Kitabı oxu: «Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом»

David J. Helfand

THE UNIVERSAL TIMEKEEPERS Reconstructing History Atom by Atom

© David J. Helfand, 2023

© Измайлов В. А., перевод на русский язык, 2024

© Издание на русском языке, оформление. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2024

КоЛибри®

Благодарности

Недавно я в пятидесятый раз посетил ежегодную встречу выпускников, и будет уместно, если сначала я выражу благодарность факультету физики Амхерст-колледжа, который полвека тому назад, в 1970-х годах, номинировал меня на членство в почетном научном обществе Sigma Xi. Это событие (вкупе с внесением ежегодных взносов) позволило мне шесть раз в год получать журналThe American Scientist. Как я отмечаю в десятой главе, в этом журнале была одна особенно увлекательная статья, которая пробудила мой интерес к тому, как мы можем воссоздать историю – и доисторические времена – при помощи атомов.

По прошествии еще нескольких лет и после прочтения еще нескольких статей в этом журнале и других изданиях я собрал достаточно материала, чтобы разработать курс для студентов Колумбийского университета, изучающих гуманитарные науки. Этот курс я назвал «Летописцы Вселенной». В какой-то момент я даже надеялся, что он, объединивший несколько научных дисциплин, когда-нибудь сумеет развиться в профилирующий предмет, который я на протяжении десятилетий пытался добавить в учебный план Колумбийского университета. Этого не случилось, но цели своей я в конце концов достиг – благодаря курсу, вдохновившему меня на написание последней книги, «Руководство по выживанию в эпоху дезинформации: научные привычки разума» (A Survival Guide to the Misinformation Age: Scientific Habits of Mind). И все же я по-прежнему преподаю «Летописцев», а поэтому должен особо упомянуть моих студентов в осеннем семестре 2022 года – им так пришлась по душе возможность получить бонусные баллы, что они прочли книгу и исправили в ней множество орфографических ошибок, предоставив читателям найти оставшиеся, которых, полагаю, все же будет немного. Самым проницательным корректором, с большим отрывом, оказалась, в частности, Кэролайн Николсон.

Кроме того, я в большом долгу перед двумя анонимными рецензентами, которые предложили мне добавить к книге глоссарий и помогли прояснить ряд описаний, присутствующих в тексте.

Особенно неожиданное и благотворное воссоединение с Нессой Брайс, моей бывшей студенткой из канадского Квест-Юниверсити, и ее сестрой Мэгги привело к одному из наиболее волнительных и радостных моментов в работе над книгой: созданию чудесных иллюстраций. От них обеих я невероятно много узнал о том, как визуализировать научные концепции, и они легко и свободно сочетали научные догадки, техническое мастерство и эстетическое чувство, превращая цифровые данные в настоящие истории. Если вам когда-нибудь потребуется наглядно представить научную идею, рекомендую без промедления связаться с ними на BeyondBoundsCreative.com.

Миранда Мартин, редактор, на протяжении всей работы была неизменно любезна и весела, а Дженнифер Кру из Издательства Колумбийского университета заслуживает отдельной признательности за рекламную историю для публикации – настолько оригинальную, что я не мог и представить подобной. Она сказала: «Мой отец первым из людей увидел атом». (И это правда: Альберт Кру изобрел современный просвечивающий растровый электронный микроскоп.)

И, наконец, как и всегда (по крайней мере на протяжении последних сорока четырех лет), я благодарю Джаду – моего главного критика, эксперта и постоянную спутницу.

Вступление

На 99,9999999999995 % они – это пустое место. Практически идеальное ничто.

Но из них сложено все, что вы видите, осязаете, обоняете и чувствуете. Они питают вас и одевают. Их движение позволяет вам ощущать теплоту и холод. Они рождают ваши надежды, мечты и воспоминания. Они существуют в величественном одиночестве и в сложнейших скоплениях. Они рассказывают о времени. И они могут раскрыть тайны прошлого, которых нам без их помощи ни за что не раскрыть.

Я говорю об атомах.

Вероятно, вы никогда их не видели, даже несмотря на то, что они пронизывают весь наш мир. И это неудивительно, если осознать, что они – не просто по большей части пустота, но очень, очень крошечные частички пустоты, и для того, чтобы создать простое маковое зернышко, требуется 15 миллионов триллионов атомов.

Однако благодаря тому, что мы научились напрямую взаимодействовать с этими частичками почти абсолютной пустоты, мы можем задать им сокровенные вопросы, изменить их внутреннее состояние и прочесть их сложную историю. Как ты попал на страницу этого средневекового бревиария? Когда тебя нанесли на стену пещеры, изобразив ланий круп? Насколько холодно было вокруг, когда ты выпал снежинкой на гренландский ледник? Где ты был, когда Земля еще только формировалась из протопланетного диска, который вращался вокруг новорожденного Солнца? Чем занимался ты сам и что делали твои друзья в первые три минуты существования Вселенной?

И атомы, если их уговорить, охотно отвечают:

Со средневекового молитвенника, слегка смущенно: «Меня добавили чуть позже, в 1896 году».

Со стены пещеры: «17 150 лет тому назад, плюс-минус десять лет».

Из гренландского ледника, с глубины в километр: «–25,5 °C».

Из пояса астероидов: «Далеко от вашей жадной орбиты!»

С первозданного атома на вашем ногте: «Как раз хотел соединиться с симпатичным ядром дейтерия».

Как менялись со временем пищевые привычки человечества? Когда мы перешли к выращиванию зерновых, оставив жизнь кочевников? Когда и почему исчезли динозавры, господствовавшие на протяжении 180 миллионов лет? Как после образования Земли так быстро возникла жизнь, и почему все ее главные молекулы имеют левое направление? В какой момент истории Вселенной возникло Золото, из которого выковано мое обручальное кольцо?

Когда мы проведем испытания и расчеты, а также слегка растревожим и преобразим наших маленьких атомных историков, у нас появятся подробные ответы на эти и многие другие вопросы. Но сперва нам необходимо более формальное вступление.

В переводе с греческого словоatomos означает «неразрезаемый» или «неделимый», и в изначальном представлении атомы были именно такими – наименьшими неделимыми частичками материи, способными, в принципе, существовать. Две с половиной тысячи лет назад, когда с этой идеей познакомились на Западе, она представляла собой исключительно философскую метафору: мир состоял из огромного разнообразия веществ, и если кто-то, скажем, брал кусочек древесины и делил его пополам, потом снова пополам, и снова, и снова, и так далее, то в конце концов он мог бы дойти до мельчайшей деревянной частички, «атома» древесины. Конечно же, проверить эту идею не было никакой возможности, но безумной она не казалась.

В Древней Греции она уступила другому, более простому философскому взгляду. Согласно ему, материя состояла из различных соотношений всего лишь четырех элементарных субстанций: земли, воздуха, огня и воды. Как следствие, на Западе атомную картину мира во многом отвергали на протяжении почти двух тысяч лет. Но в XVI веке в западной мысли снова появилось представление об атомах, бережно сохраненное в исламском мире. Сперва атомы были реабилитированы в глазах церкви как творение Господа, а потом, в XVIII столетии, стали предметом эмпирических исследований.

Сегодня мы сохранили понятие о фундаментальных строительных блоках, или, можно сказать, «кирпичиках» вещества, но оставили идею об их неделимости. Более того, нам во всех подробностях известны составляющие части любого атома – это сложное, положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов (которые и сами построены из еще более фундаментальных элементов, названных кварками), и отрицательно заряженные электроны, которые движутся по орбите вокруг ядра и принадлежат к другой категории частиц – к так называемым лептонам. А кроме того, изменилось даже наше наглядное представление об этих составляющих как о «частицах», иными словами, как о кусочках вещества, занимающих определенное место в пространстве и перемещающихся с определенной скоростью, – ему на смену пришла парадоксальная квантовая химера фазовых волн.

Но пока что мы не станем обращать внимания на эти сложности и просто скажем, что мы вновь восстановили представление об атоме (или о точно установленном сочетании атомов) как о мельчайшей единице любого вещества. К тому же теперь нам известно, что история Вселенной и всего, что в ней содержится, записана в определенном расположении фундаментальных атомных составляющих – лептонов и кварков, – которые входят в состав строительных блоков всего нормального вещества в современном космосе. И поскольку мы постигли физические законы, управляющие поведением этих частичек, мы можем прочесть эту историю – точно так же, как можем читать исторические документы, написанные людьми, зная правила грамматики и синтаксиса. Впрочем, хотя атомам не свойственна предвзятость, от которой порой страдают историки, у них есть свои особые предпочтения, и когда мы, в попытке добиться от них исторической правды, будем устраивать им перекрестный допрос, нам придется отнестись к этому с должным вниманием.

Впрочем, важнее то, что атомные «историки» позволяют нам проникнуть в эпохи намного более древние, чем те, о которых повествуют наши самые первые письменные хроники, благодаря чему мы, если можно так выразиться, обретаем способность «исчислить» доисторические времена. Более того, атомы раскрывают историю нашей планеты еще до того, как на сцене появились люди, – благодаря им перед нами предстают и хронология климата Земли, и эволюция ее атмосферы, и зарождение жизни, и появление Солнечной системы. Атомы могут рассказать нам даже свою собственную историю, вплоть до возникновения их составляющих частиц в первые несколько секунд Большого взрыва.

Как мы уже говорили, атомы крошечны – триллионы могут танцевать на головке булавки, не отдавливая друг другу ноги. Более того, их внутреннее строение – это сложный танец заряженных частиц, ритм которого дает нам возможность распознать их в пространстве, простирающемся на миллиарды световых лет. Примечательно, что атомы, которые мы там видим, – это те же самые атомы, из которых мы состоим.

Как же выглядят эти крошечные частички почти абсолютной пустоты? Скажем, если бы я положил на пороге моего офиса, который располагается в Манхэттене, на углу 120-й улицы и Бродвея, теннисный мяч – символ ядра атома Водорода (самый простой вариант), – то его электрон оказался бы на орбите примерно в двух километрах, где-то между 96-й и 145-й улицами; быстрым шагом вы дошли бы туда за полчаса. И что бы вы увидели? По всей вероятности, ничего, поскольку: 1) электрон в таком масштабе намного меньше песчинки (в сущности, по крайней мере в 100 000 раз) и 2) он бы летал вокруг со скоростью 2170 километров всекунду,представая перед вами размытым облаком мимолетной вероятности, и ваш шанс застигнуть его был бы, вероятнее всего, очень мал.

И все же мы настолько хорошо знакомы с атомами, что можем в поразительной степени управлять их поведением, а это, в свою очередь, делает возможной современную жизнь. Например, атом под номером 55, Цезий, определяет основу нашей системы времени: 1 секунда в точности составляет 9 192 631 770 колебаний световой волны, излученной при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния этого атома¹. Именно на этом основана система GPS в вашем телефоне, которая при помощи орбитальных атомных часов – набирающих погрешность в 1 секунду за 32 000 лет – сообщает вам, где находится ближайшее кафе. Более того, сам ваш телефон, состоящий, как и весь остальной мир, из атомов, работает лишь потому, что вы способны манипулировать атомными составляющими точно и надежно, снова и снова. Еда, которую вы едите; лекарства, которые вы принимаете; топливо, которое вы сжигаете, когда ведете машину, – все это работает лишь благодаря тому, что мы способны контролировать перераспределение атомов.

И даже несмотря на то, что атомы можно уничтожить (позже мы поговорим о последствиях их гибели и их трансформации), они представляют собой поразительно прочные строительные блоки, которые в земных условиях склонны сохранять свои свойства до бесконечности. Атомы, составляющие ваше тело, – этоте самые атомы, что проникают в вас с потребляемой пищей, выпиваемой водой и вдыхаемым воздухом (из расчета 50 миллиардов триллионов на грамм). Характер нашей еды, в свою очередь, зависит от растений, находящихся на нижней ступени пищевой цепи, а если точнее, то от того, какие атомы они вобрали в себя из воздуха и через корни из почвы. Атомный состав воздуха и почвы меняется в ходе геологических и биологических процессов, происходящих на земной поверхности, а с недавнего времени – и коллективного воздействия нашего вида. Атомы, освобожденные и преображенные этими процессами, изначально, 4,567 миллиарда лет тому назад, были собраны из межзвездного газопылевого облака, сформировавшего нашу Солнечную систему. А возникли они задолго до того, как попасть в это облако, – в ходе еще более ранних процессов, восходящих к первым мгновениям Большого взрыва.

В этой книге нам предстоит совершить головокружительное путешествие и познакомиться с исчисленной историей Вселенной за последние 13,8 миллиарда лет. В этом нам поможет ряд историй, главную роль в которых неизменно будут играть атомы. Как мы еще увидим, в нашей драме примут участие девяносто четыре актера, известных как элементы, и для того, чтобы воздать им должное, их имена на протяжении всей книги будут написаны с прописных букв.

Замечательная стабильность этих атомов и уникальные характерные черты, которые каждый из них открывает внимательным наблюдателям, позволят нам показать всю историю во впечатляющих подробностях. При помощи атомов мы присвоим верные даты творениям человеческого гения, проследим историю сельского хозяйства и питания людей, соберем по крупицам картину того, как менялся климат в минувшие времена, и благодаря этому сумеем понять, что может ждать нас в будущем, а также воссоздадим историю нашей Солнечной системы и самой Вселенной. Мы раскроем подделки произведений искусства, установим происхождение украденных статуй и определим причины смерти наших древних собратьев (а также то, что они ели на завтрак в тот день, когда их застигла смерть). Мы вычислим, какой была температура Земли 100 000 лет назад, и соотнесем это с составом ее атмосферы в то время. Мы установим, когда сформировалась наша планета и Луна, и отметим на нашем календаре время происхождения жизни. Теперь, когда мы в совершенстве понимаем атомную структуру и множество ее вариаций, мы можем почти в прямом смысле слова воссоздать историю поатомно.

Атомы ведут свою летопись и в органическом, и в неорганическом мире, и где бы мы их ни встретили – в зубной эмали; в растениях и крошечных планктонных оболочках; в капельках застывшей лавы, изверженной вулканами; в горных породах, зародившихся глубоко под землей, и в пузырьках воздуха, заточенных, словно в ловушке, в антарктическом льду, – они свидетельствуют об истории. Часто они говорят правду напрямую, но иногда в их происхождении есть секреты, которые мы должны раскрыть, прежде чем сможем полностью им доверять. Однако пусть даже нам время от времени потребуется проводить подробный перекрестный допрос, атомы будут нашими верными проводниками по самым разным сферам – от нашего искусства до нашей диеты, от изменчивого климата до планетарных катастроф и от происхождения жизни до рождения Вселенной.

Глава 1
Призыв свидетелей истории

У стражей не было ног. Две ростовые статуи из песчаника, изображавшие служителей храма, на протяжении двадцати лет охраняли вход в нью-йоркском Метрополитен-музее и приветствовали всех гостей, приходивших в галереи Юго-Восточной Азии. Эти скульптуры были образцом искусства кхмеров в X веке, но их точное происхождение оставалось неизвестным. Что же случилось с ногами? Прошу вызвать свидетеля Скандия!

Благодаря исследованию камбоджийских песчаных карьеров, проведенному на атомном уровне, наши стражи в конце концов смогли возобновить свое служение уже с ногами, найденными в Кохкере, у западных врат столицы Джаявармана IV (глава 7).

1258 год принес Европе много несчастий. Цены выросли до заоблачных высот, везде царил голод, скот и людей по всему континенту губили моровые поветрия – и если бы все ограничилось только этим! В средневековых хрониках упоминается очень необычная погода, стоявшая летом 1258 года. Ришар из Санса в 1267 году писал о ней так:

Столь непроницаемой была завеса туч, закрывших летнее небо, что никто не мог с уверенностью сказать, лето или осень сейчас на дворе. Сено, в том году неизменно мокрое из-за сильных ливней, никак не просыхало, поскольку не могло впитать тепло Солнца: столь плотным был облачный покров.

Что случилось? Анализ атомов древесины с Бали и капель лавы, найденных под шапками антарктических ледников, проведенный в рамках «судебной экспертизы», позволяет установить виновника: это индонезийский вулкан Самалас (глава 11).

Прогулка по горам может пойти крайне неудачно. В сентябре 1991 года двое немцев, отправившихся в Альпы, наткнулись недалеко от итало-австрийской границы на поразительно хорошо сохранившееся тело, выступавшее из льда на краю ледника. Они предположили, что это погибший турист, и уведомили власти.

Их гипотеза оказалась верной – но когда Этци, «ледяной человек», был наконец освобожден из снежной ловушки и дату его гибели удалось установить при помощи атомного анализа, оказалось, что в свой последний поход, приведший к его смерти, он отправился примерно 5200 лет тому назад.

Исследование частично мумифицированного тела Этци позволило совершить захватывающие открытия в истории европейского медного века. Его одежда, орудия и другие личные принадлежности, пища в его желудке и кишках, его татуировки и даже его прекрасно сохранившаяся ДНК позволили детально воссоздать его эпоху. Впрочем, дополнительный отчет, полученный от двух родственников Стронция, раскрывает его историю еще подробнее, позволяя нам определить место его рождения и составить хронику его путешествия в Альпах в тот роковой день (глава 10).

Катастрофы планетарного масштаба происходят не только в фильмах. Палеонтологическая летопись показывает, что несколько раз за прошедшие пятьсот миллионов лет на Земле внезапно происходили события, приводившие к исчезновению многих (а иногда и большинства) видов растений и животных, а затем следовал период, на протяжении которого появлялись новые виды и занимали место ушедших. Самым знаменитым из этих массовых вымираний в популярной культуре стало вымирание динозавров, на первый взгляд совершенно внезапное. Разрыв в палеонтологической летописи, случившийся 65 миллионов лет назад, впервые был отмечен в XIX веке, и о его причине с тех пор ведутся споры. Впрочем, теперь мы знаем, что произошло.

Как только место на свидетельской трибуне займет Иридий, мы увидим, что динозавры умерли вследствие катаклизма, вызванного столкновением нашей планеты с блуждающим астероидом. Наши атомные историки позволяют воссоздать эту космическую катастрофу и ее последствия во всех подробностях (глава 12).

Ты есть то, что ты ешь, – в прямом смысле слова. Из атомов, которые вы глотаете каждый день, от тех, что присутствуют в оладьях на завтрак, до тех, что находятся в бокале вина, который вы выпиваете за обедом, строятся структуры вашего тела – ваши зубы и кости, клетки вашей кожи и нейроны. Какие-то из этих атомов остаются с вами на всю жизнь, в то время как от других мы избавляемся за считаные дни. Но все они – все 3000 триллионов триллионов атомов, составляющие вас, образуют «летопись» того, какую пищу вы ели, а равно также того, когда и где вы это делали.

Затребовав отчет от Углерода, Азота и других элементов, мы можем воссоздать историю диеты и сельского хозяйства на протяжении более 10 000 лет и составить карту распространения цивилизации по всему миру (глава 10).

