Размещено на http://www.allbest.ru/

Микромир. Атомы и элементарные частицы

Идея о существовании атомов берет свое начало со времен греческих философов, которые еще две с половиной тысячи лет назад заложили основы нашего понимания природы материи, попытавшись упростить картину окружающего нас мира и свести его к ограниченному количеству первичных, мельчайших и неделимых элементов. Анаксагором (500-428 гг до н.э.) было введено понятие бесконечной Вселенной, заполненной множеством частиц - "атомов". Более того, Анаксагор предположил, что небесные тела состоят из таких же веществ, что и Земля.

Свои вклады в развитие атомистического учения внесли Левкипп и Демокрит. Атомистическая теория отвергалась Аристотелем, Платоном и Сократом. Более поздние идеи атомизма развивались Эпикуром (341-270 гг. до н.э.).

Основа учения атомистов заключалась в следующей идее: мир состоит только из двух вещей - неуничтожимых атомов и пустоты. Атомы способны соединяться друг с другом, образуя разные комбинации на причинно-следственной основе.

С развитием современной химии атомистическое учение перестало быть лишь уделом философии, умозрительных заключений и получило научную основу. Так, британский химик Джон Дальтон (1766-1844) экспериментально обнаружил, что атомы имеют различную массу; они могут образовывать друг с другом различные комбинации и соединения. Однако, вплоть до конца XIX в. прямые доказательства существования атомов отсутствовали.

В настоящее время уже ни кто не подвергает сомнению вопрос о существовании атомов. В учебниках дается такое определение атома: "Атом - это частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств". Каждому элементу в таблице Менделеева соответствует свой атом. Атомы могут объединяться в молекулы. Молекула - это наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Если число различных типов атомов в природе ограничено, то разновидностей молекул неограниченно много. Кроме того, некоторые молекулы могут содержать тысячи атомов и, соответственно, во столько же раз большие размеры. Однако даже в этом случаи они настолько малы, что непосредственное их наблюдение очень затруднено. В качестве косвенных доказательств атомного строения вещества можно привести такие явления как диффузия, состоящее во взаимном проникновении через границу раздела атомов одного вещества в пространство между атомами другого вещества; Броуновское движение, состоящее в непрерывном хаотическом движении микроскопических частиц (например, пыльцы растений) под воздействием ударов молекул жидкости. Современное развитие технических средств науки позволяет непосредственно наблюдать некоторые молекулы с помощью электронного микроскопа.

Молекулы, наблюдаемые с помощью электронного микроскопа

На первом снимке фотография молекулы гексаметилбензола, полученная с помощью электронного микроскопа. На втором снимке - химическая формула гексаметилбензола.

Если первые исследования в области молекулярной физики позволили получить очень важные результаты, рассматривая молекулы и атомы как упругие шарики, не имеющие внутреннего строения, то исследования в области электричества и оптики однозначно указывали на сложное внутренне строение самих атомов.

К первым доказательствам сложности внутреннего строения атомов можно причислить открытие электрона. Опыты однозначно указывали на то, что в каждом атоме находятся электроны. Каждый тип атома содержит строго определенное количество электронов.

Однако известно было и то, что в целом атом электрически нейтрален, то есть в нем должно содержаться некоторое вещество, имеющее положительный заряд равный суммарному заряду всех электронов атома. Кроме этого, масса электрона ничтожно мала. Поэтому вся масса атома должна содержаться в этом положительном веществе.

На сложность внутреннего строения атомов указывает сложность оптических спектров, излучаемых атомами. Свет в природе могут излучать только атомы, и каждый тип атома излучает строго определенный набор световых волн (как отпечаток пальцев). Чем сложнее атом - тем сложнее его спектр. Следовательно, оптические исследования также указывают на сложное внутреннее строение атомов.

Объяснить внутреннее строение атомов можно только в том случае, если выяснить, как распределено в нем положительное вещество, определяющее массу атома. Ответить на этот вопрос можно получить только экспериментально. К таким экспериментам относятся известные исследования Эрнеста Резерфорда (1909). Для решения поставленной задачи Резерфорд исследовал движение тяжелых положительно заряженных частиц через тонкий стой атомов. В результате электрического отталкивания между положительным веществом атома положительно заряженной частицы, траектория последней должна искривиться. В этом случае говорят, что происходит ее рассеяние. В качестве такой положительно заряженной частицы Резерфорд использовал альфа-частицы, выделяемые радиоактивными элементами. Исследуя закон рассеяния альфа-частиц можно было выяснить, как расположено положительное вещество в атомах.

Проведенные тщательные измерения дали совершенно неожиданный результат. Облучая тонкий лист фольги альфа-частицами, он обнаружил, что большая их часть свободно "прошивает" лист, практически не меняя направления движения. Но в то же время, некоторые частицы могли резко поменять траекторию и даже направляться в обратную сторону. По словам Резерфорда, это было не менее удивительно, чем, если бы Вы выстрелили пушечным ядром в лист бумаги, и оно при этом отскочило бы назад!

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проанализировав вероятность попадания альфа-частицы (которая тоже заряжена положительно) в ядро, Резерфорд рассчитал размер области атома, которой должно быть сосредоточено положительно заряженное вещество. Оказалось, что этот размер в 100000 раз меньше самого атома, но в нем сосредоточена вся его масса! В силу малости размера положительно заряженное вещество было названо ядром. Остальной объем атома должен быть занят электронами. По аналогии со строением Солнечной системы, Резерфорд предложил модель атома, в которой электроны, подобно планетам вращаются вокруг ядра. Поэтому модель Резерфорда называют также планетарной. В дальнейшем оказалось, что она скорее очень красива, чем правильна. Электроны в атоме не являются частицами, ведут себя как волны…. Но это будет потом. Мир устроен чрезвычайно сложно и сложность эта привлекательна в высшей степени!

