Допоміжні домашні завдання з фізики і не тільки
Інтерактивна фізика. 7 клас
https://sites.google.com/site/matematicnatropa/moie-interaktivni-vpravi/interaktivni-vpravi-fizika-7
Інтерактивна фізика. 7 – 11 класи
Цікава фізика
Мультимедійні матеріали з фізики
Інтерактивне навчання
Конкурси з природничих предметів
https://sites.google.com/site/fizmatinfo1/interaktivni-vpravi
Библиотека вундеркинда
Понимаете ли вы теорию Стивена Хокинга и теорию относительности?
Знаете ли и сможете ли доступно объяснить основы квантовой физики?
Расскажете об открытии Марии Склодовской-Кюри?
Хотите понять самую модную науку XXI века?
Неважно, учитесь ли вы в школе или уже давно закончили ее. Если вы любознательный человек, то эта книга ДЛЯ ВАС!
САМАЯ ГЛАВНАЯ НАУКА – ЭТО ФИЗИКА! Так начинает эту книгу известный публицист, популяризатор теоретической науки Александр Никонов.
Александр Никонов
Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям
© Александр Никонов, текст
© Сергей Корсун, иллюстрации
© ООО «Издательство АСТ»
У моего знакомого есть сын лет шести. И вот однажды папа, пребывая в благостном расположении духа, ему и говорит: «Ну, сынок, спроси меня что-нибудь, а я тебе отвечу!»
– Я-то по наивности думал, – рассказывал мне потом огорченный папа, – что он спросит меня, отчего ветер дует или еще какую-то ерунду, и я ему триумфально отвечу. Но он задал три вопроса: «Откуда взялся мир? Откуда взялась наша планета? Откуда взялись на ней люди?» И я понял, что моих знаний просто не хватит для ответа ни на один из этих вопросов.
Так вот, чтобы папы не подрывались, как на минах, на таких вопросах, а дети не ввергали своих родителей в подобный конфуз, я и решил написать серию книг, популярно отвечающих на подобные вопросы. Книга, которую вы держите в руках, – о физике.
Самая главная наука – это физика, друзья мои!
На физике, как на фундаменте, стоят все прочие науки, образуя своеобразную пирамидку наук – химия, биология, психология и пр. Потому что физика изучает основу основ – материю, из которой все в этом мире сделано.
А как называется ось этой пирамидки, на которую насаживаются разноцветные кругляшки наук?
Хороший вопрос! Ось пирамидки называется эволюцией. И блинчики наук на эту ось нанизываются по степени усложнения вещества, которое они изучают, по мере продвижения от мертвой материи к мозгу и разуму. Внизу – физика. Выше – химия. Потом – органическая химия. Затем – биохимия. Потом биология. И заканчивается все науками, изучающими высшую нервную деятельность – нейрофизиология, психология… Но в базе всего лежит физика, так как все сделано из материи, а физика изучает именно ее. Потому я и назвал физику самой главной наукой.
При этом и самая страшная наука – тоже физика! Физику многие боятся, как огня, считая трудной. Однако понимание зависит от способа изложения. Я очень жалею, что в моем детстве не было такой книжки, как эта: если бы я ее прочитал, ходил бы в школу с радостью и интересом, а не отбывать 10-летний срок.
Думаю, мою книгу будут читать не столько взрослые, сколько дети, поэтому по мере изложения я буду обращаться именно к ним, так как дети важнее взрослых. Но эту книгу втайне рекомендуется прочесть и взрослым, чтобы не попасть впросак и не спасовать при неудобных вопросах резко поумневшего ребенка.
Моя книга поможет детям не бояться физики и лучше успевать по этому предмету, а взрослым вернет в голову то, что туда недоложили в детстве из-за активного сопротивления. Кроме того, взрослым эта книга позволит по-иному взглянуть на мир. Впрочем, этой свойство всех моих книг.
Поехали?..
Часть I
Из чего же, из чего же, из чего же…
Что такое свет? Почему не всякая радиация вредна? Почему небо синее, а закат красный? Из чего сделана молния и что такое огонь? Почему далекие предметы кажутся нам маленькими, а при сближении словно вырастают в размерах? Отчего светят звезды? Что такое время? Чем порядок отличается от беспорядка? Из чего сделано тепло? Почему, если предоставить какую-нибудь вещь самой себе, она когда-нибудь в конце концов разрушится? Что такое тепловая смерть?.. На все эти вопросы отвечает физика.
Обычно изучать физику начинают с механики. Видимо, потому, что так исторически сложилось, ведь человека окружает мир твердых тел, с них он и начал путь познания, набивая по дороге знаний шишки о те самые твердые предметы.
Но мы с вами начнем с элементарных частиц. То есть с азов – с тех мельчайших частичек вещества, из которого это вещество и складывается. Если вы не против, конечно…
Глава 1
Откуда взялись атомы и зачем они нужны?
Атомы придумали древние греки. Так уж вышло, никто не виноват.
Впервые мысль о том, будто все вещество состоит из мельчайших неделимых частичек, выдвинули именно жители Древней Греции. И я вам по секрету скажу, большого ума для рождения этой идеи не требовалось! Древняя Греция – детство человечества. А любой ребенок в состоянии задуматься: что будет, если я начну вещество делить все дальше и дальше?
Ну, например, кусочек сахара или мела? Неужели этот процесс будет происходить до бесконечности? Если до бесконечности, то есть до беспредельно ничтожных размеров, то фактически получается, что все вещество состоит из пустоты? Или все-таки когда-то я доберусь до самого маленького неделимого элемента вещества?
Но что значит неделимого? А если по нему ударить хорошенечко? Может, он и разделится, но уже не будет обладать свойствами указанного вещества – вот что имеется в виду.
? Кстати, а что такое свойства? И какие они бывают?
Веществ разных в мире много. Есть камень, стекло, вода, железо, дерево, пластмасса… И у всех веществ разные свойства – твердость, цвет, плотность, хрупкость, способность проводить электрический ток, нагреваться и так далее.
Дерево плавает, а железо тонет. Дерево горит, а железо нет. Железо проводит электричество, а дерево нет. У железа высокая теплопроводность, попробуйте сунуть гвоздь в огонь – через очень короткое время он нагреется так, что его станет невозможно держать в руке. А вот горящую деревянную палочку (например, спичку) можно держать в руках долго – до тех пор, пока огонь не доберется до пальцев. Потому что у дерева теплопроводность очень низкая, очень плохо оно проводит тепло. А железо и все прочие металлы – отлично!
А кроме теплопроводности есть еще такое свойство, как теплоемкость. Это способность вещества накапливать тепло. Возьмите тонну воду и тонну золота и нагрейте градусов до 50 °C. Вода потом будет еще долго-долго оставаться теплой, а золото очень быстро остынет. Не запасает оно тепло. Низкая у золота тепловая емкость.
Зато золото гораздо плотнее воды! Представьте два одинаковых по размеру кубика из золота и воды… Не знаете, как сделать кубик из воды? Ну спросите папу, он поможет – разольет воду в специальную форму, похожую на вафлю, сунет в морозилку, потом вытащит замороженную воду в виде кубиков, один кубик отдаст вам, погладив по голове, а остальные бросит себе в бокал с алкоголем. После того, как папа станет добрый, попросите у него еще такой же по размеру кубик золота. И когда папа достанет его из кармана, возьмите два полученных кубика и быстро бегите взвешивать, пока ледяной кубик совсем не растаял.
Кстати, вот еще одно характерное свойство вещества – температура замерзания.
Результат взвешивания покажет, что золотой кубик примерно в 20 раз тяжелее ледяного. 20 ледяных кубиков уравновесили бы на весах один золотой. Потому что золото плотнее. Физики говорят так: у золота выше плотность. Плотность – это количество вещества в одном объеме – например, в одном стакане, кубическом сантиметре или одном кубическом метре. Один кубический метр воды весит одну тонну, а кубометр золота чуть ли не 20 тонн. Не всякий поднимет!
И раз уж пошла такая пьянка (у папы), я вам больше скажу, друзья мои! Зря мы соблазнили папу и замораживали воду, переводя ее в твердое состояние. Потому что плотность твердой воды (льда) отличается от плотности жидкой воды. Плотность льда чуть меньше, чем плотность воды, поэтому твердая вода в жидкой воде плавает словно дерево – вы сами сто раз видели, как лед плывет по реке. Дерево плавает в воде по той же причине – его плотность меньше плотности воды.
Одно и то же вещество может находиться в разных состояниях.
Как известно любому мальчику, дяденьке и пенсионеру, одно и то же вещество – вода, например, – может находиться в разных состояниях. Вода может быть жидкой. Такой она бывает, когда тепло. Вода может быть твердой, когда холодно. И она может быть газообразной или, попросту говоря, газом. Газообразная вода называется паром. Если воду налить в кастрюлю и начать нагревать, в конце концов она вся выкипит. То есть превратится в водяной пар. Ну и черт с ней! Не жалко, еще из крана нальем.
У каждого вещества своя температура замерзания (она же температура плавления). Температура замерзания/ плавления воды – ноль градусов по Цельсию. Температура кипения – 100 градусов. Как же так удивительно получилось? Что за чудесное совпадение? Почему так ровно – ноль и сто? Эта вода нарочно что ли так себя ведет для нашего удобства? Неужели сама природа об этом позаботилась?
Нет, конечно. Просто тот мужик по имени Цельсий, который придумал градусную шкалу, нарочно принял за ноль градусов температуру замерзания, а за сотню – температуру кипения воды. Оттого нам теперь и удобно. А вот другой дядька по имени Фаренгейт придумал другую температурную шкалу, крайне неудобную – по Фаренгейту вода замерзает при +32°, а кипит при +212°. Это отвратительно! Шкалой Фаренгейта теперь пользуются в Америке. Все у них не как у людей…
Но как же он так опростоволосился, этот Фаренгейт? Я вам отвечу. Вместо воды он замораживал смесь воды, нашатыря и соли. А за сто градусов принял… думаете, температуру кипения этой смеси? Нет! Температуру человеческого тела. Причем, что интересно, в качестве тела он использовал собственную жену. У которой в то время температура была повышенная, поскольку она болела. Очень непростой был парень этот Фаренгейт!
Вообще температурных шкал довольно много, и все они названы в честь физиков, которые их придумали – шкала Реомюра, шкала Кельвина, шкала Делиля, шкала Ранкина… Но мы с вами в быту пользуемся только шкалой Цельсия. Она очень удобна. Летом температура имени Цельсия плюсовая, зимой минусовая, все прекрасно и привычно. На улице минус двадцать? Мороз! Плюс тридцать? Жара!.. А под мышкой? У здорового человека 36,6 градуса. Выше – заболел. Ниже – помер.
В общем, самых разных свойств у разных веществ целое море. Веществ же на свете еще больше. И каждое вещество характеризуется своим набором свойств.
? Два термометра – Цельсия и Фаренгейта. Какой вам больше нравится?
Одинаковые кубики разных веществ весят по-разному.
золото – 19300 кг, ртуть – 13600 кг, свинец – 11300 кг, сталь – 7800 кг, алюминий – 2700 кг, стекло – 2500 кг, сахар – 1600 кг, вода – 1000 кг, лед – 900 кг, дуб – 900 кг, подсолнечное масло – 900 кг, сосна – 400 кг, воздух – 1,3 кг, водяной пар – 600 г, водород – 90 г
Теперь дальше следите за мыслью древних греков – как они додумались до атомов.
Килограмм одного и того же вещества имеет такие же свойства, как и полкило, что понятно: и большое оконное стекло пропускает свет, и маленькое обладает свойством прозрачности. И короткий кусок медного провода пропускает электрический ток, и длинный электропроводен. И маленький кусок дерева плавает в воде, и большой. От размеров свойства не зависят.
Но действительно ли не зависят?
Есть ли предельный по малости кусочек вещества, который еще обладает свойствами этого вещества, а после дробления – уже не обладает, и мы получим нечто другое?
Есть, решили греки и назвали его атомом! Мне кажется, к этому соображению их привели следующие рассуждения.
Вот смотрите… Из двух разных веществ можно сделать третье – с совершенно другими свойствами, которыми не обладают первые два. Ну, например, можно в расплавленную медь добавить другой металл – олово. И получится сплав под названием бронза, который обладает особой твердостью, которой ни медь, ни олово по отдельности не обладают. Бронза тверже меди и тверже олова. Значит, если мы будем долго делить бронзу на части, в конце концов останется самая малая частичка бронзы, которая уже при делении распадется на медь и олово. И бронзы уже не будет.
Логично?
Но отсюда один шаг до следующей идеи – а может, все вещества в мире тоже состоят из более простых элементов? И быть может, элементов этих не так уж много? Как из цветной мозаики или нескольких красок можно сделать бесконечное множество картин, как из малого числа букв можно сделать сотни тысяч слов и миллионы разных книг, так и из ограниченного числа этих элементов складывается бесконечно множество веществ?
Богатая идея.
Древняя Греция – это, как я уже сказал, детство человечества. Никаких наук в нашем понимании этого слова тогда еще не было. Греки практически ничего не знали о строении вещества, но зато много фантазировали, пытаясь силой мысли проникнуть в самую суть вещей. И додумались до следующей картины мира…
Они решили, что все огромное разнообразие самых разных веществ в мире на самом деле состоит их четырех простых элементов – земли, воды, огня и воздуха. Милые смешные греки! Они, конечно, ошибались, но их ошибка была гениальной. Греки сделали большой шаг вперед – отказались от мифологических, религиозных объяснений и применили к познанию мира научный принцип анализа, начали говорить о взаимопревращении веществ. Направление их мысли оказалось верным, и в дальнейшем наука подтвердила: действительно все многообразие мира складывается из простейших составляющих. Эти «простейшие вещества» так и назвали «элементарными» или просто «химическими элементами».
?Сколько же существует элементарных веществ?
Не буду вас томить, отвечу сразу – около сотни. Не так уж мало. Многие из них вы знаете. Золото, например. Железо. Свинец. Вообще, все известные металлы – это химические элементы, то есть простейшие вещества. И многие газы.
А сталь? Сталь – это сплав двух элементов – железа и углерода. В чистом виде железо нигде не используется, поскольку оно мягкое. Углерод же вы прекрасно себе представляете, он является основой угля (поэтому так и называется – «углерод», то есть «рождающий уголь»). Соединение железа и углерода дает нам сталь или чугун (в зависимости от количества добавленного в железо углерода, если мало углерода – сталь, много – чугун).
А воздух? Воздух, которым мы дышим, тоже «сплав», точнее, смесь разных газов, среди которых кислород, азот и углекислый газ.
Кислород и азот – химические элементы, то есть простейшие вещества. А вот углекислый газ – сложное вещество, состоящее из двух простых элементов – кислорода и углерода. Одна частица углекислого газа состоит из одной частицы углерода и двух частиц кислорода. На рисунке это прекрасно видно.
Химики записывают углекислый газ короткой формулой – СО2. Понять формулу немудрено: один атом углерода (С) и два атома кислорода (О).
? А вода – составное вещество или элементарное?
Вода вещество составное. Она сделана из двух элементарных газов – водорода и кислорода: одна частица воды состоит из двух частиц водорода и одной частицы кислорода. Самая маленькая частица воды называется молe?кулой. И не только воды, кстати. Самая маленькая частица любого сложного вещества называется молe?кулой. А самая маленькая частичка элементарного вещества называется атомом. Молекулы строятся из атомов.
Так, молекула воды сделана из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А водород так назвали именно потому, что он рождает воду.
Молекула воды – Н2О, то есть два водорода (Н) и один кислород (О).
Воду можно дробить на капельки не бесконечно – в конце концов у нас останется самая маленькая частица воды – молекула. И если разделить молекулу воды, она развалится на кислород и водород. То есть на атомы.
Еще раз: молекулы сделаны из атомов. Атомы – простейшие, неделимые, элементарные вещества, а молекулы – вещества сложные, составные.
Что же у нас получается?
Получается, что атомы – это детальки конструктора, из которых собираются разные вещества. Деталек довольно много, около сотни, но все же ограниченное количество. Однако из них можно собрать тысячи, миллионы разных конструкций!
Да очень просто! Взять и посмотреть в специальную табличку. Там все детали мирового «конструктора» прописаны. Это очень знаменитая табличка! Ее составил один умный русский дядя по фамилии Менделеев. С тех пор она так и называется – таблица Менделеева.
Дмитрий Иванович Менделеев очень любил заниматься химией. Помимо химии, у Иваныча было еще одно увлечение, – старик очень любил делать чемоданы.
Я вообще рекомендую вам, если вы родитель, купить ребенку, наряду с географической картой мира, столь же большую таблицу Менделеева и повесить в детской комнате.
А если вы ребенок, строго возьмите папу-маму за палец, отведите в ближайшую субботу в большой книжный магазин и потребуйте незамедлительного приобретения таблицы Менделеева с последующим размещением ее на вашей любимой стенке – рядом с картой мира. Периодически к таблице нужно подходить, вдумчиво смотреть на нее, выискивать какой-нибудь элемент и читать про него в приложении к этой книге, в самом конце. А потом рассказывать маме, поражая ее невероятным умищем. После чего как бы невзначай просить немного денег на карманные нужды. Знания должны приносить доход!
Таблица химических элементов Менделеева.
Знаете, что вам нужно сделать? Заложите закладку на странице с этой табличкой, потому что мы будем периодически к ней возвращаться и каждый раз удивляться чему-то. Вам должно быть удобно искать страницу с табличкой. Можно сделать так: одна закладка обычная, которой вы закладываете текущую страницу, чтобы потом быстрее ее открыть – пусть она будет направлена вверх. А вторая закладка, на странице, где табличка Менделеева, пусть торчит вниз. Очень по-умному получится
.И еще… Никого не должен смущать тот факт, что в этой книге про физику мы некоторое количество букв и времени уделим химии. Потому что химию можно с полным правом назвать одним из разделов физики – вот так!
Ну, а пока на стенке большой таблицы у вас нет, посмотрите на нее здесь. Таблица красивая, как мозаика. Это химическая палитра. Это краски, которыми нарисован мир. На цифры и буквенные обозначения элементов пока никакого внимания не обращайте, просто почитайте для интереса названия химических элементов, их которых сделан весь наш мир – миллионы разных веществ, звезды, планеты, мы. Поищите знакомые. Найдите золото. Найдите свинец, серебро, железо. Поищите кислород, который необходим нам для дыхания.
(Химические элементы в табличке для краткости обозначаются буквами латинского алфавита и являются простыми сокращениями латинских слов. Например, золото на латыни «аурум», оно так и обозначается – Au от латинского aurum. Свинец по-латински «плюмбум» – Pb. Серебро – Ag от латинского «аргентум». И так далее. Запоминать ни в коем случае не надо! Оно само потом запомнится так, что не отлепишь.)
Теперь, если вам нужно определить, какое вещество папа налил в рюмку – сложное или элементарное, – достаточно поискать его в таблице. Например, папа налил в рюмку кефир. Ищем в таблице Менделеева кефир. Есть он там, среди простейших веществ? Нету тут никакого кефира! Значит, кефир – сложное вещество, сконструированное из простейших элементов, которых всего около сотни, и все они у нас теперь как на ладони. Спасибо старику Менделееву!
В общем, принцип понятен: из атомов простейших веществ (химических элементов), которые дедушка Менделеев смел своей бородой в табличку, собираются молекулы сложных веществ. Вода, как мы уже знаем, собрана из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Ну а, например, соль? Та самая белая поваренная соль, которая хранится у вас дома в солонке?
Это сложное вещество. Молекула соли состоит из одного атома металла по имени натрий и одного атома газа по имени хлор. Нашли их в таблице?
Натрий – очень редкий и мягкий металл, его можно ножом резать. Если кусок натрия бросить в воду, то лучше сразу убежать подальше. Потому что натрий зашипит, начнет бегать по поверхности воды, выделяя белый дым, затем вспыхнет и загорится ярким пламенем, а потом и вовсе взорвется, если кусок достаточно велик. Очень активный металл!
А хлор – это очень ядовитый газ. Этот газ во время Первой мировой войны применяли для удушения противника – дожидались, когда ветер подует в сторону врага и открывали вентили баллонов. Газ несло ветром на вражеские окопы и надышавшиеся солдаты гибли. (Подробнее об этом вы можете почитать чуть дальше, в специальном разделе, посвященном газам.)
Но каков фокус! Из двух таких крайне агрессивных веществ, как натрий и хлор, получается вполне безобидная и даже полезная соль. Металл – блестящий, взрывающийся, он проводит электрический ток. Газ – ядовитый, зеленоватый и летучий. А соль? Вы ее прекрасно видели – белая, неопасная, не летучая и не ядовитая, ее можно есть. И никакого электрического тока она не проводит. Совершенно другие свойства!
По-научному поваренная соль называется хлоридом натрия и записывается химиками так – NaCl (натрий хлор).
Как устроен кристаллик хлорида натрия? Вот он, на рисунке, посмотрите. Белые шарики – это атомы хлора, а серые – атомы натрия.
Кто-то может спросить:
– А почему белые шарики больше серых? Неужели атомы газа хлора больше, чем атомы металла натрия?
Именно так!
Кристаллик поваренной соли
Посмотрите в волшебную таблицу старичка на букву М. – чем ниже и правее атом, тем он больше по размеру и тяжелее. Чем он левее и выше – тем легче. Почему это так, мы поймем немного позже, когда вы с помощью этой книги познаете, как устроен мир до таких глубин, коих не знает в вашем возрасте никто.
Дошкольники и школьники младших классов не знают, потому, что им не попалась такая чудесная книга, как эта.
Взрослые – потому, что все уже давно забыли.
А школьники старших классов – потому, что дурака валяют на уроках вместо того, чтобы учиться.
Один вы умный и хороший.
Теперь, умный и хороший, еще раз гляньте на картинку соляного кристаллика. То, что вы видите, называется кристаллической решеткой. Вот этот кубик, эта вот жесткая пространственная структура, в которой атомы находятся каждый на своем месте и неподвижно стоят там, как солдаты в строю, носит гордое звание кристаллической решетки. Именно жесткостью этой решетки и объясняется твердость вещества.
Кристаллическую решетку называют решеткой, потому что она похожа на решетку. Вот так вот все сложно в этой физике!
Молекулы воды, когда она превращается в лед, выстраиваются именно в форме такой вот жесткой решетки. Поэтому лед твердый.
То, что чуть выше написано касательно жидкости, было прекрасно продемонстрировано еще в XIX веке английским ученым по фамилии Броун. Интересно, что Броун не был физиком, а был безобидным ботаником, изучал растения и свое открытие в физике сделал случайно.
Броун изучал под микроскопом пыльцу растений и заметил, что маленькие частички пыльцы, находящиеся в воде, все время дрожат и немного двигаются то в одну сторону, то в другую. В общем, они хаотически, то есть беспорядочно, перемещаются, словно живые. Позже выяснилось, что так же ведет себя не только пыльца растений, но и любое вещество, растертое в мельчайшую пыль.