Некоторые дни рождения достойны упоминания. Я родился 7 декабря, в «день, навеки покрытый позором» (хотя об этом сказали спустя несколько лет после позорного события). В пять лет это был для меня очень большой праздник, но сегодня он кажется намного менее значимым. А вот моя жена родилась 23 февраля, в дату поистине важную – в этот день взорвалась относительно близкая к нам сверхновая, а в последний раз до этого такое событие случалось в 1604 году, за пять лет до изобретения телескопа. Для астронома, изучающего останки взорвавшихся звезд, это знаменовало событие всей жизни (не говоря уже о гарантии, что я уже никогда больше не забуду день рождения жены). Но в большой картине мира подобные даты не имеют особой важности.

Подобно этому, неизвестна и точная дата рождения Солнечной системы, и, полагаю, можно утверждать, что она тоже не имеет особого значения. Но исследование того, как возникла наша родная планетная система и как она впоследствии эволюционировала, позволит нам совершить немало открытий и понять, почему она выглядит так, а не иначе, и насколько часто другие подобные системы могут встречаться в космосе.

Когда Рубидий и Свинец взаимно дополнят свои истории, мы не только узнаем возраст Земли с точностью до доли процента, но и, призвав на помощь Алюминий, сможем в какой-то мере представить, что происходило в окрестностях нашей системы еще до того, как сформировалось Солнце (глава 15).

У всех историков есть родители. В конце концов, атомы, которые станут нашими проводниками – нашими свидетелями истории, – должны были откуда-то появиться. Примечательно, что мы знаем историю их происхождения довольно подробно. У нас было всего три элемента, и ничего больше, когда Вселенная достигла почтенного возраста в три минуты; оставшиеся, числом девяносто один, создавались с тех пор в звездах и в катастрофических взрывах – и так уже продолжается на протяжении 13,8 миллиарда лет. Но нам известно даже то, откуда появились три первых вида атомов.

Если старательно расспросить аномально тяжелые ядра Водорода и легкие ядра Гелия, которые мы видим в далеких галактиках, мы сможем узнать, какими были условия во Вселенной в далеком прошлом, вплоть до миллионной доли секунды до начала самого времени. Атомные историки – невероятно точные наблюдатели (главы 16 и 17).

Глава 2
Осмысление атома: от философии к науке

Ничего не существует, кроме атомов и пустого пространства; все же прочее есть мнение.

Демокрит

Природа не терпит пустоты.

Аристотель

И Демокрит, и Аристотель часто высказывались о природе материального мира. У Аристотеля он состоял из четырех «элементов»: земли, воздуха, огня и воды. В представлении Демокрита материя строилась из бесконечного разнообразия крохотных неделимых частичек, названных «атомами». Но ни одно из этих описаний не подходило под современное определение слова «модель». Они были рождены исключительно «полетом мысли» – и не было даже намека на чувство, которое бы призывало немедленно проверить, соответствуют ли эти мысли реальному миру. Это были философские предположения, более близкие к размышлениям о том, чем заняты боги, о том, вечны ли души, и о том, как движение наделяет мысль бытием. Со всей уверенностью можно заявить, что они не имели никакой связи с наукой.

И тем не менее сочинения, в которых идет речь о древних философских традициях, полны заявлений, провозглашающих подобные мысли синонимами того, что мы подразумеваем под словами «научная модель». Вот лишь один пример: «Британский ученый Джон Дальтон известен нам как создатель современной атомной теории. Но на самом деле индийский мудрец Канада сформулировал атомную теорию намного раньше»¹. Подобные реплики раздражают меня до невозможности. Прежде всего я недоволен тем, насколько неверно их авторы используют слово «теория» – или, если быть более великодушным, мне действует на нервы то, что они применяют два совершенно различных определения слова «теория» и не подчеркивают разницу. В цитате, приведенной выше и взятой из краткого обзора, опубликованного в издании International Journal of Research and Analytical Reviews², термин «теория» в первом случае имеет современное, научное значение: проверяемая модель материального мира, построенная на основе ряда измерений и прогнозирующая то, как можно проводить будущие испытания, чтобы подтвердить (или опровергнуть) эту модель³. Второе использование слова «теория» в данной цитате ближе к греческому слову theoria,обозначающему «размышление» или «умозрительное построение». Уравнивать версию «атомной теории», которую предложил Канада, с теорией Дальтона – это абсурд.

Атомы в Индии

Тем не менее, поскольку эта глава названа «Осмысление атома», мы можем посвятить абзац или два взглядам Канады, разъясненным в трактате Вайшешика-сутра. В нем индийский мыслитель постулирует наличие в мире фундаментальной частицы,ану(хотя по причинам, которых я так и не смог понять, все последующие толкователи этих сутр говорят об этой частице как о парману). Так или иначе, существуют четыре типа ану: земля, вода, огонь (или свет) и воздух, причем первая пара имеет массу, а вторая – нет. Все анусферичны, неделимы, вечны и недоступны восприятию. Они могут соединяться, формируя диады, триады и тетрады. Об их существовании известно (по крайней мере Канаде), поскольку земля имеет запах, вода – вкус, огонь позволяет видеть, а воздух можно ощутить. Воззрения Канады были основаны на довериивпечатлениям, полученным в опыте.

Это и есть «атомная теория», постулированная примерно в 600–200 годах до нашей эры – да, мы правда не знаем, когда жил этот человек, а предполагаемый период охватывает 400 лет! Некоторые индийские авторы выступают за более раннюю дату, поскольку это позволит им заявлять о первенстве – ведь так индийцы опередят греческую атомную «теорию» (о которой мы еще поговорим). У нас есть толкование Вайшешика-сутры, созданное примерно в 200 году до нашей эры, так что сам трактат, по всей видимости, написан раньше. Текст не упоминает о буддийской философии, из-за чего некоторые склонны считать, что он возник прежде 430-х годов до нашей эры, когда писания Будды стали широко известны. Лично мне этот аргумент кажется довольно натянутым: я вполне мог написать свою книгу об атомах и тоже ни разу не упомянуть о Будде. К сожалению, установление дат рождения и смерти пока что во многом зависит от образа мыслей, а не от получения объективных данных. Если бы у нас был хотя бы ноготь Канады или одна-единственная страница его сутры, записанной, по всей вероятности, на пальмовых листьях или на коре, мы могли бы использовать атомное датирование и выяснить день его рождения с точностью до двух десятков лет. Подробнее об этом мы поговорим чуть позже.

Атомы в Греции и Риме

Версия событий, согласно которой «все зародилось в Греции», начинается с Левкиппа, жившего в V столетии до нашей эры – а может быть, и не жившего вовсе, как решительно утверждает Диоген Лаэртский, создавший биографии греческих философов 700 лет спустя. (С этой необходимостью полагаться на ненадежных историков-людей будет покончено, как только мы сумеем привлечь к работе наши атомы.) Если же Левкипп существовал (в чем, помимо прочих, нас уверяет Аристотель), то он основал школу в Абдерах, во Фракии, примерно в 700 км к северо-востоку от Афин (если добираться по суше) и к западу от Дарданелл. Там он впервые постулировал атомную теорию вещества и взял ученика, ставшего самым ревностным защитником этой модели: местного уроженца, Демокрита, родившегося в богатой семье примерно в 460 году до нашей эры (впрочем, эта дата тоже оспаривается, однако на сей раз лишь на десяток лет, не больше).

Жизнь Демокрита была долгой и полной событий. Некоторые утверждают, что он прожил сто девять лет, хотя чаще пишут, что чуть меньше, до девяноста. Он много путешествовал, побывал, помимо прочего, в Египте и в Вавилоне, и это интересно, поскольку в его годы держава Ахеменидов (или Первая Персидская империя) простиралась на всей территории от европейских Балкан до долины Инда, и под ее властью находились и Египет, и вся Малая Азия. Более того, говорят, что отец Демокрита принимал у себя царя Ксеркса, когда тот проходил через Фракию – тогда царю еще только предстояло потерпеть поражение при Марафоне, восторжествовать над спартанцами в Фермопилах, устроив кровавый триумф, и окончательно отступить после разгрома при Микале, в битве, которая произошла 27 августа 479 года до нашей эры (любопытно, что мы настолько точно знаем даты сражений, но не можем верно определить века жизни философов). От кого же Демокрит получил свою атомную модель – от Левкиппа или Канады? Поскольку я не знаком ни с санскритом, ни с древнегреческим, в данном вопросе я плохой судья, и, полагаю, мы никогда об этом не узнаем.

Впрочем, мы знаем, что в греческой версии атомы также рассматривались как неделимые («неразрезаемые») и тоже двигались в пустом пространстве. И более того, в отличие от индийской версии (и от более поздних моделей Платона и Аристотеля), здесь не было и намека на экономность: вместо четырех типов атомов было бесконечно много, они обретали самые разные формы, и из них создавались различные объекты материального мира.

Следующим западным философом, принявшим атомную модель, был Эпикур, родившийся в 341 году до нашей эры, когда главным мыслителем эпохи был Аристотель. Он выступал сторонником радикально материалистического взгляда на Вселенную – в его мире не было ни богов, ни платоновских «идей», ни душ, ни какой-либо загробной жизни, которой стоило бы бояться. Сегодня «эпикурейцем» называют человека, который наслаждается (возможно, чрезмерно) роскошной едой и возлияниями, и это предполагает гедонизм, который никогда не входил в философию Эпикура.

Свои воззрения, связанные с атомами, Эпикур перенял у Демокрита. У него они двигались независимо от макроскопических объектов, которые из них состояли (мы сегодня считаем точно так же). Но он сократил количество атомов с бесконечности, о которой говорил Демокрит, до конечного числа – оно определялось тем изобилием сочетаний, в которые они могли вступить, и это объясняло, почему число веществ в мире ограничено.

Материалистическую философию Эпикура широко принимали в древнегреческом и древнеримском мире, и ее апофеозом стало замечательное произведение «О природе вещей» (De Rerum Natura), опубликованное примерно в 60 году до нашей эры. Автором его был римский поэт Лукреций. В этом описании многих сторон природы, поразительно современном, говорится и об атомах, обладающих способностью менять направление (лат. clinamen) – эта способность была призвана ввести свободную волю в мировоззрение поэта, в ином отношении детерминистическое.

Как прекрасно сказано в книге Стивена Гринблатта «Резкий поворот: как мир стал современным» (The Swerve: How the World Became Modern), поэма Лукреция утверждает следующее.

Элементарных частиц бесконечно много, но они ограничены в формах и размерах. Они подобны буквам алфавита, дискретному набору, способному сочетаться в бесконечное множество предложений. Сочетания первоначал, или семян всех вещей, как и в случае с алфавитом, делаются в соответствии с кодом. Как далеко не все буквы и слова могут образовать логичные связи, так и далеко не все частицы могут сочетаться со всеми остальными всеми возможными способами. Одни первоначала легко и спокойно сцепляются с другими, другие взаимно отвергают друг друга и противостоят друг другу. Лукреций не уверял, что знает тайный код материи. Но, по его словам, важно было понять, что этот код существует и что его, в сущности, можно исследовать и постичь при помощи человеческой науки⁴.

Как мы еще увидим, к настоящему времени мы сумели в достаточной мере понять этот код, во многом именно так, как это и представлял Лукреций.

К эпохе Галена (II век нашей эры) атомизм на Западе жил и процветал как контрапункт к философии Аристотеля, но из-за связи с атеизмом – наследия Эпикура – христиане подвергли его анафеме, и с начала IV века, когда христианство по воле Константина стало официальной религией угасающей Римской империи, учение об атомах было забыто в Европе на тысячу лет. Прекрасная поэма Лукреция, с ее эмпирической и открыто атеистической философией, была утрачена, и только в 1417 году Поджо Браччолини снова нашел ее в одном немецком монастыре⁵.

Во Флоренции времен Ренессанса древнегреческая и древнеримская философия нашла благодатную почву, но христиане нанесли ответный удар еще до того, как закончился век. В 1494 году процветающая светская Флоренция пала и перешла под власть монаха-доминиканца Джироламо Савонаролы. Он изгнал правящий род Медичи и установил пуританское господство, устроив, помимо прочего, знаменитый «Костер тщеславия» – публичную церемонию сожжения, на которую горожане, поощряемые властями, несли произведения светского искусства, книги, косметику и много чего еще. В том году проповеди Савонаролы, произнесенные в дни Великого поста, были полны шумных тирад, направленных против древних философов и их последователей: «Слушайте, женщины! Они говорят, что этот мир был сделан из атомов – из крохотных частичек, летящих по воздуху. Смейтесь, женщины, над занятиями этих ученых людей!»⁶

И хотя правление Савонаролы окончилось в том же году, после чего костер подготовили уже для него лично, изгнание атомов из западного мира, совершенное им, длилось еще полтора столетия.

Атомы в исламском мире

Несмотря на «исчезновение» атомов в Европе, индийские мудрецы по-прежнему продолжали спорить о строении вещества в мельчайших масштабах, и расцвет философии, науки и математики в исламском мире помог этим спорам не угаснуть. Не до конца понятно, откуда проистекало возникшее в VII веке исламское понятиеджавхар («субстанция») – с индийского Востока или с греческого Запада; вполне возможно, что из обоих источников. Позднее исламский философ Авиценна (также Ибн Сина, 980–1037) критиковал атомистов своей эпохи. Впрочем, его аргументы станут ясным примером того, что корни спора уходили скорее не в область физики, а в философию. Авиценна признавал, что мельчайшая единица вещества, сохраняющая все его свойства, вполне могла существовать; иными словами, он допускал мысль о физическинеделимых единицах материи. Но он, вопреки атомистам калама, решительно противился идее о том, что эти мельчайшие единицы были ровно так же неделимы концептуально. Теперь нам известно, что атомы и молекулы действительно представляют собой мельчайшие единицы, обладающие всеми характеристиками того вещества, которое они составляют, а также мы знаем, что атомы можно разобрать на составляющие субатомные частицы, но вряд ли Авиценна имел в виду именно такую модель.

Возвращение Ренессанса

Атомной модели пришлось довольно долго ждать своего возрождения в Европе – оно случилось лишь в позднем Ренессансе, когда Пьер Гассенди (1592–1655), многое заимствовав у Демокрита, Эпикура и Лукреция, разработал свою атомную теорию вещества. Ее принципы, опять же, были по большей части философскими, и в основе ее лежала прежде всего метафизика, а не физика в том смысле, в каком ее понимаем мы, но в ней было одно ключевое отличие от древних теорий: все атомы в ней были сотворены Богом. Это устраняло с атомного мировоззрения порчу атеизма и позволяло ему войти в эпоху, заставшую зарождение современной науки. Гассенди, в отличие от Аристотеля, не испытывал никаких проблем с идеей пустоты, которую предполагало существование атомов, – возможно, благодаря тому, что он был знаком с экспериментами Галилея, Торричелли и Паскаля, измерявших давление воздуха при помощи барометров (несомненно, он повторил все эти эксперименты в 1650 году)⁷. В представлении Гассенди атомы, как и у Эпикура, обладали размером, массой и формой, и в то время как два первых свойства ограничивались небольшим диапазоном, форм было великое множество, они отличались большим разнообразием и, конечно же, все они были дарованы Богом при Сотворении мира.

В XVII веке появился фундаментально новый подход к обретению «знания» – по-латинскиscientia, как в сентенции Фрэнсиса Бэкона, прозвучавшей в 1597 году: Nam et ipsa Scientia potestas est («Итак, знание само по себе – сила»). Подход Бэкона требовал проведения экспериментов (наблюдения и измерения), а также индуктивного мышления для построения моделей естественного мира. Эмпирический подход к знанию имел прецеденты в философских школах Канады (о котором мы говорили выше) и греческих стоиков, а также в трудах исламского мудреца Авиценны, но появление моделей, явно доступных проверке при помощи опытов, ознаменовало совершенно новый подход к пониманию природы. Например, вывод Аристотеля (сделанный на чисто умозрительной основе), согласно которому тяжелые вещи падают быстрее легких, признавался на протяжении двух тысяч лет – и был опровергнут за тридцать секунд при помощи одного-единственного эксперимента: это произошло в 1586 году, когда Симон Стевин бросил два шара из Свинца, один из которых был в десять раз тяжелее другого, с церковной колокольни в Делфте и увидел, как они ударились оземь одновременно⁸.

Появление науки об атомах

За два столетия современная наука (1600–1800) достигла немалого прогресса: удалось опытным путем установить, что у каждого вещества была мельчайшая единица, отражавшая все его свойства. Эксперименты Роберта Бойля с газами показали, что четыре аристотелевских «элемента» были вовсе не элементарными. Некоторые из них, например воду, можно было разложить на другие вещества – в случае воды на Кислород и Водород; впрочем, разъединить эти составляющие дальше не получалось. Как утверждал Бойль, именно последние вещества следовало называть элементами. В конце XVIII века Антуан Лавуазье, блестящий химик, чей творческий путь оборвала французская гильотина, первым установил, что в ходе химических реакций не происходит потери массы, и это навело его на мысль, что сами реакции представляли собой просто перераспределение вовлеченных элементов. Лавуазье, наряду с Джозефом Пристли, выделил Кислород как особенно химически активный элемент, и к 1789 году (при неизменной поддержке своей жены, Марии-Анны Польз) составил список из тридцати трех элементов, которые не удавалось разложить на составляющие никакими химическими средствами⁹. Некоторые из элементов в этом списке (например свет и теплород) отражали недостаточное знание физики в ту эпоху, а другие, по сути, оказались сложными структурами из нескольких элементов, в те времена еще не разложенных на составляющие (к таким, например, относились барит, или тяжелый шпат, – минерал, представляющий собой соединение Бария, Серы и Кислорода [BaSO₄], и кремнезем [SiO₂]). Но указанные у Лавуазье Водород, Углерод, Азот, Кислород, Сера, Фосфор и более десятка металлов украшают Периодическую таблицу и в наши дни.

На заре XIX столетия были сделаны очень важные шаги, направленные на количественное измерение и заложившие основу для современной атомной теории вещества. Джон Дальтон установил, что сложные структуры возникали из сочетаний элементов, соотношения которых всегда были четко зафиксированы в плане веса; иными словами, 2 грамма Водорода всегда сочетались точно с 16 граммами Кислорода для образования воды. Это позволило высчитать относительные веса нескольких известных элементов, и тем самым Дальтон стал главным предвестником создания Периодической таблицы химических элементов, которую разработал Дмитрий Иванович Менделеев (см. гл. 4).

Примерно в то же время Лоренцо Авогадро установил, что равные объемы газов (при одинаковом давлении и температуре) содержат одинаковое количество атомов/молекул. Более того, он постулировал различие между атомами (назвав их «элементарными молекулами») и молекулами, составленными из различных элементов (отличие, которое упустил из виду Дальтон). К середине века Менделеев распределил шестьдесят три элемента, известных в то время (некоторые из тех, в которых прежде сомневались, уже были устранены), в Периодической таблице, что, в свою очередь, позволило предсказать наличие элементов, которые еще только предстояло открыть. 6 марта 1869 года Менделеев представил свою статью «Соотношение свойств с атомным весом элементов» в Русское химическое общество. Так возникли современная химия и атомная модель, лежащая в ее основе.

