— Не обязательно вечно, — возразил отец Паулини, которому явно не понравилось непослушание со стороны простых электронов. — У вас всегда есть шанс быть уничтоженным и прекратить существование.
— Б-б-быть уничтоженным? — повторил мистер Томпкинс, чувствуя, как по спине у него ползут мурашки. — Но я всегда думал, что электроны вечны!
— Физики тоже так думали вплоть до недавнего времени, — согласился отец Паулини, явно забавляясь эффектом, произведенным его словами, — но подобная точка зрения оказалась не вполне верной. Электроны могут рождаться и умирать, как люди. Разумеется, электрон не может умереть от старости, она наступает при столкновениях.
— Но я пережил столкновение лишь недавно, и, должен вам сказать, претяжелое это было столкновение, — сказал мистер Томпкинс, вновь обретая некоторую уверенность. — Если и такое столкновение не вывело меня из строя, то каким же оно должно быть, чтобы уничтожить меня?
— Вопрос не в том, как сильно вы сталкиваетесь, — поправил мистера Томпкинса отец Паулини, — а в том, с кем вы сталкиваетесь. В своем недавнем столкновении вы, вероятно, наскочили на другой отрицательно заряженный электрон, очень похожий на вас. Такие столкновения не таят в себе никакой опасности. Вы, электроны, можете сталкиваться друг с другом сколько угодно, как два барана, это не причинит никому из вас ни малейшего вреда. Но существует другая разновидность электронов — положительные электроны, лишь сравнительно недавно открытые физиками. Эти положительно заряженные электроны, или позитроны, выглядят в точности так же, как вы, с тем лишь отличием, что их электрический заряд положителен, тогда как ваш отрицателен. При виде приближающегося к вам позитрона вы полагаете, что перед вами один из невинных ваших соплеменников и устремляетесь навстречу, чтобы приветствовать его. Но тут вы внезапно ощущаете, что встречный электрон не отталкивает вас слегка, чтобы избежать столкновения, как это сделал бы любой нормальный электрон, а притягивает вас к себе и тогда сделать что-нибудь поздно.
— Ужасно! — воскликнул мистер Томпкинс. — И сколько несчастных обычных электронов может поглотить один позитрон?
— К счастью, только одного, поскольку уничтожая отрицательно заряженный электрон, позитрон гибнет и сам. Позитроны можно описать как членов клуба самоубийц, ищущих партнеров по взаимоуничтожению. Они не причиняют вреда друг другу, но стоит лишь какому-нибудь отрицательно заряженному электрону встретиться им на пути, как шансов уцелеть у него очень мало.
— К счастью, до сих пор мне не попадались эти чудовища, — произнес мистер Томпкинс, на которого слова отца Паулини произвели сильное впечатление. — Надеюсь, они не слишком многочисленны?
— Не слишком. По той простой причине, что всегда ищут себе неприятностей и погибают вскоре после рождения. Впрочем, подождите минуточку, я, кажется, смогу показать вам один позитрон, — продолжал отец Паулини после короткой паузы. — Если вы внимательно вглядитесь вон в то ядро, то увидите, как рождается один из позитронов.
Атом, на который указывал отец Паулини, претерпевал сильное электромагнитное возмущение из-за упавшего на него извне сильного излучения. Возмущение было гораздо более сильным, чем то, которое выбило мистера Томпкинса из атома хлора, и семейство атомных электронов, окружавших ядро, было рассеяно и унесено прочь, как сухие листья ураганом.
— Вглядитесь внимательно в ядро, — сказал отец Паулини, и, сосредоточив все свое внимание, мистер Томпкинс увидел необычное явление, происходившее в глубинах разрушенного атома. Вблизи ядра, в глубине внутренней электронной оболочки, две смутные тени постепенно обретали все более отчетливые очертания, и секундой позже мистер Томпкинс увидел два блестящих, новеньких с иголочки электрона, с огромной скоростью разлетающихся от места своего рождения.
— Но я вижу две частицы, а не одну, — сказал мистер Томпкинс, захваченный открывшимся ему зрелищем.