Оказалось, хаотичное движение пылинок, их дерганье туда-сюда вызывается беспорядочным движением молекул воды, которые барабанят в пылинку. Конечно, даже самые микроскопические пылинки любого вещества – настоящие гиганты по сравнению с молекулами воды! Молекула по сравнению с пылинкой – все равно, что кошка по сравнению с небоскребом. Кошка не может сдвинуть небоскреб. Пылинка состоит из миллионов и даже миллиардов молекул. Но ведь и вокруг пылинки тоже беспорядочно мечутся миллионы и миллиарды молекул воды! И когда в какой-то момент с одной стороны пылинку случайно толкает чуть больше молекул, чем с другой стороны, она чуть смещается в ту сторону. Потом в другую. Так и ползает туда-сюда, беспорядочно дергаясь каждую секунду туда, куда ее стукануло больше молекул.
В честь первооткрывателя этого явления ботаника Броуна подобное бессмысленное движение частичек в воде называют броуновским движением. Оно и вправду совершенно бестолковое, случайное.
Теперь вот какой вопрос. Понятно, что все молекулы любого вещества имеют свойство притягиваться друг к другу. Иначе вещество просто разваливалось бы на молекулы. А так все вокруг прекрасно существует и не разваливается. Стоит шкаф и не рассыпается на молекулы. И книжка перед вами даже не думает разлетаться в пыль.
Почему же тогда у молекул газа это свойство притяжения теряется? Если воду превратить в газ, она разлетится во все стороны…
Все дело в том, что у газа процесс притяжения молекул полностью пересиливается другим процессом. Каким? Отталкиванием, что ли? Но разве могут частички вещества одновременно обладать свойством и притяжения, и отталкивания друг к другу?
Разгадка в том, что в твердом веществе молекулы вещества почти неподвижны. Они находятся в узлах кристаллической решетки, сцепившись, и только чуть-чуть трясутся. Оттого твердое вещество такое прочное. В жидкости же скорость молекул больше, и они уже не удерживаются в плотной застройке структурной решетки, а топчутся бесформенной толпой. А вот в газе скорость молекул еще больше. Она такая большая, что молекулы просто проскакивают друг мимо друга, поскольку мечутся с огромными скоростями.
Эти скорости молекулам сообщает нагрев. Нагрели лед – он растаял. Нагрели воду – закипела, превратилась в пар. Но что такое нагрев и что такое тепло? К этому вопросу мы еще вернемся, а пока вот вам наилучшая аналогия твердого, жидкого и газообразного.
Дети в классе – это кристалл. Они сидят за партами по своим ячейкам решетки, образованной рядами парт.
Дети на уроке физкультуры – жидкость. Они бегают по всему залу, прыгают, но из зала не выходят, а держатся все вместе, одним классом.
А вот хаотичные дети на переменке – это сущий газ! Класс распадается, и ужасные дети, приобретя энергию безумия, начинают носиться по всей школе, сталкиваясь друг с другом в броуновском движении и норовя сбить с ног толстые пылинки случайных взрослых посетителей или учителей. Так они и будут носиться, пока их не заморозит школьный звонок.
Газы!
Атомы кислорода держатся парами, образуя одну молекулу кислорода, поэтому сей газ обычно записывают с маленькой двоечкой внизу (см. выше). Кстати, то же самое касается и многих других простейших газов.
Земная атмосфера на 21 % состоит из кислорода, что весьма недурственно.
Cостав воздуха
В нашем организме кислород участвует в процессе окисления разных веществ. Окисление – научное название горения. Дрова в костре окисляются, то есть горят, и мы видим результат этой бурной реакции в виде пламени. При этом выделяется много тепла и света. Можно сказать, что горение происходит и внутри человека, только без огня, потому что оно очень медленное и неспешное. А топливом для внутреннего костра является проглоченная нами пища. Кстати говоря тот факт, что человек теплый – результат внутреннего медленного горения, то есть реакции окисления.
Дирижабли, наполненные водородом, сто лет назад перевозили пассажиров, совершая трансатлантические рейсы из Европы в Америку. Но поскольку водород очень горючий газ, порой из-за случайно искры случались ужасные катастрофы.
Наиболее известная из них – катастрофа, случившаяся с «Гинденбургом». Это был самый большой воздушный корабль в мире. Размером он был практически, как «Титаник» – самый большой в мире на тот момент пассажирский корабль. И обоих гигантов постигла печальная участь:
«Титаник» утонул, столкнувшись с айсбергом, а «Гинденбург» сгорел, встретившись со случайной искрой. Случилось это так…
Вечером 6 мая 1937 года «Гинденбург», перелетевший Атлантический океан, на малом ходу подруливал к посадочной мачте в Нью-Йорке. Его пассажиры любовались городом, а внизу горожане глазели на летящую махину дирижабля. И посмотреть было на что!
Воздушный гигант был оснащен четырьмя дизельными двигателями марки «Даймлер-Бенц», каждый из которых имел мощность в 1200 лошадиных сил. Дирижабль мог поднять 100 тонн полезной нагрузки (то есть не считая пассажирского салона, разного оборудования, моторов и дизельного топлива, коего на борту было 60 тонн). С помощью пропеллеров «Гинденбург» разгонялся в безветренную погоду до 135 километров в час. Не очень большая по нынешним временам скорость, конечно. Но по сравнению с пароходами это все-таки большой прогресс, ведь скорость того же «Титаника» была всего 40 км/ч и считалась большой. Правда, «Титаник» брал на борт больше тысячи пассажиров, а «Гинденбург» всего 72.
Дирижабль в Германии отвязывали от причальной мачты, легкий газ водород поднимал махину вверх, включались моторы, и пропеллеры тащили корабль вперед, в Америку. Полет через океан длился не неделю, как на пароходе, а всего три ночи и два дня, которые пассажиры проводили с комфортом. Конечно, бассейна, как на «Титанике», на дирижабле не было, но были вполне комфортабельные каюты, ресторан, библиотека, музыкальный салон, прогулочная палуба и даже курительная комната.
Да-да, курительная комната! Несмотря на страшную опасность пожаров из-за большой летучести и горючести водорода, конструкторы понимали, что два дня курильщикам без курения не продержаться. Поэтому оборудовали курительный салон. Именно там и находилась единственная на борту электрическая зажигалка, не дававшая открытого пламени. Техника безопасности строго соблюдалась: перед входом на борт все, включая членов экипажа, сдавали зажигалки и спички, а внутри курительной комнаты создавалось избыточное давление, чтобы чрезвычайно летучий и постоянно просачивающийся через оболочку водород не мог проникнуть в курительный салон. Входили в курительную комнату через особый шлюз, выравнивающий давление.
Несмотря на то, что огромный водородный баллон обладал большой подъемной силой, конструкторы экономили каждый грамм веса, поэтому пассажирский салон дирижабля был для облегчения сделан из самого легкого доступного металла – алюминия. И даже рояль в музыкальном салоне был алюминиевым. Что понятно: чем меньше необходимой нагрузки, тем больше полезной.
Кстати, найдите-ка в таблице бородатого Менделеева этот самый металл – алюминий. Нашли? Видите, где он там находится? Ближе к верхнему левому углу. Чем левее и выше вещество в таблице, тем оно легче (менее плотное). А самое легкое какое вещество в мире? Посмотрите в табличку…
Правильно, водород!
В общем, как уже было сказано, водородный пузырь «Гинденбурга» подлетал к Нью-Йорку. Из-за сильного встречного ветра он опаздывал почти на 10 часов, и это было не единственной неприятностью – на месте посадки бушевала гроза. Что и послужило причиной катастрофы. Очередной разряд вызвал вспышку водорода, и несчастный «Гинденбург» сгорел за считаные секунды. Из 97 человек, находящихся на борту немецкого дирижабля (пассажиры и члены экипажа), погибло 35.
При спасении людей большое мужество проявил немецкий пилот Эдуард Боециус. Находившийся в то время у власти Гитлер даже наградил его за отвагу.
Но пожар на «Гинденбурге», как мы уже знаем, не единственная катастрофа с водородными дирижаблями.
В 1913 году в Германии сгорел дирижабль LZ 18. Погибло 28 человек.
Пятью годами позже над островом Мальта сгорел дирижабль военно-воздушных сил Германии LZ 104. Он готовился бомбить британскую военную базу, но не успел – водородный пузырь охватило пламя, он взорвался и унес жизни более двадцати человек.
В 1922 году в США сгорел, задев высоковольтную линию, армейский дирижабль. Погибло 34 человека.
На следующий год над Средиземным морем из-за удара молнии взорвался французский дирижабль «Диксмуд». Погибло 48 человек.
В 1930 году вспыхнул и взорвался огромный английский дирижабль R101. Это был его первый дальнемагистральный перелет. Погибло почти пятьдесят человек.
А можно ли было чем-то заменить взрывоопасный водород? Да, есть другой легкий газ – гелий. Найдите его в таблице Менделеева… Газ гелий, правда, в 2 раза тяжелее (правильнее сказать, плотнее) водорода, а значит обладает меньшей подъемной силой, но зато он совершенно не горючий!.. Правда, в ту пору, когда сгорел «Гинденбург», месторождения, на которых шла добыча гелия, были открыты только в США. А американское правительство не хотело снабжать ценным газом гитлеровское правительство.
Почему же сами американцы не стали строить гелиевые дирижабли? Потому что к тому времени эти воздушные динозавры проиграли эволюционную гонку более юрким самолетам, скорость которых была много выше, чем у громоздких дирижаблей.
А что же водород? Он не исчез с технической арены. Многие предрекают ему большое будущее. Считается, что водород может стать топливом для наземного транспорта завтрашнего дня. Он будет сгорать в автомобильных двигателях вместо бензина. По сравнению с бензином у водорода есть большое преимущество – при его окислении (горении) не образуются вредные вещества, а получается только чистая вода.
Идея была грамотная, но немецкие военные в нее не верили, считая каким-то чудачеством ученых. Они привыкли к осязаемой смерти – пуля, снаряд, штык… А тут какой-то газ. Несерьезно. Однако боевой эксперимент решили провести, ждали только попутного ветра, который должен был подуть в сторону вражеских окопов, а иначе свои задохнутся.
Любопытно, что французы, против которых немцы воевали, знали о том, что немцы готовят какое-то новое оружие. В апреле 1915 года возле деревни Лангемарк французские солдаты захватили в плен немца. Во время обыска у него были найдены зашитые в марлю куски ткани и пузырек с какой-то жидкостью. Это сочли перевязочными материалами и даже не обратили на них внимания. Однако на допросе пленный немец сказал, что указанные предметы – часть подготовки для испытания нового немецкого чудо-оружия.
Солдат про оружие никаких подробностей, разумеется, не знал, но заявил, что оно представляет собой какие-то металлические цилиндры, зарытые на нейтральной полосе ночью. И вот для защиты своих солдат от этого оружия немецких бойцам и раздали марлевые повязки с пузырьками – ткань нужно намочить жидкостью из пузырька и через нее дышать.
Французы немцу не поверили. А между тем их радиоразведка доносила, что немецкое командование в радиопереговорах очень интересуется погодой. Точнее ветром. Все время об этом говорят… Но и на эти донесения никто внимания не обратил.
Между тем изобретатель нового чудо-оружия немецкий доктор Фриц Габер тоже с нетерпением ждал нужного ветра. Этот штатский человек в пенсне наивно полагал, что его оружие ускорит конец кровопролитной войны, поскольку быстро принесет победу Германии.
И вот 25 апреля, дождавшись устойчивого ветра в сторону вражеских окопов, немцы открыли вентили. Зеленоватые клубы хлора полетели в сторону французов. Те сначала ничего не поняли и с интересом наблюдали за приближением зеленоватого тумана, стелившегося вдоль поверхности земли. Затем они почувствовали неприятный запах. Потом резь в глазах. Затем удушье. Газ буквально выжигал легкие, глаза! Ослепшие солдаты бегали, кричали, падали, корчились в судорогах и умирали, умирали, умирали.
Немногие тогда выжили. Вот как описывал выживших английский военный журналист: «Среди нас, шатаясь, появились французские солдаты, ослепленные, кашляющие, тяжело дышащие, с лицами темно-багрового цвета, безмолвные от страданий, а позади их в отравленных газом траншеях остались, как мы узнали, сотни их умирающих товарищей».
Передовая перед наступающими немцами оказалась полностью очищенной от французских солдат. Но этот успех оказался столь неожиданным для самих немцев, которые хотели всего лишь провести боевые испытания, что они как следует не подготовились и не смогли воспользоваться своим успехом: в пробитую, точнее протравленную хлором брешь в обороне противника ввели лишь один пехотный батальон. А могли через эту дырку, воспользовавшись эффектом неожиданности, взломать весь фронт!
О том, что случилось, написали все мировые газеты. Сразу выяснилось, что спастись от хлора не очень сложно – нужно дышать через повязку, смоченную раствором соды. А если нет соды, то хотя бы намочить портянку в ближайшей луже или просто помочиться на нее. Неприятно, конечно, но если жить захочешь, о брезгливости лучше забыть.
Именно поэтому вторая газовая атака немцам уже не удалась. Они атаковали позиции французских союзников – канадцев, выпустив несколько баллонов с хлором по ветру. Канадцы вооружились мокрыми повязками и переждали ползущее облако, которое сначала накрыло их, а потом было унесено ветром в тыл. Когда же вслед за зеленым туманом на траншеи стали наступать немцы, их встретил плотный огонь канадских пулеметов. Стреляли те канадцы, которым с помощью мокрых повязок удалось выжить и сохранить зрение.
Применяли немцы газовое оружие и против русских войск. В мае того же года они распылили 12 тысяч газовых баллонов по фронту шириной в 12 километров. После чего пошли в атаку. Русские потеряли 75 % личного состава, однако оставшиеся в строю 25 % пулеметным огнем остановили противника.
Впрочем, и самим немцам на своем веку пришлось «хлебнуть газку»! Во время одной из газовых атак со стороны французов молодой немецкий ефрейтор Адольф Гитлер был сильно отравлен и даже на время потерял зрение. Жалко, что не умер.
Таких вопросов в истории науки было множество. Например, что такое время? Ну, в самом деле? Что такое вещество, мы понимаем, его можно потрогать, об него можно набить шишку. Ясно, что такое пространство. Это место, где вещество помещается. А вот что такое время? Что это за неуловимая субстанция такая?.. В этой книге мы ответим и на этот вопрос. А сейчас вернемся к теплу.
Вот лежит холодное тело. Мертвый мужик. Нет, лучше кирпич. Да, холодный кирпич. А рядом другой такой же кирпич, но теплый. Или даже горячий. Чем они отличаются?
Температурой, говорите вы?
А что это такое?
Состав вещества у кирпичей один. Свойства одинаковые – цвет, хрупкость, пористость, плотность, шершавость и т. д. Но один кирпич теплый, а другой холодный. Что такого есть в теплом кирпиче, что отличает его от холодного?
По простоте душевной ученые прежних времен предположили, будто теплота – это такая невидимая и невесомая жидкость, которая притекает в физическое тело. И чем ее больше притекло, тем горячее стало тело. Этой жидкости даже название дали – теплород, то есть рождающий тепло.
Вот какие фантазеры!
Но вы-то уже знаете, что такое тепло. Точнее, того, что вы уже знаете, вполне достаточно для ответа. Нужно только сделать одно ма-аленькое усилие, чтобы догадаться.
Я вам помогу. Подтолкну, так сказать, на скользкую дорожку знаний.
Смотрите, мы нагреваем тело, то есть накачиваем в него тепло, и что же с ним происходит? Сначала тело расширяется. Почему? А все тела при нагревании расширяются, так как амплитуда, то есть размах колебаний, молекул этого тела увеличивается.
Потом тело постепенно нагревается до температуры плавления, тает, становится жидкостью, а затем, достигнув температуры кипения, и вовсе быстренько испаряется, превращаясь в газ. При этом мы уже знаем, что происходит с молекулами этого тела.
Если раньше в твердом теле они чуть шевелились, шлепая синими губами от холода, то потом ускорились настолько, что разломали всю кристаллическую структуру, в которой состояли. Как солдаты, отпущенные из строя, ломают строй, разбредаясь в разные стороны.
Вот почему тело при нагревании расширяется
Затем, по мере дальнейшего нагрева, молекулы становятся еще более активными и быстрыми. Им тесно в сумасшедшей толчее! Расстояние между молекулами растет. И в конце концов их скорости становятся такими большими, что пересиливают взаимное притяжение, самые шустрые улетают прочь, испаряясь. И в конце концов вся жидкость превращается в газ – ее молекулы разлетаются в разные стороны к чертовой матери.
Отсюда, кстати, понятно, почему летают воздушные шары, наполненные горячим воздухом. Потому что теплый воздух легче холодного! Что это значит? Это значит, что один объем теплого воздуха весит меньше, чем тот же объем воздуха холодного. Почему? А потому что в теплом воздухе скорости молекул и расстояния между молекулами больше, чем в холодном. При нагревании предметы расширяются, и газ – не исключение. Значит, в одном и том же объеме теплого воздуха помещается меньше молекул. Оттого и вес меньше.
Вот почему горячий воздух легче холодного – там вещества меньше! Или, иначе говоря, теплый воздух разряженнее.
Что мы делаем? Мы разгоняем его молекулы, сообщая им все большую и большую скорость.
То есть что такое тепло? Тепло – это и есть скорость молекул, составляющих тело!
Еще раз: тепло – это средняя скорость движения частичек тела. Чем выше температура, тем выше скорость молекул.
В холодном кирпиче молекулы еле шевелятся. В горячем уже энергично пихаются и активно толкаются локтями. Вот именно эти толчки мы, приложив руку к кирпичу, ощущаем, как тепло. Поняли? Молекулы активно барабанят по нашей ладони, а мы думает, что это «тепло». Никакого отдельного от физического тела «тепла» нет. Оно всего лишь – наши ощущения от скорости движения его молекул.
Чем больше скорость колебания молекул, тем горячее нам кажется. А чем меньше – тем холоднее. Но тогда получается, что должна быть предельно низкая температура, ниже которой уже и быть не может – когда молекулы тела уже практически не дрожат, а замерли в оцепенении.
Именно так! Это для высокой температуры пределов практически нет – внутри Солнца, например, температура достигает 20 миллионов градусов – вот как быстро там носятся частицы. А для низкой температуры предел есть, он называется Абсолютным нулем температуры. Существует даже температурная шкала, названная по имени британского ученого шкалой Кельвина, которая начинает свой отсчет от абсолютного нуля. Абсолютный нуль Кельвина по привычной нам шкале Цельсия составляет минус 273 градуса. Ниже температур не бывает.
Другими словами, вода поделится с камнем своей энергией. И вскоре, как уже было сказано, температуры воды и камня выравняются. Это просто.
Это весьма смутная категория в физике. И вместе с тем очень простая для понимания.
Думаю, интуитивно, что такое энергия, ясно каждому ребенку и в особых объяснениях не нуждается.
Мальчик бежит быстро, он весь красный и взъерошенный. Это очень энергичный мальчик! А вялый мальчик, который лежит на диване бледный, обладает низкой энергией. Ему нужно побольше каши есть, то есть подзарядиться слегка.
Если батарейка села, мы говорим, что энергия в ней кончилась.
Если мы разогнали тело до большой скорости – например, пулю, – то она стала высокоэнергичной и может пробить толстую доску. А пуля низкой энергии, то есть брошенная рукой, доску не пробьет. И газету может не пробить, если скорость низкая. Видите, энергия может быть связана со скоростью. Такая энергия называется кинетической (от греческого слова kinetikos – движение).
Автомобиль накапливает энергию для движения путем заполнения бака горючим. А почему оно называется «горючим»? Да потому что горит (окисляется, то есть химически реагирует с кислородом) и при этом выделяется много энергии. В бензине уйма энергии – если бензин сжечь, она высвободится в виде тепла и света. Это внутренняя, химическая энергия, запасенная внутри самого вещества. Вещество нужно разрушить, чтобы она высвободилась.
А еще энергия может быть связана с положением тела в пространстве. Часы с кукушкой видели? Они работают от гири с цепочкой. У вас есть такие часы? Если нет, это совершенно недопустимо, нужно непременно приобрести! Велите маме. Потому что это очень хорошие часы. Гирю поднимаешь, и она начинает постепенно опускаться. А цепочка, на которой висит гиря, медленно крутит шестерни часов. И они идут себе. Настоящее механическое чудо. Кукушка кукует. Плохо ли?
Когда гиря коснулась пола и опускаться ей больше некуда, часы, естественно, останавливаются. Но горевать не надо. Нужно просто потянуть за цепочку и поднять гирю снова. Что мы таким образом сделали с точки зрения энергетики? Запасли в гире энергию, изменив ее высоту. Если тело на высоте, оно в принципе может падать к земле. Значит обладает энергией. Какой? Такая энергия называется потенциальной, то есть возможной. Отпустим тело с высоты, чтобы оно падало, и этот потенциал реализуется – тело начнет набирать скорость и его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую, то есть в скорость.
Выводы? Они прекрасны! И их два.
Первый. Энергия одних видов может переходить в другие, например, потенциальная в кинетическую, химическая в тепловую.
Второй. Энергию можно запасать. Поднял гирю – запас энергию.
Сжал пружину – запас энергию.
Зарядил аккумулятор – запас энергию.
Покушал – запас энергию в виде жира на боках.
Разогнал тело – придал ему энергию.
Значит, что такое энергия? Это некое свойство, способность тела совершить полезное действие, какую-то работу. Запустить ход часов, если это гиря. Вытолкнуть присоску на палочке из ствола детского пистолета, если это сжатая пружина. Зажечь лампочку, если это батарея или аккумулятор. Разогнать машину, если речь о бензине. Насытить хилого мальчика, придав ему скорость, если речь о пище.
Вот что такое энергия.
Но помните – за все за это придется заплатить. И за батареку, и за еду из магазина. И за электричество в розетке. Даже на поднятие гири часов вы потратите свою личную энергию, которую получили из пищи. Совсем немножечко, но потратите.
Так уж устроен этот мир, что за все хорошее в нем приходится платить – за любое строительство, за любое созидание. Только за разрушение платить ничего не нужно: если опустить ручки и ничего не делать, все рано или поздно разрушится или испортится. Отчего это так, мы поймем позже. А пока нам нужно запомнить то, что все и так знают: энергия из ниоткуда не берется. Сколько позаимствовал, столько и потратишь, и ни капелькой больше.
Энергия ветра, который крутит лопасти ветряков, – тоже солнечная в конечном итоге. Ведь Солнце нагревает атмосферу, отчего и случаются ветры, дожди, ураганы…
И пища, которую мы едим, – тоже дар звезды по имени Солнце. Потому как без света не могут расти растения, которые мы кушаем. Растениями питаются также животные, которых мы едим. Кушать было бы нечего без Солнца!