Но о размерах и массе отдельных атомов химики имели такое же представление, как Левкипп или Лукреций. Ясно было только одно – то, что атомы были слишком маленькими, чтобы их увидеть. И пока большинство химиков продолжали свои поиски, стремясь открыть новые элементы и систематизировать знания о уже известных, многие физики XIX столетия по-прежнему пребывали в убеждении, что атомов не существует. Французский ученый Пьер Эжен Марселен Бертло, занимавший пост министра иностранных дел, зашел так далеко, что запретил преподавание атомной теории во Франции. Даже в 1897 году Эрнст Мах, уроженец Чехии, присутствуя на презентации, где Людвиг Больцман представлял свою кинетическую теорию атомов и молекул в газах, откровенно заявил: «Я не верю, что атомы существуют»¹⁰. Впрочем, создается впечатление, что его возражения были в большей степени философскими, а не основанными на физике.

Первые данные о размере и массе атомов появились в 1827 году, и пришли они из источника, который многие сочли бы маловероятным: от шотландского ботаника Роберта Брауна. Проводя исследования по опылению растений, он взвешивал пыльцевые зерна в воде, наблюдал за ними в микроскоп и увидел, что зерна представляли собой «частички… очевидно пребывающие в движении». Вместо того чтобы заключить, что это беспокойное движение было проявлением «жизненной силы», он повторил эксперимент сперва с пыльцевыми зернами, которые на протяжении одиннадцати месяцев выдерживались в алкоголе (после чего можно было с уверенностью сказать, что они мертвы), а потом – с камешками, истолченными в порошок. Одно и то же хаотичное движение наблюдалось во всех случаях. Браун наблюдал не что иное, как совокупный эффект случайных столкновений отдельных молекул воды с взвешенными частицами – несколько дополнительных соударений слева перемещали частичку вправо, а пара толчков снизу, следующих за ними, заставляла ее сдвинуться вверх на предметном стекле¹¹.

Как ни удивительно, Лукреций предвидел этот исход и его интерпретацию, предполагающую участие атомов, еще примерно за две тысячи лет до описываемых событий, и отразил это в книге «О природе вещей»:

 
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света…
Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движенья,
Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора…
Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,
 

 
Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,
Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться,
Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее.
Так, исходя от начал, движение мало-помалу
Наших касается чувств, и становится видимым также
Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,
Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит¹².
 

Рис. 2.1. Случайное блуждание иногда называют «прогулкой пьяницы», вызывая в воображении образ опьяневшего завсегдатая бара, который выходит за порог заведения, спотыкается на каждом шагу и падает, но каждый раз поднимается и бредет неизвестно куда. Для случайных блужданий характерен тот факт, что расстояние от изначальной точки возрастает пропорционально квадратному корню из числа шагов. В данном случае «клиент» находится в трех метрах от начала пути после 5 шагов и в 6 метрах от начала после 5² = 25 шагов

Лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн интерпретировал этот феномен в количественном отношении и вычислил размер и массу атомов. Частички, которые наблюдал Браун, испытывали примерно 100 триллионов столкновений в секунду, так что здесь требовался статистический подход. Эйнштейн показал, что, несмотря на равную вероятность, с которой частичка могла двинуться влево или вправо, общее расстояние, которое она проходит от начальной точки, возрастает пропорционально квадратному корню из величины прошедшего времени (рис. 2.1). Исходя из этого результата, он рассчитал число Авогадро – постоянное количество частичек газа в стандартном объеме этого газа, постулированное самим Авогадро примерно столетием ранее. Нам наконец-то удалось «увидеть» атом.

Более того, в последние несколько лет XIX века и в первое десятилетие XX столетия наблюдался стремительный прогресс в установлении физических свойств атомов, а кроме того, мы смогли опровергнуть их «неделимость» и открыть их составляющие части. В 1897 году Джозеф Джон Томпсон открыл электроны, показав, что они намного уступали атомам по размеру и массе¹³. В 1909 году Эрнст Резерфорд и его сотрудники обнаружили атомное ядро, в котором пребывает положительный заряд и большая часть атомной массы¹⁴. А после этого в течение нескольких лет появилась модель атома, которую разработал Нильс Бор. К современной форме этой модели мы и будем обращаться на протяжении всей данной книги (см. гл. 3)¹⁵. Тем временем в 1901 году Макс Планк ввел новую концепцию, которая описывала взаимоотношения между светом и веществом¹⁶, а немногим позже, в 1905 году, Эйнштейн расширил эту идею, объяснив фотоэлектрический эффект¹⁷. Эти события стали непосредственной причиной того, что в 1920-х годах расцвела квантовая механика – теория, описывающая поведение материального мира на атомном и меньшем уровне. Сегодня, спустя столетие, эта научная модель остается наиболее точной из всех когда-либо созданных и предоставляет нам прочную основу для того, чтобы воссоздать нашу историю, атом за атомом.

Глава 3
Атом: утилитарный взгляд

Фундаментальный принцип научного мировоззрения гласит, что существует материальная реальность, не зависимая ни от наших впечатлений, ни от наших попыток измерить и интерпретировать эти впечатления. Наука – это процесс, при помощи которого мы строим фальсифицируемыемодели этой реальности, а затем проверяем, насколько точно они соответствуют природе. Его характер итеративен, и прогресс часто достигается не благодаря очередной гениальной догадке, а вследствие того, что нам удается доказать неправильность той или иной модели.

Изначально мы создавали научные модели в попытке объяснить (и предсказать) то, что представало перед нами в непосредственных впечатлениях – полет бейсбольного мяча, движение планет, наши ощущения запаха и вкуса, тепла и холода. Мы можем коснуться мяча, бросить его и поймать; мы видим шествие планет по ночному небу; мы можем вдохнуть аромат нашего кофе, почувствовать его вкус, отметить его температуру. Но когда речь заходит об атомах, у нас нет никакого интуитивного опыта. Мы не можем ни увидеть их, ни дотронуться до них, ни рассмотреть их движение. Однако научные методы применимы и здесь. Они позволяют нам построить подробную, доступную для проверки и фальсифицируемую модель с невероятной предсказательной силой – и тем самым заручиться помощью атомов в нашем стремлении воссоздать историю.

В данном случае наша модель не обязательно должна содержать все, что мы знаем об атомах, и, конечно же, не может вместить того, чего мы не знаем. Но эта модель должна в полной мере соответствовать известной нам физической реальности и описывать все характеристики атомов, имеющие ключевое значение для нашего проекта. В ее определении и заключается предмет данной главы.

Иерархия вещества

Давайте же начнем с того, с чего начинает любой младенец – с окружающего мира, который мы можем видеть и осязать. Такое впечатление, что существуют тысячи разных веществ, и каждое обладает различным цветом, запахом, текстурой, отражательной способностью… всего этого много, очень много. В нашем языке есть слова, призванные классифицировать вещи по назначению (столовые приборы: нож, вилка, ложка), по внешнему облику (блестящая, тусклая, чистая, грязная ложка), по материалу, из которого они сделаны (серебряная, стальная или пластиковая ложка), и по сотням других категорий. Но если бы я попросил вас ограничиться, скажем, лишь тремя категориями – широчайшей группировкой из возможных – и охватить все, что вы когда-либо видели или чувствовали, вы бы, скорее всего, согласились, что такими категориями станут три состояния вещества: твердое тело, жидкость и газ¹.

Подобное распределение не означает, что мы должны отказаться от более тонких разграничений в предложенных рамках. Серебряная ложка отличается от пластиковой и на ощупь, и по весу; более того, такие ложки по-разному реагируют на тепло, когда вы опускаете их в кофе, а также стоит сказать, что цена их замены, если вы случайно выкинете их в мусорное ведро, будет различаться. Но у них есть нечто общее: и серебряная, и пластиковая ложка – этотвердые тела, и вы не можете их сжать и изменить их форму (по крайней мере без значительных усилий).

С другой стороны, кофе, хотя его тоже нельзя сжать, демонстрирует качественное отличие – он сам собой принимает форму контейнера, в который его наливают;жидкость без усилий вмещается и в кофейник с широким дном, и в более узкую кофейную чашечку.

И, наконец, есть почти прозрачный пар, поднимающийся над кипящим кофе. Если вы попытаетесь его схватить, то можете почувствовать его тепло, но раскройте ладонь – и вы ничего в ней не обнаружите.Газ просто рассеивается.

Давайте на минутку станем на точку зрения Демокрита и вообразим, что для каждого рода этих веществ существует мельчайшая единица – назовем ее пока что «частицей», – которая сохраняет свойства самого вещества. Как нам представить взаимодействие этих мельчайших единиц?

В твердом теле эти частички, должно быть, прочно закреплены на своем месте, поскольку, когда вы толкаете твердое тело, тянете его на себя или сжимаете, оно сохраняет форму. Конечно же, если приложить достаточную силу, вы можете вызвать перемену – согнуть ложку из Серебра и сломать пластмассовую, – но этим вы меняете не сам объем предмета, а только его форму. В твердых телах частички касаются друг друга – вы не можете силой приблизить их, и много сил уходит даже на то, чтобы изменить их взаимную ориентацию.

Поскольку сжать жидкость тоже нелегко², ее частицы, по всей видимости, тоже соприкасаются. Но между жидкостью и твердым телом есть явное различие. Первая способна легко менять свою форму – более того, она делает это, как только вы переносите ее из одного контейнера в другой. Это позволяет предположить, что, хотя ее частички по-прежнему находятся в соприкосновении, они могут свободно проскальзывать друг над другом и занимать относительно друг друга любые положения, в зависимости от того, какие из этих положений оказываются наиболее удобными.

И, наконец, остаются газы. Они очень рассеяны и по большей части невидимы, так что часто вы даже их не замечаете – вы ведь не чувствуете воздуха, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эту книгу? Но, конечно же, воздух в какой-то степени ощутим. Скажем, если вас застигла буря, вы можете ощутить, как он на вас давит, а иногда получается уловить запах газа (скажем, аромат кофе) – видимо, нечто все же входит с вашими чувствами в контакт.

Более того, газы также состоят из частиц, но таких, которые совершенно свободны от соседей и далеки от соприкосновения. Сжать газ относительно легко (представьте, как накачиваете велосипедную шину), поскольку между частичками много свободного пространства. Например, в атмосфере Земли частицы воздуха отделены друг от друга расстоянием, примерно в десять раз превышающим их диаметр, и могут свободно летать куда угодно, отталкиваясь друг от друга при встрече, словно бильярдные шары. Если вы накачаете шины своего велосипеда до рекомендуемой величины в 7,9 атмосферы, то вы только что сжали воздух в два раза во всех трех направлениях, так что расстояние, разделяющее частицы, теперь превышает их диаметр не в десять, а лишь в пять раз. Давление внутри вашей шины теперь в восемь раз больше, чем у окружающего воздуха, поскольку воздушные частицы ударяются о стенки шины в 2 × 2 × 2 раза чаще. Чтобы сконцентрировать водяной пар в жидкую форму, частицы должны сблизиться в 10 × 10 × 10 = 1000 раз, и именно поэтому вода в 1000 раз плотнее воздуха (примерно 10³ кг/м³ против 1 кг/м³).

И вот что у нас получается. Три состояния, или «фазы», вещества не показывают фундаментальных различий в свойствах частиц, из которых это вещество состоит. Эти частицы просто могут находиться на четко определенных местах, слабо соприкасаться и проскальзывать друг над другом или свободно витать в пустом пространстве. Вода остается водой вне зависимости от того, пребывает ли она в твердой форме (лед), жидкой (вода) или газообразной (пар), а переходы между этими формами – это лишь вопрос изменения взаимных пространственных отношений, в которые вступают между собой частички воды.

Температура: мера движения

В рассуждении о переходах, которые вещество может совершать между различными состояниями, мы должны ненадолго отклониться от прямого пути и поговорить, во‐первых, о нашей модели для понимания тепла, а во‐вторых, о системе измерений, которую мы используем для его описания. Как нам известно из повседневного опыта, твердая форма воды (лед) – холодная, а газообразная форма (пар) – горячая. Но что такое «холодный» и «горячий»? Оказывается, это просто слова, необходимые нам, чтобы выразить характер относительного движения наших элементарных частиц: горячий = быстрый, а холодный = медленный. То, что мы называем температурой, – это просто непосредственная мера средней энергии движения, также называемой «кинетической энергией» (см. гл. 4) этих частиц.

Элементарные частицы воды в кубике льда соприкасаются друг с другом. Они закреплены на месте, но вибрируют (если угодно, дрожат) со скромным количеством энергии в расчете на частицу. Если поднять температуру, частицы будут вибрировать быстрее. Если повысить ее до достаточного уровня, то связи, удерживающие частицы на местах, разорвутся, и тогда частички смогут свободно скользить друг над другом, а мы получим жидкость. Это происходит, когда температура достигает 32 °F, или 0 °C. Продолжая нагревать воду, мы заставляем частицы двигаться быстрее и быстрее, до тех пор, пока, при 212 °F или 100 °C, они не разлучатся с соседями окончательно и не получат возможность свободно улетучиться прочь в форме газа.

При той или иной температуре не все частицы вещества движутся с абсолютно одной и той же скоростью; некоторые перемещаются быстрее, чем все в среднем, а некоторые – медленнее. Распределение скоростей (или, более точно, кинетических энергий = ½ mv²) отражено в виде кривых, представленных на рис. 3.1. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее нуля, распределение немного асимметрично, а несколько частиц движутся намного быстрее среднего значения (например, если одна ничего не подозревающая частичка водяного пара получит удар от четырех других, пришедших слева, она с высокой скоростью устремится вправо). Но в общем и целом энергия большинства частиц не превышает среднее значение более чем в два раза³.

Температурные шкалы, которыми мы пользуемся для измерения энергии частиц, как и большая часть единиц измерения, условны. Нулевую отметку на шкале Фаренгейта определил в 1724 году сам Фаренгейт – она обозначала самую холодную температуру, которой он смог добиться, смешав воду, лед и соль (письменные свидетельства не сообщают, сумел ли он в ходе этого эксперимента изготовить хотя бы немного мороженого). Определение градуса, данное им, было совершенно произвольным, из-за чего точка замерзания воды на его шкале пришлась на отметку в 32 °F, а точка кипения – на отметку в 212 °F. Даже эти величины применяются лишь на уровне моря (например, в Денвере вода закипает при 190 °F, а в Ла-Пасе, Боливия, – при 203 °F)⁴. Стоградусную шкалу (также называемую шкалой Цельсия) изобрел двумя десятилетиями позже шведский астроном Андерс Цельсий. На ней точку замерзания и кипения воды разделили 100 градусов; для сравнения, на шкале Фаренгейта эти две отметки разделены промежутком в 180 градусов, тем самым каждый градус Цельсия равен 9/5 (180/100) градуса Фаренгейта.

Обе эти шкалы были приняты задолго до того, как мы поняли, что же на самом деле измеряет «температура». Теперь, когда нам известно, что она представляет собой меру кинетической энергии частиц, единственной разумной шкалой могла бы стать такая, на которой нулевая отметка обозначала бы состояние полной остановки их движения (v = 0, следовательно, кинетическая энергия = 0). Эта шкала, благоразумная с точки зрения физики, названа в честь лорда Кельвина – создателя современной модели для нашего представления о тепле. Он принял градуировку, предложенную Цельсием, так что точку замерзания воды и точку ее кипения на уровне моря по-прежнему разделяли 100 градусов, но точка нулевого движения была установлена на отметке в –273,16 °C. Поэтому мы говорим, что вода замерзает при 273 К (строго говоря, эти единицы измерения называются не градусами Кельвина, а кельвинами) и закипает при 373 К. Температура поверхности Солнца – 5780 К, а комфортная температура в комнате составляет 68 °F = 20 °C = 293 K.

Эта модель обладает невероятной объяснительной силой. Например, если вы выпекаете печенье с шоколадной крошкой, то ваша духовка, скорее всего, установлена на температуру в 190 °C. Если вы откроете дверцу, чтобы посмотреть, готово ли печенье, и случайно коснетесь подставки, на которой располагается противень, то получите ожог. Почему? Просто частицы, из которых состоит металл противня, вибрируют с высокой скоростью, из-за чего со всей силы врезаются в частицы вашей кожи и разрывают их на части, превращая их… ну, в обожженные частицы кожи. Но постойте, почему вы вообще можете сунуть руку в духовку, нагретую до 190 °C? Разве частицы воздуха не движутся с такой же быстротой? Да, движутся, но, как уже говорилось выше, в расчете на каждый квадратный сантиметр вашей кожи их в воздухе в 1000 раз меньше, и пусть даже он может повредить несколько частичек вашей кожи, вы все равно избавитесь от них через несколько дней, так что никакого вреда не будет. Впрочем, если бы вы оставили руку в духовке не на краткую секунду, а, скажем, на 20 минут (иными словами, продержали бы ее там в 1000 с лишним раз дольше), то ваша рука действительно бы стала похожа на подгорелое печенье с шоколадной крошкой. Заметим, что выреально чувствуете тепло духовки, когда суете туда руку. Так происходит именно потому, что частицы воздуха в духовке летают намного стремительнее, чем частицы воздуха в комнате, и их более энергичные соударения с вашей кожей приводят к тому, что вы ощущаете «тепло».

Рис. 3.1. Кривые, отражающие распределение скоростей частиц воды при 0 °C и 100 °C. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее 0 м/с, обе кривые усечены слева. Вертикали представляют средние скорости, которые из-за усечения оказываются немного выше самой распространенной. Обратите внимание, что средняя скорость частиц в кипящей воде составляет примерно 640 м/с, или 2300 км/ч (!), а некоторые движутся в несколько раз быстрее

Получается, что моя недавняя реплика – о том, что вы не «чувствуете» воздух, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эти строки, – не совсем соответствует реальному положению дел. Вы чувствуете воздух, поскольку его температура определяет скорость, с которой его частицы ударяются о вашу кожу. Эта скорость может доходить до триллионов раз в секунду, и именно благодаря этому, в свою очередь, возникает испытываемое вами ощущение тепла, холода или «подходящей» температуры.

Эта модель также объясняет, как ваша посуда ухитряется высохнуть (то есть испарить все капельки воды, которые на ней находятся), когда вы оставляете ее просушиться на ночь, – даже несмотря на то, что температура в комнате (на что я очень надеюсь) никогда не достигает точки кипения воды (100 °C). В среднем скорость частиц воды на посуде равна скорости частиц в воздухе, поскольку они постоянно соударяются и уравновешивают свои энергии. Их средняя скорость намного меньше той, какая необходима, чтобы перевести частицу воды из жидкой формы в газообразную. Впрочем, не будем забывать, чтосуществуют некоторые частички воды (и воздуха), которые движутся намного быстрее средних значений, и они могут достигать скорости высвобождения; именно эти стремительные частицы и теряет капля. Когда это происходит, средняя скорость частиц падает (если вычесть самые быстрые, то среднее значение понизится). Если бы на этом все и закончилось, то утром вам потребовалось бы полотенце для кухонной посуды. Но в вашей комнате – просторном хранилище воздушных частиц – все еще содержатся некоторые из быстрых частиц, и когда они соударяются с водой, оставшейся в капле, средняя скорость снова возрастает, и высокоскоростной конец распределения заполняется вновь (рис. 3.1). Эти молекулы воды, в свою очередь, тоже могут улетучиваться, и процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не превратится в газ, благодаря чему утром вы сможете убрать с подставки сухую посуду.

