Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

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 вы почувствуете 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 случае а, 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 б и г). Обратите внимание, что чем значительнее скачок, тем больше выделяется энергии и тем короче длина волны света (б в 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