Оболочечная структура и химические свойства

Электронная оболочка, заполненная всеми положенными ей электронами, оказывается очень стабильной и тесно связанной с ядром. В конечном счете она образует сферически-симметричный панцирь, защищающий ядро, и уменьшает его эффективный электрический заряд, окружая положительные протоны отрицательными электронами. Поэтому электроны внешних оболочек воспринимают остальную часть системы как ядро с меньшим зарядом и оказываются менее связанными; кроме того, существует сходство между конфигурацией этих электронов и той, которую они образовали бы вокруг ядра с меньшим эффективным зарядом; это сходство приводит к сходству химическому и лежит в основе теории Менделеева.

Химические свойства атома зависят почти исключительно от структуры и конфигурации самой внешней электронной оболочки. Эта оболочка может быть не целиком заполнена: полное число электронов в атоме задано (зарядом ядра), и его может не хватить для точного заполнения всех отведенных мест во всех электронных оболочках. А вот так называемые благородные газы, которые почти не участвуют в химических реакциях, состоят из атомов, все оболочки которых полностью заполнены. Итак, принцип Паули несет ответственность за стабильность вещества и за огромное разнообразие химических соединений; само наше существование связано с ним. Если бы вдруг он потерял силу, то атомы коллапсировали бы до конфигураций, чрезвычайно маленьких и химически инертных; вещество в знакомом нам виде перестало бы существовать. Принцип Паули имеет глубокие корни и основан на изначальных и существеннейших свойствах геометрии нашего пространства. Придя из микрокосма, он тем не менее оказывает непосредственное влияние на стабильность звезд.

Ядерные силы

После изложения основ теории относительности, квантовой механики и атомной физики интереснее всего охарактеризовать в общих чертах имеющиеся данные о самой глубинной структуре материи, т.е. поговорить о физике атомных ядер и элементарных частиц. Прежде чем начинать рассказ о ядерных силах, уместно бегло напомнить этапы пути, приведшего к становлению квантовой механики.

Атомы

Разговор о частицах всегда начинается с атомов, представление о которых восходит к Демокриту, жившему примерно 400 лет до н.э. Демокрит считал, что атомы – это неделимые частицы материи, различающиеся только формой, величиной, положением и порядком, и что таких атомов есть четыре вида:

атомы земли, воды, воздуха и огня. Этот путаник Аристотель добавил к ним еще атомы эфира. Длительное время считалось, что атомы этих пяти видов представляют собой пять платоновских правильных многогранников (среди которых куб и октаэдр). Химия девятнадцатого столетия сумела объяснить огромное разнообразие химических соединений и конфигураций вещества, используя меньше сотни различных атомов, выстроенных в ряды в изумительной периодической системе Менделеева.

Если не подниматься выше нескольких тысяч градусов Цельсия и пренебречь явлениями, связанными с радиоактивностью, то атомы можно рассматривать, как шарики, лишенные внутренней структуры и способные вступать в связи друг с другом согласно сложным правилам игры химической валентности. Они воспринимаются при этом как элементарные объекты, невидимые и неизменные. Открытие электрона Томсоном в конце прошлого века и создание модели Бора-Резерфорда, напротив, показали, что атом имеет чрезвычайно сложную структуру и что исследование истинных составных частей вещества только начинается.

Работы Бора привели к рождению популярного образа атома, подобного планетарной системе, в которой электроны вращаются вокруг очень маленького и тяжелого ядра. Электроны заряжены отрицательно и притягиваются положительным зарядом ядра. От этого заряда зависит число электронов в атоме и, следовательно, его химические свойства. Аналогия с Солнечной системой, как уже говорилось, не лишена недостатков. В то время как все электроны строго одинаковы, Земля, например, значительно отличается от Марса или Юпитера. Орбиты планет лежат примерно в одной плоскости (эклиптике), а электронные орбиты наклонены по-разному и заполняют пространство вокруг ядра, образуя последовательность оболочек различной структуры. Тем не менее основное возражение против такого упрощенного представления атома состоит в другом.