Эта тепловая модель также объясняет, почему мы потеем. Наше тело так тонко настроено, что оно работает при температуре примерно в 37 °C, и любое отклонение от этой величины вызывает немедленный отклик. Если мы активно занимаемся спортивными упражнениями, то обращаем химическую энергию, запасенную в мышцах, в избыточное тепло, от которого телу необходимо избавиться. Один механизм, предназначенный для этого, задействует наши потовые железы, из-за чего на нашей коже появляются капельки воды. Частицы кожи, покачиваясь немного сверх меры – если говорить о том, как это «воспринимает» наше тело, – передают часть своей энергии частицам воды, заставляя самые быстрые улетучиваться и тем самым уносить энергию с кожи, остужая последнюю. При нанесении ацетона на кожу мы чувствуем холод, поскольку точка его кипения намного ниже, чем у воды (всего лишь 56 °C), поэтому при нормальной температуре тела многие из частиц ацетона начинают двигаться достаточно быстро и переходят в газообразную форму, унося с собой колебательную энергию ваших частиц и заставляя кожу почувствовать холод.

И абсолютно все, от того, почему остывает вода в ванной⁵, до того, почему земная атмосфера не падает вниз⁶ (подсказка: она падает), а также от того, почему нагревается ваш велосипедный насос⁷, до того, почему ваш кондиционер остужает комнату⁸, объясняется этой моделью, в которой температура представляет собой просто меру скорости движения частиц.

Те самые «частицы» – атомы и молекулы

Теперь настало время снова вернуться к изначальной теме главы. Нужно сказать, что до сих пор мы игнорировали все, что мы знаем о внутренней структуре атомов, и принимали древнегреческую идею, согласно которой каждое вещество обладает мельчайшей единицей – именно их я на протяжении всей нашей беседы именовал частицами. Но что именно собой представляют частицы, составляющие серебряную ложку или каплю воды? Демокрит и Левкипп утверждали, что они «неделимы» (напомню, от греческогоatomos – «неразрезаемый») и существуют в бесконечном множестве размеров и форм, чем легко объяснялось наличие миллионов различных веществ, составляющих наш мир. Теперь нам известно, что обе гипотезы неверны. Атомы вовсе не обладают неделимостью, а миллионы веществ состоят из особых сочетаний девяноста четырех уникальных строительных блоков⁹.

То, что я называл «частицами», – это либо один из девяноста четырех типов таких единообразных блоков, которым мы, пренебрегая этимологией, присвоили имя «атомов», или одна из миллионов «молекул», четко определенных сочетаний, в которые атомы вступают друг с другом. Серебро – это один из девяноста четырех базовых «кирпичиков», и атомы Серебра, соединяясь, могут создать серебряную ложку. Вода – это сочетание двух базовых «кирпичиков», Водорода и Кислорода, которые в пропорции 2:1 формируют молекулу H₂O.

Золото в ваших кольцах, Вольфрам в нити накала (если вы еще помните лампы накаливания) и Кремний в чипах вашего телефона – это примеры одного соответствующего из девяноста четырех базовых строительных блоков, которые мы в совокупности называем элементами (подробнее см. гл. 4). Выдыхаемый вами воздух, по большей части диоксид Углерода (CO₂), алкоголь в вашем бокале (C₂H₆O) и песок, из которого был сделан этот бокал (SiO₂), – это молекулы, объединенные в фиксированные сочетания и призванные создать неисчислимые сложные структуры, из которых и состоит наш мир. Молекулы могут оказаться очень непростыми: в одной только молекуле ДНК, составляющей первую человеческую хромосому, присутствуют тринадцать миллиардов атомов, и все они соединяются друг с другом, следуя точной закономерности, а она, в свою очередь, представляет собой часть кода, благодаря которому вы – это вы.

Разделить неделимое: строительные блоки атомов

Итак, мы уже отметили, что атомы, несмотря на происхождение термина, можно разделить. Они сделаны из более фундаментальных строительных блоков, подразделенных на два семейства – это лептоны и кварки. Их удерживают воедино четыре фундаментальных взаимодействия, которые передаются при помощи еще одного семейства частиц – бозонов. Если составить перечень всех лептонов и кварков, которые нам удалось открыть, вместе с их антиматериальными двойниками, и добавить к ним бозоны, переносящие взаимодействия, мы получим список из тридцати одной «фундаментальной» частицы¹⁰ – и это звучит так, будто они не слишком-то фундаментальны! Многие физики полагают, что нам необходимо спуститься еще на один уровень в строении вещества, и мы обнаружим, что все эти различные частицы – на самом деле проявления крошечных вибрирующих «струн»¹¹. Но пока что наша модель для мельчайших величин, существующих в природе, насчитывает тридцать один объект, и впредь мы будем называть такие объекты фундаментальными частицами.

На рис. 3.2 показана иерархия вещества, начиная от общих состояний, о которых мы говорили в начале этой главы, – твердое тело, жидкость, газ – до молекул и атомов, а потом – от атомов до их составляющих частей. Кроме того, показано число сочетаний частиц на каждом уровне.

Рис. 3.2. Строение вещества, начиная с чашки кофе, в которой присутствуют твердое тело, жидкость и газ, при этом все они состоят из молекул, а те, в свою очередь, созданы из особых сочетаний атомов, которые и сами состоят из более фундаментальных частиц. Число типов частиц на каждом уровне обозначено какn; обратите внимание, что четвертое состояние вещества (не показанное на рисунке) – это плазма, в которой атомы разрываются на части. Представлено лишь первое из трех поколений фермионов

Большая часть рис. 3.2, как и вопрос о том, существует ли еще более глубокий уровень материи, выходит за пределы нашего исследования, поскольку нам в данный момент необходима просто надежная и точная модель атомов, из которых состоит космос. С первых микросекунд возникновения Вселенной имеют значение лишь несколько фундаментальных частиц, и их примерно полдесятка: это электроны (e или e^—) и их антиматериальные двойники, позитроны (e⁺ или e^+***); нейтрино, ассоциируемые с ними (v_e и v_e); а также «верхние» (u) и нижние (d) кварки и переносчики взаимодействий. Поговорим обо всех по очереди.

Электрон, открытый в 1897 году, неизмеримо мал (меньше 10^–18 м, миллионная триллионная доля метра в диаметре), наделен крохотной (но определенно измеримой) массой в 9 × 10^–31 кг и несет отрицательный электрический заряд –1, установленный нами произвольно как единица заряда на атомном уровне. Его антиматериальный двойник, позитрон, обладает такими же размером и массой, но, как и все античастицы, характеризуется противоположным зарядом, +1. Вещество и антивещество не очень хорошо сочетаются – более того, когда электрон встречается с позитроном, они взаимно уничтожают друг друга во вспышке света. Все атомы в современной Вселенной содержат электроны, но нам не следует забывать и о позитронах, поскольку в ходе естественных процессов, как мы еще увидим, могут рождаться и они, а сами эти процессы сыграют ключевую роль в воссоздании наших историй.

Электроны и позитроны входят в группу фермионов (см. рис. 3.2), в которой каждая частица обладает еще одним дополнительным свойством, важным для нашего повествования – это свойство с причудливым именем «спин». Представьте, что все подобные частицы – это крошечные волчки, способные вращаться лишь по часовой стрелке или против нее с амплитудой в ±½ (опять же, это произвольно выбранная шкала атомных единиц, на которой бозоны, переносчики взаимодействий, имеют спин 1 или 2). С другими частицами они вступают в гравитационное (поскольку обладают массой), электромагнитное (поскольку имеют заряд) и слабое ядерное взаимодействие (поскольку у них есть свойство, называемое «лептонным числом» ±1).

Нейтрино (v_e) были обнаружены только в 1956 году, хотя ученые постулировали их существование еще за десятилетия до этого, пытаясь объяснить исчезновение энергии в определенных ядерных реакциях. Нейтрино обладают крошечными размерами и еще меньшей массой; ее верхний предел составляет примерно 1/600 000 от массы электрона. Они электрически нейтральны, и для них характерен спин с амплитудой ±½. Поскольку они могут откликаться лишь на гравитацию (очень слабо, при условии их крошечной массы) и на слабое ядерное взаимодействие, они почти не взаимодействуют с обычным веществом. За время, которое вы затратите на прочтение этой фразы, 20 000 триллионов нейтрино, излученных Солнцем, пройдут через ваше тело, а вы этого даже не заметите. Это окажется правдой даже в том случае, если вы читаете эту страницу ночью, когда Солнце находится на другой стороне Земли, поскольку нейтрино проходят прямо через земную толщу и достигнут вас, пройдя через пол. Они играют главную роль в некоторых радиоактивных распадах и будут важны, когда мы применим атомные ядра в роли часов, чтобы составить карту наших будущих исторических экскурсов.

В современной Вселенной есть еще одно семейство фермионов, кварки, которые никогда не оказываются в одиночестве; они всегда связаны в пары или триплеты (см. рис. 3.2). Важное значение для нас имеют два определенных кварка, которые сочетаются, формируя протоны и нейтроны – кваркиu и d. Ученые впервые постулировали их существование в 1960-х годах, а впоследствии подтвердили и описали его в многочисленных экспериментах, проведенных на ускорителях частиц. Кварки имеют дробные заряды: u =+ ²/₃ и d =– ¹/₃, их массы составляют примерно 4,0 и 9,4 массы электрона соответственно, и, как фермионы, они также имеют спин ± ¹/₂. Все кварки обладают дополнительной уникальной характеристикой: они реагируют на сильное ядерное взаимодействие благодаря своему четвертому свойству, которое мы называем «цветовым зарядом».

Многие сочетания этих и четырех других разновидностей кварков возможны в принципе и могут на мгновения возникать в лабораториях. Но для нашего мира важны два – это триплетuud,образующий протон, и триплет udd, благодаря которому создается нейтрон. Простое суммирование даст нам заряды этих составных частиц: uud — +²/₃ + ²/₃ – ¹/₃ = +1 для протона и udd –+ ²/₃ – ¹/₃ – ¹/₃ = 0 для нейтрона. Их спины, сочетаясь, дают чистую величину в ± ¹/₂. Но с их массами дело обстоит совершенно иначе.

Кажется очевидным, что масса трех кварков должна просто составлять сумму масс каждого отдельного кварка. Согласно таким расчетам, масса протона должна была бы оказаться в 4,0 + 4,0 + 9,4 = 17,4 раза больше массы электрона. Но, взвесив протон, мы получим совершенно иной результат: его масса превышает массу электрона в 1836 раз, иными словами, она в сто с лишним раз больше простой суммы отдельных масс (и эквивалентна 1,67 × 10^–27 кг). Откуда берется вся эта избыточная масса? Ее источник – «клей», благодаря которому кварки соединяются воедино. Как мы уже говорили, кварки – это уникальные обитатели «зоопарка частиц», поскольку только они реагируют на сильное ядерное взаимодействие. Точно так же, как и дополняющее его слабое ядерное взаимодействие, оно имеет свои особенности, поскольку существует только на масштабах, сравнимых с размерами атомного ядра (примерно 10^–14 м, 1 % от триллионной доли метра). Кварк, проходящий мимо протона, скажем, в 5 % от триллионной доли метра, не отреагирует совершенно никак.

Это радикально отличается от других взаимодействий, знакомых нам по повседневной жизни, а именно электромагнитного и гравитационного – их дальность неограниченна. Чем дальше друг от друга располагаются два объекта, обладающие массой или зарядом, тем слабее воздействие электромагнетизма и гравитации, которому они подвергаются, но само оно не исчезает. Нептун находится на расстоянии в 4,5 миллиарда километров от Солнца, и сила притяжения воздействует на него в 900 раз слабее, чем на Землю, но он тем не менее движется по орбите вокруг Солнца из-за их взаимного гравитационного взаимодействия. Оба ядерных взаимодействия, напротив, просто исчезают за пределами атомного ядра.

И именно глюоны, сами по себе не обладающие массой, но в изобилии переносящие энергию, увеличивают массу протона в сто с лишним раз по сравнению с простой суммой масс составляющих его кварков (сюда вносит свой вклад и кинетическая энергия самих кварков, болтающихся в своем маленьком мешочке). У нейтрона, по сравнению с протоном, один изu-кварков заменен на немного более тяжелый d-кварк, и сам нейтрон тоже слегка массивнее (на 0,14 %). За исключением атома Водорода, ядро которого составляет один-единственный протон, все остальные атомы, о чем мы подробно поговорим чуть позже, содержат как протоны, так и нейтроны, соединенные вместе.

Ядро

Сердце атома и его сущность, воплотившая в себе все его своеобразие, – это ядро, тугой маленький шарик из протонов и нейтронов, упакованных в пространстве, диаметр которого равен всего нескольким триллионным долям миллиметра¹². Здесь, где все положительно заряженные частицы находятся в такой тесноте, электростатическое отталкивание, которое испытывают протоны по отношению друг к другу, огромно, но сильное ядерное взаимодействие оказывается сильнее и удерживает частицы, не позволяя им разлететься.

Своеобразие атома определяется количеством его протонов, и все возможности, от 1 до 94, представлены в природе. Количество протонов называется атомным номером и символически записывается как подстрочный индекс, предшествующий химическому символу элемента. У Углерода это выглядит так:₆С. Поскольку у каждого элемента есть уникальный символ, а также уникальное количество протонов, подобная система обозначений в каком-то смысле избыточна, и подстрочный индекс часто не указывают: если это атом Углерода, то у него шесть протонов, а если у атома шесть протонов, то это Углерод.

Другие обитатели ядра – нейтроны. Они электрически нейтральны и не усиливают электростатическое отталкивание, однако вносят свой вклад в большую часть притяжения, обусловленного сильным ядерным взаимодействием, и тем самым помогают стабилизировать ядро. У самой легкой пары из десятка элементов число протонов и нейтронов, как правило, примерно равно, но по мере того как мы восходим все выше в иерархии и добираемся до более тяжелых элементов с большим количеством протонов, приходится добавлять дополнительные нейтроны, чтобы противостоять уже упомянутым силам электростатического отталкивания: например, у Урана 92 протона обычно сопровождаются 146 нейтронами.

Обратите внимание на слово «обычно» в последнем предложении. В то время как число протонов однозначно определяет, какой именно перед нами элемент, у числа нейтронов нет столь явно выраженной «обязанности». В главе 5 мы еще поговорим о том, что в ядре того или иного элемента может присутствовать разное количество нейтронов. Более того, этот факт станет критически важным по мере того, как мы начнем применять атомы для воссоздания истории.

Атом

Теперь, когда мы разобрались с ядром, нужно только добавить электроны, и мы получим завершенный атом. Для этого требуется сделать так, чтобы положительно заряженное ядро привлекло к себе свиту из отрицательно заряженных электронов, и в этом ему помогает электромагнетизм: противоположности притягиваются. Поскольку заряды протона и электрона в точности равны и противоположны по знаку, у нейтрально заряженного атома количество электронов совпадает с количеством протонов: у Водорода один электрон, у Углерода шесть, у Кислорода восемь, а у Урана девяносто два.

Повторим, что два взаимодействия, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, – это гравитация и электромагнетизм. Гравитационное взаимодействие, которое, в сущности, представляет собой отклик на свойство вещества, называемое массой, позволяет вам стоять на земле (и сидеть на стуле) и ощущается в вашей жизни как довлеющая сила – даже Майкл Джордан в свои лучшие годы мог подпрыгнуть вверх не более чем на 120 см. Электромагнитное взаимодействие, происходящее благодаря положительным и отрицательным зарядам, рождает свет, служит основой химических реакций, движет стрелкой компаса и заряжает ваш телефон, но выпочувствуете его только в том случае, когда пройдете по ковру, коснетесь металлической дверной ручки и получите краткий удар током. На основе такого опыта можно предположить, что гравитация сильна, а электромагнетизм слаб.

И если мы сделаем такое предположение, то окажемся в высшей степени неправы. На самом деле электромагнитное взаимодействие в триллион триллионов триллионов (это не опечатка, в 10³⁶ раз) сильнее гравитации. Ключевая разница между двумя этими фундаментальными силами заключается в том, что у гравитации только один знак – она всегда притягивает, – в то время как в электромагнитном взаимодействии участвуют два заряда, положительный и отрицательный, которые в обычных условиях, причем в масштабах от одного-единственного атома до планеты, совершенно нейтрализуют друг друга. Но если бы ваш положительный заряд превышал отрицательный на тысячную долю (0,1 %), а ваша супруга, у которой отрицательный заряд на 0,1 % превышал бы положительный, показалась бы на пороге комнаты в трех метрах от вас, чтобы сказать, что ужин готов, вы двое притянулись бы друг к другу с такой силой, что Земля сошла бы со своей орбиты. Следовательно, абсолютное равенство и противоположные знаки зарядов электрона и протона позволяют стабильной Вселенной существовать.

При наличии столь огромной притягивающей силы между частицами атома можно было бы ожидать, что любой блуждающий электрон, которому не посчастливится оказаться неподалеку от атомного ядра, в то же мгновение будет затянут туда, точно в воронку. Но на атомном уровне все работает совсем иначе. Электрон (как, в сущности, и все фундаментальные частицы) ведет себя по законам квантовой механики – нашей высокоточной модели, призванной описывать мир мельчайших явлений. Можно сказать, что даже слово «частица» в макроскопическом масштабе этого термина здесь неуместно, поскольку электрон – это не отдельная локализованная данность, подобная песчинке; его лучше всего охарактеризовать как размазанное «вероятностное облако», окружающее весь атом. Другими словами, электрон не присутствует постоянно «где-то», а находится везде в пределах своего очень ограниченного мира.

Исследование квантового мира – это увлекательная тема, которой посвящено множество книг, однако нам незачем углубляться в этот предмет. Наша цель – использовать атомы, чтобы выявить поддельные произведения искусства; выяснить, как наши предки научились выращивать кукурузу; представить, как выглядела укрытая льдом Земля 400 000 лет назад; и узнать, как появилась Солнечная система. Таким образом, все, что нам нужно, – это модель атома, которая бы точно содержала все характеристики, необходимые для наших экспертно-криминалистических обращений к истории мира. Такую модель нам еще сто с лишним лет назад предоставил датский физик Нильс Бор.

