Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты - Черепенчук Валерия

При расщеплении всего 0,5 грамма урана выделяется энергия, сопоставимая с той, которую можно получить при сгорании 150 литров нефти

№ 71

Мелочь пузатая: протоны и нейтроны

Надо сразу уточнить, что понятие «делимости-неделимости» того или иного элемента достаточно условно: атом тоже когда-то считался неделимым, но наука постоянно обогащает нас новыми открытиями.

Давайте познакомимся с составными частями атомного ядра: протонами и нейтронами.

Когда Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро, практически ни у кого из ученых не возникло сомнений, что оно, как и сам атом, скорее всего тоже имеет сложную структуру. И к 1919 году Резерфорд опытным путем доказал – атомное ядро тоже можно разложить на составляющие, одной из которых является протон (от греч. «первый», «основной»). Причем химически протон тождествен ядру атома водорода: ученый установил, что ядро атома водорода обнаруживается при расщеплении ядер множества других элементов.

Ученик Резерфорда, Джеймс Чедвик (1891–1974), в 1932 году открыл новую частицу, не обладающую электрическим зарядом, – нейтрон (его назвали так именно за его электрическую нейтральность). Вновь открытый «жилец» атомного ядра обратил на себя внимание именно тем, что никак не реагировал на электромагнитное поле. За это открытие ученый в 1935 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

Интересно, что протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая почти в 1800 раз выше, чем масса электрона. Кстати, для обозначения сил, связывающих протоны и нейтроны в ядре, ввели особое понятие – «сильное взаимодействие». У него совсем небольшой радиус действия, но оно очень выражено.

Иногда протоны и нейтроны объединяют общим названием – нуклоны (от латинского «nucleus» – «ядро»)

№ 72

Новая «зверушка»: предположение о кварках

С развитием сложной техники у человека появилась возможность проникать все глубже и дальше в структуру частиц, о существовании которых раньше никто даже не подозревал. Становилось ясно, что электроны, протоны, нейтроны – это лишь небольшая часть всех тех удивительных явлений, которые принято объединять условным названием «мелкие частицы». И в 1960-х годах американский физик Марри Гелл-Манн (род. в 1929) ввел новую «точку отсчета» – кварк и упорядочил всю систему субатомных частиц (то есть тех, которые мельче атома и входят в его состав). Он предположил, что большинство составляющих атомного ядра можно разложить на комбинации из трех разных кварков. За это ученый в 1969 году был отмечен Нобелевской премией. Теория о кварках была подтверждена опытами его коллег, когда стало возможным сделать макроснимок протона.

№ 73

Большой, адронный: зачем нужен коллайдер?

В 2008 году прошли первые испытания Большого адронного коллайдера. Мир замер в ожидании: чего только не говорили! И что коллайдер «засосет весь мир в черную дыру», и что он «приблизит конец света»… Страху нагоняло и то обстоятельство, что коллайдер – действительно колоссальное сооружение. Грубо говоря, он представляет собой огромную кольцеобразную трубу, проложенную на глубине около 100 метров под территориями Франции и Швейцарии. Строили его ученые, инженеры, архитекторы и программисты со всего мира. Но зачем?

Адронным коллайдер называется потому, что название «адроны» носят некоторые элементарные частицы. И одной из функций коллайдера является изучение адронов и составляющих их кварков. Ученые намереваются с его помощью не только углубиться в изучение элементарных частиц, но и проверить некоторые теории относительно возникновения и развития Вселенной, в частности теорию Большого взрыва.

Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м

Если вкратце обрисовать суть действия коллайдера, то можно сказать так: в нем частицы разгоняются до огромных скоростей и сталкиваются, а исследователи наблюдают за их поведением. Собственно, само слово «коллайдер» дословно и означает «сталкиватель». Контроль над экспериментом поддерживают в том числе мощнейшие магниты, которые не позволяют частицам повести себя так, «как им хотелось бы». Все происходящее фиксируется высокоточной техникой.

Кстати, этот коллайдер – далеко не первый в мире, просто он самый масштабный и, конечно, дорогостоящий. Но если говорить о науке в целом, то были в ее истории и более дорогие проекты.

Одной из целей работы коллайдера называют поиск бозона Хиггса, элементарной частицы, придающей массу всем остальным и служащей без преувеличения связующим звеном Вселенной

№ 74

Сижу за решеткой… Структура кристаллов

Вам доводилось бывать в геологических музеях? Наверняка вы видели, скольких восхищенных посетителей привлекают к себе кристаллы. Прозрачный горный хрусталь, разноцветный кварц… Их друзы – сочетания острых выступов и граней – напоминают украшения Снежной королевы! Но с точки зрения физики и геологии называть эти минералы кристаллами не совсем правильно. Лучше сказать, что они имеют «кристаллическую структуру». Что же это за структура такая?

Мы достаточно подробно рассмотрели разнообразные мелкие частицы, из которых состоят твердые тела, – атомы, молекулы и прочие. И вы уже знаете, что в жидкостях, газах и большинстве твердых тел частички располагаются беспорядочно. А вот кристаллы от всех прочих веществ отличает как раз то, что их атомы представляют собой не хаотичное скопление, а правильную геометрическую структуру, симметричную и стройную. Такое расположение именуется кристаллической решеткой. Причем у разных веществ кристаллической природы может быть свой, резко отличающийся от других рисунок решетки! Именно ее наличием объясняется тот факт, что большинство кристаллических тел имеют характерную форму – ее созданию и сохранению способствует как раз кристаллическая решетка.

Кристаллическая решетка

Кристаллы

Интересно, что в зависимости от расположения совершенно одинаковых атомов могут образоваться в итоге различные минералы. Так, из атомов углерода (просто по-разному расположенных) формируются и прозрачный алмаз, и непрозрачный, матово-черный графит.

Большинство пространственных групп кристаллов – то есть способов расположения их кристаллических решеток – были описаны русским ученым Евграфом Федоровым (1853–1919)

№ 75

Жидковато будет! Кристаллы, но… жидкие

В 1888 году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (1857–1927) открыл интересные образования – жидкие кристаллы. Само это словосочетание казалось абсурдом: ведь уже было известно, что кристалл – это твердое тело, причем не просто твердое, а обладающее строгой структурой! Но Рейнитцер доказал: эти вещества на самом деле сочетают в себе упорядоченность составляющих их частиц и текучесть. Примером таких веществ являются, например, холестерики – соединения холестерина со стероидами.

Характерной чертой жидких кристаллов является их способность менять цвет под воздействием повышения или понижения температуры. Это позволяет использовать их в качестве разнообразных индикаторов: например, чувствительный жидкий кристалл сразу «даст сигнал» о неисправности какого-либо элемента в механизме, отреагировав на разницу температур.