Kitobni o'qish: «Карта незримого. Восемь путешествий по физике элементарных частиц», sahifa 3

Путешествие II
Земля Атома

Подходим к берегу, населенному атомами.

•

Мертвые мыши, Солнце и стандартная модель в химии.

•

(Не говоря уже о молекулах).

•

Короткое путешествие назад.

•

Внимание, электрон! А лоцману лучше помолчать.

•

К земле Атома.

•

Планеты или пудинги?

•

Музыка земли Атома.

•

Урок игры на гитаре, оболочки и Шрёдингер.

V. Атомы

Будем готовы к тому, что объекты, с которыми мы столкнемся, будут странной смесью волны и частицы. И с этой мыслью мы подходим к берегам земли Атома с уверенностью, но не без волнения; мы полны жажды познания и, как нам кажется, вполне подготовлены для исследования этой земли. Мы высаживаемся на берег и далее продолжаем путь пешком.

Атом – это мельчайшая неделимая частичка химического элемента. Вспомните стекловолокно нашей лодки и кремний, из которого сделаны эти волокна. Мы уже мельком заглянули внутрь атома кремния, понаблюдали за ядром и особенно за электронами вокруг ядра. Если бы мы глубже проникли в атом кремния, то увидели бы много интересного¹². Однако это был бы уже не кремний. Материалы, с которыми мы встречаемся в быту, состоят из разных химических элементов, каждый из которых представляет собой атомы разного вида, связанные между собой в молекулы. Идея о существовании неделимых «строительных кирпичиков» вещества восходит еще к древним грекам, но подтвердить, что атомы действительно существуют, удалось только в результате тщательных исследований на протяжении двух последних столетий. Бо́льшая часть этих исследований была сделана не напрямую, с помощью инструментов с высокой разрешающей способностью, способных зондировать микроскопические структуры при изучении свойств разных веществ и определении того, как они сочетаются и взаимодействуют друг с другом, а также используя метод их точного взвешивания. Бо́льшая часть химических элементов была открыта в период с 1745 по 1869 год. Исследователи пользовались самыми разными методами: пробовали их на вкус, нюхали, взвешивали или просто наблюдали за разными веществами и продуктами всевозможных реакций между ними.

Например, несколько ученых, независимо работавшие в 60-е годы XVIII века, выяснили, что воздух содержит две основные компоненты, одна из которых способствует горению и делает мышей более активными и здоровыми, а вторая гасит огонь и душит мышей. В 70-е годы того же века «мышедружественный» газ, который также оказалось возможным получать путем нагревания окиси ртути, был идентифицирован как элемент кислород. Шотландский студент Даниэль Резерфорд¹³ догадался, что «мышеубивающий» газ – это еще один элемент, азот, что и нашло отражение в его диссертации в 1772 году.

С помощью астрономических наблюдений было установлено, что в составе Солнца есть новый элемент, ранее на Земле не известный, выявленный благодаря особым частотам излучаемого света. Этот элемент был назван гелием в честь Гелиоса – греческого бога Солнца. Позже этот элемент был замечен в газах, испускаемых Везувием.

В 1895 году шведские химики Пер Теодор Клеве и Нильс Абрахам Ланглет отметили, что такой же газ выделяется в результате растворения некоторых минералов в кислоте, и смогли достаточно хорошо изолировать этот газ, чтобы измерить его атомную массу.

Джон Дальтон – химик, физик и метеоролог, который жил и работал в XIX веке в Манчестере, провел серию чрезвычайно точных экспериментов¹⁴. Эти эксперименты состояли в комбинировании, взаимодействии и взвешивании разных газов и других веществ. В результате было установлено, что некоторые материалы, вовлеченные в разные химические реакции, всегда сочетаются в некоторых фиксированных пропорциях. Предположение ученого состояло в том, что реакции взаимодействия на самом деле происходят между крошечными составляющими каждого вещества. Эти крошечные «кирпичики» обладали, по его мнению, способностью объединяться и распадаться вполне определенным способом для образования новых устойчивых «кирпичиков» уже какого-то нового вещества.

Так, двуокись углерода состоит из комбинации двух частей кислорода и одной части углерода. Вода может быть сделана из двух частей водорода и одной части кислорода. Если использовать правильное соотношение, то исходные вещества полностью превратятся в новое вещество. Если вы ошибетесь, то обнаружите какой-то остаток после процессов взаимодействия.