Фотоны

В 1887 г. Герц обнаружил, что ультрафиолетовое излучение, падая на металлическую поверхность, может вызвать электрический ток (фотоэлектрический эффект). Падающее излучение поглощается, и его энергия идет на то, чтобы оторвать электрон от атома и освободить его. Проявления эффекта казались весьма странными. Электрону в атоме энергия излучения может быть передана только определенными порциями, пропорциональными частоте излучения. Энергия света оказывается распределенной по квантам, или «атомам» света, называемым фотонами. Фотон был открыт Эйнштейном, давшим правильное объяснение фотоэлектрического эффекта (Нобелевская премия была присуждена ему именно за это исследование, а не за теорию относительности).

Возврат к корпускулярной теории света имел серьезные последствия для всей остальной физики. Для наблюдения какого-нибудь объекта его необходимо осветить дождем из фотонов. Предельная точность, с какой можно определить положение объекта, равна длине волны фотона. Если бы наши глаза видели только сантиметровые радиоволны радара, то мы бы не воспринимали объекты размерами меньше одного сантиметра. Так что при желании увидеть одиночный электрон с помощью микроскопа нам пришлось бы использовать очень коротковолновое излучение, чтобы, например, установить положение электрона внутри атома.

Вероятностное описание

Но малая длина волны равносильна очень высокой частоте и, следовательно, соответствует очень энергичным (жестким) фотонам. Эти фотоны, сталкиваясь с электроном, передают ему энергию, меняя при этом его скорость непредсказуемым образом. Чем лучше известно положение электрона, тем хуже будет измерена его скорость. Большинство физиков (но не Эйнштейн) склонялось к интерпретации так называемой Копенгагенской школы, согласно которой эти ограничения на измеримость положения электрона (да и любой другой частицы) внутренне присущи материи и не зависят от способа наблюдения. Из этого подхода и родилась квантовая механика, согласно которой неопределенность Гейзенберга, в сущности, выражает тот конструктивный принцип, который должен заменить строгий детерминизм Лапласа вероятностным подходом к движению материи.

Вероятностный подход не был принят теми, чьи работы привели с неизбежностью к его становлению, т.е. де Бройлем, Шредингером и самим Эйнштейном, который во время памятных дебатов с Нильсом Бором безуспешно пытался расправиться с таким подходом с помощью различных дьявольски изощренных контр примеров. Следуя своей интуиции, мы представляем себе электрон как мельчайший снаряд, для которого можно в принципе определить последовательность положений в зависимости от времени (траекторию, или орбиту). Напротив, согласно доводам Копенгагенской школы, лучшим аналогом электрона служит волна, распространяющаяся по поверхности моря.

Ни в коем случае не следует всерьез говорить об орбите, или траектории, электрона; эти понятия приближенны и окажутся неадекватными, как только мы начнем изучать движение электрона детально. Электрон, как, впрочем, и все частицы, открытые впоследствии (включая фотон), в сущности, представляет собой волну, а атом можно сравнить с резонансной полостью, в которой находятся сложнейшие электронные волны.

Как уже говорилось, колебания в атоме происходят только в соответствии с набором вполне определенных электронных конфигураций, каждая из которых приближенно соответствует какой-нибудь одной из старых орбит планетарной системы (не всем орбитам соответствуют электронные конфигурации). Такое явление называется «квантованием»; нельзя переходить непрерывным образом с одной орбиты на другую, это можно делать только вполне определенными скачками.

Постигнув атом, физики обратили свое внимание на ядро.

Ядра и ядерные реакции

Резерфорд был первым, кто понял, что в естественном радиоактивном распаде элементов кроется ключ к пониманию строения атомного ядра, и начал в 1919 г. серию экспериментов, в которых впервые осуществил искусственные превращения ядер одних элементов в другие.

Невозможно в нескольких строчках рассказать об интенсивной работе, приведшей в 1932 г. к открытию нейтрона Чедвиком и, наконец, к удовлетворительному описанию атомного ядра. Существуют две элементарные частицы, протон и нейтрон, сила взаимодействия которых намного больше электрической, но которую можно почувствовать только на исключительно коротких расстояниях. Такие силы связывают вместе протоны и нейтроны (называемые нуклонами). Эти связанные состояния как раз и являются атомными ядрами. Масса электрона исчезающе мала по сравнению с массой нуклонов (примерно в 1840 раз меньше); нейтроны и протоны имеют приблизительно равные массы.