Вот мы говорили о делимости вещества. Узнали, что все сложные вещества состоят из простых (элементарных). Простых веществ, которые еще называют химическими элементами, около сотни, и все они занесены в табличку Менделеева.
Самая маленькая частичка сложного (то есть сложенного из простых) вещества называется молекулой. И если молекулу разделить, получатся атомы уже совсем других веществ – те самые детальки мирового конструктора. У них уже совсем другие свойства: поваренная соль белая и полезная, а натрий и хлор, из которых сделана соль, очень даже агрессивные и ведут себя совершенно по-другому. Это понятно.
Но что будет, если попробовать разделить атом химического элемента, то есть детальку конструктора? Атом вообще делим?
Вот какой вопрос должен был прийти вам в голову. Приходил?
Глава 3
Атом тоже являет собой составную конструкцию. Получается, что детальки тоже устроены из деталек, только более мелких. Почему же греки называли атом неделимым? Мы уже знаем ответ: потому что деление мельчайшей крошки вещества – атома – приводит к тому, что вещество перестает существовать в своем привычном виде! Как перестает существовать автомобиль, если его разобрать на отдельные части – колеса, поршни, гайки, рычаги…
Все в мире сделано, как мы уже выяснили, из примерно сотни атомов (химических элементов). А сами атомы? Они состоят всего из трех деталек, только в разных сочетаниях.
Всего из трех!
В это трудно поверить, но все многообразие окружающей нас природы – звезды, планеты, мама с папой, хлеб, собака, воздух – это всего лишь разные наборы трех частичек, которые сначала складываются в атомы, а уж затем атомы составляют молекулы, строящие мир. Но в основе мира – всего три частицы. Частицы эти называются элементарными.
Опять возникает это слово «элементарные»!
Простейшие химические вещества, которые занесены в таблицу Менделеева, называют химическими элементами. И частицы, из которых сделаны эти элементы, тоже называются элементарными.
А имена у них есть?
Есть. Знакомьтесь:
Не вдаваясь в ненужные подробности, отвечу так: нет! Не состоят!
– Позвольте! – скажет мне какой-нибудь умный ребенок, поправляя пальчиком круглые очки. – Позвольте! Весь мой опыт говорит о том, что если по чему-то сильно стукнуть, оно развалится на части. Чашка на осколки, молекула на атомы, атомы – на эти ваши элементарные частицы. А если стукнуть по частицам, на что они развалятся, гражданин хороший?
– Какой умный мальчик! – отвечу я с некоторой робостью. – Проник в самую суть вещей! Стукнуть, говорит, надо. Именно так и поступают физики, когда изучают частицы! Они разгоняют их в специальных ускорителях и стукают друг об друга. А чем их еще стукнуть, чтобы разломать, если они – самые маленькие в мире? Вот их друг об друга и стукают.
И как вы думаете, что получается?
Элементарные частицы не разваливаются на составляющие, а превращаются в другие элементарные частицы. Причем эти превращения, которые называют ядерными реакциями, зависят от скорости, до которой разогнали частицы. То есть от той энергии, которую частицам сообщили. Дело в том, что энергия (скорость) может превращаться в вещество, в массу. И более того – при глубоком рассмотрении оказывается, что это одно и то же – энергия и масса, представляете! Мир един. Но об этом мы поговорим позже.
А сейчас познакомимся поближе с элементарными частицами. Они ужасно милые! (Вообще говоря, элементарных частиц довольно много. Но главных, из которых сделано все вещество в мире, всего три, как уже было сказано. Ими мы и займемся, а остальной вселенский мусор оставим взрослым физикам.)
С чего начнем?
Давайте с электрона. Он самый маленький, а маленьких обижать нельзя.
Итак, под свет прожекторов на сцену нашего внимания, раскланиваясь, выходит электрон. Что мы можем о нем сказать? Какого он цвета? Он шершавый? Он влажный, твердый, газообразный? Он теплоемкий?
Нет! Все те свойства, к которым мы привыкли в нашем большом мире (он называется макромир), не имеют никакого отношения к миру элементарных частиц (микромиру). Нет в микромире ни цвета, ни запаха, ни шершавости, ни твердости. Это все свойства макромира. Все эти свойства складываются из множества частиц, это макросвойства. А по отдельности частицы этих свойств не имеют.
А что же они имеют?
Ну, что есть у того же электрона? Ведь какие-то свойства у него должны быть! Иначе бы его не существовало! Ведь существовать – это значит проявлять себя как-то, то есть иметь свойства!
Да, некоторые свойства у электрона есть. У него есть масса. Про нее мы уже говорили – электрон очень легонький, самый легонький из всей троицы.
Электрон в 1820 раз легче протона. Для сравнения: если протон – это танк, то электрон – это одна канистра с топливом. Если протон – человек, то электрон – это авторучка в его кармане. Вот такая разница в массе.
Заметили, кстати, новый физический термин необыкновенной сложности – «масса»? Я его как бы между делом ввел. Надеюсь, не огорчил.
Что это такое? Масса – это просто количество вещества. Чем тело тяжелее, тем оно массивнее. Папа массивнее ребенка. Танк массивнее автомобиля. Солнце массивнее Земли.
Массу не нужно путать с весом. Хотя многие взрослые путают. Даже генералы и начальники. А, может, и сам президент. Между тем это совершенно разные вещи! Вес – это сила, с которой Земля притягивает массу. Сила, с которой массивное тело давит на опору, на которой лежит, или растягивает подвес, на котором висит. В космосе, в невесомости никакого веса нет, потому невесомость так и называется. Но все равно даже в невесомости толстый космонавт гораздо массивнее щуплого. И если они оттолкнутся друг от друга, то полетят в разные стороны с разными скоростями – толстый медленно, а щуплый быстро! Потому что количество вещества в их телах разное, в толстом вещества много, а в худом кот наплакал.
Вес и масса физиками даже измеряются в разных единицах – масса в килограммах, а сила в особых единицах – ньютонах. Массу определяют с помощью весов, а силу с помощью специальных приборов – ньютонометров. Усекли?
Массу ученые люди еще называют мерой инертности тела. Действительно, массивное тело очень инертное, чтобы его разогнать, нужно много усилий потратить. А легкое тело и разогнать легче, его инертность мала.
Электрон очень легок. Его масса составляет столь мизерную величину, что ее написание потребует от меня особой внимательности – чтобы в нулях не ошибиться:
0,0000000000000000000000000009 грамма – вот сколько весит электрон.
А еще у электрона есть размер. Он тоже крохотный:
0,00000000000000001 миллиметра – вот какого электрон диаметра.
Электрон можно представить себе, как маленький шарик, который вращается вокруг своей оси. Этакая малюсенькая планетка.
Причем, как вы понимаете, электрончик может вращаться или в одну сторону, или в другую, как это показано на рисунке ниже. И это тоже одно из свойств электрона – левое вращение или правое. По-научному вращение электрона называют спином. Не спиной, поскольку никакой спины у шарика нет, а спином. Спин – это собственное вращение электрона, от английского слова «spin» (вращение).
Вращение летящего в направлении стрелки электрона может быть правым или левым.
Если в винтовочном стволе правая нарезка, то вылетевшая из ствола пуля будет иметь вращение вправо. А если левая – влево. Теперь представьте, что мы стреляем в мишень, свободно закрепленную в центре и могущую вращаться. В этом случае пули с правым вращением, впиваясь в мишень, будут передавать ей свое вращение, постепенно раскручивая в ту же сторону – примерно как отвертка крутит винт.
Если мы не знаем, в какую сторону крутятся вылетающие из ствола пули, можно поставить опыт, стреляя по крутящейся мишени. В какую сторону она завертится, в такую и пули крутятся.
Правые пули закрутят мишень вправо, левые – влево.
Но спин – это сущая ерунда по сравнению с последним и самым загадочным свойством электрона. Свойство это называется зарядом. Но заряд не в том смысле, что электрон чем-то заряжен, как винтовка патроном, потому что патрон из винтовки можно вынуть. А этот загадочный заряд из электрона вынуть нельзя. Он ему присущ, он его часть. Он – главное его свойство. Электрон, собственно говоря, и есть заряд!
Давным давно люди заметили, что если кусочек янтаря натереть шерстяной тканью, он начнет притягивать маленькие кусочки бумажки. Янтарь – это окаменевшая сосновая смола. Наверняка у вашей мамы есть янтарные безделушки – кулончик или сережки. Безделушки надо приспособить к делу! Возьмите кулон, тщательно выковыряйте из оправы желтоватый янтарь (маме он больше не понадобится), возьмите шерстяной носок, нарвите бумагу на крохотные кусочки. После чего, потерев янтарь, попробуйте притянуть им бумажные клочки.
Надеюсь, вам не влетит за смелые исследования.
На указанное явление впервые обратили внимание те же древние греки, весьма вдумчивый народец. По-гречески янтарь – «электрон». И вы, наверное, уже догадались, что за притягивание бумажек отвечают электроны, раз эти частички физиками были названы в честь янтаря.
Действительно, в этом простом эксперименте человечество впервые столкнулось с действием электрических сил, которые обусловлены электрическим зарядом.
Теперь-то мы к электричеству привыкли. Теперь мы без него жить не можем. Теперь у нас кругом розетки, которые больно бьют током догадливых детей, додумавшихся сунуть туда свой тонкий пальчик. Теперь нас просто окружает электричество, без коего и шагу не ступить. Стиральные машины, лифты, лампы, холодильники, троллейбусы и электрички, радиоприемники и телевизоры, заводы и фабрики – все работает на электричестве. Линии электропередач передают потребителям электрический ток, который вырабатывается электростанциями.
Короче говоря, заряд электрона – это некое свойство, которое характеризуется… чем? Ясно, чем характеризуется масса. Инертностью! Чем массивнее тело, тем труднее его разгонять. Попробовали потолкать – ого! тяжеленное! А заряд как обнаружить?
А заряд проявляет себя тем, что он притягивается к другому заряду – противоположному.
Существуют два вида зарядов – положительный и отрицательный. Ничего положительного и отрицательного в бытовом смысле в них нет, они не хорошие и не плохие, просто их так назвали когда-то да и все. Обозначают положительный заряд знаком плюс – «+», а отрицательный знаком минус – «-». Эти знаки вы тыщу раз видели на разных батарейках. А если не видели, сходите да посмотрите. Мне кажется, лучше всего попробовать выломать батарейку из папиных часов с помощью молотка и отвертки.
Электрон является носителем отрицательного заряда, а протон – положительного. Разноименные заряды притягиваются друг к другу, одноименные отталкиваются. Это прекрасно видно на рисунке.
Притяжение и отталкивание электрических зарядов.
Вот так мы и к протону незаметно перешли. Посмотрим-ка на него внимательно.
Если электрон маленький, легонький и электроотрицательный (минус), то протон большой, тяжелый и электроположительный (плюс). Полная противоположность! При этом протон и электрон притягиваются друг к другу.
Электрон и протон – на вид очень разные ребята. И масса, и размер у них разные. А вот заряд одинаковый – заряд протона в точности равен заряду электрона, только знак имеет противоположный.
Что еще сказать о протоне? По сравнению с электроном он просто гигант! Если вы забыли, я напомню – протон в 1820 раз тяжелее электрона. И по размерам, соответственно, больше.
Поскольку плюс и минус притягиваются, протон и электрон притягиваются друг к другу и могут образовать пару, напоминающую звездную систему. Только в звездной системе планета кружится вокруг светила, а тут электрон будет кружиться вокруг протона.
Самая простая подобного рода система состоит из одного протона, вокруг которого крутится один электрон.
Латинской буквой «Р» в научном мире обознается протон, а значком «е» – электрон. Плюсик обозначает положительный заряд у протона, минусик – отрицательный у электрона. Впрочем, это вы и так уже поняли, я думаю.
Аналогичные, казалось бы, системы. Только одна из них (звездная) существует в макромире, а другая (атомная) в микромире. Но разница, тем не менее, есть. И состоит она, главным образом в том, что планета и звезда электронейтральны, то есть не обладают зарядом (никто еще не догадался потереть Солнце шерстяной тряпочкой). А электрон и протон обладают зарядом, то есть их притягивает друг к другу электрический заряд. А планету к звезде притягивает сила всемирного тяготения, которая действует на все массивные тела. Та самая, которая бросает вас на землю, когда вы спотыкаетесь и падаете. Та самая, которая неудержимо влечет вниз любимую мамину чашку, которую вы взяли без разрешения и уронили. Почему она на пол-то летит, свинья такая?
Притягивается.
Все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. И чем больше масса, тем сильнее.
Вообще-то говоря, электрон и протон тоже имеют массу и потому притягиваются друг к другу без всякого заряда. Но их массы такие крошечные, что не смогли бы устроить между ними устойчивую связь без помощи зарядов.
А знаете, что это такое у нас получилось – ну, когда один электрон мы запустили крутиться вокруг одного протона?
Это атом водорода.
Самый легкий химический элемент. Самое простое вещество на свете. Номер первый в таблице Менделеева. Всего-навсего один протон и один электрон – и вот мы уже имеем газ водород. Вообще-то, строго говоря, в атомарном состоянии водород как газ не встречается. Он существует в виде молекулы из двух атомов водорода – Н
. Два атома водорода сцепляются вместе и образуют молекулу газа по имени водород. Но это уже мелочи. Главное, что нам удалось собрать всего из двух элементарных частиц первое химическое вещество. Для этого даже третья элементарная частица не понадобилась – нейтрон.
Нейтрон – парень скромный. Он не обладает таким ярким характером, как протон, хотя они очень похожи. У нейтрона почти такая же масса, как у протона, и практически такой же размер. Но заряда у нейтрона нет. Он нейтральный.
А на фиг он тогда нужен?
И вправду, мы вон вполне удачно собрали первое, правда, пока самое простое вещество всего из двух элементарных частичек. Так зачем нужен нейтрон?
Разгадку этой загадки я открою чуть позже. А пока скажу обтекаемо: природе нейтрон зачем-то понадобился. И уже в следующем химическом элементе он присутствует.
Давайте попробуем собрать что-нибудь посложнее водорода!
Как? Простая логика подсказывает: если у нас в простейшем веществе две частички, надо добавить еще одну – третью. Вот вокруг нашего Солнца вращается около десятка планет. И поскольку атом напоминает планетную систему, давайте запустим вокруг протона еще несколько электронов.
Это будет сложновато! Я ведь не зря выше сказал, что заряды протона и электрона равны. Положительный заряд протона уже скомпенсирован отрицательным зарядом электрона, который кружится вокруг него. У протона уже силенки не хватит притянуть и удержать еще один электрон.
К тому же надо вот на что внимание обратить – атом водорода электронейтрален, то есть минусовый заряд электрона компенсируется в нем плюсовым зарядом протона. Потому и говорят, что для внешнего наблюдателя атом нейтрален. Все вещество, которое нас окружает, электронейтрально. А если случайно на нем накопится заряд, как на синтетической кофте, которую снимают через голову, или на янтаре, когда его шерстью потрешь, то вещество начнет притягивать мелкие предметы, потрескивать и даже искрить. Потрите резиновый воздушный шарик о голову, и он начнет волосы притягивать. Но это редкость, обычно вещество у нас в руках не искрит, не трещит, никуда ничего не притягивает и вообще ведет себя прилично. Нейтрально.
Поэтому если нам надо создать вещество, поимеем в виду, что оно должно быть электронейтрально, то есть число плюсиков в его атоме должно быть равно числу минусиков.
Значит, чтобы собрать что-то посложнее водорода, нужно в дополнение ко второму электрону на орбите всобачить ему в центр (в ядро) еще один протон. Потому что один протон два электрона не удержит, заряда не хватит. А два протона запросто удержат два электрона. И тогда все уравновесится – в ядре атома будет два плюсовых заряда от двух протонов, а вокруг будут крутиться два электрона с двумя минусовыми зарядиками. И в целом атом останется электронейтральным.
И таким образом что у нас получилось?
У нас почти получился гелий – вещество номер 2 в таблице Менделеева. До настоящего гелия ему не хватает только двух нейтронов в ядре. Добавим их, и получится гелий.
Атом гелия – два протона, два нейтрона, два электрона. Отлично поработали!
Природа устроила так, что количеству протонов в ядре атома приблизительно соответствует количество нейтронов. То есть если мы будем сооружать атом, например, с 10 протонами в ядре и 10 электронами на орбитах, то нам придется вдуть в ядро еще с десяток нейтронов. Балласт.
Поскольку протоны и нейтроны очень похожи (за исключением заряда), их часто называют одним словом – нуклоны. Ядро атома состоит из нуклонов, а вокруг кружатся в бесконечном вальсе электроны. Прелестно!
Из этих трех деталюшек складывается весь наш мир.
Вы, надеюсь, уже нашли водород, гелий и литий в таблице Менделеева…
А теперь поступим так. Найдите-ка в таблице наше родное и всеми горячо любимое золото. Стойте!.. Лучше, чтобы вы не листали книгу туда-сюда, я просто сам перенесу из таблицы Менделеева клеточку с золотом сюда. И расположу ее чуть ниже золотых слитков.
Золото. Согласитесь, посмотреть приятно! Эти бы слитки да в хорошие руки!
А вот клеточка из таблицы Менделеева, где томится золото.
Мы видим тут значок золота – Au (аурум) – и две цифры. Верхняя – это порядковый номер элемента в таблице Менделеева. У золота № 79. Почему такой?
Отчего золото оказалось в периодической таблице элементов под номером 79?
Не знаете? А могли бы и догадаться! Вспомните, как мы строили первые три простейшие вещества. У первого, водорода – один протон и один электрон. У второго, гелия – по два. У третьего, лития – по три. Уловили закономерность? Порядковый номер – это количество протонов в ядре атома и электронов на орбите, вот и все! Если элемент стоит в таблице Менделеева пятым, то это только потому, что у него пять протонов в ядре, а вокруг кружатся 5 электронов.
А вторая цифра, которая внизу, что значит? Выглядит она страшно, но пугаться не стоит. Это атомная масса. Только выражена она не в килограммах или граммах, а в атомных единицах, где гирькой служит нуклон. 1 нуклон – это одна единица массы. Два нуклона – две единицы атомной массы. Крайне просто.
Иногда еще атомную массу называют атомным весом.
Мы знаем, что вес и масса – разные вещи, но так сложилось в науке, что атомный вес является синонимом атомной массы. Примем это как данность. Жалко что ли? Мы же говорим «чайник закипел», хотя кипит вовсе не чайник, а вода в чайнике.
Проще говоря, атомная масса, которая указана возле каждого элемента в таблице Менделеева до запятой – это общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в его ядре.
Посмотрите, в ядре атома золота 196 частиц. Протонов там, как мы уже выяснили, 79 штук. Все остальное – нейтроны. Возьмите калькулятор и посчитайте… Не хотите? Ну, ладно, я за вас посчитаю:
196 – 79 = 117
Получается, у золота 117 нейтронов в атоме.
Внимательный детский глаз может, еще раз оглядев клеточку золота, вырезанную из менделеевской таблицы, послать сигнал в хитрый детский мозг, и мозг озаботится ненужным вопросом:
– Дяденька писатель! А что там еще за цифры стоят после запятой? Ну, после 196?
Ох, не хотел я вам этого говорить, дети, хотел утаить, но раз к стенке приперли, придется расколоться.
Это очень трудно, друзья мои! Не каждый взрослый об этом знает! А вы поймете за одну минуту.
В обычном нормальном атоме золота, как мы уже выяснили, 117 нейтронов и 79 протонов. Но иногда встречаются атомы-уродцы. Довольно редко. У них есть лишние нейтроны. Как иногда у людей бывает по шесть пальцев на руках. Нечастое явление.
Предположим, на тысячу нормальных атомов приходится один дефектный. И если в норме в атоме золота 117 нейтронов, то иногда встречаются «вспухшие» уродливые атомы, в которых 118 нейтронов. Все помидорчики как помидорчики, а у одного помидора какой-то уродский вырост на боку. Ничего, мы и такой съедим.
Атомы-уродцы называют изотопами. Именно из-за них, кособоких паразитов средний вес всех атомов отличается от целого числа. Что понятно: если у нас из десяти атомов все десять имеют атомный вес в 6 единиц, то и средний атомный весь будет равен ровно шести:
(6+6+6+6+6+6+6+6+6+6): 10 = 6
А вот если один из десяти атомов имеет вес в 7 единиц, средний вес изменится:
(6+6+6+6+6+7+6+6+6+6): 10 = 6, 1
Видите, после запятой появилась циферка, которая говорит о том, что не «все шестерки одинаковы».
Если вы внимательно посмотрите на атомные веса элементов в таблице Менделеева, то увидите, что все они не являются целыми числами. Значит, каждое элементарное вещество имеет уродливые атомы. Даже водород. Хотя, казалось бы, проще водорода ничего быть не может – один протон, вокруг которого крутится один электрон, вот и весь атом. Эта не какой-нибудь свинец, у которого в ядре больше двух сотен нуклонов, а вокруг этого огромного ядра кружится больше восьмидесяти электронов!
Однако все же бывают атомы водорода, в ядре которых, кроме протона, есть еще и нейтрон. Один. А порой и два! Такой водород называют тяжелым. Потому что его атом тяжелее обычного.
На рисунке ниже нарисованы атомы нормального водорода и редкие уродики, а также написано, как эти уродики называются.
Но так как атомы-уродцы встречаются редко, говорить мы о них пока прекращаем. Я рассказал вам про изотопы лишь затем, чтобы объяснить наличие циферок после запятой. Вы на эти циферки просто внимания не обращайте да и все.
Вы теперь и так знаете слишком много! Вы представляете, по каким принципам строится вещество. Берите любой атом из таблицы Менделеева и рассказывайте про него маме или даже папе. Задавайте контрольные вопросы. Проверяйте усвоенный материал.
А пока взрослые морщат лоб и мычат в свое оправдание что-то типа «я, конечно, в школе учи-и-ил, но забы-ы-ыл», мы с вами возьмем сейчас тот же хлор и натрий, из которого ранее соль поваренную делали, и посмотрим, что тут к чему.
Натрий. Легкий металл. Как он сделан? Его номер 11-й. Значит, 11 протонов и 11 электронов. Атомный вес натрия – 22. То есть в ядре 22 нуклона.
22 нуклона минус 11 протонов = 11 нейтронов. Все. Атом натрия готов.
Теперь хлор надо собрать по инструкции дяденьки Менделеева.
У хлора номер 17. То есть 17 протонов и 17 электронов. Атомный вес (число нуклонов в ядре) – 35.
35 – 17 = 18 нейтронов. Все, собрали хлор.
Теперь соединяем два этих атома – хлора и натрия, – зацепив один за другой колечками самых дальних электронных орбит, и получаем сложное вещество – молекулу поваренной соли.