В 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев упорядочил все известные элементы в соответствии с их химическими свойствами и поместил их в периодическую таблицу. Эта таблица представляла собой нечто гораздо большее, чем просто удобный способ перечислить элементы. Дело в том, что группировка элементов по их способности взаимодействовать с другими элементами и по их массам, как это сделал Менделеев, помогла выявить глубокую закономерность, отражающую внутреннюю структуру атомов. Более того, периодическая система Менделеева обладала предсказательной силой, т. е. могла предсказывать существование новых, еще не открытых элементов и заранее описывать их свойства: пробелы в первоначальной таблице указывали на «недостающие» элементы, которые были обнаружены позже. Эта таблица есть «стандартная модель» химии – в том смысле, что она служит истоком стандартной модели физики элементарных частиц.

Наше исследование земли Атома показало, что вещества, окружающие нас в обыденной жизни, на самом деле обладают сложной и красивой структурой, подчиняющейся определенным закономерностям. Они демонстрируют нам чрезвычайно занимательное поведение, которое хотелось бы понять лучше. Но в какую сторону бы мы ни пошли по земле Атома, кого бы мы там ни спросили – все подтвердят, что для глубокого понимания сути вещей (экономики, экологии, взаимоотношений между обитателями) мы обязательно должны вернуться морем в порт Электрон.

VI. В недрах атома. Электрон

Позже, совершив небольшое морское путешествие назад и повторив наш прежний путь, мы снова швартуемся в порту Электрон. Мы пренебрегли уроком, данным нам лоцманом, но наш краткий визит в землю Атома показал, что нужно искать ответы здесь, в этом порту, прежде, чем углубляться в дебри земли Атома. Мы высаживаемся, надеясь избежать встречи со знакомым нам лоцманом, и рассредотачиваемся для получения дополнительной информации.

И вот что мы узнаем. Электрон – первая обнаруженная субатомная частица. Эти крошечные объекты впервые наблюдались как пучки так называемых катодных лучей – странного излучения, испускаемого металлами при нагреве. Некоторые исследователи считали, что эти лучи состоят из частиц, другие же полагали, что речь идет о распространении волн в эфире. Спустя два десятилетия после открытия этих частиц Дж. Дж. Томсон, работавший в Кембридже, в 1897 году утвердил статус электронов именно как частиц. Дело в том, что частицы имеют определенные массу и электрический заряд, из чего, в частности, следует, что отношение массы и заряда тоже имеет определенное значение. Чтобы доказать, что катодные лучи состоят из частиц, Томсон должен был показать, что отношение массы к заряду всегда одинаково, независимо от того, какой материал был использован в качестве источника катодных лучей. Положительный ответ послужил бы критерием того, что электрон – действительно частица. Первым ключевым доказательством стал тот факт, что катодные лучи отклонялись в электрическом и магнитном полях именно таким образом, как это ожидалось для пучка заряженных частиц. Ни одна волна, известная в то время, не являлась переносчиком заряда, и поэтому это могло считаться хоть и косвенным, но сильным доказательством в пользу трактовки электрона как частицы. Вторую часть доказательства Томсон получил, изучив, как ведет себя в вакууме траектория пучка катодных лучей под действием электрического и магнитного полей. Томсон смог настроить поля таким образом, что они взаимно компенсировали друг друга. Путем такого регулирования можно было получить на выходе скорость пучка¹⁵.

Наконец, поскольку скорость известна, магнитное поле можно отключить, и степень отклонения пучка в электрическом поле поможет определить отношение заряда к массе¹⁶. Как отметил Томсон, для электрона отношение заряда к массе примерно в две тысячи раз больше, чем соответствующее соотношение для иона водорода, который представляет собой одиночный протон – легчайшую частицу из известных на тот момент. Сказанное означает, что или заряд электрона сильно превышает заряд протона, или масса электрона гораздо меньше массы протона.

Существует много способов выяснить, какое из двух предположений верно. Вероятно, наш старый друг лоцман, попадись мы ему снова, захотел бы нас подразнить и предложил бы подвешивать в электрическом поле маленькие заряженные сферы. Электростатическая сила, действующая на заряженную сферу, зависит как от напряженности электрического поля, так и от наведенного электрического заряда сферы. Если сфера неподвижна (не падает и не поднимается), то электростатическая сила должна в точности компенсировать гравитационную силу, зависящую от массы сферы. Таким образом, если напряженность поля и масса сферы известны, то заряд может быть вычислен. Производя такие измерения и расчеты много раз, можно увидеть, что заряд сферы всегда кратен небольшой величине, которую будем называть e. Сферы могут нести заряд e, или 2e, или 3e, или сотни e, но никогда не половину e или еще какую-то дробную часть этой величины, называемой «заряд электрона»¹⁷.