Вероятно, вы видели эту хрестоматийную картинку (см. рис. 3.3), в которой атом представлен как миниатюрная Солнечная система и вокруг ядра, расположенного в центре, вращаются, подобно планетам, электроны. Мы примем ее, но тем не менее важно помнить об ограничениях аналогии с Солнечной системой. Во-первых, в Солнечной системе тела взаимодействуют посредством гравитации, в то время как электроны удерживаются на месте электромагнитными силами. Во-вторых, протяженность орбит значительно различается, и тогда как планеты движутся по ним на расстояниях, которые от 41 до 3200 раз превышают диаметр Солнца, протяженность первой электронной орбиты в атоме Водорода превышает диаметр протона в 24 000 раз, и для атомов это соотношение размеров совершенно типично (вспомните теннисный мячик на 120-й улице и электрон на 145-й).

Рис. 3.3. Репрезентация боровской модели для атома Углерода, содержащая главные характеристики, необходимые нам, – протоны и нейтроны ядра и четко определенную систему электронов, движущихся вокруг ядра по орбите. Обратите внимание, что рисунок выполнен в условном масштабе; если бы размеры реального ядра совпадали с изображенными, то электроны следовало бы отобразить примерно в 300 метрах от него

Рис. 3.4. У атома Водорода только один электрон, и этот электрон может перемещаться по орбите вокруг протона лишь на особых, точно заданных расстояниях. Они определены допустимыми длинами волн электрона (см. гл. 4) и соответствуют его конкретным энергиям (см. рис. 4.5, где приведены численные значения этих энергий). Если электрон получит необходимое количество энергии – либо благодаря столкновению с другой частицей, как в случаеа, либо поглотив фотон, как в случае в, то он сможет перескочить на одну из допустимых орбит, и в этом случае его называют «возбужденным». В дальнейшем он вновь вернется в основное состояние, испустив излишек энергии в форме света (случаи би г). Обратите внимание, что чем значительнее скачок, тем больше выделяется энергии и тем короче длина волны света (бв сравнении с г). В люминесцентных лампах атомы газа, присутствующие в трубке лампы, при помощи столкновений переводятся в возбужденное состояние, благодаря чему при возвращении электронов в основное состояние возникает свет

Атом Водорода настолько прост, насколько это возможно, – ядро, состоящее из одного протона, и один-единственный электрон на орбите. В нормальных условиях этот электрон остается на своей орбите, о границах которой мы говорили выше, но если по атому ударяет другая частица или рядом оказывается странствующая световая волна подходящего цвета, электрон может перейти на другую, более высокую орбиту, расположенную дальше от ядра. Но он не может перемещаться везде, где захочет, а ограничен лишь определенными, четко заданными расстояниями (см. рис. 3.4). В других атомах, где электронов больше, для каждого из них установлен набор особых дистанций. Такая система орбит играет очень важную роль в том, как атомы взаимодействуют друг с другом и со светом, что позволяет нам распознавать их по всей Вселенной. Об этих системах мы поговорим в следующей главе, в которой объясним устройство Периодической таблицы, ставшей украшением стен в каждом школьном классе, где изучают химию.

Молекула

Теперь мы совершим последний шаг в нашем восхождении от фундаментальных частиц к частичкам вещества, из которых состоит наш узнаваемый мир, и поговорим о молекулах. Как мы уже упоминали, молекула – это сочетание двух и более атомов, одинаковых или различных, сцепленных в особом, четко зафиксированном соотношении. Кислород, который мы вдыхаем, – это молекула Кислорода, в которой соединены два атома, О₂ (подстрочный индекс обозначает число атомов данного рода в молекуле), а выдыхаемые нами углекислый газ (CO₂) и водяной пар (H₂O) – это сочетание трех атомов (где подстрочные «единички» для Углерода и Кислорода подразумеваются, но не указываются; см. рис. 3.5).

Молекулы могут оказаться сложными. Витамин С состоит лишь из двадцати атомов трех типов – C₆H₈O₆, а вот витамин B₁₂ (также известный как цианокобаламин) – уже из атомов шести типов: C₆₃H₈₈CoN₁₄O₁₄P. Самая длинная молекула вашей ДНК, как мы уже отмечали, содержит миллиарды атомов.

И хотя у атомов нет ни крючков, ни проушин, ни шарниров, которые представляли себе древние греки, распределение их внешних электронов уникально для каждого из девяноста четырех элементов, и эти электронные конфигурации управляют связями, в которые склонен вступать тот или иной атом. В следующей главе мы объясним, почему некоторые из них постоянно задействуют режим «привлечения», другим компания требуется не так сильно, а третьи вообще предпочитают пребывать в одиночестве и вполне этим довольны. Орбиты электронов, соединяясь, слегка меняют расположение, укрепляют связи, создают тем самым особое трехмерное пространство и наделяют молекулу всеми своими свойствами, которые можно ощутить извне, – например такими, как вкус, аромат, цвет, текстура и плотность, иными словами, всем тем, что отличает воду от песка, а гранат от брокколи.

Впрочем, в то время как чистая вода (H₂O) и чистый песок (SiO₂) состоят из одной молекулы, в гранатах и брокколи много самых разных молекул, определяющих их структуру и другие характеристики. Более того, многие вещества в нашей повседневной жизни представляют собой смешение различных атомов и молекул; например, воздух – это смесь молекул N₂, O₂, H₂O, CO₂ и множества других, не столь важных, а кроме того, в нем присутствуют атомы Аргона, Неона, Гелия, Криптона и так далее. В вашем бокале пино-нуар по большей части содержится H₂O, но там есть и целое собрание других молекул, наделяющих его восхитительным ароматом.

Рис. 3.5. Наглядное представление молекулы углекислого газа, на котором указано линейное распределение трех атомов и двойные связи между ними (вверху) в сравнении с изогнутой структурой молекулы воды (внизу)

Можете насладиться этим вином, поскольку наша задача завершена. Начав с грубейшей классификации мира как состоящего из твердых тел, жидкостей и газов, теперь мы знаем, что эти состояния вещества зависят от смешения частиц, которые содержатся в них, соприкасаясь друг с другом или находясь друг от друга вдалеке, а также либо могут свободно двигаться, либо прочно удерживаются на своих местах. В каждом из этих трех состояний вещество, в свою очередь, состоит из молекул, а они создаются из определенных соотношений строительных блоков, называемых атомами, которых насчитывается девяносто четыре. Атомы формируются благодаря особым сочетаниям электронов, протонов и нейтронов, а две последние частицы состоят из трех кварков каждая.

Все эти подробности уводят нас очень далеко от воззрений Демокрита на атомный мир, но основная мысль остается прежней: Вселенная состоит из определенного набора основных «кирпичиков», которые обладают уникальными внутренними свойствами и вступают в бесчисленное множество сочетаний, создавая все богатство нашей реальности. Эти «кирпичики» мы, взяв термин Платона, назвалиэлементами¹³, и теперь мы готовы исследовать все девяносто четыре их разновидности – и позволить им выступить нашими проводниками к далеким и минувшим временам.

Глава 4
Элементы: наш набор «кирпичиков»

Элемент – одно из тел, на которые разложимы другие тела, но неразделимое в самой своей сути¹.

Аристотель

По мере того как в XVIII столетии и в начале XIX века накапливалось все больше свидетельств существования атомов, становилось ясно, что строительные блоки некоторых веществ, в отличие от сотен изучаемых субстанций, не получалось разложить на более базовые формы. Антуан Лавуазье, уделив внимание этим несократимым субстанциям, дал своему трактату, изданному в 1789 году, название «Начальный учебник химии» и перечислил в нем тридцать три элемента. Некоторые из них, как мы уже отмечали, такие как «свет» и «теплород» (последний считался флюидом, переносившим тепло), появились в результате неверного понимания природы вещества и энергии, а другие оказались молекулами, состоящими из нескольких элементов; впрочем, двадцать три элемента были истинными и признаются такими и в наши дни.

Как мы упоминали в третьей главе, модель атома, которую предложил Нильс Бор, содержит все характеристики, необходимые нам, чтобы завербовать атомы на службу истории. Их основная структура, подобная планетарной, показана на рисунке 3.3. Здесь мы расширим базовую модель и покажем, что у атома также есть оболочки и подоболочки, а также поговорим о том, по каким законам их заполняют электроны. Так мы, в свою очередь, объясним и устройство Периодической таблицы химических элементов, и подготовим сцену для исчисления тех межатомных взаимодействий, которые и составляют всю нашу Вселенную.

К 1869 году, когда Дмитрий Менделеев опубликовал свою важную систематизацию элементов, его таблица содержала шестьдесят три субстанции и предсказывала появление еще нескольких. В то время единственными известными свойствами элементов был их относительный вес (вычисленный на основе соотношений масс, в которых они сочетались с другими элементами), а также готовность вступать в такие соотношения и проявляемая при этом избирательность. Свои предсказания о существовании новых элементов и возможности их обнаружения Менделеев основывал на закономерностях, проявленных в свойствах известных элементов, которые, в соответствии с их поведением, указывались в одинаковых столбцах, а возрастающий номер в строке отражал увеличение массы. Это распределение, создаваемое без знания размера, массы или внутренней структуры атома, не говоря уже о каком-либо понимании того, что было причиной их поведения, оказалось пророческим, и мы сохраняем его по сей день как Периодическую таблицу химических элементов (см. рис. 4.1).

Элементы в столбцах слева в высшей степени активны химически. Водород легко взрывается (прекрасный пример – катастрофа «Гинденбурга»²), а Литий (Li), Натрий (Na) и Калий (K) полыхнут пламенем, если уронить их в пробирку с водой. Они любят соединяться с элементами из предпоследнего столбца справа, которые тоже охотно вступают в химические реакции, и предпочитают формировать очень стойкие сложные соединения, например соль (NaCl). Но элементы, занявшие самый правый столбец, никакими «уговорами» не объединить ни с их соседями, ни с любым другим элементом таблицы³. Чтобы понять, почему поведение различных групп атомов столь радикально отличается, нам потребуется представить модель Нильса Бора в количественном отношении и рассмотреть квантовую природу атомного мира.

Рис. 4.1. Периодическая таблица химических элементов. Показаны атомные номера и символы для каждого из 118 типов атомов. Шкала полутонов и толщина контуров призваны проиллюстрировать природу электронных оболочек, речь о которых пойдет ниже. В самом левом столбце каждая строка обозначает начало нового энергетического уровня, но n = 3 и n = 4 частично совпадают (иными словами, за элементом под номером 18, Аргоном [Ar], имеющим три электронные оболочки [n = 3], следуют Калий [K] и Магний [Mg], у которых по четыре электронных оболочки [n = 4], после чего у элементов 21–30 вновь n = 3). Совмещения усложняются по мере того, как мы движемся все дальше, вследствие чего строки 57–71 и 89–103 располагаются в самом низу таблицы. Подробнее см. рис. 4.3 и 4.4

Как мы отмечали в третьей главе, электроны не похожи на планеты (равно как и на уменьшенные песчинки). Они действуют в квантовом мире, и это означает, что их поведение представляет собой сочетание тех свойств, которые мы приписываем частицам,а также тех свойств, которые мы приписываем волнам. И частицы, и волны могут передавать энергию (эту концепцию мы более подробно изучим в дальнейшем) из одного места в другое. Если я брошу вам бейсбольный мяч, а вы его поймаете, то вы почувствуете боль из-за кинетической энергии (энергии движения), которую я сообщил мячу, совершив бросок. По мере того как частица перемещается с места на место, она переносит с собой энергию. Точно так же ее переносит и волна, хотя в этом случае в движении какого-либо вещества от меня к вам нет необходимости. Если мы оба возьмемся за концы веревки, я могу резко дернуть свой конец вверх и вниз, и волна, прошедшая через веревку, передаст это движение вашей руке, в то время как частицы веревки, которые я держу в своей ладони, останутся на месте.

Рис. 4.2. На рис.а полная длина волны умещается между двумя закрепленными концами струны. На рис. б между ними умещаются две полных длины волны (обертон на октаву выше). Но на рис. в иг мы видим, что иные длины волн – слегка увеличенная и слегка укороченная – невозможны, поскольку нарушается условие, согласно которому концы струны должны оставаться неподвижными

Рамка 4.1. Уровни энергии Водорода

Длина волны частицы в квантовой механике определяется какh/mv,где m– это масса частицы, v– ее скорость, а h –постоянная Планка = 6,63 × 10^–34 Дж·c.

Радиус орбиты электрона в атоме Водорода:r = 5,29 × 10^–11 м

Масса электрона: m = 9,11 × 10^–31 кг

Скорость электрона на орбите:v = 2,18 × 10⁶ м/с (примерно 0,7 % скорости света)

Таким образом, длина волны электрона составляет:

6,63 × 10^–34 Дж·c / (9,11 × 10^–31 кг × 2,18 × 10⁶ м/с) = = 3,3 × 10^–10 м

Длина окружности орбиты электрона составляет 2π × 5,29 × 10^–11 м, что в точности равняется длине волны электрона в квантовой механике – орбита определяется одной целочисленной волной, охватывающей ее пределы.

Кинетическая энергия электрона =¹/₂mv² = ¹/₂× 9,11 × × 10^–31 кг × (2,18 × 10⁶ м/с)² = 2,16 × 10^–18 Дж.

2,16 × 10^–18 Дж × 1 эВ / 1,6 × 10^–19 Дж = 13,6 эВ, это и есть энергия связи на энергетическом уровне с номером n = 1 для H.

Длина волны электрона на энергетическом уровне с номеромn = 2 точно в два раза больше, и вследствие этого то же самое справедливо для длины окружности его орбиты, благодаря чему радиус можно выразить как 2r. Напряженность электрического поля ослабевает как 1/квадрат расстояния, так что 1/(2r)² = ¼ от энергии связи на энергетическом уровне с номером n = 1; то есть 1/(2r)² = = 13,6 эВ/4 = 3,4 эВ.

Это означает, что при переходе сn = 2 на n = 1 выделяется энергия, равная разнице в 10,2 эВ, что мы и наблюдаем.

Таким образом, при n = 3 => 13,6 эВ/9 = 1,51 эВ; при n = 4 => 13,6 эВ/16 = 0,85 эВ и так далее (см. рис. 4.5).

Любую волну описывают две количественные характеристики – расстояние между двумя смежными гребнями (длина) и стремительность, с которой волна движется вперед (скорость). Если закрепить концы струны, скажем, между нижним порожком гитары и вашим пальцем, прижимающим ее на определенном ладу гитарного грифа, в этот интервал смогут встроиться лишь определенные длины волн, соответствующие «ноте», которую вы решите сыграть (см. рис. 4.2). Если удвоить длину струны, вы получите ноту на октаву⁴ ниже, поскольку теперь в промежутке идеально умещается волна вдвое большей длины.

Если немного расширить эту аналогию, электроны могутсуществовать только при таком расположении внутри атома, при котором между ними и ядром оказывается целое число длин их волн (см. рамку 4.1, в которой делается расчет для атома Водорода). В итоге электроны могут находиться на орбитах на определенных расстояниях от атомного ядра. Вследствие этого основные оболочки обозначаются как n = 1 для оболочки, ближайшей к ядру, n = 2 для следующей по направлению от ядра, n = 3 для еще более далекой и так далее. Как мы увидим впоследствии, эти оболочки соотносятся со строками Периодической таблицы.

И все же, пусть даже принцип «одна волна – одна оболочка» совершенно справедлив и истинен, с точными конфигурациями этих охватывающих волн все оказывается чуть более затруднительным, поскольку существует второе число, которое мы в силу необходимости должны присвоить каждому электрону. Оно соотносится с формой его орбиты (его орбитальным моментом, если говорить на языке физики). Мы обозначаем это число какl,и оно принимает значения 0 (для сферической формы), 1 (три орбиты, по форме напоминающие гантели, идущие в направлениях x, y и z), а потом – 2, 3, 4 и так далее, причем по мере возрастания значений числа орбиты становятся все более сложными. Эти незначительные различия в формах орбит у той или иной оболочки называются подоболочками, или подуровнями. И, наконец, как мы отмечали в третьей главе, каждый электрон подобен маленькой юле, которая вращается либо по часовой стрелке, либо против. Этот параметр мы определили как спин: s = + ½ или s = – ½.

В квантовом мире действует абсолютное правило: хотя все электроны обладают в точности одной и той же массой и в точности одним и тем же зарядом, никакие две частицы в атоме не могут быть во всех отношениях идентичными; иными словами, ни у каких двух электронов не могут полностью совпасть значения чиселn, l и s. Более того, каждой оболочке позволено иметь лишь определенное число подоболочек: на энергетическом уровне с номером n = 1 число l= 0; при n = 2 возможны значения l= 0 и l= 1; при n = 3 число lможет равняться 0, 1 и 2 и так далее. Наконец, каждая форма орбиты (определяемая значением l) может содержать 2 × (2l + 1) электронов, где первая «2» призвана указать на один электрон со спином +½ и один со спином —½, а выражение в скобках отражает число возможных орбитальных форм, доступных на каждом l-уровне. Это распределение гарантирует, что двух одинаковых электронов не существует. Все подробности прояснит схема на рис. 4.3.

Теперь, разобравшись с номенклатурой, мы можем описать конфигурацию электронов в любом атоме, указав число мест, занятых в каждой оболочке и подоболочке. Например, для Хлора, представленного на рис. 4.3, мы бы записали конфигурацию как 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ – в данном случае обычные числа указывают на энергетические уровни n, буквы – на обозначения числа l, а степенные показатели – на число электронов, занимающих каждую оболочку. Обратите внимание, что все подоболочки заполнены до отказа, как у любого нормального атома в спокойном состоянии, за исключением самой внешней 3p-подоболочки, на которой у нас как раз заканчиваются электроны: у Хлора 17 протонов, а значит, должно быть 17 электронов, отчего на 3p-подуровне остается пустое место. В случае, когда все электроны в атоме располагаются настолько близко к ядру, насколько это возможно, мы говорим об «основном состоянии» атома.

Рис. 4.3. Строение электронных оболочек у элементов Периодической таблицы. Значенияnпоказывают энергетические уровни и соответствуют номеру строки в левой части таблицы. Заметим, что начиная с n = 3 подоболочки последующих энергетических уровней частично совпадают друг с другом. Подуровни s, p, d и f соотносятся с различными значениями числа l,призванного выразить орбитальный момент атома; этот показатель определяет форму электронных орбит (l= 0, 1, 2 и 3)

Рис. 4.3 (продолжение). Каждый подобный уровень может содержать 2 × (2l + 1) электронов. Стрелки (указывающие вверх или вниз) соответствуют допустимым спиновым квантовым числам (s = +½ или s = —½). Ни у каких двух электронов не могут совпасть все три квантовых числа n, l и s; круги показывают возможные расположения, которые согласуются с данным правилом. У Водорода, изображенного слева, всего лишь один электрон, занимающий положение 1s¹. У Хлора, с семнадцатью электронами (правый столбец), заполнены два свободных места на 1s-подуровне; два – на 2s-подуровне, шесть – на 2p-подуровне; два – на 3s-подуровне и пять свободных мест из шести на 3p-подуровне. Шкала полутонов, которая в данном случае выстроена в соответствии со значениями главного квантового числа n, нумерующего энергетические уровни, совпадает со шкалой полутонов в Периодической таблице (рис. 4.1)

Здесь содержится ключ к сродству того или иного элемента с другими или к отсутствию такого сродства: атомы любят заполнять свои оболочки. Хлор в этом почти преуспел: еще один электрон, и все будет в полном порядке. Даже если ему удастся обзавестись хотя бы одним электроном, переняв его от какого-нибудь иного атома, все будет лучше, чем эта зияющая брешь на 3p-подуровне. Он мог бы заимствовать одинокий электрон у Водорода и преобразиться в сильную соляную кислоту, HCl; мог бы захватить почти столь же одинокий электрон с самой внешней оболочки Натрия, занявшего третью строку Периодической таблицы, и образовать соединение NaCl, известное нам под названием поваренной соли; или мог бы даже вступить в реакцию с Калием из четвертой строки, и создать хлорид калия, KCl – заменитель соли для тех, кто находится на строгой бессолевой диете.