Если захотеть представить себе степень такого различия размеров атом и ядра, то можно предложить следующий аналог. Известно, что у металла атомы плотно прилегают друг к другу (плотнейшая упаковка), но вся масса атома сосредоточена в ядре. Если условно заменить ядро некоторым шариком радиусом 1 см, то при моделировании металла шарики надо расположить на расстоянии 2 километра (!) один от другого.

Получается, что даже металл мало отличается от вакуума!

Такая, неимоверно малая, частица вещества как ядро сама имеет очень сложное внутреннее строение. На это указывало открытие на рубеже XIX XX веков явления радиоактивности.

Строение ядра оставалось неясным вплоть до 30-х годов XX в. Впоследствии оказалось, что оно состоит из положительно заряженных частиц - протонов, и нейтральных частиц - нейтронов. Принадлежность атома к тому или иному химическому элементу определяется числом протонов в ядре. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся количеством нейтронов в ядре, называются изотопами. Изотопы бывают стабильными и радиоактивными. Последние могут распадаться с образованием других изотопов, излучая при этом различные частицы и гамма-кванты.

Разнообразие элементарных частиц не ограничивается только протоном, нейтроном и электроном. В экспериментах с использованием специальных ускорителей элементарных частиц удается получить сотни различных частиц. Большинство из них нестабильно и распадается с образованием протонов, нейтронов и электронов, а также соответствующих античастиц.

Существование античастиц представляет собой свидетельство удивительных качеств симметрии, присущей Вселенной. Античастицы являются своего рода зеркальным отражением частиц; они обладают противоположными зарядом и спином (вращательным моментом). В физических лабораториях удалось получить несколько атомов антивещества - это атомы антигелия, ядро которого состоит из двух антипротонов, двух антинейтронов, а на внешней оболочке вместо электронов находится пара позитронов (антиэлектронов). Атом антигелия практически ничем не отличается от атома обычного гелия. Однако антивещество мгновенно взаимодействует с обычным веществом и выделяет при этом огромное количество энергии в виде тепла и квантов электромагнитного излучения. Можно сказать, что энергия здесь выделяется в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна - E = mc2, где m - масса вещества, а с - скорость света в вакууме. Такой процесс взаимодействия вещества и антивещества получил название аннигиляции; частица реагирует с античастицей, вещество - с антивеществом. Аннигиляция нескольких десятков граммов антивещества потенциально может привести к уничтожению целого города. Способность антивещества к аннигиляции делает невозможным его сколько-нибудь значительное накопление в нашем мире, состоящем из обычного вещества.

До настоящего времени остается загадкой, существуют ли во Вселенной объекты (звезды, галактики), целиком состоящие из антивещества? В самом деле, если мы считаем, что Вселенная симметрична, то Большой взрыв должен был привести к образованию равных количеств вещества и антивещества. Сейчас предпринимаются интенсивные попытки решить этот вопрос, однако достоверных результатов по данной проблеме еще не получено.

Результаты научных исследований последних 20-30 лет свидетельствуют о том, что элементарные частицы, в свою очередь, не столь элементарны, как это казалось вначале, а представляют собой составные объекты, образованные еще более мелкими частицами, получившими название кварков. Кварки должны иметь не встречающийся ни у одной частицы дробный электрический заряд, т.е. меньший заряда электрона - кратный одной его трети. Предполагается, что существует шесть типов кварков, каждый из которых может находиться в трех состояниях, итого - 18. Некоторые физики считают это число слишком большим и хотели бы разложить кварки на еще более элементарные части.

По-видимому, внутри элементарных частиц, между кварками действуют огромные силы - до нескольких тонн-силы 1 тонна-силы соответствует весу тела массой 1 тонна на поверхности Земли. на пару кварков! Эти силы не убывают с расстоянием и возникают благодаря существованию других частиц - глюонов, которыми обмениваются кварки друг с другом по очень сложной пространственно-временной схеме.

Взаимодействие между кварками может быть разорвано только в процессах с чрезвычайно высокой энергией. Отдельные эксперименты по столкновению ускоренных электронов и позитронов (ускоритель PETRA в Гамбурге) показали образование пар кварк-антикварк. Еще одно подтверждение существования кварков основано на наблюдаемом распределении заряда внутри протонов, которые, судя по всему, состоят из "кусков" с электрическими зарядами, равными дробному заряду - заряду кварка.

При создании физических теорий, описывающих поведение и внутреннюю структуру элементарных частиц, исключительное значение имеет масса частиц. Существует так называемая масса покоя, которая не зависит от скорости движения частицы. Однако, если мы будем разгонять частицу, то ее масса будет увеличиваться в соответствии с формулой E = mc2; т.е., чем большую энергию приобретает частица, тем большую массу она будет иметь. Частицу, имеющую массу покоя, невозможно разогнать до скорости света - на это потребовалось бы бесконечно большая энергия, а масса такой частицы должна была бы также стать бесконечно большой. Скорость частиц, имеющих массу покоя, может лишь приближаться к скорости света. Следовательно, если существуют частицы, двигающиеся строго со скоростью света, то они не должны иметь массу покоя.

К числу таких частиц относится фотон и нейтрино. Свойства фотона мы рассмотрим чуть позже. Сейчас лишь заметим, что фотон - это квант электромагнитного излучения. В соответствии с квантовой теорией электромагнитные волны обладают свойствами частиц, и когда физики хотят подчеркнуть это обстоятельство, они применяют термин "фотон".

Нейтрино рождается вместе с электроном и протоном в процессе распада нейтрона - свободного или в составе атомного ядра радиоактивного изотопа. Это явление (бета-распад) было непонятно вплоть до начала 30-х годов и обладало странной особенностью. Казалось, что здесь нарушается закон сохранения энергии. Суммарная энергия протона и электрона оказывалась меньше, чем энергия исходного нейтрона. Для "спасения" закона сохранения энергии Вольфганг Паули предположил, что вместе с электроном при бета-распаде вылетает еще одна частица - нейтральная и обладающая чрезвычайно высокой проникающей способностью, из-за чего ее не удается наблюдать. Она получила название "нейтрино".