Так строятся все вещества – сцепляясь дальними орбитами электронов. При этом дальние электрончики, которые крутились на этих орбитах, становятся как бы общими для обоих ядер.
Все, можно стереть пот со лба. Мы освоили химию и физику элементарных частиц. Слава Менделееву! Науке слава!
Молекула поваренной соли – хлорид натрия. Кушать подано!
Теперь осталась одна маленькая деталь, которую нужно знать каждому приличному ребенку. Один маленький штрих, который завершит картину мироздания, сделав ее в ваших блестящих глазах более полной и блестящей.
Итак, мы знаем, что практически все окружающее нас вещество электронейтрально. Если вы дотрагиваетесь до шкафа, он не бьет вас током. Потому что в веществе шкафа количество положительных зарядов равно количеству отрицательных. Его атомы электронейтральны.
Но что будет, если атом потеряет один или два электрона? Вот такой рассеянный атом. Может такое быть? Может! Какое-нибудь сильное воздействие может парочку электрончиков у атома оторвать.
Вы скажете (подсмотрев в таблицу Менделеева):
– Ха! Даже если такое случится, невелика потеря! Вокруг ядра атома могут крутиться под сотню электронов! Например, у радия их 88. Некисло так! Подумаешь, пару потеряет…
Однако потеря даже одного отрицательного заряда означает избыток заряда положительного. Если атом теряет электрон, значит у него остается один «лишний», нескомпенсированный протон. И атом в целом таким образом приобретает положительный заряд +1.
А если атом теряет два электрона, то он приобретает заряд +2.
Бывает и наоборот – когда к атому присоседится какой-нибудь приблудный лишний электрон. В этом случае атом получает один отрицательный заряд -1.
Случаи бывают разные…
Такие заряженные атомы называются ионами.
Так вот в этих условиях скорость соударения атомов водорода такова, что «крышу срывает» у атомов на всю катушку. Атомы разрушаются, электроны слетают со своих орбит и начинают метаться одни, так же, как и протоны. Получается хаотическая электронно-протонная смесь или, иначе говоря, ионизированная плазма.
Плазма – горячая смесь ионов. Огонь – это тоже плазма. Только в обычном пламени костра или свечи содержание ионов не такое большое, как на Солнце, потому что температура ниже.
Я загрузил вас новыми словами – «ионы», «плазма». Но зато теперь вы можете похвастаться тем, что знаете целых четыре состояния вещества!
Первое – твердое. Атомы и молекулы в таком веществе крепко держатся друг за друга, никуда не бегают, а только чуть-чуть дрожат и топчутся на одном месте, образуя кристаллическую решетку.
Второе состояние вещества – жидкое. Здесь уже энергетика частичек вещества такова, что они ломают кристаллическую структуру, рушат тесные ряды и начинают хаотически бродить, будучи не в силах удержаться в твердой структуре. Растекаются. Но еще не разлетаются друг от друга.
Разлетаться они начнут в третьем состоянии вещества – газообразном, которое наступит при дальнейшем нагреве, то есть дальнейшей накачке вещества энергией. Тогда скорость атомов станет уже такой, что силы их притяжения не смогут сдерживать энергичность расшалившихся атомов. Они просто разлетятся друг от друга и рассеются в пространстве.
Если же газ собрать в каком-то закрытом объеме или просто удерживать мощной силой гравитации (как на Солнце) и продолжать нагревать, то энергетика атомов станет уже такой огромной, что при столкновении друг с другом будут разрушаться уже сами атомы – с них начнет срывать электронные шубы. И останутся только ионы, ионизированный газ – плазма. При этом газ начнет светиться, что говорит о его высокой температуре.
Плазма – это прекрасно. Мы любим смотреть на плазму…
Все вроде у нас хорошо, не правда ли? Мы познали основу основ – как устроено вещество.
Теперь, подойдя к папе, а лучше к маме, потому как папа может еще что-то помнить из института, можно устроить женщине строгий экзамен по теории вещества и уличить в полной научной беспомощности. После чего патетически воскликнуть: «И этот человек запрещает мне ковырять в носу!»
Однако остались еще некоторые тонкости, которые наверняка ускользнули от вашего внимания. И самая главная непонятка вот какая…
Мы теперь знаем, что плюсовый заряд и минусовый притягиваются, поэтому электрончик охотно тянется к протону, образуя атом. А вот одноименные заряды отталкиваются. Почему же тогда плюсовые протоны группируются вместе кучкой в центре атомного ядра?
Хороший вопрос. Умеете вы задавать трудные вопросы!
Действительно, если подумать, то ведь протоны должны разлететься друг от друга со страшной силой!
Вообще говоря, именно так и происходит. Если мы возьмем два свободных протона и начнем их осторожно подкатывать друг к другу, то нам это сделать не удастся – они не захотят даже приближаться друг к другу и будут отталкиваться с ужасной силой. И только приложив к ним еще более страшную силу и добавив немного нейтронов, мы вдруг увидим чудо – склеились!
Как же так? Почему? Что их удерживает, если силы электростатического отталкивания стремятся раскидать протоны, которые отталкиваются друг от друга, потому что положительно заряжены? Что пересиливает? Что держит?
Отвечу: ядерные силы.
То есть, прикладывая громадные усилия по противодействию электростатическому отталкиванию, нам надо сблизить нуклоны настолько, чтобы короткие, но очень мощные ручки ядерных сил схватили их и начали противостоять длинным, но тонким и относительно слабым ручкам электростатики.
Отталкивающая пружина – электрические силы. Крючки – ядерные силы
Ядерные силы – самые мощные силы в природе. Их по-другому даже так и называют – сильное взаимодействие.
Еще раз: сильное взаимодействие – это сцепление нуклонов на короткой дистанции, в пределах размеров атомного ядра.
Но даже этих мощных сил не хватило бы, чтобы удержать в ядре одни только протоны, без нейтронов. Вот вам и ответ, зачем природе понадобились нейтроны. Для склейки ядер! Поскольку у нейтронов заряда нет, а ядерные силы есть, нейтроны таким образом «разбавляют» общий положительный заряд ядра, уменьшая электростатическое отталкивание. И только потому большие ядра могут стабильно существовать.
Причем чем больше номер химического элемента, то есть чем больше в нем протонов и, стало быть, электростатического отталкивания, тем больше требуется нейтронов для разбавления. И потому чем ниже и правее расположен элемент в таблице Менделеева, чем он тяжелее, тем больше в нем нейтронов по сравнению с протонами. Если у углерода на 6 протонов приходится 6 нейтронов, то у ртути, например, на 80 протонов идет не 80, а целых 120 нейтронов.
И еще момент. Вы, разглядывая таблицу Менделеева, не задавались вопросом: а отчего в этом наборе элементарных веществ (химических элементов) всего порядка сотни наименований?
В таблице Менделеева на сегодня больше ста элементов, но самые тяжелые из них, с номером более 92 в природе не встречаются и были получены искусственно учеными в ядерных реакторах. Почему же сверхтяжелые элементы (так называют элементы тяжелее урана) не встречаются в природе?
Потому что их ядра нестойкие. Даже образовавшись, они вскоре распадаются. Они такие большущие, что их размеры превышают радиус действия короткодействующих ядерных сил. Которые уже не могут дотянуться с одного края атомного ядра до другого. И ядро разваливается, как разделяется слишком большая капля под собственным весом.
Именно поэтому в нашем мире меньше сотни элементов. Ничего, хватает, чтобы построить целый мир и озадаченно ковырять в носу, разглядывая его…
Ну, и раз уж мы заговорили о стабильности, надо упомянуть один постыдный факт из жизни нейтронов. Он заключается в следующем – в отличие от протонов и электронов свободные нейтроны нестабильны.
В ядрах атомов нейтроны прекрасно существуют. А вот оставшись в одиночестве, быстро «умирают». Время жизни свободного нейтрона всего 15 минут.
Что же с ними случается? Свободный, одинокий нейтрон распадается на протон и электрон. Нейтрон как бы выстреливает электроном, который уносится в пространство. И на месте бывшего нейтрона остается одинокий протон.
Помните, мы говорили, что нейтрон и протон имеют практически одинаковую массу? Их масса различается практически на один электрон. Иными словами, нейтрон тяжелее протона всего лишь на массу одного электрона. Нейтрон как бы состоит из протона и электрона в одном флаконе. Но именно «как бы», поскольку он является самостоятельной солидной частицей со своими свойствами, и никакого электрона «внутри» нейтрона не содержится, электрон образуется в момент распада, в результате распадной реакции.
И я вам больше скажу: в атомном ядре нейтроны и протоны постоянно превращаются друг в друга, словно перебрасываясь плюсовым зарядом. Эта перепасовка выглядит так – бросил протон нейтрону подачу и превратился в нейтрон. А нейтрон, принявший пас, стал протоном. Вот так они и живут там, внутри ядра – в постоянной паутине зарядовых перепасовок. Поэтому физики иногда говорят, что протон и нейтрон – это одна и та же частица, только в разном зарядовом состоянии. Поэтому их и объединили под общим названием – нуклон. Нормально?
Теперь сообщу вам еще одну тонкость, без которой наше погружение в микромир будет неполным. Эта тонкость столь тонка, что доставила в свое время ученым немало головной боли. Они давно обнаружили, что при распаде нейтрона образуются протон и электрон, но у них не сходился энергетический баланс. Ну, то есть до реакции распада в системе (у нейтрона) была одна энергия, а после распада – чуть меньшая: в сумме протон и электрон не давали той энергии, которую имел нейтрон. Куда-то исчезал кусочек. Таких вещей физики не любят!
То же самое с энергией – если до реакции было столько-то энергии, значит после реакции ее должно столько же и остаться. Она ведь никуда не исчезает и не берется из ниоткуда, она просто переходит в другие формы.
То же самое с зарядом. Общий заряд до эксперимента должен быть равен общему заряду после эксперимента.
С зарядом все обстояло прекрасно. Нейтрон заряда не имеет, то есть заряд у него нулевой. А после распада нейтрона получается протон с зарядом +1 и электрон с зарядом -1. Плюс один и минус один дают в сумме ноль. То есть и после реакции распада общий заряд системы остался нулевым. А вот небольшая доля энергии куда постоянно исчезала.
– Может быть, при этой реакции образуется еще одна какая-то частичка – без заряда и крайне маленькая, которую мы не умеем пока задержать? Она-то и уносит недостающую энергию, – задались вопросом ученые люди, наморщив лбы.
Так оно и оказалось. Частичку эту назвали нейтри?но. У нее нулевой электрической заряд (как у нейтрона), огромная скорость и еще одно свойство, из-за которого ее так долго не могли поймать – она почти не реагирует с веществом. Нейтрино может прошить свинцовую плиту толщиной от Земли до Солнца. Солнце излучает триллионы триллионов этих нейтрино, и кажду секунду они прошивают нас и всю Землю насквозь, а нам наплевать. Нет взаимодействия!
Зачем я вам рассказал про нейтрино? Зачем вам обращать свое драгоценное внимание на эту ничтожную частичку, если она нас совершенно не замечает, прошивая насквозь, никак не реагируя?
Я преследовал две причины. Во-первых, чтобы вы понимали – хотя учеными открыто уже довольно много всякой ерунды в микромире, типа нейтрино, но главными для нас все равно являются вот эти три частицы – электрон, протон, нейтрон. Из них сделано все вокруг нас.
А во-вторых, мы с вами уже имеем представление о двух главных силах в природе или, иначе говоря, двух основных взаимодействиях, а сейчас узнаем третье – вот как раз с помощью нейтрино.
Напомню, потому что повторенье – мать ученья, а мать надо любить:
1) есть ядерные силы, которые сцепляют протоны и нейтроны внутри ядра, сопротивляясь силам электрического отталкивания положительно заряженных протонов.
2) и есть эти самые силы электрического отталкивания и притяжения между частицами.
Вот две силы природы, которые мы уже знаем… Только я хочу вас попросить об одном одолжении. Уж уважьте старика! Давайте вместо «сила» будем говорить «взаимодействие». Я понимаю, что слово «сила» вам нравится больше, потому что оно привычнее. Но мы с вами теперь ученые люди, и нам пристали более точные слова и выражения. А мне представляется, что слово «взаимодействие» точнее и умнее. Так что вместо «ядерные силы» и «электромагнитные силы» скажем «сильное взаимодействие» и «электромагнитное взаимодействие».
Вообще все, что происходит в этом мире, все-все-все движения и явления…ну вот буквально все без исключения объясняется всего четырьмя взаимодействиями. Половину мы уже знаем.
Сильное взаимодействие сцепляет нуклоны в ядре, позволяя ядрам существовать. Без него ядер атомов просто не могло бы быть.
Второе взаимодействие – электромагнитное. Оно отвечает за притяжение разноименных зарядов и отталкивание одноименных. Плюсик отталкивается от плюсика, минус от минуса; а вот плюсик с минусиком притягиваются, словно магнитики. Поэтому минусовые электрончики охотно подлетают к положительно заряженным ядрам атомов и начинают вокруг них свое счастливое самозабвенное кружение.
Таким образом, электромагнитное взаимодействие обеспечивает нам существование уже не ядер атомов, а самих атомов в сборе. А поскольку все вокруг нас состоит из атомов, электромагнитное взаимодействие для нас является главным. Оно отвечает за все, что происходит в макромире вокруг нас. За всю химию, например, то есть за все химические реакции. Вся наука химия – это сплошное электрическое взаимодействие зарядов. Сила трения – тоже проявление электромагнитного взаимодействия. И фазовые переходы – таяние льда, испарение воды. Горение дров в печке. Работа нашего организма. Любовь к маме. Свет в окошке… Все это – проявление электромагнетизма.
Но если все вокруг нас – проявление всего двух сил, точнее, взаимодействий, то зачем нужны еще два взаимодействия? Зачем их четыре, если можно обойтись двумя?
Зададимся вопросом: а вот распад нейтрона – это какое взаимодействие? Нейтрон один-одинешенек, значит, никакие ядерные силы со стороны других нуклонов на него не действуют. И он электронейтрален – никакие электромагнитные силы на него тоже не действуют. Но он вдруг раз – и распадается. Под воздействием каких-то внутренних сил. Каких? Эти силы называют слабыми – в противовес сильным ядерным.
Слабое взаимодействие! Третье по счету. Именно оно отвечает за распад частиц. Казалось бы, пустяк. Но если бы не слабое взаимодействие, никакой жизни на нашей планете не было бы. Потому как слабое взаимодействие отвечает за те ядерные реакции, которые идут в Солнце и обеспечивают его свечение. Солнце – источник жизни на Земле. Основной поставщик энергии. Без слабого взаимодействия это было бы невозможно. Именно оно ответственно за те реакции, которые дарят нам тепло и свет.
Ну, а четвертая сила природы, четвертое и последнее взаимодействие – гравитационное. То, что мы ходим по поверхности планеты, а не улетаем в мировое пространство; то, что яблоки и прочие предметы падают на пол, а Земля крутится вокруг Солнца, подставляя ему то один, то другой бочок для обогрева и освещения, – это следствие гравитации, то есть всемирного тяготения. Без него нас бы тоже не было.
Все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Сила этого притяжения невелика, поэтому между не очень тяжелыми предметами совершенно незаметна. Вы, например, притягиваетесь к маме, но не падаете на нее, как камень на землю, потому что силы этого притяжения слишком малы. И только там, где в ход идут гигантские массы, типа массы нашей планеты, сила всемирного тяготения становится заметной и набивает шишки при падении. Земля притягивает, и это прекрасно.
Вот все четыре взаимодействия, которые существуют в природе. Больше никаких нет. И они за все происходящее в мире отвечают. Посмотрите на рисунок, там все прекрасно показано.
Теперь, узнав про это, вы стали необыкновенно умными. То ли еще будет!
Все происходящее в мире определяется четырьмя видами взаимодействий.
Человечество существует десятки тысяч лет. А наука в современном понимании этого слова существует лет двести. Ну, пусть триста. А до этого человечество слепо тыкалось в природу, норовя путем проб и ошибок чего-то достичь в практическом смысле. И вот, поднакопив знаний, человечество стало их систематизировать, анализировать и заложило основу науки. После чего прогресс и развитие цивилизации ускорились. Развитие человечества пошло невероятно быстро.
Даже вы, мой юный или не очень читатель, знаете об устройстве мира больше, чем знало все человечество пятьсот лет назад. Вы знаете, как устроено вещество. А раньше человечество об этом даже представления не имело. И потому в Средние века, то есть лет пятьсот – шестьсот назад была весьма популярной идея сделать золото из какой-нибудь дряни.
Люди, которые этим занимались, назывались алхимиками. Алхимия – предтеча химии, то есть невзрачное сухое зернышко, из которого потом выросло прекрасное растение науки по имени химия.
Алхимиков очень любили средневековые правители. Они выделяли им пару комнат в своих замках, и алхимики проводили там свои опыты – нагревали в банках и ретортах разные вещества, смешивали их в случайном порядке, пытаясь достичь результата. В основном их работа была направлена на поиск трех вещей:
– панацеи (лекарство от всех болезней),
– эликсира бессмертия (средство для вечной жизни)
– и философского камня, который бы превращал разные вещества в золото.
В надежде на эти прелести средневековые владельцы замков и оплачивали безумные опыты алхимиков, которых в народе считали колдунами.
Чаще всего алхимики пытались с помощью разных ухищрений превратить в золото ртуть и свинец. Почему?
А посмотрите в таблицу Менделеева! Где расположены ртуть и свинец? Рядом с золотом! То есть по тяжести они почти одинаковы. Точнее говоря, почти одинаковы по плотности. Интуиция подсказывала алхимикам, что раз у этих металлов похожи некоторые свойства (плотность), значит, копать надо в этом направлении, сделать еще какой- то шажок, чего-нибудь добавить, и серый невзрачный легкоплавкий мягкий тяжелый свинец превратится в желтое сверкающее мягкое тугоплавкое тяжелое золото.
Увы! Не получилось.
И мы теперь знаем, почему.
Потому что золото – химический элемент, то есть простейшее вещество. Сложное вещество можно собрать из простых. Сложное вещество можно разложить на простые. И если бы золото было веществом сложным, его можно было бы сконструировать из химических элементов, как поваренную соль можно сделать химическими методами из натрия и хлора, а воду – из водорода и кислорода.
Но золото вещество простое, это элементарная деталька химического конструктора природы. Из деталек можно собирать что-то более сложное химическими методами. А вот золото собирать не из чего: оно само уже сделано из элементарных частиц.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/aleksandr-nikonov/fizika-na-palcah-dlya-detey-i-roditeley-kotorye-hotyat-obyasnyat-detyam/?lfrom=159481197) на ЛитРес.
Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям
Александр Петрович Никонов
Библиотека вундеркинда
Понимаете ли вы теорию Стивена Хокинга и теорию относительности?
Знаете ли и сможете ли доступно объяснить основы квантовой физики?
Расскажете об открытии Марии Склодовской-Кюри?
Хотите понять самую модную науку XXI века?
Неважно, учитесь ли вы в школе или уже давно закончили ее. Если вы любознательный человек, то эта книга ДЛЯ ВАС!
САМАЯ ГЛАВНАЯ НАУКА – ЭТО ФИЗИКА! Так начинает эту книгу известный публицист, популяризатор теоретической науки Александр Никонов.
Александр Никонов
Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям
© Александр Никонов, текст
© Сергей Корсун, иллюстрации
© ООО «Издательство АСТ»
От доброго автора
У моего знакомого есть сын лет шести. И вот однажды папа, пребывая в благостном расположении духа, ему и говорит: «Ну, сынок, спроси меня что-нибудь, а я тебе отвечу!»
– Я-то по наивности думал, – рассказывал мне потом огорченный папа, – что он спросит меня, отчего ветер дует или еще какую-то ерунду, и я ему триумфально отвечу. Но он задал три вопроса: «Откуда взялся мир? Откуда взялась наша планета? Откуда взялись на ней люди?» И я понял, что моих знаний просто не хватит для ответа ни на один из этих вопросов.
Так вот, чтобы папы не подрывались, как на минах, на таких вопросах, а дети не ввергали своих родителей в подобный конфуз, я и решил написать серию книг, популярно отвечающих на подобные вопросы. Книга, которую вы держите в руках, – о физике.
Самая главная наука – это физика, друзья мои!
На физике, как на фундаменте, стоят все прочие науки, образуя своеобразную пирамидку наук – химия, биология, психология и пр. Потому что физика изучает основу основ – материю, из которой все в этом мире сделано.
А как называется ось этой пирамидки, на которую насаживаются разноцветные кругляшки наук?
Хороший вопрос! Ось пирамидки называется эволюцией. И блинчики наук на эту ось нанизываются по степени усложнения вещества, которое они изучают, по мере продвижения от мертвой материи к мозгу и разуму. Внизу – физика. Выше – химия. Потом – органическая химия. Затем – биохимия. Потом биология. И заканчивается все науками, изучающими высшую нервную деятельность – нейрофизиология, психология… Но в базе всего лежит физика, так как все сделано из материи, а физика изучает именно ее. Потому я и назвал физику самой главной наукой.
При этом и самая страшная наука – тоже физика! Физику многие боятся, как огня, считая трудной. Однако понимание зависит от способа изложения. Я очень жалею, что в моем детстве не было такой книжки, как эта: если бы я ее прочитал, ходил бы в школу с радостью и интересом, а не отбывать 10-летний срок.
Думаю, мою книгу будут читать не столько взрослые, сколько дети, поэтому по мере изложения я буду обращаться именно к ним, так как дети важнее взрослых. Но эту книгу втайне рекомендуется прочесть и взрослым, чтобы не попасть впросак и не спасовать при неудобных вопросах резко поумневшего ребенка.
Моя книга поможет детям не бояться физики и лучше успевать по этому предмету, а взрослым вернет в голову то, что туда недоложили в детстве из-за активного сопротивления. Кроме того, взрослым эта книга позволит по-иному взглянуть на мир. Впрочем, этой свойство всех моих книг.
Поехали?..
Часть I
Из чего же, из чего же, из чего же…
Что такое свет? Почему не всякая радиация вредна? Почему небо синее, а закат красный? Из чего сделана молния и что такое огонь? Почему далекие предметы кажутся нам маленькими, а при сближении словно вырастают в размерах? Отчего светят звезды? Что такое время? Чем порядок отличается от беспорядка? Из чего сделано тепло? Почему, если предоставить какую-нибудь вещь самой себе, она когда-нибудь в конце концов разрушится? Что такое тепловая смерть?.. На все эти вопросы отвечает физика.
Обычно изучать физику начинают с механики. Видимо, потому, что так исторически сложилось, ведь человека окружает мир твердых тел, с них он и начал путь познания, набивая по дороге знаний шишки о те самые твердые предметы.
Но мы с вами начнем с элементарных частиц. То есть с азов – с тех мельчайших частичек вещества, из которого это вещество и складывается. Если вы не против, конечно…
Глава 1
Откуда взялись атомы и зачем они нужны?
