Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Используя весы, Дальтон сумел составить список масс своих атомов, по отношению к принятой за 1 массе атома водорода, легчайшего из элементов. Он назвал эти относительные массы атомов атомными весами, и этим названием все еще пользуются. Его эксперименты были грубыми, а его интерпретация этих экспериментов зависела от предположений о том, как много атомов одного элемента соединены с атомами другого, и тут его догадки часто оказывались неверными (рис. 5.3). Так, используя в качестве гида простоту, он предположил, что вода состоит из одного атома кислорода и одного атома водорода, и заключил, что атомный вес кислорода равен 7 (на самом деле, исходя из его предположения, точные измерения дали бы 8); мы знаем, что в действительности вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому истинный атомный вес кислорода равен 16, т.е. атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода. Тем не менее это самая ранняя версия трансдукции во всей ее славе, когда лабораторные наблюдения выражают свойства невидимого.

Рис. 5.3. Атомистическая гипотеза возникла у Дальтона в начале девятнадцатого столетия, и он неоднократно читал о ней лекции. Здесь изображено факсимиле части оформления лекции, прочитанной Дальтоном 19 октября 1835 г. членам Манчестерского механического общества. Неудобоваримые для типографии символы элементов были заменены орфографически более простыми, к немалой досаде Дальтона.

В отличие от древнегреческих умозрений об атомной природе вещества, теория Дальтона была научной. В ней не было никаких ленивых, или даже энергичных, умствований; это были наблюдения, основанные на эксперименте и соединенные с рациональностью. Не все, однако, приняли ее в качестве характеристики реальности. Многие годы среди ученых бытовала точка зрения, что атомы — это вычислительная фикция, полезные символы для совершения расчетов, в том числе расчета масс, но безо всякого реального смысла. Большинство возражений отпало около 1858 г., когда итальянский химик и революционер Станислао Канниццаро (1826-1910) опубликовал гораздо более точный список атомных весов известных элементов, но даже в конце девятнадцатого столетия некоторые крайние консерваторы отказывались прикрепить свое знамя к атомистическому флагштоку.

Современная техника наблюдения продрались сквозь лес возражений, которые пришлось преодолевать Дальтону и его последователям. Сегодня мы имеем возможность видеть атомы как отдельные капли материи (рис. 5.4). и больше нет никаких сомнений в их существовании. Конечно, некоторые социологи науки могут размахивать своими сверхпессимистическими флагами и утверждать, что прибор, использованный для получения этих изображений, является скорее социальной конструкцией, и спроектирован он так, чтобы выражать современную парадигму; однако ученым виднее.

Рис. 5.4. Дальтон вывел заключение о существовании атомов из регулярностей масс элементов, соединяющихся друг с другом. Сегодня мы можем «видеть» атомы, и никакого сомнения в их существовании не возникает. Прибор, с помощью которого получено изображение атомов кремния на поверхности кремниевого образца, называется сканирующим туннельным микроскопом. Он, почти буквально, чувствует проходимую им поверхность, а компьютеры преобразуют сигналы, посылаемые зондом, в изображение с разрешением атомного масштаба.

Итак, что же такое атомы? На что они похожи? Как они сделаны? Дальтон, как и греки, предположил, что атомы есть предел делимости; никакой атом нельзя разрезать на куски, никакой атом не имеет более мелких составляющих. Но если бы это было так, было бы трудно понять, как можно объяснить богатый спектр свойств элементов, поскольку разнообразие свойств проистекает из богатства соединений. То, что атомы на самом деле имеют внутреннюю структуру, впервые продемонстрировал Дж. Дж. Томсон (1856-1940), который в 1897 г. показал, что из атомов могут вылетать электроны. Он объявил о своем открытии в Королевском обществе 30 апреля 1897 г. Электроны были первыми из идентифицированных субатомных частиц, частиц, меньших, чем атом, а работа Томсона в Кавендишской лаборатории в Кембридже показала, что они являются универсальной составляющей вещества и что поэтому атомы действительно обладают внутренней структурой.