Только в 70-е годы, с созданием мощных ускорителей, удалось, наконец, обнаружить и изучить свойства этой частицы. Не имея массы покоя и электрического заряда, нейтрино движется со скоростью света, легко преодолевая такие препятствия, как наша планета. И все же, несмотря на очень малую вероятность взаимодействия с веществом, нейтрино можно обнаружить благодаря тому, что количество нейтрино, пролетающих даже через небольшие тела, может быть колоссальным - миллиарды миллиардов частиц в секунду. Для регистрации нейтрино используют особые баки, содержащие несколько тонн специальной жидкости. В течение суток происходит всего несколько событий взаимодействия нейтрино с жидкостью - образуются считанные атомы характерных изотопов, но этого вполне достаточно для ее обнаружения.

Особый интерес представляет регистрация потоков нейтрино от Солнца. Измеряя параметры этого потока, астрофизики пытаются изучать особенности протекания солнечных термоядерных реакций, в ходе которых излучается не только тепловая энергия и электромагнитные волны различных диапазонов, но также и интенсивный поток нейтрино.

Нейтринный детектор

Этот поток можно рассчитать теоретически, исходя из того, что нам известно, какое количество тепла выделяется в результате синтеза одного атомного ядра, интенсивность выделения тепла Солнцем; следовательно, можно рассчитать количество единичных актов синтеза, происходящих на Солнце за единицу времени, а отсюда и соответствующее количество образующихся нейтрино. Полученные результаты должны соответствовать их наблюдаемому потоку. атом химический резерфорд

И все же, в экспериментах по солнечной нейтринной астрономии, проведенных в различных лабораториях России, США и Японии в 80-х - 90-х гг XX в. удалось зарегистрировать только около одной трети потока нейтрино от ожидаемого. Неясно, с чем это связано. Отдельные ученые допускают, что наши представления о характере солнечных термоядерных реакций, как источника энергии Солнца, неточны. Однако большинство физиков считают возможным превращение испускаемых Солнцем нейтрино за время полета к Земле в другие их виды, которые обнаружить гораздо труднее.

Основные положения квантовой механики: частицы и кванты

Не смотря на то, что планетарная модель строения атома, предложенная Резерфордом, необычайно красива, она создала ряд серьезных проблем. Уже в 20-х 30-х гг XX в стало совершенно ясно, что электроны, вращающиеся вокруг атомных ядер, нельзя представить просто как некие заряженные шарики. Согласно законам электродинамики, если заряженная частица движется по искривленной траектории, т.е. с ускорением, то она должна излучать электромагнитные волны. Именно таким образом, согласно планетарной модели, атом должен излучать свет. Но, в соответствии с законом сохранения энергии энергия электронов должна уменьшаться. Таким образом, электрон, вращаясь вокруг атома, довольно быстро упадет на ядро. Согласно расчетам это должно произойти через одну миллионную долю секунды после образования атома. Но мы знаем - реальные атомы стабильны! По какой же причине стабильны орбиты электронов в планетарной модели? Как связать стабильность атома с планетарной моделью его строения?

Эта проблема была решена молодым английским физиком Нильсом Бором. Важнейшей его заслугой явилось сохранение планетарной модели (красота осталась). Способ, с помощью которого Н. Бор застабилизировал модель атома ни каким образом не следовала из законов классической физики. То, что сделал Н. Бор, явилось фактически гениальной догадкой, счастливым образом подтвердившейся на примере атома водорода и оказавшейся бессильной для всех других атомов. Но она открыла "дверь" в физику микромира, где законы Природы отличаются от привычной для нас формы.

В связи с тем, что идеи Н. Бора нельзя было обосновать на основе известных к тому времени законов физики, но они великолепнейшим образом объясняли все свойства атома водорода в рамках планетарной модели, они были названы постулатами постулат - утверждение, лежащее в основе рассуждения не требующее доказательства.. Суть этих постулатов можно пояснить чрезвычайно просто.

Первый постулат основывается на том, что реальный атом устойчив и постановляет, что, двигаясь по круговой орбите вокруг ядра, электрон не излучает энергии. Почему так происходит, не объясняется, т.к. это постулат. Поскольку электрон не излучает энергии, то он может находиться на орбите сколько угодно долго. В связи с этим такие орбиты названы стационарными. Каждой стационарной орбите соответствует своя определенная энергия. Стационарная орбита с минимальной энергией была названа основной, а все остальные - возбужденными. Стационарной может быть не любая орбита, а имеющая строго определенный радиус.

Второй постулат определяет условие для нахождения радиуса стационарного состояния. Это условие угадано благодаря гениальности ученого, и его доказательством служит правильность объяснения атома водорода. Обычно второй постулат выражается формулой и, в силу ее чрезвычайной важности, приведем ее

. (1)

В этой формуле - масса электрона, - скорость электрона на стационарной орбите, - радиус стационарной орбиты, - величина, называемая постоянной Планка, - номер стационарного состояния. Номер стационарного состояния определяет его энергию и играет очень важную роль в теории. Поэтому он получил специальное название: - названо квантовым числом.

Так как, в соответствии с первым постулатом, на стационарной орбите электрон не излучает и не поглощает энергии, а реальный атом ее излучает, то для наделения модели этим свойством Бор сформулировал третий постулат.

Третий постулат (правило частот) гласит: "Атом излучает (или поглощает) свет при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое". Этот постулат позволил исключительно точно объяснить излучение света атомом водорода, т.е. можно было теоретически рассчитать длину волны любой линии спектра атома водорода. Если из модели Резерфорда перемещение электрона с орбиты на орбиту представляет собой непрерывный процесс, напоминающий спиральное движение, то, согласно Бору, электроны могут находиться только на некоторых, определенных орбитах из их бесконечного числа. Переходя с одной орбиты на другую, электрон меняет свою энергию скачкообразно на вполне конкретную величину, измерение которой дает результат, в точности совпадающий с расчетным.