Обратите внимание, что у Аргона (Ar), элемента, идущего в Периодической таблице вслед за Хлором, количество протонов на один больше – и, следовательно, у него настолько же больше электронов, что позволяет ему заполнить 3d-подоболочку. Благодаря этому Аргон становится одним из надменных и самовлюбленных атомов, совершенно равнодушных к любым попыткам установить с ними контакт, поскольку его внешний подуровень заполнен и у него нет необходимости ни делиться своими электронами с другими атомами, ни перенимать электроны у них – он и так чувствует себя совершенно самодостаточным. Все элементы в самом правом столбце Периодической таблицы называются «благородными газами», что указывает на их абсолютное нежелание связываться с остальным простонародьем.

Благодаря этой системе проясняется структура трех первых строк Периодической таблицы. Электронная конфигурация у Водорода – 1s¹, у Гелия (He) – 1s²; Водород пребывает в поиске, а Гелий вполне спокоен и доволен жизнью. Следующие восемь элементов во второй строке – это Литий (1s²2s¹ – можно сказать, что он в отчаянии); Бериллий (1s²2s² – ему уже слегка получше); Бор (1s²2s²2p¹ – здесь у нас гордый одиночка); Углерод (1s²2s²2p² – может поделиться двумя электронами и взять напрокат четыре, так что есть где развернуться); Азот (1s²2s²2p³ – прекрасно сочетается с двойником: у него три электрона на самой внешней оболочке или три свободных места, в зависимости от того, как посмотреть, – вспомните это, когда дойдете до конца главы); Кислород (1s²2s²2p⁴ – будет только счастлив присоединиться к двум Водородам); Фтор (1s²2s²2p⁵ – тоскует по одинокому спутнику) и Неон (1s²2s²2p⁶ – доволен как слон). Потом мы начинаем снова, с третьей строки, где у нас оказывается Натрий (1s²2s²2p⁶3s¹ – все как у Лития и Водорода), и так далее (рис. 4.4). Итак, в столбцах Периодической таблицы обозначены атомы со сходными конфигурациями внешних электронных уровней, каждый из которых примерно одинаково стремится поделиться своими электронами или принять их от другого элемента, в то время как строки указывают на то, что мы перемещаемся на другую орбиту, расположенную дальше от ядра.

Обратите внимание, что в четвертой строке структура таблицы меняется, поскольку в действительности 4s-подуровень находится немного ниже 3d-подуровня, способного вместить 2 × (2 × 2 + 1) = 10 электронов (см. рис. 4.4). Именно поэтому четвертая строка начинается с Калия и Кальция, у которых конфигурация самой внешней оболочки, учитывая количество электронов, записывается, соответственно, как 4s¹ и 4s², а за ними следуют Скандий (…4s²3d¹), Титан (4s²3d²), другие элементы вплоть до Цинка (…4s²3d¹⁰), и лишь после этого у нас появляется Галлий с электронами на 4p-подоболочке (…4s²3d¹⁰4p¹). Пятая строка воспроизводит ту же самую модель: у элементов, с которых она начинается, есть электроны на 5s-подуровне, потом совершается переход к 4d-подуровню, и лишь после ее заполнения мы вновь возвращаемся к 5p-подуровню (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4. Строение электронной оболочки, представленной на рис. 4.3, для девяноста четырех элементов, встречающихся в природе. Каждый электрон отмечен символом элемента, у которого он оказывается самым внешним (также указаны атомные номера). Например, у Алюминия (Al) 13 электронов, и самый внешний находится на 3p-подуровне, о чем свидетельствует запись 3p¹. Шкала полутонов и толщина линий совпадают с рис. 4.1 и 4.3

В шестой строке все становится еще сложнее, поскольку 4f-подуровень (способный содержать до 14 электронов) вкрадывается между 6s-подуровнем и 5d-подуровнем, вследствие чего за Барием (…6s²) следуют четырнадцать так называемых «лантаноидов» (отмеченных в таблице астериском), а потом располагаются Лютеций (…5d¹) и Гафний (…5d²). Эта система повторяется в седьмой строке после 88-го элемента (Радий, 7s²). Сюда украдкой пробирается Актиний со своим электроном (5f¹), а вслед за ним мы находим пять самых тяжелых элементов из всех, какие только встречаются в природе, и еще двадцать четыре, которые нам удалось создать (впрочем, лишь на краткое время) в лаборатории. Срок существования первых пяти искусственно произведенных элементов варьируется от нескольких столетий до года, следующие девятнадцать живут от нескольких месяцев до всего лишь кратких миллисекунд, и неудивительно, что ни один из них не продается в сети Walmart. В теории остров стабильности предполагается у 126-го элемента, но если учесть, что нынешний рекордсмен, Оганесон, располагается в таблице под номером 118, а срок его существования составляет меньше двух десятых долей секунды, то добраться до этого острова, вероятно, будет невозможно.

Правила, изложенные выше, могут на первый взгляд показаться произвольными, но у них есть реальные основания в нашей математической модели квантового мира, и они позволяют нампредсказывать закономерности поведения, отраженные в Периодической таблице химических элементов. Однако для наших целей нам, по большей части, не нужны подробности, о которых нам известно благодаря постижению квантовой механики. Нам необходима модель, которая бы позволила рассчитывать срок жизни атомов, использовать его в наших интересах и интерпретировать. Принципы, о которых мы говорили в этой главе, дают для этого основу, и чтобы применить их в воссоздании истории, нам нужно лишь понять, как они связаны с понятием энергии.

Энергия

Энергия – это фундаментальная концепция в построенных нами моделях материального мира, и она неразрывно связана с атомами в том виде, в каком мы пытаемся осмыслить их суть. В отличие от некоторых других терминов, принятых в физике, формальное определение энергии очень близко к тому значению, в каком мы используем это слово в повседневной речи: энергия представляет собой способность совершать работу – толкать или тянуть; производить движение, сопротивляться ему или менять его скорость или направление; преображать вещество из одной формы в другую. Огромная практическая польза нашего представления об энергии заключается в том, что, хотя энергия и предстает во множестве обликов и охотно меняет формы, ее нельзя ни создать, ни уничтожить. В физике мы говорим о том, что энергиясохраняется.

В каждом из четырех фундаментальных взаимодействий проявляются разные формы энергии. Гравитация заставляет объекты, обладающие массой, приближаться друг к другу. Каждая частица, присутствующая на Земле, притягивает все остальные земные частицы, поэтому мы говорим, что наша планета обладает гравитационной энергией – и эта энергия эквивалентна той, которая необходима, чтобы разобрать ее, частица за частицей, и направить все эти частицы в бесконечность. Именно такое количество энергии высвободилось в то время, когда все планетезимали ранней Солнечной системы срослись и сформировали Землю. Остаток этой энергии сегодня проявляется во внутренней температуре нашей все еще остывающей планеты, равной 6000 К. Если вы, удерживая какой-нибудь предмет над поверхностью Земли, отпустите его, он упадет «вниз»; таким образом, он обладаетпотенциальной гравитационной энергией, поскольку притягивается к центру Земли (именно так определяется направление «вниз»). Плотины ГЭС и водяные мельницы работают, захватывая эту потенциальную энергию по мере того, как вода, устремляясь вниз, рождает электричество или вращает водяное колесо.

Электромагнитное взаимодействие проявляет энергию самыми разными способами. Благодаря ему вращается стрелка компаса, а высокоэнергичные частицы, излученные Солнцем, наводятся на Северный полюс, рождая северное сияние. Колебания электронов в проводах заряжают наши фонарики и телефоны и вращают колеса электропоезда. Свет – это высшая форма электромагнитной энергии, волна колеблющегося электрического и магнитного поля, которая мчится сквозь пространство со скоростью в 300 000 км/с (см. рамку 4.2, где кратко описаны длина волны света, энергии и соответствующие температуры). Две частицы, одна из которых характеризуется положительным зарядом, а другая отрицательным, притягивают друг друга и, по аналогии с гравитацией, обладают потенциальной электрической энергией, когда находятся во взаимном отдалении, и электрической энергией связи, когда соединены. Энергия, которая высвобождается (или поглощается), когда атомы меняют свое взаимное расположение, чтобы сформировать (или расщепить) молекулы, – тоже электромагнитная по своей природе, – называется химической энергией.

Ядерные взаимодействия, уже из названия которых следует, что они ограничены масштабами атомного ядра, безраздельно господствуют в своем «царстве» и производят энергии связи, сила которых невероятна и которые, при высвобождении, могут порождать высокоскоростные частицы или фотоны и преображать атомы того или иного рода в другой. Даже масса как таковая представляет собой форму запасенной энергии, и если она высвобождается при встрече частиц вещества и антивещества или при образовании нового атомного ядра, при этом может выделиться огромное количество энергии, что отражено в знаменитом уравнении ЭйнштейнаE = mc², где m– масса, а c – скорость света. И Солнце, и атомные электростанции – это примеры преобразования массы в энергию.

Как мы отмечали в третьей главе, тепло – это тоже форма энергии, представленная движением частиц, из которых состоит вещество. Такая энергия движения как на микроскопическом (колеблющиеся атомы), так и на макроскопическом (мчащийся пассажирский поезд) уровне называется кинетической энергией и равна произведению половины массы движущегося объекта на квадрат его скорости (Ek= ½ mv²).

Рамка 4.2. Электромагнитный спектр

У электромагнитной волны энергия обратно пропорциональна длине волны (чем короче длина волны, тем быстрее колебания, и это, в свою очередь, свидетельствует о большей энергии). В частности:

E = hc/λ, где обозначено следующее:

E = энергия волнового пакета, так называемого фотона (в джоулях)

h = постоянная Планка, основная константа природы = 6,63 × 10^–34 Дж·c

c =скорость света, еще одна константа, в вакууме равная 3 × 10⁸ м/с

λ = длина волны света (расстояние между двумя соседними гребнями)

Для процессов, происходящих на атомном уровне, несколько практичнее выражать энергии не в джоулях, а в электронвольтах, эВ:

1 эВ = 1.6 × 10^–19 Дж; 1 кэВ = 10³ эВ; 1 МэВ = 10⁶ эВ

Любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение с длиной волны, обратно пропорциональной температуре. Чем выше значение T, тем быстрее движутся частицы и тем меньше, в свою очередь, длина волны λ:

λ_max= 0,0029 м/T [K], где:

λ_max= пик спектра, где излучается максимальное количество энергии

0,0029 м = константа, используемая для того, чтобы получить результат в метрах

T [K] = температура, измеренная в кельвинах.

Спектр (в каком-то смысле произвольно) разделен на неравные доли, которым присвоены различные имена, хотя, в сущности, это непрерывный диапазон, не ограниченный ни с какой стороны.

В то время как для измерения всех остальных физических свойств американцы (и жители Бермудских островов) используют устаревшие английские единицы (дюймы, футы, мили, фунты, кварты и так далее), для энергии даже в Америке приняли метрическую систему. Самая известная единица ее измерения – это калория, которую можно найти на этикетках, маркирующих пищевые продукты от мороженого до сырных палочек. Одна килокалория (именно в них измеряется калорийность, и исторически они назывались «большими» калориями, а в английском обозначаются с заглавной C, Calorie⁵) – это мера энергии, необходимой для того, чтобы повысить температуру 1 литра воды на 1 °C (как видите, везде метрическая система). Таким образом, количество килокалорий, указанное на этикетках, – это мера химической энергии, запасенной в упаковке, и как только вы переварите всю еду, заключенную в эту упаковку, энергия высвободится в форме тепла, пойдет на формирование жировых клеток и так далее.

Скорость, с которой используется энергия, называется мощностью, и привычная нам единица измерения мощности также метрическая – это ватт. 1 ватт призван обозначить энергию в 1 джоуль, использованную за 1 секунду, где джоуль (выводимый из формулы кинетической энергии, равной произведению массы на квадрат скорости) равен 1 кг м²/с²; примерно столько энергии тратит килограммовая курица на спокойное перемещение. В одной килокалории 4184 Дж (этот странный коэффициент появился в результате того, что калориям давали самые разные определения – сложно усмотреть очевидную равноценность, сравнивая нагрев воды и куриную прогулку).

Большая часть килокалорий, потребляемых вами, идет на то, чтобы повысить вашу температуру, подняв ее с той, которая характерна для окружающего пространства (примерно 20 °C), до той, при которой ваше тело работает наилучшим образом (37 °C). Поскольку ваше тело по большей части состоит из воды, то легко рассчитать, что при массе, скажем, в 65 кг для достижения этой цели – иными словами, для увеличения температуры на 37° – 20° = 17 °C – потребуется 1100 ккал. И вдруг оказывается, что в пинте мороженого «Бен и Джерри» как раз 1100 ккал (это указано прямо на этикетке). Так что же, выходит, вам нужно просто съесть пинту «Бен и Джерри», и все будет хорошо?

Это было бы правдой, если бы вы не теряли энергию на обмен с окружающей средой, а также если бы она не требовалась вашему сердцу, чтобы прокачивать кровь по телу, и если бы ваши нейроны не пребывали в крайнем возбуждении по мере того, как вы читаете эти строки. На самом деле для того, чтобы сохранять температуру вашего тела в ее оптимальном рабочем диапазоне при условии постоянного излучения энергии, и для того, чтобы поддерживать все остальные функции вашего тела, вы используете энергию примерно с той же скоростью, с какой ее использует 100-ваттная электрическая лампочка: 100 джоулей в секунду. Это означает, что ваша общая потребность в энергии за день составляет 100 Дж/с × 60 сек/мин × × 60 мин/ч × 24 часа/день = 8 640 000 Дж. Если мы переведем это в килокалории, то получим 8 640 000 Дж × 1 ккал/4184 Дж = = 2065 ккал в день, – примерно столько вы и получаете при стандартной диете.

Энергия, которая поддерживает в вас жизнь, прошла долгий и богатый событиями путь. Изначально, сотни тысяч лет назад, она была испущена в ходе ядерной реакции, происходившей в недрах Солнца, тысячи лет блуждала в его глубинах, потом вырвалась на свободу с его поверхности, в виде света помчалась к Земле, достигла ее меньше чем за восемь минут, потом ее впитал лист растения, чтобы запустить фотосинтез и сформировать химические связи, потом этот лист склевала курица и энергия, заключенная в нем, преобразилась в мясистое крылышко, а это крылышко, в свою очередь, съели вы, и у вас в животе химические связи вновь перестроились, породив согревшее вас тепло – иными словами, формы энергии, от ядерной и электромагнитной до химической и кинетической, выглядят совершенно по-разному, но ее величина остается неизменной.

Энергия связи электрона

Теперь, когда мы уплели пинту «Бена и Джерри» и поняли, что такое энергия, мы можем вернуться к электронам, движущимся в атомах по четко заданным образцам, и посмотреть, как они взаимодействуют со светом, с соударяющимися частицами и с соседними атомами, с которыми они, с той или иной степенью вероятности, могли бы объединиться и образовать молекулы.

Каждая из электронных оболочек и подоболочек, о которых мы говорили выше, соотносится с определенным количеством «энергии связи». Поскольку сила электрического притяжения ослабевает с увеличением расстояния, электроны, расположенные ближе всего к ядру, связаны наиболее прочно. Мы исчисляем эти взаимодействия, определяя энергию связи как равную той энергии, которая потребовалась бы, чтобы полностью освободить электрон из атома; такой процесс называется «ионизацией», а атом, который в результате получает заряд, – «ионом». Поскольку есть все логические основания назвать электрон с нулевой энергией связи свободным (он ведь не давал клятву верности своему бывшему спутнику-ядру), мы характеризуем энергии связи как отрицательные; иными словами, нам, чтобы получить ноль, нужно прибавить энергию к отрицательной величине.

Схема энергетических уровней Водорода показана на рисунке 4.5. Электрон в 1s-состоянии обладает энергией связи –13,6 эВ (см. рамку 4.1), где эВ обозначает «электронвольт»; 1 эВ – это крошечное количество энергии, подходящее для разговора об отдельных атомах и их составляющих, и он равен 1,6 × 10^–19 Дж. Если бы я сообщил этому электрону Водорода +13,6 эВ, он стал бы свободным (ионизированным). Если бы я сообщил ему +14 эВ, то он бы сперва использовал первые +13,6 эВ, чтобы освободиться, а потом ускользнул бы с кинетической энергией 0,4 эВ. Если бы я сообщил ему 25 эВ, он бы умчался прочь со скоростью 2000 км/с и через секунду прибыл бы из Нью-Йорка в Миннеаполис.

Энергию к беспокойному электрону можно передать двумя способами. Если достаточно близко промчится фотон с энергией, равной 14 эВ, электрон может захватить его, уничтожить и преобразовать его электромагнитную энергию в кинетическую, необходимую для высвобождения. Есть и альтернатива: с атомом может столкнуться другой атом, молекула или субатомная частица, скажем, еще один электрон; опять же, если его кинетическая энергия больше чем 13,6 эВ, электрон может высвободиться.

Любой фотон или соударяющаяся частица, энергия которой не доходит до 13,6 эВ, вероятнее всего, просто пройдет мимо атома или отскочит, ничего не изменив. Впрочем, пусть даже у атома Водорода всего один электрон на 1s-подуровне, более высокоуровневые оболочки все же существуют, и если освещающий фотон или соударяющаяся частица будут обладать как раз подходящим количеством энергии, электрон может перейти в «возбуждение» и перескочить из основного состояния на один из более высоких уровней. Например, если рядом промчится фотон, имеющий точно 10,2 эВ, он, скорее всего, будет захвачен и уничтожен, поскольку именно такое количество энергии требуется электрону, чтобы перескочить на 2s-подуровень, оставив 1s-подуровень временно пустым. В случае, если с электроном соударяется частица, ее кинетическая энергия просто должна быть больше чем 10,2 эВ, поскольку электрон может вобрать необходимое ему количество, а вторгшаяся частица – отскочить и унести остаток энергии с собой. Отлетающая частица уже будет двигаться медленнее, поскольку отдала часть своей энергии электрону, поэтому такое столкновение мы называем неупругим (поступившая энергия не равна выделенной, потому что ее отчасти поглотил электрон, см. рис. 3.4).