— Совершенно верно, — согласился отец Паулини. — Электроны всегда рождаются парами, иначе рождение электронов противоречило бы закону сохранения электрического заряда. Одна из этих двух частиц, родившихся под действием сильного гамма-излучения на ядро, — обычный электрон с отрицательным зарядом, другая частица — электрон с положительным зарядом, или позитрон-убийца. Теперь он рыщет по пространству в поисках жертвы.
— Ну что ж, — задумчиво произнес мистер Томпкинс, — если рождение каждого позитрона, которому на роду написано стать убийцей электрона, сопровождается рождением одного обычного электрона, то дела обстоят не так уж плохо. По крайней мере не приходится опасаться за исчезновение электронного племени, и я…
— Осторожно! — прервал мистера Томпкинса отец Паулини, отталкивая своего собеседника в сторону, в то время как новорожденный позитрон со свистом пронесся в каком-нибудь дюйме от них. — Нужно все время быть начеку, когда эти убийственные частицы находятся где-то поблизости. Но, простите, я слишком задержался, беседуя с вами, и меня ждут другие дела. Мне необходимо навестить милых моему сердцу нейтрино …
И отец Паулини исчез, оставив мистера Томпкинса в неведении относительно того, что такое нейтрино и следует ли их опасаться. Лишившись духовного отца, мистер Томпкинс почувствовал себя еще более одиноким, чем прежде, и всякий раз, когда на его долгом пути через пространство; к нему приближался тот или иной соплеменник-электрон, в сердце мистера Томпкинса начинала теплиться надежда на то, что под невинной внешностью может скрываться сердце убийцы. Время тянулось нестерпимо медленно (мистеру Томпкинсу казалось, что прошло несколько столетий), а его надеждам и чаяниям все никак не суждено было сбыться, и мистеру Томпкинсу не оставалось ничего другого, как исполнять скучные обязанности электрона проводимости.
Все произошло совершенно неожиданно, когда мистер Томпкинс менее всего рассчитывал встретить позитрон. Ощущая острую потребность побеседовать с кем-нибудь, даже с каким-нибудь глупым электроном проводимости, он приблизился к частице, медленно пролетавшей мимо и явно бывшей новичком в данной части медной проволоки. Но даже на расстоянии мистер Томпкинс понял, что ошибся в выборе собеседника и что неодолимая сила притяжения увлекает его, не давая отступить ни на шаг. Какой-то миг он пытался бороться и вырываться, но расстояние между ним и другой частицей все сокращалось, и мистеру Томпкинсу показалось, что он уже видит торжествующую улыбку на лице своего противника.
— Пустите меня! Пустите меня немедленно! — закричал мистер Томпкинс во весь голос, изо всех сил отбиваясь руками и ногами. — Я не хочу аннигилировать! Я хочу вечно проводить электрический ток!
Но все было тщетно, и окружающее пространство внезапно озарилось ослепительной вспышкой сильнейшего излучения.
— Итак, меня больше нет, — подумал мистер Томпкинс, — но как же в таком случае я могу мыслить? Может быть аннигилировало только мое тело, а душа моя улетела на квантовые небеса?
Тут он ощутил новую силу, на этот раз действовавшую мягче, которая твердо и решительно трясла его. Открыв глаза, мистер Томпкинс увидел перед собой университетского служителя.
— Простите, сэр, — сказал тот, — но лекция уже давно закончилась и нам нужно закрыть аудиторию.
Мистер Томпкинс с трудом подавлял зевоту и чувствовал себя весьма неловко.
— Спокойной ночи, сэр, — пожелал ему служитель с сочувственной улыбкой.