Слабость теории Бора состояла в том, что она была половинчатой: частично классической (электроны рассматривались как материальные точки), а частично - квантовой (энергия электрона могла изменяться только порциями - квантами).

Оказалось, что истина на пути познания законов Микромира лежит в одном из важнейших концептуальных принципов, который называется корпускулярно-волновым дуализмом свойств. Он проявляется только в микромире и состоит в том, что микрообъекты (кванты света, электроны и т.п.) могут проявлять как свойства частиц, так и свойства волн одновременно. Мы довольно легко можем представить себе как движущуюся частицу, так и распространяющуюся волну. Но представить себе, что-то объединяющее их - это проблема. Оказывается этого и не нужно делать. Суть корпускулярно-волнового дуализма состоит в том, что микрообъект в одних ситуациях проявляет свойства частицы, а в других - свойства волны. Одновременно эти свойства он не проявляет. Причиной такого разделения можно считать ограниченность концепций физики в плане применения исходных базовых моделей. Дело в том, что для описания движения объекта физика использует всего два языка: язык частиц и язык волн. Обыкновенная механика, использующая язык частиц, для материальных объектов, движущихся со скоростями много меньшими скорости света в вакууме, является классической механикой и основывается на постулатах Галилея. Если язык частиц используется для описания движения материальных объектов в случае, когда их скорость сопоставима со скоростью света, то мы имеем дело с релятивистской механикой, основанной на постулатах Эйнштейна. Если для описания движения материального объекта используется язык волн, то мы имеем дело с волновой механикой, называемой также квантовой механикой. Ясно, что самой Природе совершенно безразлично, какой язык использует физика для объяснения наблюдаемого явления. А физика использует тот язык, на котором объяснить наблюдаемое явление и предсказать его поведение при еще не исследованных условиях оказывается проще.

Для пояснения сказанного на примере из окружающего нас макромира проведем следующий мысленный эксперимент. Представим себе, что два студента решили изучать корпускулярно-волновой дуализм у такого физического явления как распространение упругих деформаций в среде. В качестве среды ими выбран длинный резиновый шнур (длина примерно 10 метров, а толщина - 1 сантиметр). Шнур натягивают. Первый студент держит конец шнура в руке, а второй - в зубах. Студенту, держащему конец шнура в зубах завязывают глаза. Первый студент приводит свободный конец шнура в движение. По шнуру распространяется возмущение и достигает через некоторое время второго студента. В этот момент он должен определить, какой к нему прибыл объект: волновой или корпускулярной природы?

Известно классическое определение упругой волны: "Упругой волной называется процесс распространения упругих деформаций в среде". Совершенно ясно, что в случае рассматриваемого мысленного эксперимента мы как раз сталкиваемся с волновыми процессами. Но, если длина волны, характеризующая процесс, соизмерима с длиной шнура, все наблюдаемые явления достаточно просто можно описать, используя развитый для волн математический аппарат. Студент В также четко будет воспринимать движение зажатого зубами конца шнура, как соответствующее волновому процессу.

Но чем быстрее будет двигать свободный конец студент А, тем более короткие волны будут распространятся вдоль шнура. Естественно, для коротких волн человек не может двигать свободный конец. Его сил хватит только на возбуждения однократного колебания - импульса, размер которого в шнуре также можно характеризовать некоторой длиной волны, но теперь она значительно меньше, чем длина шнура. Одиночный волновой импульс, по-прежнему, представляет собой распространение упругих деформаций в шнуре, но восприниматься другим студентом будет как удар некоторого тела. При определенных условиях волновой импульс может даже оторвать голову (эксперимент ведь мысленный!). Рассчитать действие волнового импульса значительно проще на "языке частиц". Можно принять за материальную точку область шнура, занятого импульсом. Умножив массу этой области на скорость распространения импульса, найдем количество движения. Дальше как в школьных задачах об ударе мячика о стенку.

В обоих ситуациях мы имеем один и тот же процесс: распространение упругих деформаций в резиновом шнуре. Описать его можно с помощью двух подходов, в зависимости от соотношения длины волны и размеров пространства, охваченного процессом.

Рассмотренный выше пример должен был помочь понять суть корпускулярно-волнового дуализма. В микромире альтернативность применения "языка частиц" и "языка волн" значительно круче. Так при объяснении выбивания светом электронов с поверхности тел (фотоэффект) волновой подход вообще не позволяет получить правильный результат.

В 1924 г молодой французский физик Луи де-Бройль высказал предположение, что если такой известный "волновой объект" как свет в случае фотоэффекта обладает корпускулярными свойствами, то почему бы, такому "корпускулярному объекту" как электрону при определенных ситуациях не проявлять волновые свойства? При этом для расчета длины волны, соответствующей электрону он предложил использовать формулу Планка, заменив скорость света на скорость электрона. Ясно, что волна, соответствующая электрону должна представлять собой какую-то особую волну и была названа по этому "волной де-Бройля". В принципе этот подход применим для любой микрочастицы. Путем не сложных преобразований получается формула для нахождения длины волны де-Бройля

, (2)

здесь - масса микрочастицы, - ее скорость, h - постоянная Планка.

Если по этой формуле подсчитать длину волны де-Бройля для материального тела или же для свободно движущегося электрона, то получим величину в миллионы раз меньшую, чем их размер. Следовательно, как мы уже представляем на примере мысленного опыта со шнуром, эти движения надо рассматривать на "языке частиц". Это значит, что классической механике гипотеза де-Бройля ни какого вреда не наносит.

