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

Почему мы не можем видеть свет?

Океанские волны могут нести на себе серферов со скоростью до 40 км/ч, а свет гораздо более скор на ногу – в 27 млн раз, если быть точным[149]. Он может покрыть расстояние в 300 000 км (семь раз обогнуть экватор) за секунду. Так что достичь Земли от Солнца для него – дело восьми минут. Вот почему мы не можем видеть движение света в пространстве так, как переливы волн на воде. Вдобавок свет имеет микроскопическую природу. В видимом спектре каждая световая волна имеет длину всего несколько сотен нанометров (в несколько тысяч раз больше, чем обычный атом), поэтому наши шансы увидеть воочию световую волну в буквальном смысле исчезающе малы[150].

А как насчет фотонов? Если свет состоит из них, почему мы не можем их видеть? И вот здесь мы вступаем в область сюрреалистического, как в сказке про Алису в Стране чудес, в мир квантовой теории – таинственных идей, которые помогают нам понять, что на самом деле происходит на субатомном уровне. Оказывается, фотоны тоже ничтожно малы и не имеют массы. Это чистая энергия. Высчитать, какой энергией обладает один фотон, несложно (хотя эта величина будет различаться в зависимости от цвета светового луча). Например, гелий-неоновый лазер испускает устойчивый поток красных фотонов, и энергия каждого из них составляет примерно 0,0000000000000000003 Дж[151]. Обычная электрическая лампочка обычного карманного фонарика излучает примерно два квинтиллиона (2 000 000 000 000 000 000) фотонов в секунду[152]. Как можно вообразить такое число? Представьте себе, что каждый человек, живущий на Земле, имел бы внутри себя 300 млн своих маленьких «копий». Сложите общее число «копий» на планете, и вы получите количество фотонов, которое испускает каждую секунду электрическая лампочка. Представив себе примерную ширину луча, можно получить приблизительное представление о размере фотона: каждую секунду в нем находится в 300 млн раз больше фотонов, чем людей на Земле.

Почему дома становятся такими светлыми и яркими?

Из главы 2 мы узнали, что энергия не возникает ниоткуда и не исчезает никуда. Поскольку свет – разновидность энергии, из закона сохранения энергии следует, что он тоже должен возникать из чего-то, откуда-то должна появляться энергия, которую он переносит. Источник света может быть любым: факел, старая восковая свеча, спрятанная давным-давно на случай перебоев с электричеством и найденная под мойкой, или современная экономичная неоновая лампа.

Откуда же берется свет? Он возникает из атомов. Как мы уже видели ранее, атом – мельчайшая частица материи, основная масса которой сосредоточена в ядре, состоящем из протонов и нейтронов. На периферии атома находятся легкие частицы – электроны. Их обычно столько же, сколько и протонов[153]. Чтобы представить себе электроны, которые вращаются вокруг атомного ядра по своим орбитам, представьте себе, что эти орбиты – поперечные срезы головки лука. Но в целом картинки строения атомов, которые мы рисуем (или видим), можно считать правдивыми только с большой натяжкой. Как рассказывает в своей книге об истории деления атома Брайан Кэткарт, ядро атома сравнимо по размерам с «мухой в кафедральном соборе» или с фасолиной в центре футбольного поля[154].

Забудем на секунду мух, фасоль и футбол и сосредоточимся на электронах, которые заполняют в атоме пустое пространство. Если атому сообщить некоторую энергию, он «возбудится». При этом один или несколько электронов, двигающихся по удаленным от ядра орбитам, «перепрыгивают» на еще более далекие от ядра орбиты. Теперь, чтобы «вытолкнуть» электрон еще дальше, нужна дополнительная энергия (так же, как вам нужна энергия, чтобы подниматься по приставной лестнице и удаляться от земли). Так атом поглощает энергию извне. Как и люди на приставных лестницах, которым не нравится шататься наверху и которые стараются побыстрее спуститься, атом хочет поскорее вернуться в первоначальное состояние, называемое стабильным. К сожалению, он может достичь этого, только отдав энергию, которую поглотил (можете сравнить его с грабителем, который старается побыстрее закопать добычу). Атом совершает это, «выбрасывая» фотон света примерно через наносекунду (миллиардная доля секунды) после того, как поглотил порцию энергии. После этого электрон внутри него занимает первоначальную орбиту. Именно тогда и возникает свет: атомы поглощают энергию (из тепловых или электрических источников), становятся неустойчивыми и «выбрасывают» свет. Почти любой свет возникает в ходе подобного простого процесса, который называется спонтанной эмиссией (излучением).

▲ Как атомы производят свет. Предположим, вы решили нагреть железный брусок на огне до красноты. Почему железо краснеет? Его атомы поглощают тепловую энергию от огня. Каждый атом при этом становится «возбужденным» и выталкивает свои электроны на более высокоэнергетические орбиты. «Возбужденные» атомы становятся неустойчивыми и стремятся вернуться в первоначальное состояние примерно через наносекунду. Для этого они «выбрасывают» поглощенную (изначально в виде тепла) энергию в виде фотонов – частиц видимого света. В случае с железом фотоны имеют красный цвет, поэтому нагретый железный брусок краснеет.

Солнечный свет

Откуда берется теплый солнечный свет в погожий день? Всего около 8,5 минуты назад он находился на поверхности Солнца, за 150 млн км от Земли. По сути, солнечный свет – очень успешный экспортный продукт, производимый ядерными фабриками в глубинах космоса. Миллиарды лет Солнце бурлит ядерными реакциями, в ходе которых атомы водорода превращаются в атомы гелия, выделяя колоссальные объемы энергии. Эта энергия, рожденная термоядерным синтезом, возбуждает атомы и заставляет их излучать огромное количество света, включая ультрафиолет, который обжигает кожу, и видимый свет, который освещает улыбки ваших друзей. Задумайтесь: слова, которые вы сейчас читаете, были некоторое время назад парой атомов, которые слились в синтезе на Солнце[155].