Водород состоит из одного-единственного электрона, вращающегося вокруг ядра из одного протона. А уран состоит из 92 электронов, вращающихся вокруг ядра из 92 протонов и 143 нейтронов. Протоны имеют положительный электрический заряд, а нейтроны нейтральны. Отрицательный заряд электронов компенсирует заряд протонов, поэтому атом как целое нейтрален.

В химических реакциях атомы обмениваются электронами. Ядра в этом не принимают участия, а вот в ядерные реакции они вовлекаются, и в этих реакциях освобождаются энергии в миллионы раз больше, чем в химических. Наиболее примечательная из таких реакций – это деление урана-235 (отметим, что 235 = 92 + 143 – это полное число частиц, составляющих ядро). Все протоны имеют одинаковый заряд и отталкиваются друг от друга. По этой причине ядро, содержащее много протонов, может быть нестабильным и стремиться к распаду на два ядра поменьше, которые, следовательно, стабильны. В общем ядра, которые намного тяжелее урана-235, делятся с такой большой скоростью, что все нестабильны, а ядра легче урана-235 вовсе не делятся или делятся с трудом.

Деление

Чудесным образом оказалось, что ядро самого урана-235 не делится только тогда, когда его «не трогают». Если же с ним сталкивается медленный нейтрон, то тотчас происходит деление этого ядра на два больших осколка да еще два или три нейтрона. Поэтому если в кусок урана-235, состоящий из миллиардов миллиардов атомов, попадет первичный нейтрон, который вызовет деление ядра урана и появление других нейтронов, то в свою очередь эти новые нейтроны тоже вызовут реакции деления и рождение дополнительных нейтронов. Каждое деление происходит за очень короткое время (меньше одной миллионной секунды). Таким образом, теоретически должно было бы произойти деление всех атомов урана и рождение огромного количества нейтронов. Каждое деление освобождает большое количество энергии: тысячная часть всей массы превращается в энергию согласно формуле E = mc ², так что при делении 1 кг урана высвободилось бы энергии около 25 млн. кВтч.

Если бы действительно за короткое время произошло деление всех ядер, то мы имели бы взрыв атомной бомбы. В реакторе же дела идут иначе. Прежде всего природный уран представляет собой смесь, содержащую преимущественно уран-238, который не делится, и меньше 1% урана-235. Вот почему большинство нейтронов в конце концов поглощается неделящимися ядрами, и цепная реакция не возникает, если для этого не приняты специальные меры: урановые стержни в реакторе окружают так называемым замедлителем (обычной или, лучше, «тяжелой» водой, графитом или бериллием) для замедления вылетающих нейтронов, чтобы они с большей эффективностью вызывали деление. При таком устройстве реактор управляем; если начинается его перегрев, то в него вставляются стержни из материала (например, кадмия), сильно поглощающего нейтроны, что приводит к прекращению реакции.

Мезоны Юкавы

Но вернемся к ядерным силам. Используя представления только о нуклонах, электронах и фотонах, можно (в принципе) дать органичное описание всех химических свойств вещества и начать изучение ядер в правильном направлении. Теория поля, являющаяся, без преувеличения, одной из самых трудных научных дисциплин и краеугольным камнем современной физики, объясняет электрические силы, сводя их к обмену фотонами между заряженными частицами, т.е. не существует действия на расстоянии (которое, кстати, противоречило бы теории относительности), а электрические силы передаются квантами света, играющими роль клея для электрических зарядов.

С помощью дерзкой аналогии японец Юкава постулировал существование тогда еще не найденных частиц, π-мезонов, или пионов, которые должны были «склеивать» нуклоны, играя роль ядерных сил. В послевоенное время пионы, наконец, были обнаружены и детально изучены на ускорителях нового поколения. Существуют пионы положительные, нейтральные и отрицательные, они образуют семейство (триплет) частиц, которые, если не считать заряда, почти тождественны; это семейство добавляется к семейству нуклонов (дублету), имеющему похожие свойства. Успех, пришедший с открытием пионов, побудил физиков заняться постройкой все более мощных ускорителей. Вначале они просто раздвигали мешавшие стены старых зданий, а потом дошли до проектирования таких ускорителей, как комплекс ЛЭП в ЦЕРНе, имеющий в окружности 30 км. За развитием ускорителей последовали открытия новых частиц; теперь уже вновь обнаруженная частица ни у кого не вызовет удивления, если, конечно, не будет наделена какими-то особо привлекательными свойствами.