Если рассмотреть электрон в атоме, то оказывается, что длина волны де-Бройля соизмерима с размером атома. Поэтому для атома, поведение электрона необходимо рассматривать на "языке волн".

Что дает описание электрона на языке волн, для объяснения свойств атома? Оказывается очень много. Действительно, среди всех волновых процессов выделяются волны, которые называются стоячими. Важнейшим их свойством является отсутствие переноса энергии. Если волны де-Бройля на орбите в атоме являются стоячими, то излучения энергии не будет. Это соответствует стационарным орбитам в модели Н.Бора. Если Н. Бор угадал условие нахождения радиуса стационарных орбит (формула 1), в подходе де-Бройля оно легко поучается само.

Стоячая волна де-Бройля на орбите электрона в атоме

Чтобы волна де-Бройля была стоячей необходимо, чтобы на орбите укладывалось целое число n волн (см. рис.).

. (3)

Если сравнить формулы (1) и (3), то не трудно увидеть, что они одинаковы. Но именно формула (1) позволила объяснить атом водорода, но была лишь счастливой догадкой. Формула (3) не является догадкой, а получается путем расчета. Остается доказать правильность гипотезы де-Бройля экспериментально. И эти доказательства были получены в большом числе опытов. Один из них опыт по интерференции, позволяющий продемонстрировать волновые свойства электрона.

Напомним, что явление интерференции характерно исключительно для волновых процессов. Впервые эксперимент по интерференции света был поставлен английским физиком Томасом Юнгом. Он рассуждал следующим образом: если гребни одной волны в какой-то точке пространства совпадают с гребнями другой волны, то происходит их усиление. Если же гребни одной волны приходятся на впадины другой, то волны гасят друг друга.

Опыт Юнга

В эксперименте Юнга (см. рис.) свет от источника падает на две близко расположенные щели в непрозрачной ширме. Изображения щелей проецируются на экран. Достигая экрана, световые волны накладываются друг на друга в пространстве, взаимно ослабляя и усиливая друг друга, т.е. интерферируют. Результат интерференции зависит от того, как приходят к экрану волны - "в ногу" или "не в ногу". Это, в свою очередь зависит от угла падения волн на экран, следовательно, результат меняется от точки к точке. В итоге мы наблюдаем последовательность серых и темных полос, образующихся в результате взаимного ослабления и усиления волн.

Самое интересное заключается в том, что если заменить источник света источником электронов, а эксперимент проводить в вакууме (электроны сильно поглощаются воздухом) и использовать светящийся под воздействием электронов экран, то мы тоже увидим похожую интерференционную картину. Если бы электроны представляли собой просто маленькие шарики, то можно было бы ожидать, что на экране будут наблюдаться две полоски.

Более того, интерференция электронов будет иметь место, даже если они будут покидать источник по одному. Это значит, что электрон проникает сразу две щели и в принципе невозможно определить, где он находится в данный момент! В квантовой физике само понятие местоположения в пространстве лишено смысла. Источник этой "неприятности" связан с одним фундаментальным правилом квантовой механики, получившим название принципа неопределенности Гейзенберга - в честь одного из создателей квантовой механики, немецкого физика Вернера Гейзенберга. Согласно этому принципу, невозможно одновременно точно определить месторасположение и скорость частицы. Каким бы способом мы не определяли месторасположение электрона, в процессе наблюдения мы неизбежно повлияем на его скорость. И наоборот, измеряя скорость (импульс), мы повлияем на месторасположение.

Однако, невозможность одномоментно определить сразу скорость и месторасположение не является следствием несовершенства измерительной техники. Здесь мы имеем дело с фундаментальным принципом, действующим в природе. Электрон оказывается как бы "размазан" по пространству и скорее можно говорить не о его месторасположении, а о вероятности обнаружения в той или иной точке пространства. Причиной этого является наличие у электронов волновых свойств.

С принципом неопределенности тесно связан т.н. туннельный эффект. Представьте себе муху, летящую прямо на толстое оконное стекло. При всем своем желании муха не способна оказаться по ту сторону стекла, поскольку молекулярные силы, придающие листу прочность, гораздо сильнее, чем "мускулы" мухи. Но электрон в аналогичной ситуации проникает через барьер, созданный силами (полями), которые намного превышают возможности электрона. Когда электрон находится вблизи барьера, уже существует небольшая вероятность того, что он оказался по другую его сторону! Иначе говоря, электрон делокализован в пространстве (или нелокален)! И в основе туннельного эффекта лежат волновые свойства: муха не может проникнуть сквозь стекло, а звук может. Для того, чтобы электрон мог пройти сквозь потенциальный барьер, тот должен пространственно быть достаточно тонким. Основой для применения категорий "толстый" и "тонкий" служит длина волны де-Бройля. Если толщина барьера и длина волны соизмеримы, то значит электрон проявляет свойства волны (вспомним мысленный опыт со шнуром) и есть вероятность обнаружить его по другую сторону барьера, то есть наблюдается туннельный эффект.

Итак, мы выяснили, что микрочастица обладает некоторыми свойствами волны - она имеет длину волны и она нелокальна.

Ядерная энергия, ее мирное и военное применение.

Выше мы уже говорили о том, что атомные ядра (различные изотопы) могут быть стабильными и радиоактивными. Радиоактивными называются ядра, которые самопроизвольно превращаются в ядра других элементов. Процесс превращения сопровождается испусканием радиоактивных лучей. Причина вызывающая превращение ядра кроется в самом ядре и ни какие внешние факторы (давление, температура и химическое состояние атома) на этот процесс не влияют. Достаточно быстро после открытия радиоактивности Резерфордом был установлен состав радиоактивного излучения. Он установил, что излучение состоит из трех компонент: - лучи, -лучи и гамма излучение. - лучи представляют собой поток ядер гелия. При выделении - лучей заряд ядра уменьшается на одну единицу и образуется новое ядро, расположенное в таблице Менделеева слева от распавшегося. -лучи представляют собой поток быстрых электронов, скорость которых приближается к скорости света. Так как электрон заряжен отрицательно, то после выделения электрона заряд ядра увеличивается на единицу и образуется новое ядро, расположенное в таблице Менделеева справа от распавшегося. Гамма-излучение представляет собой электромагнитные волны с очень малой длиной волны, значительно меньше, чем у рентгеновских лучей. В соответствии с корпускулярно-волновым дуализмом (и приводимым выше мысленным опытом) это излучение должно в основном проявлять свойства частиц. Поэтому часто его называют потоком гамма частиц.

