Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

Мать и сын купили коротковолновую ультрафиолетовую лампу, начитались материалов о минералогических изысканиях и с тех пор каждый вечер выходили на окрестные холмы в поисках урана. Эта новость стала известна, и в течение нескольких месяцев Комиссия была завалена заявлениями о присоединении к проекту[88].

В феврале 2014 года 13-летний английский школьник Джейми Эдвардс стал первым человеком в мире, который добился реакции ядерного синтеза (когда более мелкие атомы соединяются в более крупные). Деньги на счетчик Гейгера Джейми сэкономил из рождественских подарков[89]. Джозеф Томсон гордился бы им.

Нестабильные атомы, например радиоактивного урана, распадаются, создавая более стабильные изотопы. Но это не единственный вид изменений, который могут претерпевать атомы. Четвертый вид научных доказательств их существования дал науке убедительные свидетельства того, что они не только содержат более мелкие частицы – такие как электроны, – но и у них имеется своя сложная внутренняя структура.

Человеком, который «разделил атом», считается новозеландец Эрнест Резерфорд. Но на самом деле честь первооткрывателя принадлежит множеству ученых, которые «возились» с атомной проблемой в первые 20 лет XX столетия.

Резерфорд широко известен своим выдающимся экспериментом, который он провел в Манчестере в 1910 году вместе со своими двумя молодыми ассистентами: Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом. Направляя положительно заряженные частицы атомов гелия на золотую фольгу, экспериментаторы увидели, что большинство из них прошло мимо атомов золота без ущерба для себя, некоторые (примерно 1 частица из 8000) отклонялись под невероятными углами, а отдельные вообще отклонились назад в том направлении, из которого исходили. Резерфорд был поражен. Он заявил, что у него создавалось ощущение, «будто он стреляет 300-миллиметровым снарядом по листу бумаги, а снаряд возвращается и попадает в него». Для нас объяснение уже вполне очевидно. Положительно заряженные частицы гелия попадали в положительно заряженное ядро атомов золотой фольги, которое отталкивало их назад (или «рассеивало», как говорят ученые), как это происходит между одноименными полюсами магнита.

▲ Старый способ разделения атома. Эрнест Резерфорд обстреливал альфа-частицами (атомами гелия) золотую фольгу и наблюдал за результатами. Большинство частиц прошли сквозь фольгу, не претерпев особых изменений. Некоторые отклонились под очень большими углами. Одна или две частицы практически вернулись назад по первоначальной траектории. Из этого Резерфорд сделал вывод, что атомы золота состоят из ядра, окруженного преимущественно пустым пространством, в котором разбросаны электроны. Ученому удалось с высокой точностью вычислить размеры ядра атома золота.

▲ Новый способ разделения атома. Когда протоны сталкиваются с большой скоростью в Большом адронном коллайдере, принадлежащем европейской организации ЦЕРН[90], то создается еще более 10 других частиц, которые оставляют свои следы на фотографии[91].

Точные и изящные эксперименты Резерфорда позволили раскрыть потрясающую тайну строения атомов. В основном внутри них находится пустое пространство, а значительная часть их массы заключена в положительно заряженном ядре, вокруг которого вращаются в облаках «пустоты» электроны.

Сегодня делением атомов уже никого не удивишь. Современные последователи Резерфорда в искусстве «ускорения» частиц добились деления атомов на частицы, а тех, в свою очередь, на еще более мелкие элементарные частицы. Мы знаем десятки элементарных субатомных частиц, от старых друзей вроде протонов и нейтронов до новых (и очень трудно уловимых) бозонов Хиггса, за которыми ученые охотятся десятилетиями, а человечество тратит на это миллиарды евро, вложенных, в частности, в огромный ускоритель, построенный недавно под Женевой: Большой адронный коллайдер (БАК)[92].

А ведь для того чтобы разделять атомы, не нужно особых затрат времени и денег. Вплоть до недавнего времени большинство из нас занималось этим каждый вечер дома в гостиной. Старые телевизоры с катодными трубками работают на принципе нагревания специальных металлических элементов, которые излучают пучки электронов (исторически за ними закрепилось название «катодные лучи»), которые разгоняются по специальным стеклянным трубкам и с помощью магнитов направляются на покрытый фосфоресцирующим составом экран, высвечивая на нем изображение.

Что служит топливом для топлива?

Чтобы сблизить атомы, нужно приложить действительно большие усилия. И чем сильнее вы их сближаете, тем это труднее. Если с достаточной силой сжать пар, можно получить воду. Если сжимать ее дальше, то можно получить лед. Если точно так же постепенно сжимать необозримое множество атомов углерода, водорода и кислорода, то в конце концов можно получить необходимые нам нефть, каменный или древесный уголь. Заключенная в этом топливе энергия, которую вы высвобождаете, когда сжигаете эти субстанции, является как раз той самой энергией, которая пошла на сближение в них атомов для создания молекул углеводорода. Изготавливать это топливо своими руками бессмысленно: нам вернулось бы ровно столько энергии, сколько мы в него вложили. К счастью, топливо для нас создает природа: энергия Солнца, естественных сжатий и естественного тепла внутри Земли. Так что мы получаем энергию от природы, не прикладывая усилий к ее производству.

То, что верно для молекул, верно и для атомов. Теоретически вы можете создать атом, объединив в пространстве его составляющие (протоны, нейтроны и электроны). Для этого потребуется гигантское количество энергии, но вы сможете получить ее обратно. Этот процесс мы называем ядерным синтезом (здесь атомы создаются из своих составных частей). Аналогичным образом, только разделив атомы, вы можете добиться высвобождения колоссального объема энергии. Никто не подозревал ни о чем подобном до начала XX века. Первый ключ к разгадке этой великой тайны природы подобрал Альберт Эйнштейн, когда в 1905 году сформулировал свое бессмертное уравнение Е = mc². Скорость света – это огромное число (300 000 000, а точнее 299 792 458 м/с), а скорость света в квадрате и вовсе невообразима (90 000 000 000 000 000 м²/c²). Так что даже небольшая масса (m) создаст гигантское количество энергии (Е). Всё это звучит достаточно сухо и абстрактно до тех пор, пока вы не вспомните эффект, произведенный первым высвобождением ядерной энергии. Две относительно небольшие (около 3 м в длину) атомные бомбы в 1945 году стерли с лица земли города Хиросиму и Нагасаки. Такой вариант высвобождения атомной энергии называется расщеплением ядра (при этом происходит деление атома). Через 50 лет после тех трагических событий многие из нас используют электроэнергию, которую вырабатывают электростанции путем разделения атомов. Разве это не удивительно!