Частицы и античастицы

Почти все эти частицы чрезвычайно нестабильны, за исключением, например, электрона, протона и фотона. Некоторые частицы распадаются за времена, очень большие по сравнению с атомными; так, время жизни свободного нейтрона больше четверти часа. Что же мы узнали, изучая эти частицы? Кроме всего прочего, была подтверждена теория Дирака, согласно которой всякая частица имеет свою античастицу с совпадающими и одновременно «противоположными» свойствами. Так, антипротон имеет массу и характеристики движения такие же, как у протона, но противоположный заряд. Антиэлектрон (называемый позитроном) положителен и вместе с антипротоном может образовать атом антиводорода. Наконец, фотон сам является своей античастицей, так же как и нейтральный пион. Можно вообразить целые галактики, состоящие из антивещества. Отличить их от нормальных галактик можно было бы, выполнив очень тонкие наблюдения, находящиеся пока за пределами экспериментальных возможностей наших астрофизиков. Развитая на основе представления о существовании позитрона квантовая электродинамика с исключительной точностью объясняет множество эффектов, имеющих важное философское значение и обнаруженных при излучении света атомами.

Элементарные частицы

Рассмотрим теперь более подробно основные свойства так называемых «элементарных» частиц. Изучение этих свойств представляет, кроме всего, и заметный методический интерес, поскольку приводит к обсуждению самого процесса исследования исходных составляющих вещества.

Семейства частиц

Сколько элементарных частиц обнаружено до сих пор? Если судить по толщине кратких справочников, где описаны их свойства и которые имеют хождение среди физиков, то несколько сотен. Многие из этих частиц собраны в семейства, похожие на семейства нуклонов или пионов. Эти семейства играют роль, сравнимую с ролью периодической системы Менделеева, столь полезной в химии. Но именно такое сходство и наталкивает на мысль, что мы занимаемся классификацией объектов, похожих на атомы, а вовсе не элементарных. Так или иначе, но уже снова начались поиски действительно элементарных составляющих вещества. К 1963 г. выяснилось, что частицы следует объединять в более обширные семейства. Так, например, нуклоны вместе с Λ-частицей и с частицами и должны были образовать сверхсемейство из восьми членов (октет); таким же образом пионы вошли в другой октет и т.д.

Древнегреческие философы приписывали атомам исключительно правильные и симметричные формы. Хотя реальные атомы весьма далеки от этого, мысль о том, что в физике понятие симметрии должно играть важную роль, осталась. Классификация частиц по семействам как раз и отражает существование какой-то симметрии в природе; рассмотрим ее.

SU-3-симметрия

Гейзенберг считал протон и нейтрон двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона. Нуклон может перемещаться в пространстве, вращаться вокруг собственной оси, подобно волчку («спин»), а также принимать два различных образа – быть либо нейтроном, либо протоном. Подобные рассуждения применимы и к трем пионам. Согласно такой точке зрения, переход между протоном и нейтроном происходит в другом, особом, пространстве, для построения которого необходимо ввести дополнительную степень свободы и не ньютоновские измерения.

Прерывистый характер таких переходов обусловлен принципами квантовой механики и тесно связан с идеей квантования орбит, о которой мы уже говорили. Новое пространство, в котором перемещаются нуклоны и пионы, кроме того, что в нем возникают другие семейства частиц, примечательно еще и высокой степенью симметрии (самую простую аналогию мы получим, вообразив круг или сферу). Из этой симметрии следует прежде всего, что частицы, входящие в одно семейство, имеют почти одинаковые свойства, если не считать электрического заряда. Наличие сверх семейств (как говорят физики, мультиплетов SU-3) означает, что у частиц имеются дополнительные степени свободы, или возможности изменения состояния. Существует математическое понятие группы, на котором мы не будем здесь останавливаться. С помощью этого понятия и производится систематизация всех возможных и воображаемых симметрий. Теория групп вошла в теоретическую физику еще в 30-е годы, и ее триумфальное шествие продолжается по сей день. На ее основе можно предсказать детали строения и внутренние иерархии всех семейств группы SU-3; в действительности эти предсказания можно распространить на любую симметрию, включая те, которые еще предстоит открыть.