Глава 10 1/2
Часть предыдущей лекции, которую проспал мистер Томпкинс
В 1908 г. английский физик Джон Дальтон открыл закон кратных отношений. Он показал, что относительные пропорции различных химических элементов, необходимых для образования более сложных химических веществ, всегда могут быть выражены как отношения целых чисел и объяснил свой закон тем, что все сложные химические вещества состоят из различного числа частиц, соответствующих простым химическим элементам. Безуспешные попытки средневековой алхимии превратить один химический элемент в другой служат еще одним доказательством кажущейся неделимости мельчайших частиц вещества, которые без особых колебаний были названы своим древнегреческим именем — атомы. Данное единожды, это название закрепилось, и хотя теперь твердо установлено, что атомы Дальтона отнюдь не неделимы и в действительности состоят из большого числа более мелких, субатомных частиц, обычно мы предпочитаем закрывать глаза на филологическую непоследовательность этого названия.
Итак, то, что в современной физике принято называть атомами, отнюдь не является элементарными и неделимыми составными частями материи, о которых говорил в своих умозрительных построениях Демокрит, и термин «атом» был бы более обоснован применительно к более мелким субатомным частицам, таким как электроны и протоны, из которых состоят атомы Дальтона. Но такое изменение терминологии породило бы слишком большую путаницу, и ни один физик не заботится особенно о филологической непоследовательности существующей ныне терминологии. Поэтому мы употребляем старое название «атомы» в том же смысле, в каком его употреблял Дальтон, а электроны, протоны и другие субатомные единицы материи называем элементарными частицами .
Это название свидетельствует о том, что в настоящее время мы считаем эти субатомные частицы действительно элементарными и неделимыми в смысле Демокрита, и вы, естественно, можете спросить у меня, не повторится ли история и не выяснится ли в ходе дальнейшего развития современной физики, что так называемые элементарные частицы в действительности обладают весьма сложной внутренней структурой. Мой ответ состоит в том, что хотя нет абсолютной гарантии, что ничего такого не произойдет, имеются достаточно веские основания полагать, что на этот раз мы не ошиблись. Действительно, существуют девяносто две разновидности атомов (соответствующие девяносто двум различным химическим элементам), и каждый такой атом обладает весьма сложными характерными свойствами. В подобной ситуации само собой напрашивается упрощение — стремление свести сложную картину к более простой. С другой стороны, в современной физике известны лишь несколько различных типов элементарных частиц: электроны (отрицательно и положительно заряженные легкие частицы), нуклоны (заряженные или нейтральные тяжелые частицы, известные под названием протонов и нейтронов ) и, возможно, так называемые нейтрино , природа которых полностью не выяснена.
Свойства этих элементарных частиц чрезвычайно просты, и дальнейшее деление материи не приведет к сколько-нибудь существенному упрощению. Кроме того, как вы понимаете, всегда необходимо иметь несколько элементарных понятий, с которыми можно было бы играть, если вы хотите построить нечто более сложное. Два или три таких элементарных понятия — отнюдь не много. Я считаю, что вы можете спокойно поставить последний доллар, держа пари, что элементарные частицы современной физики останутся достойными своего названия.
Но вернемся к вопросу о том, каким образом атомы Дальтона построены из элементарных частиц. Первый правильный ответ на этот вопрос был дан в 1911 г. знаменитым британским физиком Эрнестом Резерфордом (впоследствии Резерфорд лорд Нельсон). Резерфорд исследовал строение атома, бомбардируя различные атомы быстро движущимися крохотными снарядами, известными под названием альфа-частицы , испускаемыми при распаде радиоактивных элементов. Наблюдая за отклонениями (рассеянием) снарядов после прохождения кусочка материи (листочка фольги), Резерфорд пришел к выводу, что все атомы должны обладать очень плотной положительно заряженной сердцевиной (атомным ядром), окруженной гораздо более разреженным отрицательно заряженным облаком (атомной атмосферой). Ныне мы знаем, что атомное ядро состоит из определенного числа протонов и нейтронов, известных под собирательным названием нуклонов. Нуклоны тесно связаны между собой сильными силами сцепления. Атомная атмосфера состоит из различного числа отрицательно заряженных электронов, которые роем окружают атомное ядро под действием электростатического притяжения его положительного заряда. Число электронов, образующих атомную атмосферу, определяет все физические и химические свойства атома и изменяется вдоль естественной последовательности химических элементов от одного электрона (для водорода) до девяносто двух электронов (для самого тяжелого из известных элементов урана).
