Рассказ о строении вещества

Более того.

Квантовая механика утверждает, что и другие частицы — электроны, альфа-частицы, да и сами атомы — имеют такую же двойственную природу. Все они могут проявляться или как частицы, или как волны.

Это доказано неоспоримыми опытами. Так, например, установлено, что электроны эти, казалось бы, уже так хорошо знакомые физикам частицы, обладающие определённой массой и зарядом, пути полёта которых тысячи раз были засняты на фотографические пластинки, эти несомненные частицы показывают в некоторых случаях свойства волн. Пролетая через тончайший листик золота, электроны дают ярко выраженную картину дифракции (рис. 22)!

Рис. 22. Дифракция электронов.

Так же способны дифрагировать и атомы и молекулы!

А дифракция присуща, как мы знаем, именно волнам.

Разгадка этой новой, поистине замечательной тайны вещества позволила нам более правильно объяснить и строение атома.

Квантовая механика рисует движение электронов в атоме так: вращаясь вокруг ядра, электроны окружают его как бы «электронным облаком».

Плотность этого «облака» в разных местах различна. «Облако» гуще в тех точках пространства, где вероятность пребывания электрона больше.

Своеобразие такого подхода к решению вопроса объясняется тем, что микромир, мир электронов и атомных ядер, имеет свои особенности, отличающие его от окружающего нас, привычного нам, мира больших вещей.

Квантовая механика породила у ряда современных буржуазных физиков взгляды и выводы, далёкие от истинной науки.

Изучая пути движения электронов в атоме, физики не могут определить одновременно точное положение электрона и его скорость. Из этого некоторые реакционные физики и философы делают идеалистический, поповский, далёкий от науки вывод. Так, физики Гейзенберг и Бор утверждают, что раз мы не можем определить в одно и то же время точное положение электрона в атоме и его скорость и, таким образом, не можем сказать, по какому пути движется этот электрон, то, значит, движение электронов в атомах не является закономерным; оно не может быть познано нами вообще, так как электроны якобы обладают «свободой воли»!

Другие реакционеры идут еще дальше и утверждают, что электроны вообще не являются вещами, существующими вне нашего сознания; они не существуют независимо от нас и наших приборов.

Нечего и говорить, что эти вздорные, ненаучные взгляды поддерживают все противники передовой, материалистической науки. Ведь согласно таким взглядам наука бессильна объяснить окружающую действительность, человек никогда не сможет понять и объяснить отдельные явления природы. А это значит, что есть в мире те таинственные, необъяснимые «силы», на которых держатся все суеверия и религии.

Иное, действительно научное объяснение «поведению» электрона в атоме даёт наша материалистическая наука.

Мир необычайно малых частиц, как мы уже сказали, — мир особый. Поэтому мы не можем подходить к нему только с теми законами, к которым привыкли в мире больших вещей.

В мире малого имеются, кроме того, свои законы, свои закономерности.

Каковы эти законы? Пока мы их полностью не знаем. А то, что мы уже знаем, подчас не вяжется с нашими привычными представлениями.

Так именно и обстоит дело с дифракцией мельчайших частичек. Очевидно, что все эти частички движутся по каким-то своим законам, а не по законам хорошо известной нам механики, управляющей движением больших тел. Согласно этим особым законам движутся и электроны в атомах.

Мы стремимся при помощи опыта познать законы мира малого. Путь к этому один — дальнейшее изучение строения атома и главным образом его центральной части — ядра, в котором действуют ещё мало изученные ядерные силы. При изучении атомного ядра, можно надеяться, будут найдены и объяснены многие закономерности мира малых частиц.

По этому пути и идёт наука наших дней. И уже теперь, спустя немного лет после своего зарождения, ядерная физика достигла изумительных результатов.

Что же мы знаем о строении ядра в настоящее время и что это нам дало в применении к практической жизни?

3. К центру атома

Когда мы нагреваем воду, её невидимые частички — молекулы — с повышением температуры движутся всё быстрее и быстрее. Однако какого-либо нарушения внутреннего строения молекул при этом не происходит. Так бывает при любом физическом изменении тел — при их плавлении, испарении и т. д.

Если же происходит химическое изменение какого-либо тела, то при этом изменяются уже молекулы: они распадаются на атомы, и из последних образуются молекулы новых веществ; соединяясь по-новому, атомы образуют новые атомные группы, новые молекулы. Таким образом, говоря иными словами, все химические реакции связаны с движением электронов в атомах. Атомные же ядра не принимают в этом никакого участия. При любых химических превращениях с ядром ничего не случается — оно лишь переходит вместе с атомом из одного соединения в другое. Поэтому-то и не могли иметь успеха все многовековые попытки алхимиков превратить один элемент в другой химическим путём.

Не меняется атомное ядро и при таких воздействиях, как сильное сжатие, нагревание или обработка химических соединений различными растворителями.

Проникнуть внутрь очень плотного ядра, разбить его на части также чрезвычайно трудно. Узнать поэтому, как устроено атомное ядро, оказалось несравненно труднее, нежели выяснить строение самого атома. Однако физики успешно справляются и с этой задачей, хотя изучением атомного ядра занялись совсем недавно — всего каких-нибудь 30 лет назад.

Как же устроено ядро согласно данным современной физики?

Как известно, положительный заряд ядра самого лёгкого атома — атома водорода — равен 1. Поэтому ядро атома водорода стали считать за простейшую положительную частичку и назвали его протоном («протон» значит «первичный»). Позднее было найдено, что протон действительно является элементарной частичкой с минимальным положительным зарядом. В опытах по расщеплению атомных ядер учёные установили, что протоны входят в состав ядер всех атомов.

Однако состоять из одних протонов ядра атомов не могут. Если бы это было так, то масса каждого атома должна была бы быть во столько же раз больше массы атома водорода, во сколько раз число электронов в оболочке этого атома больше числа электронов в атоме водорода. В самом деле, в атоме водорода находится один электрон, и масса его равна массе одного протона. Значит, масса атома следующего элемента — гелия, который имеет в своей оболочке два электрона, должна была бы быть равной массе двух протонов. Точно так же углерод, имеющий 6 электронов, должен иметь массу, равную 6 протонам. В действительности мы, однако, наблюдаем другое. Масса атома гелия равна массе не 2 протонов, а 4; атом углерода имеет массу не 6 протонов, а 12. Таким образом, ясно, что в атомном ядре содержатся ещё какие-то другие частицы, помимо протонов.

Что это за частицы?

Было предположено, что в состав ядра входят наряду с протонами электроны. При этом всегда число протонов в ядре больше, чем электронов, так, чтобы остающийся неуравновешенным положительный заряд ядра был равен отрицательному заряду всех электронов электронной оболочки.

Такой взгляд на строение атомного ядра, казалось бы, подтверждался также и тем, что как при самопроизвольном распаде радиоактивных веществ, так и при искусственном расщеплении атомных ядер из них часто вылетают электроны.

Однако ряд опытов и расчётов заставил физиков отказаться от такого объяснения устройства ядра.

И перед учёными снова встал вопрос: каково же строение атомного ядра? Ведь неоспоримо, что что-то должно входить, помимо протонов, в состав ядра.

Это «что-то» было найдено в 1932 году. При опытах «бомбардировки» альфа-частицами атомов бериллия была найдена новая частица, не имеющая никакого заряда. Масса этой частицы, названной нейтроном, оказалась почти точно равной массе протона.