Чрезвычайно важно отметить тот факт, что ни - частицы (ядра гелия), ни электроны не входят в состав ядра. Они рождаются при его распаде. Это подобно тому, как звук колокола не входит в его устройство, а рождается колоколом при звучании. Так устроена Природа. Ядра всех элементов состоят только из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Количество протонов определяет заряд ядра и, следовательно, его положение в таблице Менделеева. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Все изотопы данного элемента находятся в одной клеточке таблицы Менделеева. В свою очередь протоны и нейтроны имеют сложное внутреннее строение и процессы в самом ядре чрезвычайно сложны и интенсивны, но анализ их выходит за рамки курса КСЕ. Тем, кому это интересно можно посоветовать обратиться к курсу физики.

Схема деления ядра урана

При рассмотрении опытов Резерфорда мы обратили внимание на чрезвычайно малый пространственный размер ядер. Однако в них содержится необычайно большая энергия, которая уже доступна Человечеству и может использоваться как во вред, так на благо цивилизации.

В 30-х годах XX века было открыты изотопы некоторых тяжелых элементов, которые способны распадаться (делиться) на более крупные, чем ядра гелия, осколки. Наиболее интересная и важная среди таких реакций - это деление урана-235 (235U). Примечательно, что 235U делится крайне редко (относительно устойчив), если его ядро "не трогать". Однако, при столкновении с медленными нейтронами происходит деление этого ядра на два больших осколка (ядра более легких элементов) и еще образуется два - три нейтрона, которые, в свою очередь способны взаимодействовать с соседними ядрами 235U. Последние распадаются точно таким же образом, как и первое ядро. Иначе говоря, в данном случае возможно размножение нейтронов с коэффициентом размножения больше единицы. Каждое деление происходит за время порядка одной микросекунды. В такую цепную реакцию вовлекаются все новые и новые ядра, процесс быстро приобретает лавинообразный характер. В результате, благодаря огромному выделению энергии, может произойти ядерный взрыв.

Устройство ядерной бомбы

Очевидно, что должно существовать некоторое значение массы делящегося изотопа, ниже которого он безопасен, а выше - начинается протекание цепной ядерной реакции, вплоть до взрыва. Такое значение получило название критической массы. Для 235U она составляет около 50 кг.

Принцип действия ядерной бомбы заключается том, что используются несколько фрагментов изготовленных на основе способных к делению изотопов, масса каждого из которых меньше критической. Пока они находятся на достаточном расстоянии друг от друга, коэффициент размножения нейтронов меньше единицы. Срабатывание взрывателя, основанного на обычном химическом принципе, приводит к сближению этих фрагментов, в результате чего начинается цепная ядерная реакция.

Несмотря на то, что устройство ядерной бомбы в своем принципе относительно несложно, ее создание представляет собой весьма трудную техническую проблему. Причиной этого является труднодоступность способных к цепной ядерной реакции изотопов. Единственный делящийся изотоп (это изотоп урана - 235U) природного происхождения встречается только в виде незначительной примеси к неделящемуся изотопу урана (238U). Его выделение (обогащение урана) представляет собой сложнейшую задачу, решенную только в нескольких странах. Это США, Россия, Великобритания, Франция, Китай, к которым в последние годы присоединились также Индия и Пакистан. Под вопросом находится возможность обладания ядерным оружием такими странами, как Израиль и Северная Корея. Распространение ядерного оружия в настоящее время ограничивается рядом международных соглашений.

Ядерная бомба может быть также изготовлена их другого делящегося изотопа - плутония-239 (239Pu). В природе он не встречается, однако может быть выделен из отработанного топлива ядерных электростанций, которое, в свою очередь, изготавливается из 235U. В связи с этим, мирное применение ядерной энергии представляет собой определенную военно-политическую проблему, поскольку всегда существует определенная возможность изготовления "оружейного" плутония из "мирных" ядерных отходов.

Создание ядерного оружия стало поворотным пунктом, как в истории естествознания, так и в мировой истории в целом. Впервые человек получил в свое распоряжение средство, применение которого может вызвать разрушения планетарного масштаба, способные привести не только к гибели цивилизации, но и к уничтожению значительной части биологических видов, вызвать необратимые климатические изменения.

Мощность взрыва самого первого ядерного боезаряда, испытанного в 16 июля 1945 г в пустыне Аламгордо (США) составила 13 килотонн в тротиловом эквиваленте. Насколько это много? Тротиловый эквивалент ядерного заряда - это условная масса обычного взрывчатого вещества (тротила), взрыв которого соответствовал бы по мощности взрыву данного ядерного заряда. Напомним, что 100-200 кг тротила достаточно для уничтожения многоэтажного дома. В случае же ядерных боезарядов счет идет не на килограммы, и даже не на тонны, а на тысячи (килотонны) и миллионы тонн (мегатонны) эквивалентной массы тротила.

Ядерное оружие применялось в истории только дважды. 6 августа 1945 г. (т.е. во время второй мировой войны) авиацией США были сброшены две ядерные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. Их мощность составляла по 15 килотонн в тротиловом эквиваленте. В результате этой бомбардировки погибло более 140 тыс. человек только в первый год и более 200 тыс. остались инвалидами, из которых большая часть - жертвы отдаленных последствий радиоактивного облучения.