Рис. 4.5. Схема энергетических уровней для атома Водорода, показывающая энергии связи на различныхn-уровнях (подуровни не указаны в целях простоты). Электрон может поглотить энергию соударяющейся частицы или пакета световых волн, если кто-либо из них обладает достаточным количеством энергии, чтобы помочь электрону подняться на один из допустимых верхних уровней. Когда электрон вновь опускается вниз, он либо рождает свет, либо сообщает соударяющейся частице дополнительную энергию в количестве, соответствующем разнице в энергии между уровнями. Уровень, помеченный как 0 эВ, соответствует электрону, утратившему все связи с ядром; этот процесс мы называем ионизацией

Теперь электрон на 2s-подуровне Водорода находится в «возбужденном» состоянии. Электрон – частица в какой-то мере простая, и это состояние у него длится недолго. Если оставить его в покое, то в среднем через 0,125 секунды он снова перескакивает обратно в основное состояние, на 1s-подуровень. Этот соскок производит энергию, и появляется возможность унести ее в форме фотона с энергией 10,2 эВ – возбужденный атом может создать свет. Кроме того, это свет с очень специфической энергией, уникальной для разделения энергетических уровней в атоме каждого вида, и это позволяет нам распознавать атомы Водорода, Гелия и Углерода по всей Вселенной.

Альтернативный путь для снятия возбуждения – столкновение. В плотной среде атом может сотни раз в секунду подвергаться ударам со стороны своих соседей, а любой случайный удар способен вбить электрон обратно в основное состояние. В этом случае по-прежнему следует учитывать те самые 10,2 эВ энергии: она переходит в нанесшую удар частицу, благодаря чему происходит сверхупругое столкновение, в котором отлетающая частица обретает энергию, забрав ее у электрона.

У атома Водорода много уровней (в принципе, их количество бесконечно), и каждый отделен от других точно определенным количеством энергии. Переходы вверх и вниз между каждой парой уровней возможны (хотя некоторые более вероятны, нежели другие, и продолжительность существования на каждом возбужденном уровне чрезвычайно различается), поэтому энергий, при обладании которыми фотоны и соударяющиеся частицы могут создать условия, вызывающие перескок электрона, очень много, и они весьма разнообразны.

В более сложных атомах с большим количеством электронов допускается еще больше переходов. Внутренние уровни атомов с высоким атомным номером, таких как Уран, имеют очень прочные связи, поскольку каждый из десятков протонов в ядре привлекает ближайшие электроны, вследствие чего энергии связи превышают значения в тысячи электронвольт. Самые внешние электроны у большинства атомов удерживаются, в некоторой степени, столь же прочно, как электрон в атоме Водорода, поскольку для электрона, расположенного дальше всего от центра, любой атом в каком-то смысле подобен Водороду – каждый из электронов, находящихся ближе к ядру, нейтрализует один положительный заряд, так что одинокий внешний электрон эффективно воздействует лишь на один такой заряд. Например, в атоме Урана самые близкие к ядру электроны обладают энергией связи 115 000 эВ, а у самого дальнего от ядра (расположенного на 6d-уровне) энергия связи составляет 16,8 эВ – она лишь на 24 % больше, чем у единственного электрона в атоме Водорода.

Энергия связи ядра

В главе 3 мы говорили о том, как в атомном ядре, где проявляются все четыре фундаментальные силы, притяжение, рожденное сильным ядерным взаимодействием, преодолевает электростатическое отталкивание положительно заряженных протонов, втиснутых в тесное пространство, создавая тем самым сердце атома. Стабильность атомного ядра можно определить, если измерить интенсивность этой притягивающей силы, обусловленной сильным взаимодействием, вычесть отталкивающую электрическую силу и найти чистую энергию, с которой частицы притягиваются друг к другу, – энергию связи ядра. Она представляет собой то количество энергии, которое потребовалось бы вам, чтобы разорвать все протоны и нейтроны и пустить их по ветру. Точно так же, если учесть, что энергия преобразуется из одной формы в другую, энергия связи ядра показывает то количество энергии, которое выделяется, когда частицы объединяются, чтобы сформировать ядро. Это аналогично энергии связи электронов, описанной выше, но из-за интенсивности сильного ядерного взаимодействия, а также из-за того, что ядро занимает намного меньшее пространство, энергии связи ядра намного больше – вместо диапазона от 1 до 100 000 эВ, которые мы наблюдали у электронов, энергия связи ядра колеблется от 1 млн до 9 млн эВ для каждой ядерной частицы. Общая энергия связи ядра Углерода, имеющего шесть протонов и шесть нейтронов, составляет 92,1 миллиона электронвольт (МэВ), в то время как шесть его электронов обладают общей энергией связи в 632 эВ – разница в энергии между гуляющей по двору курицей, которую я чуть раньше привел в пример, и мотоциклом «Харлей-Дэвидсон», мчащимся со скоростью 120 км/ч.

Более того, электронвольт – невеликая единица измерения энергии, так что в масштабах, к которым привыкли люди, даже 92 миллиона – это немного. Но атомы тоже невелики, и если добавить энергию связи ядра в атомы Углерода в чешуйке графита, она будет соответствовать энергии пассажирского поезда с шестью вагонами, который весит 680 тонн и несется вперед со скоростью в 130 км/ч! Именно поэтому ядерные превращения – независимо от того, происходят ли они на атомной электростанции или в бомбе, – настолько мощнее химических реакций, в которых взаимодействие каждого атома с его ближайшим окружением производит примерно в 10 000 000 раз меньше энергии.

Энергию связи любого ядра можно рассчитать, просто взвесив его (или, выражаясь более точно, измерив его массу). Можно было бы подумать, что такое измерение даже не понадобится, поскольку нам известно число протонов и нейтронов в каждом ядре, поэтому мы могли бы просто сложить сумму масс составляющих частиц и вычислить итоговую. Но, как показал нам Альберт Эйнштейн, масса – это просто иная форма энергии, и вся эта энергия, связывающая ядро воедино, должна откуда-то поступать. На самом деле это «откуда-то» и есть масса:E= Δmc², где E –это энергия связи ядра, Δm –разница между суммой масс составляющих частиц и массой самого ядра, а c – скорость света.

Мы произвольно выбрали атом Углерода, чтобы определить единицу атомной массы (разумно названную «атомной единицей массы» и получившую аббревиатуру а. е. м.). Выстроив шкалу таким образом, чтобы атом Углерода обладал массой в 12 а. е. м., мы можем провести расчеты, подобные тем, что приведены в рамке 4.3, и найти энергию связи ядра Углерода. Определив сумму составляющих атома, мы увидим, что общая масса превышает 12 а. е. м. на 0,8 %. Впрочем, когда мы соединяем все составляющие, эта избыточная масса выделяется в форме энергии – мы подробнее обсудим это в главе 16. Именно поэтому сияют звезды. Обратив массу в энергию при помощи уравнения Эйнштейна, мы получим 92,1 миллиона электронвольт энергии связи для атома Углерода – сверхскоростной пассажирский экспресс в чешуйке графита.

На шкале, где масса Углерода составляет 12 а. е. м., отдельный протон имеет массу 1,00728 а. е. м., а нейтрон – массу 1,00867 а. е. м. Так, шесть протонов обладают массой

6 × 1,00728 а. е. м. = 6,04368 а. е. м. приходится на протоны,

и шесть нейтронов лишь немногим тяжелее

6 × 1,00867 а. е. м. = 6,05202 а. е. м. приходится на нейтроны.

Но нам нельзя забывать об электронах. Их масса очень мала, но она не нулевая и составляет 9,1 × 10^–31 кг для каждого электрона, так что шесть электронов добавляют

6 × 0,000548 а. е. м. = 0,00329 а. е. м.,

и тем самым общая масса частиц, составляющих атом, равна 12,0989 а. е. м.

Если мы вычтем из этого числа 12,000 и произведем преобразование в единицы энергии, то получим

0,0989 а. е. м. × 1,66054 × × 10^–27 кг/а. е. м. × (2,99792 × 10⁸ м/с)² = 1,476 × × 10^–11 Дж/1,6022 × 10^–13 Дж/МэВ = 92,1 Мэ В.

Энергия химической связи

Заключительная тема, требующая нашего внимания в этой главе, касается понимания процесса, благодаря которому формируются молекулы. Путем исключения можно со всей очевидностью установить, что атомы связываются в молекулы благодаря электромагнитной силе – гравитация чрезвычайно слаба, чтобы играть важную роль на атомном масштабе, а два других взаимодействия, сильное ядерное и слабое ядерное, не проявляются за пределами ядра. И все же как взаимодействующие электроны – все отрицательно заряженные и тем самым взаимно отталкивающие друг друга – образуют прочные связи между атомами?

Разгадка кроется в эффективном распределении электронных волн вокруг ядра, а также в стремлении атомов к симметрии, которая рождается благодаря заполненным электронным оболочкам. Хороший пример – атомы Водорода и Кислорода в воде. Каждый атом Водорода, имеющий лишь один электрон, был бы гораздо счастливее, если бы его 1s-подуровень был бы либо заполнен (с двумя электронами), либо пуст (без электронов). Атом Кислорода имеет конфигурацию 1s²2s²2p⁴ и хотел бы заполнить два своих оставшихся свободных места на 2p-подуровне. Так совершаются браки на атомных небесах. Каждый из атомов Водорода может поделиться своим электроном с атомом Кислорода, так что его 2p-подуровень оказывается более заполненным. Тем временем, когда электроны в большей степени сосредотачиваются вокруг атома Кислорода, он приобретает, в среднем, слегка отрицательный заряд, тогда как оба атома Водорода становятся слегка положительно заряженными. А положительные и отрицательные заряды притягиваются (см. рис. 3.5).

Это асимметричное распределение заряда в молекуле воды, называемое полярностью, оказывается причиной многих важных свойств воды. Во-первых, благодаря ему ее молекулы притягиваются друг к другу (положительный конец – к отрицательному; отрицательный, в свою очередь, – к положительному…), и возникает то, что мы называем поверхностным натяжением. Его примером может стать пленка на лужице, достаточно прочная для того, чтобы некоторые насекомые могли в прямом смысле слова ходить по воде. Так объясняется и способность воды растворять практически все: электрические силы разрывают слабые связи, посредством которых молекулы других веществ скрепляются друг с другом. Благодаря этой характерной черте вода становится столь важной для жизни – она растворяет химические элементы любого рода и переносит их, протекая через стебель растения или кровеносный сосуд. Кроме того, полярность проясняет и еще одно необычное свойство, которым обладает вода, – в твердой фазе она менее плотная, чем в жидкой (то есть лед плавает на поверхности воды).

Для создания воды нужно в прямом смысле слова «сжечь» газообразный Водород, H₂ (он сочетается с газообразным Кислородом, O₂) в ходе реакции, представленной в следующем виде:

2H₂ + O₂→ 2H₂O + 19,2 эВ

Иными словами, каждые две молекулы H₂ (четыре атома Водорода в целом) связываются с одной молекулой O₂ (двумя атомами Кислорода), чтобы создать две молекулы воды (два соединения H₂O), и в процессе выделяют 19,2 эВ энергии. В среднем это означает, что каждая связь O – H в молекуле воды обладает энергией связи, равной 19,2 эВ/4 = 4,8 эВ. Это типично для энергий связи в сравнительно простых молекулах, которые, как правило, охватывают диапазон от 1 до 10 эВ. Одну из самых прочных простых связей мы обнаружим в молекулах Азота, составляющих большую часть нашей атмосферы – на то, чтобы разорвать связь N₂, нужно затратить 9,8 эВ. И это проблема, поскольку Азот неимоверно важен для жизни растений. Растения не могут расщепить Азот, содержащийся в воздухе, и доверяют эту задачу бактериям, которые живут на их корнях, а бактерии используют Кислород как источник энергии и разрывают с его помощью связь N₂, благодаря чему атомы Азота становятся пригодными для растений (см. гл. 10).

Как мы отмечали чуть раньше в этой главе, асимметричное распределение заряда в молекуле позволяет молекулам притягиваться друг к другу. У воды это притяжение сравнительно сильное и составляет 0,42 эВ на молекулу в жидком состоянии – иными словами, именно столько энергии нужно добавить, чтобы разорвать связи между молекулами воды при переходе из жидкого состояния в газ (можно выразиться иначе: чтобы вскипятить воду и получить пар). Для перехода воды из твердой фазы в жидкую (таяние льда) нужно частично разорвать связи и позволить молекулам проскальзывать друг над другом. На это уходит в семь раз меньше энергии (0,06 эВ на молекулу).

Итак, мы завершили цикл, пройдя от начала главы 3 к концу главы 4. Мы начали с того, что разделили всю материю на три группы в зависимости от ее состояния и увидели, что эти состояния, или фазы, определяются лишь прочностью связей между элементарными частицами. Теперь мы понимаем, что на превращение твердого тела в жидкость, а жидкости – в газ требуется примерно 0,05 эВ и 0,5 эВ, а для разложения частиц на соответствующие атомы – примерно 5 эВ на связь. Расщепление атомов на электроны и ядро требует от 15 до 150 000 эВ, разрушение ядра на протоны и нейтроны – 5–10 миллионов эВ, а распад протонов на кварки происходит при затрачивании 50 миллионов эВ. Шкала энергий охватывает значения, доходящие до 1 миллиарда, но принципы остаются неизменными: от кварков и лептонов до кубиков льда иерархия вещества, которой управляют четыре фундаментальных взаимодействия, связывает элементарные частицы в девяносто четыре базовых «кирпичика», придающие облик нашему миру. И хотя нам все-таки удалось разделить эти «неделимые» атомы, они стали нашими добрыми знакомыми, и мы хорошо изучили их внутренний мир и внешние связи. Теперь осталось лишь кратко поговорить о степени их родства и о времени жизни в главах 5 и 6, и мы будем готовы вместе с ними отправиться в путешествие по давно минувшим временам.

Глава 5
Изотопы: разновидности элементов

Теперь, когда мы обрисовали уникальный статус девяноста четырех типов атомов, из которых состоят миллионы веществ, определяющих, как выглядит наш мир, пришло время немного все усложнить: не все атомы Углерода одинаково похожи, и то же самое можно сказать об атомах Водорода, Кислорода или, скажем, Урана. Каждый из девяноста четырех элементов существует в двух или нескольких разновидностях, которые мы назвали «изотопами».

«Изос» в переводе с греческого означает «одинаковый», а «топос» – место¹. Все атомы Углерода находятся на «одинаковом месте» в Периодической таблице, и, как вы помните, это означает, что у них полностью совпадают атомные номера и распределение электронов, так что они ведут себя совершенно одинаково во всех химических реакциях. Как нам уже известно, если число электронов у них одинаково, тогда одинаковым должно быть и число их протонов – только при выполнении этого условия они окажутся электрически нейтральными. Действительно, все именно так: атомный номер каждого атома Углерода – шесть, что указывает на шесть его протонов и шесть электронов.

Таким образом, единственный оставшийся показатель, благодаря которому мы можем отличить разновидности Углерода, – это число нейтронов, присутствующих в каждом ядре, поскольку эти частицы нейтральны и никак не влияют на электрически заряженные компоненты. И именно в числе нейтронов, присутствующих в каждом атомном ядре, мы увидим различия. Если бы вы взяли обрезок ногтя и разобрали его атом за атомом, вы бы обнаружили, что примерно 45 % в нем составляли атомы Углерода. Но если бы вы очень аккуратно отсортировали атомы по массе в крошечные ведерки, для Углерода вам понадобилось бы три. Около 98,93 % атомов Углерода оказались бы в ведерке с атомной массой в 12 а. е. м. Большая часть из оставшихся 1,07 % обладала бы массой 13 а. е. м., а примерно один атом из триллиона весил бы 14 а. е. м. Можно было бы подумать, что нечто, существующее в виде одной части из триллиона, вряд ли вообще покажется на свет, но важно помнить, что атомыкрохотны; с одного обрезка вашего ногтя в ведерко под номером 14 соберется более миллиарда атомов.

Таким образом, изотопы Углерода различаются по числу нейтронов, содержащихся в их ядре, а внешне отличия проявляются в массе атома (изначально названной «атомным весом»). Мы указываем на них, помечая символ атома массовым числом (число протонов плюс число нейтронов), которое выглядит как предшествующий надстрочный индекс: для трех самых распространенных изотопов Углерода мы получим¹²C, ¹³C, ¹⁴C (иногда их также записывают как C‐12, C‐13, C‐14).

В общей сложности есть еще двенадцать изотопов Углерода, и они варьируются от⁸C (всего с двумя нейтронами) до ²²C (который может похвастаться колоссальным числом нейтронов – их шестнадцать), но ни один из этих изотопов – ни сотворенный в лаборатории, ни возникший в природе – не отличается долгой жизнью; время жизни ¹¹С в среднем составляет примерно 20 минут, а все остальные существуют не более 20 секунд (некоторые – намного меньше, как, например, ⁸С со временем жизни 0,000000000000000000002, или 2 × 10^–21 с). ¹⁴С также склонен к распаду, но он разрушается достаточно неспешно, и этот срок измеряется тысячелетиями. Склонность некоторых ядер спонтанно преображаться в другой изотоп – основа радиоактивности, предмет следующей главы и ключ к датированию давно минувших событий.

Поэтому мы говорим, что Углерод обладает двумястабильными изотопами (¹²C и ¹³C) и тринадцатью нестабильными, или радиоактивными. Это не значит, что стабильные изотопы совершенно неспособны на изменения. Если мы достаточно сильно ударим по их ядру – либо другими частицами, либо протонами с чрезвычайно высокой энергией, – мы можем возбудить их и даже преобразовать в другие ядра. Но если оставить их в покое, они будут существовать сами по себе и останутся неизменными на протяжении срока, который по меньшей мере в миллиард раз превышает возраст Вселенной, – они очень стабильны².

Открытие изотопов

Точно так же, как химики в первые десятилетия XIX века ввели концепцию атомов, обладающих различной массой и характерными свойствами, физики в первые два десятилетия XX века открыли, что элементарный атом может существовать в разных состояниях массы. К 1920 году два независимых потока мысли сошлись, и было установлено существование изотопов.

Первое направление исследований затрагивало радиоактивные³ элементы, расположенные в конце Периодической таблицы, – Торий и Уран. Уран добывают из минерала под названием настуран – вещества, используемого как краситель в стеклоделии еще со времен Римской империи. В форме элемента Уран в 1789 году выделил немецкий аптекарь Мартин Клапрот, назвав его в честь Урана – первой планеты, которую в том же десятилетии, только чуть раньше, впервые наблюдал в телескоп Уильям Гершель. А в 1828 году шведский химик Йёнс Берцелиус выделил Торий – новый элемент, один из восьми⁴, которые он открыл в своей лаборатории за три десятилетия XIX века.

