Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты
Что же касается количества атомов в молекуле, оно может быть разнообразно, например, в молекуле воды их всего три. Но это не предел – в составе молекулы ДНК их миллиарды!
№ 66
Электроны пляшут! Ядро и оболочки атома
Как вы уже знаете, еще в конце XIX века Дж. Томсон выделил в составе атома еще более мелкие частички – электроны. У каждого атома есть ядро и оболочка. Ядро образуют нейтроны и протоны (о них разговор у нас впереди), а оболочка составлена из электронов – поэтому ее именуют еще электронным облаком. Почему атом не разваливается? Почему все его «составные части» не разлетаются в разные стороны? Дело в том, что ядро за счет содержащихся в нем протонов имеет положительный заряд, а у электронов он отрицательный.
Соответственно, ядро и оболочка притягиваются друг к другу, но не склеиваются намертво по причине того, что электроны находятся в постоянном движении, как бы водят хоровод вокруг атомного ядра. Сам же атом в итоге остается электрически нейтральным, так как протоны и электроны уравновешивают друг друга.
№ 67
Загадочный Икс. Что такое «рентгеновский луч»?
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) совершил очередной переворот в науке. Он ставил опыты с так называемой катодной трубкой (баллон с двумя электродами) и обнаружил лучи, которые обладали способностью пронизывать практически все предметы, которые взволнованный исследователь помещал в поле их действия: доски, листы картона, алюминиевые пластины… Но самым удивительным было то, что, вытянув руку между источником лучей и световым экраном, Рентген смог во всех подробностях рассмотреть скелет кисти.
Открытые лучи исследователь назвал «Х-лучами», желая таким образом подчеркнуть их необычность и загадочность. Опубликовав несколько работ, которые, впрочем, не раскрыли окончательно природу загадочного «Икса», Рентген занялся другими исследованиями. А суть открытия пояснили в 1912 году физики Вальтер Фридрих (1883–1968) и Пауль Книппинг (1883–1935). Их вывод был таков: рентгеновские лучи – не что иное, как электромагнитные колебания, во многом схожие с обычным светом, но обладающие значительно большей частотой и меньшей длиной волны. Этим и объясняются их удивительные свойства.
«Х-лучи» имели (и имеют до сих пор!) огромное значение для медицины, физики, техники. Диагностика заболеваний, борьба с контрабандой, экспертиза произведений искусства – во всех этих областях с рентгеновскими лучами связано немало интересных историй. В начале ХХ века изобретение Рентгена активно использовалось для проверки военной техники и качества материалов.
В 1901 году Вильгельм Рентген стал первым в истории Нобелевским лауреатом в области физики
Рентгенография применяется для диагностики
№ 68
Невидимая, удивительная, мощная. Открытие радиоактивности
Не всегда слово «радиация» следует воспринимать негативно. Радиация в широком смысле – это распространение в пространстве энергии в виде волн и частиц. Ведь само слово в переводе с латыни означает просто «сияние»! Обычное тепловое, ультрафиолетовое или световое излучение тоже, по большому счету, является «радиацией». Наиболее опасно так называемое ионизирующее радиоактивное излучение, которое вызывает разрушение белка, гибель клеток и их злокачественное перерождение. И в целом в науке и повседневной жизни принято называть «радиацией» именно ионизирующее излучение, хотя по сути это не совсем верно.
Радиоактивностью же именуется способность веществ источать ионизирующее излучение. Радиоактивность может быть естественной и искусственно созданной при помощи разнообразных реакций.
К категории ионизирующих излучений принято относить альфа-, бета-, гамма-излучение. Последнее наиболее опасно, и, что интересно, главным источником этого излучения является Солнце. Но от агрессии светила Землю защищает слой атмосферы – опасные лучи не достигают земной поверхности.
В 1898 году супружеская пара исследователей – Пьер Кюри (1859–1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) обнаружили особые свойства тория, а чуть позднее выделили новые химические элементы – полоний и радий. Их друг и единомышленник Антуан Беккерель (1852–1908) занимался исследованиями урана. Обнаруженную способность вещества быть источником излучения они и назвали радиоактивностью. Этому открытию было суждено сыграть огромную роль в истории ХХ века.
Мария Склодовская-Кюри стала первой и пока единственной женщиной – дважды Нобелевским лауреатом в истории
Чтобы получить 0,01 грамма радия, Мария Кюри за четыре года вручную перемыла 8 тонн урановой руды.
№ 69
Иногда они распадаются. Радиоактивный распад
Эрнест Резерфорд в ходе своих опытов предполагал, что радиоактивность связана с распадом атомов, если точнее – с распадом атомных ядер. Во время этого процесса происходит активный выброс излучения.
В начале ХХ века в Великобритании было проведено несколько исследований, которые приблизили человечество к пониманию того, что представляет собой процесс ядерного распада и какие страшные силы таятся в этом явлении, которое даже невозможно рассмотреть невооруженным глазом!
Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди (1877–1956) в своей статье «Теория радиоактивных превращений» заявили: даже если радиоактивный элемент на первый взгляд пребывает в покое и не подвергается никаким воздействиям, он может находиться в состоянии самопроизвольного распада. Свои умозаключения они зафиксировали в законе радиоактивного распада, который описывает зависимость интенсивности радиоактивного распада от количества радиоактивных атомов в образце и от протекшего времени. Причем все данные были добыты экспериментальным путем и представлены также в работах «Сравнительное излучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение». Вскоре в научном обороте появились термины «время жизни атома» и «период полураспада».
Это исследование не только произвело переворот в науке (ведь на тот момент большинство ученых не сомневались в неделимости атома!), но и подтолкнуло к очередным исследованиям – уже в области ядерной физики. А там недалеко было и до использования ядерной энергии в военных целях.
На рубеже XIX–XX веков было установлено, что газ гелий может являться продуктом радиоактивного распада, то есть одни элементы «порождают» другие!
№ 70
Прирученный зверь. Ядерные реакции
Ядерная реакция происходит в том случае, если ядро атома сталкивается с какой-либо другой частицей. Уже в первой четверти ХХ века ученые, ставя опыты, «бомбардировали» разнообразными частицами ядра и получали весьма интересные результаты.
В 1938 году немецкие ученые Отто Ган (1879–1968), Фриц Штрассман (1902–1980) и Лиза Мейтнер (1878–1968) проводили опыты по воздействию на ядро урана нейтронами. Они заметили, что в результате урановое ядро разделилось на два новых! Это явление было названо расщеплением. Но самым удивительным было то, что в ходе деления ядра также выделялось несколько новых нейтронов. Ученые заявили, что обнаружили «цепную ядерную реакцию». Суть ее в том, что вначале под воздействием нейтрона расщепляется урановое ядро и образуются новые нейтроны. Они, в свою очередь, вызывают деление еще двух ядер… И так далее. Очень важно было то, что в ходе подобных реакций выделялась колоссальная энергия.
Практически сразу стало понятно, что совершенное открытие может как поднять человечество на новый уровень, так и приблизить его к гибели. Ведь энергию ядерной реакции можно как поставить на службу человеку, так и создать на ее основе оружие массового уничтожения. Мы с позиции людей XXI века уже знаем, что, к сожалению, удержаться от искушения не удалось и «мирным атомом» дело не ограничилось. Сможет ли человечество вовремя остановиться на пути агрессивного использования ядерной энергии?