Если обдумать то, что мы уже изучили в физике, то придется согласиться, что постижение нами вещей и явлений природы происходило, по сути, на созерцательном уровне, то есть так, как мы видим предметы и явления и воспринимаем их органами чувств. Конечно, при этом мы используем вспомогательные средства и измерительную аппаратуру. Ведь изучение, например, электрического тока только с помощью органов чувств было бы весьма опасным…
В учении о свете мы исследовали свойства света и узнали о нем много важного, интересного и полезного, не имея при этом почти никакого представления о сущности самого света. В конце упомянутого раздела был приведен лишь десяток строчек о том, что свет рассматривается и как поток частиц, и как волна. И лишь в начале ХХ века бурно развивавшаяся квантовая физика доказала, что свет представляет собой одновременно и то, и другое. Понять это уже довольно трудно.
Механику, учение о движении тел, тоже можно рассматривать более глубоко, чем это дается в наших учебниках, даже не имея представления о внутреннем строении вещества. Если вдуматься, то происхождение рассматриваемых в механике сил, весьма таинственно, но, несмотря на это, мы оперируем ими так, будто это что-то само собой разумеющееся. В некоторой степени сущность этих сил проясняет сила тяжести.
Но в механике происхождением этих сил и внутренним строением движущихся тел особенно не интересуются – эти проблемы к ней не относятся и не входят в ее компетенцию. Точно так же и учение о свете является, по сути, только геометрической оптикой, опирающейся на понятие светового луча. И внутренняя сущность света для учения о свете – проблема внешняя. Но мы хотим знать несколько больше этого.
Акустика, учение о звуке, основывается на понятиях колебания и волны. Эти явления свойственны определенной среде, в которой распространяются колебания или волны (чаще всего это воздух). При введении этих понятий используется в свою очередь неопределяемое точно понятие частицы. При этом наверняка и акустику можно развивать, не имея особых познаний о глубинной структуре вещества.
В учении об электричестве, в этом большом и значимом разделе физики, уже важнее знать, что природа электрических явлений определяется заряженными частицами, большей частью – движущимися электронами. Это обстоятельство неоднократно подчеркивается не только во введении к учению об электричестве, но и в тексте при объяснении электрических явлений.
Учение о теплоте (ему посвящены три первые главы данного учебника) – это тот раздел физики, в котором чаще всего используется гипотеза о том, что вещества состоят из частиц. Здесь представление о движущихся атомах и молекулах наглядно и просто объясняет видимые и ощущаемые явления.
Раздел о строении атома (см. последнюю главу данного учебника) позволит нам впервые столь глубоко заняться достижениями физики ХХ века, если не учитывать наследия конца XIX века – открытие электрона и радиоактивности. Хотя предыдущие разделы курса физики и излагались в модернизированном виде, применительно к современному миру, основные законы физики были открыты столетиями раньше. Познакомившись же со строением атома, мы практически с самого начала попадем в совершенно новый мир.
Уровень, на котором осуществляется глубинная связь предметов и явлений (мир молекул, атомов и еще более мелких их составляющих, или так называемый микромир), современному человеку трудно себе представить. Толщину лезвия безопасной бритвы надо еще шесть раз разделить на десять (0,1 мм =10–4 м), чтобы получить атомную меру длины, «атомный метр» 1 ангстрем (Å) = 10–10 м, а чтобы достичь размеров атомных ядер, придется эту величину разделить на десять еще пять раз – только тогда мы получим «ядерный метр» 1 фемтометр (фм) = 10–15 м. Совершенно очевидно, что этот мир существенно отличается от рассматриваемого ранее, и не удивительно, что в нем появляются новые понятия и действуют новые закономерности.
Мы сейчас находимся у своего «верстового столба» (100 м = 1 м) и пытаемся с помощью нашей системы измерений и представлений познать мироздание. Желаем, чтобы и у тебя не иссякали смекалка и интерес к познанию мира.
Что такое атом?
Чтобы лучше понять, о чем пойдет речь на страницах этого учебника, приведем статью знаменитого американского физика Ричарда Фейнмана (Richard Phillips Feynman, 1918–1988).