Несмотря на кажущуюся простоту атомной модели Резерфорда, ее детальный анализ оказался далеко не простым. Действительно, согласно одному из наиболее глубоко укоренившихся представлений классической физики, отрицательно заряженные электроны, обращаясь вокруг атомного ядра, должны терять свою энергию в виде испускаемого ими излучения (света). Как показывают вычисления, из-за постоянных потерь энергии все электроны, образующие атомную атмосферу, должны были бы за ничтожно малую долю секунды упасть на ядро. Это, казалось бы, вполне здравое рассуждение классической теории находится в резком противоречии с тем эмпирическим фактом, что атомные атмосферы очень стабильны и атомные электроны не падают на ядро, а бесконечно долго кружатся роем вокруг центрального тела. Таким образом, между основными представлениями классической механики и эмпирическими данными относительно механического поведения крохотных составных частей мира атомов возникает глубокое противоречие. Размышления над этим противоречием привели известного датского физика Нильса Бора к заключению, что классическая механика, на протяжении столетий претендовавшая на особое незыблемое положение в системе естественных наук, должна отныне рассматриваться как ограниченная теория, применимая к макроскопическому миру повседневного опыта, но утрачивающая силу при попытке применить ее к гораздо более тонким типам движения происходящего внутри различных атомов. В качестве пробного фундамента новой обобщенной механики, применимой и к движению крохотных подвижных частей атомного механизма, Бор предложил гипотезу о том, что из всего бесконечного разнообразия типов движения , рассматриваемых в классической механике, в природе реализуется только несколько специально выбранных типов . Эти разрешенные типы движения (называемые также разрешенными траекториями, или орбитами) отбираются в соответствии с определенными математическими условиями, известными под названием условий квантования в теории Бора. Я не стану входить здесь в подробное обсуждение этих условий квантования, но хочу лишь упомянуть об одном обстоятельстве: все эти условия выбраны таким образом, что налагаемые ими ограничения не имеют практического значения в тех случаях, когда масса движущейся частицы во много раз больше масс, с которыми мы встречаемся в структуре атома. Следовательно, применительно к макроскопическим телам новая микромеханика приводит к тем же результатам, что и старая классическая теория (принцип соответствия ) и только при переходе к микроскопическим атомным механизмам разногласия между старой и новой теориями становятся существенными. Не вдаваясь в детали, я хочу удовлетворить ваше любопытство и продемонстрировать строение атома с точки зрения теории Бора, а именно схему расположения квантовых орбит в атоме по Бору (первый слайд, пожалуйста!). Вы видите (см. рис. на с. 163), разумеется, в сильно увеличенном масштабе, систему круговых и эллиптических орбит. Они представляют единственно «разрешенные» условиями квантования Бора типы движений для электронов, образующих атомную атмосферу. В то время как классическая механика разрешает электрону двигаться на любом расстоянии от ядра и не накладывает ограничений на эксцентриситет (т. е. на удлинение, или вытянутость) орбиты, разрешенные орбиты в теории Бора образуют дискретное множество с вполне определенными характерными размерами. Числа и латинские буквы, стоящие у каждой орбиты, указывают название соответствующей орбиты в общей классификации. Вы можете, например, заметить, что большие числа соответствуют орбитам с большими диаметрами.

Хотя предложенная Бором теория строения атома оказалась необычайно плодотворной для объяснения различных свойств атомов и молекул, основное понятие — дискретная квантовая орбита — оставалось весьма неясным, и чем глубже физики пытались вникнуть в анализ столь необычного ограничения классической теории, тем более неясной становилась общая картина.
Наконец, физики осознали, в чем именно заключается слабая сторона теории Бора: вместо основательной перестройки классической механики теория Бора просто наложила ограничения на ее результаты, введя дополнительные условия, в принципе чуждые всей структуре классической теории.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21