Кварки

Так было предсказано существование сверхсемейств, состоящих из десяти членов; в одном из них сначала отсутствовал десятый член-частица Ω–, впоследствии открытая на ускорителях. Что еще более удивительно, теория предсказала существование семейства всего из трех частиц, ни одна из которых не была еще обнаружена в природе. Эти гипотетические частицы окрестили «кварками» (слово заимствовано из романа Джойса «Поминки по Финнегану»; «кварк» по-немецки означает также «творог»). Если кварки существуют, то они должны иметь еще не встречавшийся ни у одной частицы дробный электрический заряд, кратный одной трети заряда электрона. По этой причине и из-за их упорного нежелания показаться на ускорителях многие физики ставили под сомнение само их существование. С другой стороны, оказывается очень удобным считать нуклоны, пионы и почти все известные частицы состоящими из кварков. Нуклон, например, состоял бы тогда из трех кварков, а пион – из кварка и антикварка.

Совсем недавно были открыты частицы, для объяснения существования которых требуется введение четвертого и даже пятого кварка. Каждый кварк обладает набором свойств, который получил название «аромат» (ilavour по-английски).

Первая пара кварков, объясняющая строение нуклонов и пионов, известна как u - и d -кварки (up – «вверх» и down – «вниз»). Очарованный и странный (от англ. charm и strangeness) кварки дают начало другим частицам; наконец b – (от слов bottom – «дно» или beauty – «красота») и t (от top – «вершина» или truth – «истина») кварки должны объяснять или предсказывать новые семейства частиц. Кварк t еще не обнаружен, но существует мнение, что он будет открыт в недалеком будущем. Как мы видим, кварки объединены в пары (поколения).

Семейства 1963 г. образованы кварками u, d и s; открытие кварков b и t привело к появлению сложных классификационных схем, которые могли бы составить конкуренцию структурным формулам органической химии. По причинам, на которых у нас нет возможности останавливаться, каждый кварк существует в трех состояниях (каждому из которых присвоили свой «цвет»: желтый, красный, синий – как цвета испанского флага). Итак, должно быть восемнадцать кварков, отмеченных «цветом» и «ароматом». Некоторые физики считают это число слишком большим и хотели бы разложить кварки на более простые или элементарные составные части.

Глюоны

Что же связывает кварки друг с другом? Для этой цели были придуманы глюоны (glue по-английски означает клей) и создана теория, похожая на квантовую электродинамику и названная квантовой хромодинамикой. Эта теория рассматривает сложный пространственно-временной пинг-понг, отражающий передачу посредством глюонов огромных сил, связывающих отдельные кварки. Такие теории пока еще очень далеки от строгих выводов, подобных тем, какие дает квантовая электродинамика, и, хотя они объясняют качественно многие результаты сами являются объектом горячих споров.

Один из наиболее заметных успехов теории связан с экспериментами на ускорителе «ПЕТРА» (PETRA) в Гамбурге. Согласно выводам квантовой хромодинамики, мы не видим свободных кварков, потому что силы взаимодействия между ними, передаваемые глюонами, не убывают с увеличением расстояния. По сути, кварки всегда связаны атомной «пружиной», которая удерживает их с силой в несколько тонн. В Гамбурге наблюдали столкновения электронов и позитронов очень высоких энергий. Их общая энергия в таком столкновении может материализоваться (согласно формуле E = mc ²), превращаясь в пары частиц кварк-антикварк, которые резко расходятся, растягивая «атомную пружину». В конечном итоге множество возникающих при этом частиц разлетается в виде двух струй, ориентированных вдоль «пружины». Временами рождается глюон, который дает начало третьей струе.

Еще одно важное подтверждение существования кварков основано на наблюдаемом распределении заряда внутри нуклонов, которые, судя по всему, состоят из «кусков» с электрическими зарядами, равными дробному заряду – заряду кварка.