Атомы придумали древние греки. Так уж вышло, никто не виноват.
Впервые мысль о том, будто все вещество состоит из мельчайших неделимых частичек, выдвинули именно жители Древней Греции. И я вам по секрету скажу, большого ума для рождения этой идеи не требовалось! Древняя Греция – детство человечества. А любой ребенок в состоянии задуматься: что будет, если я начну вещество делить все дальше и дальше?
Ну, например, кусочек сахара или мела? Неужели этот процесс будет происходить до бесконечности? Если до бесконечности, то есть до беспредельно ничтожных размеров, то фактически получается, что все вещество состоит из пустоты? Или все-таки когда-то я доберусь до самого маленького неделимого элемента вещества?
Но что значит неделимого? А если по нему ударить хорошенечко? Может, он и разделится, но уже не будет обладать свойствами указанного вещества – вот что имеется в виду.
? Кстати, а что такое свойства? И какие они бывают?
Веществ разных в мире много. Есть камень, стекло, вода, железо, дерево, пластмасса… И у всех веществ разные свойства – твердость, цвет, плотность, хрупкость, способность проводить электрический ток, нагреваться и так далее.
Дерево плавает, а железо тонет. Дерево горит, а железо нет. Железо проводит электричество, а дерево нет. У железа высокая теплопроводность, попробуйте сунуть гвоздь в огонь – через очень короткое время он нагреется так, что его станет невозможно держать в руке. А вот горящую деревянную палочку (например, спичку) можно держать в руках долго – до тех пор, пока огонь не доберется до пальцев. Потому что у дерева теплопроводность очень низкая, очень плохо оно проводит тепло. А железо и все прочие металлы – отлично!
А кроме теплопроводности есть еще такое свойство, как теплоемкость. Это способность вещества накапливать тепло. Возьмите тонну воду и тонну золота и нагрейте градусов до 50 °C. Вода потом будет еще долго-долго оставаться теплой, а золото очень быстро остынет. Не запасает оно тепло. Низкая у золота тепловая емкость.
Зато золото гораздо плотнее воды! Представьте два одинаковых по размеру кубика из золота и воды… Не знаете, как сделать кубик из воды? Ну спросите папу, он поможет – разольет воду в специальную форму, похожую на вафлю, сунет в морозилку, потом вытащит замороженную воду в виде кубиков, один кубик отдаст вам, погладив по голове, а остальные бросит себе в бокал с алкоголем. После того, как папа станет добрый, попросите у него еще такой же по размеру кубик золота. И когда папа достанет его из кармана, возьмите два полученных кубика и быстро бегите взвешивать, пока ледяной кубик совсем не растаял.
Кстати, вот еще одно характерное свойство вещества – температура замерзания.
Результат взвешивания покажет, что золотой кубик примерно в 20 раз тяжелее ледяного. 20 ледяных кубиков уравновесили бы на весах один золотой. Потому что золото плотнее. Физики говорят так: у золота выше плотность. Плотность – это количество вещества в одном объеме – например, в одном стакане, кубическом сантиметре или одном кубическом метре. Один кубический метр воды весит одну тонну, а кубометр золота чуть ли не 20 тонн. Не всякий поднимет!
И раз уж пошла такая пьянка (у папы), я вам больше скажу, друзья мои! Зря мы соблазнили папу и замораживали воду, переводя ее в твердое состояние. Потому что плотность твердой воды (льда) отличается от плотности жидкой воды. Плотность льда чуть меньше, чем плотность воды, поэтому твердая вода в жидкой воде плавает словно дерево – вы сами сто раз видели, как лед плывет по реке. Дерево плавает в воде по той же причине – его плотность меньше плотности воды.
Одно и то же вещество может находиться в разных состояниях.
Как известно любому мальчику, дяденьке и пенсионеру, одно и то же вещество – вода, например, – может находиться в разных состояниях. Вода может быть жидкой. Такой она бывает, когда тепло. Вода может быть твердой, когда холодно. И она может быть газообразной или, попросту говоря, газом. Газообразная вода называется паром. Если воду налить в кастрюлю и начать нагревать, в конце концов она вся выкипит. То есть превратится в водяной пар. Ну и черт с ней! Не жалко, еще из крана нальем.
У каждого вещества своя температура замерзания (она же температура плавления). Температура замерзания/ плавления воды – ноль градусов по Цельсию. Температура кипения – 100 градусов. Как же так удивительно получилось? Что за чудесное совпадение? Почему так ровно – ноль и сто? Эта вода нарочно что ли так себя ведет для нашего удобства? Неужели сама природа об этом позаботилась?
Нет, конечно. Просто тот мужик по имени Цельсий, который придумал градусную шкалу, нарочно принял за ноль градусов температуру замерзания, а за сотню – температуру кипения воды. Оттого нам теперь и удобно. А вот другой дядька по имени Фаренгейт придумал другую температурную шкалу, крайне неудобную – по Фаренгейту вода замерзает при +32°, а кипит при +212°. Это отвратительно! Шкалой Фаренгейта теперь пользуются в Америке. Все у них не как у людей…
Но как же он так опростоволосился, этот Фаренгейт? Я вам отвечу. Вместо воды он замораживал смесь воды, нашатыря и соли. А за сто градусов принял… думаете, температуру кипения этой смеси? Нет! Температуру человеческого тела. Причем, что интересно, в качестве тела он использовал собственную жену. У которой в то время температура была повышенная, поскольку она болела. Очень непростой был парень этот Фаренгейт!
Вообще температурных шкал довольно много, и все они названы в честь физиков, которые их придумали – шкала Реомюра, шкала Кельвина, шкала Делиля, шкала Ранкина… Но мы с вами в быту пользуемся только шкалой Цельсия. Она очень удобна. Летом температура имени Цельсия плюсовая, зимой минусовая, все прекрасно и привычно. На улице минус двадцать? Мороз! Плюс тридцать? Жара!.. А под мышкой? У здорового человека 36,6 градуса. Выше – заболел. Ниже – помер.
В общем, самых разных свойств у разных веществ целое море. Веществ же на свете еще больше. И каждое вещество характеризуется своим набором свойств.
? Два термометра – Цельсия и Фаренгейта. Какой вам больше нравится?
Одинаковые кубики разных веществ весят по-разному.
золото – 19300 кг, ртуть – 13600 кг, свинец – 11300 кг, сталь – 7800 кг, алюминий – 2700 кг, стекло – 2500 кг, сахар – 1600 кг, вода – 1000 кг, лед – 900 кг, дуб – 900 кг, подсолнечное масло – 900 кг, сосна – 400 кг, воздух – 1,3 кг, водяной пар – 600 г, водород – 90 г
Теперь дальше следите за мыслью древних греков – как они додумались до атомов.
Килограмм одного и того же вещества имеет такие же свойства, как и полкило, что понятно: и большое оконное стекло пропускает свет, и маленькое обладает свойством прозрачности. И короткий кусок медного провода пропускает электрический ток, и длинный электропроводен. И маленький кусок дерева плавает в воде, и большой. От размеров свойства не зависят.
Но действительно ли не зависят?
Есть ли предельный по малости кусочек вещества, который еще обладает свойствами этого вещества, а после дробления – уже не обладает, и мы получим нечто другое?
Есть, решили греки и назвали его атомом! Мне кажется, к этому соображению их привели следующие рассуждения.
Вот смотрите… Из двух разных веществ можно сделать третье – с совершенно другими свойствами, которыми не обладают первые два. Ну, например, можно в расплавленную медь добавить другой металл – олово. И получится сплав под названием бронза, который обладает особой твердостью, которой ни медь, ни олово по отдельности не обладают. Бронза тверже меди и тверже олова. Значит, если мы будем долго делить бронзу на части, в конце концов останется самая малая частичка бронзы, которая уже при делении распадется на медь и олово. И бронзы уже не будет.
Логично?
Но отсюда один шаг до следующей идеи – а может, все вещества в мире тоже состоят из более простых элементов? И быть может, элементов этих не так уж много? Как из цветной мозаики или нескольких красок можно сделать бесконечное множество картин, как из малого числа букв можно сделать сотни тысяч слов и миллионы разных книг, так и из ограниченного числа этих элементов складывается бесконечно множество веществ?
Богатая идея.
Древняя Греция – это, как я уже сказал, детство человечества. Никаких наук в нашем понимании этого слова тогда еще не было. Греки практически ничего не знали о строении вещества, но зато много фантазировали, пытаясь силой мысли проникнуть в самую суть вещей. И додумались до следующей картины мира…
Они решили, что все огромное разнообразие самых разных веществ в мире на самом деле состоит их четырех простых элементов – земли, воды, огня и воздуха. Милые смешные греки! Они, конечно, ошибались, но их ошибка была гениальной. Греки сделали большой шаг вперед – отказались от мифологических, религиозных объяснений и применили к познанию мира научный принцип анализа, начали говорить о взаимопревращении веществ. Направление их мысли оказалось верным, и в дальнейшем наука подтвердила: действительно все многообразие мира складывается из простейших составляющих. Эти «простейшие вещества» так и назвали «элементарными» или просто «химическими элементами».
?Сколько же существует элементарных веществ?
Не буду вас томить, отвечу сразу – около сотни. Не так уж мало. Многие из них вы знаете. Золото, например. Железо. Свинец. Вообще, все известные металлы – это химические элементы, то есть простейшие вещества. И многие газы.
А сталь? Сталь – это сплав двух элементов – железа и углерода. В чистом виде железо нигде не используется, поскольку оно мягкое. Углерод же вы прекрасно себе представляете, он является основой угля (поэтому так и называется – «углерод», то есть «рождающий уголь»). Соединение железа и углерода дает нам сталь или чугун (в зависимости от количества добавленного в железо углерода, если мало углерода – сталь, много – чугун).
А воздух? Воздух, которым мы дышим, тоже «сплав», точнее, смесь разных газов, среди которых кислород, азот и углекислый газ.
Кислород и азот – химические элементы, то есть простейшие вещества. А вот углекислый газ – сложное вещество, состоящее из двух простых элементов – кислорода и углерода. Одна частица углекислого газа состоит из одной частицы углерода и двух частиц кислорода. На рисунке это прекрасно видно.
Химики записывают углекислый газ короткой формулой – СО2. Понять формулу немудрено: один атом углерода (С) и два атома кислорода (О).
? А вода – составное вещество или элементарное?
Вода вещество составное. Она сделана из двух элементарных газов – водорода и кислорода: одна частица воды состоит из двух частиц водорода и одной частицы кислорода. Самая маленькая частица воды называется молe?кулой. И не только воды, кстати. Самая маленькая частица любого сложного вещества называется молe?кулой. А самая маленькая частичка элементарного вещества называется атомом. Молекулы строятся из атомов.
Так, молекула воды сделана из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А водород так назвали именно потому, что он рождает воду.
Молекула воды – Н2О, то есть два водорода (Н) и один кислород (О).
Воду можно дробить на капельки не бесконечно – в конце концов у нас останется самая маленькая частица воды – молекула. И если разделить молекулу воды, она развалится на кислород и водород. То есть на атомы.
Еще раз: молекулы сделаны из атомов. Атомы – простейшие, неделимые, элементарные вещества, а молекулы – вещества сложные, составные.
Что же у нас получается?
Получается, что атомы – это детальки конструктора, из которых собираются разные вещества. Деталек довольно много, около сотни, но все же ограниченное количество. Однако из них можно собрать тысячи, миллионы разных конструкций!
Самые сложные молекулы содержатся в нашем теле. Они могут состоять из миллионов атомов!
А как определить, что перед нами – элементарное вещество или сложное? Понятно, что если речь идет о живом веществе, то оно не просто сложное, а очень навороченное! А если нет? Вода, золото, соль, серебро, свитер, резина, майонез, бумага – как узнать, это составные вещества или элементарные?Да очень просто! Взять и посмотреть в специальную табличку. Там все детали мирового «конструктора» прописаны. Это очень знаменитая табличка! Ее составил один умный русский дядя по фамилии Менделеев. С тех пор она так и называется – таблица Менделеева.
Дмитрий Иванович Менделеев очень любил заниматься химией. Помимо химии, у Иваныча было еще одно увлечение, – старик очень любил делать чемоданы.
Я вообще рекомендую вам, если вы родитель, купить ребенку, наряду с географической картой мира, столь же большую таблицу Менделеева и повесить в детской комнате.
А если вы ребенок, строго возьмите папу-маму за палец, отведите в ближайшую субботу в большой книжный магазин и потребуйте незамедлительного приобретения таблицы Менделеева с последующим размещением ее на вашей любимой стенке – рядом с картой мира. Периодически к таблице нужно подходить, вдумчиво смотреть на нее, выискивать какой-нибудь элемент и читать про него в приложении к этой книге, в самом конце. А потом рассказывать маме, поражая ее невероятным умищем. После чего как бы невзначай просить немного денег на карманные нужды. Знания должны приносить доход!
Знаете, что вам нужно сделать? Заложите закладку на странице с этой табличкой, потому что мы будем периодически к ней возвращаться и каждый раз удивляться чему-то. Вам должно быть удобно искать страницу с табличкой. Можно сделать так: одна закладка обычная, которой вы закладываете текущую страницу, чтобы потом быстрее ее открыть – пусть она будет направлена вверх. А вторая закладка, на странице, где табличка Менделеева, пусть торчит вниз. Очень по-умному получится
.И еще… Никого не должен смущать тот факт, что в этой книге про физику мы некоторое количество букв и времени уделим химии. Потому что химию можно с полным правом назвать одним из разделов физики – вот так!
Ну, а пока на стенке большой таблицы у вас нет, посмотрите на нее здесь. Таблица красивая, как мозаика. Это химическая палитра. Это краски, которыми нарисован мир. На цифры и буквенные обозначения элементов пока никакого внимания не обращайте, просто почитайте для интереса названия химических элементов, их которых сделан весь наш мир – миллионы разных веществ, звезды, планеты, мы. Поищите знакомые. Найдите золото. Найдите свинец, серебро, железо. Поищите кислород, который необходим нам для дыхания.
(Химические элементы в табличке для краткости обозначаются буквами латинского алфавита и являются простыми сокращениями латинских слов. Например, золото на латыни «аурум», оно так и обозначается – Au от латинского aurum. Свинец по-латински «плюмбум» – Pb. Серебро – Ag от латинского «аргентум». И так далее. Запоминать ни в коем случае не надо! Оно само потом запомнится так, что не отлепишь.)
Теперь, если вам нужно определить, какое вещество папа налил в рюмку – сложное или элементарное, – достаточно поискать его в таблице. Например, папа налил в рюмку кефир. Ищем в таблице Менделеева кефир. Есть он там, среди простейших веществ? Нету тут никакого кефира! Значит, кефир – сложное вещество, сконструированное из простейших элементов, которых всего около сотни, и все они у нас теперь как на ладони. Спасибо старику Менделееву!
Сразу скажу – чего бы вы ни хватились, в таблице Менделеева вы, как правило, этого не найдете.
Нет там воды, стекла, мела, пластмассы, дерева, кожи, селедки и прочих тысяч веществ и существ. Вывод? Он прост: нас окружают сложные вещества – их кругом миллионы! А вот простые вещества из таблицы Менделеева вокруг себя еще поискать нужно – какую-нибудь алюминиевую ложку или отрезок медной проволоки, кусочек свинца, мамино золотое колечко, воздушный шарик, внутри которого накачан газ гелий (найдите перечисленное в таблице)…В общем, принцип понятен: из атомов простейших веществ (химических элементов), которые дедушка Менделеев смел своей бородой в табличку, собираются молекулы сложных веществ. Вода, как мы уже знаем, собрана из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Ну а, например, соль? Та самая белая поваренная соль, которая хранится у вас дома в солонке?
Это сложное вещество. Молекула соли состоит из одного атома металла по имени натрий и одного атома газа по имени хлор. Нашли их в таблице?
Натрий – очень редкий и мягкий металл, его можно ножом резать. Если кусок натрия бросить в воду, то лучше сразу убежать подальше. Потому что натрий зашипит, начнет бегать по поверхности воды, выделяя белый дым, затем вспыхнет и загорится ярким пламенем, а потом и вовсе взорвется, если кусок достаточно велик. Очень активный металл!
А хлор – это очень ядовитый газ. Этот газ во время Первой мировой войны применяли для удушения противника – дожидались, когда ветер подует в сторону врага и открывали вентили баллонов. Газ несло ветром на вражеские окопы и надышавшиеся солдаты гибли. (Подробнее об этом вы можете почитать чуть дальше, в специальном разделе, посвященном газам.)
Но каков фокус! Из двух таких крайне агрессивных веществ, как натрий и хлор, получается вполне безобидная и даже полезная соль. Металл – блестящий, взрывающийся, он проводит электрический ток. Газ – ядовитый, зеленоватый и летучий. А соль? Вы ее прекрасно видели – белая, неопасная, не летучая и не ядовитая, ее можно есть. И никакого электрического тока она не проводит. Совершенно другие свойства!
По-научному поваренная соль называется хлоридом натрия и записывается химиками так – NaCl (натрий хлор).
Как устроен кристаллик хлорида натрия? Вот он, на рисунке, посмотрите. Белые шарики – это атомы хлора, а серые – атомы натрия.
Кто-то может спросить:
– А почему белые шарики больше серых? Неужели атомы газа хлора больше, чем атомы металла натрия?
Именно так!
Кристаллик поваренной соли
Посмотрите в волшебную таблицу старичка на букву М. – чем ниже и правее атом, тем он больше по размеру и тяжелее. Чем он левее и выше – тем легче. Почему это так, мы поймем немного позже, когда вы с помощью этой книги познаете, как устроен мир до таких глубин, коих не знает в вашем возрасте никто.
Дошкольники и школьники младших классов не знают, потому, что им не попалась такая чудесная книга, как эта.
Взрослые – потому, что все уже давно забыли.
А школьники старших классов – потому, что дурака валяют на уроках вместо того, чтобы учиться.
Один вы умный и хороший.
Теперь, умный и хороший, еще раз гляньте на картинку соляного кристаллика. То, что вы видите, называется кристаллической решеткой. Вот этот кубик, эта вот жесткая пространственная структура, в которой атомы находятся каждый на своем месте и неподвижно стоят там, как солдаты в строю, носит гордое звание кристаллической решетки. Именно жесткостью этой решетки и объясняется твердость вещества.
Кристаллическую решетку называют решеткой, потому что она похожа на решетку. Вот так вот все сложно в этой физике!
Молекулы воды, когда она превращается в лед, выстраиваются именно в форме такой вот жесткой решетки. Поэтому лед твердый.
? А когда вода жидкая, как расположены молекулы?..
А когда вода жидкая, ее молекулы расположены в хаотическом беспорядке, они суетятся, толкаются друг с другом, меняются местами – в общем, ведут себя, как толпа в метро. Они все еще тяготеют друг к другу, но уже очень подвижны от накачанного тепла, поэтому вода жидкая. Ткнул в нее пальцем и легко раздвинул молекулы. А в льдышку с ее жесткой кристаллической решеткой сколько пальцем ни тыкай, толку будет мало, если не считать сломанного пальца.? А если вода превращается в газ и вылетает из носика чайника в атмосферу, что происходит тогда?..
А вот тогда она полностью теряет всякую структуру. У любого газа, включая водяной пар, молекулы уже не притягиваются друг к другу, а стремятся разбегаться во все стороны. Расстояние между ними становятся во много-много раз больше, чем в жидкости, поэтому газ такой неплотный и летучий. Его молекулы можно сдержать вместе только в какой-нибудь оболочке, типа баллона или воздушного шара. Но стоит в оболочке образоваться дырке, как молекулы начинают оттуда разлетаться.То, что чуть выше написано касательно жидкости, было прекрасно продемонстрировано еще в XIX веке английским ученым по фамилии Броун. Интересно, что Броун не был физиком, а был безобидным ботаником, изучал растения и свое открытие в физике сделал случайно.
Броун изучал под микроскопом пыльцу растений и заметил, что маленькие частички пыльцы, находящиеся в воде, все время дрожат и немного двигаются то в одну сторону, то в другую. В общем, они хаотически, то есть беспорядочно, перемещаются, словно живые. Позже выяснилось, что так же ведет себя не только пыльца растений, но и любое вещество, растертое в мельчайшую пыль.
Оказалось, хаотичное движение пылинок, их дерганье туда-сюда вызывается беспорядочным движением молекул воды, которые барабанят в пылинку. Конечно, даже самые микроскопические пылинки любого вещества – настоящие гиганты по сравнению с молекулами воды! Молекула по сравнению с пылинкой – все равно, что кошка по сравнению с небоскребом. Кошка не может сдвинуть небоскреб. Пылинка состоит из миллионов и даже миллиардов молекул. Но ведь и вокруг пылинки тоже беспорядочно мечутся миллионы и миллиарды молекул воды! И когда в какой-то момент с одной стороны пылинку случайно толкает чуть больше молекул, чем с другой стороны, она чуть смещается в ту сторону. Потом в другую. Так и ползает туда-сюда, беспорядочно дергаясь каждую секунду туда, куда ее стукануло больше молекул.
В честь первооткрывателя этого явления ботаника Броуна подобное бессмысленное движение частичек в воде называют броуновским движением. Оно и вправду совершенно бестолковое, случайное.
Теперь вот какой вопрос. Понятно, что все молекулы любого вещества имеют свойство притягиваться друг к другу. Иначе вещество просто разваливалось бы на молекулы. А так все вокруг прекрасно существует и не разваливается. Стоит шкаф и не рассыпается на молекулы. И книжка перед вами даже не думает разлетаться в пыль.
Почему же тогда у молекул газа это свойство притяжения теряется? Если воду превратить в газ, она разлетится во все стороны…
Все дело в том, что у газа процесс притяжения молекул полностью пересиливается другим процессом. Каким? Отталкиванием, что ли? Но разве могут частички вещества одновременно обладать свойством и притяжения, и отталкивания друг к другу?
Разгадка в том, что в твердом веществе молекулы вещества почти неподвижны. Они находятся в узлах кристаллической решетки, сцепившись, и только чуть-чуть трясутся. Оттого твердое вещество такое прочное. В жидкости же скорость молекул больше, и они уже не удерживаются в плотной застройке структурной решетки, а топчутся бесформенной толпой. А вот в газе скорость молекул еще больше. Она такая большая, что молекулы просто проскакивают друг мимо друга, поскольку мечутся с огромными скоростями.
Эти скорости молекулам сообщает нагрев. Нагрели лед – он растаял. Нагрели воду – закипела, превратилась в пар. Но что такое нагрев и что такое тепло? К этому вопросу мы еще вернемся, а пока вот вам наилучшая аналогия твердого, жидкого и газообразного.
Дети в классе – это кристалл. Они сидят за партами по своим ячейкам решетки, образованной рядами парт.