По мнению многих военных историков, ядерная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки, хотя и приблизила окончание второй мировой войны, не была вызвана военной необходимостью, а скорее послужила для США средством устрашения Советского Союза. Ставилась цель получения максимального числа жертв среди мирного населения. На момент ядерной атаки в Хиросиме и Нагасаки отсутствовали какие либо воинские подразделения японской армии, причем сами города-объекты нападения были выбраны как ранее не подвергавшиеся налетам авиации, население которых не имело опыта гражданской обороны.

Ниже приведена фотография настоящего ядерного взрыва. Полезно обратить внимание на масштабность этого рукотворного явления. На переднем плане фотографии видна дорога и телеграфные столбы. Сам ядерный взрыв произведен достаточно далеко.

Фотография ядерного взрыва

В Советском Союзе первая ядерная бомба была испытана 29 августа 1949 г., а несколькими годами позже - 12 августа 1953 г - испытана первая в мире термоядерная бомба. Принцип действия термоядерного взрывного устройства заключается в использовании т.н. реакции термоядерного синтеза. Эта реакция протекает между ядрами легких элементов периодической системы, в результате чего образуются ядра более тяжелых элементов. Например, при воздействии очень высоких температур (миллионы градусов) два ядра изотопа водорода 2H (дейтерия) могут превратиться в ядро изотопа гелия (4He). В процессе реакции выделяется огромное количество тепловой энергии, достаточной и для поддержания самой реакции. В то же время, термоядерная реакция не может начаться самопроизвольно, поскольку для этого требуется начальный нагрев реакционной смеси ("поджигание" реакции). С целью такого начального нагрева в термоядерной бомбе используется обычное ядерное взрывное устройство.

Принцип действия термоядерной бомбы

Если обычная ядерная бомба ограничена по мощности, поскольку масса используемого в ней делящегося изотопа не может намного превышать критическую, то величина тротилового эквивалента термоядерного боезаряда теоретически ничем не ограничена. Наиболее мощные бомбы, находящиеся на вооружении стран - членов "ядерного клуба" являются термоядерными.

Самая мощная термоядерная бомба из когда либо испытанных в истории человечества была создана в Советском Союзе в 1961 г. В ходе испытаний, проведенных на полигоне о. Новая Земля, ее мощность оказалась равной 58 миллионам тонн в тротиловом эквиваленте (58 мегатонн).

Взрывная мощь крупнейших ядерных бомб, появившихся в начале 1990-х годов, например советской стратегической ракеты SS-18 (класса "земля-земля"), достигает 20 мегатонн, т.е. в 1540 раз больше по сравнению с бомбой, сброшенной на Хиросиму. В случае ее применения будут разрушены все постройки в радиусе 20-30 км, территория протяженностью еще несколько десятков километров попадет в зону частичных разрушений, а интенсивное радиоактивное заражение местности будет простираться на сотни километров.

Совершенно очевидно, что в ядерной войне, если она произойдет, не может быть победителей. В 90-х годах советские и американские эксперты, независимо друг от друга, произвели оценочные расчеты возможных последствий ядерной войны и получили приблизительно одинаковые выводы. Даже если будет подорвано только около 10% ядерных боеприпасов, в результате взрывов в воздух попадет такое количество пыли, что снижение интенсивности солнечной радиации, попадающей на поверхность земли, приведет к понижению среднегодовой температуры года на десятки градусов. "Ядерная зима" - это низкие отрицательные температуры летом даже в умеренных широтах и на экваторе, гибель большей части наземных экосистем, полное прекращение производства сельскохозяйственной продукции во всем мире.

Однако, по мнению многих военных экспертов и политиков, существование ядерного оружия является не только глобальной угрозой, но и представляет собой стабилизирующий фактор международной политики. Вероятно, в случае его отсутствия в арсеналах ведущих стран мира в XX веке не удалось бы избежать развязывания крупномасштабной третьей мировой войны между Востоком и Западом с применением обычных вооружений. Последствия такой войны, хотя возможно и не привели бы к полной гибели цивилизации, могли бы оказаться гораздо более катастрофичны, чем последствия второй мировой войны.

Другим направлением использования той колоссальной энергии, которая заключена в ядре, являются атомные электростанции, в которых делящееся ядерное горючее заменяет уголь. Выделяющаяся энергия нагревает теплоноситель (обычно воду), а дальше процесс идет как в обычной ТЭЦ: пар вращает турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электроэнергию. Таким образом, основным отличием атомной электростанции от обычной, является конструкция "котла". Принципиальная схема атомной электростанции приведена на рисунке.

Принцип действия атомной электростанции

Основным отличием атомного котла от атомной бомбы состоит в использовании специальных регулирующих стержней, которые поглощают нейтроны, выделяющиеся при делении ядерного горючего. Обычно в качестве таких стержней используется графит. Если стержни полностью погружены в реактор, то цепная реакция прекращается. Котел заглушен. Если стержни удалить из котла, то цепная реакция становится неуправляемой и котел превращается в атомную бомбу. В рабочем режиме автоматика следит за положением стержней, так чтобы ядерная реакция не прекращалась и не выходила из под контроля. При этом область реакции нагревается до высокой температуры (несколько сотен градусов), что достаточно для нагревания воды и превращения ее в пар.

Ядерные электростанции не выбрасывают углекислый газ в атмосферу. Кроме того, если запасов органического топлива хватит еще на 150-200 лет (средняя оценка), то запасов урановой руды - как минимум на 1500 - 2000 лет.

Так, очевидно, что высокий технологический уровень развития ведущих промышленно развитых государств несет в себе не только блага цивилизации, но и повышенную опасность. Существует тревожная тенденция научно-технического развития, заключающаяся в том, что в современных условиях ошибка даже одного или нескольких человек, занятых на высокотехнологичных предприятиях, способна привести к массовой гибели людей и к масштабным отрицательным последствиям экологического характера. Даже в мирное время стали возможны такие катастрофы, как Чернобыле (1986 г), г. Севезо (Италия, 1976 г. - до 1500 погибших при аварии на химзаводе), г. Бхопал (Индия; 1985 г. - 2000 погибших только в первые три дня - также авария на химзаводе).