Результатом всех этих доказательств стало утверждение о существовании крошечной частицы электрона, обладающей определенными массой и зарядом. Поскольку электроны намного меньше атомов, то разумно предположить, что прежде чем сформировать катодные лучи, они обитают где-то внутри атомов. Вот теперь мы действительно готовы вернуться на землю Атома и начать исследование ее внутренних областей.

VII. Ядерные свойства

Знания, добытые нами в порту Электрон, позволяют нам уверенно ступить на землю Атома с готовностью понять некоторые особенности, которые мы там обнаружим. Но внутри атома должно ведь быть и что-то еще, помимо электронов. Электроны очень легкие по сравнению с целым атомом, и что-то должно отвечать за оставшуюся бо́льшую часть массы. Кроме того, атомы электрически нейтральны и, следовательно, в атоме должно быть что-то, несущее положительный заряд, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов. Что же это может быть за дополнительная составляющая атома и как по отношению к ней распределены электроны?

Первые инструменты, необходимые для дальнейшего исследования атома, были получены при открытии явления радиоактивности. Земля Атома лежит восточнее, а значит, для похода туда нам нужны более высокие энергии, чем те, что могут обеспечить нежные катодные лучи. К счастью, по причинам, которые станут ясны позднее, некоторые элементы испускают естественное радиоактивное излучение, и его энергия может быть весьма высока. Это и будет нашим средством передвижения, который поможет проникнуть в земли Атома.

Одна из наиболее распространенных естественных форм радиоактивного излучения – это альфа-частицы¹⁸. «Ударный десантный отряд» в составе Ганса Гейгера, Вальтера Мюллера и Эрнеста Резерфорда (снова в Манчестере) в результате решительных действий добился значительных – для того времени – успехов при разведке земель Атома. Ученые использовали пучок альфа-частиц, полученных в результате радиоактивного распада недавно обнаруженного тогда химического элемента радона, для бомбардировки атомов золота. Относительно высокая энергия альфа-частиц означает, что они в принципе пригодны для исследования мельчайших особенностей внутри атома. Идея заключалась в том, что альфа-частицы должны были отклоняться этими «субатомными особенностями», которые находились внутри атомов золота. Анализируя углы рассеяния и отмечая, насколько часто происходят такие рассеяния, можно изучить детали внутренней структуры атома.

Раньше никто не мог заглянуть внутрь атома, и было множество гипотез о том, что же там может происходить. Согласно одной из моделей внутренней структуры атомов (ее, по-видимому, предпочитал сам Резерфорд), электроны распределены в атоме, как изюм в сливовом пудинге. Кстати, как ни удивительно, в сливовом пудинге совсем нет слив (скорее всего, для объяснения этого курьеза существует какая-нибудь историческая «изюминка»). Представьте теперь то удивление, которое испытали Гейгер, Мюллер и Резерфорд, когда выстрелили пучком альфа-частиц в золотую фольгу. Если бы атом действительно обладал структурой сливового пудинга, то альфа-частицы прошли бы сквозь него с незначительными отклонениями. Но оказалось совсем иначе. В то время как большинство альфа-частиц проходили, почти не отклоняясь, некоторые из них отскочили назад, а другие были отклонены на гораздо бо́льшие углы, чем это ожидалось в простой модели диффузного – «пудингоподобного» – распределения вещества внутри атома.

Резерфорд красочно описал проведенный эксперимент: результат был подобен стрельбе 15-дюймовым снарядом по клочку салфетки с его последующим сногсшибательным – в буквальном смысле слова – отскоком. Такой результат можно объяснить только одним образом: основная часть положительно заряженной массы атома сосредоточена в объеме, который в тысячи раз меньше размера всего атома.

Теперь мы знаем, что это – атомное ядро. Преобладающая часть массы любого ядра сосредоточена в объеме, который примерно в 10^–15 раз меньше объема всего атома. Именно такая огромная концентрация вещества и приводит к тому, что альфа-частица отскакивает в сторону, противоположную той, откуда она прилетела.

Основная структура каждого атома такова: очень тяжелое ядро, окруженное облаком более легких электронов. Следующая часть нашего путешествия будет посвящена исследованию того, как эти электроны связаны с ядром; мы рассмотрим также далеко идущие последствия их связи.