Дети на уроке физкультуры – жидкость. Они бегают по всему залу, прыгают, но из зала не выходят, а держатся все вместе, одним классом.
А вот хаотичные дети на переменке – это сущий газ! Класс распадается, и ужасные дети, приобретя энергию безумия, начинают носиться по всей школе, сталкиваясь друг с другом в броуновском движении и норовя сбить с ног толстые пылинки случайных взрослых посетителей или учителей. Так они и будут носиться, пока их не заморозит школьный звонок.
Газы!
Кислород O
Самый важный для человека газ. И не только для человека. Все живое на Земле дышит кислородом. Без кислорода человек может существовать всего несколько десятков секунд. Раньше была такая казнь – через удушение: человеку затягивали горло веревкой, перекрывая доступ кислорода в легкие, и организм переставал функционировать.Атомы кислорода держатся парами, образуя одну молекулу кислорода, поэтому сей газ обычно записывают с маленькой двоечкой внизу (см. выше). Кстати, то же самое касается и многих других простейших газов.
Земная атмосфера на 21 % состоит из кислорода, что весьма недурственно.
Cостав воздуха
В нашем организме кислород участвует в процессе окисления разных веществ. Окисление – научное название горения. Дрова в костре окисляются, то есть горят, и мы видим результат этой бурной реакции в виде пламени. При этом выделяется много тепла и света. Можно сказать, что горение происходит и внутри человека, только без огня, потому что оно очень медленное и неспешное. А топливом для внутреннего костра является проглоченная нами пища. Кстати говоря тот факт, что человек теплый – результат внутреннего медленного горения, то есть реакции окисления.
Водород H
Самый легкий газ на свете. Поэтому раньше, до эпохи самолетов, им наполняли дирижабли. И точно так же, как легкие деревяшки всплывают из-за того, что дерево легче воды (точнее было бы сказать, что дерево менее плотное, чем вода) – так и дирижабль, наполненный легким газом, всплывает в более плотной атмосфере. Он ведет себя, как деревяшка в воде.Дирижабли, наполненные водородом, сто лет назад перевозили пассажиров, совершая трансатлантические рейсы из Европы в Америку. Но поскольку водород очень горючий газ, порой из-за случайно искры случались ужасные катастрофы.
Наиболее известная из них – катастрофа, случившаяся с «Гинденбургом». Это был самый большой воздушный корабль в мире. Размером он был практически, как «Титаник» – самый большой в мире на тот момент пассажирский корабль. И обоих гигантов постигла печальная участь:
«Титаник» утонул, столкнувшись с айсбергом, а «Гинденбург» сгорел, встретившись со случайной искрой. Случилось это так…
Вечером 6 мая 1937 года «Гинденбург», перелетевший Атлантический океан, на малом ходу подруливал к посадочной мачте в Нью-Йорке. Его пассажиры любовались городом, а внизу горожане глазели на летящую махину дирижабля. И посмотреть было на что!
Воздушный гигант был оснащен четырьмя дизельными двигателями марки «Даймлер-Бенц», каждый из которых имел мощность в 1200 лошадиных сил. Дирижабль мог поднять 100 тонн полезной нагрузки (то есть не считая пассажирского салона, разного оборудования, моторов и дизельного топлива, коего на борту было 60 тонн). С помощью пропеллеров «Гинденбург» разгонялся в безветренную погоду до 135 километров в час. Не очень большая по нынешним временам скорость, конечно. Но по сравнению с пароходами это все-таки большой прогресс, ведь скорость того же «Титаника» была всего 40 км/ч и считалась большой. Правда, «Титаник» брал на борт больше тысячи пассажиров, а «Гинденбург» всего 72.
Дирижабль в Германии отвязывали от причальной мачты, легкий газ водород поднимал махину вверх, включались моторы, и пропеллеры тащили корабль вперед, в Америку. Полет через океан длился не неделю, как на пароходе, а всего три ночи и два дня, которые пассажиры проводили с комфортом. Конечно, бассейна, как на «Титанике», на дирижабле не было, но были вполне комфортабельные каюты, ресторан, библиотека, музыкальный салон, прогулочная палуба и даже курительная комната.
Да-да, курительная комната! Несмотря на страшную опасность пожаров из-за большой летучести и горючести водорода, конструкторы понимали, что два дня курильщикам без курения не продержаться. Поэтому оборудовали курительный салон. Именно там и находилась единственная на борту электрическая зажигалка, не дававшая открытого пламени. Техника безопасности строго соблюдалась: перед входом на борт все, включая членов экипажа, сдавали зажигалки и спички, а внутри курительной комнаты создавалось избыточное давление, чтобы чрезвычайно летучий и постоянно просачивающийся через оболочку водород не мог проникнуть в курительный салон. Входили в курительную комнату через особый шлюз, выравнивающий давление.
Несмотря на то, что огромный водородный баллон обладал большой подъемной силой, конструкторы экономили каждый грамм веса, поэтому пассажирский салон дирижабля был для облегчения сделан из самого легкого доступного металла – алюминия. И даже рояль в музыкальном салоне был алюминиевым. Что понятно: чем меньше необходимой нагрузки, тем больше полезной.
Кстати, найдите-ка в таблице бородатого Менделеева этот самый металл – алюминий. Нашли? Видите, где он там находится? Ближе к верхнему левому углу. Чем левее и выше вещество в таблице, тем оно легче (менее плотное). А самое легкое какое вещество в мире? Посмотрите в табличку…
Правильно, водород!
В общем, как уже было сказано, водородный пузырь «Гинденбурга» подлетал к Нью-Йорку. Из-за сильного встречного ветра он опаздывал почти на 10 часов, и это было не единственной неприятностью – на месте посадки бушевала гроза. Что и послужило причиной катастрофы. Очередной разряд вызвал вспышку водорода, и несчастный «Гинденбург» сгорел за считаные секунды. Из 97 человек, находящихся на борту немецкого дирижабля (пассажиры и члены экипажа), погибло 35.
При спасении людей большое мужество проявил немецкий пилот Эдуард Боециус. Находившийся в то время у власти Гитлер даже наградил его за отвагу.
Но пожар на «Гинденбурге», как мы уже знаем, не единственная катастрофа с водородными дирижаблями.
В 1913 году в Германии сгорел дирижабль LZ 18. Погибло 28 человек.
Пятью годами позже над островом Мальта сгорел дирижабль военно-воздушных сил Германии LZ 104. Он готовился бомбить британскую военную базу, но не успел – водородный пузырь охватило пламя, он взорвался и унес жизни более двадцати человек.
В 1922 году в США сгорел, задев высоковольтную линию, армейский дирижабль. Погибло 34 человека.
На следующий год над Средиземным морем из-за удара молнии взорвался французский дирижабль «Диксмуд». Погибло 48 человек.
В 1930 году вспыхнул и взорвался огромный английский дирижабль R101. Это был его первый дальнемагистральный перелет. Погибло почти пятьдесят человек.
А можно ли было чем-то заменить взрывоопасный водород? Да, есть другой легкий газ – гелий. Найдите его в таблице Менделеева… Газ гелий, правда, в 2 раза тяжелее (правильнее сказать, плотнее) водорода, а значит обладает меньшей подъемной силой, но зато он совершенно не горючий!.. Правда, в ту пору, когда сгорел «Гинденбург», месторождения, на которых шла добыча гелия, были открыты только в США. А американское правительство не хотело снабжать ценным газом гитлеровское правительство.
Почему же сами американцы не стали строить гелиевые дирижабли? Потому что к тому времени эти воздушные динозавры проиграли эволюционную гонку более юрким самолетам, скорость которых была много выше, чем у громоздких дирижаблей.
А что же водород? Он не исчез с технической арены. Многие предрекают ему большое будущее. Считается, что водород может стать топливом для наземного транспорта завтрашнего дня. Он будет сгорать в автомобильных двигателях вместо бензина. По сравнению с бензином у водорода есть большое преимущество – при его окислении (горении) не образуются вредные вещества, а получается только чистая вода.
Хлор Cl2
Зеленоватый ядовитый газ. Открыли его еще в XVIII веке, но широкомасштабно применить придумали только в начале ХХ-го, во время Первой мировой войны – для удушения солдат противника.Идея была грамотная, но немецкие военные в нее не верили, считая каким-то чудачеством ученых. Они привыкли к осязаемой смерти – пуля, снаряд, штык… А тут какой-то газ. Несерьезно. Однако боевой эксперимент решили провести, ждали только попутного ветра, который должен был подуть в сторону вражеских окопов, а иначе свои задохнутся.
Любопытно, что французы, против которых немцы воевали, знали о том, что немцы готовят какое-то новое оружие. В апреле 1915 года возле деревни Лангемарк французские солдаты захватили в плен немца. Во время обыска у него были найдены зашитые в марлю куски ткани и пузырек с какой-то жидкостью. Это сочли перевязочными материалами и даже не обратили на них внимания. Однако на допросе пленный немец сказал, что указанные предметы – часть подготовки для испытания нового немецкого чудо-оружия.
Солдат про оружие никаких подробностей, разумеется, не знал, но заявил, что оно представляет собой какие-то металлические цилиндры, зарытые на нейтральной полосе ночью. И вот для защиты своих солдат от этого оружия немецких бойцам и раздали марлевые повязки с пузырьками – ткань нужно намочить жидкостью из пузырька и через нее дышать.
Французы немцу не поверили. А между тем их радиоразведка доносила, что немецкое командование в радиопереговорах очень интересуется погодой. Точнее ветром. Все время об этом говорят… Но и на эти донесения никто внимания не обратил.
Между тем изобретатель нового чудо-оружия немецкий доктор Фриц Габер тоже с нетерпением ждал нужного ветра. Этот штатский человек в пенсне наивно полагал, что его оружие ускорит конец кровопролитной войны, поскольку быстро принесет победу Германии.
И вот 25 апреля, дождавшись устойчивого ветра в сторону вражеских окопов, немцы открыли вентили. Зеленоватые клубы хлора полетели в сторону французов. Те сначала ничего не поняли и с интересом наблюдали за приближением зеленоватого тумана, стелившегося вдоль поверхности земли. Затем они почувствовали неприятный запах. Потом резь в глазах. Затем удушье. Газ буквально выжигал легкие, глаза! Ослепшие солдаты бегали, кричали, падали, корчились в судорогах и умирали, умирали, умирали.
Немногие тогда выжили. Вот как описывал выживших английский военный журналист: «Среди нас, шатаясь, появились французские солдаты, ослепленные, кашляющие, тяжело дышащие, с лицами темно-багрового цвета, безмолвные от страданий, а позади их в отравленных газом траншеях остались, как мы узнали, сотни их умирающих товарищей».
Передовая перед наступающими немцами оказалась полностью очищенной от французских солдат. Но этот успех оказался столь неожиданным для самих немцев, которые хотели всего лишь провести боевые испытания, что они как следует не подготовились и не смогли воспользоваться своим успехом: в пробитую, точнее протравленную хлором брешь в обороне противника ввели лишь один пехотный батальон. А могли через эту дырку, воспользовавшись эффектом неожиданности, взломать весь фронт!
О том, что случилось, написали все мировые газеты. Сразу выяснилось, что спастись от хлора не очень сложно – нужно дышать через повязку, смоченную раствором соды. А если нет соды, то хотя бы намочить портянку в ближайшей луже или просто помочиться на нее. Неприятно, конечно, но если жить захочешь, о брезгливости лучше забыть.
Именно поэтому вторая газовая атака немцам уже не удалась. Они атаковали позиции французских союзников – канадцев, выпустив несколько баллонов с хлором по ветру. Канадцы вооружились мокрыми повязками и переждали ползущее облако, которое сначала накрыло их, а потом было унесено ветром в тыл. Когда же вслед за зеленым туманом на траншеи стали наступать немцы, их встретил плотный огонь канадских пулеметов. Стреляли те канадцы, которым с помощью мокрых повязок удалось выжить и сохранить зрение.
Применяли немцы газовое оружие и против русских войск. В мае того же года они распылили 12 тысяч газовых баллонов по фронту шириной в 12 километров. После чего пошли в атаку. Русские потеряли 75 % личного состава, однако оставшиеся в строю 25 % пулеметным огнем остановили противника.
Впрочем, и самим немцам на своем веку пришлось «хлебнуть газку»! Во время одной из газовых атак со стороны французов молодой немецкий ефрейтор Адольф Гитлер был сильно отравлен и даже на время потерял зрение. Жалко, что не умер.
Глава 2
Что такое тепло?
Ой, ребята, в свое время ученые головы себе сломали, раздумывая над этим вопросом!
Таких вопросов в истории науки было множество. Например, что такое время? Ну, в самом деле? Что такое вещество, мы понимаем, его можно потрогать, об него можно набить шишку. Ясно, что такое пространство. Это место, где вещество помещается. А вот что такое время? Что это за неуловимая субстанция такая?.. В этой книге мы ответим и на этот вопрос. А сейчас вернемся к теплу.
Вот лежит холодное тело. Мертвый мужик. Нет, лучше кирпич. Да, холодный кирпич. А рядом другой такой же кирпич, но теплый. Или даже горячий. Чем они отличаются?
Температурой, говорите вы?
А что это такое?
Состав вещества у кирпичей один. Свойства одинаковые – цвет, хрупкость, пористость, плотность, шершавость и т. д. Но один кирпич теплый, а другой холодный. Что такого есть в теплом кирпиче, что отличает его от холодного?
По простоте душевной ученые прежних времен предположили, будто теплота – это такая невидимая и невесомая жидкость, которая притекает в физическое тело. И чем ее больше притекло, тем горячее стало тело. Этой жидкости даже название дали – теплород, то есть рождающий тепло.
Вот какие фантазеры!
Но вы-то уже знаете, что такое тепло. Точнее, того, что вы уже знаете, вполне достаточно для ответа. Нужно только сделать одно ма-аленькое усилие, чтобы догадаться.
Я вам помогу. Подтолкну, так сказать, на скользкую дорожку знаний.
Смотрите, мы нагреваем тело, то есть накачиваем в него тепло, и что же с ним происходит? Сначала тело расширяется. Почему? А все тела при нагревании расширяются, так как амплитуда, то есть размах колебаний, молекул этого тела увеличивается.
Потом тело постепенно нагревается до температуры плавления, тает, становится жидкостью, а затем, достигнув температуры кипения, и вовсе быстренько испаряется, превращаясь в газ. При этом мы уже знаем, что происходит с молекулами этого тела.
С повышением температуры они начинают двигаться все быстрее и быстрее и быстрее.
Если раньше в твердом теле они чуть шевелились, шлепая синими губами от холода, то потом ускорились настолько, что разломали всю кристаллическую структуру, в которой состояли. Как солдаты, отпущенные из строя, ломают строй, разбредаясь в разные стороны.
Вот почему тело при нагревании расширяется
Затем, по мере дальнейшего нагрева, молекулы становятся еще более активными и быстрыми. Им тесно в сумасшедшей толчее! Расстояние между молекулами растет. И в конце концов их скорости становятся такими большими, что пересиливают взаимное притяжение, самые шустрые улетают прочь, испаряясь. И в конце концов вся жидкость превращается в газ – ее молекулы разлетаются в разные стороны к чертовой матери.
Отсюда, кстати, понятно, почему летают воздушные шары, наполненные горячим воздухом. Потому что теплый воздух легче холодного! Что это значит? Это значит, что один объем теплого воздуха весит меньше, чем тот же объем воздуха холодного. Почему? А потому что в теплом воздухе скорости молекул и расстояния между молекулами больше, чем в холодном. При нагревании предметы расширяются, и газ – не исключение. Значит, в одном и том же объеме теплого воздуха помещается меньше молекул. Оттого и вес меньше.
Вот почему горячий воздух легче холодного – там вещества меньше! Или, иначе говоря, теплый воздух разряженнее.
? А что происходит, когда мы даем телу тепло?
Что мы делаем? Мы разгоняем его молекулы, сообщая им все большую и большую скорость.
То есть что такое тепло? Тепло – это и есть скорость молекул, составляющих тело!
Еще раз: тепло – это средняя скорость движения частичек тела. Чем выше температура, тем выше скорость молекул.
В холодном кирпиче молекулы еле шевелятся. В горячем уже энергично пихаются и активно толкаются локтями. Вот именно эти толчки мы, приложив руку к кирпичу, ощущаем, как тепло. Поняли? Молекулы активно барабанят по нашей ладони, а мы думает, что это «тепло». Никакого отдельного от физического тела «тепла» нет. Оно всего лишь – наши ощущения от скорости движения его молекул.
Чем больше скорость колебания молекул, тем горячее нам кажется. А чем меньше – тем холоднее. Но тогда получается, что должна быть предельно низкая температура, ниже которой уже и быть не может – когда молекулы тела уже практически не дрожат, а замерли в оцепенении.
Именно так! Это для высокой температуры пределов практически нет – внутри Солнца, например, температура достигает 20 миллионов градусов – вот как быстро там носятся частицы. А для низкой температуры предел есть, он называется Абсолютным нулем температуры. Существует даже температурная шкала, названная по имени британского ученого шкалой Кельвина, которая начинает свой отсчет от абсолютного нуля. Абсолютный нуль Кельвина по привычной нам шкале Цельсия составляет минус 273 градуса. Ниже температур не бывает.
? Ладно. А как передается тепло?
Ну, как мы нагреваем тело, то есть разгоняем его молекулы? Как мы сообщаем им дополнительную скорость? С помощью чего? С помощью другого нагретого тела, а как же иначе! То есть с помощью других энергичных молекул! Например, мы можем нагреть сковородку, поставив ее на горячую печку или раскаленную плиту. Мы можем нагреть холодный камень, положив его в горячую воду. Вода нагреет камень, а сама остынет. Их температуры сравняются. Это значит, что очень энергичные, то есть быстрые молекулы воды начинают барабанить по лежащему в воде камню. Точнее, по его еле шевелящимся холодным молекулам. И расталкивают их! При этом молекулы камня начинают двигаться быстрее (то есть камень нагревается), а молекулы воды «стынут», то есть начинают двигаться медленнее, поделившись с молекулами камня своим движением.Другими словами, вода поделится с камнем своей энергией. И вскоре, как уже было сказано, температуры воды и камня выравняются. Это просто.
Но вы заметили, что я постепенно и незаметно ввел в оборот новое слово – «энергия»?
Это что еще такое?Это весьма смутная категория в физике. И вместе с тем очень простая для понимания.
Думаю, интуитивно, что такое энергия, ясно каждому ребенку и в особых объяснениях не нуждается.
Мальчик бежит быстро, он весь красный и взъерошенный. Это очень энергичный мальчик! А вялый мальчик, который лежит на диване бледный, обладает низкой энергией. Ему нужно побольше каши есть, то есть подзарядиться слегка.
Если батарейка села, мы говорим, что энергия в ней кончилась.
Если мы разогнали тело до большой скорости – например, пулю, – то она стала высокоэнергичной и может пробить толстую доску. А пуля низкой энергии, то есть брошенная рукой, доску не пробьет. И газету может не пробить, если скорость низкая. Видите, энергия может быть связана со скоростью. Такая энергия называется кинетической (от греческого слова kinetikos – движение).
Автомобиль накапливает энергию для движения путем заполнения бака горючим. А почему оно называется «горючим»? Да потому что горит (окисляется, то есть химически реагирует с кислородом) и при этом выделяется много энергии. В бензине уйма энергии – если бензин сжечь, она высвободится в виде тепла и света. Это внутренняя, химическая энергия, запасенная внутри самого вещества. Вещество нужно разрушить, чтобы она высвободилась.
А еще энергия может быть связана с положением тела в пространстве. Часы с кукушкой видели? Они работают от гири с цепочкой. У вас есть такие часы? Если нет, это совершенно недопустимо, нужно непременно приобрести! Велите маме. Потому что это очень хорошие часы. Гирю поднимаешь, и она начинает постепенно опускаться. А цепочка, на которой висит гиря, медленно крутит шестерни часов. И они идут себе. Настоящее механическое чудо. Кукушка кукует. Плохо ли?
Когда гиря коснулась пола и опускаться ей больше некуда, часы, естественно, останавливаются. Но горевать не надо. Нужно просто потянуть за цепочку и поднять гирю снова. Что мы таким образом сделали с точки зрения энергетики? Запасли в гире энергию, изменив ее высоту. Если тело на высоте, оно в принципе может падать к земле. Значит обладает энергией. Какой? Такая энергия называется потенциальной, то есть возможной. Отпустим тело с высоты, чтобы оно падало, и этот потенциал реализуется – тело начнет набирать скорость и его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую, то есть в скорость.
Выводы? Они прекрасны! И их два.
Первый. Энергия одних видов может переходить в другие, например, потенциальная в кинетическую, химическая в тепловую.
Второй. Энергию можно запасать. Поднял гирю – запас энергию.
Сжал пружину – запас энергию.
Зарядил аккумулятор – запас энергию.
Покушал – запас энергию в виде жира на боках.
Разогнал тело – придал ему энергию.
Значит, что такое энергия? Это некое свойство, способность тела совершить полезное действие, какую-то работу. Запустить ход часов, если это гиря. Вытолкнуть присоску на палочке из ствола детского пистолета, если это сжатая пружина. Зажечь лампочку, если это батарея или аккумулятор. Разогнать машину, если речь о бензине. Насытить хилого мальчика, придав ему скорость, если речь о пище.
Вот что такое энергия.
? Ну, а если нужно что-то сделать, а энергии нету?
Идите ищите! Не будет энергии – не будет работы. Чудес не бывает. Сходите в магазин, купите аккумулятор. Постройте электростанцию. Разверните солнечную батарею. Поднимите гирю. Покушайте.Но помните – за все за это придется заплатить. И за батареку, и за еду из магазина. И за электричество в розетке. Даже на поднятие гири часов вы потратите свою личную энергию, которую получили из пищи. Совсем немножечко, но потратите.
Так уж устроен этот мир, что за все хорошее в нем приходится платить – за любое строительство, за любое созидание. Только за разрушение платить ничего не нужно: если опустить ручки и ничего не делать, все рано или поздно разрушится или испортится. Отчего это так, мы поймем позже. А пока нам нужно запомнить то, что все и так знают: энергия из ниоткуда не берется. Сколько позаимствовал, столько и потратишь, и ни капелькой больше.
? А где позаимствовать? Где взять энергию? Откуда она вообще в природе берется?
Ну, за всю природу говорить пока рано, а вот откуда энергия на нашей планете, я скажу вам по секрету. В конечном счете от Солнца! Почти вся энергия, которой мы пользуемся – солнечная. Исключение – энергия земных недр, которую мы выковыриваем в виде полезных ископаемых. Например, топливо для атомных электростанций – ископаемый дар планеты. А вот энергия гидроэлектростанций имеет солнечную природу. Если б не было Солнца, все на планете вымерзло бы, не текли бы реки, а, значит, их течение не вращало бы турбины электростанций.Энергия ветра, который крутит лопасти ветряков, – тоже солнечная в конечном итоге. Ведь Солнце нагревает атмосферу, отчего и случаются ветры, дожди, ураганы…
И пища, которую мы едим, – тоже дар звезды по имени Солнце. Потому как без света не могут расти растения, которые мы кушаем. Растениями питаются также животные, которых мы едим. Кушать было бы нечего без Солнца!