4-й энергоблок Чернобыльской АЭС. Фотография сделана с вертолета 10 мая 1986 г.

Показателен случай 1984 года во Франции, когда ошибка в работе программного обеспечения компьютера, контролирующего режим плотины водохранилища в долине реки Тари, привела к неожиданному открытию шлюзов. Произошел сброс 2,5 млн. кубометров воды, причинивший немалый урон жителям долины.

Безусловно, применение ядерной энергии в мирных целях является одним из компонентов техногенного риска. Тем более ведение полномасштабной войны обычными вооружениями, например, в центре Европы, где находится большое количество атомных электростанций, крупных химических заводов, вне всякого сомнения, способно привести к ужасающим последствиям.

Однако, возникает вопрос, а надо ли отказываться от атомных электростанций для снижения вероятности повторения событий типа Чернобыльской катастрофы? Это вопрос важен в контексте другой, еще более обширной проблемы - а можно ли отказаться от промышленной реализации достижений естественных наук?

Выше мы привели число жертв только в двух крупных авариях на предприятиях химической промышленности. В сумме это около 3500 человек, погибших непосредственно после аварии.

Число жертв Чернобыльской катастрофы, погибших от лучевой болезни или от ее прямых последствий, составляет 32 человека. Единственным отмеченным на сегодня реальным массовым радиологическим последствием Чернобыля является увеличение заболеваемости раком щитовидной железы среди населения ряда районов России, Белоруссии и Украины. По данным Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина в этих регионах зарегистрировано более 1800 случаев рака щитовидной железы. Однако и в этом случае точное число радиационно обусловленных случаев рака неизвестно, так как значительная доля роста их общего количества обязана более эффективному выявлению таких заболеваний, благодаря предпринятым небывалым по объему мерам диагностики с помощью новейших приборов. Кроме того, из этого числа надо вычесть поправку на естественную смертность от рака щитовидной железы. В итоге, по оценкам специалистов, реальное число жертв Чернобыльских событий составляет около 1000 человек. Эта цифра могла бы быть существенно меньше, если население вовремя предупредили бы о необходимости применять препараты йода, обладающие радиопротекторным действием.

Много это или мало - 1000 человек? Безусловно, это очень много. Смерть даже одного человека - трагедия.

Существуют и другие оценки числа жертв Чернобыля. В прессе иногда появляются цифры порядка 30 и более тыс. человек. Как правило, такие значения получены при подсчете общего числа погибших среди ликвидаторов, без учета причин смерти. Сюда нередко попадают люди, погибшие от несвязанных с радиацией заболеваний, а то и в результате несчастных случаев.

Специалисты отмечают большую тревогу в обществе, вызываемую многочисленными сообщениями о росте различных расстройств здоровья среди ликвидаторов и населения на загрязненных территориях, что обычно рассматривается как последствия облучения в малых дозах. На самом деле, разнообразные отклонения здоровья, которым приписывают радиационную природу, связаны с вредным влиянием множества нерадиационных факторов аварии. К их числу относятся: необоснованное переселение в необжитые места, утрата "малой родины", социальное неблагополучие, неполноценное питание, бытовая и профессиональная неустроенность и постоянно нагнетаемое СМИ состояние длительного стресса, вызванного неоправданным ожиданием массовой онкологической заболеваемости и страшных генетических последствий.

И все же, если взять даже завышенную оценку числа жертв Чернобыльской катастрофы - 30 тыс. человек, то эта оценка сильно уступает другим последствиям деятельности человека, которых можно было бы избежать.

По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно только из-за курения умирает 4,9 миллиона человек, причем по некоторым прогнозам, в ближайшие 20 лет число жертв курения может удвоиться.

Продолжает оставаться малоизвестным тот факт, что обычные тепловые электростанции выбрасывают больше радиоактивных загрязнений, чем ядерные, если последние, разумеется, работают в безаварийном режиме. Это происходит за счет того, что в твердом топливе всегда содержится некоторое количество естественных радиоактивных примесей, которые обычно попадают в атмосферу вместе с продуктами сгорания, несмотря на применение пылеулавливающих технологий (если таковые вообще применяются).

В составе продуктов сгорания обычных тепловых электростанций также всегда содержатся канцерогенные вещества (бензапирен, полиароматические углеводороды); их воздействие на человека увеличивает вероятность заболевания раком. Соответствующий рост заболеваемости и смертности в окрестностях электростанций вроде бы невелик - десятые и сотые доли процента, однако в масштабах Европы, например, этот рост приводит к десяткам тысяч дополнительных смертей.

Работа электростанций и других производств, связанных с сжиганием органического топлива, является основным источником поступления углекислого газа в атмосферу, содержание которого в последние 70 - 100 лет мирового промышленного развития выросло приблизительно на 30%. Следствием роста концентрации CO2 является т.н. парниковый эффект, в результате которого теплоотдача земной поверхности за счет инфракрасного излучения в космическое пространство уменьшается и происходит ее разогрев.

Большинство специалистов уверено, что именно парниковый эффект послужил причиной наблюдающегося в последние годы глобального потепления, оцениваемого по среднегодовым температурам величиной около 0,5С. По-видимому, в ближайшие 70-100 лет неизбежно дальнейшее повышение среднегодовой температуры еще на 2С, что приведет к дестабилизации климата, таянию полярных льдов, повышению уровня мирового океана. В результате могут оказаться затопленными значительные территории с населением в сотни миллионов человек. Климат станет более континентальным; а это значит, что, несмотря на потепление, во многих регионах зимы будут более морозные. Сократятся территории, занятые под сельскохозяйственное производство.