В основе единого и более глубокого понимания вещей и явлений, к которому постоянно стремился человек, всегда лежало представление о строении вещества. Первые более или менее ясно сформулированные положения были высказаны уже очень давно, более 2000 лет тому назад в Древней Греции. Основных точек зрения было две: либо вещества можно бесконечно размельчать, так что при каждом следующем дроблении их свойства остаются неизменными, либо вещества в конечном счете состоят из неких единых неделимых первочастиц, так называемых атомов (от греческого atomos – 'неделимый'). В те времена не было никаких возможностей убедиться в справедливости того или иного утверждения, и они оставались просто предположениями.
Первые научно обоснованные представления о строении вещества возникли в середине ХIХ века, когда в химии сложились представления о молекулах и атомах. Молекула – это вещество, мельчайшая частица химического соединения, которая обладает всеми свойствами этого вещества. Молекула состоит из атомов, которые являются мельчайшими частицами химических элементов. Изучая атомы, химики и физики к концу позапрошлого столетия пришли к единодушному пониманию двух обстоятельств, очень важных для нас, но которые мы здесь не имеем возможности подробно рассматривать. Во-первых, атомы чрезвычайно малы, их размеры порядка 10–10 м, и, во-вторых, они электрически нейтральны. В целом считалось, что именно такой атом и является тем, что древние греки называли atomos.
Но к концу того же ХIХ века стало ясно, что и атом тоже должен из чего-то состоять. Сравнительно просто удалось выделить из вещества очень легкие частицы с отрицательным электрическим зарядом – электроны. Эти частицы были приблизительно в 2000 раз легче самого легкого атома в природе – водорода. Вот с этого момента и начинается наш рассказ о том, что произошло дальше с «неделимым» атомом.
В начале минувшего столетия, в 1910–1913 годах, было обнаружено, что атомы состоят из положительно заряженного сверхмалого (10–15 м), но тяжелого ядра, в котором сконцентрировано не менее 99,95% всей массы атома, и электронной оболочки. Развитие модели атома показало, что электроны в электронной оболочке располагаются слоями и что химические свойства атома – способность образовывать химические соединения – определяются внешним слоем электронной оболочки. Порядковый же номер элемента в периодической системе химических элементов равен зарядовому числу атомного ядра, или, что то же самое, числу электронов в электронной оболочке электрически нейтрального атома.
Вскоре, в 1930-х годах, было открыто, что атомное ядро, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц – протонов и нейтронов (с общим названием нуклоны), что позволило объяснить и некоторые ранее непонятные явления, например, существование изотопов и радиоактивность. Силы взаимодействия между нуклонами ядра очень велики, и энергии, характерные для ядерных превращений, в миллионы раз превышают энергии при химических реакциях. Поэтому в ядерных процессах могут высвобождаться исключительно большие количества энергии. Это обстоятельство до неузнаваемости изменило жизнь человека на Земле.
К сказанному Ричардом Фейнманом можно добавить, что уже к 1960–1970-м годам выяснилось, что протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из «меньших» частиц – кварков, которые столь элементарны, что в обычном смысле они не состоят ни из чего. В нашем учебнике мы ограничимся миром атомов и молекул, рассмотрим строение атома и мир атомных ядер.
Первая часть учебника посвящена учению о теплоте. Рассматривая движение атомов и молекул, мы попытаемся объяснить различные тепловые явления. Между находящимися в постоянном движении атомами и молекулами действуют силы притяжения и отталкивания, при этом в одном и том же веществе в зависимости от того, находится оно в твердом, жидком или газообразном состоянии, взаимное расположение молекул и характер их движения различаются. Учение о теплоте в целом и основывается на так называемом тепловом движении молекул. Добавим, что скорость движения частиц вещества и температура тела взаимосвязаны.
Вторая часть учебника посвящена миру атомов и молекул. Мы поговорим о строении атома, о том, как возникают атомные спектры, из чего состоит атомное ядро и что такое ядерная энергия. И поймем, что наше воображение с трудом может представить себе, каков он, мир атомов, поскольку микрочастицы обладают свойствами, разительно отличающимися от более понятного и доступного нам макромира, объекты которого мы сами можем видеть и ощущать.