В Солнце энергии много, ее хватит еще на сотни миллионов лет, а там что-нибудь придумаем…
Про энергию мы еще поговорим. А сейчас я озвучу один хитрый вопрос, который должен был прийти вам в голову еще в прошлой главке.Вот мы говорили о делимости вещества. Узнали, что все сложные вещества состоят из простых (элементарных). Простых веществ, которые еще называют химическими элементами, около сотни, и все они занесены в табличку Менделеева.
Самая маленькая частичка сложного (то есть сложенного из простых) вещества называется молекулой. И если молекулу разделить, получатся атомы уже совсем других веществ – те самые детальки мирового конструктора. У них уже совсем другие свойства: поваренная соль белая и полезная, а натрий и хлор, из которых сделана соль, очень даже агрессивные и ведут себя совершенно по-другому. Это понятно.
Но что будет, если попробовать разделить атом химического элемента, то есть детальку конструктора? Атом вообще делим?
Вот какой вопрос должен был прийти вам в голову. Приходил?
Глава 3
Как устроен атом и вообще весь мир
Да, друзья мои, атом делим! Эту радостную новость я вам сообщаю сразу.
Атом тоже являет собой составную конструкцию. Получается, что детальки тоже устроены из деталек, только более мелких. Почему же греки называли атом неделимым? Мы уже знаем ответ: потому что деление мельчайшей крошки вещества – атома – приводит к тому, что вещество перестает существовать в своем привычном виде! Как перестает существовать автомобиль, если его разобрать на отдельные части – колеса, поршни, гайки, рычаги…
Все в мире сделано, как мы уже выяснили, из примерно сотни атомов (химических элементов). А сами атомы? Они состоят всего из трех деталек, только в разных сочетаниях.
Всего из трех!
В это трудно поверить, но все многообразие окружающей нас природы – звезды, планеты, мама с папой, хлеб, собака, воздух – это всего лишь разные наборы трех частичек, которые сначала складываются в атомы, а уж затем атомы составляют молекулы, строящие мир. Но в основе мира – всего три частицы. Частицы эти называются элементарными.
Опять возникает это слово «элементарные»!
Простейшие химические вещества, которые занесены в таблицу Менделеева, называют химическими элементами. И частицы, из которых сделаны эти элементы, тоже называются элементарными.
А имена у них есть?
Есть. Знакомьтесь:
Протон, Нейтрон, Электрон. Вся святая троица.
Но прежде, чем рассказать про них подробнее, я отвечу на закономерный вопрос, который должен был снова у вас возникнуть: а из чего сделаны элементарные частицы? Может, они тоже из каких-то еще более мелких деталюшек состоят?Не вдаваясь в ненужные подробности, отвечу так: нет! Не состоят!
– Позвольте! – скажет мне какой-нибудь умный ребенок, поправляя пальчиком круглые очки. – Позвольте! Весь мой опыт говорит о том, что если по чему-то сильно стукнуть, оно развалится на части. Чашка на осколки, молекула на атомы, атомы – на эти ваши элементарные частицы. А если стукнуть по частицам, на что они развалятся, гражданин хороший?
– Какой умный мальчик! – отвечу я с некоторой робостью. – Проник в самую суть вещей! Стукнуть, говорит, надо. Именно так и поступают физики, когда изучают частицы! Они разгоняют их в специальных ускорителях и стукают друг об друга. А чем их еще стукнуть, чтобы разломать, если они – самые маленькие в мире? Вот их друг об друга и стукают.
И как вы думаете, что получается?
Элементарные частицы не разваливаются на составляющие, а превращаются в другие элементарные частицы. Причем эти превращения, которые называют ядерными реакциями, зависят от скорости, до которой разогнали частицы. То есть от той энергии, которую частицам сообщили. Дело в том, что энергия (скорость) может превращаться в вещество, в массу. И более того – при глубоком рассмотрении оказывается, что это одно и то же – энергия и масса, представляете! Мир един. Но об этом мы поговорим позже.
А сейчас познакомимся поближе с элементарными частицами. Они ужасно милые! (Вообще говоря, элементарных частиц довольно много. Но главных, из которых сделано все вещество в мире, всего три, как уже было сказано. Ими мы и займемся, а остальной вселенский мусор оставим взрослым физикам.)
С чего начнем?
Давайте с электрона. Он самый маленький, а маленьких обижать нельзя.
Итак, под свет прожекторов на сцену нашего внимания, раскланиваясь, выходит электрон. Что мы можем о нем сказать? Какого он цвета? Он шершавый? Он влажный, твердый, газообразный? Он теплоемкий?
Нет! Все те свойства, к которым мы привыкли в нашем большом мире (он называется макромир), не имеют никакого отношения к миру элементарных частиц (микромиру). Нет в микромире ни цвета, ни запаха, ни шершавости, ни твердости. Это все свойства макромира. Все эти свойства складываются из множества частиц, это макросвойства. А по отдельности частицы этих свойств не имеют.
А что же они имеют?
Ну, что есть у того же электрона? Ведь какие-то свойства у него должны быть! Иначе бы его не существовало! Ведь существовать – это значит проявлять себя как-то, то есть иметь свойства!
Да, некоторые свойства у электрона есть. У него есть масса. Про нее мы уже говорили – электрон очень легонький, самый легонький из всей троицы.
Электрон в 1820 раз легче протона. Для сравнения: если протон – это танк, то электрон – это одна канистра с топливом. Если протон – человек, то электрон – это авторучка в его кармане. Вот такая разница в массе.
Заметили, кстати, новый физический термин необыкновенной сложности – «масса»? Я его как бы между делом ввел. Надеюсь, не огорчил.
Что это такое? Масса – это просто количество вещества. Чем тело тяжелее, тем оно массивнее. Папа массивнее ребенка. Танк массивнее автомобиля. Солнце массивнее Земли.
Массу не нужно путать с весом. Хотя многие взрослые путают. Даже генералы и начальники. А, может, и сам президент. Между тем это совершенно разные вещи! Вес – это сила, с которой Земля притягивает массу. Сила, с которой массивное тело давит на опору, на которой лежит, или растягивает подвес, на котором висит. В космосе, в невесомости никакого веса нет, потому невесомость так и называется. Но все равно даже в невесомости толстый космонавт гораздо массивнее щуплого. И если они оттолкнутся друг от друга, то полетят в разные стороны с разными скоростями – толстый медленно, а щуплый быстро! Потому что количество вещества в их телах разное, в толстом вещества много, а в худом кот наплакал.
Вес и масса физиками даже измеряются в разных единицах – масса в килограммах, а сила в особых единицах – ньютонах. Массу определяют с помощью весов, а силу с помощью специальных приборов – ньютонометров. Усекли?
Массу ученые люди еще называют мерой инертности тела. Действительно, массивное тело очень инертное, чтобы его разогнать, нужно много усилий потратить. А легкое тело и разогнать легче, его инертность мала.
Электрон очень легок. Его масса составляет столь мизерную величину, что ее написание потребует от меня особой внимательности – чтобы в нулях не ошибиться:
0,0000000000000000000000000009 грамма – вот сколько весит электрон.
А еще у электрона есть размер. Он тоже крохотный:
0,00000000000000001 миллиметра – вот какого электрон диаметра.
Электрон можно представить себе, как маленький шарик, который вращается вокруг своей оси. Этакая малюсенькая планетка.
Причем, как вы понимаете, электрончик может вращаться или в одну сторону, или в другую, как это показано на рисунке ниже. И это тоже одно из свойств электрона – левое вращение или правое. По-научному вращение электрона называют спином. Не спиной, поскольку никакой спины у шарика нет, а спином. Спин – это собственное вращение электрона, от английского слова «spin» (вращение).
Вращение летящего в направлении стрелки электрона может быть правым или левым.
Если в винтовочном стволе правая нарезка, то вылетевшая из ствола пуля будет иметь вращение вправо. А если левая – влево. Теперь представьте, что мы стреляем в мишень, свободно закрепленную в центре и могущую вращаться. В этом случае пули с правым вращением, впиваясь в мишень, будут передавать ей свое вращение, постепенно раскручивая в ту же сторону – примерно как отвертка крутит винт.
Если мы не знаем, в какую сторону крутятся вылетающие из ствола пули, можно поставить опыт, стреляя по крутящейся мишени. В какую сторону она завертится, в такую и пули крутятся.
Правые пули закрутят мишень вправо, левые – влево.
Но спин – это сущая ерунда по сравнению с последним и самым загадочным свойством электрона. Свойство это называется зарядом. Но заряд не в том смысле, что электрон чем-то заряжен, как винтовка патроном, потому что патрон из винтовки можно вынуть. А этот загадочный заряд из электрона вынуть нельзя. Он ему присущ, он его часть. Он – главное его свойство. Электрон, собственно говоря, и есть заряд!
Что же такое заряд?
Этого никто не знает. Но зато мы знаем, как загадочный заряд проявляет себя. И вы сейчас это узнаете.Давным давно люди заметили, что если кусочек янтаря натереть шерстяной тканью, он начнет притягивать маленькие кусочки бумажки. Янтарь – это окаменевшая сосновая смола. Наверняка у вашей мамы есть янтарные безделушки – кулончик или сережки. Безделушки надо приспособить к делу! Возьмите кулон, тщательно выковыряйте из оправы желтоватый янтарь (маме он больше не понадобится), возьмите шерстяной носок, нарвите бумагу на крохотные кусочки. После чего, потерев янтарь, попробуйте притянуть им бумажные клочки.
Надеюсь, вам не влетит за смелые исследования.
На указанное явление впервые обратили внимание те же древние греки, весьма вдумчивый народец. По-гречески янтарь – «электрон». И вы, наверное, уже догадались, что за притягивание бумажек отвечают электроны, раз эти частички физиками были названы в честь янтаря.
Действительно, в этом простом эксперименте человечество впервые столкнулось с действием электрических сил, которые обусловлены электрическим зарядом.
Теперь-то мы к электричеству привыкли. Теперь мы без него жить не можем. Теперь у нас кругом розетки, которые больно бьют током догадливых детей, додумавшихся сунуть туда свой тонкий пальчик. Теперь нас просто окружает электричество, без коего и шагу не ступить. Стиральные машины, лифты, лампы, холодильники, троллейбусы и электрички, радиоприемники и телевизоры, заводы и фабрики – все работает на электричестве. Линии электропередач передают потребителям электрический ток, который вырабатывается электростанциями.
? А что такое электрический ток?
Нет ничего проще! Поток электронов – вот что такое электроток. Как река – это течение триллионов и биллионов молекул воды по руслу, так и электрический ток – это течение миллиардов электронов по металлическому проводу. Все металлы очень хорошо проводят ток. Это отличительное свойство металлов, на которое ученые давно обратили внимание. Сегодня в кристаллической решетке металла мы умеем организовывать организованное течение мириадов элементарных частичек под названием электроны. Греки добывали чуть-чуть электричества, натирая шерстью янтарь. У нас же теперь – целые электростанции, которые занимаются производством электроэнергии. Уйму тока дают!Короче говоря, заряд электрона – это некое свойство, которое характеризуется… чем? Ясно, чем характеризуется масса. Инертностью! Чем массивнее тело, тем труднее его разгонять. Попробовали потолкать – ого! тяжеленное! А заряд как обнаружить?
А заряд проявляет себя тем, что он притягивается к другому заряду – противоположному.
Существуют два вида зарядов – положительный и отрицательный. Ничего положительного и отрицательного в бытовом смысле в них нет, они не хорошие и не плохие, просто их так назвали когда-то да и все. Обозначают положительный заряд знаком плюс – «+», а отрицательный знаком минус – «-». Эти знаки вы тыщу раз видели на разных батарейках. А если не видели, сходите да посмотрите. Мне кажется, лучше всего попробовать выломать батарейку из папиных часов с помощью молотка и отвертки.
Электрон является носителем отрицательного заряда, а протон – положительного. Разноименные заряды притягиваются друг к другу, одноименные отталкиваются. Это прекрасно видно на рисунке.
Притяжение и отталкивание электрических зарядов.
Вот так мы и к протону незаметно перешли. Посмотрим-ка на него внимательно.
Если электрон маленький, легонький и электроотрицательный (минус), то протон большой, тяжелый и электроположительный (плюс). Полная противоположность! При этом протон и электрон притягиваются друг к другу.
? А почему, собственно говоря, разноименные заряды притягиваются? И почему одноименные отталкиваются?
Этого никто не знает. Но это так! Уж такое это свойство – электрический заряд. Именно так оно себя проявляет. Понять, почему именно так, на современном этапе развития науки нельзя, можно только привыкнуть. Привычка вполне заменят понимание. Можно сказать, что привычка и есть понимание. Привык – и вроде как понимаешь.Электрон и протон – на вид очень разные ребята. И масса, и размер у них разные. А вот заряд одинаковый – заряд протона в точности равен заряду электрона, только знак имеет противоположный.
Что еще сказать о протоне? По сравнению с электроном он просто гигант! Если вы забыли, я напомню – протон в 1820 раз тяжелее электрона. И по размерам, соответственно, больше.
Поскольку плюс и минус притягиваются, протон и электрон притягиваются друг к другу и могут образовать пару, напоминающую звездную систему. Только в звездной системе планета кружится вокруг светила, а тут электрон будет кружиться вокруг протона.
Самая простая подобного рода система состоит из одного протона, вокруг которого крутится один электрон.
Латинской буквой «Р» в научном мире обознается протон, а значком «е» – электрон. Плюсик обозначает положительный заряд у протона, минусик – отрицательный у электрона. Впрочем, это вы и так уже поняли, я думаю.
Аналогичные, казалось бы, системы. Только одна из них (звездная) существует в макромире, а другая (атомная) в микромире. Но разница, тем не менее, есть. И состоит она, главным образом в том, что планета и звезда электронейтральны, то есть не обладают зарядом (никто еще не догадался потереть Солнце шерстяной тряпочкой). А электрон и протон обладают зарядом, то есть их притягивает друг к другу электрический заряд. А планету к звезде притягивает сила всемирного тяготения, которая действует на все массивные тела. Та самая, которая бросает вас на землю, когда вы спотыкаетесь и падаете. Та самая, которая неудержимо влечет вниз любимую мамину чашку, которую вы взяли без разрешения и уронили. Почему она на пол-то летит, свинья такая?
Притягивается.
Все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. И чем больше масса, тем сильнее.
Вообще-то говоря, электрон и протон тоже имеют массу и потому притягиваются друг к другу без всякого заряда. Но их массы такие крошечные, что не смогли бы устроить между ними устойчивую связь без помощи зарядов.
А знаете, что это такое у нас получилось – ну, когда один электрон мы запустили крутиться вокруг одного протона?
Это атом водорода.
Самый легкий химический элемент. Самое простое вещество на свете. Номер первый в таблице Менделеева. Всего-навсего один протон и один электрон – и вот мы уже имеем газ водород. Вообще-то, строго говоря, в атомарном состоянии водород как газ не встречается. Он существует в виде молекулы из двух атомов водорода – Н
. Два атома водорода сцепляются вместе и образуют молекулу газа по имени водород. Но это уже мелочи. Главное, что нам удалось собрать всего из двух элементарных частиц первое химическое вещество. Для этого даже третья элементарная частица не понадобилась – нейтрон.
Нейтрон – парень скромный. Он не обладает таким ярким характером, как протон, хотя они очень похожи. У нейтрона почти такая же масса, как у протона, и практически такой же размер. Но заряда у нейтрона нет. Он нейтральный.
А на фиг он тогда нужен?
И вправду, мы вон вполне удачно собрали первое, правда, пока самое простое вещество всего из двух элементарных частичек. Так зачем нужен нейтрон?
Разгадку этой загадки я открою чуть позже. А пока скажу обтекаемо: природе нейтрон зачем-то понадобился. И уже в следующем химическом элементе он присутствует.
Давайте попробуем собрать что-нибудь посложнее водорода!
Как? Простая логика подсказывает: если у нас в простейшем веществе две частички, надо добавить еще одну – третью. Вот вокруг нашего Солнца вращается около десятка планет. И поскольку атом напоминает планетную систему, давайте запустим вокруг протона еще несколько электронов.
Это будет сложновато! Я ведь не зря выше сказал, что заряды протона и электрона равны. Положительный заряд протона уже скомпенсирован отрицательным зарядом электрона, который кружится вокруг него. У протона уже силенки не хватит притянуть и удержать еще один электрон.
К тому же надо вот на что внимание обратить – атом водорода электронейтрален, то есть минусовый заряд электрона компенсируется в нем плюсовым зарядом протона. Потому и говорят, что для внешнего наблюдателя атом нейтрален. Все вещество, которое нас окружает, электронейтрально. А если случайно на нем накопится заряд, как на синтетической кофте, которую снимают через голову, или на янтаре, когда его шерстью потрешь, то вещество начнет притягивать мелкие предметы, потрескивать и даже искрить. Потрите резиновый воздушный шарик о голову, и он начнет волосы притягивать. Но это редкость, обычно вещество у нас в руках не искрит, не трещит, никуда ничего не притягивает и вообще ведет себя прилично. Нейтрально.
Поэтому если нам надо создать вещество, поимеем в виду, что оно должно быть электронейтрально, то есть число плюсиков в его атоме должно быть равно числу минусиков.
Значит, чтобы собрать что-то посложнее водорода, нужно в дополнение ко второму электрону на орбите всобачить ему в центр (в ядро) еще один протон. Потому что один протон два электрона не удержит, заряда не хватит. А два протона запросто удержат два электрона. И тогда все уравновесится – в ядре атома будет два плюсовых заряда от двух протонов, а вокруг будут крутиться два электрона с двумя минусовыми зарядиками. И в целом атом останется электронейтральным.
И таким образом что у нас получилось?
У нас почти получился гелий – вещество номер 2 в таблице Менделеева. До настоящего гелия ему не хватает только двух нейтронов в ядре. Добавим их, и получится гелий.
Атом гелия – два протона, два нейтрона, два электрона. Отлично поработали!
Природа устроила так, что количеству протонов в ядре атома приблизительно соответствует количество нейтронов. То есть если мы будем сооружать атом, например, с 10 протонами в ядре и 10 электронами на орбитах, то нам придется вдуть в ядро еще с десяток нейтронов. Балласт.
Поскольку протоны и нейтроны очень похожи (за исключением заряда), их часто называют одним словом – нуклоны. Ядро атома состоит из нуклонов, а вокруг кружатся в бесконечном вальсе электроны. Прелестно!
Из этих трех деталюшек складывается весь наш мир.
Ну, вот, собственно, и все! Вся природа у нас в кармане! Теперь нами понят ее главный принцип.
Как собрать следующий, третий по счету химический элемент в таблице Менделеева? Очень просто. Берем три протона, три нейтрона и три электрона. Нуклоны скатываем, как снежок, в одно ядро, вокруг запускаем три штучки электрончиков – и получаем литий. Литий – это уже не газ. Это уже легкий металл. Самый легкий металл на свете.Вы, надеюсь, уже нашли водород, гелий и литий в таблице Менделеева…
А теперь поступим так. Найдите-ка в таблице наше родное и всеми горячо любимое золото. Стойте!.. Лучше, чтобы вы не листали книгу туда-сюда, я просто сам перенесу из таблицы Менделеева клеточку с золотом сюда. И расположу ее чуть ниже золотых слитков.
Золото. Согласитесь, посмотреть приятно! Эти бы слитки да в хорошие руки!
А вот клеточка из таблицы Менделеева, где томится золото.
Мы видим тут значок золота – Au (аурум) – и две цифры. Верхняя – это порядковый номер элемента в таблице Менделеева. У золота № 79. Почему такой?
Отчего золото оказалось в периодической таблице элементов под номером 79?
Не знаете? А могли бы и догадаться! Вспомните, как мы строили первые три простейшие вещества. У первого, водорода – один протон и один электрон. У второго, гелия – по два. У третьего, лития – по три. Уловили закономерность? Порядковый номер – это количество протонов в ядре атома и электронов на орбите, вот и все! Если элемент стоит в таблице Менделеева пятым, то это только потому, что у него пять протонов в ядре, а вокруг кружатся 5 электронов.
А вторая цифра, которая внизу, что значит? Выглядит она страшно, но пугаться не стоит. Это атомная масса. Только выражена она не в килограммах или граммах, а в атомных единицах, где гирькой служит нуклон. 1 нуклон – это одна единица массы. Два нуклона – две единицы атомной массы. Крайне просто.
Иногда еще атомную массу называют атомным весом.
Мы знаем, что вес и масса – разные вещи, но так сложилось в науке, что атомный вес является синонимом атомной массы. Примем это как данность. Жалко что ли? Мы же говорим «чайник закипел», хотя кипит вовсе не чайник, а вода в чайнике.
В мире атомов вес измеряется в атомных единицах
Так вот, каков атомный вес водорода? Одна атомная единица! Потому что в его ядре один нуклон. А у гелия? Четыре! Потому что в ядре гелия четыре нуклона – две гирьки протонов, а еще и две гирьки нейтронов. (Электроны при определении атомного веса не учитываются из-за чрезвычайной легкости.)
Проще говоря, атомная масса, которая указана возле каждого элемента в таблице Менделеева до запятой – это общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в его ядре.
Посмотрите, в ядре атома золота 196 частиц. Протонов там, как мы уже выяснили, 79 штук. Все остальное – нейтроны. Возьмите калькулятор и посчитайте… Не хотите? Ну, ладно, я за вас посчитаю:
196 – 79 = 117
Получается, у золота 117 нейтронов в атоме.
Внимательный детский глаз может, еще раз оглядев клеточку золота, вырезанную из менделеевской таблицы, послать сигнал в хитрый детский мозг, и мозг озаботится ненужным вопросом:
– Дяденька писатель! А что там еще за цифры стоят после запятой? Ну, после 196?
Ох, не хотел я вам этого говорить, дети, хотел утаить, но раз к стенке приперли, придется расколоться.
Это очень трудно, друзья мои! Не каждый взрослый об этом знает! А вы поймете за одну минуту.
В обычном нормальном атоме золота, как мы уже выяснили, 117 нейтронов и 79 протонов. Но иногда встречаются атомы-уродцы. Довольно редко. У них есть лишние нейтроны. Как иногда у людей бывает по шесть пальцев на руках. Нечастое явление.
Предположим, на тысячу нормальных атомов приходится один дефектный. И если в норме в атоме золота 117 нейтронов, то иногда встречаются «вспухшие» уродливые атомы, в которых 118 нейтронов. Все помидорчики как помидорчики, а у одного помидора какой-то уродский вырост на боку. Ничего, мы и такой съедим.