В 1896 году Антуан Анри Беккерель по счастливой случайности обнаружил радиоактивность Урана (см. гл. 6), а вслед за этим, в 1898 году, в компании радиоактивных элементов наравне с ним оказался и Торий (его радиоактивность установили Герхард Шмидт и, независимо от него, Мария Кюри). С этого началось еще более активное изучение обоих элементов. Вскоре стало очевидно, что в руде наравне с ними присутствовали и другие радиоактивные элементы, предварительно получившие названия мезоторий (из ториевых руд) и ионий (из ураниевых руд). Однако попытки выделить два новых элемента при помощи химических средств обернулись неожиданностью: ионий не отличался от самого Тория, а мезоторий в химическом отношении казался идентичным Радию, расположенному на две ступени ниже в Периодической таблице. Английский химик Фредерик Содди подвел итог сложившейся ситуации в 1910 году: «…элементы, имеющие различные атомные веса, могут обладать одинаковыми [химическими] свойствами»⁵. Иными словами, атомы с идентичными электронными конфигурациями (определяющими их химические свойства) и тем самым располагающие одинаковым числом протонов (что определяет их место в Периодической таблице) могут иметь разные массы («атомные веса»).

С учетом того, что относительный атомный вес играл ключевую роль в определении долей каждого типа атома в сложных веществах – и поэтому был важен для распознавания самих элементов, – этот вывод в какой-то степени приводил в замешательство. Последнее слово в этом споре прозвучало с появлением новой технологии – масс-спектрометра. 1 декабря 1919 года Фрэнсис Астон, физик, работавший в Кавендишской лаборатории в Кембридже, опубликовал статью с описанием своего «спектрографа положительных лучей»⁶. В этом устройстве использовалось сочетание электрических и магнитных сил, призванное на основании удельного заряда отклонить «положительные лучи», испущенные различными веществами (теперь мы называем эти «лучи» ионами), на отдельные приемники. Работая с Неоном, Астон показал, что поток, в котором все ионы обладали одинаковым зарядом, разделялся надвое, и массы атомов в двух потоках составляли 20 и 22. В последующие годы при помощи своего устройства он исследовал десятки различных элементов и определил 212 особых изотопов, способных существовать в природных условиях.

В ходе своих экспериментов Астон выяснил, что в том случае, когда изотопы одного и того же элемента были отделены друг от друга, каждый из них обладал атомным весом, очень близким к целому числу на шкале, рассмотренной нами в прошлой главе, где Углерод имел точно 12 единиц, а Водород – 1. Так, например, встречающийся в природе Хлор, атомная масса которого давно была измерена и составляла 35,45 массы Водорода, на самом деле представлял собой смесь двух разных изотопов элемента: 75,77 % Cl‐35 и 24,23 % Cl‐37⁷. Когда в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, значение «правила целых чисел» Астона стало очевидным: атомный вес (или, если говорить в привычных нам сегодня терминах, атомная масса) – это просто сумма протонов и нейтронов, которые содержатся в ядре. Различные изотопы можно отличить по числу нейтронов, которые присутствуют в ядре наравне с четко установленным числом протонов (атомный номер), определяющим место каждого элемента в Периодической таблице (рис. 4.1).

Инвентарь изотопии

Каждый элемент от номера 1 (Водород) до номера 82 (Свинец) – за исключением двух случаев – имеет по меньшей мере один стабильный изотоп. У двадцати шести элементов есть только один (к таким, например, относятся Бериллий (4-й элемент); Фтор (9-й элемент); Натрий (11-й элемент); Алюминий (13-й элемент) и так далее⁸); рекордсмен – Олово (50-й элемент), у которого десять стабильных изотопов. Эти восемьдесят элементов в общей сложности содержат 254 изотопа, никогда не проявлявшие какой бы то ни было нестабильности.

Впрочем, среди восьмидесяти двух первых элементов выделяются два, которые не обладают стабильной формой: это Технеций (номер 43) и Прометий (номер 61). Два наиболее долгоживущих изотопа Технеция – это⁹⁷Te и ⁹⁸Te, оба они в среднем способны существовать примерно 4,2 миллиона лет, однако самый распространенный изотоп (обнаруживаемый, наряду с Ураном, в настуране⁹) – это ⁹⁹Te, присутствующий в мельчайшей концентрации примерно в 1 часть на 4 триллиона, и при этом срок его жизни – лишь 211 000 лет. Это означает, что со времен возникновения Земли – а это случилось 4,57 миллиарда лет тому назад, – Технеция просто не могло остаться, и эти изотопы, по всей вероятности, возникли в ходе естественных процессов, о которых мы поговорим в главе 6. Прометий, подобным образом, в крошечных количествах встречается в урансодержащих материалах; наиболее стабильный его изотоп – ¹⁴⁵Pm, среднее время жизни которого составляет лишь 17,7 года.

После Свинца (номер 82) ни один из встречающихся в природе элементов (номера 83–94) не имеет даже одного стабильного изотопа, хотя некоторые из них отличаются завидной долговечностью и многое повидали еще с возникновения Солнечной системы. Рекордсменом в данном случае станет Висмут‐209 (83-й элемент) с установленным сроком существования в 1,9 × 10¹⁹ лет, что более чем в миллиард раз превышает возраст Вселенной – он еще долго нас не покинет. Двое других изотопов-долгожителей из этой части Периодической таблицы – это Торий‐232 со временем жизни в 14 миллиардов лет (в пределах нескольких процентных пунктов от возраста Вселенной) и Уран‐238, срок жизни – 4,47 миллиарда лет, почти ровесник Земли. Как мы увидим в главе 6, «время жизни» в данном случае – это не конкретное число. Точно так же, как у людей средняя продолжительность жизни не означает, что каждый умирает в 78,6 года – много кто перешагнул этот рубеж, – поэтому вполне можно предположить, что какие-то из этих трех элементов присутствовали на Земле с самых первых дней ее формирования. Если учесть радиоактивные изотопы, которые обладают как стабильной, так и нестабильной формой, то в общем итоге у нас тридцать четыре различных изотопа, нестабильные, но способные прожить более ста миллионов лет. Эти неустойчивые, но долговечные изотопы удачно названы «первичными», поскольку они присутствовали в облаке, благодаря сгущению которого возникла Солнечная система.

Для других девяти самых тяжелых элементов характерен намного меньший срок существования – от 80,8 миллиона лет у Плутония‐244 (номер 94) до всего лишь 22 минут у Франция‐223 (номер 87). Даже десятки дополнительных нейтронов, которые пытаются удержать их ядра от распада, не могут преодолеть огромное электростатическое отталкивание протонов, стиснутых в крошечном пространстве. Эти (и прочие) изотопы, встречающиеся в природе, возникли не из материи, сформировавшей Землю, а постоянно образуются благодаря разрушению долгоживущих радиоактивных изотопов других элементов. Опять же, если учесть все виды элементов, порожденных непрестанно протекающим ядерным распадом, то на Земле таких изотопов пятьдесят три.

Таким образом, общее число изотопов, которые мы можем обнаружить в естественных условиях среди девяноста четырех элементов, составляет 339. Выражение «в естественных условиях» слегка обманчиво, поскольку оно относится к очень ограниченной сфере природы, представленной нашей Землей. В ядерных реакторах, полыхающих в недрах массивных звезд, в яростных взрывах, которыми оканчивается их жизнь, и в других колоссальных энергетических событиях, происходящих в космосе, например таких, как слияние двух нейтронных звезд, несомненно, возникает еще больше разновидностей изотопов (см. гл. 16). Однако все эти разновидности отличаются кратким временем жизни в сравнении с возрастом Земли, и в минералах, скрытых в земной коре, ни одна из них не присутствует.

Искусственные изотопы

Конечно же, многие из веществ современного мира не встречаются в естественных условиях – мы сами сочетаем элементы, формируем новые молекулы и создаем все эти вещества, от полиэтилена для пакетов, в которых носим бакалейные товары, до хлорфторуглеродов, на которых работают наши кондиционеры, и стрептомицина, призванного уничтожать бактерии. Все эти продукты проходят чередухимических взаимодействий, представляющих собой перераспределение и соединение атомов в особых пропорциях посредством взаимного воздействия электронов друг на друга. Энергии, возникающие при данных реакциях, измеряются в электронвольтах (эВ) на молекулу (гл. 4). А если повысить энергию в десять миллионов раз или около того, возможно ли преобразить элементы, превратив один в другой, или даже создать совершенно новые изотопы?

Трансмутация элементарных форм была одним из высших стремленийалхимии,которую практиковали в Китае, Индии, Европе и арабском мире в донаучную эпоху. Само слово пришло к нам из средневекового арабского al-khīmiyā,где «аль» – это артикль, а последнее слово происходит от древнегреческого khemia, в буквальном смысле – «искусство превращения металлов». Первые письменные свидетельства об этой практике, в чем есть определенная ирония, приписываются автору, творившему под псевдонимом Демокрит (историкам он известен как Псевдо-Демокрит) из эллинистического Египта в I веке нашей эры. Цели алхимии выходили далеко за пределы набившего оскомину клише о превращении Свинца в Золото – алхимики искали и эликсир бессмертия, и лекарство от всех болезней (его называли «панацеей», от греческих слов pan [ «все»] и akos[ «лекарство»]). Конечно же, они не преуспели – ведь у них отсутствовала технология, позволяющая увеличить энергию в миллионы раз.

Однако в начале 1934 года, менее чем за два года до того, как был открыт нейтрон и мы наконец-то составили картину атомного ядра, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии Кюри) создали первые «искусственные» изотопы, устроив бомбардировку стабильных изотопов быстрыми ядрами Гелия – так появились неизвестные прежде изотопы Азота, Фосфора и Кремния. Это воплощение мечтаний древних алхимиков было признано уже в следующем году, когда ученые удостоились Нобелевской премии по химии. За последние девяносто лет были созданы не только новые изотопы, но и двадцать четыре совершенно новых элемента, поэтому помимо девяноста четырех атомов, встречающихся в природе, современная Периодическая таблица включает еще и элементы, созданные в искусственных условиях и занимающие ячейки с 95 по 118. Общее число изотопов уже перешло за 3330, время жизни 620 из них превышает час, и некоторые из них играют важную роль в медицине, производстве энергии и других технических областях.

Интересные изотопы

Неудивительно, что физикам-ядерщикам интересны все изотопы. Но есть среди них и такие, интерес к которым более широк, поскольку их можно применить в технологии – а также, как мы еще увидим в последующих главах, при воссоздании истории. В основе всей живой материи лежит Углерод, и три его изотопа, встречающиеся в естественных условиях, приносят огромную пользу во множестве областей – с их помощью можно выявить подделки при продаже старого вина, определить возраст старинных построек или произведений искусства, выяснить диету, которой следовали люди в давние времена, и записать историю климата в доисторическую эпоху. Тяжелые стабильные изотопы Водорода (²H) и Кислорода (¹⁸O) также играют важную роль в установлении температуры и скорости выпадения осадков в далеком прошлом. Кроме того, ¹⁸O – это ключевой предшественник Фтора‐18, при помощи которого делаются снимки позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).

Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для диагностики, так и для лечения. Помимо¹⁸F, в визуализирующих исследованиях играли свою роль Азот‐13, Кобальт‐60, Галлий‐67, Технеций‐99, Палладий‐103, Рутений‐106, Индий‐111, Йод‐123, Йод‐125 и Йод‐131, Цезий‐137, Иридий‐192 и Таллий‐201, вводимые в организм путем инъекции или глотания. Благородные газы Криптон‐81 и Ксенон‐133 используются для ингаляций, а Стронций‐89, Иттрий‐90, Йод‐131, Самарий‐153 и Лютеций‐177 – для борьбы с определенными раковыми опухолями и для паллиативного лечения боли в костях, сопровождающей разнообразные заболевания. Среднее время жизни ряда этих изотопов исчисляется минутами, поэтому их создают прямо на месте эксплуатации и используют немедленно, пока еще не успел произойти их распад на другие изотопы, непригодные для медицинских целей.

Топливом в ядерных реакторах служат Уран или Плутоний, хотя в настоящее время развивается новое поколение ториевых реакторов. Как правило, в природных условиях Уран, преобладающую форму которого представляет долгоживущий изотоп²³⁸U, необходимо «обогащать», чтобы повысить содержание не столь долговечного и более легкого ²³⁵U и вывести его на уровень от 3 до 5 % в зависимости от типа реактора¹⁰. Внутри реакторов часть ²³⁸U превращается в ²³⁹Pu, что также вносит свой вклад в производимое тепло. Кроме того, ²³⁸U становится источником энергии для отправки миссий в дальний космос, где солнечные панели уже непрактичны, поскольку аппараты улетают слишком далеко от Солнца. И хотя в применении Тория‐232 в качестве ядерного топлива есть несколько потенциальных преимуществ – помимо прочего, его намного больше на Земле, он дает меньше ядерных отходов и его побочные продукты сложнее использовать в военных целях, – ни одного коммерческого ториевого реактора еще не построено.

Изотопы затронули даже геополитику. В 1958 году Луиза Рейс и ее муж Эрик, встревоженные влиянием американских и советских ядерных испытаний, в те дни происходивших в атмосфере ежемесячно, помогли основать гражданский комитет Большого Сент-Луиса по ядерной информации – а потом, в сотрудничестве со стоматологическими школами, входившими в состав Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Сент-Луисского университета, провели исследование, собрав у юных жителей Сент-Луиса более 300 000 молочных зубов и замерив содержание в этих зубах радиоактивного изотопа Стронция‐90, который, как было известно, возникал в ходе ядерных испытаний. В Периодической таблице химических элементов Стронций располагается прямо под Кальцием и, таким образом, обладает похожим распределением внешних электронов, благодаря чему при проглатывании легко заменяет Кальций в костях и зубах.

Среднее время существования Стронция – 28,8 года, поэтому более ¾ этого изотопа, став частью зубов и костей, подвергнется радиоактивному распаду в течение жизни человека (и это будет сопровождаться довольно неприятным высвобождением жесткого излучения внутри тела). В 1963 году Г. Розенталь, Дж. Гилтер и Дж. Бёрд¹¹ смогли показать, что у детей, рожденных в 1957 году, уровень ⁹⁰Sr в зубах был в десять раз выше, чем у тех, кто родился в 1951-м; к 1963 году показатели различались уже в пятьдесят раз¹². Эти данные были опубликованы в то время, когда президент Джон Кеннеди вел с Советским Союзом переговоры о запрете испытаний ядерного оружия в атмосфере. И многие полагают, что именно благодаря результатам исследований соглашение было ратифицировано в сенате очень быстро – всего через семь недель после того, как его 5 августа 1963 года, за день до восемнадцатой годовщины атомной бомбардировки Хиросимы, подписали в Москве.

Глава 6
Радиоактивность: невозмутимые часы

В главе 5 я ввел понятие «радиоактивных» изотопов и говорил об их «среднем времени жизни». Поскольку эти понятия играют ключевую роль в нашем стремлении воссоздать историю при помощи атомов, важно уже сейчас подробнее обсудить этот момент и уточнить некоторые нюансы.

Открытие радиоактивности

«Радиоактивность» никак не связана с радиоволнами. Слово происходит от латинскогоradiatio («сияние», связано со словом «радиус», как спицы колеса, «сияющие» от ступицы) и actif (старофранцузское от латинского activus,«деятельный»). Его придумали в 1898 году Пьер и Мария Кюри, исследовавшие удивительное открытие, которое двумя годами ранее совершил Анри Беккерель. Напомним, он сумел обнаружить, что от Урана (а также от Полония и Тория, как впоследствии выяснили Пьер и Мария) исходили высокоэнергетические лучи… неведомой природы.

В 1892 году Беккерель, пойдя по стопам деда и отца, стал третьим представителем династии, возглавившим кафедру физики в Национальном музее естественной истории (на самом деле эту кафедру с 1838 по 1948 год непрерывно занимали четыре поколения Беккерелей). Прежде всего его интересовал феномен фосфоресценции, наблюдаемый в таких явлениях, как светящиеся в темноте фрисби и звездочки, наклеенные на потолки в детских спальнях. Фосфоресценция происходит в тот момент, когда подсвеченному объекту передается энергия, и он сияет (часто другим цветом) еще долго после того, как освещение прекратится. Если перевести это на «язык атомов», то мы поймем, что свет, направленный на объект, заставляет электроны перескакивать в возбужденное состояние, в котором они остаются на протяжении долгого времени, прежде чем соскочить на другой энергетический уровень (и тем самым испустить свет с другой длиной волны).

Вслед за поразительным открытием Вильгельма Рентгена, который в ноябре 1895 года обнаружил всепроникающие невидимые «X‐лучи», Беккерель предположил, что эти лучи, по всей видимости, связаны с фосфоресценцией и что вещества, с которыми он работал – например урановые соли, – могли бы испускать их под действием яркого солнечного света. В конце февраля 1896 года он подготовил эксперимент: обернул стеклянную фотопластинку несколькими слоями черной бумаги (призванной помешать прямому воздействию света), положил образец соли на верхушку мальтийского креста и на несколько часов оставил соль под ярким солнечным светом. Когда фотопластинку достали, то на ней, в полном соответствии с теорией фосфоресценции, предложенной Беккерелем, оказался образ креста: под действием солнечного света соли Урана начали испускать лучи, и те засветили пленку везде, кроме тех мест, где металлический крест преградил им путь.

Потом было несколько пасмурных дней, и гипотеза не подтвердилась, – но это привело к эпохальному открытию. Вот что говорил по этому поводу сам Беккерель:

«Из числа предшествующих экспериментов некоторые были подготовлены еще в среду, 26-го, и в четверг, 27 февраля, и поскольку солнце в те дни появлялось лишь время от времени, я держал аппаратуру наготове и вернул коробочки в темноту, в ящик письменного стола, оставив лепешку урановой соли на месте. Поскольку солнце так и не появилось ни в те дни, ни в последующие, я проявил фотопластинки 1 марта, ожидая, что изображения будут едва заметны. Но вместо этого их очертания предстали невероятно четкими»¹.

В направленном источнике света совершенно не было необходимости – урановые соли самопроизвольно испускали излучение высокой энергии, которое прошло сквозь слои черной бумаги, воздействовало на фотопластинки и отобразило силуэт креста, даже несмотря на то, что все это происходило в темном ящике письменного стола!

Вскоре после того, как об этом открытии стало известно, Пьер и Мария Кюри, а также Эрнест Резерфорд и многие другие обнаружили, что радиоактивные материалы порождали излучение трех различных типов, названных по трем первым буквам греческого алфавита: альфа, бета и гамма. К 1900 году их природа уже была установлена.

«Альфа-лучи», в сущности, представляли собой ядра Гелия (как нам уже известно, это два протона и два нейтрона, соединенные сильным ядерным взаимодействием). «Бета-лучами» оказались высокоскоростные электроны – отрицательно заряженные частицы, которые за три года до этого открыл Джозеф Томпсон, а «гамма-лучами», как удалось выяснить, – световые фотоны с очень высокой энергией (и короткой длиной волны). Поскольку все это происходило более чем за десять лет до того, как Резерфорд открыл атомное ядро, происхождение этих различных «лучей», как и источник их очень высоких энергий, оставались под завесой тайны. Сегодня мы понимаем радиоактивность как процесс, при котором неустойчивое ядро претерпевает три вида спонтанных превращений, направляющих его к большей стабильности.