VIII. Истоки химии

Все наши предыдущие исследования говорили нам, что бо́льшая часть массы атома сосредоточена в ядре. Существенно более легкие электроны «жужжат» вокруг ядра. Благодаря электромагнитным силам притяжения отрицательно заряженные электроны вынуждены оставаться поблизости от ядра, имеющего положительный заряд. Такая картина на первый взгляд напоминает миниатюрную Солнечную систему, в которой более легкие по сравнению с Солнцем планеты вращаются вокруг массивной центральной звезды. Но это только кажущаяся аналогия. Как мы уже знаем, электроны – это не классические частицы, и в рассматриваемом случае их квантово-механическая природа проявляет себя в огромной степени. Так, именно квантово-механические свойства электрона диктуют способ связи и реакции атомов при формировании молекул и более сложных соединений, а также объясняют структуру самой периодической таблицы Менделеева.

У разных элементов способность к взаимодействию зависит от того, насколько сильно электроны связаны с ядром атома. Когда мы исследуем землю Атома, посещаем атомы разных элементов, мы обнаруживаем, что эти атомы содержат разное количество электронов – такое количество, которое нужно, чтобы скомпенсировать положительный заряд разных ядер. Обнаруживаем мы и тот факт, что электроны не могут обладать произвольной энергией. Их энергии принимают значения строго из определенного набора, характерного для атомов определенного элемента. Именно этот набор энергий и определяет способность атома формировать молекулы и другие соединения с соседними атомами, а это, в свою очередь, лежит в основе всей химии и всего того, что следует из химических свойств элементов. Будучи от природы любопытными исследователями, мы горим желанием узнать, как все это работает и, прежде всего, какой механизм создает определенные энергетические уровни.

Обладающий определенной энергией электрон обладает и определенной длиной волны, связанной с энергией, как мы выяснили в нашем предыдущем путешествии. Электроны, свободно передвигающиеся по океанам, отмеченным на нашей карте, могут иметь любую длину волны и, следовательно, любую энергию. Ограничений нет. Однако, будучи ограниченными территорией земли Атома, плененные вблизи атомного ядра электроны утрачивают свободу в выборе возможных значений длины волны.

Тот факт, что для электрона разрешены только определенные значения энергий, приводит к ограничению длины волны. Осознав это, мы начинаем понимать, что же происходит с электронами.

Мы знаем по опыту, что существуют и другие ситуации, когда бывают доступны только некоторые определенные длины волн, например колебания гитарной струны. К счастью, на нашей лодке есть гитарист, который поможет нам наглядно это понять.

В гуще лесов, покрывающих землю Атома, мы находим полянку и разбиваем лагерь. Разжигаем костер, садимся вокруг него и замираем в ожидании, о чем поведает нам гитара в тот час, когда сгустятся сумерки и в тишине до нас донесется жужжащая песенка крошечных электронов, парящих в древесных кронах высоко над нашими головами.

Каждая нота музыкального инструмента соответствует определенной звуковой волне. Гитарная струна некоторой фиксированной длины порождает звучащую ноту. Эта нота определяется тем фактом, что точное число соответствующих ей полуволн должно вписаться в отведенное для струны пространство. Концы струны закреплены на струнодержателе и колках грифа и, следовательно, не могут вибрировать, как все остальные участки этой струны. Таким образом, волна на струне должна иметь неподвижные точки, расположенные на концах этой струны, и в них амплитуда колебаний равна нулю.

Как следствие из всего сказанного, не все длины волн могут реализоваться при таких колебаниях. Длины волн, равные длине струны, не запрещены: они обладают двумя фиксированными точками на каждом конце и одной фиксированной точкой в середине. Пики и провалы приходятся на первую и третью четверти пути соответственно.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда длина волны в два раза превышает длину гитарной струны, причем средняя часть струны колеблется вверх-вниз. Это будет самое низкое колебание струны, открытая нота гитары. Важный момент здесь – то, что запрещена волна любой длины, которая не допускает стационарную точку на каком-либо конце струны.

Именно так происходит и с электронами, когда их положение ограничено некоторой областью вблизи атомного ядра. Расстояние от электронов до ядра подобно расстоянию от струнодержателя до грифа на гитаре: оно тоже определяет фиксированные точки, за пределы которых электрон не может выйти и где волна, ассоциированная с электроном, стационарна. Вышесказанное означает, что для электрона допустимы только определенные длины волн, а из этого, в свою очередь, следует, что для электронов допустимы только определенные значения энергии. Наконец, последний факт объясняет своеобразие структур связности электронов с ядрами атомов, с чем мы столкнулись в земле Атома¹⁹.