Атомы-уродцы называют изотопами. Именно из-за них, кособоких паразитов средний вес всех атомов отличается от целого числа. Что понятно: если у нас из десяти атомов все десять имеют атомный вес в 6 единиц, то и средний атомный весь будет равен ровно шести:
(6+6+6+6+6+6+6+6+6+6): 10 = 6
А вот если один из десяти атомов имеет вес в 7 единиц, средний вес изменится:
(6+6+6+6+6+7+6+6+6+6): 10 = 6, 1
Видите, после запятой появилась циферка, которая говорит о том, что не «все шестерки одинаковы».
Если вы внимательно посмотрите на атомные веса элементов в таблице Менделеева, то увидите, что все они не являются целыми числами. Значит, каждое элементарное вещество имеет уродливые атомы. Даже водород. Хотя, казалось бы, проще водорода ничего быть не может – один протон, вокруг которого крутится один электрон, вот и весь атом. Эта не какой-нибудь свинец, у которого в ядре больше двух сотен нуклонов, а вокруг этого огромного ядра кружится больше восьмидесяти электронов!
Однако все же бывают атомы водорода, в ядре которых, кроме протона, есть еще и нейтрон. Один. А порой и два! Такой водород называют тяжелым. Потому что его атом тяжелее обычного.
На рисунке ниже нарисованы атомы нормального водорода и редкие уродики, а также написано, как эти уродики называются.
Но так как атомы-уродцы встречаются редко, говорить мы о них пока прекращаем. Я рассказал вам про изотопы лишь затем, чтобы объяснить наличие циферок после запятой. Вы на эти циферки просто внимания не обращайте да и все.
Вы теперь и так знаете слишком много! Вы представляете, по каким принципам строится вещество. Берите любой атом из таблицы Менделеева и рассказывайте про него маме или даже папе. Задавайте контрольные вопросы. Проверяйте усвоенный материал.
А пока взрослые морщат лоб и мычат в свое оправдание что-то типа «я, конечно, в школе учи-и-ил, но забы-ы-ыл», мы с вами возьмем сейчас тот же хлор и натрий, из которого ранее соль поваренную делали, и посмотрим, что тут к чему.
Натрий. Легкий металл. Как он сделан? Его номер 11-й. Значит, 11 протонов и 11 электронов. Атомный вес натрия – 22. То есть в ядре 22 нуклона.
22 нуклона минус 11 протонов = 11 нейтронов. Все. Атом натрия готов.
Теперь хлор надо собрать по инструкции дяденьки Менделеева.
У хлора номер 17. То есть 17 протонов и 17 электронов. Атомный вес (число нуклонов в ядре) – 35.
35 – 17 = 18 нейтронов. Все, собрали хлор.
Теперь соединяем два этих атома – хлора и натрия, – зацепив один за другой колечками самых дальних электронных орбит, и получаем сложное вещество – молекулу поваренной соли.
Так строятся все вещества – сцепляясь дальними орбитами электронов. При этом дальние электрончики, которые крутились на этих орбитах, становятся как бы общими для обоих ядер.
Все, можно стереть пот со лба. Мы освоили химию и физику элементарных частиц. Слава Менделееву! Науке слава!
Молекула поваренной соли – хлорид натрия. Кушать подано!
Теперь осталась одна маленькая деталь, которую нужно знать каждому приличному ребенку. Один маленький штрих, который завершит картину мироздания, сделав ее в ваших блестящих глазах более полной и блестящей.
Итак, мы знаем, что практически все окружающее нас вещество электронейтрально. Если вы дотрагиваетесь до шкафа, он не бьет вас током. Потому что в веществе шкафа количество положительных зарядов равно количеству отрицательных. Его атомы электронейтральны.
Но что будет, если атом потеряет один или два электрона? Вот такой рассеянный атом. Может такое быть? Может! Какое-нибудь сильное воздействие может парочку электрончиков у атома оторвать.
Вы скажете (подсмотрев в таблицу Менделеева):
– Ха! Даже если такое случится, невелика потеря! Вокруг ядра атома могут крутиться под сотню электронов! Например, у радия их 88. Некисло так! Подумаешь, пару потеряет…
Однако потеря даже одного отрицательного заряда означает избыток заряда положительного. Если атом теряет электрон, значит у него остается один «лишний», нескомпенсированный протон. И атом в целом таким образом приобретает положительный заряд +1.
А если атом теряет два электрона, то он приобретает заряд +2.
Бывает и наоборот – когда к атому присоседится какой-нибудь приблудный лишний электрон. В этом случае атом получает один отрицательный заряд -1.
Случаи бывают разные…
Такие заряженные атомы называются ионами.
? Когда происходит подобное? Из-за чего атомы могут, например, терять электроны?
Это бывает при высоких температурах, то есть тогда, когда атомы газа имеют большую энергию и скорости, носятся, как сумасшедшие, сталкиваются друг с другом. Мы ведь с вами помним, что частота и скорость соударений и есть температура. В обычном воздухе скорость соударений молекул невелика. А вот на Солнце раскаленный газ имеет температуру в тысячи (на поверхности Солнца) и даже десятки миллионов градусов (внутри нашего светила). Я сказал «на Солнце»? Это немного неточно. Скорее, «в Солнце». Потому что Солнце представляет собой раскаленный газовый шар. В основном оно состоит из водорода с небольшой примесью гелия.Так вот в этих условиях скорость соударения атомов водорода такова, что «крышу срывает» у атомов на всю катушку. Атомы разрушаются, электроны слетают со своих орбит и начинают метаться одни, так же, как и протоны. Получается хаотическая электронно-протонная смесь или, иначе говоря, ионизированная плазма.
Плазма – горячая смесь ионов. Огонь – это тоже плазма. Только в обычном пламени костра или свечи содержание ионов не такое большое, как на Солнце, потому что температура ниже.
Я загрузил вас новыми словами – «ионы», «плазма». Но зато теперь вы можете похвастаться тем, что знаете целых четыре состояния вещества!
Первое – твердое. Атомы и молекулы в таком веществе крепко держатся друг за друга, никуда не бегают, а только чуть-чуть дрожат и топчутся на одном месте, образуя кристаллическую решетку.
Второе состояние вещества – жидкое. Здесь уже энергетика частичек вещества такова, что они ломают кристаллическую структуру, рушат тесные ряды и начинают хаотически бродить, будучи не в силах удержаться в твердой структуре. Растекаются. Но еще не разлетаются друг от друга.
Разлетаться они начнут в третьем состоянии вещества – газообразном, которое наступит при дальнейшем нагреве, то есть дальнейшей накачке вещества энергией. Тогда скорость атомов станет уже такой, что силы их притяжения не смогут сдерживать энергичность расшалившихся атомов. Они просто разлетятся друг от друга и рассеются в пространстве.
Если же газ собрать в каком-то закрытом объеме или просто удерживать мощной силой гравитации (как на Солнце) и продолжать нагревать, то энергетика атомов станет уже такой огромной, что при столкновении друг с другом будут разрушаться уже сами атомы – с них начнет срывать электронные шубы. И останутся только ионы, ионизированный газ – плазма. При этом газ начнет светиться, что говорит о его высокой температуре.
Плазма – это прекрасно. Мы любим смотреть на плазму…
Глава 4
Сила есть – ума палата!
Теперь, подойдя к папе, а лучше к маме, потому как папа может еще что-то помнить из института, можно устроить женщине строгий экзамен по теории вещества и уличить в полной научной беспомощности. После чего патетически воскликнуть: «И этот человек запрещает мне ковырять в носу!»
Однако остались еще некоторые тонкости, которые наверняка ускользнули от вашего внимания. И самая главная непонятка вот какая…
Мы теперь знаем, что плюсовый заряд и минусовый притягиваются, поэтому электрончик охотно тянется к протону, образуя атом. А вот одноименные заряды отталкиваются. Почему же тогда плюсовые протоны группируются вместе кучкой в центре атомного ядра?
Хороший вопрос. Умеете вы задавать трудные вопросы!
Действительно, если подумать, то ведь протоны должны разлететься друг от друга со страшной силой!
Вообще говоря, именно так и происходит. Если мы возьмем два свободных протона и начнем их осторожно подкатывать друг к другу, то нам это сделать не удастся – они не захотят даже приближаться друг к другу и будут отталкиваться с ужасной силой. И только приложив к ним еще более страшную силу и добавив немного нейтронов, мы вдруг увидим чудо – склеились!
Как же так? Почему? Что их удерживает, если силы электростатического отталкивания стремятся раскидать протоны, которые отталкиваются друг от друга, потому что положительно заряжены? Что пересиливает? Что держит?
Отвечу: ядерные силы.
Ядерные силы – это очень мощные силы, которые намертво скрепляют нуклоны в ядре.
Но силы эти очень короткодействующие. Если силы электромагнитные действуют на дальних дистанциях, то ядерные – лишь в пределах размеров атомного ядра.То есть, прикладывая громадные усилия по противодействию электростатическому отталкиванию, нам надо сблизить нуклоны настолько, чтобы короткие, но очень мощные ручки ядерных сил схватили их и начали противостоять длинным, но тонким и относительно слабым ручкам электростатики.
Отталкивающая пружина – электрические силы. Крючки – ядерные силы
Ядерные силы – самые мощные силы в природе. Их по-другому даже так и называют – сильное взаимодействие.
Еще раз: сильное взаимодействие – это сцепление нуклонов на короткой дистанции, в пределах размеров атомного ядра.
Но даже этих мощных сил не хватило бы, чтобы удержать в ядре одни только протоны, без нейтронов. Вот вам и ответ, зачем природе понадобились нейтроны. Для склейки ядер! Поскольку у нейтронов заряда нет, а ядерные силы есть, нейтроны таким образом «разбавляют» общий положительный заряд ядра, уменьшая электростатическое отталкивание. И только потому большие ядра могут стабильно существовать.
Причем чем больше номер химического элемента, то есть чем больше в нем протонов и, стало быть, электростатического отталкивания, тем больше требуется нейтронов для разбавления. И потому чем ниже и правее расположен элемент в таблице Менделеева, чем он тяжелее, тем больше в нем нейтронов по сравнению с протонами. Если у углерода на 6 протонов приходится 6 нейтронов, то у ртути, например, на 80 протонов идет не 80, а целых 120 нейтронов.
И еще момент. Вы, разглядывая таблицу Менделеева, не задавались вопросом: а отчего в этом наборе элементарных веществ (химических элементов) всего порядка сотни наименований?
В таблице Менделеева на сегодня больше ста элементов, но самые тяжелые из них, с номером более 92 в природе не встречаются и были получены искусственно учеными в ядерных реакторах. Почему же сверхтяжелые элементы (так называют элементы тяжелее урана) не встречаются в природе?
Потому что их ядра нестойкие. Даже образовавшись, они вскоре распадаются. Они такие большущие, что их размеры превышают радиус действия короткодействующих ядерных сил. Которые уже не могут дотянуться с одного края атомного ядра до другого. И ядро разваливается, как разделяется слишком большая капля под собственным весом.
Именно поэтому в нашем мире меньше сотни элементов. Ничего, хватает, чтобы построить целый мир и озадаченно ковырять в носу, разглядывая его…
Ну, и раз уж мы заговорили о стабильности, надо упомянуть один постыдный факт из жизни нейтронов. Он заключается в следующем – в отличие от протонов и электронов свободные нейтроны нестабильны.
В ядрах атомов нейтроны прекрасно существуют. А вот оставшись в одиночестве, быстро «умирают». Время жизни свободного нейтрона всего 15 минут.
Что же с ними случается? Свободный, одинокий нейтрон распадается на протон и электрон. Нейтрон как бы выстреливает электроном, который уносится в пространство. И на месте бывшего нейтрона остается одинокий протон.
Помните, мы говорили, что нейтрон и протон имеют практически одинаковую массу? Их масса различается практически на один электрон. Иными словами, нейтрон тяжелее протона всего лишь на массу одного электрона. Нейтрон как бы состоит из протона и электрона в одном флаконе. Но именно «как бы», поскольку он является самостоятельной солидной частицей со своими свойствами, и никакого электрона «внутри» нейтрона не содержится, электрон образуется в момент распада, в результате распадной реакции.
И я вам больше скажу: в атомном ядре нейтроны и протоны постоянно превращаются друг в друга, словно перебрасываясь плюсовым зарядом. Эта перепасовка выглядит так – бросил протон нейтрону подачу и превратился в нейтрон. А нейтрон, принявший пас, стал протоном. Вот так они и живут там, внутри ядра – в постоянной паутине зарядовых перепасовок. Поэтому физики иногда говорят, что протон и нейтрон – это одна и та же частица, только в разном зарядовом состоянии. Поэтому их и объединили под общим названием – нуклон. Нормально?
Теперь сообщу вам еще одну тонкость, без которой наше погружение в микромир будет неполным. Эта тонкость столь тонка, что доставила в свое время ученым немало головной боли. Они давно обнаружили, что при распаде нейтрона образуются протон и электрон, но у них не сходился энергетический баланс. Ну, то есть до реакции распада в системе (у нейтрона) была одна энергия, а после распада – чуть меньшая: в сумме протон и электрон не давали той энергии, которую имел нейтрон. Куда-то исчезал кусочек. Таких вещей физики не любят!
У физиков самые суровые законы – это законы сохранения массы, энергии, заряда…
Сколько было чего-то до эксперимента, столько и должно остаться после опыта. Это понятно: если вы взяли вазу и ударили ее молотком, разбив на куски, то все осколки вместе будут весить столько же, сколько целая ваза. Потому что масса не может исчезнуть или взяться из ниоткуда!То же самое с энергией – если до реакции было столько-то энергии, значит после реакции ее должно столько же и остаться. Она ведь никуда не исчезает и не берется из ниоткуда, она просто переходит в другие формы.
То же самое с зарядом. Общий заряд до эксперимента должен быть равен общему заряду после эксперимента.
С зарядом все обстояло прекрасно. Нейтрон заряда не имеет, то есть заряд у него нулевой. А после распада нейтрона получается протон с зарядом +1 и электрон с зарядом -1. Плюс один и минус один дают в сумме ноль. То есть и после реакции распада общий заряд системы остался нулевым. А вот небольшая доля энергии куда постоянно исчезала.
– Может быть, при этой реакции образуется еще одна какая-то частичка – без заряда и крайне маленькая, которую мы не умеем пока задержать? Она-то и уносит недостающую энергию, – задались вопросом ученые люди, наморщив лбы.
Так оно и оказалось. Частичку эту назвали нейтри?но. У нее нулевой электрической заряд (как у нейтрона), огромная скорость и еще одно свойство, из-за которого ее так долго не могли поймать – она почти не реагирует с веществом. Нейтрино может прошить свинцовую плиту толщиной от Земли до Солнца. Солнце излучает триллионы триллионов этих нейтрино, и кажду секунду они прошивают нас и всю Землю насквозь, а нам наплевать. Нет взаимодействия!
Зачем я вам рассказал про нейтрино? Зачем вам обращать свое драгоценное внимание на эту ничтожную частичку, если она нас совершенно не замечает, прошивая насквозь, никак не реагируя?
Я преследовал две причины. Во-первых, чтобы вы понимали – хотя учеными открыто уже довольно много всякой ерунды в микромире, типа нейтрино, но главными для нас все равно являются вот эти три частицы – электрон, протон, нейтрон. Из них сделано все вокруг нас.
А во-вторых, мы с вами уже имеем представление о двух главных силах в природе или, иначе говоря, двух основных взаимодействиях, а сейчас узнаем третье – вот как раз с помощью нейтрино.
Напомню, потому что повторенье – мать ученья, а мать надо любить:
1) есть ядерные силы, которые сцепляют протоны и нейтроны внутри ядра, сопротивляясь силам электрического отталкивания положительно заряженных протонов.
2) и есть эти самые силы электрического отталкивания и притяжения между частицами.
Вот две силы природы, которые мы уже знаем… Только я хочу вас попросить об одном одолжении. Уж уважьте старика! Давайте вместо «сила» будем говорить «взаимодействие». Я понимаю, что слово «сила» вам нравится больше, потому что оно привычнее. Но мы с вами теперь ученые люди, и нам пристали более точные слова и выражения. А мне представляется, что слово «взаимодействие» точнее и умнее. Так что вместо «ядерные силы» и «электромагнитные силы» скажем «сильное взаимодействие» и «электромагнитное взаимодействие».
Вообще все, что происходит в этом мире, все-все-все движения и явления…ну вот буквально все без исключения объясняется всего четырьмя взаимодействиями. Половину мы уже знаем.
Сильное взаимодействие сцепляет нуклоны в ядре, позволяя ядрам существовать. Без него ядер атомов просто не могло бы быть.
Второе взаимодействие – электромагнитное. Оно отвечает за притяжение разноименных зарядов и отталкивание одноименных. Плюсик отталкивается от плюсика, минус от минуса; а вот плюсик с минусиком притягиваются, словно магнитики. Поэтому минусовые электрончики охотно подлетают к положительно заряженным ядрам атомов и начинают вокруг них свое счастливое самозабвенное кружение.
Таким образом, электромагнитное взаимодействие обеспечивает нам существование уже не ядер атомов, а самих атомов в сборе. А поскольку все вокруг нас состоит из атомов, электромагнитное взаимодействие для нас является главным. Оно отвечает за все, что происходит в макромире вокруг нас. За всю химию, например, то есть за все химические реакции. Вся наука химия – это сплошное электрическое взаимодействие зарядов. Сила трения – тоже проявление электромагнитного взаимодействия. И фазовые переходы – таяние льда, испарение воды. Горение дров в печке. Работа нашего организма. Любовь к маме. Свет в окошке… Все это – проявление электромагнетизма.
Но если все вокруг нас – проявление всего двух сил, точнее, взаимодействий, то зачем нужны еще два взаимодействия? Зачем их четыре, если можно обойтись двумя?
Зададимся вопросом: а вот распад нейтрона – это какое взаимодействие? Нейтрон один-одинешенек, значит, никакие ядерные силы со стороны других нуклонов на него не действуют. И он электронейтрален – никакие электромагнитные силы на него тоже не действуют. Но он вдруг раз – и распадается. Под воздействием каких-то внутренних сил. Каких? Эти силы называют слабыми – в противовес сильным ядерным.
Слабое взаимодействие! Третье по счету. Именно оно отвечает за распад частиц. Казалось бы, пустяк. Но если бы не слабое взаимодействие, никакой жизни на нашей планете не было бы. Потому как слабое взаимодействие отвечает за те ядерные реакции, которые идут в Солнце и обеспечивают его свечение. Солнце – источник жизни на Земле. Основной поставщик энергии. Без слабого взаимодействия это было бы невозможно. Именно оно ответственно за те реакции, которые дарят нам тепло и свет.
Ну, а четвертая сила природы, четвертое и последнее взаимодействие – гравитационное. То, что мы ходим по поверхности планеты, а не улетаем в мировое пространство; то, что яблоки и прочие предметы падают на пол, а Земля крутится вокруг Солнца, подставляя ему то один, то другой бочок для обогрева и освещения, – это следствие гравитации, то есть всемирного тяготения. Без него нас бы тоже не было.
Все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Сила этого притяжения невелика, поэтому между не очень тяжелыми предметами совершенно незаметна. Вы, например, притягиваетесь к маме, но не падаете на нее, как камень на землю, потому что силы этого притяжения слишком малы. И только там, где в ход идут гигантские массы, типа массы нашей планеты, сила всемирного тяготения становится заметной и набивает шишки при падении. Земля притягивает, и это прекрасно.
Вот все четыре взаимодействия, которые существуют в природе. Больше никаких нет. И они за все происходящее в мире отвечают. Посмотрите на рисунок, там все прекрасно показано.
Теперь, узнав про это, вы стали необыкновенно умными. То ли еще будет!
Все происходящее в мире определяется четырьмя видами взаимодействий.
Глава 5
Колдуны и ученые
Человечество существует десятки тысяч лет. А наука в современном понимании этого слова существует лет двести. Ну, пусть триста. А до этого человечество слепо тыкалось в природу, норовя путем проб и ошибок чего-то достичь в практическом смысле. И вот, поднакопив знаний, человечество стало их систематизировать, анализировать и заложило основу науки. После чего прогресс и развитие цивилизации ускорились. Развитие человечества пошло невероятно быстро.Даже вы, мой юный или не очень читатель, знаете об устройстве мира больше, чем знало все человечество пятьсот лет назад. Вы знаете, как устроено вещество. А раньше человечество об этом даже представления не имело. И потому в Средние века, то есть лет пятьсот – шестьсот назад была весьма популярной идея сделать золото из какой-нибудь дряни.
Люди, которые этим занимались, назывались алхимиками. Алхимия – предтеча химии, то есть невзрачное сухое зернышко, из которого потом выросло прекрасное растение науки по имени химия.
Алхимиков очень любили средневековые правители. Они выделяли им пару комнат в своих замках, и алхимики проводили там свои опыты – нагревали в банках и ретортах разные вещества, смешивали их в случайном порядке, пытаясь достичь результата. В основном их работа была направлена на поиск трех вещей:
– панацеи (лекарство от всех болезней),
– эликсира бессмертия (средство для вечной жизни)
– и философского камня, который бы превращал разные вещества в золото.
В надежде на эти прелести средневековые владельцы замков и оплачивали безумные опыты алхимиков, которых в народе считали колдунами.
Чаще всего алхимики пытались с помощью разных ухищрений превратить в золото ртуть и свинец. Почему?
А посмотрите в таблицу Менделеева! Где расположены ртуть и свинец? Рядом с золотом! То есть по тяжести они почти одинаковы. Точнее говоря, почти одинаковы по плотности. Интуиция подсказывала алхимикам, что раз у этих металлов похожи некоторые свойства (плотность), значит, копать надо в этом направлении, сделать еще какой- то шажок, чего-нибудь добавить, и серый невзрачный легкоплавкий мягкий тяжелый свинец превратится в желтое сверкающее мягкое тугоплавкое тяжелое золото.
Увы! Не получилось.
И мы теперь знаем, почему.
Потому что золото – химический элемент, то есть простейшее вещество. Сложное вещество можно собрать из простых. Сложное вещество можно разложить на простые. И если бы золото было веществом сложным, его можно было бы сконструировать из химических элементов, как поваренную соль можно сделать химическими методами из натрия и хлора, а воду – из водорода и кислорода.
Но золото вещество простое, это элементарная деталька химического конструктора природы. Из деталек можно собирать что-то более сложное химическими методами. А вот золото собирать не из чего: оно само уже сделано из элементарных частиц.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/aleksandr-nikonov/fizika-na-palcah-dlya-detey-i-roditeley-kotorye-hotyat-obyasnyat-detyam/?lfrom=159481197) на ЛитРес.
Немає коментарів:
Дописати коментар