Поэтому их и объединили под общим названием – нуклон. Нормально?
Теперь сообщу вам еще одну тонкость, без которой наше погружение в микромир будет неполным. Эта тонкость столь тонка, что доставила в свое время ученым немало головной боли. Они давно обнаружили, что при распаде нейтрона образуются протон и электрон, но у них не сходился энергетический баланс. Ну, то есть до реакции распада в системе (у нейтрона) была одна энергия, а после распада – чуть меньшая: в сумме протон и электрон не давали той энергии, которую имел нейтрон. Куда-то исчезал кусочек. Таких вещей физики не любят!
У физиков самые суровые законы – это законы сохранения массы, энергии, заряда… Сколько было чего-то до эксперимента, столько и должно остаться после опыта. Это понятно: если вы взяли вазу и ударили ее молотком, разбив на куски, то все осколки вместе будут весить столько же, сколько целая ваза. Потому что масса не может исчезнуть или взяться из ниоткуда!
То же самое с энергией – если до реакции было столько-то энергии, значит, после реакции ее должно столько же и остаться. Она ведь никуда не исчезает и не берется из ниоткуда, она просто переходит в другие формы.
То же самое с зарядом. Общий заряд до эксперимента должен быть равен общему заряду после эксперимента.
С зарядом все обстояло прекрасно. Нейтрон заряда не имеет, то есть заряд у него нулевой. А после распада нейтрона получается протон с зарядом +1 и электрон с зарядом –1. Плюс один и минус один дают в сумме ноль. То есть и после реакции распада общий заряд системы остался нулевым. А вот небольшая доля энергии куда-то постоянно исчезала.
– Может быть, при этой реакции образуется еще одна какая-то частичка – без заряда и крайне маленькая, которую мы не умеем пока задержать? Она-то и уносит недостающую энергию, – задались вопросом ученые люди, наморщив лбы.
Так оно и оказалось. Частичку эту назвали нейтрино. У нее нулевой электрической заряд (как у нейтрона), огромная скорость и еще одно свойство, из-за которого ее так долго не могли поймать, – она почти не реагирует с веществом. Нейтрино может прошить свинцовую плиту толщиной от Земли до Солнца. Солнце излучает триллионы триллионов этих нейтрино, и каждую секунду они прошивают нас и всю Землю насквозь, а нам наплевать. Нет взаимодействия!
Зачем я вам рассказал про нейтрино? Зачем вам обращать свое драгоценное внимание на эту ничтожную частичку, если она нас совершенно не замечает, прошивая насквозь, никак не реагируя?
Я преследовал две причины. Во-первых, чтобы вы понимали – хотя учеными открыто уже довольно много всякой ерунды в микромире, типа нейтрино, но главными для нас все равно являются вот эти три частицы – электрон, протон, нейтрон. Из них сделано все вокруг нас.
А во-вторых, мы с вами уже имеем представление о двух главных силах в природе или, иначе говоря, двух основных взаимодействиях, а сейчас узнаем третье – вот как раз с помощью нейтрино.
Напомню, потому что повторенье – мать ученья, а мать надо любить и уважать:
1) есть ядерные силы, которые сцепляют протоны и нейтроны внутри ядра, сопротивляясь силам электрического отталкивания положительно заряженных протонов;
2) и есть эти самые силы электрического отталкивания и притяжения между частицами.
Вот две силы природы, которые мы уже знаем… Только я хочу вас попросить об одном одолжении. Давайте вместо «сила» будем говорить «взаимодействие». Я понимаю, что слово «сила» вам нравится больше, потому что оно привычнее. Но вы теперь человек ученый, ядерную физику вон осваиваете, и потому вам пристали более точные слова и выражения. «Силы» – это в механике. А тут – «взаимодействия». Так что вместо «ядерные силы» и «электромагнитные силы» скажем «сильное взаимодействие» и «электромагнитное взаимодействие».
Вообще все, что происходит в этом мире, все-все-все движения и явления… ну вот буквально все без исключения объясняется всего четырьмя природными взаимодействиями. Половину мы уже знаем.
Сильное взаимодействие сцепляет нуклоны в ядре, позволяя ядрам существовать. Без него ядер атомов просто не могло бы быть.
Второе взаимодействие – электромагнитное. Оно отвечает за притяжение разноименных зарядов и отталкивание одноименных. Плюсик отталкивается от плюсика, минус от минуса; а вот плюсик с минусиком притягиваются, словно магнитики. Поэтому минусовые электрончики охотно подлетают к положительно заряженным ядрам атомов и начинают вокруг них своё счастливое кружение.
Таким образом, электромагнитное взаимодействие обеспечивает нам существование уже не ядер атомов, а самих атомов в сборе. А поскольку все вокруг нас состоит из атомов, электромагнитное взаимодействие для нас является главным. Оно отвечает за все, что происходит в макромире вокруг нас. За всю химию, например, то есть за все химические реакции. Вся наука химия – это сплошное электрическое взаимодействие зарядов. Сила трения – тоже проявление электромагнитного взаимодействия. И фазовые переходы – таяние льда, испарение воды. Горение дров в печке. Работа нашего организма. Любовь к престарелой маме и ненависть к врагам. Борьба партий в парламенте. Свет в окошке… Все это – проявление электромагнетизма.
Но если все вокруг нас – проявление всего двух сил, точнее, взаимодействий, то зачем нужны еще два взаимодействия? Зачем их четыре, если можно обойтись двумя?
Зададимся вопросом: а вот распад нейтрона – это какое взаимодействие? Нейтрон один-одинешенек, значит, никакие ядерные силы со стороны других нуклонов на него не действуют. И он электронейтрален – никакие электромагнитные силы на него тоже не действуют. Но он вдруг раз – и распадается. Под воздействием каких-то внутренних сил. Каких? Эти силы называют слабыми – в противовес сильным ядерным. Слабое взаимодействие! Третье по счету. Именно оно отвечает за распад частиц. Казалось бы – пустяк. Но если бы не слабое взаимодействие, никакой жизни на нашей планете не было бы. Потому как слабое взаимодействие отвечает за те ядерные реакции, которые идут в Солнце и обеспечивают его свечение. Солнце – источник жизни на Земле. Основной поставщик энергии. Без слабого взаимодействия это было бы невозможно. Именно оно ответственно за те реакции, которые дарят нам тепло и свет. Позже мы эти реакции рассмотрим.
Ну, а четвертая сила природы, четвертое и последнее взаимодействие – гравитационное. То, что мы ходим по поверхности планеты, а не улетаем в мировое пространство; то, что яблоки и прочие предметы падают на голову Ньютона, а Земля крутится вокруг Солнца, подставляя ему то один, то другой бочок для обогрева и освещения, – это следствие гравитации, то есть всемирного тяготения. Без него нас бы тоже не было.
Все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Сила этого притяжения невелика, поэтому между не очень тяжелыми предметами совершенно незаметна. Вы, например, притягиваетесь к своему начальнику, но не падаете на него, как камень на землю, потому что силы этого притяжения слишком малы. И только там, где в ход идут гигантские массы, типа массы нашей планеты, сила всемирного тяготения становится заметной и набивает шишки при падении. Земля притягивает, и это прекрасно.
Вот все четыре взаимодействия, которые существуют в природе. Больше никаких нет. И они за все происходящее в мире отвечают.