Мы получили недостающую часть необходимой нам информации для понимания внутренних механизмов земли Атома. Существует строго определенный список допустимых энергетических уровней для электронов, находящихся в связанном состоянии внутри атома, – гармоник их орбит вокруг центрального массивного ядра. Разумно ожидать, что наиболее устойчивое состояние атома – это когда все электроны «садятся» на уровень с наименьшей энергией. Другими словами, все электроны «дружно поют басом». Однако такого мы не наблюдаем. Каждый энергетический уровень позволяет, чтобы его занимали только два электрона, после чего он становится полностью заполненным: для всех остальных желающих вывешивается табличка «Нет свободных мест». Таким образом, другие электроны, стремящиеся занять места с минимальной энергией, вынуждены довольствоваться уже только оставшимися энергетическими уровнями, где ситуация снова повторится: будут взяты только два электрона, а остальным опять придется искать себе места на более высокоэнергетических уровнях²⁰. У атома в состоянии с самой низкой энергией все электроны занимают самые нижние допустимые энергетические уровни, а все уровни с более высокой энергией пусты. К примеру, у кремния 14 электронов находятся на семи нижайших энергетических уровнях, по два на каждом. Натрий имеет 11 электронов, которые заполняют нижайшие пять энергетических уровней, а шестой уровень заполнен наполовину: на нем один электрон и одно свободное место.

Таким образом, атомы создают «оболочки» из электронов. Энергетические уровни внутри таких электронных оболочек заполнены, снаружи – пусты, а посередине иногда бывают свободные места. Эта сложная структура из электронов и энергетических уровней определяет размер атома и его способность вступать в реакции и образовывать молекулы. Здесь сразу возникает множество вопросов. Например, почему именно два электрона приходятся на один энергетический уровень? Почему не один или столько, сколько мы захотим? Этого мы еще не знаем. Но трудно переоценить важность сути самого открытия: энергетические уровни различны для одного атома, различны для разных атомов и даже для разных молекул, которые образуются при связи атомов друг с другом. Все это означает, что у нас есть способ определять составные части вещества по косвенным признакам, даже не дотрагиваясь непосредственно до них.

Когда электроны перепрыгивают с одного энергетического уровня на другой, они испускают или поглощают характерное количество энергии в виде фотонов света. Измерением величины этого излучения и определением, для каких атомов характерно то или иное излучение, занимается наука спектроскопия, и именно благодаря этой науке мы знаем, из чего сделаны Солнце, другие звезды и межзвездная пыль. Поскольку допускается существование только нескольких определенных энергетических уровней, могут существовать только вполне определенные скачки энергии. Таким образом, лишь некоторые определенные порции энергии фотона могут быть поглощены или испущены. Из-за этого в спектре появляются либо темные полосы (свет определенной длины проходит сквозь вещество, и эти длины волн фотонов поглощаются), либо светлые (свет испускается веществом при нагревании; например, свет натриевой лампы имеет жёлтую окраску). Желтый цвет, зафиксированный спектрометром, указывает на то, что основным компонентом таких ламп является натрий. Точно так же линии в спектре других веществ позволяют определить, из атомов каких видов состоит исследуемое вещество. Это обстоятельство объясняет характерные частоты света, ответственные за открытие гелия на Солнце.

Электронная структура атомов и молекул – детальная картография земли Атома – была открыта с помощью энергий порядка нескольких сотен или даже тысяч электронвольт (эВ)²¹. Понимание этой структуры имело решающее значение для того, чтобы подтвердить квантовую природу электронов и фотонов, а также выявить, какие элементы присутствуют в звездах и пыли далеких галактик. Это понимание воодушевляет нас и дает информацию для дальнейших исследований. Теория взаимодействия электронов и фотонов – квантовая электродинамика (КЭД) – стала первой частью разрабатываемой стандартной модели физики частиц. Как мы увидим в дальнейшем, точные атомные измерения сыграли важнейшую роль в становлении КЭД.

Земля Атома – отправная точка для нашего путешествия в дальние области физики элементарных частиц. Преодолеть тяготы пути нам поможет квантовая теория, которой мы попутно обзавелись. Следующим этапом нашего путешествия станет уже вошедшее в привычку возвращение в порт Электрон, но на этот раз мы вернемся туда по суше. Если сказать точнее, то мы вернемся даже не в сам порт, а в земли все еще неизвестного нам острова, на побережье которого этот порт расположен. Итак, достигнув южной оконечности земли Атома, мы обнаружили некий мост, а сразу за ним – что оказалось очень кстати – пункт проката автомобилей. Мы тут же пересекли мост, взяли машину и отправились по берегу острова, чтобы исследовать территорию вдали от порта Электрон.