В это время (в самом конце девятнадцатого века) случилось великое замешательство относительно того, как могли быть организованы электроны. Кое-кто подозревал, что один атом может состоять из тысяч электронов. Проблема осложнялась отсутствием какой-либо информации о существовании частиц с положительным зарядом, компенсирующим отрицательный электрический заряд электронов. Эту проблему отправила на покой работа новозеландца Эрнеста Резерфорда (лорд Резерфорд Нельсон, 1871-1937), который, находясь в Манчестере, наткнулся в 1910 г. на существование ядра, мельчайшего пятнышка положительно заряженного вещества, лежащего в центре атома, которое, будучи много меньше самого атома, ответственно фактически за всю его массу.

Здесь будет уместно дать представление о размерах и массах различных объектов, которые к этому времени появились на сцене. Типичный атом имеет диаметр около 3 миллиардных метра (3×10−9 м, 3 нанометра, 3 нм). Так, миллион таких атомов, выложенный в ряд, протянется на 3 мм в длину. Теперь вы, может быть, получили возможность вообразить размер этих атомов. Легче представить себе то же тире увеличенным примерно до длины 3 километра, тогда каждый атом занял бы 3 миллиметра, как икринка рыбки «морской воробей».

Как вы, вероятно, догадываетесь, атомы являются довольно большими: им приходится быть такими, потому что в них много чего набито. Большинство людей думает, что атомы очень маленькие, но это лишь потому, что мы сами очень большие: нам приходится быть такими, потому что в нас много чего набито. Когда вы начинаете думать, что атомы большие, они становятся гораздо менее устрашающими. Было бы полезно в воображении надувать атом до тех пор, пока он не достигнет примерно метра в поперечнике.

Ядро атома тоже велико, поскольку в него тоже набито много вещей. Большинство людей думает, что оно очень, очень маленькое; но это не очень хорошие мысли, потому что такие мысли мешают уму вообразить, на что оно похоже. Некоторые ученые могли бы подумать, что такая помеха очень хорошая вещь, поскольку перенесение макроскопических идей на сущности столь малые, как атомы, не говоря уж о ядре, чревато опасностью, ибо знакомые понятия просто не приложимы к столь малым объектам (как мы с лихвой убедимся в главе 7, посвященной квантовой теории). Пусть так, но давайте по крайней мере попробуем вообразить себе диаметр ядра. Эксперименты показывают, что диаметр ядра составляет примерно одну десятитысячную диаметра атома. Поэтому, если мы подумаем об атоме, как о шаре примерно с метровым диаметром, его ядро будет пятнышком с диаметром лишь в одну десятую миллиметра. Поэтому для таких увесистых творений, как мы, ядро действительно очень мало; даже для воспринимающего существа размером с атом оно казалось бы довольно маленьким, хотя и различимым. Но для физиков-ядерщиков, которым необходимо понимать устройство ядер, оно довольно большое.

Как мы отметили, ядро является большим, потому что в него так много набито. В нем располагается положительный заряд атома, который компенсирует отрицательный заряд окружающих его электронов. Здесь также располагается почти вся масса атома, так как только около 0,1 процента его общей массы находится в электронах. Когда вы поднимаете тяжелый объект, вы в действительности поднимаете ядра. Если бы атомы вашего тела могли бы лишиться своих ядер, вы весили бы всего около 20 грамм. Другая, менее известная черта ядер состоит в том, что многие из них вращаются вокруг своей оси, хотя некоторые и не вращаются. Ядра водорода и азота вращаются, ядра углерода и кислорода нет. Вращение ядра не может быть изменено, это, подобно электрическому заряду, внутреннее свойство, и каждому ядру водорода суждено вращаться вечно с одной и той же неизменной скоростью.

В начале двадцатого века стало ясно, что электрон был не первой субатомной частицей, которая была открыта. Самая первая была известна, но не опознавалась в этом качестве, уже более века. Ядро атома водорода, простейшего из всех атомов, состоит из единственной субатомной частицы, протона. Эта частица является сущностью, ответственной за свойства кислот, и когда вы ощущаете кислый вкус лимонного сока, на самом деле ваш язык щекочут протоны. К сожалению, мы не можем здесь исследовать это явление или выяснять, почему язык является хорошим детектором по крайней мере для элементарной частицы одного типа. Протон представляет собой тяжелую частицу с положительным зарядом, равным и противоположным заряду электрона, и с массой примерно в тысячу раз большей массы электрона.